Brevet FR2888326A1 — publié le 20070112

Procédé d'évaluation du vieillissement d'une huile moteur 1] La présente invention concerne généralement les systèmes de lubrification des moteurs à combustion interne et plus particulièrement une méthode pour estimer le niveau d'oxydation d'une huile moteur et recommander une vidange à bon escient. 2] Ces dernières années, les nombreuses améliorations apportées tant au niveau des moteurs à combustion interne qu'au niveau des huiles de lubrification ont permis d'espacer de façon notable la fréquence des vidanges recommandées par le constructeur pour un fonctionnement optimal du véhicule. Néanmoins, la clientèle automobile reste sensible sur ce point et exprime un voeu persistant de réduction encore accrue de la fréquence des vidanges. 3] Le plus souvent, les recommandations des constructeurs sont basées sur des critères élémentaires relativement empiriques tels que le kilométrage parcouru et/ou la durée écoulée depuis la dernière vidange. Or, l'usure d'une huile moteur dépend certes du kilométrage parcouru mais aussi, et surtout, des conditions dans lesquelles ces kilomètres ont été parcourus, en particulier du type de parcours (cycle urbain, autoroute, etc.), de la vitesse du véhicule et du type de conduite adoptée par le conducteur. 4] Pour mieux prendre en compte certains de ces paramètres, on a proposé des algorithmes qui pondèrent le facteur par la température de l'huile. Néanmoins, ces algorithmes ne font qu'estimer l'usure supposée de l'huile et non son usure effective essentiellement liée à son oxydation. Or cette usure effective dépend également de paramètres extrinsèques très difficilement pris en compte. Par exemple, la rapidité avec laquelle une huile pour moteurs se dégrade dépend aussi de la qualité de l'huile utilisée. Si les algorithmes sont basés sur l'hypothèse de l'utilisation d'une huile de relativement mauvaise qualité (peu fluide), les usagers qui privilégient la qualité sont incités à remplacer une huile pourtant faiblement oxydée. 5] Un autre facteur à prendre en compte est celui du rafraîchissement de l'huile par appoint. En effet, il est bien connu que la fréquence des vidanges peut être réduite si le volume d'huile est augmenté. Et de fait, de nombreux véhicules sont de 2888326 -2 nos jours équipés de réservoir à huile de contenance accrue par rapport à ce qui existait il y a quelques années. Néanmoins, il est clair qu'un tel accroissement du volume du réservoir à des limites, tant au niveau de l'encombrement qu'au niveau de l'acceptabilité par la clientèle sensible au coût du remplacement de tout le volume d'huile. Mais de nombreux usagers obtiennent un effet similaire en ajoutant des petites quantités d'huile fraîche de façon régulière entre deux opérations de vidange. Là encore, ceci contribue à une moindre dégradation de l'huile et donc à la possibilité d'un espacement des vidanges, possibilité qui ne pourra certes pas être prise en compte par un algorithme basé sur un modèle simple comme ceux évoqués plus haut. 6] L'usure d'une huile moteur est essentiellement liée à son oxydation qui a quatre conséquences directes: l'augmentation de la viscosité de l'huile, l'augmentation de l'acidité de l'huile, la formation de dépôts, vernis et boues et le noircissement de l'huile. Ces facteurs sont utilisés, seuls ou en combinaison, par des techniques de laboratoire basées sur des prélèvements. A l'évidence, ces techniques ne sont pas adaptées pour des véhicules de particulier et en soi, ne sont pas une solution à la demande d'un entretien simplifié. 7] Il subsiste donc un besoin d'un moyen simple pour recommander une vidange de façon opportune, en tenant compte de l'état réel de vieillissement de l'huile de lubrification. 8] Selon une première variante de l'invention, ce but est atteint par un procédé consistant à évaluer l'indice de réfraction de l'huile par l'analyse de la réflexion par le mélange d'un faisceau lumineux convoyé d'une source lumineuse à l'huile par un guide d'onde pour une pluralité de longueur d'onde de façon à analyser et le vieillissement dû à la modification de la composition chimique de l'huile (essentiellement du fait de son oxydation) et celui dû à sa contamination par des corps étrangers polluants tels notamment du carburant ou de l'eau. 9] L'invention repose sur un principe physique bien connu, à savoir que tout matériau, quel que soit son état gazeux, liquide ou solide, peut être caractérisé par sa constante diélectrique. La constante diélectrique varie avec la pression, la température et dans le cas d'un mélange avec la concentration relative de chacun de ses constituants. Une mesure précise de la constante diélectrique d'une solution dont les constituants sont connus permet bien souvent d'en déduire sa composition exacte. 0] Un moyen simple de détermination de la constante diélectrique d'un fluide consiste dans la mesure de la valeur de la capacité formée par deux électrodes séparées par une épaisseur connue du fluide testé. D'une mise en oeuvre très aisée dans un laboratoire, cette méthode nécessiterait un aménagement important du véhicule et/ou la mise en place d'un circuit de dérivation pour effectuer le prélèvement du fluide. 1] Une autre approche bien connue est basée sur une méthode optique. En effet, la constante diélectrique est une grandeur caractéristique de la réponse d'un matériau à un champ électrique. La lumière étant une onde électromagnétique, sa propagation à travers un matériau est affectée par la valeur de la constante électrique dudit matériau. L'indice de réfraction d'un fluide est donc une mesure indirecte de la constante diélectrique. Par ailleurs, dans le cas d'un mélange, l'indice de réfraction du mélange à une valeur intermédiaire entre celles des indices de réfraction des constituants individuels du mélange, pondérée par les fractions (volumiques, massiques) desdits constituants. Dans le cas d'un mélange biocarburant/hydrocarbure, le problème est simplifié dans la mesure où la nature des constituants du mélange et donc leurs indices de réfraction respectifs est connue. 2] Il a été proposé d'appliquer cette approche optique pour déterminer la composition d'un mélange alcool/fuel dans un véhicule automobile. La publication de brevet européen 0 441 056 au nom de Ford Motor Company Ltd décrit ainsi un dispositif selon lequel le fluide testé circule dans un volume de forme hémisphérique qui redirige la lumière provenant d'une source lumineuse vers un détecteur. La quantité de lumière reçue par le détecteur dépend de l'indice de réfraction du fluide, de sorte qu'on peut en déduire la composition du fluide emprisonnée dans l'hémisphère. Un tel système est très complexe à mettre en oeuvre. 3] Selon le brevet US 5 015 091 au nom de Mitsubishi Denki K.K, la concentration en éthanol d'un carburant est déterminée à l'aide d'un prisme empli du fluide testé. La déviation du faisceau lumineux varie en fonction de l'indice de réfraction du fluide. Ce système est sensible aux contraintes mécaniques et là encore, nécessite une modification du circuit de carburant pour y inclure un accès optique prismatique. 4] Selon les cas, l'évaluation de l'indice de réfraction peut comporter une étape d'estimation de la valeur réelle de cet indice ou simplement de la variation de cet indice par rapport à celui de l'huile. 5] Dans un mode de réalisation particulièrement simple de mise en oeuvre, le guide d'onde peut être constitué par une fibre optique. 6] L'étape d'analyse du faisceau lumineux réfléchi est effectuée de préférence au moyen d'un détecteur après séparation du faisceau réfléchi. 7] Dans une variante préférée de l'invention, l'extrémité du guide d'onde plongée dans l'huile est directement placée dans le réservoir d'huile et l'évaluation du vieillissement est prise en compte pour générer un signal recommandant une vidange au conducteur. 8] L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se referant aux dessins annexes, parmi lesquels: [0019] la figure 1 est un schéma de principe de la propagation d'une onde plane non polarisée entre deux milieux d'indice n, et n2; [0020] La figure 2 est un schéma illustrant un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; [0021] La figure 3 est un schéma de principe montrant les trajets des faisceaux lumineux à l'interface guide d'onde- mélange; [0022] La figure 4 est un schéma illustrant une jonction en Y selon l'invention; et [0023] La figure 5 est un schéma de principe illustrant le fonctionnement de l'invention. 4] Comme il ressort de manière bien connue des relations constitutives dans le cadre de la théorie générale de l'électromagnétisme de Maxwell, l'information optique sur la constante diélectrique si du matériau i est contenu dans l'indice de réfraction n. du milieu qui dans le cas d'un isolant non magnétique est donné par: [0025] Pour mesurer optiquement l'indice de réfraction plusieurs stratégies peuvent être employées. Si, comme illustré figure 1, on appelle n2 l'indice du milieu que l'on cherche à mesurer et n, l'indice du milieu de référence, conformément à la loi de Snell-Descartes sur la réfraction de la lumière, pour une onde non polarisée, le produit de l'indice de réfraction n, par le sinus de l'angle d'incidence i d'un rayon dans un premier milieu est égal au produit de l'indice de réfraction par le sinus de l'angle de réfraction t d'un second milieu, ou encore: ni sin a = n2 sin t [0026] Des relations équivalentes peuvent être écrites dans le cas des ondes non planes et/ou polarisées. 7] Si on mesure l'intensité des faisceaux réfléchi ou réfracté à l'interface du milieu dont on cherche à mesurer l'indice, et si on note n le rapport des indices n, et n2 (n = n2), les coefficients de réflexion R et de transmission T en incidence normale nl pour une onde non polarisée sont donnés par: R= /n 12 + 4n T _ (n + 1)2 [0028] De ces équations, on en déduit que la forme de la courbe donnant le coefficient de réflexion à l'incidence normale en fonction de l'indice de réfraction n2 à déterminer est une parabole. Le maximum de sensibilité est obtenu lorsque les indices n, et n2 sont très différents. 9] Différents systèmes ont été proposés qui utilisent la déviation du faisceau réfracté, proportionnelle à l'indice de réfraction, pour mesure cet indice de réfraction. Ces systèmes nécessitent un accès optique au liquide dont on veut connaître les caractéristiques ainsi qu'un alignement précis et sont, de par leur conception, sensibles aux chocs et vibrations ce qui est pénalisant dans une application automobile. 0] Tel n'est pas le cas de la présente invention qui permet de mesurer l'indice de réfraction d'un fluide automobile pour en déduire ses caractéristiques physiques de façon non intrusive, sans avoir à modifier le réservoir. La technique proposée dans l'invention, surtout dans ses variantes préférées est peu encombrante, robuste et facilement industrialisable, pouvant être notamment basée sur des technologies semiconducteur bien connues dans le monde des télécommunications. Elle est très facilement intégrable dans un véhicule, sans nécessiter de modification de ce dernier. 1] Le principe du réfractomètre selon l'invention est décrit en relation avec la figure 2 qui illustre une première variante de l'invention essentiellement constituée par une source lumineuse 1, un guide d'onde 2 dont une extrémité est plongée dans le fluide mesuré 3 placé dans une enceinte 4. Cette enceinte peut être par exemple constituée par les parois du réservoir d'huile de lubrification du moteur du véhicule, avec une fibre optique ayant par exemple un diamètre extérieur (gaine comprise) de l'ordre de 1 à 5 mm, baignant dans ce réservoir. 2] La source lumineuse 1 utilisée est par exemple une diode électroluminescente (LED), choisie de manière préférée en raison de son coût. Les diodes électroluminescentes commercialisées peuvent émettre une lumière blanche ou une lumière colorée. 3] Pour autant, il est aussi possible d'utiliser un laser ou tout autre source pouvant être injectée dans un guide d'onde, notamment une fibre optique sans trop de pertes. La longueur d'onde du faisceau incident se situe de préférence hors des plages d'absorption du liquide dont on veut mesurer l'indice et si possible, dans un domaine spectral où des détecteurs sensibles et de faible coût sont disponibles. L'émission de lumière peut se faire de façon continue ou par impulsions. Cette dernière méthode est préférée car elle permet de synchroniser la détection du faisceau réfléchi avec son émission, et par la même, de filtrer de façon simple un éventuel bruit de fond. Par ailleurs, certaines sources lumineuses ont une puissance maximale d'émission qui peut être par exemple dix fois plus grande que la puissance d'émission en continu. Utiliser un mode par impulsion permet ainsi d'utiliser une source peu coûteuse, mais néanmoins puissante améliorant ainsi la qualité de la mesure. 4] Le guide d'onde est de préférence une fibre optique, c'est-à-dire un moyen bien adapté dans un environnement soumis à de multiples sources de vibrations comme une automobile. 5] Dans le dispositif selon l'invention, l'indice de réfraction du guide d'onde correspond à l'un des deux indices n, et n2, le second étant l'indice du mélange. Pour simplifier l'interprétation de la mesure, il est préférable que l'indice de réfraction du guide d'onde soit en dehors de l'intervalle correspondant aux indices de réfraction possible pour l'huile. 6] Une huile vieillit essentiellement pour deux raisons: d'une part, elle est polluée par des gouttelettes de carburants, d'autre part, elle s'oxyde. Etudier une huile selon au moins deux longueurs d'onde distinctes permet d'étudier ces deux aspects. 7] Dans une variante de l'invention, le guide d'onde peut être choisi tel que son indice de réfraction soit essentiellement identique à celui d'une huile de vidange neuve correspondant aux recommandations du constructeur est utilisée. Dans ces conditions, la réponse du détecteur sera essentiellement linéaire, la réfraction augmentant avec le vieillissement de l'huile. 8] A noter que si le guide d'onde est constitué par une fibre optique, il est aisé d'obtenir un ajustement de cet indice de réfraction, par exemple par dopage ou en choisissant de façon idoine le rapport entre les diamètres intérieur (coeur) et extérieur (gaine) de la fibre, toute technique bien connue de l'industrie des fibres optiques. 9] Il est aussi possible de choisir un guide d'onde dit multi-mode, autrement dit transmettant des faisceaux lumineux non unidirectionnels. L'invention peut ainsi être mise en oeuvre en choisissant une fibre optique avec un coeur relativement épais , généralement considérée comme de qualité inférieure notamment par rapport aux applications dans la télécommunication, et surtout, le faisceau lumineux n'a pas besoin d'être très fin et précis, comme ce serait le cas notamment avec une source relativement onéreuse tel qu'une source de rayon laser. 0] Le principe de la mesure reposant sur la détection du faisceau réfléchi, il va de soi que le guide d'onde doit être tel que le faisceau réfléchi peut être effectivement renvoyé. Ceci écarte les fibres optiques ayant une extrémité taillée en biseau notamment en vue de minimiser les réflexions, alors que la préférence ira pour les guides d'onde présentant une face terminale clivée, perpendiculaire à la direction générale du faisceau lumineux. Figure 3 sont représentés les trajets des faisceaux lumineux à l'interface du guide d'onde et du mélange. Sur cette figure, lo désigne l'intensité du faisceau émis par la source lumineuse en direction du mélange d'indice de réfraction n2, IT, la part du faisceau lumineux transmis, IR la partie réfléchie et n, l'indice de réfraction de la fibre optique. 1] Le système représenté à la figure 2 comporte de plus un système de séparation 5 pour accéder au faisceau réfléchi. Ce séparateur peut être par exemple une lame séparatrice, un cube séparateur ou autre moyen équivalent bien connu des spécialistes optique. Dans une variante plus spécialement préférée, ce séparateur est une jonction de fibres optiques en X ou de préférence encore en Y, l'injection se faisant de préférence par une des deux branches, comme illustré figure 4. 2] Dans le cas d'une jonction Y, considérée comme deux branches fusionnant en une branche, le faisceau lumineux est introduit par une des deux branches initiales, rejoint la branche commune, est reflété et le faisceau réfléchi est détecté dans la seconde branche. Ceci est illustré figure 3, dans laquelle E correspond à la source lumineuse émettrice, D au détecteur et R au milieu réfléchissant. Ce mode de réalisation convient notamment lorsque la source est à un instant donné, monochromatique (cas où des diodes de couleurs sont utilisées tour à tour par exemple). Avantageusement, cette jonction Y sera telle que la plus grande partie du faisceau réfléchi est dirigée vers le détecteur, par exemple 99% du faisceau réfléchi étant dirigé vers le détecteur et seule la partie résiduelle, de l'ordre d'au plus 1% continue en direction de la source lumineuse. 3] Une jonction en X est également possible, avec par rapport au cas précédent une branche supplémentaire munie d'un second détecteur servant de donnée de référence. 4] Dans une autre variante de l'invention, le dispositif ne comporte pas de séparateur proprement dit mais une zone dans laquelle la fibre est dénudée (ou du moins est transparente à un rayon lumineux ayant une composante non strictement parallèle à la direction principale de la fibre. En effet, si la fibre est multi-mode, le faisceau lumineux se propage en partie par une succession de bifurcation contre les parois. Avec un trou dans la fibre, en regard duquel est placé un détecteur, on peut mesurer l'amplitude de la fuite et en déduire l'amplitude du faisceau réfléchi. Cette technique peut demander un étalonnage, par exemple en utilisant un mélange ayant un indice de réfraction identique à celui du guide d'onde de façon à identifier la fuite du faisceau lumineux émis. 5] Le dispositif selon l'invention comporte aussi au moins un détecteur 6 permettant de mesurer l'intensité du faisceau réfléchi Ce détecteur est par exemple du type photodiode, joulemètre etc. Le détecteur est associé à une électronique de mesure et de commande, ici non représenté. Un dispositif du même type pourra être utilisé pour le détecteur optionnel 7, utilisé pour mesurer une intensité de référence ou pour détecter une panne du système d'éclairage. 6] Un mode de fonctionnement de l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 5, dans laquelle les éléments communs avec la figure 2 portent les mêmes références. La lumière est injectée dans l'un des bras 10 du coupleur 5, ici un coupleur en Y. La lumière traverse le coupleur et est guidée dans la branche 11 jusqu'à l'extrémité sonde immergée dans le liquide dont on cherche à mesurer l'indice de réfraction. A l'interface entre la fibre et le liquide, la lumière est réfléchie vers l'intérieur de la fibre. L'intensité du faisceau réfléchi dépend du l'indice du liquide dans lequel la fibre est plongée. Le faisceau réfléchi est guidé par la fibre et une partie ressort par la branche 12 du coupleur 5 pour y être évalué par un détecteur. A partir de cette mesure on peut en déduire l'indice de réfraction du liquide. Un coupleur en X peut aussi être utilisé pour mesurer simultanément une intensité de référence avec un autre détecteur. - Io - [0047] Comme selon l'invention, on analyse le faisceau réfléchi sur une pluralité de longueurs d'onde, la détection pourra être effectuée par exemple, suite à un multiplexage de plusieurs réfractomètres en s'assurant que chaque émetteur fonctionne à une longueur d'onde différente. En reconstituant la courbe de dispersion chromatique du liquide on a ainsi une information supplémentaire pour l'analyser. Un moyen simple consiste par exemple à utiliser un ensemble de diodes électroluminescentes colorées, avec un mécanisme de type barillet pour sélectionner la diode de la couleur voulue. 8] Dans une autre variante de l'invention, la source lumineuse est choisie telle qu'elle émet dans une large gamme spectrale (là encore les diodes électroluminescentes constituent une solution commerciale de mise en oeuvre relativement simple) associée à un ensemble de détecteurs placés en aval d'un filtre interférentiel. On pourra utiliser par exemple un coupleur 6DB, c'est-à-dire un coupleur qui décompose le signal réfléchi en 4 signaux portés par les 4 branches qui reçoivent chacune 'A de l'intensité réfléchie. L'une des branches étant utilisée pour la source, on va pouvoir équiper chacune des 3 autres branches avec un filtre interférentiel de façon à détecter le rayon réfléchi dans une longueur d'onde donnée. Les filtres interférentiels seront de préférence de type réseau de Bragg, qui ont l'avantage de pouvoir faire partie intégrante de la fibre, et donc constituent des systèmes robustes. 9] De la description faite ci-dessus, l'homme de l'art ne manquera pas de noter que le procédé selon l'invention est mis en oeuvre essentiellement via une simple fibre optique de quelques millimètres de diamètre, plongée dans le mélange à étudier. La conception ne nécessite aucun alignement et est très robuste mécaniquement. Toute la partie électronique de traitement du signal peut être éventuellement (mais non obligatoirement) réalisée en technologie semi-conducteur et fibre optique, c'est à dire en utilisant des technologies à faible coût, très largement maîtrisées et pouvant être facilement fabriquées à grande échelle. 0] De façon plus générale, l'invention s'applique notamment à tous les fluides utilisés dans des véhicules automobiles, notamment carburants et huile de lubrification, en permettant de contrôler qu'ils sont conformes à des spécifications de base, et le cas échéant en intégrant l'information sur la nature du fluide disponible dans les stratégies de contrôle moteur, ou en recommandant un remplacement du fluide si besoin est. 1] Dans la mesure où l'invention permet d'étudier le vieillissement d'une huile selon ces deux aspects principaux, il est aussi possible de prévoir des moyens pour afficher cette information, ou du moins pour la mémoriser par exemple dans des moyens de stockage associés à l'ordinateur de bord du véhicule, ce qui permettra d'optimiser la maintenance du véhicule, sachant que l'huile est par exemple trop contaminée, et en préconisant donc des réparations adaptées. - 12 - Revendications 1. Procédé d'évaluation du vieillissement d'une huile moteur comportant l'évaluation de l'indice de réfraction du mélange par l'analyse de la réflexion par le mélange d'un faisceau lumineux convoyé d'une source lumineuse à l'huile par un guide d'onde pour une pluralité de longueur d'onde du faisceau incident de façon à observer le vieillissement dû à la modification de la composition chimique de l'huile et celui dû à la contamination par des corps étrangers. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le guide d'onde est multi mode. 3. Procédé selon la revendication 1, comportant de plus une étape de séparation du faisceau lumineux réfléchi. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de séparation du faisceau lumineux réfléchi est effectuée au moyen d'une jonction Y. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le guide d'onde est une fibre optique. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fibre optique est choisie telle que son indice de réfraction est égal à celui d'une huile recommandée par le constructeur pour le véhicule. 7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que l'extrémité de la fibre optique en contact avec le mélange présente une face clivée. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la source lumineuse est une source laser. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la source lumineuse est une diode électroluminescente. - 13 - 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la source lumineuse est polychromatique. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le mélange est placé dans le réservoir d'huile d'un véhicule motorisé. 12. Procédé selon la revendication 11 selon un signal d'alerte est généré pour recommander une vidange. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que des moyens sont de plus prévus pour afficher ou mémoriser l'information sur la nature du vieillissement de l'huile.