Brevet FR2922309A1 — publié le 20090417

� Dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules embarqué dans une ligne d'échappement d'un véhicule automobile� La présente invention concerne un dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules embarqué dans une ligne d'échappement d'un véhicule automobile. Les polluants issus de la combustion d'un moteur de véhicule automobile, que celui-ci soit un moteur Diesel ou un moteur essence, sont majoritairement des hydrocarbures imbrûlés, des oxydes d'azote, comme le monoxyde d'azote NO et le dioxyde d'azote NO2, des oxydes de carbone comme le monoxyde de carbone CO et, notamment dans le cas des moteurs Diesel et des moteurs à injection directe essence, des particules. Afin de respecter les normes environnementales internationales, la maîtrise des émissions de HC, de CO, de NOx et des particules est impérative et des technologies de post-traitement sont indispensables. La maîtrise des émissions de particules, peut être réalisée avec une efficacité jusqu'à 99% et, en tout cas, supérieure à 80% par l'utilisation d'un filtre à particules. C'est la technologie qui se généralise progressivement dans le cas des moteurs Diesel. Le document FR-A-2 892 765 décrit une ligne d'échappement des gaz d'un moteur de véhicule automobile, notamment d'un moteur Diesel, du type comportant des premiers moyens formant catalyseur d'oxydation et des seconds moyens formant filtre à particules, disposés respectivement à proximité de la sortie des gaz du moteur et à en amont de ces premiers moyens. Malgré l'efficacité d'un tel dispositif, une mesure embarquée des émissions de particules est utile, voire nécessaire. En effet, cette dernière peut être utilisée, d'une part, pour un diagnostic du filtre à particules afin de détecter en aval du filtre d'éventuelles émissions de particules et, d'autre part, pour un suivi des émissions à la source afin d'optimiser la fréquence de régénération du filtre en fonction du type de roulage et d'éventuelles dérives des émissions de particules du moteur au cours du temps. Le document US-A-2001/0051108 décrit un procédé et un dispositif pour la détermination d'une concentration de particules de suie dans un flux de gaz, par exemple de gaz d'échappement d'un véhicule automobile, dans lesquels procédé et dispositif, au moins, une partie du flux de gaz traverse un premier élément poreux dans la direction d'écoulement des gaz, ce premier élément poreux étant chauffé par un second élément et la température de ce premier élément étant mesurée par un troisième élément. Dans les modes de réalisation proposés par ce document, le paramètre à mesurer pour la détermination de la concentration en suie est toujours la température du premier élément ce qui nécessite toujours un troisième élément sous la forme d'une sonde de température. De plus, le moyen de chauffage électrique n'est jamais détaillé. Le fait dispositif de effet, quand les premier et second éléments sont distincts, il y a une déperdition de chaleur entre ces deux éléments qui nuît au chauffage du premier élément. Il conviendrait de déterminer un moyen de chauffage électrique qui puisse réduire ces pertes. Dans un autre cas de figure, le fait que le second élément soit séparé du troisième induit une erreur dans la mesure de température faite par ce troisième élément. Il conviendrait de trouver, soit un autre paramètre de mesure pour la détermination de la concentration en suie, soit d'améliorer la mesure faite par ce troisième élément. Ainsi, le document précédemment cité propose toujours trois éléments constitutifs pour le dispositif d'utiliser trois éléments séparés pour le mesure présente certains inconvénients. En de mesure en n'abordant pas le problème de la simplification de ce dispositif mais traitant essentiellement du désavantage de l'utilisation de haut voltage, entre 1.000 et 5.000 Volts pour l'alimentation électrique du second élément, ce qui n'est pas le problème de la présente invention et ne donne aucune indication à l'homme de métier l'incitant à simplifier le dispositif de mesure de particules décrit dans ce document. La présente invention a pour but de fournir un dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules contenues dans un flux de gaz qui soit simple et qui puisse notamment diminuer les pertes de chaleur entre les éléments composant ce dispositif avec, d'une part, au moins un des éléments constitutifs de ce dispositif pouvant être regroupé avec un autre ou supprimé et, d'autre part, un choix du moyen de chauffage du second élément pouvant apporter un chauffage plus efficace du premier élément et une mesure plus précise de la concentration en particules. A cet effet, l'invention a pour objet, selon un premier mode de réalisation, un dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules contenues dans un flux de gaz, ce dispositif étant traversé, au moins partiellement, par ce flux de gaz et comprenant un premier élément d'accumulation d'une partie des particules du flux comportant un moyen de collecte de celles-ci, un second élément comportant un moyen de chauffage électrique du premier élément afin d'entraîner la combustion des particules accumulées par celui-ci et un troisième élément comportant un moyen de mesure d'un paramètre représentatif de la concentration en particules accumulées dans le premier élément, caractérisé en ce que le moyen de chauffage électrique est une thermo résistance et en ce que le second élément remplace le troisième élément en effectuant la mesure de la concentration en particules accumulées avec comme paramètre le courant le traversant. L'invention a pour objet, selon un second mode de réalisation, un dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules contenues dans un flux de gaz, ce dispositif étant traversé, au moins partiellement, par ce flux de gaz et comprenant un premier élément d'accumulation d'une partie des particules du flux comportant un moyen de collecte de celles-ci, un second élément comportant un moyen de chauffage électrique du premier élément afin d'entraîner la combustion des particules accumulées par celui-ci et un troisième élément comportant un moyen de mesure d'un paramètre représentatif de la concentration en particules accumulées dans le premier élément, caractérisé en ce que le moyen de chauffage électrique du second élément est une bougie de préchauffage Diesel, le moyen de collecte du premier élément étant disposé sur ou autour de la pointe de la bougie de préchauffage Diesel. Selon des caractéristiques additionnelles de ce dispositif : - dans le premier mode de réalisation, le moyen de collecte du premier élément est disposé le plus près possible du moyen de chauffage du second élément, -le courant traversant la bougie de préchauffage Diesel est corrélé à la température à la pointe de celle-ci et, dans ce cas, le second élément remplace le troisième élément en comprenant un moyen de mesure du courant la traversant comme paramètre pour le calcul de la concentration en particules accumulées, - le moyen de mesure du troisième élément est une sonde de température, pour la mesure de la teneur en particules accumulées selon la température de la bougie de préchauffage Diesel, ce troisième élément se situant le plus près possible du second élément ou en étant inclus dans celui-ci, - le moyen de collecte du premier élément est sous forme d'une mousse ou d'un grillage métallique ou céramique présentant des aspérités, telles que des aiguilles, des ondulations ou tout autre composant permettant de créer une turbulence favorisant la captation de particules quand ce moyen de collecte est traversé par le flux de gaz sans que ce dernier soit arrêté, le premier élément présente une forte conductivité thermique, - les éléments du dispositif peuvent être réunis en un seul, - le dispositif est relié à ou comprend un moyen de calcul, ce moyen de calcul déterminant la concentration totale en particules dans le flux de gaz d'après la concentration en particules accumulées dans ce dispositif évaluée en fonction du paramètre mesurée par celui-ci. L'invention concerne également une ligne d'échappement d'un véhicule à motorisation essence ou Diesel, caractérisée en ce qu'elle comprend un tel dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules. La ligne d'échappement d'un véhicule, peut avantageusement, présenter le dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules se trouvant après le catalyseur de cette ligne ou, le cas échéant, après le filtre à particules. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation synoptique illustrant un exemple d'une ligne d'échappement de véhicule automobile, - la figure 2 est un schéma du dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules contenues dans un flux de gaz, conformément à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est un schéma du dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules contenues dans un flux de gaz, conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, - les figures 4 et 5 illustrent un schéma respectif d'un premier élément d'accumulation du dispositif, conformément à deux modes de réalisation de cet élément, - les figures 6a et 6b illustrent une courbe de courant d'alimentation de la bougie du second élément du dispositif en fonction du temps, respectivement dans le cas de non accumulation et d'accumulation de suie, - les figures 7a et 7b illustrent une courbe de température mesurée par le capteur en fonction du temps respectivement, dans le cas de non accumulation et d'accumulation de suie. La figure 1 montre une ligne d'échappement 1 sortant d'un moteur 2 se présentant sur cette figure sous la forme d'un moteur Diesel à quatre cylindres. Il est évident que d'autres types de moteurs 25 peuvent être envisagés. Ce moteur est associé à un collecteur 3 des gaz d'échappement en sortie des cylindres du moteur et à un turbocompresseur 4 débouchant dans la ligne d'échappement 1. 30 Les gaz d'échappement contiennent des particules et des oxydes qu'il convient d'éliminer afin d'assurer une compatibilité avec les normes anti-pollution en vigueur. Dans ce qui va suivre, les particules concernées sont essentiellement composées de suie mais il est évident que 35 cela n'a pas un caractère limitatif sur le dispositif décrit dans la présente demande. Pour l'élimination de ces particules, la ligne d'échappement 1 comprend consécutivement un catalyseur d'oxydation 5 et un filtre à particules 6. Pour la surveillance d'un fonctionnement adéquat de cette ligne, il est prévu, selon la présente invention, un dispositif permettant à la fois d'accumuler les particules contenues dans les gaz d'échappement en vue de leur destruction tout en mesurant la concentration de ces particules pour le contrôle du bon fonctionnement du filtre à particules. Ce dispositif sera mieux vu aux figures 2 et 3. Deux positions sur la ligne d'échappement 1 sont préférées : soit la position référencée a directement à la sortie du catalyseur d'oxydation 5, soit la position référencée b après le filtre à particules 6. Ainsi selon son positionnement, ce dispositif peut être utilisé pour le suivi des émissions de particules du moteur, s'il est placé en amont du filtre à particules 6 ou pour le diagnostic du filtre à particules 6 s'il est placé en aval de celui-ci. Le principe à la base du dispositif est d'accumuler des particules, dans le cas présent sous forme de suie, de réaliser la combustion forcée de ces particules de suie et de mesurer un paramètre représentatif de cette combustion, par exemple la chaleur émise par la combustion de ces dernières ou le courant d'alimentation du moyen de chauffage. En accord avec les figures 2 et 3, de manière connue, le dispositif sujet de la présente demande comprend trois éléments 7, 8, 10 à placer dans la ligne d'échappement : - un premier élément 8 permettant de retenir et d'accumuler une partie des particules contenues dans le flux de gaz s'écoulant selon la flèche F et réalisant ainsi une fonction d'accumulation de ces particules, un second élément 7 permettant de générer en quelques secondes sur une zone limitée une chaleur très élevée par chauffage électrique, de préférence supérieure à 700°C, cet élément 7 devant être situé à proximité immédiate du premier élément 8 afin d'entraîner la combustion des particules accumulées, cet élément 7 réalisant ainsi la fonction chauffage, - un troisième élément 10 effectuant une mesure d'un paramètre représentatif du dégagement de chaleur, par exemple la température, ce qui permet de mesurer l'évolution du dégagement de chaleur à proximité du premier élément 8 et donc d'extrapoler le résultat obtenu pour déterminer la concentration des particules dans le flux des gaz d'échappement, cet élément 10 réalisant ainsi la fonction mesure. D'autres paramètres peuvent aussi être pris en ligne de compte, comme le courant traversant le second élément 7. Selon la présente invention deux modes principaux de réalisation sont possibles. Selon le premier mode de réalisation, le moyen de chauffage électrique est une thermo résistance et le second élément 7 remplace le troisième élément 10 en effectuant la mesure de la teneur en particules accumulées avec comme paramètre le courant le traversant. Ce mode de réalisation est montré à la figure 2 qui ne présente pas de troisième élément, car l'élément de chauffage 7 intègre celui-ci pour la détection du dégagement de chaleur local. Dans ce mode de réalisation, le moyen de chauffage peut être une thermo résistance et, du courant passant par celle-ci, on déduit la chaleur dégagée par la combustion de la suie. Dans une réalisation préférentielle selon la figure 2, l'élément de chauffage est une bougie de préchauffage Diesel avec une caractéristique spécifique. En effet, la technologie d'une bougie de préchauffage Diesel est simple et très répandue ce qui permet de réaliser avantageusement la seconde fonction. La caractéristique spécifique de la bougie de préchauffage utilisée dans de mode de réalisation est que son courant d'alimentation est proportionnel à la température à la pointe de celle-ci, ce qui la rend similaire à une thermistance et permet de combiner en un seul élément les second et troisième éléments 7 et 10. Dans ce cas, la mesure du dégagement de chaleur est réalisée par mesure du courant d'alimentation de la bougie. Le premier élément 8 se trouve à la pointe de la 10 bougie pour une meilleure conduction de la chaleur et donc pratiquement intégré au second élément 7. Dans le cas d'une bougie de préchauffage, comme c'est le cas à la figure 2, le premier élément 8 peut être réalisé sous la forme d'un moyen d'accumulation des 15 particules autour ou à proximité immédiate de la pointe de la bougie. Comme il sera mieux vu aux figures 4 et 5, Cet élément peut être sous la forme d'une mousse métallique 11 ou céramique, d'un élément métallique ou céramique présentant des aspérités, par exemple sous la 20 forme d'aiguilles, de rugosités, de quadrillages etc... L'enveloppe externe de la bougie peut aussi avoir une forme similaire à celle du premier élément 8. Ce premier élément 8 doit être capable de capter avec une efficacité constante et d'accumuler sur une période suffisamment 25 longue, par exemple de quelques minutes à quelques heures, les particules contenues dans les gaz d'échappement. Le premier élément 8 avec son moyen d'accumulation des particules, tout en laissant passer les gaz 30 d'échappement, doit présenter une grande surface de contact avec les gaz afin de capter les particules. Avantageusement, il peut engendrer des turbulences afin de favoriser la captation des particules contenues dans ceux-ci. Ces propriétés sont à maintenir dans toutes les 35 conditions de débit et quelle que soit la quantité de suie déjà captée. Cet élément 8 présente par ailleurs une faible capacité calorifique afin de subir une élévation rapide de température lors de la combustion des suies. Une forte conductivité thermique est un avantage car elle permet une bonne propagation de la chaleur du second élément 7 avec la bougie vers ce premier élément 8 pour entraîner la combustion et réaliser une bonne diffusion des calories. Le second élément 7 de chauffage présente enfin un élément de support 9 de la bougie fait préférentiellement en céramique et avantageusement en alumine Al2O3, l'alumine étant imperméable à la suie. Selon le second mode de réalisation, le moyen de chauffage électrique du second élément comprend une bougie de préchauffage Diesel. Si cette bougie de préchauffage Diesel présente un courant d'alimentation proportionnel à la température de celle-ci, ce mode de réalisation est semblable au premier mode de réalisation déjà décrit à la figure 2. Sinon, comme montré à la figure 3, le second élément de chauffage 8 ne peut pas servir aussi d'élément de détection sans qu'on lui adjoigne un troisième élément de détection. Le troisième élément 10, inclus ou non avec ce second élément 7 et présentant un moyen de mesure, est donc nécessaire. A la figure 3, la fonction de détection du troisième élément 10 est réalisée à l'aide d'une sonde de température placée à proximité de la bougie de préchauffage du second élément de chauffage 7 et placé sur un support 9'. La bougie de préchauffage, et la sonde de température peuvent cependant être assemblées au sein du même ensemble en ne formant alors qu'un seul dispositif, mais contrairement, au premier mode de réalisation de l'invention, cette sonde de température doit être présente. La sonde de température, si elle n'est pas comprise 35 dans le second élément de chauffage 7, devra être cependant le plus près possible de la bougie. Dans ce mode de réalisation, le premier élément d'accumulation 8 est disposé de manière similaire que dans le premier mode de réalisation et présente les mêmes caractéristiques. On se reportera à ce qui a été décrit pour la figure 2 au sujet de cet élément d'accumulation 8. Il faut signaler que, dans les deux modes de réalisation précédemment décrits, les trois éléments peuvent être réunis en un seul dispositif ou être séparés en deux dispositifs distincts, auquel cas, préférentiellement, l'élément de chauffage et l'élément d'accumulation étant réunis dans un seul élément. En fonctionnement, le second élément 7 est porté périodiquement à haute température et un paramètre représentatif du dégagement de chaleur dans le premier élément 8 est mesuré par le troisième 10. Une unité de calcul associée, non montrée aux figures, présente des moyens tels qu'algorithmes ou cartographie nécessaires pour estimer expérimentalement quel pourcentage de la concentration totale de suie a été accumulée dans le premier élément 8 et pour comparer la mesure représentative du dégagement de chaleur par rapport à une valeur de référence qui est corrélée à la quantité de suie accumulée dans le premier dispositif 8. Cette quantité de suie accumulée est ainsi estimée par calcul et il en est déduit la concentration totale de suie dans les gaz d'échappement ayant passé dans la ligne pendant une période donnée selon la flèche F. L'unité de calcul peut par exemple être associée avec le calculateur moteur sans que cela soit exclusif. Les figures 6a et 6b illustrent une courbe de courant d'alimentation de la bougie du second élément de chauffage du dispositif en fonction du temps, respectivement dans le cas de non accumulation et d'accumulation de suie. Ces courbes sont utiles pour le calcul de la concentration en suie accumulée dans le premier élément, cette concentration pouvant être extrapolée par la diminution du courant d'alimentation de la bougie pendant une période de temps t2-t1 formant la partie de courbe S entre t1 et t2 à la figure 6b. La période d'activation de la bougie montrée par la double flèche c sur les deux figures est de 30 à 200 secondes. Les figures 7a et 7b illustrent une courbe de température mesurée par le capteur en fonction du temps respectivement, dans le cas de non accumulation et d'accumulation de suie. Dans ce cas, la présence de suie dans le premier élément se traduit, lors de sa combustion, par une montée de la température mesurée pendant la période de temps t'2-t'1 formant la partie de courbe S1 entre t'1 et t'2. Il est ainsi possible de connaître la concentration de suie selon un algorithme ou une cartographie donnant cette concentration en fonction des températures lors de sa combustion. La période d'activation de la bougie montrée par la double flèche c sur les deux figures est de 30 à 200 secondes. Il est à noter que les deux calculs peuvent coexister ce qui confirme le résultat trouvé selon un des deux modes de calcul de la concentration de suie par l'autre mode. Un tel dispositif de détection et de mesure permet de diagnostiquer de manière simple les émissions de particules d'un moteur en mélange pauvre en amont comme en aval d'un filtre à particules. Quand le dispositif de détection est, par exemple, en amont du filtre à particules, le moyen de chauffage est mis en chauffe avec une périodicité de quelques minutes à quelques dizaines de minutes. La valeur du dégagement de chaleur additionnelle, due à la suie, permet d'estimer les variations de concentrations de suie émises par le moteur. Cette information permet de déterminer le besoin de régénération ou de corriger une estimation de l'accumulation de suies dans le filtre obtenue par un autre moyen, par exemple en fonction du type de roulage et du kilométrage ou en fonction de cartographies d'émissions de suies. Quand le dispositif de détection est, par exemple, en aval du filtre à particules, le moyen de chauffage est mis en chauffe avec une périodicité allant de quelques minutes à quelques heures de fonctionnement. Un dégagement de chaleur additionnelle par rapport à la chaleur fournie habituellement enregistrée par le dispositif permet de diagnostiquer un système de filtration défaillant. Dans tous les cas, le moteur doit être en mode pauvre pendant la chauffe. Cette invention est applicable à tous les types de moteur à explosion émetteurs de particules en mode pauvre, comme par exemple moteur Diesel, moteur à essence en mélange pauvre etc... Ainsi, il est possible d'avoir un dispositif simple et fiable de contrôle des émissions de particules dans les gaz d'échappement et de contrôler ainsi le bon fonctionnement du moteur ou d'éléments d'épuration des particules contenues dans les gaz d'échappement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules contenues dans un flux de gaz, ce dispositif étant traversé, au moins partiellement, par ce flux de gaz et comprenant un premier élément (8) d'accumulation d'une partie des particules du flux comportant un moyen de collecte de celles-ci, un second élément (7) comportant un moyen de chauffage électrique du premier élément (8) afin d'entraîner la combustion des particules accumulées par celui-ci et un troisième élément (10) comportant un moyen de mesure d'un paramètre représentatif de la concentration en particules accumulées dans le premier élément (8), caractérisé en ce que le moyen de chauffage électrique est une thermo résistance et en ce que le second élément (7) remplace le troisième élément (10) en effectuant la mesure de la concentration en particules accumulées avec comme paramètre le courant le traversant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de collecte du premier élément (8) est disposé le plus près possible du moyen de chauffage du second élément (7). 3. Dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules contenues dans un flux de gaz, ce dispositif étant traversé, au moins partiellement, par ce flux de gaz et comprenant un premier élément (8) d'accumulation d'une partie des particules du flux comportant un moyen de collecte de celles-ci, un second élément (7) comportant un moyen de chauffage électrique du premier élément (8) afin d'entraîner la combustion des particules accumulées par celui-ci et un troisième élément (10) comportant un moyen de mesure d'un paramètre représentatif de la concentration en particules accumulées dans le premier élément (8), caractérisé en ce que le moyen de chauffage électrique du second élément (7) est une bougie de préchauffage Diesel, le moyen decollecte du premier élément (8) étant disposé sur ou autour de la pointe de la bougie de préchauffage Diesel. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le courant traversant cette bougie de préchauffage Diesel est corrélé à la température à la pointe de celle-ci et que, dans ce cas, le second élément (7) remplace le troisième élément (10) en comprenant un moyen de mesure du courant la traversant comme paramètre pour le calcul de la concentration en particules accumulées. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de mesure du troisième élément (10) est une sonde de température, pour la mesure de la teneur en particules accumulées selon la température de la bougie de préchauffage Diesel, ce troisième élément (10) se situant le plus près possible du second élément (7) ou en étant inclus dans celui-ci. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de collecte du premier élément (8) est sous forme d'une mousse (11) ou d'un grillage métallique ou céramique présentant des aspérités, telles que des aiguilles, des ondulations ou tout autre composant permettant de créer une turbulence favorisant la captation de particules quand ce moyen de collecte est traversé par le flux de gaz sans que ce dernier soit arrêté. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ce premier élément (8) présente une forte 30 conductivité thermique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments (7, 8, 10) du dispositif peuvent être réunis en un seul. 35 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ce dispositif est relié à ou comprend un moyen de calcul, cemoyen de calcul déterminant la concentration totale en particules dans le flux de gaz d'après la concentration en particules accumulées dans ce dispositif évaluée en fonction du paramètre mesurée par celui-ci. 10. Ligne d'échappement (1) d'un véhicule à motorisation essence ou Diesel, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes. 11. Ligne d'échappement (1) d'un véhicule selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle présente le dispositif de détection et de mesure d'émissions de particules se trouvant après le catalyseur (5) de cette ligne ou, le cas échéant, après le filtre à particules (6).