Brevet FR2938920A1 — publié le 20100528

Procédé et appareil de contrôle des émissions de particules émises à l'échappement d'un moteur à combustion interne Domaine technique de l'invention L'invention concerne le contrôle des émissions de particules émises à l'échappement d'un moteur à combustion interne. L'invention concerne plus particulièrement un procédé et un appareil de contrôle des émissions de particules. Arrière-plan technologique Les réglementations Euro 5 concernant la réduction des émissions polluantes des véhicules automobiles prévoient des mesures de polluants à l'échappement des véhicules sur des cycles normalisés. En ce qui concerne les moteurs Diesel, ces mesures porteront notamment sur la masse mais également sur le nombre de particules solides contenues dans les gaz émis à l'échappement. La détermination des émissions de particules émises par les véhicules, en particulier diesel, est déterminée selon un protocole réglementaire. On procède pour déterminer la masse à une double pesée : les particules sont collectées sur un filtre, lequel est pesé avant et après le dépôt des particules. La différence entre les deux pesées donne la masse des particules collectées. De plus, il existe des moyens techniques dédiés au dénombrement des particules à l'échappement, en particulier pour les véhicules diesel. Ces moyens sont basés sur l'utilisation de compteurs à noyaux de condensation (� CNC �) assurant un accroissement des diamètres des particules afin de permettre leur comptage. Cet accroissement des diamètres est basé sur l'utilisation d'un liquide, tel qu'un alcool, ce liquide venant se condenser autour de chaque particule ce qui augmente sa taille. Il ne reste plus alors qu'à les compter. Cependant ces moyens de mesures sont difficiles à mettre en oeuvre, coûteux (coût supérieur à 100 000 euros) et nécessitent des compétences techniques spécifiques à leur utilisation. De plus, ils doivent être présents unitairement sur chaque banc de test d'émission de particules, ce qui multiplie les inconvénients précédemment cités dans le cas d'une implantation de test d'émission de particules à effectuer sur une pluralité de banc d'essais. Un autre type de contrôle existe basé sur le passage d'un volume donné de gaz d'échappement à travers un papier filtre pour en déterminer ultérieurement un indice de fumée. L'assombrissement de la surface du papier filtre par les particules contenues dans les gaz d'échappement se traduit par une diminution de l'intensité lumineuse réfléchie par cette surface. Traditionnellement, cette diminution de l'intensité lumineuse réfléchie est évaluée par un dispositif photoélectrique mesurant la quantité de lumière réfléchie par la surface obscurcie du papier filtre et en la comparant à l'intensité lumineuse réfléchie du papier filtre sans particules. A cette diminution d'intensité lumineuse réfléchie est associée un indice de fumée (ou FSN pour l'acronyme anglais de Filter Smoke Number) classiquement gradué de 0 (filtre blanc) à 10 (filtre noir). Cependant, cet indice global n'est pas adapté à la mesure de la masse de particules selon le protocole réglementaire de contrôle des émissions de particules des véhicules et n'est pas adapté à la détermination du nombre de particules présentes dans les gaz d'échappement. L'invention propose un procédé et un appareil pour le contrôle des émissions de particules émises à l'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier au cours d'un fonctionnement dudit moteur pendant un cycle préétabli, tel qu'un cycle réglementaire, sur un banc d'essais. Ledit appareil est relativement peu coûteux, peu encombrant et facilement transportable d'un banc d'essais à un autre pour tester les émissions de particules d'une pluralité de moteur. De façon plus précise, l'invention propose un procédé de contrôle des émissions de particules émises à l'échappement d'un moteur à combustion interne, dans lequel, pendant un cycle préétabli de fonctionnement du moteur, un échantillon de gaz prélevé à la sortie dudit échappement traverse un papier filtre afin de collecter lesdites particules, dont on évalue ultérieurement une propriété optique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - établir une courbe de corrélation entre une quantité de particules émises à l'échappement du moteur et la propriété optique. - déterminer des valeurs locales de ladite propriété pour au moins deux zones de mesure à la surface du papier filtre. - calculer une moyenne des valeurs locales. - déterminer une quantité de particules émises à partir de ladite moyenne et de la courbe de corrélation. L'étape d'établissement de la courbe de corrélation est une étape préalable consistant à recueillir sur un papier filtre les particules de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne au cours d'un cycle de fonctionnement préétabli, à recueillir ledit papier filtre à l'issu du cycle de fonctionnement et, à établir une série de couple quantité de particules / propriété optique, ce qui permet de déterminer une courbe de corrélation. Par ailleurs, l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - dans l'étape d'établissement de la courbe de corrélation, ladite quantité est une masse de particules émises. - dans l'étape d'établissement de la courbe de corrélation, ladite quantité est un nombre de particules émises. - la propriété optique mesurée est une luminance (L). En effet, il est apparu que la luminance est un paramètre dont la valeur est avantageusement en corrélation à la fois avec la masse et le nombre de particules. Une mesure de luminance suffit donc pour accéder, via les courbes de corrélation adéquates, à la masse et au nombre de particules émises. L'invention a aussi pour objet un appareil de contrôle des émissions de particules émises à l'échappement d'un moteur à combustion interne utile à la mise en oeuvre du procédé décrit précédemment. Selon l'invention, cet appareil comporte une sonde comprenant une source lumineuse et des moyens de mesure d'une propriété optique d'un papier filtre sur lequel sont collectées lesdites particules, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de déplacement de la sonde pour mesurer la propriété optique d'au moins deux zones de mesure du papier filtre, un moyen de calcul d'une moyenne de la propriété optique déterminée sur les zones de mesure, un moyen de détermination d'une quantité de particules émises à partir de ladite moyenne. L'appareil selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le moyen de détermination comprend une mémoire intégrée comportant une courbe de corrélation entre une quantité de particules émises à l'échappement du moteur et la propriété optique. En effet, en embarquant les courbes de corrélation dans l'appareil, on s'offre la possibilité de pouvoir faire une détermination directe de la quantité de particules émises. - la zone de mesure est comprise entre 10 et 20 mm2. En effet, pour des raisons de précision de mesure de la propriété optique par la sonde, la zone de mesure est de préférence petite. - les zones de mesures sont non contiguës. - la moyenne est déterminée sur au moins cinq zones de mesure. En effet, en multipliant le nombre de mesures sur le papier filtre, on réduit l'incertitude sur la mesure de la propriété optique. - L'appareil comprend un moyen d'affichage de la quantité de particules émises à l'échappement du moteur. On a ainsi accès à une lecture directe de la quantité de particules émises, ce qui permet de vérifier rapidement la conformité en émissions d'un moteur. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne comprenant une ligne d'échappement dotée d'un filtre à particules. - La figure 2 est un graphe représentant une courbe de calibrage de la masse de particules collectées sur le filtre en fonction de la luminance mesurée. - La figure 3 est un graphe représentant une courbe de calibrage du nombre de particules en fonction de la luminance mesurée. - La figure 4 est un schéma de principe d'un mode de réalisation d'un appareil de contrôle des émissions de particules émises à l'échappement selon l'invention. Description détaillée Sur la figure 1 est présenté un moteur à combustion interne 1 de type Diesel. Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée à ce type de moteur et peut s'appliquer également aux moteurs à allumage commandé et notamment à ceux fonctionnant par injection directe, susceptibles de générer des particules. Le moteur à combustion interne 1 est doté d'une ligne d'échappement 2 par laquelle sont évacués les gaz d'échappement produits dans le moteur 1. Afin de réduire les émissions polluantes, les gaz d'échappement sont traités en passant successivement à travers des dispositifs de post-traitement tels qu'un catalyseur d'oxydation 3, un catalyseur deNOx 4, un filtre à particules 5. Le catalyseur d'oxydation 3 permet l'élimination des hydrocarbures imbrûlés HC, du monoxyde de carbone CO et l'oxydation d'une partie des oxydes d'azote NO en NO2. Le catalyseur deNOx 4 permet la réduction des oxydes d'azote NOX présents dans les gaz d'échappement. Le filtre à particules 5 permet de retenir et d'accumuler les particules de suies contenues dans les gaz d'échappement. La présence du catalyseur d'oxydation 3 et du catalyseur DeNOx 4 n'est pas obligatoire pour la réalisation de l'invention. De même, d'autres organes de dépollution non représentés sur la figure 1 tels qu'un catalyseur SCR permettant la réduction des oxydes d'azote NOX présents dans les gaz d'échappement, par réaction catalytique sélective entre les NOX et un agent réducteur peuvent compléter la ligne d'échappement, pour améliorer le traitement antipollution des gaz d'échappement sans modifier la portée de l'invention décrite ici. Classiquement, afin de vérifier la conformité en émissions de particules d'un véhicule, non représenté ici, équipé d'un moteur 1 doté d'un filtre à particules 5, le véhicule est testé au cours d'un cycle de fonctionnement prédéterminé. Au cours de ce test, un échantillon de gaz d'échappement est prélevé à l'échappement 6 du moteur 1. Le prélèvement des gaz d'échappement est basé sur l'utilisation d'une installation réglementaire 7 de mesure des émissions des véhicules diesel. Par exemple, dans le cadre de l'homologation de véhicules particuliers et utilitaires légers en Europe, le cycle de fonctionnement prédéterminé est le cycle MVEG (pour Motor Vehicle Emissions Group). Ce cycle de test est effectué avec un démarrage moteur froid et comprend un cycle urbain (ECE, pour Economic Commission of Europe) constitué de quatre cycles (UDC, pour Urban Driving Cycle) identiques successifs d'une durée de 195 secondes chacun. Le cycle urbain est complété par un cycle extra-urbain (EUDC, pour Extra Urban Driving Cycle) d'une durée de 400 secondes et comportant une phase de roulage jusqu'à 120 km/h. Ce cycle représente une distance parcourue totale de 11,007 km. La fraction de gaz d'échappement prélevée pour la mesure des émissions de particules conformément à la réglementation est par exemple d'environ 0,4 % des gaz d'échappement produit par le moteur 1 pendant le cycle MVEG. Cette fraction passe au travers d'un papier filtre 8, sur lequel se déposent les particules contenues dans les gaz d'échappement. Conformément à l'invention, afin de pouvoir contrôler rapidement et de manière fiable les émissions des particules émises à l'échappement 6 d'un moteur 1, pendant un cycle de fonctionnement prédéterminé, on établit au cours d'une phase préalable une corrélation entre une série de mesures de la luminance L du papier filtre 8 et une grandeur quantitative d'émission de particules associée. Par luminance, on entend un rapport entre une intensité lumineuse réfléchie par une surface et une intensité lumineuse de référence. La luminance s'exprime conventionnellement entre 0 et 100%. La figure 2 présente une première courbe 9 de corrélation obtenue entre la luminance L du papier filtre et une masse Mp de particules collectées sur le filtre. Dans cet exemple, cette première courbe 9 de corrélation est obtenue en faisant fonctionner un premier moteur M1 ou un deuxième moteur M2 doté d'un filtre à particules 5 sur un banc d'essais. La masse Mp est la masse de particules collectée par le papier filtre 8 suite à un fonctionnement du premier moteur M1 ou du second moteur M2, sur un cycle d'homologation MVEG, avec un filtre à particules 5 dont l'état d'intégrité, c'est-à-dire son aptitude à retenir les particules de suies contenues dans les gaz d'échappement, est déterminé. En faisant varier l'état d'intégrité du filtre à particules 5 d'un cycle MVEG à un autre, on agit sur la quantité de particules émises à l'échappement de façon à couvrir une plage d'émission de particules et obtenir une série de mesures expérimentales. Le papier filtre 8 est pesé avant et après avoir collecté les particules. Cette double pesée permet de déterminer la masse Mp. Une mesure de luminance L est déterminée par le rapport entre l'intensité lumineuse réfléchie par une partie de la surface du filtre 8 et l'intensité lumineuse d'une source lumineuse calibrée. Par source lumineuse calibrée, on désigne un éclairage dont le spectre lumineux est maitrisé et garanti par exemple par une norme. Dans le cas de la norme ISO, la source lumineuse calibrée peut être de référence D65, D50 ou autre. La masse Mp est, sur la figure 2, une masse absolue de particules contenues dans l'échantillon de gaz d'échappement prélevé et recueillie par le papier filtre 8. Cette masse peut évidemment être aisément convertie en une autre grandeur telle que par exemple des g/km, si l'on prend en compte la distance parcourue lors du cycle et le rapport entre le volume de gaz et le volume de gaz prélevé, ou encore en g/m3 si l'on prend en compte le volume de gaz d'échappement émis. La première courbe 9 présentée sur la figure 2 est une courbe de régression passant le plus près possible de la série de mesures expérimentales, déterminée par une méthode mathématique telle que celle dite des moindres carrés. Le coefficient de détermination Rmp2, mesurant la qualité de l'ajustement de la première courbe 9 est dans ce cas de Rm42 = 0,981, ce qui montre une corrélation satisfaisante entre la masse Mp de particules et la luminance L. La figure 3 présente une seconde courbe 10 de corrélation obtenue selon le même protocole expérimental que celui exposé pour la détermination de la première courbe 9 de corrélation de la figure 2, à la différence que l'on détermine cette fois un nombre de particules Np en fonction de la luminance L du papier filtre 8 mesurée. On utilise pour le comptage des particules émises à l'échappement un moyen de mesure défini par la réglementation sur le contrôle des émissions tel qu'un compteur à noyaux de condensation (� CNC �). La seconde courbe 10 présentée sur la figure 3 est une courbe de régression passant le plus près possible de la série de mesures expérimentales, déterminée par une méthode mathématique telle que celle dite des moindres carrés. Le coefficient de détermination RnP2, mesurant la qualité de l'ajustement de la seconde courbe 10 est dans ce cas de RnP2 = 0,986. Il apparait que les corrélations obtenues d'une part entre la luminance L du papier filtre 8 et la masse de particules Mp, et, d'autre part entre la luminance L du papier filtre 8 et la nombre de particules Np sont sensiblement indépendantes du type de moteur M1 ou M2 utilisé. Ces corrélations présentent donc l'avantage de pouvoir être exploitées pour contrôler les émissions de particules de tout type de moteur diesel doté ou non d'un filtre à particules 5. Ces corrélations servent alors de référence et permettent de déterminer rapidement, à partir de mesures de luminance L du papier filtre 8, la valeur de la masse de particules Mp et du nombre de particules Np d'autres moteurs sans plus avoir à recourir au dispositif de double pesée pour la détermination de la masse Mp ou au compteur de particules pour la détermination du nombre de particules Np. Les corrélations ayant été obtenues par le biais de moyens de mesures réglementaires, on peut considérer que la mesure sur les autres moteurs effectuée selon le procédé de l'invention sera représentative de conditions de mesures réglementaires. Il est apparu par ailleurs que les corrélations obtenues sont aussi indépendantes du type de cycle de fonctionnement du moteur au banc d'essais. Des paramètres susceptibles d'avoir une influence sur la corrélation entre la luminance L et la masse Mp ou le nombre de particules Np sont le type de papier filtre 8 utilisé et la source lumineuse utilisée pour la mesure de la luminance L. Cependant, les papiers filtres utilisés pour les tests réglementaires d'émissions de particules ont une blancheur et une luminance homogène sensiblement sans dispersion d'un échantillon à un autre. Concernant la source lumineuse utilisée pour la mesure de la luminance, il est préférable d'utiliser une source identique à celle ayant servi à établir les corrélations pour la détermination de la masse de particules Mp et du nombre de particules Np sur les moteurs à tester ultérieurement. La figure 4 présente un schéma de principe d'un mode de réalisation d'un appareil 11 de contrôle des émissions de particules selon l'invention. Un tel appareil 11 est portable et comprend une sonde 12 dotée d'une source lumineuse 13. La source lumineuse 13 comprend un éclairage normalisé de référence par exemple ISO, tel que D65 ou D50 ou autre. Il va de soi, dans le but de rester dans les mêmes conditions expérimentales, que la source lumineuse 13 choisie pour l'appareil 11 est de même référence que celle utilisée pour la phase préalable d'établissement des corrélations entre la luminance et la masse Mp ou le nombre Np de particules émises. La sonde 12 comprend aussi un moyen de mesure d'une propriété optique 14 tel qu'une cellule photoélectrique permettant de mesurer la fraction de lumière réfléchie par le papier filtre 8. La sonde 12 effectue une mesure de luminance L localement sur une zone 16 de mesure à la surface du papier filtre 8. Pour des raisons de maitrise de l'illumination de la zone 16 de mesure par la source lumineuse 13 et de la réflexion vers le récepteur 14, la zone 16 de mesure est de préférence petite, par exemple de l'ordre de 16 mm2, et plus généralement comprise entre 10 et 20 mm2. L'appareil 11 comprend un moyen de déplacement 15 de la sonde 12 afin de pouvoir effectuer localement la mesure de la luminance L sur au moins deux zones 16 de mesure à la surface du papier filtre 8. Le choix du nombre de zones 16 de mesure sur le papier filtre 8, dont le diamètre est de l'ordre de 47 mm est guidé par un compromis entre la représentativité statistique de l'échantillonnage, la faisabilité technique et la durée de la manipulation. Avantageusement, les zones 16 de mesure sont non contiguës et le nombre de zones 16 supérieur ou égal à 5. L'appareil 11 comprend de plus un moyen de calcul 17 de la moyenne, Lm, des luminances des zones 16 mesurées et un moyen de détermination 18 de la masse Mp et du nombre de particules Np émises à l'échappement à partir de la luminance moyenne Lm, et respectivement de la première courbe 9 de corrélation et de la seconde courbe 10 de corrélation. Avantageusement, les courbes de corrélation sont mémorisées dans une mémoire intégrée 20 à l'appareil 11. Suite à un essai sur un cycle de fonctionnement sur un banc d'essais tel qu'un cycle d'homologation MVEG, le papier filtre 8 ayant collecté les particules émises à l'échappement est placé devant la sonde 12 de l'appareil 11. Par déplacement de la sonde 12, une luminance L est successivement mesurée sur chacune des zones 16 de mesures espacées et distinctes entre elles. Une fois la luminance L des zones 16 de mesure déterminée, le moyen de calcul 17 détermine une luminance moyenne, Lm. Enfin, la masse Mp et le nombre Np de particules émises à l'échappement sont déduites par le moyen de détermination 18 sur la base respectivement, des premières et secondes courbes 9 et 10 de corrélation. Un tel appareil 11 peut comprendre un moyen d'affichage 19 de la masse Mp et du nombre de particules Np, avec un seuil de précision déterminé, à titre indicatif, au dixième de %. Un tel appareil 11 permet de répondre rapidement à la question de la conformité ou non en terme d'émissions de particules d'un véhicule. Simple d'usage, économique et facilement transportable d'un banc de test d'émission à un autre, cet appareil permet d'éviter des coûts d'implantation de moyens d'analyses onéreux. Un tel appareil 11 portable pourrait aussi servir pour du contrôle technique ou de la maintenance en atelier de réparation automobile. Revendications1. Procédé de contrôle des émissions de particules émises à l'échappement d'un moteur à combustion interne (1), dans lequel, pendant un cycle préétabli de fonctionnement du moteur (1), un échantillon de gaz prélevé à la sortie dudit échappement traverse un papier filtre (8) afin de collecter lesdites particules, dont on évalue ultérieurement une propriété optique (L), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : établir une courbe de corrélation (9, 10) entre une quantité (Mp, Np) de particules émises à l'échappement du moteur (1) et la propriété optique (L). déterminer des valeurs locales de ladite propriété (L) pour au moins deux zones (16) de mesure à la surface du papier filtre (8). calculer une moyenne (Lm) des valeurs locales. déterminer une quantité (Mp, Np) de particules émises à partir de ladite moyenne (Lm) et de la courbe de corrélation (9, 10). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape d'établissement de la courbe de corrélation, ladite quantité est une masse (Mp) de particules émises. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que dans l'étape d'établissement de la courbe de corrélation, ladite quantité est un nombre (Np) de particules émises. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la propriété optique mesurée est une luminance (L). 5. Appareil de contrôle des émissions de particules émises à l'échappement d'un moteur à combustion interne (1), comportant une sonde (12) comprenant une source lumineuse (13) et des moyens de mesure (14) d'une propriété optique d'un papier filtre (8) sur lequel sont collectées lesdites particules, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de déplacement de la sonde (12) pour mesurer la propriété optique d'au moins deux zones (16) de mesure du papier filtre (8), un moyen de calcul (17) d'une moyenne (Lm) de la propriété optique déterminée sur les zones (16) de mesure, un moyen de détermination (18) d'une quantité (Mp, Np) de particules émises à partir de ladite moyenne (Lm). 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de détermination (18) comprend une mémoire intégrée (20) comportant une courbe de corrélation (9, 10) entre une quantité (Mp, Np) de particules émises à l'échappement du moteur (1) et la propriété optique (L). 7. Appareil selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que la zone (16) de mesure est comprise entre 10 et 20 mm2. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les zones (16) de mesures sont non contiguës. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la moyenne (Lm) est déterminée sur au moins cinq zones (16) de mesure. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'affichage (19) de la quantité (Mp, Np) de particules émises à l'échappement du moteur (1).