Brevet FR2938919A1 — publié le 20100528

-1- Procédé et dispositif d'évaluation de la masse et du nombre de particules émises par un moteur thermique [0001 La présente invention concerne les techniques de dépollution des gaz d'échappement de moteurs thermiques, notamment de véhicules automobiles, et plus précisément, a pour objet un procédé et un dispositif embarqué à bord permettant d'évaluer la masse et le nombre de particules émises par le moteur thermique du véhicule pour une distance parcourue (par exemple, par kilomètre parcouru). L'évaluation du niveau d'émission de particules émises est donc réalisée en conditions d'utilisation (sur route) du véhicule. [0002] Les gaz d'échappement des moteurs thermiques, notamment les moteurs Diesel, contiennent des particules solides souvent appelées suies. Des filtres à particules sont placés dans les lignes d'échappement afin de piéger les particules et respecter les limites d'émission réglementaires. Les futures réglementations pourraient imposer un système de surveillance du bon état de fonctionnement et des performances d'un filtre à particules. [0003] Les systèmes de mesure des émissions de particules en masse et en nombre existants sont associés à des bancs d'essais fixes sur lesquels est installé le moteur ou le véhicule à tester. Ces systèmes ne peuvent pas être installés de façon permanente et autonome à bord d'un véhicule. Pour déterminer les émissions de particules en masse et en nombre, on utilise au laboratoire des procédures et des moyens définis par des procédures réglementaires (exemple : pour l'Europe, Directive 70/220/EC). [0004] Pour déterminer le nombre de particules émises dans le domaine 25 granulométrique allant de 23 nm à 2,5-10 micromètres, on utilise un système de mesure équipé d'un compteur à noyaux de condensation (� CNC �). [0005] Pour déterminer la masse de particules émises on utilise des systèmes de collecte sur filtre associé à une procédure de pesée différentielle. Actuellement, il n'existe pas de système embarqué à bord des véhicules, capable d'évaluer dans les 30 conditions d'utilisation du véhicule, la masse et le nombre de particules émises, par -2- exemple par kilomètre parcouru. Les systèmes utilisés au laboratoire sont trop coûteux (coût supérieur à 100 000 Euros) et encombrants (volume supérieur à 1 mètre cube). Ils nécessitent l'utilisation de servitudes (électrique et gaz) et la présence d'un opérateur pour effectuer les diverses opérations de mesure. On connaît déjà différents types de dispositifs embarqués à bord de véhicules concernant des mesures sur les gaz d'échappement, mais aucun ne concerne la détermination de la masse et du nombre de particules contenues dans ceux-ci.. Ainsi, le brevet US 6 308 130 décrit un système embarqué comprenant un analyseur de gaz pour rechercher principalement les gaz polluants. Le brevet US 6 103 080 concerne un dispositif embarqué pour la détection et la mesure des hydrocarbures, le dispositif comprenant un électrolyte conduisant les protons et des matériaux catalytiques. [0006 La présente invention propose un procédé et un dispositif embarqué à bord de véhicules, notamment des véhicules de série, pour la détermination ou l'évaluation de la masse et du nombre de particules contenues dans les gaz d'échappement d'un moteur thermique pour une distance parcourue. Ledit dispositif est relativement peu coûteux, peu encombrant et peut fonctionner automatiquement. [0007] De façon plus précise, l'invention propose un procédé d'évaluation de la quantité de particules émises par un moteur thermique, comportant des étapes d'intégration dans un système de contrôle des données de calibrage, de collecte sur un support des particules émises par ledit moteur pendant son fonctionnement; de mesure de la luminance dudit support après ladite collecte des particules; de comparaison du résultat de ladite mesure de luminance avec lesdites données de calibrage; et d'évaluation, à partir de ladite comparaison du résultat de ladite mesure de luminance avec lesdites données de calibrage, du nombre et de la masse des particules émises. [0008] L'étape précédente d'acquisition de données de calibrage pour un moteur thermique consiste à déterminer les émissions en masse et en nombre et à mesurer la luminance des supports de collecte. -3- [0009] Dans le cas d'un système de surveillance embarqué, un seuil de niveau d'émission de particules, en nombre et/ou en masse, est prédéterminé et un signal d'alarme est déclenché en cas de dépassement de ce seuil. [0010] Dans une variante, l'étape d'acquisition de données de calibrage consiste à recueillir sur un support de collecte les particules des gaz d'échappement d'un moteur et, pour différentes valeurs du nombre et de la masse des particules, à mesurer la luminance afin d'obtenir lesdites données de calibrage. Cette étape d'acquisition de données de calibrage est de préférence effectuée avec un moteur identique, ou du moins du même type, que le moteur que l'on cherche à évaluer en fonctionnement. Avantageusement, les données de calibrage du nombre de particules sont obtenues à l'aide d'un compteur à noyaux de condensation. Les données de calibrage de la masse des particules sont par ailleurs de préférence obtenues par pesées différentielles [0011] Dans une variante, on détermine un seuil de niveau d'émission de particules, 15 en nombre et/ou en masse, et un signal d'alarme est déclenché en cas de dépassement dudit seuil. [0012] L'invention concerne également un dispositif embarqué de détermination de la masse et du nombre de particules émises par un moteur thermique. Selon l'invention, le dispositif comporte un système d'échantillonnage desdites particules, un support 20 sur lequel sont récoltées lesdites particules et des moyens de mesure de la luminance dudit support. [0013] Selon un mode de réalisation, le système d'échantillonnage comporte une canne de prélèvement dont une extrémité débouche à l'intérieur de la ligne d'échappement et l'autre est en regard dudit support. Une canalisation de retour est 25 avantageusement prévue pour renvoyer les gaz échantillonnés vers la ligne d'échappement, une pompe pouvant être placée dans cette canalisation de retour. [0014] Selon un autre mode de réalisation, le système d'échantillonnage comporte une canalisation de dérivation de la ligne d'échappement, ladite canalisation comportant successivement une vanne permettant de prélever périodiquement un -4- échantillon de gaz d'échappement, ledit support pour la collecte des particules et lesdits moyens de mesure de la luminance. [0015] Lorsque la ligne d'échappement est munie d'un filtre à particules, ledit dispositif peut être placé après ce filtre à particules. [0016] De préférence, les données de calibrage sont mémorisées dans une unité d'acquisition et de traitement de données, ladite unité effectuant la comparaison du résultat de la mesure de luminance avec lesdites données de calibrage. Cette unité peut être le contrôleur de bord du véhicule. [0017] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de 10 la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : • la figure 1 montre une courbe de données de calibrage représentant la masse P des particules en fonction de la luminance L; • la figure 2 montre une courbe de calibrage représentant le nombre N des 15 particules émises en fonction de la luminance L; • les figures 3 et 4 représentent schématiquement le principe de prélèvement respectivement in-situ et déporté des particules; et • la figure 5 représente schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention. 20 [0018] Le procédé de l'invention nécessite de recueillir au préalable des données de calibrage de deux types: d'une part, la masse des particules émises en fonction de la luminance et, d'autre part, le nombre de particules en fonction de la luminance. Ces données peuvent être représentées graphiquement sous forme de deux courbes de calibrage: la masse P (par exemple en �g) des particules en fonction de la luminance 25 L (figure 1) et le nombre N de particules émises en fonction de la luminance (figure 2). [0019] Les données de calibrage sont obtenues en faisant fonctionner un moteur sur un banc d'essais, le moteur étant de préférence identique ou du même type, que les moteurs qui équiperont les véhicules dans lesquels le procédé de l'invention sera mis -5- en oeuvre. Pour obtenir les données relatives à la masse P des particules, le banc d'essais est muni d'un système de collecte, sur un filtre, des particules contenues dans un volume déterminé des gaz d'échappement émis par le moteur testé. Le diamètre du filtre de collecte peut être de l'ordre de 47 mm par exemple. Le filtre est pesé avant et après avoir collecté les particules. Cette double pesée permet de déterminer la masse P des particules. [0020] De plus, et conformément à l'invention, une mesure de luminance L dudit filtre de collecte est effectuée et associée à chaque mesure de la masse P des particules. Les résultats d'une série de telles mesures conduit à la courbe de calibrage P en pg en fonction de L de la figure 1. [0021] Pour obtenir les données de calibrage du nombre N de particules en fonction de la luminance L, on procède comme précédemment en faisant des mesures sur banc d'essais. On utilise un compteur à noyaux de condensation. La taille des particules à compter étant en général petite, comprise entre 10 nm et 10 �m, il est avantageux de les grossir pour les compter plus facilement. Pour cela, un liquide (un alcool par exemple) est évaporé dans l'enceinte où les gaz d'échappement ont été recueillis. Ce liquide se condense autour des particules ce qui a pour effet d'augmenter leurs tailles. Le comptage des particules est alors effectué ainsi qu'une mesure de la luminance. Une série de mesures du couple nombre de particules/luminance est effectuée ce qui permet de tracer la courbe de calibrage de la figure 2 qui représente le nombre de particules N en fonction de la luminance L. [0022] La distance qu'aurait parcourue le véhicule pendant la durée du prélèvement des gaz d'échappement peut être fournie directement par le banc d'essais. [0023] Les données d'essais ou les courbes de calibrage des figures 1 et 2 obtenues à partir des données sont enregistrées dans un dispositif embarqué de mémorisation et de traitement de données, tel qu'un microprocesseur ou un ordinateur (par exemple le contrôleur du véhicule). [0024] Selon le procédé de l'invention, les particules émises par le moteur du véhicule sont périodiquement et automatiquement collectées sur un support (par -6- exemple un filtre), et la luminance dudit support est mesurée. Les mesures de luminance sont ensuite utilisées afin de déterminer à l'aide des données ou des courbes de calibrage la masse et le nombre des particules émises. [0025] La figure 3 représente schématiquement le principe d'un mode de réalisation d'un dispositif embarqué selon l'invention. Les gaz d'échappement 30 circulent dans la ligne d'échappement 31 du moteur (non représenté). Un système d'échantillonnage 32 avec prélèvement in-situ permet de collecter périodiquement et automatiquement les particules émises par le moteur. Ce système d'échantillonnage peut être composé d'une canne de prélèvement 33 (par exemple un tube coudé) débouchant à l'intérieur de la ligne d'échappement 31. Le système de prélèvement 32 est relié à un système déporté 34 de collecte et de mesure de luminance. Ce système 34 de collecte peut comporter un support 35, tel qu'un filtre, sur lequel viennent se déposer les particules contenues dans les gaz d'échappement. [0026] La figure 4 représente schématiquement le principe d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, le prélèvement des particules s'effectuant automatiquement et de façon déportée (et non in-situ comme dans le mode de réalisation de la figure 3). La ligne d'échappement 40, dans laquelle circulent les gaz d'échappement 41 émis par le moteur (non représenté), comporte une canalisation de dérivation 42 munie successivement d'une vanne 43, d'un système 44 de collecte des particules et d'un système déporté 45 de mesure de luminance. Le système de collecte des particules comprend un support 47, tel qu'un filtre. [0027] Dans les deux modes de réalisation présentés, le système 32 ou 44 de prélèvement des particules peut être par exemple rotatif ou à tiroir et permet d'effectuer, sous contrôle d'un ordinateur, tel que l'ordinateur de bord, des opérations de collecte des particules, de mesure de luminance du support sur lequel sont déposées les particules et de nettoyage du support lorsque la mesure de luminance est terminée de sorte qu'un nouveau prélèvement de particules et une nouvelle mesure de luminance peuvent être effectués. [0028] La mesure de luminance est effectuée sur le support, tel qu'un filtre, sur lequel 30 sont piégées les particules, la mesure étant envoyée à un système 36 (figure 3) ou 46 -7- (figure 4) d'acquisition et de traitement de données qui comprend en mémoire les données et/ou les courbes de calibrage.. Par comparaison entre le résultat de la mesure de luminance effectuée sur le support et les données d'étalonnage, la masse et le nombre de particules sont déterminés. Les valeurs ainsi obtenues peuvent être comparées avec des valeurs de seuil enregistrées dans le système d'acquisition et de traitement de données 36 ou 46 et une alarme peut être déclenchée en cas de dépassement des valeurs de seuil. [0029] La figure 5 représente un mode de réalisation de l'invention selon le principe de la figure 3 (prélèvement in-situ des particules). La ligne d'échappement 50 peut comporter un filtre à particules 51. Les gaz d'échappement 52 circulent dans le sens indiqué par la flèche 53. Une canne de prélèvement 54 possède une extrémité 55 qui débouche dans la ligne d'échappement 50 en aval du filtre à particules 51. Une partie des gaz pénètre dans la canne de prélèvement 54 par l'extrémité 55. La canne 54 passe à travers un tube d'évaporation 56 qui est chauffé afin d'éliminer la phase volatile (les hydrocarbures) des gaz d'échappement. Ces derniers passent ensuite dans un système 57 d'échantillonnage ou de collecte des particules et de mesure de la luminance, une canalisation 64 de retour des gaz échantillonnés vers la ligne d'échappement étant par ailleurs prévue.. [0030] Ce système 57 comporte un support de collecte 58, par exemple un filtre, et une cellule de mesure 59 de la luminance. Le support de collecte 58 est monté sur un chariot mobile (non représenté) de façon à pouvoir prendre une position de collecte (placé en regard de l'extrémité 60 de la canne de prélèvement 54 et illustrée sur la figure 5) et une position de mesure 61 en regard de la cellule de mesure 59. Cette dernière est reliée à un dispositif 62 d'acquisition et de traitement de données, ce dispositif contenant en mémoire les données et/ou les courbes de calibrage. [0031] Une pompe 63 peut être placée dans la canalisation 64 de retour des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement 52. Le sens de circulation de la pompe peut avantageusement être inversé de façon à forcer les gaz vers le filtre afin de le nettoyer. Si la dépression dans la canne de mesure 54 est suffisante, la pompe 63 peut être remplacée par une électrovanne. Les particules sont collectées sur le filtre 58 pendant que le véhicule parcourt une distance prédéterminée (par exemple 1 km). -8- Le filtre est ensuite déplacé pour être positionné dans la position de mesure 61, sous la cellule 59. La cellule de mesure 59 procède alors à une mesure de luminance. Le résultat de la mesure est comparé aux données de calibrage par le système 62 d'acquisition et de traitement de données. [0032] Les dispositifs embarqués décrits sont relativement peu coûteux et peu encombrants. Ils peuvent être utilisés automatiquement, de façon autonome et les résultats sont immédiatement obtenus. Un signal, une alarme par exemple, peut alors être actionnée pour avertir le conducteur d'un fonctionnement défectueux en cas de dépassement d'un niveau d'émission de particules prédéterminé, en nombre de particules émises et/ou en masse. [0033] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1. Procédé d'évaluation de la quantité de particules émises par un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes d'acquisition de données de calibrage concernant le niveau d'émission de particules, en masse P et en nombre N, en fonction de la luminance L; de collecte sur un support des particules émises par ledit moteur pendant son fonctionnement ; de mesure de la luminance L dudit support après ladite collecte des particules; de comparaison du résultat de ladite mesure de luminance L avec lesdites données de calibrage et d'évaluation, à partir de ladite comparaison du résultat de ladite mesure de luminance avec lesdites données de calibrage, du nombre N et de la masse P des particules émises. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape d'acquisition de données de calibrage consiste à recueillir sur un support de collecte les particules des gaz d'échappement d'un moteur et, pour différentes valeurs du nombre et de la masse des particules, à mesurer la luminance afin d'obtenir lesdites données de calibrage. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit moteur à partir duquel on obtient les données de calibrage est identique ou du même type que le moteur thermique dont on évalue, en embarqué, le nombre et la masse des particules émises. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3 caractérisé en ce que les données de calibrage du nombre de particules sont obtenues à l'aide d'un compteur à noyaux de condensation. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3 caractérisé en ce que les données de calibrage de la masse des particules sont obtenues par pesées différentielles. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on détermine un seuil de niveau d'émission de particules, en nombre et/ou en masse, et un signal d'alarme est déclenché en cas de dépassement dudit seuil. -10- 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les données de calibrage sont mémorisées dans une unité d'acquisition et de traitement de données, ladite unité effectuant ladite comparaison du résultat de la mesure de luminance avec lesdites données de calibrage. 8. Dispositif embarqué de détermination de la masse P et du nombre N de particules émises par la ligne (31, 40, 50) des gaz d'échappement (30, 41, 52) d'un moteur thermique caractérisé en ce qu'il comporte un système d'échantillonnage (32, 44, 57) desdites particules, un support de collecte (34, 47, 58) sur lequel sont récoltées lesdites particules et des moyens (45, 59) de mesure de la luminance L dudit support. 9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que le système d'échantillonnage comporte une canne de prélèvement (54) ayant deux extrémités, l'une (55) débouchant à l'intérieur de la ligne d'échappement (52) et l'autre (60) étant en regard dudit support (58). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte de plus une canalisation (64) de retour des gaz échantillonnés vers la ligne d'échappement (52). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite canalisation de retour (64) est munie d'une pompe (63) 12. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que le système d'échantillonnage comporte une canalisation de dérivation (42) de la ligne d'échappement (40), ladite canalisation comportant successivement une vanne (43) permettant de prélever périodiquement un échantillon de gaz d'échappement, ledit support (47) pour la collecte des particules et lesdits moyens (45) de mesure de la luminance. 13. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 12 caractérisé en ce que, la ligne d'échappement étant munie d'un filtre à particules (51), ledit dispositif est placé en aval du filtre à particules.