Brevet FR2987074A1 — publié le 20130823

La présente invention concerne le domaine technique de la mesure en ligne de paramètres physiques ou de concentration d'éléments chimiques dans les gaz d'échappement issus d'une combustion, comme par exemple dans des moteurs à combustion interne ou des chaudières. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de mesure du niveau de fuite d'un filtre à particules logé dans un circuit d'échappement d'un moteur à combustion interne ou d'une chaudière. L'invention s'applique tout particulièrement à la mesure de la concentration de particules carbonées, dites suies, dans un flux d'échappement gazeux, afin, plus particulièrement, de vérifier et qualifier l'état d'un filtre à particules placé dans ce flux d'échappement. Le procédé de l'invention est de préférence mis en oeuvre à l'aide d'un capteur de mesure positionné en aval du filtre à particules pour diagnostiquer l'intégrité de celui-ci. De tels capteurs sont notamment connus dans le domaine automobile. Ces capteurs sont notamment de type résistif, comprenant deux électrodes conductrices séparées l'une de l'autre entre lesquelles on mesure la variation de résistance électrique avec l'encrassement progressif du capteur consécutif au dépôt des suies entre lesdites électrodes. La mesure de résistance s'effectue de façon automatique selon un cycle déterminé commandé par une unité de commande électronique connectée aux bornes des électrodes du capteur. Cette unité de commande électronique effectue ensuite un calcul de concentration des suies à partir de la résistance mesurée pour qualifier l'état du filtre à particule et déclencher le cas échéant une alerte de remplacement de celui-ci. La résistance mesurée aux bornes des électrodes du capteur varie de façon globalement décroissante avec l'augmentation progressive de la quantité de suies déposée sur le capteur. Cette variation décroissante résulte de l'établissement de ponts de liaison carbonés entre les électrodes du capteur du fait du dépôt des suies sur celui-ci lorsque le capteur est placé dans le flux d'échappement du véhicule lorsque le filtre à particules est défectueux. La courbe de résistance aux bornes du capteur comporte en général trois parties distinctes : une première section horizontale de résistance constante correspondant à la phase de percolation du capteur, c'est-à-dire à la durée nécessaire pour obtenir la formation de premiers ponts carbonés entre les électrodes, suivie d'une deuxième partie décroissante correspondant à la phase de chargement du capteur en suies, cette deuxième partie tendant vers une seconde asymptote horizontale constituant la troisième partie de la courbe et correspondant à la saturation du capteur en suies. Lorsque le capteur est saturé, il est alors nécessaire de le régénérer pour la réalisation de nouveaux cycles de mesures. Cette opération est effectuée par l'intermédiaire d'une résistance chauffante destinée à brûler les suies déposées entre les électrodes par échauffement de la surface du capteur et des suies et ainsi de régénérer le capteur pour de nouveaux cycles de mesures. Lors des cycles de mesure de résistance aux bornes du capteur, les électrodes de celui-ci sont polarisées par l'intermédiaire d'une tension de polarisation. Il a été constaté que cette tension de polarisation avait à la fois une influence sur le temps de percolation et le temps de chargement du capteur dans la mesure où le champ électrique produit entre les électrodes charge les particules de suies présentes dans le flux gazeux d'échappement, ce qui facilite leur dépôt sur le capteur. Parallèlement, la tension de polarisation appliquée aux électrodes influence également la durée et la qualité de régénération du capteur lorsque celui-ci est saturé. Pour permettre une mesure efficace de la concentration de suies dans un flux d'échappement en aval du filtre à particules et donc qualifier le niveau de fuite du filtre à particules, il est extrêmement important de régénérer le capteur le plus rapidement possible et d'obtenir, de cycles en cycles de mesure entre chaque régénération, des temps de percolation et de chargement sensiblement constant afin de pouvoir avoir une fidélité de mesure suffisante. L'atteinte de ces conditions optimales à la mesure de concentration des suies et donc du niveau de fuite d'un filtre à particules constitue l'objectif principal poursuivie par la présente invention. En réponse à cet objectif, l'invention propose un procédé de mesure du niveau de fuite d'un filtre à particules placé dans un flux d'échappement, notamment d'un moteur à combustion interne, dans lequel on détermine la concentration de suies dans le flux gazeux d'échappement en fonction de la résistance mesurée aux bornes d'électrodes d'un capteur d'échappement de type résistif positionné dans le flux d'échappement, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser suivant un cycle i, i étant un nombre entier, comportant au moins les étapes consécutives suivantes : a) Régénération du capteur pour détruire les suies agglomérées entre les électrodes du capteur, b) Application d'une tension de polarisation Vp maximale supérieure ou égale à 12V au capteur d'échappement pendant une durée c) Mesure de la variation de résistance aux bornes du capteur pendant la durée ti d'application de la tension de polarisation Vp, ladite durée ti couvrant des phases de percolation et de chargement du capteur jusqu'à saturation de sa résistance, d) Estimation de la concentration de suies dans le flux gazeux d'échappement et du niveau de fuite du filtre à particules à partir de la variation de résistance mesurée pendant la durée ti de saturation du capteur, e) Modification de la tension de polarisation Vp maximale en fonction de la première estimation de concentration de suies pour obtenir lors du cycle de mesure i+1, un rapport signal/bruit supérieur ou égal à 100 et un temps de saturation ti+1 sensiblement constant. Selon une caractéristique du procédé de l'invention, on ajuste la durée ti d'application de la tension de polarisation Vp en fonction de la modification de la valeur maximale de tension de polarisation Vp à l'étape e). Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, la tension de polarisation Vp pendant les étapes de régénération du capteur est maintenue minimale mais non nulle. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, on compile les estimations de concentration réalisées au bout d'un nombre n de cycles de mesure réalisés, n étant un nombre entier, et on établit une estimation consolidée de la concentration de suies dans le flux d'échappement et le niveau de fuite du filtre à particules. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, on fait varier la tension de polarisation Vp pendant la durée ti pour obtenir des valeurs de tension Vp différentes pendant les phases de percolation et de chargement du capteur. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, la valeur de la tension de polarisation Vp pendant la phase de percolation du capteur est supérieure à la valeur de tension de polarisation Vp pendant la phase de chargement du capteur. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, pendant la phase de percolation la tension de polarisation Vp est maintenue à une valeur comprise entre 30V et 750V en continu et 30V et 500V en alternatif et pendant la phase de chargement jusqu'à saturation de la résistance du capteur, la valeur de la tension de polarisation Vp est inférieure ou égale à la tension de polarisation de la phase de percolation et supérieure à 12V. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, lors des phases de régénération du capteur la tension de polarisation Vp appliquée 25 aux électrodes du capteur est inférieure à 12V. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, on applique la tension de polarisation Vp aux électrodes du capteur d'échappement pendant la durée en modulant la largeur d'impulsion avec un rapport cyclique compris entre 0 et 100% et une fréquence entre 100 Hz et 100 Khz. 30 Selon une dernière caractéristique du procédé de l'invention, on vérifie la régénération effective du capteur après chaque phase de régénération par mesure de la résistance aux bornes du capteur lorsque la tension de polarisation Vp est à une valeur minimale. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-5 dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. Sur les figures annexées : - La figure 1 représente schématiquement la structure active d'un 10 capteur d'échappement résistif pour mesurer la concentration de suies dans un circuit d'échappement de véhicule automobile - La figure 2 représente schématiquement la courbe de résistance mesurée aux bornes d'un capteur conforme à la figure 1 lors d'un cycle de mesure du niveau de fuite d'un filtre à particules de 15 véhicule automobile, - La figure 3 représente des courbes de résistances mesurées aux bornes d'un capteur d'échappement conforme à la figure 1 en fonction de la tension de polarisation des électrodes dudit capteur, - La figure 4 représente un synoptique du procédé de mesure du 20 niveau de fuite d'un filtre à particule conforme à la présente invention. La présente invention propose un nouveau procédé de mesure du niveau de fuite d'un filtre à particules à l'aide d'un capteur de type résistif placé dans un circuit d'échappement gazeux d'une chaudière ou, de façon 25 plus traditionnelle, d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. Le procédé de l'invention vise notamment à s'appliquer dans le domaine automobile pour vérifier l'état et les performances des filtres à particules placés dans les circuits d'échappement de véhicules automobiles. Pour vérifier l'état du filtre à particules d'un véhicule automobile, on 30 utilise dans le cadre de l'invention un capteur d'échappement 1 de type résistif positionné en aval du filtre à particule (FAP) à diagnostiquer. Comme représenté schématiquement sur la figure 1, ce capteur 1 est composé d'un substrat 2 en matériau isolant, sur lequel est disposé : - sur une première face A, deux électrodes 3, 4 en matériau conducteur pouvant résister aux températures atteintes dans l'échappement (900°C), deux pistes 5, 6 permettant de reporter les contacts pour effectuer une mesure et un matériau diélectrique protégeant les électrodes de mesure 3, 4 sur leur majeure partie et laissant une fenêtre de mesure 7 permettant la collecte de suies, et - sur une seconde face B ou dans le substrat 2 (par exemple fabriqué par une technique multicouches type sonde lambda planaire) une résistance électrique 8 permettant la régénération du capteur ainsi que la mesure de la température des gaz d'échappement, deux pistes 9, 10 permettant de reporter les contacts pour effectuer une mesure et un matériau diélectrique pour protéger la résistance. Lorsque des suies contenues dans le flux gazeux d'échappement du moteur du véhicule rentrent en contact avec le substrat 2 du capteur d'échappement 1 dans la fenêtre de collecte 7, des ponts de suies se créent entre les électrodes 3, 4, faisant chuter la résistance R aux bornes du capteur. La mesure cyclique de cette résistance R et son évolution dans le temps permet d'évaluer l'état du filtre à particules (FAP) et le niveau de fuite de celui-ci. Le montage de mesure de cette résistance R aux bornes du capteur d'échappement 1 peut par exemple s'effectuer par l'intermédiaire d'un simple pont diviseur de tension couplé avec un amplificateur opérationnel monté en suiveur. La figure 2 représente l'allure d'une courbe de résistance R mesurée aux bornes d'un tel capteur d'échappement 1 par rapport au temps. Cette courbe se décompose en trois sections distinctes correspondant à trois états du capteur. Dans une première section S1, la résistance R aux bornes du capteur d'échappement reste sensiblement constante dans le temps. Cette section correspond à la phase de percolation du capteur, c'est-à-dire la durée tp pendant laquelle aucun pont, et donc aucun court-circuit n'existe entre les électrodes 3, 4 du capteur 1 et où la résistance R est maximale. Puis dès qu'un pont de suies s'est formé entre les électrodes 3, 4 la résistance R aux bornes du capteur 1 commence à chuter et décroit au fur et à mesure de l'accumulation de suies entre les électrodes 3,4 du capteur. C'est la phase dite de chargement du capteur, de durée tc, identifiée par la section de courbe décroissante S2 sur la figure 2. Enfin, dans une troisième section S3, la courbe tend vers une asymptote horizontale et une résistance R minimale sensiblement constante. Cette troisième section S3 correspond à la phase de saturation du capteur 1 par les suies déposées sur celui-ci. Lorsque le capteur 1 est saturé, il est nécessaire de le régénérer pour pouvoir procéder à un nouveau cycle de mesure. Cette régénération s'effectue par combustion des suies entre les électrodes 3, 4 par échauffement de la résistance électrique 8 située sur la face B du substrat 2 du capteur 1. Afin de permettre le dépôt des suies sur le substrat 2 du capteur 1 pendant les cycles de mesure de résistance R, les électrodes 3, 4 du capteur 1 sont polarisées par application d'une tension de polarisation Vp. Les inventeurs ont remarqué que la tension de polarisation Vp des électrodes 3, 4 du capteur 1 a une influence sur le temps de percolation tp du capteur et sur la vitesse de chargement du capteur, matérialisée par la pente de la courbe de résistance R dans la section S2 correspondant à la phase de chargement du capteur. En effet le champ électrique entre les électrodes 3, 4 vient charger les particules de suies, ce qui facilite leur accroche sur le substrat céramique. Les courbes de la figure 3 montrent bien l'influence de la tension de polarisation Vp sur ces durées de percolation et vitesses de chargement du capteur. Ainsi, on peut constater que la pente (en valeur absolue) pendant la phase de chargement augmente avec l'augmentation de la tension de polarisation et que les temps de percolation et de saturation diminuent avec l'augmentation de la tension de polarisation Vp. Physiquement, il apparaît qu'avec une tension de polarisation Vp plus élevée et à résistance de saturation équivalente, les particules formant les ponts de suie entre les électrodes 3, 4 du capteur d'échappement 1 sont plus nombreuses, mieux réparties sur la surface de collecte du substrat 2, de plus petite taille et mieux collées au substrat qu'avec une tension de polarisation basse, ce qui explique ces temps de percolation et saturation plus courts. De plus, les inventeurs ont également constaté que lorsque les particules de suies présentes dans un flux gazeux d'échappement sont chargées avec une tension de polarisation plus élevée, du fait de leur taille, leur meilleure répartition et de leur proximité avec le substrat, la régénération du capteur est facilité une fois la saturation atteinte. En effet, une plus petite taille et une meilleure répartition améliore le temps de régénération car il y a moins d'agglomérats sur le substrat. On profite donc de la densité d'énergie délivrée par la résistance électrique sur toute la surface de collecte du substrat du capteur et des particules plus fines sont plus vite consumées que les grosses particules. Enfin, le fait qu'elles soient mieux collées permet un meilleur transfert thermique entre le substrat et les particules, ce qui accélère également leur 20 combustion. Ces différentes constatations ont poussé les inventeurs à concevoir un nouveau procédé de mesure du niveau de fuite d'un filtre à particules par l'intermédiaire d'un capteur d'échappement 1 résistif, ce procédé tenant compte de l'importance particulière de la tension de polarisation Vp des 25 électrodes 3, 4 du capteur d'échappement 1 de type résistif. Ce procédé est schématiquement représenté sur la figure 4. Selon le procédé de l'invention, on réalise suivant un cycle i, i étant un nombre entier, comprenant au moins les étapes consécutives suivantes : a. Régénération du capteur pour détruire les suies agglomérées 30 entre les électrodes du capteur, 2 9870 74 9 b. Application d'une tension de polarisation Vp maximale supérieure ou égale à 12V au capteur d'échappement pendant une durée t, c. Mesure de la variation de résistance aux bornes du capteur 5 pendant la durée t, d'application de la tension de polarisation Vp, ladite durée t, couvrant des phases de percolation et de chargement du capteur jusqu'à saturation de sa résistance, d. Estimation de la concentration de suies dans le flux gazeux d'échappement et du niveau de fuite du filtre à particules à 10 partir de la variation de résistance mesurée pendant la durée t, de saturation du capteur, e. Modification de la tension de polarisation Vp maximale en fonction de la première estimation de concentration de suies pour obtenir lors du cycle de mesure i+1 un rapport signal/bruit 15 supérieur ou égal à 100 et un temps de saturation t,±1 sensiblement constant. Ainsi, avant tout cycle de mesure de résistance, on procède en premier lieu, à l'étape a) à la régénération du capteur d'échappement 1 par échauffement de la résistance 8 pour brûler les suies présentes sur le 20 capteur entre ses électrodes 3,4. Ensuite, afin de favoriser des temps de percolation tp et de chargement tc rapides, on applique par défaut lors du premier cycle à l'étape b) de mesure, une tension de polarisation Vp élevée, supérieure ou égale à 12V, afin de favoriser une collecte maximale de suies sur le substrat du capteur 1 25 lors du premier cycle de mesure et ainsi d'obtenir à l'étape d), après mesure de la résistance R aux bornes du capteur 1 à l'étape c) une première estimation grossière du niveau de fuite du FAP. A partir de cette première estimation grossière du niveau de fuite du FAP lors du cycle de mesure n°1, on modifie et ajuste la tension de 30 polarisation Vp pour le cycle de mesure n°2 (i+1) avant de procéder à une nouvelle régénération au début de ce cycle n°2. La première idée forte et originale du procédé de l'invention est donc d'utiliser une tension de polarisation variable en fonction de la concentration en suie détectée dans l'échappement estimée à l'étape d) à chaque cycle de mesure. Aussi, selon le procédé de l'invention, on procède pour chaque cycle i de mesure de résistance aux bornes du capteur d'échappement, à un ajustement de la tension de polarisation Vp des électrodes du capteur en fonction de la concentration de suies, et donc de la résistance aux bornes du capteur, mesurée au cycle précédent i-1. De plus, avant chaque nouveau cycle de mesure on procède à une régénération complète du capteur, procédant ainsi à une remise à zéro du signal de mesure. Puis, lors des cycles suivants, on réajuste par touche, à la baisse, la tension de polarisation Vp de façon à obtenir rapidement des temps de chargement du capteur sensiblement constant, ou du même ordre de grandeur, ce qui procure alors une très bonne fidélité de mesure de résistance et donc de concentrations de suies, et donc du niveau de fuite du filtre à particules dans le circuit d'échappement du véhicule testé. Toujours selon le procédé de l'invention, il est par ailleurs avantageux de consolider les mesures de niveau de fuite effectuées au bout d'un certain nombre de cycles. C'est la raison pour laquelle, dans une forme préférée de mise en oeuvre, on compile les estimations de concentration et de niveau de fuite calculées au bout d'un nombre n de cycles de mesure réalisés, n étant un nombre entier, et on établit une estimation consolidée de la concentration de suies dans le flux d'échappement et le niveau de fuite du filtre à particules. De façon avantageuse, on ajuste par ailleurs à chaque cycle i de mesure, la durée ti d'application de la tension de polarisation Vp en fonction de la modification de la valeur maximale de tension de polarisation Vp à l'étape e) du cycle précédent. Comme précédemment indiqué, la régénération est une étape très importante car elle garantit une remise à zéro du capteur et donc la reproductibilité des mesures effectuées à l'aide de celui-ci. Le temps de régénération et la puissance nécessaire à la régénération dépendent des conditions, en particulier de la concentration en suie dans le gaz, la température et la vitesse du flux de gaz. Cependant, il est important de minimiser le temps de régénération afin de maximiser le temps de mesure et ainsi alerter au plus vite d'une défaillance du FAP. C'est la raison pour laquelle, selon le procédé de l'invention la tension de polarisation Vp pendant les étapes de régénération du capteur est maintenue minimale mais non nulle, afin de minimiser la collecte des particules et donc d'accélérer la régénération, tout en surveillant l'évolution de la résistance R. Aussi, lors des phases de régénération du capteur, la tension de polarisation Vp appliquée aux électrodes du capteur est de préférence inférieure à 12V. On vérifie ainsi la régénération effective du capteur après chaque phase de régénération par mesure de la résistance aux bornes du capteur lorsque la tension de polarisation Vp est à une valeur minimale. Selon une autre caractéristique avantageuse du procédé de l'invention, on fait varier la tension de polarisation Vp pendant la durée pour obtenir des valeurs de tension Vp différentes pendant les phases de percolation et de chargement du capteur. De préférence, la valeur de la tension de polarisation Vp appliquée pendant la phase de percolation du capteur est par ailleurs supérieure à la valeur de tension de polarisation Vp pendant la phase de chargement du capteur. En effet, pour que la phase de percolation soit la plus rapide possible, il est préférable d'appliquer une tension Vp élevée afin de collecter rapidement des suies sur le capteur pour procéder à l'estimation du niveau de fuite du FAP. En revanche, lors de la phase de chargement, il faut maximiser le rapport signal/bruit et donc modifier la polarisation par une réduction de la tension idoine Vp en conséquence. En effet, si la tension de polarisation est trop élevée lors de la phase de chargement, la baisse de la résistance R se fait très rapidement et il s'avère 2 9870 74 12 très difficile de mesurer la pente (AR/ A temps), même si la mesure est très modifiée par des perturbations extérieures. Au contraire, si la tension de polarisation est trop faible, la pente (AR/A temps) sera très faible et le moindre décrochage de particules sur la 5 surface de mesure (qui peut être dû à un changement brusque de vitesse de flux par exemple) ou toute particule dont la taille est supérieure à la moyenne d'un facteur 2 ou 3, fera varier brusquement le signal de mesure, ce qui engendrera un bruit. Avec une tension de polarisation intermédiaire, en rapport avec la fuite 10 du filtre à particules, il peut être conservé un signal de mesure important tout en minimisant le bruit engendré par les perturbations. Le rapport signal sur bruit est optimisé, c'est-à-dire que le rapport signal sur bruit est supérieur ou égal à 100. Selon des modalités préférées, les inventeurs ont observé que pendant 15 la phase de percolation la tension de polarisation Vp devait être maintenue à une valeur comprise entre 30V et 750V en continu et 30V et 500V en alternatif. De même pendant la phase de chargement jusqu'à saturation de la résistance du capteur, la valeur de la tension de polarisation Vp est préférablement inférieure ou égale à la tension de polarisation de la phase 20 de percolationet supérieure à 12V. Selon une forme de mise en oeuvre préférée du procédé de l'invention, on applique la tension de polarisation Vp aux électrodes du capteur d'échappement pendant la durée en modulant la largeur d'impulsion avec un rapport cyclique compris entre 0 et 100% et une fréquence entre 100Hz 25 et 100Khz. Pour cela, on peut utiliser une tension de sortie élevée et générerdes pics de polarisation de l'ordre de 100V d'une durée donnée (quelques centaines de millisecondes) à une fréquence faible (de l'ordre de 100 Hz à 100Khz) selon la tension de polarisation Vp souhaitée. 30 On peut imaginer tous les montages électroniques possibles afin de générer ces différentes tensions de polarisations et donc d'utiliser cette stratégie.