Brevet FR3065287A1 — publié le 20181019

CAPTEUR DE GAZ À ÉLÉMENT SENSIBLE CHAUFFANT [1] L'invention se rapporte de manière générale à un capteur de gaz incluant un élément sensible qui doit être porté à une température prédéterminée pour l'analyse d'un gaz. L'invention se rapporte aussi à un capteur d'oxyde d'azote notamment pour la commande d'une ligne de dépollution des gaz d'échappement rejetés par un moteur thermique de véhicule. [2] Dans le contexte de la réduction de la pollution atmosphérique, les constructeurs automobiles se doivent de satisfaire aux réglementations environnementales telles que les normes européennes d'émission, dites normes « Euro », qui imposent notamment de 10 fortes baisses des limites acceptables pour les rejets d'oxydes d'azote (N0x). [3] Le capteur d'oxyde d'azote le plus utilisé actuellement dans les applications automobiles est basé sur un mode de fonctionnement dit ampérométrique qui permet d'obtenir un signal de mesure proportionnel à la concentration de NOx. Un capteur de ce type est commercialisé notamment par la société NGK (marque déposée). 15 [004] Le capteur d'oxyde d'azote est utilisé pour la commande des lignes de dépollution des gaz d'échappement. Il peut être utilisé notamment dans les lignes de dépollution des moteurs de type Diesel, essence, GPL (gaz de pétrole liquéfié) et GNV (gaz naturel pour véhicules). Dans les systèmes SCR (de « Selective Catalytic Reduction » en anglais), le capteur d'oxyde d'azote est utilisé notamment pour la commande de la quantité de réactif 20 AdBlue (marque déposée) à injecter dans la ligne de dépollution des gaz d'échappement. [005] Le capteur d'oxyde d'azote, de même que la sonde à oxygène également utilisée dans le domaine automobile, fait appel à un matériau de pompage d'ions d'oxygène dans le gaz à analyser pour réaliser une mesure de concentration. Le matériau habituellement employé est l'oxyde de Zirconium, dopé à l'yttrium, qui devient conducteur d'ions oxygène 25 à partir de 400°C environ. Des moyens de chauffage sous la forme d'une résistance électrique sont prévus dans le capteur pour porter l'oxyde de Zirconium dopé à cette température élevée. L'élément sensible chauffant grâce auquel le capteur réalise la mesure est ici formé par le matériau de pompage d'ions d'oxygène et les moyens de chauffage qui portent celui-ci à la température requise. 30 [006] Dans les moteurs thermiques, qui fonctionnent avec des hydrocarbures, les produits de la combustion sont principalement l'eau H20, le dioxyde de carbone CO2, et 3065287 2 des hydrocarbures imbrûlés et polluants issus d'une combustion incomplète. Pendant la phase de montée en température du moteur thermique, après son démarrage à froid, la ligne d'échappement des gaz passe par différents stades de taux d'humidité. Cette humidité provient essentiellement de l'eau produite par la combustion dans le moteur et se 5 traduit par la présence de gouttelettes et de vapeur d'eau dans la ligne d'échappement. [007] Dans l'état actuel de la technique, pendant cette phase de montée en température, l'élément sensible chauffant du capteur est maintenu inactif, c'est-à-dire non chauffé, tant que l'humidité présente dans les gaz d'échappement n'est pas descendue en dessous d'un certain seuil. Il est ainsi évité un risque important de claquage de l'élément sensible chauffant. En effet, si l'élément sensible chauffant était activé pendant cette phase, sa température serait portée à plus de 400°C et la présence d'une humidité importante dans des gaz d'échappement encore froids conduirait à un choc thermique destructeur. Lorsque le moteur est chaud, l'humidité présente dans les gaz d'échappement baisse substantiellement et il est alors possible d'activer le capteur. [008] L'inactivation du capteur pendant la montée en température du moteur thermique est pénalisante pour un fonctionnement optimal de la ligne de dépollution des gaz d'échappement. [009] Il est souhaitable d'apporter une solution au problème exposé ci-dessus, en fournissant un capteur de gaz perfectionné dont l'élément sensible chauffant puisse être 20 activé même en présence d'une humidité importante dans les gaz à analyser. [0010] Selon un premier aspect, l'invention concerne un capteur de gaz comprenant un corps contenant des éléments fonctionnels du capteur, et une chambre de mesure dans laquelle est disposé un élément sensible, l'élément sensible nécessitant d'être chauffé à une température prédéterminée pour une analyse des gaz entrants dans la chambre de 25 mesure. Conformément à l'invention, le capteur comprend également une substance hygroscopique disposée dans un passage des gaz depuis l'extérieur vers l'intérieur de la chambre de mesure. [0011] Selon une forme de réalisation particulière, la substance hygroscopique se présente sous la forme d'un revêtement déposé sur des parois situées dans le passage 30 des gaz. 3065287 3 [0012] Selon une autre forme de réalisation particulière, la substance hygroscopique se présente sous la forme d'une poudre. [0013] Selon une caractéristique particulière, le capteur comprend une résistance chauffante destinée à chauffer la substance hygroscopique pour un déstockage de l'eau 5 contenue dans celle-ci. [0014] Selon une autre caractéristique particulière, la chambre de mesure comprend des premier et deuxième capots comportant des orifices de passage de gaz vers l'intérieur de la chambre de mesure, et agencés de manière à former un espace de passage de gaz entre eux dans lequel est disposée la substance hygroscopique. 10 [0015] Selon une autre caractéristique particulière, la substance hygroscopique comprend du sulfate de calcium (Ca504) et/ou du sulfate de magnésium (Mg504) et/ou de l'oxyde de magnésium (MgO). [0016] Selon une forme de réalisation particulière, le capteur de gaz est un capteur d'oxyde d'azote. 15 [0017] Selon une autre forme de réalisation particulière, le capteur de gaz est une sonde à oxygène. [0018] Selon un autre aspect, l'invention concerne une motorisation thermique de véhicule comprenant un capteur de gaz tel que décrit brièvement ci-dessus, ainsi qu'un véhicule comprenant une telle motorisation thermique. [0019] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la Fig.1 est une vue extérieure d'un capteur de gaz selon l'invention, sous la forme d'un capteur d'oxyde d'azote ; et - la Fig.2 est une vue partielle en coupe d'une chambre de mesure du capteur de gaz de la Fig.1. [0020] En référence aux Figs.1 et 2, il est maintenant décrit ci-dessous une réalisation particulière d'un capteur de gaz selon l'invention, sous la forme d'un capteur d'oxyde 3065287 4 d'azote 1 adapté à une application dans une ligne de dépollution des gaz d'échappement d'une motorisation thermique de véhicule. [0021] Comme montré à la Fig.1, le capteur 1 comprend une partie formant corps 10, une partie de fixation mécanique 11 et une chambre de mesure 12. L'acier inoxydable est 5 préférentiellement utilisé pour différents éléments de structure du capteur. [0022] Le corps 10 est formé typiquement d'une coque de forme globalement cylindrique à l'intérieur de laquelle sont logés des éléments fonctionnels du capteur 1. Le corps 10 comporte une ouverture pour le passage d'un câble de connexion électrique 100 destiné à relier le capteur 1 à une unité de contrôle électronique (ECU) et le réseau d'alimentation 10 électrique du véhicule. [0023] La partie de fixation mécanique 11 comporte une portion hexagonale formant tête de vissage et une portion filetée mâle. La partie de fixation mécanique 11 autorise le montage du capteur 1 dans une ligne d'échappement de la motorisation thermique de véhicule. 15 [0024] La chambre de mesure 12 est prévue pour être plongée dans le flux des gaz d'échappement. Un capot de protection extérieur 120 comporte des orifices 121 pour le passage des gaz à l'intérieur de la chambre de mesure 12. [0025] La chambre de mesure 12 est montrée en coupe à la Fig.2. [0026] Comme montré à la Fig.2, la chambre de mesure 12 comporte aussi un capot de 20 protection intérieur 122 contenu à l'intérieur du capot de protection extérieur 120. Le capot 122 comporte, de même que le capot 120, des orifices 123 pour le passage des gaz. [0027] Les capots 120 et 122 sont agencés coaxialement selon un axe longitudinal A du capteur 1 et fixés mécaniquement à un culot métallique interne 124 du capteur 1. Les capots 120 et 122 délimitent la chambre de mesure 12 pour l'analyse du gaz. 25 [0028] Comme montré à la Fig.2, un élément sensible 125 se prolonge axialement dans la chambre de mesure 12 délimitée par les capots 120 et 122. Plus précisément, l'élément sensible 125 se prolonge dans l'espace intérieur du capot de protection interne 122. L'élément sensible 125 est typiquement une plaquette mince et étroite qui est contenue en grande partie dans le corps creux 10 du capteur 1, avec d'autres éléments fonctionnels du capteur 1, et qui se prolonge dans la chambre de mesure 12, à l'intérieur du capot 122. 3065287 5 L'élément sensible 125 comporte notamment le matériau de pompage des ions d'oxygène, à savoir l'oxyde de Zirconium dopé à l'yttrium, et une résistance électrique de chauffage. [0029] Comme cela apparaît à la Fig.2, un espace de passage de gaz 126 est disponible entre le capot de protection externe 120 et le capot de protection interne 122. L'espace 5 126 est traversé par les gaz d'échappement avant que ceux-ci ne pénètrent à l'intérieur du capot 122 et n'atteignent l'élément sensible 125. Les orifices de passage de gaz 121, 123, autorisent cette circulation des gaz d'échappement. [0030] Conformément à l'invention, une substance hygroscopique est disposée dans le passage des gaz depuis l'extérieur vers l'intérieur de la chambre de mesure. Dans cette 10 forme de réalisation, la substance hygroscopique, repérée 127 à la Fig.2, est disposée dans l'espace 126 sur le passage des gaz d'échappement entre les orifices 121 et 123, afin de capter l'eau présente dans les gaz d'échappement. En variante, on notera qu'un conduit qui force le passage des gaz dans la substance hygroscopique avant d'arriver à la chambre de mesure pourra être utilisé dans d'autres formes de réalisation. 15 [0031] Des substances telles que le sulfate de calcium (CaSO4), le sulfate de magnésium (MgSO4) et l'oxyde de magnésium (MgO) pourront être utilisées en tant que substance hygroscopique. Afin de ne pas fausser la mesure du capteur, la substance hygroscopique 127 devra être choisie parmi des substances qui ne stockent pas les composés gazeux à mesurer, ni des polluants qui pourraient interférer sur la mesure. De 20 manière générale, on notera que la substance hygroscopique pourra se présenter sous différentes formes, par exemple, sous la forme d'une poudre ou d'un revêtement déposé sur des parois. [0032] Dans cette application au domaine automobile, le capteur fonctionne de la manière suivante : 25 [0033] Le capteur 1 est activé dès le démarrage du moteur thermique. Pendant toute la phase de montée en température du moteur thermique, avec la présence d'une humidité importante, la substance hygroscopique 127 capte et stocke l'eau contenu dans les gaz d'échappement entrants. Les gaz à analyser qui viennent en contact avec l'élément sensible 125 sont donc exempt d'humidité excessive. La mesure de la concentration en 30 oxyde d'azote peut donc être effectuée pendant toute cette phase de montée en température. 3065287 6 [0034] Après 10 à 15 minutes de roulage du véhicule, la substance hygroscopique 127 est chaude, du fait de la chaleur apportée par les gaz d'échappement et la résistance de chauffage de l'élément sensible. L'eau retenue dans la substance hygroscopique 127 s'évacue alors dans les gaz d'échappement, sans dommage pour le capteur du fait de 5 l'absence de choc thermique. La substance hygroscopique 127 revient ainsi à un état sec et est prête pour remplir sa fonction lors du prochain démarrage du moteur thermique. [0035] L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans les moteurs thermiques de type Diesel, pour le traitement des oxydes d'azote dans les lignes de dépollution des gaz d'échappement. 10 [0036] Ainsi, dès le démarrage du moteur thermique Diesel, le chauffage de l'élément sensible 125 est activé. Les gaz d'échappement humides entrent dans la chambre de mesure 12 par les orifices 121 du capteur 1 et viennent lécher la substance hygroscopique 127 qui capte l'humidité présente sous la forme de goulettes d'eau et/ou de vapeur d'eau. Les gaz déshumidifiés pénètrent ensuite par les orifices 123 à l'intérieur du capot 122 pour 15 être analysés. Contrairement à l'état de l'art, le capteur 1 est donc disponible ici pour mesurer la concentration des oxydes d'azote dès le début du roulage. [0037] Lorsque la température des gaz d'échappement devient supérieure à 120°C environ, la substance hygroscopique 127 est chaude et déstocke l'eau dans les gaz qui l'entraîne et l'évacue. 20 [0038] On notera ici que le déstockage de l'eau contenu dans la substance hygroscopique 127 pourra être amélioré par l'ajout d'une résistance chauffante (non représentée à la Fig.2) disposée à proximité de la substance hygroscopique 127. Ainsi par exemple, lorsque la température des gaz d'échappement devient supérieure à 120°C, la résistance chauffante pourra être activée pour chauffer la substance hygroscopique 127 25 jusqu'à environ 250°C et garantir un déstockage complet de l'eau contenue dans celle-ci. [0039] En autorisant une activation du capteur d'oxyde d'azote dès le début du démarrage du moteur thermique, l'invention apporte une meilleure précision dans le pilotage du moteur thermique et de la ligne de dépollution, notamment pour la commande d'injection du réactif AdBlue. Les performances de la dépollution peuvent ainsi être 30 améliorées. 3065287 7 [0040] Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra y apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées. REVENDICATIONS1. Capteur de gaz (1) comprenant un corps (10) contenant des éléments fonctionnels du capteur (1), et une chambre de mesure (12) dans laquelle est disposé un élément sensible (125), ledit élément sensible (125) nécessitant d'être chauffé à une température prédéterminée pour une analyse des gaz entrants dans ladite chambre de mesure (12), caractérisé en ce qu'il comprend également une substance hygroscopique (127) disposée dans un passage (126) des gaz depuis l'extérieur vers l'intérieur de ladite chambre de mesure (12). 2. Capteur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite substance hygroscopique (127) se présente sous la forme d'un revêtement déposé sur des parois situées dans ledit passage (126) des gaz. 3. Capteur de gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite substance hygroscopique (127) se présente sous la forme d'une poudre. 4. Capteur de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance chauffante destinée à chauffer ladite substance hygroscopique (127) pour un déstockage de l'eau contenue dans celle-ci. 5. Capteur de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite chambre de mesure (12) comprend des premier et deuxième capots (120, 122) comportant des orifices (121, 123) de passage de gaz vers l'intérieur de ladite chambre de mesure (12), et agencés de manière à former un espace de passage de gaz (126) entre eux dans lequel est disposée ladite substance hygroscopique (127). 6. Capteur de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite substance hygroscopique (127) comprend du sulfate de calcium (CaSO4) et/ou du sulfate de magnésium (MgSO4) et/ou de l'oxyde de magnésium (MgO). 3065287 9 7. Capteur de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un capteur d'oxyde d'azote. 8. Capteur de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'une sonde à oxygène. 5 9. Motorisation thermique de véhicule, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un capteur de gaz (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Véhicule comprenant une motorisation thermique selon la revendication 9.