FR2926368A1 - Procede de mesure de la temperature d'un capteur de particules pour determiner la concentration en suie de la conduite des gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

Procédé de mesure de la température d'un capteur de particules (1) pour déterminer une concentration en suie dans la conduite des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon lequel le capteur de particules (1) comporte un capteur (20) sur une couche de support (10), ce capteur ayant deux électrodes en forme de peignes (23, 24) qui s'interpénètrent pour mesurer la concentration en suie ainsi qu'un élément chauffant (30) pour régénérer le capteur de particules (1).Pour mesurer la température par l'application brève d'une tension alternative, on détermine une impédance dépendant de la température pour la couche de support (10) entre le capteur (20) et l'élément chauffant (30) du capteur de particules (1). Pendant la mesure de la température, on coupe la tension d'alimentation (47) du capteur (20) et la tension d'alimentation (48) de l'élément chauffant (30) et pendant ce temps, on applique la tension alternative.

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de mesure de la température d'un capteur de particules pour déterminer une concentration en suie dans la conduite des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon lequel le capteur de particules comporte un capteur sur une couche de support, ce capteur ayant deux électrodes en forme de peignes qui s'interpénètrent pour mesurer la concentration en suie ainsi qu'un élément chauffant pour régénérer le capteur de particules.

Etat de la technique Pour tenir compte de la réglementation à venir, il faut surveiller l'émission de particules d'un moteur à combustion interne notamment d'un moteur Diesel en amont et/ou en aval de son filtre à particules pendant son fonctionnement. En outre, il faut établir un pronostic de charge d'un tel filtre pour le contrôle de la régénération, afin d'atteindre systématiquement une très forte sécurité et utiliser des matériaux économiques. En outre, il est prévu de réguler les caractéristiques de combustion du moteur à combustion interne en se fondant sur l'information relative à l'émission de particules.

Pour mesurer la concentration en particules dans les gaz d'échappement il est possible d'utiliser un capteur de particules, résistif, composé d'électrodes digiformes qui s'interpénètrent sur un substrat en céramique. Lorsque des particules de noir de fumée (ou de suie) se déposent sur la structure des électrodes, l'impédance de l'installation change. Dans le cas le plus simple, on exploite la charge en particules par une mesure de résistance électrique. Pour mieux connaître la probabilité de dépôt de particules sur le capteur de particules, on peut prévoir un manchon capteur au niveau de l'électrode. Selon l'état de la technique, et dans un mode de réalisation, on fixe une valeur de seuil pour la résistance ou, pour une tension connue, on fixe l'intensité du courant traversant le filtre à particules et on mesure le temps entre le début d'un cycle de mesure avec un capteur de particules, non chargé jusqu'à atteindre cette valeur de seuil. Une fois la valeur de seuil atteinte, on chauffe le capteur de particules à l'aide d'un élément chauffant intégré et on élimine les particules de suie déposées en les brûlant ; on peut alors commencer un nouveau cycle de mesure. Selon un autre mode de réalisation, on détermine le signal de résistance ou d'intensité dans une trame variable ou fixe de durée de mesure et on détermine la pente du signal de résistance ou du signal d'intensité. Un tel capteur de particules résistif, fonctionnant par accumulation est décrit dans le document DE 101 33 384 Al. Le capteur de particules se compose de deux électrodes en forme de peignes qui s'interpénètrent et qui sont au moins partiellement couvertes par un manchon capteur. Lorsque les particules des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne se déposent sur le capteur de particules, il se produit une variation exploitable de l'impédance du capteur de particules ce qui permet de conclure à la quantité de particules déposées et ainsi à la quantité de particules transportées par les gaz d'échappement. Les capteurs de particules ont une forte sensibilité transversale vis-à-vis d'autres influences telles que par exemple la température du capteur, la température des gaz d'échappement et aussi la vitesse de passage des gaz d'échappement. Ces grandeurs influencent à la fois le dépôt des particules sur le capteur et la mesure de l'impédance du capteur. C'est pourquoi, il est nécessaire de connaître particulièrement la température du capteur de particules. Actuellement, on saisit la température du capteur de particules en mesurant le courant de chauffage ou en utilisant un modèle de température enregistré dans la commande du moteur du véhicule. On peut également combiner les deux procédés. L'inconvénient de cette solution, est que la température de l'élément de capteur ne se détermine qu'indirectement. Les capteurs de température supplémentaires représenteraient par ailleurs une augmentation du coût. But de l'invention La présente invention a ainsi pour but de développer un procédé de mesure de la température de l'élément de capteur sans utiliser de capteurs de température supplémentaires.

Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que pour mesurer la température, par l'application brève d'une tension alternative, on détermine une impédance dépendant de la température pour la couche de support entre le capteur et l'élément chauffant du capteur de particules. Cela permet de manière simple de déterminer la température du capteur de particules sans nécessiter de capteurs de température supplémentaires. Ainsi obtenue la température du capteur de particules peut servir par exemple à corriger la sensibilité transversale du capteur de particules et à déterminer de façon plus précise la concentration de noir de fumée dans la conduite des gaz d'échappement du moteur à combustion interne. Le procédé est utile dans le cas où la matière de la couche de support (par exemple de l'oxyde de zirconium ou une céramique YSZ) devient de plus en plus conductrice en fonction de l'augmentation de la température et présente ainsi une résistance ayant une caractéristique NTC. Selon l'invention, il est prévu que pendant la mesure de la température, on coupe la tension d'alimentation du capteur et celle de l'alimentation de l'élément chauffant, et on applique une tension alternative pendant cette période. Cela permet de déterminer l'impédance de la couche de support sans perturbation. On exclut ainsi des intensités supplémentaires ou des tensions qui pourraient influencer la mesure d'impédance. Si l'on coupe au maximum pendant 1 s la tension d'alimentation du capteur et celle de l'alimentation de l'élément chauffant, ce qui correspond à une durée de mesure suffisamment longue, on évite que l'élément de capteur ne se refroidisse de manière significative. Usuellement, pour déterminer l'impédance, il suffit d'un temps de mesure d'environ 0,5 s. Pour éviter les perturbations liées par exemple aux capacités parasites, il est avantageux que pendant le temps de coupure de la tension d'alimentation du capteur et de celle de l'alimentation de l'élément chauffant, on court-circuite les électrodes en forme de peignes du capteur ainsi que les contacts des conducteurs chauffant de l'élément chauffant. Pour réaliser la mesure de température nécessaire dans des intervalles de temps brefs, il est avantageux de couper ou de court- circuiter la tension d'alimentation du capteur et celle de l'alimentation de l'élément chauffant ou bien les électrodes en forme de peignes du capteur et les contacts des conducteurs chauffant de l'élément chauffant à l'aide d'un commutateur semi-conducteur sous la forme par exemple d'un relais semi-conducteur ou d'un Triac. Cela permet une fréquence de commutation élevée sans usure. Pour mesurer la température, il est avantageux de déterminer la conductivité de la couche de support en fonction de la température à l'aide d'une résistance de mesure branchée en série sur le capteur de particules pendant la mesure. Un signal de tension alternative appliqué à la résistance de mesure est une mesure du courant alternatif à travers le dispositif et ainsi une mesure de la conductivité de la couche de support dépendant de la température. Pour une exploitation simple de l'impédance de la tension alternative de la couche de support et pour déterminer un signal de valeur maximale, il est prévu de redresser le signal de tension alternative dans la résistance de mesure par un redresseur et de lisser le chronogramme du signal redressé à l'aide d'une capacité. Une résistance supplémentaire en série avec le redresseur forme avec la capacité un élément RC qui permet de fixer la constante de temps pour lisser le signal. Habituellement, la fréquence de la tension alternative appliquée pour la mesure de la température se situe dans une plage comprise entre 1 kHz et 10 kHz. Il est intéressant pour la résistance d'isolation et la capacité d'isolation, entre la structure de capteur et la couche porteuse ou entre l'élément chauffant et la couche porteuse, de déterminer la conductivité à l'aide d'une tension alternative dont la fréquence est supérieure ou égale à 100 kHz. A partir de cette plage de fréquence, l'amplitude du signal de la tension alternative sur la résistance de mesure ou l'amplitude du signal redressé est indépendante de la fréquence utilisée et les autres conditions géométriques étant inchangées, cette amplitude ne dépend plus que de la température de la couche porteuse. De façon idéale, pour les géométries actuellement usuelles des capteurs de particules, il est intéressant d'utiliser une tension alternative de fréquence de l'ordre de 500 kHz. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté à l'aide des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un capteur de particules selon l'état de la technique, - la figure 2 montre un circuit schématique du circuit extérieur du capteur de particules pour la mesure de la température, - la figure 3 montre un schéma équivalent du dispositif de mesure de température, et - la figure 4 montre un diagramme de conductivité de la couche porteuse du capteur de particules. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un capteur de particules 1 pour déterminer la concentration en suie dans une conduite de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Le capteur de particules 1 comporte une couche de support 10 par exemple en céramique portant sur une face un élément chauffant 30 dont le conducteur chauffant forme un méandre. Le conducteur chauffant comporte deux contacts 31, 32 pour relier l'élément chauffant 30 à une tension d'alimentation 48 (non représentée figure 1) pour permettre le cas échéant de chauffer ou de brûler le capteur à particules 1. Une autre couche de support 10 peut être mise en contact thermique avec la couche de support 10 évoquée ci-dessus portant l'élément chauffant 30. Cette autre couche de support peut se situer sur la même couche de support 10 mais sur sa face arrière par rapport à l'élément chauffant 30 correspond au capteur 20 qui sert à déterminer la concentration en suie. Le capteur 20 est formé par une structure composée de deux électrodes en forme de peignes 23, 24 qui s'interpénètrent en partie tout en étant écartées l'une de l'autre. Les électrodes en forme de peignes 23, 24 ont chacune un contact de capteur 21, 22. Ces contacts sont destinés à être reliés à la tension d'alimentation 47 du capteur (également non représentée à la figure 1) ou à une unité de mesure et de commande pour exploiter le signal du capteur. Dans la zone des peignes, les deux électrodes 23, 24 sont au moins en partie couvertes par un diélectrique 25 pour qu'elles puissent servir d'électrodes à un condensateur offrant une capacité mesurable. Le diélectrique est lui-même recouvert d'une couche protectrice 26 qui le protège du milieu ambiant pour en exclure toute dégradation. La capacité de ce dispositif de capteur varie en fonction de la suie déposée et cette capacité est exploitée par l'unité de mesure et de commande ainsi raccordée. La figure 2 représente schématiquement le capteur de particules 1 relié à un circuit extérieur pour la mesure de la température. Ce schéma correspond par exemple à une unité de mesure 40. Le capteur de particules 1 de la figure 1 présente les caractéristiques déjà décrites ci-dessus. Les contacts de capteur 21, 22 des électrodes en forme de peignes 23, 24 du capteur 20 ainsi que les contacts 31, 32 de l'élément chauffant 30 sont reliés à l'unité de mesure 40 pour être reliés par plusieurs commutateurs 46 à l'alimentation en tension 47 du capteur ou à l'unité de mesure et de commande permettant de déterminer la teneur en suie ainsi qu'à l'alimentation en tension 48 de l'élément chauffant. Il est en outre prévu une électrode en forme de peigne 23 pour le capteur 20 reliée à une source de tension alternative 41. L'autre branchement de la source de tension alternative 41 est relié par une résistance de mesure 42 servant de shunt de mesure, reliée au conducteur de l'élément chauffant 30 dans l'exemple présenté par l'intermédiaire des contacts de conducteur chauffant 31. Le circuit de courant alternatif est fermé par la couche de support 10 ; entre les électrodes en forme de peignes 23, 24 et la couche de support 10 ainsi qu'entre les éléments chauffant 30 et la couche de support, on a des résistances d'isolation 27, 33 non représentées ainsi que des capacités d'isolation 28, 34.

Selon l'invention, il est prévu de couper la tension d'alimentation 47 du capteur 20 et la tension d'alimentation 48 de l'élément chauffant 30 pendant la mesure de la température ; on applique une tension alternative pendant ce temps. En même temps, il est prévu de court-circuiter les électrodes de peignes 23, 24 du capteur 20 ainsi que les contacts 31, 32 de l'élément chauffant 30 pendant la durée de coupure de la tension d'alimentation 47 du capteur et de la tension d'alimentation 48 de l'élément chauffant. Cela peut se faire par exemple par le montage du commutateur 46 comme cela est représenté figure 2. On peut ainsi utiliser par exemple un relais commandé par une unité de commande 45 couplée à une unité d'exploitation 43 pour la mesure de la température et pour fournir un signal de température 44. Dans la même cadence de mesure, on commute les contacts. Dans un autre exemple de réalisation, on coupe ou on court-circuite la tension d'alimentation 47 du capteur ainsi que la tension d'alimentation 48 de l'élément chauffant ou des électrodes 23, 24 des peignes du capteur 20 ainsi que les contacts 31, 32 de l'élément chauffant 30 par l'intermédiaire de commutateurs à semi-conducteurs. Selon l'invention, la coupure de la tension d'alimentation 47 du capteur et de la tension d'alimentation 48 de l'élément chauffant, ne se fait que brièvement et de façon caractéristique pendant environ 0,5 s. Pendant ce temps, on applique la source de tension alternative 41 pour qu'un courant alternatif puisse traverser la résistance de mesure 42 en fonction de la température de la couche de support 10.

La figure 3 montre un schéma équivalent pour le courant alternatif dans le dispositif de mesure de température. Le circuit de courant alternatif se compose de la source de tension alternative 41 et de la résistance de mesure 42 sur laquelle on mesure un signal de tension alternative 49. L'amplitude de ce signal est proportionnelle à la conductivité du dispositif de mesure de température. Le dispositif de mesure de température se décrit par le circuit équivalent en courant alternatif par un montage en série composé de la résistance d'isolation 27 déjà évoquée entre les électrodes 23, 24 des peignes et la couche de support 10 qui a une résistance de substrat 11 dépendant de la température et de la résistance d'isolation 33 entre l'élément chauffant 30 et la couche de support 10. En parallèle aux résistances d'isolation 27, 33, les transitions comportent les capacités d'isolation 28, 34 déjà évoquées. En fonction des géométries habituelles du dispositif de capteur, on aura par exemple les valeurs caractéristiques suivantes pour les résistances d'isolation 27, 33 des capacités d'isolation 28, 34 ainsi que pour la résistance de substrat 11 qui, du fait de sa matière céramique, a un comportement de résistance NTC : Surface des électrodes en forme de peigne 23, 24 et surface du conducteur chauffant : 0,35 cm2 Epaisseur de la couche d'isolation : 20 m Epaisseur de la couche de support 10 (céramique YSZ) 450 m On obtient ainsi les valeurs caractéristiques suivantes :

Résistance d'isolation R 27,33 : 10 MD Capacité d'isolation C 28,34: 2 nF Résistance de substrat Rsub 11 (par exemple à 350°C) 1,7 kSZ c'est-à-dire dans la plage caractéristique de 1 kSZ

pour la relation correspondant à l'impédance totale complexe : zcapteur = 1/(1/R + jwC) +Rsub + 1/(1/R + jcoC) = 2R/(1+jcoCR) + Rsub on obtient les valeurs données à titre d'exemple ci-dessus et pour une fréquence de mesure de 500 kHz, une impédance totale d'amplitude Zcapteur = 1049 D. Pour une résistance de mesure 42 de 1 kSZ et une amplitude de la tension alternative de 1,65 V, on obtient par exemple une amplitude pour le signal de tension alternative 49 sur la résistance de mesure 42 de l'ordre de 0,81 V. Pour une saisie de valeur maximale 50, il est en outre prévu comme cela est indiqué en trait interrompu figure 3, de redresser le signal de tension alternatif 49 sur la résistance de mesure 42 à l'aide d'un redresseur 51 par exemple d'une diode et de lisser le chronogramme du signal redressé à l'aide d'une capacité 53 (qui est de façon caractéristique égale à 47 nF). Une résistance supplémentaire 52 (de façon caractéristique égale à 15 kO) est branchée en série par rapport au redresseur 51 pour former avec la capacité un élément RC qui fixe la constante de temps du lissage du signal. Un signal de valeur maximale 54 correspondant peut se mesurer sur la capacité 53. La figure 4 montre un diagramme de conductivité de la couche de support 10 du capteur de particules 1. La conductivité de substrat 60 de la couche de support 10 est représentée en fonction de la fréquence 61. La courbe de conductivité 62 représente la conductivité du substrat en fonction de la fréquence pour une température T1. Une autre courbe de conductivité 63 représente la conductivité du substrat dépendant de la fréquence pour une température T2 telle que T2 > T1. Il apparaît qu'à partir d'une certaine fréquence, on peut exploiter la température indépendamment de la fréquence. Pour des valeurs données à titre d'exemple ci-dessus, cela correspond par exemple à une fréquence supérieure à environ 200 kHz. 25

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 °) Procédé de mesure de la température d'un capteur de particules (1) pour déterminer une concentration en suie dans la conduite des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon lequel le capteur de particules (1) comporte un capteur (20) sur une couche de support (10), ce capteur ayant deux électrodes en forme de peignes (23, 24) qui s'interpénètrent pour mesurer la concentration en suie ainsi qu'un élément chauffant (30) pour régénérer le capteur de particules (1), caractérisé en ce que pour mesurer la température, par l'application brève d'une tension alternative, on détermine une impédance dépendant de la température pour la couche de support (10) entre le capteur (20) et l'élément chauffant (30) du capteur de particules (1).

2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la mesure de la température, on coupe la tension d'alimentation (47) du capteur (20) et la tension d'alimentation (48) de l'élément chauffant (30) et durant ce temps, on applique la tension alternative.

3°) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on coupe la tension d'alimentation (47) du capteur et la tension d'alimentation (48) de l'élément chauffant pendant une durée maximale de 1 s.

4°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la durée de coupure de la tension d'alimentation (47) du capteur et de la tension d'alimentation (48) de l'élément chauffant, on court-circuite les électrodes en forme de peignes (23, 24) du capteur (20) ainsi que les contacts de conducteur chauffant (31, 32) de l'élément chauffant (30).355°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' à l'aide de commutateurs à semi-conducteurs, on coupe ou on court-circuite la tension d'alimentation (47) du capteur et la tension d'alimentation (48) de l'élément chauffant ou les électrodes en forme de peignes (23, 24) du capteur (20) ainsi que les contacts des conducteurs chauffant (31, 32) de l'élément chauffant (30). 6°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine la conductivité de la couche de support (10) en fonction de la température à l'aide d'une résistance de mesure (42) branchée en série avec le capteur de particules (1) au cours de la mesure de la température. 7°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conductivité de la couche de support (10) augmente avec la température. 8°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on redresse le signal de tension alternatif (49) de la résistance de mesure (42) par un redresseur (51) et on lisse le chronogramme du signal redressé à l'aide d'une capacité. 9°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine la conductivité avec une tension alternative dont la fréquence est supérieure ou égale à 100 kHz.35