FR2995689A1

FR2995689A1 - Sonde de mesure de depot de suie dans l'echappement et son procede de fabrication

Info

Publication number: FR2995689A1
Application number: FR1258855A
Authority: FR
Inventors: Jacques Noulette; Frederic Duault
Original assignee: Electricfil Automotive SAS
Current assignee: EFI Automotive SA
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-03-21
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: WO2014044965A1; FR2995689B1; DE112013004590T5

Abstract

L'invention concerne une sonde de mesure de la quantité de suie déposée sur une surface de collecte, comportant un support diélectrique allongé revêtu d'une couche d'un matériau conducteur électrique formant au moins deux électrodes de détection, dont, au moins un une partie forme la surface de collecte des suies, les deux élément, étant séparées selon une distance inter-électrode par l'intermédiaire d'un sillon diélectrique délimité de part et d'autre par des bords (14) du matériau conducteur électrique. Les bords (14) du sillon diélectrique sont pourvus d'amas localisés de matériau conducteur électrique espacées les uns des autres pour favoriser la formation de ponts de suie entre les électrodes.

Description

La présente invention concerne le domaine technique de la mesure de la quantité de suie contenue dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule terrestre, tel qu'une automobile, un camion, etc. La présente invention concerne plus précisément une sonde adaptée pour mesurer le dépôt de suie intervenant dans les émissions polluantes en provenance de ces gaz d'échappement automobile. Compte tenu des contraintes environnementales, il apparaît le besoin de pouvoir quantifier les émissions de particules ou de suie provenant des moteurs thermiques avec une fiabilité et une précision élevées.

Dans l'état de la technique, différentes solutions ont été proposées pour la détection des suies dans les gaz d'échappement. Par exemple, la demande de brevet FR 2 805 347 décrit un dispositif de mesure comportant une sonde interposée localement dans le flux de gaz d'échappement de manière à capter les particules en circulation. Cette sonde comporte un support diélectrique allongé revêtu par un matériau conducteur électrique formant au moins deux électrodes de détection dont au moins une partie forme une surface de collecte des suies. Les électrodes de détection sont espacées l'une de l'autre par un sillon diélectrique présentant un dessin particulier pour réaliser des électrodes de détection interdigitées ou non. Les électrodes sont reliées à un système électronique permettant de mesurer la variation de la résistance électrique résultant du dépôt de suie sur le support diélectrique allongé. Ce système électronique comporte des moyens de traitement aptes à évaluer, à partir de la mesure de cette résistance électrique, le débit des particules transportées par le flux gazeux ou le degré d'encrassement d'un élément filtrant traversé par le flux gazeux transportant les particules. La détermination du degré d'encrassement de l'élément filtrant tel qu'un filtre à particules permet de déterminer les moments les mieux appropriés pour déclencher un processus de nettoyage de l'élément filtrant. En effet, afin d'éviter un colmatage de l'élément filtrant, il est prévu périodiquement d'assurer sa régénération par combustion du dépôt de suie.

Cette opération de régénération peut entrainer une détérioration de l'élément filtrant si en particulier, un excédent de suies s'est accumulé à l'intérieur des alvéoles constituant un tel élément filtrant. Dans ce cas, la régénération des suies peut provoquer une réaction tellement exothermique que le filtre peut se fissurer à cause de contraintes dues à des dilatations différentielles, voire même fondre. Il s'ensuit que l'élément filtrant n'est plus à même d'exercer sa fonction de sorte que des suies fines (proches de 70 nm de diamètre) ne sont plus arrêtées par l'élément filtrant. Afin de détecter une défaillance de l'élément filtrant, il apparait le besoin de pouvoir mesurer de manière précise et rapide la concentration de suie dans la veine de gaz en aval du filtre à particules. Une façon de procéder est de mesurer le dépôt de suie réalisé sur une sonde de mesure disposé dans le flux des gaz d'échappement, en aval de l'élément filtrant. La présente invention vise donc à proposer une nouvelle sonde adaptée pour mesurer de manière précise et rapide, la quantité de dépôt de suie déposé sur une surface de collecte placée localement dans le flux des gaz d'échappement. Un autre objet de l'invention est de proposer une sonde de mesure adaptée pour présenter des mesures reproductibles. Pour atteindre de tels objectifs, la sonde de mesure de la quantité de suie déposée sur une surface de collecte, comporte un support diélectrique allongé revêtu d'une couche d'un matériau conducteur électrique formant au moins deux électrodes de détection dont, au moins une partie forme la surface de collecte des suies, les deux électrodes étant séparées selon une distance inter-électrodes par l'intermédiaire d'un sillon diélectrique délimité de part et d'autre par des bords du matériau conducteur électrique. Selon l'invention, les bords du sillon diélectrique sont pourvus d'amas localisés de matériau conducteur électrique espacées les uns des autres pour favoriser la formation des ponts de suie entre les électrodes, et accélérer ainsi la mesure. L'objet de l'invention, vise également une sonde de mesure comportant l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles suivantes : - les amas localisés s'étendent en saillie par rapport à la surface du matériau conducteur électrique, - chaque amas possède un diamètre compris entre 0,03 et 0,3 fois la distance inter-électrode, - les amas sont espacés les uns des autres selon un bord, entre 1 et 10 fois le diamètre des amas, - les amas sont répartis de manière sensiblement homogène sur chacun des bords du sillon diélectrique, - les bords du sillon diélectrique sont distants d'une mesure comprise entre 10 10 et 100 pm, - une source de tension reliée aux deux électrodes pour appliquer une tension de polarisation de manière à obtenir localement entre deux amas disposés de part et d'autre du sillon diélectrique, un champ électrique entre 106 et 108 V/m et de préférence entre 3.106 et 1,2x107 V/m. 15 Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'une sonde de mesure conforme à l'invention. Le procédé de fabrication, d'une sonde de mesure conforme à l'invention, consiste à enlever par un faisceau laser selon un sillon, une partie d'un matériau conducteur électrique déposé sur un support diélectrique afin de former deux 20 électrodes de détection de la quantité de suie déposée. Le procédé consiste à choisir un laser avec des caractéristiques déterminées et une vitesse déterminée de déplacement du faisceau laser de manière à créer lors de la réalisation du sillon diélectrique, des amas localisés de matériau conducteur électrique, espacés les uns des autres et situés le long des bords du sillon diélectrique. 25 L'objet de l'invention vise également un procédé de fabrication comportant l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles suivantes : - choisir en tant que caractéristique du laser, la puissance, la fréquence et la durée d'impulsion, - choisir un laser présentant une puissance comprise entre 5 et 15 Watts, une 30 fréquence entre 70 et 80 kHz et une durée d'impulsion entre 2,5 et 8 ps, 2 9956 89 4 - déplacer le faisceau laser avec une vitesse de déplacement comprise entre 50 et 200 mm/s. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des 5 formes de réalisation de l'objet de l'invention. La Figure 1 est une vue de dessus montrant une sonde de mesure conforme à l'invention. La Figure 2 est une vue en coupe élévation prise sensiblement selon les lignes II-II de la figure 1.

Les Figures 3 et 4 sont des vues de dessus à grande échelle montrant la sonde de mesure conforme à l'invention. Tel que cela ressort plus précisément des Fig. 1 et 2, l'objet de l'invention concerne une sonde 1 adaptée pour mesurer le dépôt de suie sur une surface de collecte 2 placée dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule au sens général. Cette sonde de mesure 1 se présente sous la forme d'une mince plaquette rectangulaire présentant une partie distale 3 montée libre pour être en contact avec les gaz d'échappement et une partie proximale 4 montée sur un support non représenté. De manière classique, cette sonde de mesure est montée à l'intérieur d'un corps tubulaire de protection non représenté mais de tout type connu en soi. La sonde de mesure 1 comporte un support diélectrique allongé 6 réalisé, par exemple, en une matière céramique. La sonde de mesure 1 comporte une première face principale 61 s'étendant parallèlement à une deuxième face principale opposée 62.

Le support diélectrique 6 comporte à la partie distale 3, au moins deux électrodes de détection 9, 10 disposées de manière adjacente ou côte à côte. Dans l'exemple illustré, le support diélectrique allongé 6 comporte une première électrode 9 et une deuxième électrode 10 aménagées sur la première face principale 61. Le support diélectrique 6 présente ainsi sur sa première face principale 61, la surface de collecte 2 pour les suies dans laquelle sont situées tout ou partie des électrodes de détection 9, 10. De manière classique, ces électrodes de détection 9, 10 sont reliées à la partie proximale 4 du support diélectrique 6, à un système de connexion non représenté, à l'aide de liaisons électriques 91, 101 aménagées sur la première face principale 61 du support diélectrique 6. Le système de connexion est connecté à un système électronique apte à évaluer la quantité de suie déposée sur la surface de collecte. Ce système électronique n'est pas décrit précisément car il est bien connu de l'homme du métier, et ne fait pas partie précisément de l'objet de l'invention.

Il est à noter que les électrodes de détection 9, 10, peuvent présenter différentes formes. Par exemple, elles peuvent être parallèles entre-elles avec des écartements variables ou de forme interdigitée à pas constant ou variable. Dans l'exemple illustré sur les dessins, les électrodes de détection 9, 10 sont interdigitées ou entrecroisées.

Le support diélectrique 6 est revêtu par une couche 11 d'un matériau conducteur électrique formant les électrodes de détection 9, 10. Le matériau conducteur électrique 11 est déposé sur le support diélectrique 6 par tous moyens appropriés tels que par sérigraphie, plasma, CVD, PVD ou jet d'encre. De préférence, le matériau conducteur électrique 11 est un métal réfractaire tel que le palladium, l'or et avantageusement le platine. De préférence, l'épaisseur de la couche du matériau conducteur électrique 11 est comprise entre 5 et 10 pm et avantageusement entre 7 et 10 pm. A titre d'exemple, il a été réalisé une sonde avec une couche de platine déposée par sérigraphie sur un support diélectrique et présentant une épaisseur de 8 pm.

Les électrodes de détection 9, 10 sont séparées par un espace diélectrique ou un sillon diélectrique 13. Ce sillon diélectrique 13 est délimité de part et d'autre par deux bords 14 du matériau conducteur électrique formant les électrodes de détection 9, 10. Le sillon diélectrique 13 possède une largeur représentée par la référence L sur la figure 2 et correspond à la distance inter-électrodes prise entre les deux bords 14 du matériau conducteur électrique. Par exemple, la largeur du sillon 13 est comprise entre 10 et 100 pm et avantageusement de l'ordre de 15 pm. Conformément à l'invention, les bords 14 du sillon diélectrique 13 sont pourvus d'amas 16 de matériau conducteur électrique 11, espacés les uns des autres. Tel que cela ressort plus précisément des figures 3 et 4, chaque bord 14 du sillon diélectrique 13 est pourvu ainsi de protubérances ou d'amas 16 de matériau conducteur électrique 11 se présentant sous forme de boules localisées de matière. Ces amas localisés 16 de matériau conducteur électrique sont attenants ou font corps au matériau conducteur électrique formant les électrodes de détection 9, 10.

Ces amas 16 s'étendent ainsi à partir des bords 14, à l'intérieur du sillon diélectrique 13 tout en restant séparés les uns des autres. Ainsi, les amas 16 situés selon un même bord 14 ne sont pas jointifs et les amas 16 disposés selon un bord 14 sont distants des amas 16 appartenant à l'autre bord 14. Avantageusement, les amas 16 sont répartis de manière sensiblement homogène sur chacun des bords du sillon 13. En d'autres termes, les amas 16 sont répartis sensiblement régulièrement le long de chaque bord 14 du sillon 13. Avantageusement, les amas 16 sont espacés les uns des autres selon un bord 14 d'une distance comprise entre 1 et 10 fois le diamètre des amas. Le diamètre des amas 16 correspond à la mesure prise des amas 16 selon la direction d'extension du sillon 13. Chaque amas 14 possède un diamètre compris entre 0,03 et 0,3 fois la distance inter-électrode L. De manière arbitraire, la distance inter-électrode L correspond à la largeur ou à la distance moyenne entre les bords 14 du sillon 13. Dans le cas où la distance inter-électrode L est égale à 15 pm, alors les amas 16 possèdent un diamètre compris entre 0,45 pm et 4,5pm. Avantageusement les amas 14 possèdent des diamètres sensiblement de même valeur. Il s'ensuit que les mesures réalisées sont peu dispersées. Avantageusement, les amas 16 s'étendent en saillie par rapport à la surface supérieure de la couche de matériau conducteur électrique 11. 2 9956 89 7 La présence des amas 16 sur les bords 14 des électrodes de détection 9, 10 permet une meilleure accroche des suies entre les électrodes de détection 9, 10. Il se forme ainsi des ponts de suie 18 entre les bords 14 du sillon 13, à partir des amas 16. Les suies sous forme de filaments viennent s'ancrer sur chacun des 5 amas 16 en vis-à-vis de sorte qu'un pont de suie se crée entre les amas servant d'ancrage. Les amas 16 favorisent ainsi la formation de ponts de suie qui se forment rapidement et de manière homogène. Selon une autre caractéristique de l'invention, les amas 16 sont réalisés lors de la réalisation du sillon 13 par l'intermédiaire d'un faisceau laser. Il doit être considéré 10 que le faisceau laser est déplacé pour suivre un trajet correspondant au dessin souhaité pour les électrodes de détection 9, 10. Lors de son trajet, le faisceau laser enlève le matériau conducteur électrique 11 selon toute son épaisseur de manière à mettre à nu le support diélectrique 6 et à créer l'espace diélectrique 13. Le procédé de fabrication de la sonde de mesure 1 selon l'invention, consiste 15 ainsi à choisir un laser avec des caractéristiques déterminées et une vitesse déterminée de déplacement du faisceau laser de manière à créer lors de la réalisation du sillon diélectrique 13, les amas 16. Lors de l'ablation de la couche de matériau conducteur électrique 11 pour réaliser le sillon diélectrique 13, une partie du matériau conducteur électrique est sublimée tandis qu'une autre partie rentre en 20 fusion. Le liquide alors produit, se solidifie sur les bords 14 des électrodes de détection 9, 10 pour former les amas solides 16 de matériau conducteur électrique. Le procédé consiste à choisir en tant que caractéristique du laser, la puissance, la fréquence et la durée d'impulsion. Le procédé consiste à choisir un laser présentant une puissance comprise 25 entre 5 et 15 Watts, une fréquence entre 70 et 80 kHz et une durée d'impulsion entre 2,5 et 8 ps. A titre d'exemple, le diamètre du faisceau laser est compris entre 15 et 20 pm à la distance focale. Avantageusement, le faisceau laser est déplacé avec une vitesse comprise entre 50 et 200 mm/s.

A titre d'exemple, pour un dépôt de platine de 10 pm d'épaisseur, réalisé par sérigraphie d'une encre n°9141 commercialisée par la société Dupont, les paramètres d'un faisceau laser sont les suivants : - Puissance : 7 W - Vitesse : 50 mm/s - Fréquence : 80 KHz Durée d'impulsion : 4 ps. Il ressort de la description qui précède que la sonde de mesure 1 selon l'invention permet de créer des ponts de suie entre les électrodes de détection 9, 10 contribuant à abaisser la résistance mesurable. Plus le nombre de ponts de suie entre les électrodes est élevé, plus la résistance mesurée est basse. La sonde de mesure 1 est réalisée de manière que les ponts de suie 18 entre les électrodes de détection 9, 10 se forment rapidement afin de disposer d'une mesure rapide. A cet égard, une faible distance inter-électrode L favorise la formation des ponts de suie entre les électrodes de détection 9, 10. De même, les amas 16 sont créés en nombre important car plus le nombre de ponts de suie est important, plus la mesure de la quantité de suie est rapide. Les amas 16 sont créés de manière homogène car plus les ponts de suie se forment de manière homogène, plus la mesure de la quantité de suie est répétable. De préférence, les électrodes de détection 9, 10, présentent une longueur importante afin d'augmenter la longueur d'accroche des ponts de suie 18, ce qui favorise la formation d'un grand nombre de ponts de façon homogène permettant une mesure répétable. Il est à noter que la tension de polarisation appliquée aux bornes des électrodes de détection 9, 10 est telle, qu'en fonction de la distance inter-électrode, le champ électrique créé entre les deux électrodes de détection 9, 10 favorise le dépôt des suies entre les amas 16 qui par leur effet de pointe augmente le champ électrique au niveau des amas 16. A cet égard, une source de tension reliée aux deux électrodes 9, 10 pour appliquer une tension de polarisation de manière à obtenir localement entre deux amas 16 disposés de part et d'autre du sillon diélectrique 13, un champ électrique entre 106 et 108 V/m et de préférence entre 3.106 et 1,2x107 V/m. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.5

Claims

REVENDICATIONS1 - Sonde de mesure de la quantité de suie déposée sur une surface de collecte (2), comportant un support diélectrique allongé (6) revêtu d'une couche d'un matériau conducteur électrique (11) formant au moins deux électrodes de détection (9, 10) dont, au moins une partie forme la surface de collecte des suies, les deux électrodes (9, 10) étant séparées selon une distance inter-électrodes par l'intermédiaire d'un sillon diélectrique (13) délimité de part et d'autre par des bords (14) du matériau conducteur électrique, caractérisé en ce que les bords (14) du sillon diélectrique (13) sont pourvus d'amas (16) localisés de matériau conducteur électrique espacées les uns des autres pour favoriser la formation de ponts de suie (18) entre les électrodes.
2 - Sonde de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les amas localisés (16) s'étendent en saillie par rapport à la surface du matériau conducteur électrique (11).
3 - Sonde de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque amas (16) possède un diamètre compris entre 0,03 et 0,3 fois la distance inter-électrode.
4 - Sonde de mesure selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les amas (16) sont espacés les uns des autres selon un bord (14), entre 1 et 10 fois le diamètre des amas.
5 - Sonde de mesure selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que les amas (16) sont répartis de manière sensiblement homogène sur chacun des bords (14) du sillon diélectrique (13).
6 - Sonde de mesure selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les bords (14) du sillon diélectrique (13) sont distants d'une mesure comprise entre 10 et 100 pm.
7 - Sonde de mesure selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce qu'elle comporte une source de tension reliée aux deux électrodes (9,10) pour appliquer une tension de polarisation de manière à obtenir localement entre deuxamas (16) disposés de part et d'autre du sillon diélectrique (13), un champ électrique entre 106 et 108V/m et de préférence entre 3.106 et 1,2x107 V/m.
8 - Procédé de fabrication d'une sonde de mesure conforme à l'une des revendications 1 à 7, consistant à enlever par un faisceau laser selon un sillon (13), une partie d'un matériau conducteur électrique (11) déposé sur un support diélectrique (6) afin de former deux électrodes de détection (9, 10) de la quantité de suie déposée, caractérisé en ce qu'il consiste à choisir un laser avec des caractéristiques déterminées et une vitesse déterminée de déplacement du faisceau laser de manière à créer lors de la réalisation du sillon diélectrique (13), des amas localisés (16) de matériau conducteur électrique (11), espacés les uns des autres et situés le long des bords (14) du sillon diélectrique (13).
9 - Procédé de fabrication selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il consiste à choisir en tant que caractéristique du laser, la puissance, la fréquence et la durée d'impulsion.
10 - Procédé de fabrication selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce qu'il consiste à choisir un laser présentant une puissance comprise entre 5 et 15 Watts, une fréquence entre 70 et 80 kHz et une durée d'impulsion entre 2,5 et 8 ps.
11 - Procédé de fabrication selon l'une des revendications 8 à 10 caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer le faisceau laser avec une vitesse de 20 déplacement comprise entre 50 et 200 mm/s.