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WO2009115682A2 - Procede et dispositif de mesure du niveau d'opacite de gaz d'echappement emis par un moteur diesel - Google Patents

Procede et dispositif de mesure du niveau d'opacite de gaz d'echappement emis par un moteur diesel Download PDF

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WO2009115682A2
WO2009115682A2 PCT/FR2009/000176 FR2009000176W WO2009115682A2 WO 2009115682 A2 WO2009115682 A2 WO 2009115682A2 FR 2009000176 W FR2009000176 W FR 2009000176W WO 2009115682 A2 WO2009115682 A2 WO 2009115682A2
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WO
WIPO (PCT)
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opacity
chamber
measurement
light
signal
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2009/000176
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English (en)
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WO2009115682A3 (fr
Inventor
Thierry Lepage
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of WO2009115682A2 publication Critical patent/WO2009115682A2/fr
Publication of WO2009115682A3 publication Critical patent/WO2009115682A3/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/10—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame
    • G01M15/102—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame by monitoring exhaust gases
    • G01M15/108—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame by monitoring exhaust gases using optical methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • the present invention relates to the field of controlling the pollution level of a combustion engine, especially diesel engines.
  • the invention relates to a method and a device for measuring the level of opacity of the exhaust gases emitted by diesel engines, the opacity constituting a known criterion of the pollution level of this type of engine.
  • the control procedure is defined by standard NF-R-10-025-3.
  • Io initial luminous intensity emitted by a light bulb of the opacimeter
  • k absorption coefficient of the medium (the exhaust gases)
  • L length of the measuring chamber
  • soot may be deposited on the optical elements, which causes a parasitic weakening of the light beam.
  • the water vapor contained in the exhaust gas can condense on surfaces if they are not maintained at a sufficient temperature, and alter the optical beam if these surfaces are optical components (glass plate).
  • the invention relates to an alternative method for measuring the level of opacity of the exhaust gases of diesel engines, reliably, taking into account the requirements mentioned above, from a simple opacimeter and having a low cost.
  • the invention also relates to such an opacimeter.
  • An object of the invention relates to a device for measuring a level of opacity of exhaust gas produced by a diesel engine.
  • the device comprises: - a gas flow chamber extending over a predetermined length and comprising at a first end a gas inlet port, at a second end a gas outlet port; means for emitting light beams through the circulation chamber placed at one end of the circulation chamber; means for capturing and transforming light beams emitted and passing through the circulation chamber into an electrical signal proportional to the light intensity sensed; an electronic processing unit comprising a control module for the emission means and a processing module for the electrical signal coming from the sensor means.
  • the signal processing module comprises: means for extracting from the signal a first measurement of luminous intensity during an acceleration phase of the engine, and a second measurement of luminous intensity during an idle phase of the engine, these means are designed so as to extract these two measurements over a time interval sufficiently small to ensure equivalent measurement conditions; and means for calculating a light absorption coefficient of the gases in the acceleration phase from the extracted measurements, to define the level of opacity of the gases.
  • the light beam emission means and the sensor means may be placed at the same end of the circulation chamber, a concave mirror placed at the other end providing a reflection of the light beams to the sensor means.
  • the light beam emission means can advantageously be placed in a transmission chamber, and the sensor means placed in a measurement chamber, so that no light beam emitted reaches the chamber directly. without having crossed the circulation chamber.
  • the emission chamber may also comprise a photodiode positioned to capture light beams emitted directly by the emission means and light beams reflected by a transparent wall separating the circulation chamber from the emission means. , in order to detect condensation of water vapor within the circulation chamber.
  • the device may also include:
  • means for measuring the temperature within the device means for compensating for drifts related to the dark current of the sensor means.
  • the electronic unit for processing the device can be designed to control a constant current source, so as to drive the transmission means so that it generates a current draw of a duration chosen at regular intervals.
  • Another object of the invention relates to a method for measuring a level of opacity of exhaust gas emitted by a diesel engine, in which the exhaust gases are collected, a beam of light is emitted through the collected gases, and acquiring a signal relating to the light intensity of light beams having passed through the gases.
  • the method comprises the following steps: - A first light intensity measurement is extracted from the signal during an acceleration phase of the motor;
  • a second light intensity measurement is extracted from the signal during an idle phase of the engine, the two measurements being sufficiently close in time to ensure equivalent measurement conditions;
  • the opacity level of the gases is deduced by calculating a gas absorption coefficient during the acceleration phase from the measurements.
  • the first measurement corresponds to a peak amplitude of the signal
  • the second measurement corresponds to the light intensity received during the idle phase preceding the acceleration phase.
  • L length of a cell in which the gases are collected.
  • a level of opacity of exhaust gas emitted by a diesel engine from a process in which several cycles of acceleration / idling of said engine are carried out from a opacimeter comprising:
  • a gas circulation chamber comprising at a first end a gas inlet orifice, and at a second end a gas outlet orifice,
  • a transmitting chamber comprising an emission diode for emitting a light beam, and a reference photodiode measuring a beam light intensity light emitted directly by the emission diode and light beams reflected by a transparent wall separating the circulation chamber from the emission chamber,
  • a measurement chamber comprising a measurement photodiode for acquiring a signal relating to the light intensity of light beams having passed through the gases, and in which,
  • the opacity level of said gases is deduced by calculating a gas absorption coefficient for each detected peak for which no condensation is detected, starting from the process described above.
  • a condensation of water vapor can be detected by detecting an increase in light intensity in the emission chamber, from the light intensity measured by the reference photodiode. It is also possible to estimate an evolution of temperature within the circulation chamber, starting from the signal. It is also possible to validate the opacity measurement, by performing the following steps: for each cycle, an opacity value corresponding to an amplitude peak is estimated during the acceleration phase, and the measurements are validated of opacity when the opacity values of four successive peaks are within a chosen range of values.
  • the invention it is also possible to perform a verification phase, before any opacity measurement, so as to check that the initial level of fouling of said opacimeter is below a fixed threshold, by comparing the light intensity measured by the reference photodiode and the light intensity measured by the photodiode measurement.
  • a condensation of water vapor can be minimized by using the heat of the exhaust gas to heat the circulation chamber.
  • the emission diode can be controlled by current pulses, so as to emit a high intensity light beam while maintaining a low average consumption, and the measurements are acquired during the current draw.
  • FIG. 1 is a diagram of the opacimeter according to the invention.
  • FIG. 2 illustrates an example of the electronic processing unit (10) of the device according to the invention.
  • FIG. 3 presents a timing diagram of the measurement acquisition sequence according to the method of the invention.
  • FIG. 4 represents an opacity signal obtained on an acceleration.
  • - Figure 5 shows a possible mechanical implantation of the opacimeter according to the invention on a vehicle exhaust pipe.
  • Figure 6 shows a detail of the emission chamber of the device.
  • FIG. 7 shows opacity level measurement results for a series of acceleration cycles.
  • FIG. 8 shows the evolution of the electrical reference (ReJ) and measurement (Mes) signals during two acceleration cycles.
  • FIG. 9 illustrates the evolution of the temperature (T), in parallel with a signal ( ⁇ Ref ) coming from the reference photodiode.
  • FIG. 10 represents steps of the method, including the various embodiments making it possible to obtain a precise and reliable value of the level of opacity of the exhaust gases coming from a diesel engine.
  • Figure 1 illustrates the popacimeter according to the invention.
  • This device for measuring the level of opacity of exhaust gas produced by a diesel engine comprises the following elements: a gas circulation chamber (2), in which the exhaust gases emitted by the vehicle are collected and circulating. It extends over a predetermined length, and may be cylindrical in shape. At one end, an orifice (1) allows the introduction of the exhaust gas, while another orifice (3), located at the other end of the chamber, allows its extraction.
  • Two light-ray-transparent walls (5 and 6), such as glass plates, are fixed at each end, delimiting the length of the circulation chamber (2). These plates make it possible to let the light beams through while protecting the means of the device outside the circulation chamber from fouling due to gases (soot deposit, etc.).
  • These means may correspond to a light bulb or a light emitting diode (LED). It is possible to choose a diode whose emission spectrum is between 550 nm and 570 nm in accordance with standard NF R 10-025-1.
  • a photodiode is a semiconductor component having the ability to detect radiation from the optical domain and transform it into an electrical signal.
  • SRCE light-emitting diode
  • AF photodiode
  • MC photodiode
  • This module makes it possible to extract from the signal a first measurement of luminous intensity during an acceleration phase of the engine, and a second measurement of luminous intensity during an idle phase of the engine.
  • the module is designed to extract these two measurements over a short period of time (for example, a few seconds).
  • this module may include means for detecting large variations in signal amplitudes, such as peaks.
  • peaks when the electrical signal processing module detects a peak (voltage for example), it extracts the maximum value of the peak.
  • a peak corresponds to a peak of luminous intensity (this peak is negative if there is absorption of light, Fig. 8, signal Mes)
  • This module then makes it possible to calculate the opacity of the gases during the acceleration phase. This calculation is based on a relative measure of opacity, based on the Beer-Lambert law, and described hereinafter in the method according to the invention. According to the invention, the opacity level corresponds to an absorption coefficient of light beams by the exhaust gases.
  • a module for transmitting the results to the user of the device (MC, HMI).
  • Figure 2 illustrates an example of the electronic processing unit (10). According to this arrangement, it consists of:
  • a power supply (ALIM) which supplies the necessary current to the various constituents of the unit and the device. It is obtained either from the battery voltage of the vehicle to be tested (via the cigarette lighter socket for example) or from batteries or accumulators.
  • SRCE constant current source
  • ADC Digital Analog Converter
  • MC microcontroller
  • SRCE current source
  • HMI Human Machine Interface
  • HMI Human Machine Interface
  • SRCE current source
  • HMI Human Machine Interface
  • MC microcontroller
  • It performs the following functions: control of the current source (SRCE), acquisition of measurement signals via the CAN, calculation of the opacity, and management of the Human Machine Interface (HMI).
  • HMI Human Machine Interface
  • HMI Human Machine Interface
  • It can be rudimentary (consisting of some signaling LEDs), or evolved. In the latter case, it consists of an LCD display and some control buttons. It can be integrated into the system or deported to facilitate the reading of information while the rest of the system is close to the muffler. It can also be integrated in a complex remote system. In this case, it is connected to the opacimeter via a digital link, such as an RS232, RS 485, Bus Can, or Ethernet link.
  • a digital link such as an RS232, RS 485, Bus Can, or Ethernet link.
  • the light beam emission means and the sensor means are placed at two different ends of the circulation chamber.
  • a concave mirror (7) located behind the transparent wall (6), reflects the light beam coming from the transmission head.
  • This mirror can also replace the transparent wall (6), thus delimiting the length of the circulation chamber (2).
  • the light beam emission means and the sensor means are placed at the same end of the circulation chamber, and the concave mirror is placed at the other end.
  • This concave mirror ensures reflection of light beams to the sensor means.
  • the dimensional characteristics of the concave mirror (7) and the measurement photodiode (8) are such that the photodiode captures the entire beam reflected by the mirror.
  • the light beam emission means are placed in a transmission chamber (11), and the sensor means are placed in a measurement chamber (12), so that no light beam emitted reaches directly the measuring chamber (12) without passing through the circulation chamber (2): no luminous flux can go directly from the emission chamber to the measuring chamber.
  • a light beam (dotted arrow in FIG. 1) is emitted by the diode (4).
  • the beam passes through the transparent wall (5), the circulation chamber
  • the second transparent wall (6) is reflected towards the measuring chamber by the mirror concave (7). It crosses the measuring chamber (2) and the transparent walls (5 and 6) before reaching the measuring photodiode (8).
  • the method There are two methods for performing an opacity measurement of gas emitted by a motor.
  • the engine can be placed in conditions of determined speed and load, the exhaust gases then have a constant opacity rate.
  • the values obtained depend on engine speed, load and condition. You can also not run the engine and cause rapid acceleration, from idle to maximum speed. The opacity level then goes through a peak during the acceleration phase.
  • the method according to the invention uses the second method.
  • Beer-Lambert law is used to perform a measure of relative opacity, the principle of which is presented below.
  • Io ( ⁇ i) and Io ( T2 ) respectively correspond to the reference signal (initial) at times T1 and T2. It is assumed that these two instants are sufficiently close so that the values I 0 (T i) and I 0 (T 2 ) are equal. This amounts to saying that the intensity of the light beam and the measurement cell state have not varied between these two instants.
  • I2 Io * e (-k2 * L)
  • the opacity measurement method is based on the detection of pollution peaks during free acceleration cycles.
  • the measurements made in free accelerations are materialized by a series of peaks of opacity. For each peak, two levels of opacity can be defined: - kp (k peak), the maximum opacity level measured on acceleration.
  • Figure 4 shows the opacity signal obtained on an acceleration.
  • the y-axis represents the opacity value, VOP, the x-axis the sample number (of the measure), NE.
  • VOP the opacity value
  • NE the sample number (of the measure)
  • ks and kp are very close to each other (a few seconds), we can consider that the measurement conditions have not changed for these two measurements.
  • a diesel engine in good condition and operating at idle, emits exhaust gases with a very low opacity, of the order of 0.05 m "1.
  • the standard NF R 10-025-2: 1996 specifies that the accuracy of the opacity measurement is 0.25 m- 1 for a measurement range of 1.5 to 3 m- 1, which means that the level of pollution of a diesel engine at idle is very low and negligible compared to the accuracy of the anti-pollution test, and even assuming that a diesel engine, because it is poorly tuned, has such a high level of pollution at idle speed as to jeopardize this assumption.
  • a motor has this type of defect, it is always accompanied by combustion problems during acceleration, and therefore very high pollution peaks. relative is minimal compared to the amplitude of pollution peaks and the result remains the same: the engine has a pollution level higher than the threshold defined by the standard.
  • Is luminous intensity received during the idle phase preceding the cycle
  • Ip luminous intensity received at the maximum amplitude peak
  • L cumulative length of the circulation chamber, the emission chamber and the measuring chamber?
  • the method according to the invention for measuring the level of opacity of exhaust gas emitted by a diesel engine comprises the following steps: the exhaust gases are collected in a circulation chamber;
  • a beam of light is emitted through the collected gases.
  • the value of an absorption coefficient corresponding to a measurement of the relative opacity of the exhaust gases is calculated: a signal relating to the the luminous intensity of the light beams passing through the gases;
  • a first light intensity measurement is extracted from the signal during an acceleration phase of the motor
  • a second light intensity measurement is extracted from the signal during an idle phase of the engine. Both measurements are sufficiently close in time to ensure equivalent measurement conditions; an absorption coefficient of the accelerating gases is deduced from these measurements, neglecting the level of pollution of the diesel engine at idle, and using the following formula:
  • the first measurement corresponds to a peak of luminous intensity (luminous intensity received at the maximum of the amplitude peak of the signal)
  • the second measurement corresponds to the luminous intensity received during the idle phase preceding the phase of light. 'acceleration.
  • the diode (4) is controlled by the constant current source (SRCE) via the microcontroller (MC). Every 10 ms, the diode (4) is traversed by a constant current draw with a duration of 500 ⁇ s.
  • the fact that the control of the diode (4) is performed by current draws, has the advantage of allowing a large diode current, and therefore a high intensity light beam while maintaining a low average consumption. This arrangement also has the advantage of compensating for measurement errors that may be due to the dark current of the photodiodes.
  • Figure 3 shows the timing diagram of the acquisition sequence. The signal at the top corresponds to the command (CDE) of the current source (SRCE). The bottom signal corresponds to the voltage (TEN) of the amplification and filtering module (AF).
  • the microcontroller controls the acquisition of data (represented by the vertical arrows) during the current draw, but also after the tap, advantageously.
  • the actual measurement of the level of light received by the photodiode corresponds to the difference between the average of the data acquired during the tap and the average of the data acquired after the tap. This compensates for the drift of the dark current of the photodiodes.
  • the device and the method according to the invention therefore make it possible to perform a relative measurement of the opacity of the exhaust gases emitted by a diesel engine.
  • This relative measurement when it involves two measurements close in time, makes it possible to overcome the fouling by the soot.
  • the invention thus makes it possible to simplify and limit the size of the device, since it is no longer necessary to complete the opacimeter by ventilation means.
  • the device and the method are completed to answer the problems related to the use of an opacimeter.
  • the light output of a diode is a function of the temperature. This means that for a constant current flowing through the diode, the light intensity, and therefore the signal of the reference photodiode, depends on the temperature of the diode.
  • the device may comprise means for measuring the temperature in the gas circulation chamber, or directly in the emission chamber according to the embodiment.
  • a reference photodiode (9) which measures the level of the signal at the level of the emission chamber.
  • Figure 6 shows a detail of the emission chamber.
  • the reference photodiode (9) is placed against the emission diode (4). It therefore captures some of the light emitted by the diode, but also a portion of the light in the emitting chamber (11).
  • the received signal level is independent of the nature of the gases in the circulation chamber (2).
  • This photodiode is connected to the electronic processing unit similarly to the measurement photodiode (8): it is connected to a module (AF) for amplifying and filtering the current coming from the photodiode (9), itself even connected to
  • AF module
  • Figure 9 shows two signals.
  • the lower (smooth) signal corresponds to a temperature measurement (T) made by a temperature sensor placed on the body of the circulation chamber.
  • the upper signal (noisy) corresponds to the result of a processing performed on the reference signal ( ⁇ Ref ). Both signals are normalized at the point of origin (sample
  • the device therefore comprises a reference photodiode (9) and a microcontroller (MC) adapted to evaluate the temperature as a function of the signal from the reference photodiode (9).
  • Engine exhaust contains water vapor that can condense on cold surfaces.
  • the device does not have a heating unit. It uses, according to a preferred embodiment, the heat of the exhaust gas to rise in temperature. Being small, it can be placed near the muffler. It then arrives quickly at an operating temperature.
  • Figure 5 shows a possible mechanical implantation on a vehicle exhaust pipe.
  • the opacimeter (Op) is held in the vehicle exhaust (Po) by means of a clamp (Pi). This assembly is carried out so as to ensure a minimum distance between the exit of the muffler and the circulation chamber (2).
  • the device can be provided with a module for detecting measurements that are tainted by error due to the condensation of water in the measuring chamber.
  • the method then comprises a step of detecting the condensation.
  • the device has the ability to detect the presence of water vapor in two different ways.
  • FIG. 6 shows the detail of the emission chamber.
  • FIG. 7 shows a series of acceleration cycles.
  • the first peaks have a very large amplitude compared to the following ones. They served to raise the system in temperature conditions.
  • the standard NF Rl 0-025-3: 1996 defines that, for the determination of the opacity value, the system is stabilized when the opacity values of four successive peaks lie in a range equal to 0.25 m -1.
  • the examination of Figure 7 shows that by applying this criterion, error-prone measurements due to condensation of water vapor are rejected.
  • the method includes a validation phase of the opacity measurement, by performing the following steps: several cycles of acceleration / idling are carried out. For each cycle, an opacity value is estimated, corresponding to a peak during the acceleration phase. The opacity measurements are validated when the opacity values of four successive peaks are within a chosen value range. We can use the range defined by the standard: 0.25 m "1 .
  • This information is used to complete the principle of water vapor detection.
  • the device allows a relative measurement to be made between an opacity value (ks) and a peak opacity value (kp). It is therefore sensitive only to the fouling that could occur between these two measures. These two measurements being very close, this fouling is negligible.
  • FIG. 8 shows the evolution of the reference (ReJ) and measurement (Mes) signals ( ⁇ ) during two acceleration cycles.
  • the bottom curve represents the signal from the measurement photodiode (Mes).
  • the top curve represents the reference signal.
  • This figure shows that it is possible to set a threshold below which the ratio (measurement signal / reference signal) must not fall.
  • This threshold is a factory datum determined from the mechanical and optical characteristics of the system. This threshold is used to determine that the level of fouling does not disturb the measurement, but also to verify that the alignment conditions of the optical part have been met during manufacture (control of the opacimeter).
  • FIG. 10 represents the steps of the method, including the various embodiments making it possible to obtain an accurate and reliable value of the opacity level of the exhaust gases originating from a diesel engine.
  • the value Im corresponds to the luminous intensity measured by the photodiode of measurement
  • the value Ir corresponds to the luminous intensity measured by the reference photodiode.
  • the device according to the invention provides reliable information of the opacity measurement at a much lower cost than that of the devices used in the technical control centers. It is intended for individuals or small garages that seek to know the status of an engine as part of a purchase, sale, preparation for technical control.

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Abstract

Au moyen d'un opacimètre, on collecte les gaz d'échappement, on émet un faisceau de lumière à travers les gaz collectés, et on acquiert un signal relatif à l'intensité lumineuse des faisceaux lumineux ayant traversés les gaz. Puis, on extrait du signal une première mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase d'accélération du moteur, on extrait du signal une seconde mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase de ralenti du moteur. Les deux mesures sont suffisamment proches dans le temps pour assurer des conditions de mesure équivalentes. Enfin, à partir de ces mesures et par un calcul d'opacité relative, on déduit le niveau d'opacité des gaz en calculant le coefficient d'absorption des gaz lors de la phase d'accélération.

Description

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE MESURE DU NIVEAU D'OPACITÉ DE GAZ D'ÉCHAPPEMENT EMIS PAR UN MOTEUR DIESEL
La présente invention concerne le domaine du contrôle du niveau de pollution d'un moteur à combustion, notamment des moteurs diesel.
Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé et un dispositif pour mesurer le niveau d'opacité des gaz d'échappement émis par les moteurs diesel, l'opacité constituant un critère connu du niveau de pollution de ce type de moteur.
État de la technique
II est connu de réaliser ces mesures du niveau de pollution à partir d'un opacimètre à flux partiel en accélération libre, c'est-à-dire que le moteur est soumis à des accélérations sans charge (boîte de vitesse au point mort), et qu'une partie des gaz d'échappement est analysée.
En France, par exemple, les automobiles sont régulièrement contrôlées dans des centres techniques où elles subissent différents tests, dont un test de pollution. Pour faire ce test, les centres de contrôle technique utilisent des opacimètres respectant la norme
NF R 10-025-2 :1996. Un tel opacimètre est décrit par exemple dans la demande de brevet FR 2 703 460.
La procédure de contrôle est définie par la norme NF-R- 10-025-3. L'opacité des gaz d'échappement est mesurée par leur coefficient d'absorption, selon la loi de Béer Lambert. Selon cette loi, l'intensité lumineuse décroît exponentiellement dans un milieu homogène ainsi : I = Io *e(-k *L) avec :
/ = intensité lumineuse reçue par une cellule photoélectrique de mesure
Io = intensité lumineuse initiale émise par une ampoule de l'opacimètre k = coefficient d'absorption du milieu (les gaz d'échappement) L = longueur de la chambre de mesure
De l'équation précédente, on obtient k (exprimé en m"1) :
-Ln(If Io) L
A partir de ce coefficient d'absorption, on peut définir le niveau de pollution du moteur étudié, en utilisant, par exemple, la décision d'acceptation du paragraphe 7.3 de la norme NF-R 10-025-3 : 1996. Celle-ci ne doit pas excéder la valeur spécifiée par le constructeur lorsqu'elle existe, ou à défaut les valeurs suivantes :
- 2.5 m"1 dans le cas des moteurs diesel à aspiration naturelle ;
- 3.0 m"1 dans le cas des moteurs diesel turbocompressés ;
- 1.5 m"1 pour tous les véhicules immatriculés ou mis en circulation à compter du 1er juillet 2008.
L'application de la loi de Béer Lambert à la mesure d'opacité des gaz d'échappement des moteurs diesel suppose que, d'une part que l'intensité lumineuse initiale émise par la source
(Io) soit stable tout au long de la mesure, et d'autre part, que la dégradation de l'état de la chambre de mesure n'altère pas la transmission de cette lumière. Plusieurs phénomènes remettent en cause ces impératifs :
L'évolution de la température : les rendements des sources lumineuses est souvent tributaire de la température. C'est notamment le cas pour les diodes qu'utilisent certains opacimètres.
L'encrassement de la cellule provoqué par le dépôt de suie : pendant la mesure, des suies peuvent se déposer sur les éléments optiques, ce qui provoque un affaiblissement parasite du faisceau lumineux.
La vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement peut condenser sur des surfaces si celles-ci ne sont pas maintenues à une température suffisante, et altérer le faisceau optique si ces surfaces sont des composants optiques (plaque de verre). Pour pallier ces perturbations, il est connu (norme NF R 10-025-1 : 1996) : de maintenir une température dans la cellule de mesure de l'ordre de 70 °C afin d'éviter la condensation des vapeurs d'eau ; d'établir des flux d'air pour faire en sorte que les suies ne se déposent pas sur les éléments de mesure.
Ces techniques nécessitent l'utilisation d'un opacimètre complexe, volumineux et cher.
L'invention concerne un procédé alternatif pour mesurer le niveau d'opacité des gaz d'échappement des moteurs diesel, de façon fiable, en tenant compte des impératifs précédemment cités, à partir d'un opacimètre simple et ayant un faible coût.
L'invention concerne également un tel opacimètre.
Le dispositif et le procédé selon l'invention Un objet de l'invention concerne un dispositif pour mesurer un niveau d'opacité de gaz d'échappement produit par un moteur diesel. Le dispositif comporte : - une chambre de circulation de gaz s 'étendant sur une longueur déterminée et comprenant à une première extrémité un orifice d'entrée de gaz, à une seconde extrémité un orifice de sortie de gaz ; - des moyens d'émissions de faisceaux lumineux à travers la chambre de circulation placés à une extrémité de la chambre de circulation ; - des moyens pour capter et transformer des faisceaux lumineux émis et traversant la chambre de circulation, en un signal électrique proportionnel à l'intensité lumineuse captée ; - une unité électronique de traitement comprenant un module de pilotage des moyens d'émissions et un module de traitement du signal électrique issu des moyens capteurs. Le module de traitement du signal comporte : - des moyens pour extraire du signal une première mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase d'accélération du moteur, et une seconde mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase de ralenti du moteur, ces moyens sont conçus de façon à pouvoir extraire ces deux mesures sur un intervalle de temps suffisamment réduit pour assurer des conditions de mesure équivalentes ; et - des moyens de calcul d'un coefficient d'absorption lumineuse des gaz en phase d'accélération à partir des mesures extraites, pour définir le niveau d'opacité des gaz.
Les moyens d'émissions de faisceaux lumineux et les moyens capteurs peuvent être placés à une même extrémité de la chambre de circulation, un miroir concave placé à l'autre extrémité assurant une réflexion des faisceaux lumineux vers les moyens capteurs. Selon cette configuration, les moyens d'émissions de faisceaux lumineux peuvent être avantageusement placés dans une chambre d'émission, et les moyens capteurs placés dans une chambre de mesure, de façon à ce qu'aucun faisceau lumineux émis n'atteigne directement la chambre de mesure sans avoir traversé la chambre de circulation.
Selon l'invention, la chambre d'émission peut également comporter une photodiode positionnée de façon à capter des faisceaux lumineux émis directement par les moyens d'émissions et des faisceaux lumineux réfléchis par une paroi transparente séparant la chambre de circulation des moyens d'émissions, afin de détecter une condensation de vapeur d'eau au sein de la chambre de circulation.
Le dispositif peut également comporter :
- des moyens de chauffage de la chambre de circulation, afin de limiter une condensation des gaz au sein de la chambre de circulation.
- des moyens pour mesurer la température au sein du dispositif. - des moyens pour compenser des dérives liées au courant d'obscurité des moyens capteurs.
Enfin, selon l'invention, l'unité électronique de traitement du dispositif peut être conçue de façon à commander une source de courant constant, de façon à piloter les moyens d'émission pour qu'il génèrent un puise de courant d'une durée choisie à intervalle de temps régulier.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé pour mesurer un niveau d'opacité de gaz d'échappement émis par un moteur diesel, dans lequel on collecte les gaz d'échappement, on émet un faisceau de lumière à travers les gaz collectés, et on acquiert un signal relatif à l'intensité lumineuse de faisceaux lumineux ayant traversés les gaz. Le procédé comporte les étapes suivantes : - on extrait du signal une première mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase d'accélération du moteur ;
- on extrait du signal une seconde mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase de ralenti du moteur, les deux mesures étant suffisamment proches dans le temps pour assurer des conditions de mesure équivalentes ;
- on déduit le niveau d'opacité des gaz en calculant un coefficient d'absorption des gaz lors de la phase d'accélération à partir des mesures.
Selon un mode de réalisation, la première mesure correspond à un pic d'amplitude du signal, et la seconde mesure correspond à l'intensité lumineuse reçue pendant la phase de ralenti précédent la phase d'accélération. Selon ce mode de réalisation, on peut calculer le coefficient d'absorption de la phase d'accélération à partir de la Loi de Béer Lambert, et en considérant qu'un coefficient d'absorption des gaz au cours de la phase de ralenti est négligeable. On peut ainsi, par exemple, déduire le coefficient d'absorption par la relation suivante :
Figure imgf000007_0001
où kp = coefficient d'absorption du pic d'amplitude Is = intensité lumineuse reçue pendant la phase de ralenti Ip = intensité lumineuse reçue au maximum du pic d'amplitude
L = longueur d'une cellule dans laquelle les gaz sont collectés.
Selon un autre mode de réalisation, on peut mesurer un niveau d'opacité de gaz d'échappement émis par un moteur diesel, à partir d'un procédé dans lequel on réalise plusieurs cycles d'accélération/ralenti dudit moteur à partir d'un opacimètre comportant :
- une chambre de circulation de gaz comportant à une première extrémité un orifice d'entrée de gaz, et à une seconde extrémité un orifice de sortie de gaz,
- une chambre d'émission comportant une diode d'émission pour émettre un faisceau de lumière, et une photodiode de référence mesurant une intensité lumineuse de faisceaux lumineux émis directement par la diode d'émission et de faisceaux lumineux réfléchis par une paroi transparente séparant la chambre de circulation de la chambre d'émissions,
- une chambre de mesure comportant une photodiode de mesure permettant d'acquérir un signal relatif à l'intensité lumineuse de faisceaux lumineux ayant traversés les gaz, et dans lequel,
- on détecte des pics d'amplitude sur le signal, chaque pic correspondant à une phase d'accélération ;
- pour chaque pic détecté, on détecte une condensation de vapeur d'eau au sein de la chambre de circulation ; - pour chaque pic détecté pour lesquels aucune condensation n'est détectée, on attend que la température augmente de quelques degrés à partir du moment où un tel pic est détecté ; puis
- on déduit le niveau d'opacité desdits gaz en calculant un coefficient d'absorption des gaz pour chaque pic détecté pour lesquels aucune condensation n'est détectée, à partir du procédé décrit précédemment.
Selon ce mode de réalisation, on peut détecter une condensation de vapeur d'eau en détectant une augmentation d'intensité lumineuse dans la chambre d'émission, à partir de l'intensité lumineuse mesurée par la photodiode de référence. On peut également estimer une évolution de température au sein de la chambre de circulation, à partir du signal. On peut aussi valider la mesure d'opacité, en réalisant les étapes suivantes : pour chaque cycle, on estime une valeur d'opacité correspondant à un pic d'amplitude au cours de la phase d'accélération, et l'on valide les mesures d'opacités lorsque les valeurs d'opacité de quatre pics successifs se situent dans une gamme de valeurs choisie. Selon l'invention, on peut encore effectuer une phase de vérification, avant toute mesure d'opacité, de façon à contrôler que le niveau d'encrassement initial dudit opacimètre est inférieur à un seuil fixé, en comparant l'intensité lumineuse mesurée par la photodiode de référence et l'intensité lumineuse mesurée par la photodiode de mesure.
De façon avantageuse, on peut minimiser une condensation de vapeur d'eau en utilisant la chaleur des gaz d'échappement pour chauffer la chambre de circulation. La diode d'émission peut être commandée par des puises de courant, de façon à émettre un faisceau lumineux de forte intensité tout en conservant une consommation moyenne faible, et l'on acquiert les mesures pendant le puise de courant.
Enfin, selon l'invention, on peut compenser une dérive du courant d'obscurité des photodiodes en acquérant également les mesures après le puise de courant, l'intensité lumineuse reçue par la photodiode correspondant à la différence entre une moyenne des mesures acquises pendant le puise et une moyenne des mesures acquises après le puise.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Présentation succincte des figures la figure 1 est un schéma de l'opacimètre selon l'invention. - la figure 2 illustre un exemple de l'unité électronique de traitement (10) du dispositif selon l'invention. la figure 3 présente un chronogramme de la séquence d'acquisition des mesures selon le procédé de l'invention.
La figure 4 représente un signal d'opacité obtenu sur une accélération. - La figure 5 présente une implantation mécanique possible de l'opacimètre selon l'invention sur un pot d'échappement de véhicule.
La figure 6 représente un détail de la chambre d'émission du dispositif.
La figure 7 représente des résultats de mesures du niveau d'opacité pour une série de cycles d'accélération. - La figure 8 montre l'évolution des signaux électriques de référence (ReJ) et de mesure (Mes) pendant deux cycles d'accélération.
La figure 9 illustre l'évolution de la température (T), en parallèle d'un signal (εRef) issu de la photodiode de référence. La figure 10 représente des étapes du procédé, incluant les différents modes de réalisation permettant d'obtenir une valeur précise et fiable du niveau d'opacité des gaz d'échappement issus d'un moteur diesel.
Description détaillée de l'invention Le dispositif
La figure 1 illustre Popacimètre selon l'invention. Ce dispositif de mesure du niveau d'opacité de gaz d'échappement produit par un moteur diesel, comporte les éléments suivants : - une chambre de circulation de gaz (2), dans laquelle les gaz d'échappement émis par le véhicule sont collectés et circulent. Elle s'étend sur une longueur déterminée, et peut être de forme cylindrique. A une extrémité, un orifice (1) permet l'introduction des gaz d'échappement, tandis qu'un autre orifice (3), situé à l'autre extrémité de la chambre, permet son extraction. Deux parois transparentes aux rayons lumineux (5 et 6), telles que des plaques de verre, sont fixées à chaque extrémité, délimitant la longueur de la chambre de circulation (2). Ces plaques permettent de laisser passer les faisceaux lumineux tout en protégeant les moyens du dispositif extérieur à la chambre de circulation d'un encrassement dû aux gaz (dépôt de suie, ...).
- des moyens (4) pour émettre une lumière à travers la chambre de circulation, placés à une extrémité de ladite chambre. Ces moyens peuvent correspondre à une ampoule ou à une diode électroluminescente (led). On peut choisir une diode dont le spectre d'émission se situe entre 550 nm et 570 nm conformément à la norme NF R 10-025-1.
- des moyens (8) pour capter et transformer la lumière émise et traversant la chambre de circulation, en un courant électrique dont l'intensité est proportionnelle à l'intensité de la lumière captée. Ces moyens peuvent correspondre à une photodiode de mesure. Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique.
- une unité électronique de traitement (10), comportant :
- un module de pilotage de la diode électroluminescente (SRCE, MC) ; - un module d'acquisition du signal électrique issu de la photodiode (AF, CAN, MC) - un module de traitement du signal électrique issu de la photodiode (MC). Ce module permet d'extraire du signal une première mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase d'accélération du moteur, et une seconde mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase de ralenti du moteur. Le module est conçu de façon à pouvoir extraire ces deux mesures sur un intervalle de temps réduit (quelques secondes par exemple).
Ainsi, les deux mesures sont suffisamment proches dans le temps pour assurer des conditions de mesure équivalentes au sein du dispositif. Pour extraire une mesure lors d'une phase d'accélération, ce module peut comporter un moyen de détecter de fortes variations d'amplitudes du signal, telles que des pics. Ainsi, lorsque le module de traitement du signal électrique détecte un pic (de tension par exemple), il extrait la valeur maximale du pic. Un pic correspond alors à un pic d'intensité lumineuse (ce pic est négatif s'il y a absorption de lumière, Fig. 8, signal Mes)
Ce module permet alors de calculer l'opacité des gaz en phase d'accélération. Ce calcul est basé sur une mesure relative de l'opacité, fondée sur la loi de Beer-Lambert, et décrite ci-après dans le procédé selon l'invention. Selon l'invention, le niveau d'opacité correspond à un coefficient d'absorption de faisceaux lumineux par les gaz d'échappement.
- un module de transmission des résultats à l'utilisateur du dispositif (MC, IHM).
La figure 2, illustre un exemple de l'unité électronique de traitement (10). Selon ce montage, elle est constituée :
- d'une alimentation (ALIM) qui fournit le courant nécessaire aux différents constituants de l'unité et du dispositif. Elle est obtenue soit à partir de la tension batterie du véhicule à tester (via la prise d'allumé cigare par exemple), soit à partir de piles ou d'accumulateurs. - d'une source de courant constant (SRCE). Cette source permet de piloter la diode (4).
- d'un module (AF) d'amplification et de filtrage du courant issu de la photodiode (8).
- d'un Convertisseur Analogique Numérique (CAN) pour convertir en signaux numériques les tensions de sortie du module d'amplification et de filtrage.
- d'un micro contrôleur (MC). Il remplit les fonctions suivantes : commande de la source de courant (SRCE), acquisition des signaux de mesure via le CAN, calcul de l'opacité, et gestion de l'Interface Homme Machine (IHM). - d'une Interface Homme Machine (IHM) permettant de communiquer avec l'utilisateur final. Elle peut être rudimentaire (constituée de quelques leds de signalisation), ou évoluée. Dans ce dernier cas, elle est constituée d'un afficheur LCD et de quelques boutons de commande. Elle peut être intégrée au système ou déportée pour faciliter la lecture des informations alors que le reste du système se trouve à proximité du pot d'échappement. Elle peut également être intégrée dans un système complexe déporté. Dans ce cas, elle est reliée à l'opacimètre via une liaison numérique, telle qu'une liaison RS232, RS 485, Bus Can, ou Ethernet.
Selon un mode de réalisation, les moyens d'émissions de faisceaux lumineux et les moyens capteurs sont placés à deux extrémités différentes de la chambre de circulation.
Selon un mode préféré de réalisation (figure 1), un miroir concave (7), situé derrière la paroi transparente (6), assure la réflexion du faisceau lumineux venant de la tête d'émission. Ce miroir peut également remplacer la paroi transparente (6), délimitant ainsi la longueur de la chambre de circulation (2). Dans l'une ou l'autre de ces configurations, les moyens d'émissions de faisceaux lumineux et les moyens capteurs sont placés à une même extrémité de la chambre de circulation, et le miroir concave est placé à l'autre extrémité. Ce miroir concave assure une réflexion des faisceaux lumineux vers les moyens capteurs. Ainsi, ce mode de réalisation permet de limiter la longueur de la chambre de circulation, et donc du dispositif. De façon préférentielle, pour améliorer la qualité des mesures, les caractéristiques dimensionnelles du miroir concave (7) et de la photodiode de mesure (8) sont telles que la photodiode capte la totalité du faisceau réfléchi par le miroir. Selon cette configuration, les moyens d'émissions de faisceaux lumineux sont placés dans une chambre d'émission (11), et les moyens capteurs sont placés dans une chambre de mesure (12), de façon à ce qu'aucun faisceau lumineux émis n'atteigne directement la chambre de mesure (12) sans avoir traversé la chambre de circulation (2) : aucun flux lumineux ne peut directement aller de la chambre d'émission à la chambre de mesure.
Selon cette configuration, un faisceau lumineux (en flèche pointillée sur la figure 1) est émis par la diode (4). Le faisceau traverse la paroi transparente (5), la chambre de circulation
(2), la seconde paroi transparente (6), est réfléchi vers la chambre de mesure par le miroir concave (7). Il retraverse la chambre de mesure (2) et les parois transparentes (5 et 6) avant d'arriver sur la photodiode de mesure (8).
Le procédé II existe deux méthodes pour effectuer une mesure d'opacité de gaz émis par un moteur.
On peut placer le moteur dans des conditions de régime et de charge déterminées, les gaz d'échappement ont alors un taux d'opacité constant. Les valeurs obtenues dépendent du régime, de la charge et de l'état du moteur. On peut également, ne pas mettre le moteur en charge et provoquer des accélérations rapides, du ralenti jusqu'au régime maximum. Le niveau d'opacité passe alors par un pic pendant la phase d'accélération. Le procédé selon l'invention utilise la seconde méthode.
Selon l'invention, on utilise la loi de Beer-Lambert pour réaliser une mesure d'opacité relative, dont le principe est présenté ci-après.
Soient : II = intensité lumineuse reçue par la photodiode à un instant Tl
12 = intensité lumineuse reçue par la photodiode à un instant T2 On peut écrire
Figure imgf000013_0001
où Io(τi) et Io(T2) correspondent respectivement au signal de référence (initial) aux instants Tl et T2. On suppose que ces deux instants sont suffisamment proches pour que les valeurs I0(Ti) et I0(T2) soient égales. Ce qui revient à dire que l'intensité du faisceau lumineux et que l'état de cellule de mesure n'ont pas varié entre ces deux instants.
On peut alors écrire : /1 = I0* e(-k\ * L)
I2 = Io * e(-k2 *L)
On a alors :
/1 h *e(-kl *L)
= e((k2 - k\) *L)
12 I0 * e(-k2 * L) On en déduit k2 = Ln(IV 12) + kl
En conclusion, si deux mesures d'opacité sont proches l'une de l'autre, on peut exprimer l'une par rapport à l'autre en fonction du rapport de l'intensité lumineuse reçue pour ces deux mesures.
La méthode de mesure d'opacité repose sur la détection des pics de pollution lors de cycles d'accélérations libres. Les mesures faites en accélérations libres se matérialisent par une suite de pics d'opacité. Pour chaque pic, on peut définir deux niveaux d'opacité : - kp (k pic), le niveau d'opacité maximum mesuré sur l'accélération.
- ks (k seuil), le niveau d'opacité correspondant au régime de ralenti précédent l'accélération.
La figure 4 représente le signal d'opacité obtenu sur une accélération. L'axe des ordonnées représente la valeur de l'opacité, VOP, l'axe des abscisses le numéro de l'échantillon (de la mesure), NE. Comme ces deux valeurs, ks et kp, sont très proches l'une de l'autre (quelques secondes), on peut considérer que les conditions de mesure n'ont pas changé pour ces deux mesures.
On peut ainsi écrire :
. Ln(IsIIp) . kp = — — + ks
De plus, un moteur diesel, en bon état et fonctionnant au ralenti, émet des gaz d'échappement ayant une opacité très faible, de l'ordre de 0.05 m"1. La norme NF R 10-025-2:1996 spécifie que la justesse de la mesure d'opacité est de 0.25 m"1 pour une gamme de mesure de 1.5 à 3 m"1. On peut donc considérer que le niveau de pollution d'un moteur diesel au ralenti est très faible et négligeable par rapport à la justesse de mesure du test anti pollution. De plus, même en supposant qu'un moteur diesel, parce qu'il est mal réglé, ait un niveau de pollution au ralenti si élevé qu'il remette en cause cette hypothèse. Lorsqu'un moteur présente ce type de défaut, cela s'accompagne toujours de problèmes de combustion lors des accélérations, et donc, des pics de pollution très élevés. L'erreur amenée par la mesure relative est minime face à l'amplitude des pics de pollution et le résultat reste identique : le moteur présente un niveau de pollution supérieur au seuil défini par la norme.
On peut donc finalement exprimer le niveau d'opacité du pic de pollution par la formule suivante :
Avec : kp = valeur de l'opacité d'un pic d'amplitude du signal
Is = intensité lumineuse reçue pendant la phase de ralenti précédent le cycle
Ip = intensité lumineuse reçue au maximum du pic d'amplitude L = longueur cumulée de la chambre de circulation, de la chambre d'émission et de la chambre de mesure ?
Ainsi, le procédé selon l'invention, pour mesurer le niveau d'opacité de gaz d'échappement émis par un moteur diesel, comporte les étapes suivantes : - on collecte les gaz d'échappement dans une chambre de circulation ;
- on émet un faisceau de lumière à travers les gaz collectés.
Puis, en réalisant au moins une accélération libre pour la stabilité des conditions de mesure, on calcule la valeur d'un coefficient d'absorption correspondant à une mesure d'opacité relative des gaz d'échappement : - on enregistre un signal relatif à l'intensité lumineuse des faisceaux lumineux ayant traversés les gaz ;
- on extrait du signal une première mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase d'accélération du moteur ;
- on extrait du signal une seconde mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase de ralenti du moteur. Les deux mesures sont suffisamment proches dans le temps pour assurer des conditions de mesure équivalentes ; - on déduit de ces mesures un coefficient d'absorption des gaz en phase d'accélération, en négligeant le niveau de pollution du moteur diesel au ralenti, et en utilisant la formule suivante :
Ln(Is Up) kp =
Selon un mode préférentiel, la première mesure correspond à un pic d'intensité lumineuse (intensité lumineuse reçue au maximum du pic d'amplitude du signal), la seconde mesure correspond à l'intensité lumineuse reçue pendant la phase de ralenti précédent la phase d'accélération.
Phase d'acquisition
La diode (4) est pilotée par la source de courant constant (SRCE), via le micro contrôleur (MC). Toutes les 10 ms, la diode (4) est traversée par un puise de courant constant d'une durée de 500 μs. Le fait que la commande de la diode (4) soit effectuée par des puises de courant, a l'avantage de permettre un courant de diode important, et donc un faisceau lumineux de forte intensité tout en conservant une consommation moyenne faible. Ce montage a également l'avantage de compenser les erreurs de mesure qui pourraient être dues au courant d'obscurité des photodiodes. La figure 3 présente le chronogramme de la séquence d'acquisition. Le signal du haut correspond à la commande (CDE) de la source de courant (SRCE). Le signal du bas correspond à la tension (TEN) du module d'amplification et filtrage (AF). Pour chaque puise de courant, on obtient un puise de tension, Le micro contrôleur (MC) commande l'acquisition de données (représentée par les flèches verticales) pendant le puise de courant, mais aussi après le puise, de façon avantageuse. La mesure réelle du niveau de lumière reçue par la photodiode correspond à la différence entre la moyenne des données acquises pendant le puise et la moyenne des données acquises après le puise. On compense ainsi la dérive du courant d'obscurité des photodiodes.
Le dispositif et le procédé selon l'invention permettent donc de réaliser une mesure relative de l'opacité des gaz d'échappement émis par un moteur diesel. Cette mesure relative, lorsqu'elle fait intervenir deux mesures proches dans le temps, permet de s'affranchir de l'encrassement par les suies. L'invention permet ainsi de simplifier et limiter la taille de l'appareil, puisqu'il n'est plus nécessaire de compléter l'opacimètre par des moyens de ventilation.
Variantes
Selon d'autres modes de réalisation, le dispositif et le procédé sont complétés pour répondre aux problèmes liés à l'utilisation d'un opacimètre.
Mesure de l'écart de température
Le rendement lumineux d'une diode est fonction de la température. Cela signifie que pour un courant constant traversant la diode, l'intensité lumineuse, et donc le signal de la photodiode de référence dépend de la température de la diode.
A cette fin, le dispositif peut comporter des moyens pour mesurer la température dans la chambre de circulation des gaz, ou directement dans la chambre d'émission selon le mode de réalisation.
Pour réduire les coûts, et simplifier encore le dispositif, celui-ci peut comporter une photodiode de référence (9), qui mesure le niveau du signal se trouvant au niveau de la chambre d'émission. La figure 6 représente un détail de la chambre d'émission. La photodiode de référence (9) est placée contre la diode d'émission (4). Elle capte donc une partie de la lumière émise par la diode, mais aussi, une partie de la lumière se trouvant dans la chambre d'émission (11). Le niveau de signal reçu est indépendant de la nature des gaz se trouvant dans la chambre de circulation (2). Cette photodiode est connectée à l'unité électronique de traitement de façon similaire à la photodiode de mesure (8) : elle est reliée à un module (AF) d'amplification et de filtrage du courant issu de la photodiode (9), lui-même connecté au
Convertisseur Analogique Numérique (CAN).
La figure 9 représente deux signaux. Le signal inférieur (lisse) correspond à une mesure de température (T) réalisée par un capteur de température placé sur le corps de la chambre de circulation. Le signal supérieur (bruité) correspond au résultat d'un traitement effectué sur le signal de référence (εRef). Les deux signaux sont normalisés au point d'origine (échantillon
(NE) 2500). On constate que ces deux signaux sont parfaitement corrélés.
On peut donc compléter le procédé selon l'invention en estimant l'évolution de température de la chambre d'émission, à partir du signal issu la photodiode de référence (9). Pour réaliser cette étape, le dispositif comporte donc une photodiode de référence (9), ainsi qu'un micro contrôleur (MC) adapté à évaluer la température en fonction du signal issu de la photodiode de référence (9).
Les variations du signal de référence liées à la condensation de la vapeur d'eau sont éliminées par le traitement, parce qu'elles sont de fréquences plus élevées, et d'amplitude assez faible.
Traitement des vapeurs d'eau
Les gaz d'échappement moteur contiennent de la vapeur d'eau qui peut condenser sur des surfaces froides. Afin de réduire les coûts de fabrication, le dispositif ne dispose pas d'unité de chauffage. Il utilise, selon un mode de réalisation préférentiel, la chaleur des gaz d'échappement pour monter en température. Étant de petite taille, il peut être placé proche du pot d'échappement. Il arrive alors rapidement à une température de fonctionnement.
La figure 5 présente une implantation mécanique possible sur un pot d'échappement de véhicule. L'opacimètre (Op) est maintenu au pot d'échappement du véhicule (Po) grâce à une pince (Pi). Ce montage est réalisé de façon à assurer une distance minimale entre la sortie du pot d'échappement et la chambre de circulation (2).
De plus, selon l'invention, on peut munir le dispositif d'un module pour détecter les mesures qui sont entachées d'erreur suite à la condensation d'eau dans la chambre de mesure. Le procédé comporte alors une étape de détection de la condensation.
Tant que l'opacimètre n'a pas atteint une température suffisante, une partie de la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement va condenser, rendant la mesure incorrecte. Le dispositif a la capacité de détecter la présence de vapeur d'eau de deux manières différentes.
Mesure du faisceau d'émission
La figure 6 représente le détail de la chambre d'émission. La photodiode de référence
(9) capte une partie de la lumière émise par la diode, mais aussi, une partie de la lumière se trouvant dans la chambre d'émission (11). Cette dernière étant due en grande partie à la lumière réfléchie par la plaque de verre (5) assurant l'isolation entre la chambre de circulation (2) et les chambres d'émission et de mesures. Lorsque de la vapeur d'eau se dépose sur la plaque de verre (5), le niveau de lumière réfléchie par la plaque de verre augmente, et donc, le niveau du signal issu de la photo diode de référence (9).
On peut donc compléter le procédé selon l'invention en mesurant l'intensité lumineuse de la chambre d'émission (faisceaux lumineux émis directement par les moyens d'émissions et des faisceaux lumineux réfléchis par la paroi transparente), de façon à détecter la présence d'eau condensée à l'intérieur de la chambre de circulation.
Suivi du niveau des pics d'opacité Lorsque le système n'a pas atteint sa température de fonctionnement, la vapeur d'eau vient condenser pendant la phase d'accélération puis s'évaporer pendant la phase de ralenti. La figure 7 représente une série de cycles d'accélération. Les premiers pics ont une amplitude très grande par rapport aux suivants. Ils ont servis à faire monter le système en condition de température. La norme NF Rl 0-025-3: 1996 définit que, pour la détermination de la valeur de l'opacité, le système est stabilisé lorsque les valeurs d'opacité de quatre pics successifs se situent dans une gamme égale à 0.25 m"1. L'examen de la figure 7 montre qu'en appliquant ce critère, on rejette les mesures entachées d'erreur pour cause de condensation de vapeur d'eau.
Ainsi, selon un mode particulier de réalisation, le procédé comporte une phase de validation de la mesure d'opacité, en réalisant les étapes suivantes : on réalise plusieurs cycles d'accélération/ralenti. Pour chaque cycle on estime une valeur d'opacité, correspondant à un pic au cours de la phase d'accélération. On valide les mesures d'opacités lorsque les valeurs d'opacité de quatre pics successifs se situent dans une gamme de valeur choisie. On peut utiliser la gamme définie par la norme : 0.25 m"1.
Suivi de la température
Cette information est exploitée pour compléter le principe de détection de vapeur d'eau.
Nous avons montré au paragraphe précédent qu'il est possible de détecter la présence de vapeur d'eau à partir du signal issu de la photodiode de référence. Pour être certain que la chambre de circulation ne contient plus d'eau condensée, nous fixons la règle suivante : il n'y a pas de risque d'erreur lié à la condensation de la vapeur d'eau quand on attend que le système chauffe d'un saut de température fixé par défaut (de l'ordre de quelques °C) après avoir fini de détecter de la vapeur d'eau sur le signal de référence.
Encrassement Le dispositif permet d'effectuer une mesure relative entre une valeur d'opacité (ks) et une valeur d'opacité de pic (kp). Il n'est donc sensible qu'à l'encrassement qui pourrait se produire entre ces deux mesures. Ces deux mesures étant très proches, cet encrassement est négligeable.
Par contre, l'encrassement progressif de la chambre de circulation provoque un affaiblissement régulier du signal de mesure. Ce qui risque à terme de provoquer des erreurs à cause d'un signal difficilement exploitable.
La figure 8 montre l'évolution des signaux (ε) de référence (ReJ) et de mesure (Mes) pendant deux cycles d'accélération. La courbe du bas représente le signal issu de la photodiode de mesure (Mes). La courbe du haut représente le signal de référence. Cette figure montre qu'il est possible de fixer un seuil en dessous duquel le rapport (signal de mesure / signal de référence) ne doit pas descendre. Ce seuil est une donnée usine déterminée à partir des caractéristiques mécaniques et optiques du système. Ce seuil est utilisé pour déterminer que le niveau d'encrassement ne vient pas perturber la mesure, mais aussi pour vérifier que les conditions d'alignement de la partie optique ont été remplies lors de la fabrication (contrôle de l'opacimètre).
La figure 10 représente les étapes du procédé, incluant les différents modes de réalisation permettant d'obtenir une valeur précise et fiable du niveau d'opacité des gaz d'échappement issus d'un moteur diesel. La valeur Im correspond à l'intensité lumineuse mesurée par la photodiode de mesure, et la valeur Ir correspond à l'intensité lumineuse mesurée par la photodiode de référence.
Le dispositif selon l'invention fournit une information fiable de la mesure d'opacité à un coût beaucoup plus faible que celui des appareils utilisés dans les centres de contrôle technique. Il est destiné à des particuliers ou des petits garages qui cherchent à connaître l'état d'un moteur dans le cadre d'un achat, d'une vente, d'une préparation au contrôle technique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif pour mesurer un niveau d'opacité de gaz d'échappement produit par un moteur diesel, comportant : - une chambre de circulation de gaz s'étendant sur une longueur déterminée et comprenant à une première extrémité un orifice d'entrée de gaz, à une seconde extrémité un orifice de sortie de gaz ; - des moyens d'émissions de faisceaux lumineux à travers ladite chambre de circulation placés à une extrémité de ladite chambre de circulation ; - des moyens pour capter et transformer des faisceaux lumineux émis et traversant ladite chambre de circulation, en un signal électrique proportionnel à l'intensité lumineuse captée ; - une unité électronique de traitement comprenant un module de pilotage des moyens d'émissions et un module de traitement du signal électrique issu des moyens capteurs, caractérisé en ce que le module de traitement du signal comporte :
- des moyens pour extraire du signal une première mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase d'accélération du moteur, et une seconde mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase de ralenti du moteur, ces moyens sont conçus de façon à pouvoir extraire ces deux mesures sur un intervalle de temps suffisamment réduit pour assurer des conditions de mesure équivalentes ; et
- des moyens de calcul d'un coefficient d'absorption lumineuse des gaz en phase d'accélération à partir des mesures extraites, pour définir le niveau d'opacité des gaz.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'émissions de faisceaux lumineux et les moyens capteurs sont placés à une même extrémité de la chambre de circulation, un miroir concave placé à l'autre extrémité assurant une réflexion des faisceaux lumineux vers les moyens capteurs.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'émissions de faisceaux lumineux sont placés dans une chambre d'émission et les moyens capteurs sont placés dans une chambre de mesure, de façon à ce qu'aucun faisceau lumineux émis n'atteigne directement la chambre de mesure sans avoir traversé la chambre de circulation.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chambre d'émission comporte une photodiode positionnée de façon à capter des faisceaux lumineux émis directement par les moyens d'émissions et des faisceaux lumineux réfléchis par une paroi transparente séparant la chambre de circulation des moyens d'émissions, afin de détecter une condensation de vapeur d'eau au sein de ladite chambre de circulation.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chauffage de la chambre de circulation, afin de limiter une condensation des gaz au sein de ladite chambre de circulation.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour mesurer la température au sein du dispositif.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour compenser des dérives liées au courant d'obscurité des moyens capteurs.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité électronique de traitement est conçue de façon à commander une source de courant constant (3) de façon à piloter les moyens d'émission pour qu'ils génèrent un puise de courant d'une durée choisie à intervalle de temps régulier.
9. Procédé pour mesurer un niveau d'opacité de gaz d'échappement émis par un moteur diesel, dans lequel on collecte les gaz d'échappement, on émet un faisceau de lumière à travers les gaz collectés, et on acquiert un signal relatif à l'intensité lumineuse de faisceaux lumineux ayant traversés lesdits gaz, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes :
- on extrait du signal une première mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase d'accélération du moteur ; - on extrait du signal une seconde mesure d'intensité lumineuse au cours d'une phase de ralenti du moteur, les deux mesures étant suffisamment proches dans le temps pour assurer des conditions de mesure équivalentes ;
- on déduit le niveau d'opacité desdits gaz en calculant un coefficient d'absorption des gaz lors de la phase d'accélération à partir desdites mesures.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la première mesure correspond à un pic d'amplitude dudit signal, et la seconde mesure correspond à l'intensité lumineuse reçue pendant la phase de ralenti précédent la phase d'accélération.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel on calcule le coefficient d'absorption de la phase d'accélération à partir de la Loi de Béer Lambert, et en considérant qu'un coefficient d'absorption des gaz au cours de la phase de ralenti est négligeable.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on déduit le coefficient d'absorption par la relation suivante :
Ln(Is /Ip)
où kp = coefficient d'absorption du pic d'amplitude
Is = intensité lumineuse reçue pendant la phase de ralenti
Ip = intensité lumineuse reçue au maximum du pic d'amplitude
L = longueur d'une cellule dans laquelle les gaz sont collectés.
13. Procédé pour mesurer un niveau d'opacité de gaz d'échappement émis par un moteur diesel, dans lequel on réalise plusieurs cycles d'accélération/ralenti dudit moteur à partir d'un opacimètre comportant : une chambre de circulation de gaz comportant à une première extrémité un orifice d'entrée de gaz, et à une seconde extrémité un orifice de sortie de gaz, une chambre d'émission comportant une diode d'émission pour émettre un faisceau de lumière, et une photodiode de référence mesurant une intensité lumineuse de faisceaux lumineux émis directement par la diode d'émission et de faisceaux lumineux réfléchis par une paroi transparente séparant la chambre de circulation de la chambre d'émissions, une chambre de mesure comportant une photodiode de mesure permettant d'acquérir un signal relatif à l'intensité lumineuse de faisceaux lumineux ayant traversés lesdits gaz, et dans lequel, - on détecte des pics d'amplitude sur ledit signal, chaque pic correspondant à une phase d'accélération ;
- pour chaque pic détecté, on détecte une condensation de vapeur d'eau au sein de la chambre de circulation ; - pour chaque pic détecté pour lesquels aucune condensation n'est détectée, on attend que la température augmente de quelques degrés à partir du moment où un tel pic est détecté ; puis
- on déduit le niveau d'opacité desdits gaz en calculant un coefficient d'absorption des gaz pour chaque pic détecté pour lesquels aucune condensation n'est détectée, à partir du procédé selon des revendications 9 à 12.
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel on détecte une condensation de vapeur d'eau en détectant une augmentation d'intensité lumineuse dans la chambre d'émission, à partir de l'intensité lumineuse mesurée par la photodiode de référence.
15. Procédé selon l'une des revendications 13 à 14, dans lequel on estime une évolution de température au sein de la chambre de circulation, à partir dudit signal.
16. Procédé selon l'une des revendications 13 à 15, dans lequel on valide la mesure d'opacité, en réalisant les étapes suivantes : pour chaque cycle, on estime une valeur d'opacité correspondant à un pic d'amplitude au cours de la phase d'accélération, et l'on valide les mesures d'opacités lorsque les valeurs d'opacité de quatre pics successifs se situent dans une gamme de valeurs choisie.
17. Procédé selon l'une des revendications 13 à 16, dans lequel on effectue une phase de vérification, avant toute mesure d'opacité, de façon à contrôler que le niveau d'encrassement initial dudit opacimètre est inférieur à un seuil fixé, en comparant l'intensité lumineuse mesurée par la photodiode de référence et l'intensité lumineuse mesurée par la photodiode de mesure.
18. Procédé selon l'une des revendications 13 à 17, dans lequel on minimise une condensation de vapeur d'eau en utilisant la chaleur des gaz d'échappement pour chauffer ladite chambre de circulation.
19. Procédé selon l'une des revendications 13 à 18, dans lequel on commande la diode d'émission par des puises de courant, de façon à émettre un faisceau lumineux de forte intensité tout en conservant une consommation moyenne faible, et l'on acquiert les mesures pendant le puise de courant.
20. Procédé selon la revendication 19, dans lequel on compense une dérive du courant d'obscurité des photodiodes en acquérant également les mesures après le puise de courant, l'intensité lumineuse reçue par la photodiode correspondant à la différence entre une moyenne des mesures acquises pendant le puise et une moyenne des mesures acquises après le puise.
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