WO2013021135A1 - Capteur de gaz d'échappement pour un moteur a combustion interne - Google Patents

Capteur de gaz d'échappement pour un moteur a combustion interne Download PDF

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WO2013021135A1
WO2013021135A1 PCT/FR2012/051860 FR2012051860W WO2013021135A1 WO 2013021135 A1 WO2013021135 A1 WO 2013021135A1 FR 2012051860 W FR2012051860 W FR 2012051860W WO 2013021135 A1 WO2013021135 A1 WO 2013021135A1
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support body
tubular support
spacers
exhaust
sensor according
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PCT/FR2012/051860
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Inventor
Frédéric DUAULT
Stéphane RAQUIN
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Electricfil Automotive
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Publication date
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Priority to US14/237,773 priority patent/US8955373B2/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/08—Safety, indicating, or supervising devices
    • F02B77/085—Safety, indicating, or supervising devices with sensors measuring combustion processes, e.g. knocking, pressure, ionization, combustion flame
    • F02B77/086—Sensor arrangements in the exhaust, e.g. for temperature, misfire, air/fuel ratio, oxygen sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4078—Means for sealing the sensor element in a housing
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0037—NOx
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of on-line measurement of physical parameters or concentration of chemical elements in the exhaust gases from a combustion, such as for example in internal combustion engines or boilers.
  • the invention relates to an exhaust sensor specially designed to withstand the very high temperature conditions and aggression of gases in the exhaust line of an internal combustion engine.
  • sensors are already known for measuring the temperature or concentration of gases such as nitrogen oxides in the exhaust gas stream of internal combustion engines.
  • These sensors are formed of a metal body serving as a mounting case for a sensitive element, often ceramic, housed in the metal body and connected by simple electrical connections to the electronic control unit of the internal combustion engine or to an electronic control dedicated to the sensor.
  • Aggressive gases and condensation can cause electrical short circuits or circuit openings at the electrical connections of the sensors inside the body of the sensors if a perfect seal is not ensured between the exhaust gases. and the inner part of the sensor and therefore, between the body and the sensitive element.
  • the temperature of the exhaust gas can reach, per period, peaks of the order of 900 to 1100 ° C.
  • the sensors must then withstand such a temperature, both externally and internally, in particular to prevent any melting of the electrical connection circuits, which may cause the decommissioning of the sensor.
  • these exhaust sensors must have the smallest possible footprint to be inserted into the exhaust line in the engine compartment of a vehicle for example, even as the space in this compartment becomes more and more reduced.
  • the various elements constituting the sensors especially in terms of internal connections and seals do not support very high temperatures and must be isolated as much as possible from the internal temperature of the exhaust line, which is even more complex that the sensor structure must be compact and waterproof.
  • an exhaust sensor for resisting the aggression of the exhaust gas.
  • Such an exhaust sensor comprises a protective tube inside which is mounted a tubular support body receiving a measuring probe.
  • the measuring probe is mounted in the support body by the stack of contiguous ceramic and glass spacers.
  • the realization of a tubular support body mounted inside a protective tube leads to a bulky exhaust sensor and not easy to manufacture. Moreover, such a design does not provide sufficient thermal decoupling.
  • the object of the present invention is therefore to provide a new exhaust sensor structure which ensures a perfect seal to the exhaust gases and an optimal thermal insulation of the sensitive components of the sensor at the temperatures of said gases.
  • the present invention provides an exhaust sensor comprising a tubular support body extending around a longitudinal axis and receiving a measuring probe adapted to measure the temperature and / or the concentration of gas or molecules to inside an exhaust pipe of an internal combustion engine.
  • a first end of the measuring probe extends beyond a first end of the tubular support body through a lumen thereof and a second end of said probe is secured to an electrical connection connector housed in the tubular support body by marrying the walls thereof.
  • the electrical connection connector includes electrical connection plugs extending outside of the tubular support body by a second end thereof.
  • the measuring probe is sealed in the tubular support body of the sensor and is thermally decoupled from the external environment to the body by means of an assembly of ceramic and glass spacers and / or metal threaded around the measuring probe and distributed within the tubular support body between the electrical connection connector and the first end of the tubular support body to provide at least two separate cavities, said spacers ensuring a sealing of the measuring probe in the tubular support body.
  • the sealing of the measuring probe in the tubular support body of the exhaust sensor of the invention ensures both optimum thermal protection of the electrical connections of the measuring probe in the rear end of the sensor but also a complete seal of the interior of the sensor body to the gases and condensation present in an exhaust pipe.
  • the use of ceramic and glass spacers provides a seal that is resistant to very high temperatures and has very little thermal conductivity while being compact. This makes it possible to provide cavities internal to the body of the sensor, filled with gas or vacuum and which therefore provides the best thermal insulation possible between the end of the sensor located in the exhaust pipe and its rear end where the electrical connections are located. of it.
  • the spacers are distributed inside the tubular support body in two groups of spacers, a first group forming a partition between the two cavities and a second group forming a plug of the first end of the support body. tubular.
  • the spacers have a melting temperature greater than 500 ° C.
  • said spacers can withstand high temperatures in an internal combustion engine exhaust line.
  • At least one first group of spacers comprises at least three juxtaposed spacers comprising a glass spacer interposed between two ceramic spacers, the second group consisting of ceramic spacers only.
  • Such a structure allows in particular, at the level of the first group of spacers to improve the sealing of the sensor by the presence of the glass which acts as a binder between the ceramic spacers and the sensor body after having been melted, inserting into all the interstices between the ceramic spacers and the sensor body as well as the measuring probe, thus avoiding any risk of gas leaks to the connectors.
  • the glass spacer of the first group of spacers is made of a material comprising silica packaged in one of the following particular forms: powder, gel, compacted powder, paste, monolithic glass.
  • the glass spacer is wetting with respect to the ceramic beads and the tubular support body.
  • wetting is meant here a glass spacer whose wettability with respect to the ceramic spacers and the support body is optimal once the glass is melted, that is to say allowing a good adhesion of the molten glass. on ceramics and the supporting body.
  • the spacers of the first group are secured to each other by at least partial melting of the glass spacer after insertion of the first group of spacers in the tubular support body.
  • the ceramic spacers comprise cavities filled with an insulating gas.
  • the two cavities formed in the tubular support body are filled with an insulating gas.
  • an insulating gas may in particular be air, argon, or even nitrogen.
  • the two cavities formed in the tubular support body are conditioned under vacuum.
  • the tubular support body is made of a stainless steel selected from the following steels: inconel 600, stainless steel 321, stainless steel 409, stainless steel 304, stainless steel 4509, stainless steel 4521, stainless steel 4571, stainless steel 444, or titanium.
  • the tubular support body has on its inner surface longitudinal locking stops of the two groups of spacers adapted to facilitate the positioning of said spacers inside the tubular support body and ensure the constitution of the two cavities internal thermal decoupling.
  • the senor of the invention also comprises a stitching member of the sensor on an exhaust pipe, said stitching member being threaded onto the tubular support body of the sensor.
  • switching member means a piece of adapter of the sensor on an exhaust pipe of an internal combustion engine, in particular allowing its assembly and disassembly.
  • the stitching member is made of a metallic material and having peripheral fins heat dissipation heat transmitted by an exhaust pipe after stitching the sensor on said pipe.
  • the sensor stitching member acts as a radiator for dissipating calories transmitted by the exhaust pipe and the exhaust gas inside this pipe to the exhaust sensor, which further limits the heat energy transmitted inside the body of the sensor to the electrical connector.
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of an exhaust sensor according to the present invention in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a longitudinal sectional view of an exhaust sensor according to the present invention in a second embodiment.
  • the present invention provides a novel exhaust sensor structure having improved sealing and thermal insulation performance while maintaining good compactness.
  • the exhaust sensor 1 of the invention consists of a support body 2 receiving a measurement probe 3 adapted to measure the temperature and / or the concentration of gases or molecules or particles inside a exhaust pipe of an internal combustion engine, not shown in the figures.
  • the support body 2 is of cylindrical tubular shape and extends along a longitudinal axis X-X '.
  • This tubular support body 2 can be constituted in one piece by a cylindrical tube or, as in the embodiment shown, by two sections of cylindrical tubes 21, 22 called respectively lower and upper, nested one in the other. other along the axis XX 'and assembled by welding for example or any other similar technique.
  • the support body 2 is preferably made of a stainless steel capable of withstanding very high temperatures such as Inconel 600.
  • the measuring probe 3 consists of a substantially parallelepiped ceramic blade comprising electrodes and / or measuring elements of one or more physical parameters of an exhaust gas. This measuring probe 3 extends into the tubular support body 2 along the longitudinal axis X-X 'thereof.
  • a first end 31 of the measuring probe protrudes from the support body 2 through a first end of the upper section 22 of said support body. This first end 31 is intended to be in contact with an exhaust stream in an exhaust pipe to make a measurement of temperature and / or concentration of gas or particles in the exhaust stream. This first end 31 of the measurement probe is provided or not with a protection vis-à-vis the exhaust flow.
  • the measurement probe 3 is mounted integral with an electrical connection connector 4 housed in the lower section 21 of the tubular support body 2.
  • This electrical connection connector 4 is separated by a spacing spacer 5 of a sealing gasket 7 of the second end of the tubular support body 2, spacer and seal through which extend from the connector, at least two electrical connection plugs 6.
  • These electrical connection plugs 6 allow a connection of the exhaust sensor 1 and more particularly of the measurement probe 3 to an electronic control unit, for example an electronic control unit of an internal combustion engine.
  • the exhaust sensor 1 of the invention also comprises a tapping ring 8 and a screw nut 9 of the exhaust sensor 1 in a mounting housing provided for this purpose in a exhaust pipe of an internal combustion engine.
  • the tapping ring 8 and the nut 9 are advantageously threaded onto the tubular support body 2, the tapping ring 8 around the upper section 22 of said support body 2 and the tightening nut 9 around the lower section 21 of the support body 2.
  • the stitching ring 8 has a cylindrical bearing surface 81 inserted by insertion into an orifice provided for this purpose, in order to be welded and an internal cylindrical chamber 82 opening towards the section 21 of the tubular support body and defining an internal annular shoulder 83 for positioning the stitch ring 8 abutting a ring 23 extending radially to the longitudinal axis XX 'projecting from the outer surface of the section 22 of the
  • the sewing ring 8 is threaded onto the section 22, the latter comes to be positioned in an extreme position along the tubular support body 2 which is determined by the ring 23. It is thus possible to adjust, by adjusting the position of the ring 23 secured to the tube 21, the insertion height of the exhaust sensor 1 in an exhaust pipe.
  • the cylindrical chamber 82 formed inside the tapping ring 8 has a diameter greater than the external diameter of the section 22 of the tubular support body 2 such as the screw nut 9, which comprises a first section forming a screw threaded rod 91 and a second section forming a clamping sleeve 92.
  • the screw nut 9 can be screwed to its screw rod. screwing 91 inside said cylindrical chamber 82, thus making a junction between the nut 9 and the stitch ring 8 around the tubular support body 2, the clamping sleeve 92 remaining accessible outside the ring stitching 8 and the tubular support body 2 to allow mounting and screwing of the sensor in an exhaust pipe.
  • the exhaust sensors of internal combustion engines are subjected to harsh environments (corrosive gases, acids, high temperature, high temperature water vapor ...) and harmful gases (CO, NOx, SOx, aromatic cycles. ..) as well as hydrocarbons.
  • the exhaust sensor 1 of the invention aims to ensure the temperature resistance and the seal between the measuring probe 3 and its tubular support body 2 by means of a construction promoting thermal decoupling in environments as severe as the exhaust line of a heat engine, where materials such as resins, (epoxy, polyamide, ...), fluorocarbon seal ... can not provide such a function.
  • the exhaust sensor of the invention therefore comprises for this purpose a special sealing of the measuring probe 3 in the tubular support body 2.
  • This sealing can be performed as shown in Figures 1 and 2 in a similar manner. It consists in sealing the measuring probe 3 to the tubular support body 2 by means of an assembly of at least three, and preferably four spacers 10, 11, 12, 13 made of ceramics, metal or glass . These spacers are threaded around the measuring probe 3 and distributed inside the tubular support body 2 between the electrical connection connector 4 and the first end of the tubular support body 2 so as to provide the minus two cavities 14, 15 separated inside the tubular support body 2, between the protruding protrusion of the measuring probe 3 at the upper end of the tubular support body 2, and the electrical connection connector 4.
  • These two cavities formed in the tubular support body 2 have the function of achieving a thermal decoupling between the first end 31 of the measuring probe 3, inside an exhaust pipe, and the second end. 32 at the electrical connection connector 4, to protect the electrical connections from the heat of the exhaust stream in which the sensor is placed.
  • the cavities 14, 15 formed inside the tubular support body 2 may be filled with an insulating gas such as air, nitrogen or argon, or may be conditioned under a vacuum of air. depending on the desired thermal insulation performance for the sensor.
  • an insulating gas such as air, nitrogen or argon, or may be conditioned under a vacuum of air. depending on the desired thermal insulation performance for the sensor.
  • the spacers 10, 11, 12, 13 are distributed inside the tubular support body 2 in two spacer groups, a first group forming a partition between the two cavities 14, 15 and a second group forming a sealed plug or not of the first end of the tubular support body 2.
  • tubular support body 2 In order to position the two groups of spacers 10, 11, 12, 13, it is possible to provide on an inner face of the tubular support body 2 positioning stops formed by pinching material or light stamping sections 21, 22 forming the body. tubular support 2.
  • These two groups of spacers 10, 11, 12, 13, whatever the embodiment chosen, are formed for a first group of at least two, and preferably three spacers 11, 12, 13 juxtaposed comprising a spacer of glass 12 interposed between two ceramic spacers 11, 13, the second group consisting of a spacer 10 of ceramic or metal only.
  • These two groups of spacers can be positioned indifferently in the tubular support body 2 as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the first group of three spacers 11, 12, 13 form a plug at the upper end of the tubular support body 2 and the second group comprises at least one ceramic or metal spacer 10 is located substantially in the middle of said tubular support body 2.
  • the arrangement can be reversed and the first group of three spacers 11, 12, 13 placed in the middle of tubular support body 2, the second group of the spacer 10 forming the plug at the upper end of the tubular support body 2.
  • the struts 10, 11, 12, 13 have a melting point greater than 500 ° C. in order to have good resistance to the heat transmitted by a motor exhaust flow at internal combustion during use of the sensor 1.
  • the spacers 10, 11, 13 of ceramics may be made of materials such as alumina, zirconia, soapstone, mullite, or a metal such as Inconel 600 , refractory steel or titanium.
  • the glass spacer 12 of the first spacer group is made of a material comprising silica conditioned in one of the following special forms: powder, gel, compacted powder, paste, monolithic glass.
  • This glass spacer 12 is to be wetting with respect to the spacers 11,13 of ceramics of the first group which surround it and the tubular support body 2 and the measuring probe 3.
  • the spacers 11, 12, 13 of the first group are joined to each other by at least partial melting of the glass spacer 12 after insertion of the first group of spacers in the support body tubular 2.
  • the melting of the glass spacer 12 can be provided by various means during the manufacture of the exhaust sensor of the invention. In particular, it is possible to envisage fusing by passing through an oven, by induction heating, by microwave or by infrared light, or by laser. When melting the glass spacer 12, it is desirable that the ceramic spacers 11, 13 are pressed against the glass spacer 12 so that the molten glass comes to fill any games left for mounting between:
  • the ceramic struts 11, 13 of the first spacer group may have shapes favoring the passage of the molten glass between the tubular support body 2 and themselves and / or measuring probe 3 and themselves. thus allowing to guarantee a better sealing of assembly.
  • the measuring probe is mechanically held in the tubular support body 2 with a perfect seal on both sides of the glass spacer 12, thus preventing any penetration of condensation or condensation. gas inside said tubular support body 2.
  • the ceramic struts 10, 11, 13 may comprise cavities filled with an insulating gas or empty.
  • This particular construction of the exhaust sensor 1 of the invention provides optimal sealing and thermal decoupling in the smallest possible space for the electrical connections of the measuring probe 3, which are the most prone to deterioration due to the conditions. extreme operating exhaust sensor. In this way, it is possible to preserve these electrical connections, in particular the integrity of the connection connector 4 and the electrical connection plugs 5, and to increase the service life and the response performance of the exhaust sensor 1 in comparison with the known sensors. nowadays.
  • the quill ring 8 of the exhaust sensor 1 it is also advantageous to take advantage of the quill ring 8 of the exhaust sensor 1 to also diffuse the transmitted heat. in particular by conduction of the exhaust pipe on which the sensor is installed towards the air surrounding the sensor by producing said quill ring in a conductive metal material and forming on this ring cooling fins to increase the exchange surface thermal of the quill ring 8 and thus dissipate the thermal energy received from the exhaust pipe supporting the sensor 1 at this quill ring 8 outward rather than transmit it to the tubular support body 2 of the sensor. It should be noted that it is possible to envisage also making cooling fins on the screw nut 8.
  • the exhaust sensor 1 of the present invention thus provides a seal and an increased thermal resistance with a minimum bulk allowing a better overall resistance to the extreme operating conditions of the exhaust sensors positioned in exhaust systems of combustion engines. internal.

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Abstract

La présente invention concerne un capteur d'échappement (1), comprenant un corps de support tubulaire (2) recevant une sonde de mesure (3), une première extrémité de ladite sonde s'étendant par-delà une première extrémité du corps de support tubulaire au travers d'une lumière de celui-ci et une seconde extrémité de ladite sonde étant solidaire d'un connecteur de raccordement électrique (4) logé dans le corps de support tubulaire (2) en épousant les parois de celui-ci. Selon l'invention, la sonde de mesure est scellée dans le corps de support tubulaire (2) et découplée thermiquement de l'environnement extérieur au corps de support tubulaire par l'intermédiaire d'un assemblage d'entretoises (10, 11, 12, 13) de céramiques et de verre enfilées autour de la sonde de mesure et réparties à l'intérieur du corps de support tubulaire entre le connecteur de raccordement électrique et la première extrémité du corps de support tubulaire pour ménager au moins deux cavités séparées, lesdites entretoises assurant un scellement étanche de la sonde de mesure dans le corps de support tubulaire.

Description

CAPTEUR DE GAZ D ' ÉCHAPPEMENT POUR UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
La présente invention concerne le domaine technique de la mesure en ligne de paramètres physiques ou de concentration d'éléments chimiques dans les gaz d'échappement issus d'une combustion, comme par exemple dans des moteurs à combustion interne ou des chaudières.
Plus particulièrement, l'invention concerne un capteur d'échappement spécialement conçu pour résister aux conditions de températures très élevées et l'agression des gaz dans la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne.
Dans le domaine de l'invention, on connaît déjà des capteurs destinés à mesurer la température ou la concentration de gaz tels que les oxydes d'azote dans le flux gazeux d'échappement de moteurs à combustion interne.
Ces capteurs sont formés d'un corps métallique servant d'étui de montage à un élément sensible, souvent en céramique, logé dans le corps métallique et relié par des connexions électriques simples à l'unité de commande électronique du moteur à combustion interne ou à une commande électronique dédiée au capteur.
Ces capteurs sont soumis dans les lignes d'échappement de moteurs à combustion interne, à d'importantes contraintes thermiques, chimiques et mécaniques.
Les gaz agressifs et la condensation peuvent provoquer des courts-circuits électriques ou des ouvertures de circuits au niveau des connexions électriques des capteurs à l'intérieur du corps de ceux-ci si une parfaite étanchéité n'est pas assurée entre les gaz d'échappement et la partie interne du capteur et donc, entre le corps et l'élément sensible.
De plus, la température des gaz d'échappement peut atteindre, par période, des pics de l'ordre de 900 à 1100°C. Les capteurs doivent alors résister à une telle température, aussi bien extérieurement qu'intérieurement, afin notamment d'éviter toute fusion des circuits électriques de connexion, susceptible d'entraîner la mise hors service du capteur.
Par ailleurs, ces capteurs d'échappement doivent présenter un encombrement le plus réduit possible pour pouvoir être insérés dans la ligne d'échappement dans le compartiment moteur d'un véhicule par exemple, alors même que l'espace dans ce compartiment devient de plus en plus réduit. Or les divers éléments constituants les capteurs, notamment au niveau de la connectique interne et les joints ne supportent pas les très hautes températures et doivent être isolés le mieux possible de la température interne à la ligne d'échappement, ce qui est d'autant plus complexe que la structure du capteur doit être compacte et étanche.
Dans l'état de la technique, il a été proposé par le brevet US 6 672 132, un capteur d'échappement destiné à résister à l'agression des gaz d'échappement. Un tel capteur d'échappement comporte un tube de protection à l'intérieur duquel est monté un corps de support tubulaire recevant une sonde de mesure. La sonde de mesure est montée dans le corps de support par l'empilemenLd'entretoises accolées en céramique et en verre. La réalisation d'un corps de support tubulaire monté à l'intérieur d'un tube de protection conduit à un capteur d'échappement encombrant et peu simple à fabriquer. Par ailleurs, une telle conception ne permet pas d'obtenir un découplage thermique suffisant.
Le but de la présente invention est par conséquent de fournir une nouvelle structure de capteur d'échappement qui assure une parfaite étanchéité aux gaz d'échappement et une isolation thermique optimale des composants sensibles du capteur aux températures desdits gaz.
A cette fin, la présente invention propose un capteur d'échappement comprenant un corps de support tubulaire s'étendant autour d'un axe longitudinal et recevant une sonde de mesure adaptée pour mesurer la température et/ou la concentration de gaz ou de molécules à l'intérieur d'une conduite d'échappement d'un moteur à combustion interne. Dans ce capteur d'échappement, une première extrémité de la sonde de mesure s'étend par-delà une première extrémité du corps de support tubulaire au travers d'une lumière de celui-ci et une seconde extrémité de ladite sonde est solidaire d'un connecteur de raccordement électrique logé dans le corps de support tubulaire en épousant les parois de celui-ci. Le connecteur de raccordement électrique comprend des fiches de connexion électrique s'étendant à l'extérieur du corps de support tubulaire par une seconde extrémité de celui-ci. Selon l'invention, la sonde de mesure est scellée dans le corps de support tubulaire du capteur et est découplée thermiquement de l'environnement extérieur au corps par l'intermédiaire d'un assemblage d'entretoises de céramiques et de verre et/ou de métal enfilées autour de la sonde de mesure et réparties à l'intérieur du corps de support tubulaire entre le connecteur de raccordement électrique et la première extrémité du corps de support tubulaire pour ménager au moins deux cavités séparées, lesdites entretoises assurant un scellement étanche de la sonde de mesure dans le corps de support tubulaire.
Le scellement de la sonde de mesure dans le corps de support tubulaire du capteur d'échappement de l'invention permet d'assurer à la fois une protection thermique optimale des connexions électriques de la sonde de mesure dans l'extrémité postérieure du capteur mais aussi une étanchéité totale de l'intérieur du corps du capteur aux gaz et condensation présents dans une conduite d'échappement. L'utilisation d'entretoises de céramiques et de verre procure un scellement résistant à très haute température et très peu conductif thermiquement tout en étant compact. Ceci permet de ménager des cavités internes au corps du capteur, remplie de gaz ou de vide et qui donc procure le meilleur isolant thermique possible entre l'extrémité du capteur située dans la conduite d'échappement et son extrémité postérieure où sont localisées les connexions électriques de celui-ci.
Selon une forme de réalisation les entretoises sont réparties à l'intérieur du corps de support tubulaire en deux groupes d'entretoises, un premier groupe réalisant une cloison entre les deux cavités et un second groupe formant un bouchon de la première extrémité du corps de support tubulaire.
De préférence, les entretoises présentent une température de fusion supérieure à 500°C. Ainsi lesdites entretoises peuvent résister aux températures élevées dans une conduite d'échappement de moteur à combustion interne.
Selon une forme de réalisation, au moins un premier groupe d'entretoises comprend au moins trois entretoises juxtaposées comprenant une entretoise de verre intercalée entre deux entretoises de céramiques, le second groupe étant constitué d'entretoises de céramiques uniquement. Une telle structure permet notamment, au niveau du premier groupe d'entretoises d'améliorer l'étanchéité du capteur par la présence du verre qui joue le rôle de liant entre les entretoises de céramiques et le corps du capteur après avoir été fondu, s'insérant dans toutes les interstices présentes entre les entretoises de céramiques et le corps du capteur ainsi que la sonde de mesure, évitant ainsi tout risque de fuites gazeuses vers les connectiques.
Selon une forme de réalisation, l'entretoise de verre du premier groupe d'entretoises est constituée d'un matériau comportant de la silice conditionnée sous l'une des formes particulières suivantes : poudre, gel, poudre compactée, pâte, verre monolithique.
Selon une forme de réalisation, l'entretoise de verre est mouillante vis-à-vis des perles de céramiques et du corps de support tubulaire. On entend ici par « mouillante » une entretoise de verre dont la mouillabilité vis-à-vis des entretoises de céramiques et du corps de support est optimale une fois le verre fondu, c'est-à- dire permettant une bonne adhésion du verre fondu sur les céramiques et le corps de support.
Selon une forme de réalisation, les entretoises du premier groupe sont solidarisées entre elles par fusion au moins partielle de l'entretoise de verre après insertion du premier groupe d'entretoises dans le corps de support tubulaire.
Selon une forme de réalisation, les entretoises de céramique comportent des cavités remplies d'un gaz isolant.
Selon une forme de réalisation, les deux cavités ménagées dans le corps de support tubulaire sont remplies d'un gaz isolant. Un tel gaz isolant peut notamment être de l'air, de l'argon, ou encore de l'azote.
Selon une forme de réalisation, les deux cavités ménagées dans le corps de support tubulaire sont conditionnées sous vide d'air.
Selon une forme de réalisation, le corps de support tubulaire est constitué d'un acier inoxydable choisi parmi les aciers suivants : inconel 600, inox 321, inox 409, inox 304, inox 4509, inox 4521, inox 4571, inox 444, ou encore du titane. Selon une forme de réalisation, le corps de support tubulaire comporte sur sa surface interne des butées de blocage longitudinal des deux groupes d'entretoises adaptées pour faciliter le positionnement desdites entretoises à l'intérieur du corps de support tubulaire et assurer la constitution des deux cavités internes de découplage thermique.
Selon une forme de réalisation, le capteur de l'invention comporte également un organe de piquage du capteur sur une conduite d'échappement, ledit organe de piquage étant enfilé sur le corps de support tubulaire du capteur.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par organe de piquage une pièce d'adaptation du capteur sur une conduite d'échappement de moteur à combustion interne, permettant notamment son montage et son démontage.
Dans cette forme de réalisation, l'organe de piquage est constitué d'un matériau métallique et comportant des ailettes périphériques de dissipation thermique de chaleur transmise par une conduite d'échappement après piquage du capteur sur ladite conduite. Ainsi, l'organe de piquage du capteur joue un rôle de radiateur de dissipation des calories transmises par la conduite d'échappement et le gaz d'échappement à l'intérieur de cette conduite au capteur d'échappement, ce qui limite encore l'énergie calorifique transmise à l'intérieur du corps du capteur jusqu'au connecteur électrique.
Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. Sur les figures annexées :
- la Figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un capteur d'échappement conforme à la présente invention dans une première variante de réalisation,
- la Figure 2 représente une vue en coupe longitudinale d'un capteur d'échappement conforme à la présente invention dans une seconde variante de réalisation. La présente invention propose une nouvelle structure de capteur d'échappement présentant des performances d'étanchéité et d'isolation thermique améliorées tout en conservant une bonne compacité.
Le capteur d'échappement 1 de l'invention se compose d'un corps de support 2 recevant une sonde de mesure 3 adaptée pour mesurer la température et/ou la concentration de gaz ou de molécules ou de particules à l'intérieur d'une conduite d'échappement d'un moteur à combustion interne, non représentée sur les figures.
Le corps de support 2 est de forme tubulaire cylindrique et s'étend le long d'un axe longitudinal X-X'. Ce corps de support tubulaire 2 peut être constitué d'un seul tenant par un tube cylindrique ou, comme dans l'exemple de réalisation présenté, par deux sections de tubes cylindriques 21, 22 dites respectivement inférieure et supérieure, emboîtées l'une dans l'autre le long de l'axe X-X' et assemblées par soudage par exemple ou toute autre technique analogue.
Le corps de support 2 est constitué de préférence d'un acier inoxydable apte à résister aux très hautes températures tel que l'Inconel 600.
La sonde de mesure 3 est constituée d'une lame en céramique sensiblement parallélépipédique comprenant des électrodes et/ou des éléments de mesure d'un ou plusieurs paramètres physiques d'un gaz d'échappement. Cette sonde de mesure 3 s'étend dans le corps de support 2 tubulaire le long de l'axe longitudinal X-X' de celui-ci.
Une première extrémité 31 de la sonde de mesure s'étend en saillie du corps de support 2 à travers une première extrémité de la section supérieure 22 dudit corps de support. Cette première extrémité 31 est destinée à être en contact avec un flux d'échappement dans une conduite d'échappement pour réaliser une mesure de température et/ou de concentration de gaz ou de particules dans ce flux d'échappement. Cette première extrémité 31 de la sonde de mesure est pourvue ou non d'une protection vis-à-vis du flux d'échappement.
A sa seconde extrémité 32, la sonde de mesure 3 est montée solidaire d'un connecteur 4 de raccordement électrique logé dans la section inférieure 21 du corps de support tubulaire 2. Ce connecteur 4 de raccordement électrique est séparé par une entretoise d'écartement 5 d'un joint de bouchage 7 de la seconde extrémité du corps de support tubulaire 2, entretoise et joint au travers desquels s'étendent depuis le connecteur, au moins deux fiches 6 de connexion électrique. Ces fiches de connexion électrique 6 permettent un raccordement du capteur d'échappement 1 et plus particulièrement de la sonde de mesure 3 à une unité électronique de pilotage, par exemple une unité de contrôle électronique d'un moteur à combustion interne.
Autour du corps de support tubulaire 2, le capteur d'échappement 1 de l'invention comporte également une bague de piquage 8 ainsi qu'un écrou de vissage 9 du capteur d'échappement 1 dans un logement de montage prévu à cet effet dans une conduite d'échappement d'un moteur à combustion interne. La bague de piquage 8 et l'écrou 9 sont avantageusement enfilés sur le corps de support tubulaire 2, la bague de piquage 8 autour de la section supérieure 22 dudit corps de support 2 et l'écrou de vissage 9 autour de la section inférieure 21 du corps de support 2. De façon avantageuse, la bague de piquage 8 comporte une portée cylindrique 81 d'insertion par emboîtement dans un orifice prévu à cet effet, en vue d'être soudée et une chambre cylindrique 82 interne débouchant en direction de la section 21 du corps de support tubulaire et définissant un épaulement annulaire 83 interne de positionnement de la bague de piquage 8 en butée sur une bague 23 s'étendant radialement à l'axe longitudinal X-X' en saillie de la surface extérieure de la section 22 du corps de support tubulaire 2. Ainsi, lorsque la bague de piquage 8 est enfilée sur la section 22, celle-ci vient se positionner dans une position extrême le long du corps de support tubulaire 2 qui est déterminée par la bague 23. Il est ainsi possible de régler, en jouant sur la position de la bague 23 solidaire du tube 21, la hauteur d'insertion du capteur d'échappement 1 dans une conduite d'échappement.
Par ailleurs, la chambre cylindrique 82 formée à l'intérieur de la bague de piquage 8 présente un diamètre supérieur au diamètre externe de la section 22 du corps de support tubulaire 2 tel que l'écrou de vissage 9, qui comporte une première section formant une tige de vissage 91 filetée et une seconde section formant une douille de serrage 92. L'écrou de vissage 9 peut être vissé au niveau de sa tige de vissage 91 à l'intérieur de ladite chambre cylindrique 82, réalisant ainsi une jonction entre l'écrou 9 et la bague de piquage 8 autour du corps de support tubulaire 2, la douille de serrage 92 restant accessible à l'extérieur de la bague de piquage 8 et du corps de support tubulaire 2 pour permettre un montage et vissage du capteur dans une conduite d'échappement.
Les capteurs d'échappement de moteurs à combustion interne sont soumis à des environnements sévères (gaz corrosifs, acides, température élevée, vapeur d'eau à haute température...) et des gaz nocifs (CO, NOx, SOx, cycles aromatiques...) ainsi que des hydrocarbures.
Les divers éléments constituants l'intérieur de ces capteurs ne supportent pas de très hautes températures et doivent être découplées thermiquement de la température régnant à l'intérieur du tube d'échappement. Ils doivent en outre être protégés de toute condensation sur les connectiques internes du capteur pouvant provoquer des courts-circuits et donc des mesures erronées voire à terme une perte de contact (à cause de la corrosion par exemple).
Le capteur d'échappement 1 de l'invention vise à assurer la résistance à la température et l'étanchéité entre la sonde de mesure 3 et son corps de support tubulaire 2 grâce à une construction favorisant le découplage thermique dans des milieux aussi sévères que la ligne d'échappement d'un moteur thermique, où des matériaux tels que les résines, (époxy, polyamide,. . .), joint fluorocarbone... ne peuvent assurer une telle fonction.
Le capteur d'échappement de l'invention comporte donc à cette fin un scellement particulier de la sonde de mesure 3 dans le corps de support tubulaire 2.
Ce scellement peut être réalisé tel que représenté sur les figures 1 et 2 de façon analogue. Il consiste à sceller la sonde de mesure 3 au corps de support tubulaire 2 par l'intermédiaire d'un assemblage d'au moins trois, et de préférence quatre entretoises 10, 11, 12, 13 constituées de céramiques, de métal ou de verre. Ces entretoises sont enfilées autour de la sonde de mesure 3 et réparties à l'intérieur du corps de support tubulaire 2 entre le connecteur 4 de raccordement électrique et la première extrémité du corps de support tubulaire 2 de manière à ménager au moins deux cavités 14, 15 séparées à l'intérieur du corps de support tubulaire 2, entre la lumière de saillie de la sonde de mesure 3 à l'extrémité supérieure du corps de support tubulaire 2, et le connecteur de raccordement électrique 4.
Ces deux cavités ménagées 14, 15 dans le corps de support tubulaire 2 ont pour fonction de réaliser un découplage thermique entre la première extrémité 31 de la sonde de mesure 3, à l'intérieur d'une conduite d'échappement, et la deuxième extrémité 32 au niveau du connecteur de raccordement électrique 4, afin de protéger les connexions électriques de la chaleur du flux d'échappement dans lequel le capteur est placé.
Les cavités 14, 15 formées à l'intérieur du corps de support tubulaire 2 peuvent être remplies d'un gaz isolant tel que de l'air, de l'azote ou de l'argon ou encore être conditionnées sous vide d'air en fonction des performances d'isolation thermique souhaitées pour le capteur.
Comme représenté sur les figures 1 et 2, les entretoises 10, 11, 12, 13 sont réparties à l'intérieur du corps de support tubulaire 2 en deux groupes d'entretoises, un premier groupe réalisant une cloison entre les deux cavités 14, 15 et un second groupe formant un bouchon étanche ou non de la première extrémité du corps de support tubulaire 2.
Afin de positionner les deux groupes d'entretoises 10, 11, 12, 13, on peut prévoir sur une face interne du corps de support tubulaire 2 des butées de positionnement formées par pincement de matière ou léger emboutissage des sections 21, 22 formant le corps de support tubulaire 2.
Ces deux groupes d'entretoises 10, 11, 12, 13, quel que soit le mode de réalisation choisi, sont formés pour un premier groupe d'au moins deux, et de préférence trois entretoises 11, 12, 13 juxtaposées comprenant une entretoise de verre 12 intercalée entre deux entretoises de céramiques 11, 13, le second groupe étant constitué d'une entretoise 10 de céramique ou de métal uniquement. Ces deux groupes d'entretoises peuvent être positionnés indifféremment dans le corps de support tubulaire 2 comme représenté sur les figures 1 et 2. Ainsi, dans la première variante de réalisation représentée à la figure 1, le premier groupe de trois entretoises 11, 12, 13 forme un bouchon à l'extrémité supérieure du corps de support tubulaire 2 et le second groupe composé d'au moins l'entretoise de céramique ou de métal 10 est localisé sensiblement au milieu dudit corps de support tubulaire 2. Dans une seconde variante représentée à la figure 2, la disposition peut être inversée et le premier groupe de trois entretoises 11, 12, 13 placé au milieu du corps de support tubulaire 2, le second groupe de l'entretoise 10 formant le bouchon à l'extrémité supérieure du corps de support tubulaire 2.
De façon préférée dans le cadre de l'invention, les entretoises 10, 11, 12, 13 présentent toute une température de fusion supérieure à 500°C afin de présenter une bonne résistance à la chaleur transmise par un flux d'échappement de moteur à combustion interne lors de l'utilisation du capteur 1. En particulier, les entretoises 10, 11, 13 de céramiques peuvent être constituées de matériaux comme l'alumine, la zircone, la stéatite, la mullite, ou encore un métal tel que Inconel 600, acier réfractaire ou titane.
L'entretoise de verre 12 du premier groupe d'entretoises est quant à elle constituée d'un matériau comportant de la silice conditionnée sous l'une des formes particulières suivante : poudre, gel, poudre compactée, pâte, verre monolithique. Une des propriétés importantes de cette entretoise de verre 12 est d'être mouillante vis-à-vis des entretoises 11,13 de céramiques du premier groupe qui l'entourent et du corps de support tubulaire 2 et de la sonde de mesure 3.
En effet, de façon avantageuse selon l'invention, les entretoises 11, 12, 13 du premier groupe sont solidarisées entre elles par fusion au moins partielle de l'entretoise de verre 12 après insertion du premier groupe d'entretoises dans le corps de support tubulaire 2.
La fusion de l'entretoise de verre 12 peut être assurée par différents moyens lors de la fabrication du capteur d'échappement de l'invention. On peut en particulier envisager une fusion par passage en four, par chauffage à induction, à micro-ondes ou par lumière infrarouge ou encore par laser. Lors de la fusion de l'entretoise de verre 12, il est souhaitable que les entretoises de céramique 11, 13 soient comprimées contre l'entretoise de verre 12 pour que le verre fondu vienne combler les jeux éventuels laissés pour le montage entre :
- les entretoises céramiques 11, 13 et le corps de support tubulaire 2,
- les entretoises céramiques 11, 13 et la sonde de mesure 3
- l'entretoise de verre 12 et le corps de support tubulaire 2
- l'entretoise de verre 12 et la sonde de mesure 3.
De façon avantageuse encore, les entretoises de céramiques 11, 13 du premier groupe d'entretoises peuvent présenter des formes favorisant le passage du verre fondu entre le corps de support tubulaire 2 et elles-mêmes et/ou sonde de mesure 3 et elles-mêmes permettant ainsi de garantir une meilleure étanchéité d'assemblage.
Une fois la fusion terminée et le verre figé, la sonde de mesure est mécaniquement maintenue dans le corps de support tubulaire 2 avec une parfaite étanchéité de part et d'autre de l'entretoise de verre 12, prévenant ainsi toute pénétration de condensation ou de gaz à l'intérieur dudit corps de support tubulaire 2.
Selon une forme de réalisation préférée du capteur d'échappement 1 de l'invention, pour réduire encore le transfert thermique vers le connecteur de raccordement électrique 4, les entretoises de céramiques 10, 11, 13 peuvent comporter des cavités remplies d'un gaz isolant ou de vide.
Cette construction particulière du capteur d'échappement 1 de l'invention procure une étanchéité et un découplage thermique optimaux dans un encombrement le plus réduit possible pour les connexions électriques de la sonde de mesure 3, qui sont les plus sujettes à détérioration du fait des conditions extrêmes d'exploitation du capteur d'échappement. On parvient de la sorte à préserver ces connexions électriques, notamment l'intégrité du connecteur de raccordement 4 et des fiches de connexion électrique 5 et à augmenter la durée de vie et la performance de réponse du capteur d'échappement 1 par comparaison aux capteurs connus à ce jour.
De plus, il est également avantageux de mettre à profit la bague de piquage 8 du capteur d'échappement 1 pour diffuser également la chaleur transmise notamment par conduction de la conduite d'échappement sur laquelle le capteur est installé vers l'air environnant le capteur en réalisant ladite bague de piquage dans un matériau métallique conducteur et en formant sur cette bague des ailettes de refroidissement pour augmenter la surface d'échange thermique de la bague de piquage 8 et ainsi dissiper l'énergie thermique reçue de la conduite d'échappement supportant le capteur 1 au niveau de cette bague de piquage 8 vers l'extérieur plutôt que la transmettre au corps de support tubulaire 2 du capteur. Il est à noter qu'il peut être envisagé de réaliser également des ailettes de refroidissement sur l'écrou de vissage 8.
Le capteur d'échappement 1 de la présente invention procure ainsi une étanchéité et une résistance thermique accrue avec un encombrement minimum permettant une meilleure résistance globale aux conditions extrêmes d'exploitation des capteurs d'échappement positionnés dans des circuits d'échappement de moteurs à combustion interne.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Capteur d'échappement (1), comprenant un corps de support tubulaire (2) s'étendant autour d'un axe longitudinal X-X' et recevant une sonde de mesure (3) adaptée pour mesurer la température et/ou la concentration de gaz, de molécules ou de particules à l'intérieur d'une conduite d'échappement, notamment d'un moteur à combustion interne, une première extrémité (31) de ladite sonde de mesure (3) s'étendant par-delà une première extrémité du corps de support tubulaire (2) au travers d'une lumière de celui-ci et une seconde extrémité (32) de ladite sonde de mesure (3) étant solidaire d'un connecteur (4) de raccordement électrique logé dans le corps de support tubulaire (2) en épousant les parois de celui-ci et comprenant des fiches (5) de connexion électrique s'étendant à l'extérieur du corps de support tubulaire par une seconde extrémité de celui-ci, caractérisé en ce que la sonde de mesure (3) est scellée dans le corps de support tubulaire (2) et découplée thermiquement de l'environnement extérieur au corps par l'intermédiaire d'un assemblage d'entretoises (10, 11, 12, 13) de céramiques ou de métal et d'entretoises de verre enfilées autour de la sonde de mesure (3) et réparties à l'intérieur du corps de support tubulaire (2) entre le connecteur (4) de raccordement électrique et la première extrémité du corps de support tubulaire (2) pour ménager au moins deux cavités (14, 15) séparées, lesdites entretoises (10, 11, 12, 13) assurant un scellement étanche de la sonde de mesure (3) dans le corps de support tubulaire (2).
2 - Capteur d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les entretoises (10, 11, 12, 13) sont réparties à l'intérieur du corps de support tubulaire (2) en deux groupes d'entretoises, un premier groupe réalisant une cloison entre les deux cavités (14, 15) et un second groupe formant un bouchon de la première extrémité du corps de support tubulaire.
3 - Capteur d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les entretoises (10, 11, 12, 13) présentent une température de fusion supérieure à 500°C. 4 - Capteur d'échappement selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins un premier groupe d'entretoises comprend au moins trois entretoises (11, 12, 13) juxtaposées comprenant une entretoise de verre (12) intercalée entre deux entretoises de céramique (11, 13), le second groupe étant constitué d'entretoises (10) de céramiques ou de métal uniquement.
5 - Capteur d'échappement selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'entretoise de verre (12) du premier groupe d'entretoises est constituée d'un matériau comportant de la silice conditionnée sous l'une des formes particulières suivante ; poudre, gel, poudre compactée, pâte, verre monolithique.
6 - Capteur d'échappement selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'entretoise de verre (12) est mouillante vis-à-vis des entretoises de céramiques, du corps de support tubulaire (2) et de la sonde de mesure (3).
7 - Capteur d'échappement selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les entretoises (11, 12, 13) du premier groupe sont solidarisées entre elles par fusion au moins partielle de l'entretoise de verre (12) après insertion du premier groupe d'entretoises dans le corps de support tubulaire (2).
8 - Capteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les entretoises de céramiques (10, 11, 13) comportent des cavités remplies d'un gaz isolant.
9 - Capteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les deux cavités ménagées (14, 15) dans le corps de support tubulaire (2) sont remplies d'un gaz isolant.
10 - Capteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les deux cavités (14, 15) ménagées dans le corps de support tubulaire (2) sont conditionnées sous vide d'air.
11 - Capteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le corps de support tubulaire (2) est constitué d'un acier inoxydable, d'inconel ou de titane.
12 - Capteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le corps de support tubulaire (2) comporte sur sa surface interne des butées de blocage longitudinal des deux groupes d'entretoises (10, 11, 12, 13) adaptées pour faciliter le positionnement desdites entretoises à l'intérieur du corps de support tubulaire et assurer la constitution des deux cavités internes (14, 15) de découplage thermique.
13 - Capteur d'échappement selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un organe de piquage (8) du capteur sur une conduite d'échappement, ledit organe de piquage étant enfilé sur le corps de support tubulaire (2) du capteur.
14 - Capteur d'échappement selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'organe de piquage (8) est constitué d'un matériau métallique et comportant des ailettes périphériques de dissipation thermique de chaleur transmise par une conduite d'échappement après piquage du capteur sur ladite conduite.
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