Brevet FR2459970A1 — publié le 19810116

01. La présente invention concerne un dispositif de détection d'oxygène destiné à mesurer la concentration en oxygène des gaz de combustion émis par les moteurs à combustion interne, à l'aide d'une cellule de concentration d'oxygène consti- tuée par un électrolyte solide. Un dispositif de détection d'oxygène qui permet de contrôler avec précision le rapport air-combustible en permettant de mesurer la concentration en oxygène des gaz de combustion émis par les moteurs à combustion interne automobile à l'ai- de d'une cellule de concentration d'oxygène constituée par un électrolyte solide conducteur d'ions d'oxygène, tels que la zircone et analogue, est connu. Pour un tel dispositif de détection d'oxygène, on utilise en général jusqu'à présent un électrolyte solide présentant la structure représentée sur la figure 1. C'est à dire que l'on utilise un électrolyte solide tubulaire 1, dont une extrémité est fermée, et qui présente intérieurement une partie de grand diamètre 2 au niveau de laquelle une électrode intérieure 11 est mise en contact avec une borne métal- lique 7 par l'intermédiaire d'un matériau conducteur souple 6, et une partie de réduction de diamètre 3 située du côté de l'extrémité ouverte, et une partie 5 ayant un diamètre plus petit mais. niforme qui s'étend depuis la partie 3 jus- qu'à l'extrémité fermée 4. Des électrodes 11 et 12 sont appliquées respective- ment sur la surface intérieure et sur la surface extérieure de cet électrolyte solide 1 et l'électrode intérieureil est reliée électriquement à la borne métal- lique 7 par l'insertion, dans la partie de grand diamètre 2 et la partie 3, d'un matériau conducteur souple annulaire 6 et de la borne métallique 7.- Par consé- quent, la borne métallique 7 doit avoir une forme telle que les surfaces exté- rieures d'une partie d'extrémité supérieure 8 et d'une partie centrale 9 entrent respectivement en contact avec les surfaces intérieures de la partie de diamètre réduit 5 et de la partie de plus grand diamètre 2. Toutefois, les diamètres exté- rieurs de la partie d'extrémité supérieure 8 et de la partie centrale 9 sont en réalité inférieurs aux diamètres intérieurs de la partie de diamètre réduit 5 et de la partie de plus grand diamètre 2 de l'électrolyte solide 1, respectivement, pour tenir compte de la contraction de l'électrolyte solide lorsqu'il est sous tension ainsi que des variations de la précision de fonctionnement de la borne mé- tallique 7 et il existe, de ce fait, quelque jeu entre ces éléments et on ne peut éviter qu'une petite quantité du matériau conducteur souple 6 tombe lors de l'as- semblage du dispositif de détection d'oxygène ou en raison des vibrations d'un véhicule automobile. Comme matériau conducteur souple 6, on utilise ordinairement du graphite et une faible quantité de ce graphite tombe vers l'extrémité fermée 4 lors de son introduction dans la partie de plus grand diamètre 2 de l'électrolyte solide 1 ou en raison des vibrations d'un véhicule automobile. 02. La partie d'extrémité fermée 4 est la partie destinée à la détection de la concentration en oxygène des gaz combustion et se trouve portée à une telle tem- pérature que le graphite brûle et l'oxygène présent dans la partie d'extrémité fermée 4 est consommé et la pression partielle d'oxygène du gaz standard varie mais le diamètre extérieur et le diamètre intérieur de l'électrolyte solide clas- sique au niveau de la partie de détection sont respectivement de 8 mm et de 5 mm environ et les diamètres intérieurs de la partie de plus grand diamètre 2 et la partie de diamètre réduit 5 sont respectivement de 8 mm et de 5 mm environ et le diamètre intérieur d'une partie creuse 10 de la borne métallique 7 peut être réa- lisé relativement grand, par exemple de 4 mm, pour permettre au gaz standard de traverser facilement la partie creuse 10 et de fournir toujours de l'air frais au niveau de la partie d'extrémité fermée 4, afin d'assurer le fonctionnement normal du dispositif de détection d'oxygène. Toutefois, si le diamètre de l'électrolyte solide est plus petit pour en améliorer la résistance auxchocsthermiqueset le temps de fonctionnement au démarrage à froid, par exemple si le diamètre extérieur de la partie de détection est de 4 mm, si le diamètre intérieur de la partie d'ex- trémité fermée 4 est de 2 mm, si le diamètre de la partie de plus grand diamètre 2 est de 4 mm et si le diamètre de la partie de diamètre réduit 5 est de 2 mm, le diamètre de la partie creuse 10 de la borne métallique 7 devient de l'ordre de 1 mm afin d'assurer la résistance mécanique de la borne métallique 7. Si une fai- ble quantité du graphite constituant le matériau conducteur souple tombe vers l'extrémité fermée 4 lors de l'introduction du graphite dans la partie de grand diamètre 2 ou par suite de vibrations du véhicule automobile, et brûle et si la pression partielle du gaz standard varie, la diffusion d'air frais est lent parce que le diamètre de la partie creuse 10 est petit et, par exemple comme représenté sur la figure 2, il faut attendre longtemps le fonctionnement normal du disposi- tif de détection d'oxygène. La figure 2-représente la variation de la force élec- tromotrice, par rapport au temps, mesurée à l'aide de dispositifs de détection d'oxygène pour lesquels les diamètres intérieurs de la partie détection sont de 2,3 et 4 mm et les diamètres de la partie creuse de la borne métallique sont de 1, 2 et 3 mm respectivement, lorsque 5 mg de graphite tombe vers la partie d'ex- trémité fermée. On a obtenu ces données en exposant des dispositifs de détection d'oxygène à un milieu (milieu riche) de gaz de combustion de moteur automobile présentant un excès de combustible, à une température de 6000C pendant longtemps. Il est préférable que la borne métallique 7 ait une épaisseur supérieure à 0,5 mm afin de lui assurer une résistance mécanique suffisante. En outre, dans le cas o le diamètre intérieur de la partie de détection est plus petit, la forme du maté- riau conducteur souple est petit et le volume de passage de l'électrode intérieure 03. est petit, de sorte que la surface de contact est faible et la fiabilité de la conductivité électrique est mauvaise. La présente invention a été mise au point pour éliminer les inconvénients précités. Un but de la présente invention est de réaliser une structure d'un disposi- tif de détection d'oxygène permettant d'obtenir un fonctionnement stable, dans lequel le diamètre de l'électrolyte solide est petit, ce qui lui assure un démar- rage en fonctionnement rapide et une résistance élevée auxchocsthermiques. Un autre but de la présente invention est de réaliser une telle structure de haute fiabilité et d'assemblage facile. Un autre but de la présente invention est de réaliser une telle structure qui ne subit aucune déformation dans un moule lors de la réalisation de l'élec- trolyte solide tubulaire à extrémité fermée. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un électrolyte solide utilisé dans un dispositif de détection d'oxygène classi- que. - la figure 2 est un graphique représentant la variation de la force électro- motrice, par rapport au temps, lorsqu'on fait varier le diamètre intérieur de la partie de détection de l'électrolyte solide classique; - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe transversale. de modes de réali- sation d'électrolytes solides pouvant être utilisés dans les dispositifs de détec- tion d'oxygène conformes à la présente invention; et - la figure 5 est un graphique représentant la variation de la force électro- motrice du dispositif de détection d'oxygène conforme à la présente invention. On va expliquer ci-après, avec plus de détails, un mode de réalisation en se référant à la figure 3 qui représente un mode de réalisation de la présente inven- tion. On y voit un électrolyte solide tubulaire 14 à une extrémité fermée, consti- tué de zircone et d'autres substances, qui comporte des électrodes 21 et 22 sur la surface intérieure et sur la surface extérieure et dans lequel la partie de détec- tion 13 destinée à être exposée aux gaz de combustion ne dépasse pas 3 mm, cet é- lectrolyte comprenant, au niveau de la paroi intérieure du côté de l'extrémité ouverte, une partie de grand diamètre 15 et une première partie de réduction de diamètre 16, dans laquelle on introduit un matériau conducteur souple de départ de l'électrode intérieuze,une partie de diamètre intermédiaire 19 présentant un dia- mètre intérieur sensiblement uniforme, lequel est légèrement inférieur à celui de la partie de grand diamètre 15 et légèrement supérieur à celui de la partie de 04. petit diamètre 18, au niveau d'une partie centrale de l'électrolyte solide 14, et une seconde partie de réduction de diamètre 20 située du côté de la partie de diamètre intermédiaire 19 proche de l'extrémité fermée. La partie de petit diamè- tre 18, s'étendant de la partie 20 à la partie d'extrémité fermée 17, peut présen- ter un diamètre uniforme, comme le montre la figure 3, ou une forme effilée pour laquelle le diamètre diminue progressivement vers l'extrémité fermée comme le mon- tre la figure 4, ou toutes autres formes. Le diamètre extérieur de la partie de détection 13 de l'électrolyte solide 14 est de préférence compris entre 2 et 5 mm, mieux encore entre 3 et 4 mm, et son diamètre intérieur entre 1,5 et 2,5 mm afin !0 de lui conférer une meilleure résistance auKchocsthermiques.Afin de lui conférer une meilleure résistance autchocsthermiqueset de permettre d'obtenir une conduc- tivité fiable, au niveau de l'extrémité ouverte de l'électrolyte solide, le diamè- tre intérieur est de préférence compris entre 4 et 10 mm, mieux encore entre 6 et 8 mm, tandis que le diamètre intérieur de la partie de grand diamètre 15 est de préférence compris entre 4 et 6 mm, mieux encore entre 4 et 5 mm. Le diamètre in- térieur de la partie de diamètre intermédiaire 19 est de préférence compris entre 2 et 5 mm, mieux encore entre 3 et 4 mm, pour assurer une diffusion aisée de l'air. Il est souhaitable que le diamètre intérieur de la partie de petit diamètre, qui s'étend de la seconde partie de réduction de diamètre 20 jusqu'à l'extrémité fer- mée 17, soit supérieure à.-L de la longueur de la partie de petit diamètre afin de rendre aisée la diffusion de l'air. Le dispositif de détection d'oxygène conforme à la présente invention présen- te la construction que l'on vient de décrire. On introduit la partie centrale 9 de la borne métallique 7 dans la partie de grand diamètre 15 et on introduit la par- tie d'extrémité supérieure 8 dans la partie de diamètre intermédiaire 19, de sorte que le diamètre de la partie creuse 10 de la borne métallique 7 peut être plus grand ce qui fait que, même si du matériau conducteur souple 6 tombe dans la par- tie d'extrémité fermée 17 lors de l'assemblage du dispositif de détection d'oxy- gène ou par suite de vibrations du véhicule automobile lors de son fonctionnement et brûle et que la pression partielle d'oxygène de l'air, lequel est le gaz stan- dard, varie, la force électromotrice normale se rétablit en peu de temps, comme le montre la figure 5. En outre, du fait que le diamètre du matériau conducteur souple 6 est plus grand, la fiabilité de la conductivité du dispositif de détec- tion d'oxygène, au niveau de la connection de son électrode après assemblage, est élevée et la manipulation du matériau conducteur lors de l'assemblage est plus facile. En outre, il ne se produit pratiquement pas de déformation du noyau lors de l'application d'une pression hydrostatique, ce qui se fait normalement lors duz moulage, de sorte que le moulage puisse se dérouler sans problème. 05. Comme on vient de le dire, le dispositif de détection d'oxygène conforme à la présente invention non seulement fonctionne normalement mais permet en outre d'améliorer le rendement et la fiabilité et se prête particulièrement bien comme dispositif de détection de la teneur en oxygène des gaz de combustion de véhicules automobiles et analogue et permet d'utiliser au mieux le combustible et de dimi- nuer la nuisance que constituent les gaz de combustion et s'avère très intéres- sant du point de vue commercial. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d'oxygène comprenant un électrolyte solide de forme tubulaire, dont une extrémité est fermée et qui comporte des électrodes sur ses surfaces extérieure et intérieure, l'extrémité fermée de l'électrolyte solide étant exposée aux gaz de combustion émis par les moteurs à combustion interne, l'électrode intérieure et l'électrode extérieure étant mises en contact avec l'air ambiant et les gaz de combustion respectivement, et la pression partielle de l'oxygène des gaz de combustion étant mesurée par la mise en oeuvre du principe d'une cellule de concentration d'oxygène, carac- térisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur de l'électrolyte solide de forme tubulaire (14), une première partie de réduction de diamètre (16) raccordée à une partie de grand diamètre (15) qui constitue une partie de départ de l'électrode intérieure (21), une partie de diamètre intermédiaire (19) dont le diamètre sensiblement uniforme est inférieur à celui de la partie précitée de grand diamètre, une seconde partie de réduction de diamètre (20) raccordée à la partie de diamètre intermédiaire et à une partie de petit diamètre (18), cette dernière partie, dont le diamètre est inférieur à celui de la partie de diamètre intermédiaire, s'étendant jusqu'à l'extrémité fermée, la partie de grand diamètre, la première partie de réduction de diamètre, la partie de dia- mètre intermédiaire, la seconde partie de réduction de diamètre et la partie de petit diamètre étant disposées dans cet ordre depuis l'extrémité ouverte de l'électrolyte solide de forme tubulaire jusqu'à son extrémité fermée, le diamètre intérieur moyen de la partie de petit diamètre ne dépassant pas 3 mm. 2. Dispositif de détection d'oxygène selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie de petit diamètre (18) de l'électrolyte solide (14) présente un diamètre extérieur moyen compris entre 2 et 5 mm et un diamètre intérieur moyen compris entre 1 et 3 mm, le diamètre extérieur de la partie de grand giamàtre (15) étant compris entre 4 et 10 mm et le diamètre intérieur compris entre 4 et 6 mm tandis que la partie de diamètre intermédiaire (19) présente un diamètre intérieur compris entre 2 et 5 mm, 3. Dispositif de détection d'oxygène selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie de petit diamètre (18) de l'électrolyte solide (14) présente un diamètre extérieur moyen compris entre 3 et 4 mm et un dia- mètre intérieur moyen compris entre 1,5 et 2,5 mm, la partie de grand diamètre (15) ayant un diamètre extérieur compris entre 6 et 8 mm et un diamètre intérieur compris entre 4 et 5 mm tandis que le diamètre intérieur de la partie de dia- mètre intermédiaire (19) est compris entre 3 et 4 mm. 4. Dispositif de détection d'oxygène selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre intérieur moyen de la partie de petit dia- mètre (18) de l'électrolyte solide (14) est supérieur à I de la longueur de la partie de petit diamètre.