Brevet FR2466017A1 — publié le 19810327

La présente invention se rapporte à un système d'un moteur à combustion interne comportant un capteur d'oxygène qui est disposé dans un passage d'échappement afin de produire un signal par contre-réaction, indiquant le rapport air/carburant d'un mélange fourni au moteur, et qui est pourvu d'un réchauffeur électrique pour maintenir ce capteur à un état chauffé de façon appropriée pendant son fonctionnement, et elle se rapporte plus particulièrement à un sous-système pour régler l'alimenta- tion en courant de chauffage vers le réchauffeur. Dans les récents moteurs à combustion interne et en particulier dans les moteurs automobil% il est devenu populaire d'accomplir un réglage, par contre-réaction, du rapport air/carburant avec pour objet d'améliorer les efficacités des moteurs et de réduire l'émission de substances nocives ou néfastes contenues dans les gaz d'échappement en utilisant un capteur d'oxygène comme dispositif produisant un signal électrique par contre- réactionindiquant le rapport air/carburant d'un mélange réellement fourni à un moteur, quand il est disposé dans les gaz d'échappement évacués de ce moteur. Actuellement, les capteurs d'oxygène utilisés dans la pratique dans ce but sont presque exclusivement du type à cellule de concentration d'oxygène ayant une couche d'un électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène, représenté par de la zirconie stabilisée à la calcie ou à l'yttrie, avec deux couches formant électrodes (une couche formant électrode de mesure et une couche formant électrode de référence, toutes deux habituellement en platine) formées sur les deux cttés opposés de la couche d'électrolyte solide. S'il y a une différence de pression partielle d'oxygène entre le ctté électrode de mesure et le ctté électrode de référence de la couche d'électrolyte solide, ce capteur d'oxygène produit une force électro- motrice dont la grandeur dépend de la grandeur de la différence de pression partielle d'oxygène. En tant que détecteur du rapport air/carburant dans le but ci-dessus mentionné, l'électrode de mesure est exposée à des gaz d'échappement d'un moteur, tandis qu'une pression partielle d'oxygène de référence est maintenue du ctté électrode de référence. Le procédé le plus familier pour &ablir une telle pression partielle d'oxygène de référence consite à exposer la couche formant électrode de référence à l'air atmosphérique. On a également proposé d'incorporer un mélange métal-oxyde métallique comme du nickel et de l'oxyde de nickel dans le capteur d'oxygène, comme source de pression partielle d'oxygène de référence. Par ailleurs, dans le brevet U.S. No. 4 207 159 est révélée la possibilité d'établir une pression partielle d'oxygène de référence sans utiliser aucun matériau spécial formant source, en forçant un courant continu extérieurement fourni à s'écouler dans la couche de l'électrolyte solide entre les deux couches formant électrodes afin de provoquer une migration appropriée des ions oxygène dans la couche de l'électrolyte solide vers une couche formant électrode choisie. Dans la pratique, il est habituel de prévoir, sur un capteur d'oxygène dutype à cellule de concentration à électrolyte solide, un réchauffei.r éLectrique, quel que soit le mode d'établissement de la pression partielle d'oxygène de référence, parce que l'activité de l'électrolyte solide représentée par le niveau et la stabilité de la force électromotrice produite reste trop faible si la température de la couche de l'électrolyte solide est relativement faible, c'est-à-dire est inférieureà environ 4000C, ainsi le capteur installé dans un système d'échappe- ment d'un moteur devient inefficace en tant que détecteur du rapport air/carburant quand le moteur décharge des gaz d'échappement à relativement basse température, si le capteur n'est réchauffé que par la chaleur des gaz d'échappement. Le réchauffeur électrique est fixé ou enfoui dans un organe de structure supportant physiquement la partie du capteur qui est sensible à l'oxygène. Dans des systèmes traditionnels de moteur comprenant un capteur d'oxygène du type ci-dessus décrit avec réchauffeur électrique, un courant de chauffage est continuellement appliqué au réchauffeur du capteur pendant le fonctionnement du moteur, et en pratique, tandis qu'un démarreur pour l'allumage du moteur est à l'état fermé ou conducteur. On a reconnu qu'un tel procédé de chauffage était défavorable parce qu'ily-a une forte possibilité que le capteur d'oxygène soit chauffé à une température excessivement élevée et néfaste tandis que le moteur décharge des gaz d'échappement à une température considé- rablement élevée>par exemple dans le cas d'un fonctionne- ment en condition d'accélération à plein régime. En ce qui concerne un système d'un moteur à combustion interne comportant un capteur d'oxygène pourvu d'un réchauffeur électrique pour assurer son bon fonctionnement, et qui est disposé dans un passage d'échappement du moteur afin de produire un signal électrique indiquant le rapport air/carburant d'un mélange air-carburant réellement fourni au moteur et un circuit d'alimentation en courant pour fournir un courant de chauffage d'une source de courant au réchauffeur pendant le fonctionnement du système du moteur, la présente invention a pour objet un moyen efficace pour éviter un chauffage excessif et éventuelle- ment néfaste du capteur d'oxygène par l'action du réchauf- feur tandis que le moteur décharge des gaz d'échappement à très haute température, par exemple pendant un fonctionne- ment en condition d'accélération à plein régime, afin - d'étendre ainsi la durée de vie du capteur d'oxygène. Selon la présente invention, le système de moteur ci-dessus indiqué comprend de plus un système de réglage d'alimentation en courant qui comprend un moyen de détection de condition de fonctionnement pour produire un signal de commande électrique tandis que le moteur fonctionne en une condition provoquant une augmentation importante de la température des gaz d'échappement et un moyen de commutation du type par tout ou rien pour interrompre le circuit ci-dessus d'alimentation en courant 4 2466017 au moins pendant que le moyen de détection produit le signal de commande. De préférence, le moyen de détection de condition de fonctionnement est représenté par un détecteur de la position du papillon-valve ou de la soupape d'étranglement, qui produit le signal de commande si le degré d'ouverture d'une soupape d'étranglement du moteur est supérieur à une valeur prédéterminée, un détecteur du taux d'injec- tion de carburant qui produit le signal de commande si le taux d'injection de carburant est au-dessus d'un taux prédéterminé ou un détecteur de température d'échappe- ment qui produit le signal de commande si la température des gaz d'échappement est au-dessus d'une température prédéterminée. Le capteur d'oxygène dans un système d'un moteur selon l'invention est connu et est habituellement du type à cellule de concentration d'oxygène ayant une couche d'un électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène, mais il n'y a pas de restriction particulière sur la conception ou la construction de la cellule de concentra- tion utilisant la couche d'électrolyte solide. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un système d'un moteur à combustion interne comportant un capteur d'oxygène concerné par la présente invention; - la figure 2 est un schéma de circuit montrait un procédé traditionnel pour fournir un courant à un réchauffeur électrique prévu sur un capteur d'oxygène employé dans un système d'un moteur; - la figure 3 est un schéma de circuit montrant un mode de réalisation d'un moyen d'alimentation en courant 2466017 selon la présente invention pour régler l'alimentation en courant vers le réchauffeur du capteur d'oxygène ci-dessus mentionné; et - la figure 4 est un schéma de circuit montrant un autre mode de réalisation d'un moyen d'alimentation en courant selon l'invention. Sur la figure 1, le repère 10 désigne un moteur à combustion interne, qui peut etre un moteur automobile, pourvu d'un passage d'induction 12 et d'un passage d'échappement 14. En 16, est indiqué un dispositif à commande électrique ou électronique d'alimentation en carburant qui peut 'tre soit un carburateur ou des injecteurs. Pour accomplir un réglage par ontre-réaction du dispositif d'alimentation en carburant 16 afin de fournir un mélange air-carburant à un rapport air/carburant optimal et prédéterminé au moteur 10 pendant son fonctionne- ment normal, un capteur d'oxygène 18 est disposé dans le passage d'échappement 14 en tant que dispositif pour produire le signal par contre-réaction indiquant le rapport air/carburant réel du mélange fourni au moteur 10. Ce capteur d'oxygène 18 est du type à cellule de concentra- tion ayant une couche d'un électrolyte solide et il est pourvu d'un réchauffeur électrique (bien qu'il ne soit pas représenté sur la figure 1) . Une unité de réglage électronique 20 reçoit le signal à la sortie du capteur d'oxygène 18 et applique un signal de réglage au dispositif d'alimentation en carburant 16, basé sur la grandeur d'un écart entre le rapport air/carburant réel indiqué par le signal à la sortie du capteur 18 et le rapport air/carburant prédéterminé. Le repère 22 désigne un circuit fournissant un courant de chauffage d'une intensité prédéterminée au réchauffeur du capteur d'oxygène 18. Dans la pratique, les éléments principaux de ce circuit 22 peuvent Etre incorporés dans l'unité de réglage 20. La figure 2 illustre un exemple typique de procédés traditionnels pour fournir un courant de chauffage à un réchauffeur électrique 24 du capteur d'oxygène 18 du 6 2466017? système du moteur de la figure 1. Un circuit d'alimentation en courant pour relier le réchauffeur 24 à une source de courant continu 26 comme une batterie, comprend un relais électromagnétique 30 comme un dispositif de commu- tation du type par tout ou rien, et la bobine de solénoïde 306 de ce relais 30 est reliée à la source de courant 26 par un commutateur d'allumage ou de démarrage 28 du moteur sur la figure 1 (les résistances dans le circuit d'alimentation en courant de chauffage et divers autres éléments reliés au commutateur 28 et à la source de courant 26 sont omis de l'illustration. Le circuit de sortie du capteur d'oxygène 18 est également omis). Quand le commutateur 28 est amené à l'état passant ou fermé pour faire fonctionner le moteur 10, les deux contacts 30a du relais 30 sont amenés à l'état fermé pour commencer l'alimentation en courant chauffant vers le réchauffeur 24. Comme le commutateur 28 reste à l'état passant pendant le fonctionnement du moteur 10, les contacts 30a restent également à l'état passant quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur 10. Par conséquent, il y a une possibilité de surchauffe du capteur d'oxygène 18 dans certaines conditions de fonctionnement o la tempéra- ture des gaz d'échappement devient très élevée. La figure 3 montre une modification du circuit de la figure 2, comme un premier mode de réalisation de la présente invention. Comme dans le cas de la figure 2, le réchauffeur 24 du capteur d'oxygène 18 peut être relié à la suurce de courant 26 par les contacts 30a du relais 30. Cependant, sur la figure 3, la connexion de la bobine 30b de ce relais 30 à la source de courant 26 n'est pas directement gouvernée par le commutateur de démarrage ou d'allumage comme cela est représenté sur la figure 2, ou un commutateur analogue. Dans le circuit de la figure 3, entre la source de courant 26 et la bobine 30b du relais 30 est interposé un commutateur logique 32 qui a des première et seconde bornes d'entrée 33 et 35 et qui prend sélectivement des états passant et non passant selon la combinaison de deux sortes de signaux reçus respectivement appliqués aux première et seconde bornes d'entrée 33 et 35. Un premier signal d'entrée S1 appliqué à la première borne d'entrée 33 est un signal par tout ou rien qui représente l'état passant ou non passant d'un commutateur d'allumage du moteur (non représenté) correspondant au commutateur d'allumage ou de démarrage 28 sur la figure 2, et dans ce cas un second signal d'entrée S2 fourni à la seconde borne d'entrée 35 est un signal par tout ou rien qui est produit par un capteur de la position de la soupape d'étranglement (non représenté) et qui ne prend l'état passant que quand le moteur 10 fonctionne en condition de plein régime, ou en condition de presque plein régime définie par un degré d'ouverture de la soupape d'étrangle- ment supérieur à une valeur prédéterminée. Le commutateur logique 32 est construit de façon à prendre l'état passant et à relier la bobine 30b à la source de courant 26 uniquement quand le premier signal S1 est à l'état passant mais que le second signal S2 est à l'état non passant. En conséquence, les contacts de relais 30a restent à l'état passant, permettant l'alimenta- tion continue en courant chauffant vers le réchauffeur 24, tant que le moteur 10 fonctionne dans des conditions autres que le plein régime ou presque. Quand la soupape d'étranglement est ouverte à unÈdgré tel que le second signal S2 passe à l'état passant, le commutateur logique 32 passe à l'état non passant pour provoquer la désexcita- tion de la bobine 30b. Alors, les contacts de relais 30a passent à l'état non passant, bien que le commutateur d'allumage du moteur reste toujours à l'état passant, avec l'interruption résultante de l'alimentation en courant de chauffage vers le réchauffeur 24. Par conséquent, on n' a plus à craindre un chauffage excessif et néfaste du capteur d'oxygène 18 pendant son exposition à des gaz d'échappement à très haute température. Bien entendu, le capteur d'oxygène 18 présente une bonne caractéristique de sortie dans de tels gaz d'échappement à haute température., sans devoir fournir la chaleur du réchauffeur 24. Quand le second signal S2 repasse à l'état non passant par suite d'une diminution du degré d'ouverture de la soupape d'étranglement tandis que le premier signal S1 est toujours à l'état passant, le commutateur logique 32 reprend l'état passant pour permettre la reprise de l'alimentation en courant de chauffage vers le réchauffeur 24 par les contacts de relais 30a. Le commutateur logique 32 passe à l'état non passant pour déconnecter le réchauffeur 24 de la source de courant 26 quand le premier signal Si passe à l'état non passant, quel que soit l'état du second signal S2. Quand le dispositif d'alimentation en carburant 16 de la figure 1 est un système d'injection de carburant, le second signal d'entrée S2 de la figure 3 est remplacé par un signal par tout ou rien qui représente le taux- d'injection en carburant et il prend l'état passant quand le taux d'injection en carburant est supérieur à un taux prédéterminé. La figure 4 montre une modification dul circuit de la figure 3, selon un autre mode de réalisation de la présente invention. L'agencement du relais 30 entre la source de courant 26 et le réchauffeur 24 est semblable à celui de la figure 3. Dans ce cas également, un commuta- teur logique 38 est interposé entre la source 26 et la bobine 30b du relais 30. Ce commutateur logique 38 présente des première et seconde bornes d'entrée 37 et 39. A la première borne d'entrée 37 est appliqué le premier signal S1 cidessus décrit qui représente l'état passant ou l'état non passant du commutateur d'allumage du moteur. La seconde borne d'entrée 39 reçoit un signal par tout ou rien S3 produit par un élément sensible à la température qui est incorporé dans le capteur d'oxygène 18 ou en est proche, dans le passage d'échappement 14, et il prend un état passant quand la température détectée par cet élément 40 est inférieure à une température prédéterminée. Le commutateur logique 38 de la figure 4 prend l'état 9 2466017 passant pour établir une connexion électrique de la bobine de relais 30b avec la source de courant 26, uniquement quand les deux signaux S1 et S3 sont respectivement à l'état passant, ainsi le réchauffeur 24 est alimenté en courant chauffant quand le moteur 10 fonctionne mais que la température des gaz d'échappement n'est pas très élevée. Quand la température des gaz d'échappement atteint la température prédéterminée, le signal S3 passe à l'état non passant. Alors, le commutateur logique 38 prend l'état non passant, avec une désexcitation résultante de la bobine 30b et en conséquence une déconnexion des contacts 30a, ainsi le capteur d'oxygène 18 dans des gaz d'échappement à très haute température ne peut etre surchauffé par l'action du réchauffeur 24. Quand la tempé- rature des gaz d'échappement devient inférieure à la température prédéterminée pendant le fonctionnement du moteur 10, le signal S3 retourne à l'état passant et force le commutateur logique 38 à reprendre l'état passant, ainsi reprend l'alimentation en courant vers le réchauffeur 24. Le commutateur logique 38 passe à l'état non passant et provoque une interruption de l'alimentation en courant vers le réchauffeur 24, également quand le premier signal S1 passe à l'état non passant, ce qui signifie que le commutateur du moteur est ouvert ou mis à l'état non passant. On comprendra que le relais électromagnétique 30 des figures 3 et 4 n'est donné qu'à titre d'exemple et qu'il peut ttre remplacé par un dispositif de commutation d'un type différent, qui peut être un relais à semi- conducteur ou un commutateur. On comprendra également que la présente invention est efficace quelle que soit la construction de la partie sensible à l'oxygène du capteur d'oxygène 18. En effet, la couche d'électrolyte solide dans le capteur d'oxygène 18 peut avoir soit une forme tubulaire pour introduire un gaz de référence tel que de l'air à l'intérieur du tube 2466017 ou une forme de pellicule mince dans le cas de l'établisse- ment d'une pression partielle d'oxygène de référence en prévoyant une couche de métal-oxyde métallique ou par application d'un courant continu pour provoquer une migra- tion contrMlée des ions oxygène à travers l'électrolyte solide. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-cisont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. il R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Système de réglage i'l'Simentation en courant dans un système d'un moteur à combustion interne comportant un capteur d'oxygène qui est pourvu d'un réchauffeur électrique t qui est disposé dans un passage d'échappement du moteur pour produire un signal électrique indiquant le rapport air/carburant d'un mélange air-carburant fourni au moteur et un circuit d'alimentation en courant fournissant un courant de chauffage d'une source de courant audit réchauffeur pendant le fonctionnement du système du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de détection de condition de fonctionnement produisant un signal électrique de commande (S29 S3) quand le moteur fonctionne dans une condition provoquant une augmentation sensible de la température des gaz d'échappementet un moyen de commutation du type par tout ou rien (30; 32, 38) pour interrompre ledit circuit d'alimentation en courant au moins pendant que ledit moyen de détection produit ledit signal de commande. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen précité de détection de condition de fonctionnement a pour fonction de détecter le taux d'alimentation en carburant vers le moteur et de produire le signal de commande (S 2 S3) précité quand le taux d'alimentation en carburant est supérieur à un taux prédéterminé. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de détection deoendition de fonctionnement précité a pour fonction de détecter le degré d'ouverture d'une soupape d'étranglement prévue dans un passage d'induction, par o le mélange air-carburant précité est amené au moteur. 4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen précité de détection de condition de fonctionnement a pour fonction de détecter le taux 24660t17 d'injection de carburant dans l'air qui est attiré dans le moteur. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen précité de-détection de condition de fonctionnement comprend un capteur de-température (40) qui est disposé dans le passage d'échappement en un emplacement proche du capteur d'oxygène (18) précité et qui produit le signal de commande (S3) précité quand la température des gaz d'échappement est supérieure à une température prédéterminée. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend un premier moyen de commutation à commande électrique (30) interposé entre la source de courant (26) précitée et le réchauffeur (24) précité et un second moyen de commutation à commande électrique (32, 38) pour commander ledit premier moyen de commutation afin de déconnecter ledit réchauffeur de ladite source en réponse aux signaux de commande (S2e S3) précités. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second moyen de commutation (32, 38) précité est également sensible à un signal d'allumage (S,) qui indique si le système du moteur est en fonctionnement ou non et qui a pour fonction de maintenir le premier moyen de commutation (30) précité à l'état fermé afin d'établir le circuit d'alimentation en courant uniquement quand le signal d'allumage indique que le système du moteur est en fonctionnement mais que le signal de commande (S 2 S3) précité n'est pas produit. 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur d'oxygène (18) précité est du type à cellule à concentration d'oxygène utilisant un électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène.