Brevet FR2475130A1 — publié le 19810807

L'invention concerne un procédé pour capter une grandeur de commande pour la régulation du rapport air-carbu- rant du mélange d'alimentation de moteurs à combustion interne à l'aide d'une sonde de mesure exposée aux gaz d'échappement, qui présente un corps en matériau formant électrolyte solide bon conducteur d'ions oxygène et qui délivre un signal de com- mande correspondant à la teneur en oxygène des gaz d'échappe- ment, ce signal étant envoyé à une installatiol de commande pour le réglage du rapport air-carburant lambda (t). Il est connu, dans des moteurs à combustion interne de régler le mélange air-carburant à l'aide d'une sonde de gaz d'échappement de ce genre, à une valeur déterminée de coeffi- cient d'air lambda ( ô). Il s'agit ici d'une sonde de mesure de l'oxygène qui répond à la pression partielle d'oxygène dans le gaz d'échappement du moteur, et qui, par exemple, produit un signal de sortie qui présente, pour une valeur x = 1, un saut de tension Les sondes de ce type ne conviennent pas pour un réglage de la composition du mélange air-carburant à un coeffi- cient d'air t supérieur à 1, car leur signal de sortie varie linéairement en dépendance de la température et seulement logarithmiquement en dépendance de la pression partielle d'oxy- gène dans le gaz de mesure. C'est seulement au point de compo- sition stoechiométrique avec le coefficient d'air t = 1, o la pression partielle d'oxygène varie de plusieurs puissances de , que le signal de cette sonde convient pour un réglage. On sait en outre, avec une sonde à oxygène de ce type modifiée, mesurer la teneur en oxygène des gaz d'échappe- ment (voir le brevet DE 19 54 653). Dans ce cas, on applique, aux électrodes d'une telle sonde, une tension de mesure par laquelle est produit, dans le corps solide de la sonde formant électrolyte, un courant de mesure en fonction d'un flux d'ions d'oxygène. L'intensité de ce courant est limitée par la vitesse de diffusion de l'oxygène et est dépendante de la concentration en oxygène dans le gaz à mesurer. Des écarts dans la tension de mesure n'ont par conséquent, en régime stationnaire, aucune influence sur le flux de courant qui conserve une intensité limitée par la vitesse de diffusion (sonde à courant limité). Cependant, dans les domaines de transition, cette sonde à courant limité présente l'inconvénient que, lors d'une variation par saut brusque de la commutation en oxygène, le nouveau courant se rapproche de manière exponentielle de la valeur de courant limite correspondant à la concentration modi- fiée. La sonde réagit ainsi avec une certaine inertie aux variations de concentration et convient par conséquent moins bien à un emploi pour un réglage à réponse rapide. L'invention a pour objet un procédé du genre mentionné, caractérisé en ce que la sonde de gaz d'échappement fonctionne suivant le principe d'un conducteur d'ions oxygène quand elle est alimentée en tension, le courant limite, limité par la vitesse de diffusion du gaz à mesurer, étant alors une mesure de la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement (sonde à courant limite), pendant qu'il est produit un signal de grandeur de perturbation, qui correspond à la variation du coefficient d'air tdu mélange alimenté due à un changement de régime du moteur, ce signal étant ajouté sous forme de diffé- rence de tension à la tension de mesure appliquée à la sonde, le courant résultant passant dans la sonde étant comparé, dans l'installation de régulation, comme mesure de la teneur en oxy- gène, avec la valeur de consigne de teneur en oxygène, et le rapport air carburant du mélange fourni au moteur étant corrigé en fonction du résultat de la comparaison. Ce procédé présente l'avantage que, à l'aide de rZ la variation de la tension de mesure correspondant aux gran- deurs de perturbation (variation de la concentration en oxygène, par exemple lors d'un changement de régime du moteur), par exemple lors d'un accroissement de la tension, il est produit, dans la sonde à courant limite, un courant supplémentaire, qui décro t sensiblement exponentiellement, et qui s'ajoute au courant provenant de l'accroissement de concentration en oxygène ce qui produit une variation de signal en forme de saut vers une valeur de courant limite correspondant à la nouvelle con- centration en oxygène. La vitesse de réponse de la sonde à courant limite est ainsi nettement accrue, de sorte qu'elle peut être utilisée pour une régulation rapide. L'invention s'étend à une installation pour l'ap- plication du procédé ci-dessus pour la régulation du rapport aircarburant du mélange fourni à un moteur à combustion interne, à l'aide d'une sonde de mesure exposée au courant de gaz d'échappement, pourvue d'un corps formant électrolyte solide ?475133 bon conducteur d'ions oxygène, qui répond à la teneur en oxygène des gaz d'échappement, et délivre un signal à une installation de commande destinée à la modification et au réglage du rapport air-carburant, caractérisée en ce que la sonde de gaz d'échappe- ment est une sonde du type dit "à courant limite" qui est soumise à une tension de mesure U et est reliée à une instal- lation pour mesurer le courant de mesure qui en résulte, comme grandeur de commande appliquée à l'entrée d'une installation de régulation du rapport air-carburant t montée à la suite, une installation captant le régime de marche du moteur étant en outre prévue et connectée à une installation pour la production d'un signal de tension &Vcorrespondant à la variation du coefficient d'air t résultant du changement de régime du moteur; ce signal de tension,4' étant envoyé à une installation pour être additionné à une tension de mesure de base U0, la tension corrigée résultante U étant envoyée à la sonde à courant limite. L'invention prévoit aussi diverses mesures de réalisation de cette installation. L'invention est expliquée ci-après à l'aide d'un exemple avec référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma des courbes caracté- ristiques d'une sonde à courant limite pour différentes teneurs en oxygène dans les gaz d'échappement; - les figures 2a à 2d montrent l'allure de signal conformément au procédé de l'invention lors d'une variation à saut brusque de la teneur en oxygène des gaz d'échappement; - la figure 3 est une représentation schématique d'une installation pour l'application du procédé conforme à l'invention. L'installation comporte une sonde du type à cou- rant limite telle que celle décrite dans les brevet DE 1954 663 ou DE 2711 880. Les sondes de ce type comprennent un électrolyte solide conducteur d'ions, placé entre deux électrodes qui sont perméables aux gaz et qui sont alimentées en une tension de mesure. Suivant la teneur en oxygène du gaz à mesurer, il s'établit alors un courant limite de diffusion d'intensité plus grande ou plus faible qui est limité par la vitesse de diffu- sion des molécules d'oxygène qui parviennent à l'une des électrodes. Des sondes de ce type de construction possèdent, pour différentes teneurs en oxygène du gaz d'échappement, un champ de courbes caractéristiques du genre représenté dans la figure 1. Dans cette figure est représenté le courant mesuré a la sonde par rapport à la tension appliquée. On voit que, pour chaque concentration en oxygène, le courant mesuré reste constant dans un champ déterminé de variation de la tension de mesure. Grâce à cette propriété, il est possible d'utiliser aussi le signal de sortie de la sonde àcourant limite pour des buts de régulation de la composition du mélange air-carburant de moteurs. Le niveau constant du courant limite qui s'étend sur une très grande différence de tension de mesure rend prati- quement le signal de commande de la sonde indépendant des influences perturbatrices. L'action dynamique de la sonde à courant limite est déterminée, comme mentionné, par des processus de diffusion. S'il se produit un changement de concentration brusque, de la concentration en oxygène, la sonde ne réagit cependant qu'avec un certain retard que l'on peut représenter, dans une "trans- formation de Laplace" par les équations I (p) = G p) - P (b), G (p) = K/(l + T) dans lesquelles la variable complexe p correspond au temps t, I est le courant limite, K une constante, et Tp la constante de temps. Pour une régulation à réponse rapide, il est désirable que se produise une réaction brusque en forme de saut du signal de sortie de la sonde lors-d'un changement brusque par bond de la concentration en oxygène. Cela correspond à une transmission du type G (p) = K. p On obtient que le signal de courant de la sonde se modifie, dans le domaine du courant limite, lors d'une varia- tion de la tension d'alimentation d'une quantité Au, complémen- taire du comportement mentionné plus haut. La modification-du courant limite se produit alors suivant l'équation de transmis- sion GU (p) KU - TU * p / (1 + TU *p) Si maintenant la tension de mesure est augmentée d'une quantité Au en même temps que la teneur en oxygène, augmente, il en résulte une compensation du comportement dans 247 510 le temps mentionné plus haut de la sonde à courant limite, lors d'un changement de la concentration en oxygène. Ceci est repré- senté dans la série de figures 2a à 2d. La figure 2a montre comment la teneur en oxygène, à un instant t0, varie par saut de \p02. La figure 2b montre comment le courant limite croit normalement, à partir d'un premier niveau à l'instant t0, jusqu'à un second niveau K * et cela avec une constante de temps Tp. Si la tension de mesure croit d'une quantité correspondant à la variation de concentration en oxygène, il se produit un courant supplémentaire à travers la sonde conformé- ment à l'allure de la courbe de la figure 2c. On voit ainsi comment le courant décroît progressivement, à partir d'une valeur KU * A u à l'instant t, jusqu'à la valeur zéro. La cons- tante de temps TU valable pour ce processus, correspond sensi- blement à la constante de temps Tp de la courbe de variation de courant suivant la figure 2b. La valeur K dans la figure 2c est à peu près égale à la valeur Ru de la figure 2b. La figure 2d montre comment, par l'addition des deux courants, se produit un accroissement brusque par saut du courant limite à l'instant t0, correspondant à l'accroissement brusque de la teneur en oxygène. La constante de temps TU est déterminée par les propriétés électriques de la sonde à courant limite. Par des mesures appropriées, qui modifient la capacité du condensateur de la sonde, on peut obtenir une adaptation de cette constante de temps TU à la constante de temps T p. De manière correspondante, il est nécessaire que la variation de la tension de mesure _u soit adaptée, dans le sens d'une con- centration déterminée en oxygène, de telle manière que la valeur YU Au- K -4p02 soit constante pour les deux allures de courbe de variation. En vue d'obtenir une réaction rapide de la sonde à courant limite, il est nécessaire que, lors d'un changement de régime du moteur et de la variation de concentration en oxygène qui en résulte, la tension de mesure soit modifiée d'une quantité correspondant à la variation de concentration en oxy- gène attendue. En raison de la propriété de la sonde de ne pas réagir, dans le domaine du courant limite, à des différences ?475130 de tension de mesure, on peut prévoir la relation décrite plus haut de telle manière que le courant produit momentanément par la modification de la tension de mesure s'annule au bout d'un temps très court. Pour des durées plus longues après l'instant to la valeur de mesure réellement fournie-par la sonde est ainsi déterminante. Avec le procédé décrit, il est ainsi possi- ble de tenir compte grossièrement de brusques changements de la concentration en oxygène, et de réaliser un réglage précis sur de longues durées. La figure 3 est une représentation schématique d'une installation pour l'application du procédé décrit ci- dessus, avec un moteur à combustion interne 1 équipé d'un dis- positif d'aspiration 2 et diin dispositif collecteur de gaz d'échappement 3. L'alimentation du moteur en carburant peut alors s'effectuer par exemple par injection dans le tuyau d'aspiration. Pour cela, comme représenté, il est prévu une soupape d'injection de carburant 4 en amont de la ou des soupa- pes d'admission du moteur. La soupape d'injection 4 est alors alimentée par une installation d'alimentation en carburant 6, par exemple en fonction de la quantité d'air aspirée. Le carbu- rant est amené à l'installation d'alimentation 6 par une pompe 7 à partir du réservoir de carburant. De telles installations d'alimentation en carburant commandées sont connues et ne sont pas décrites en détail ici. Suivant l'exemple de réalisation représenté, la quantité de carburant injectée par l'intermédiaire des soupapes d'injection 4, est dosée à l'aide d'un dispositif de dosage de la quantité de carburant 8, qui peut être prévu par exemple sur le c8té aspiration de la pompe 7. Le dispositif de dosage de la quantité de carburant 8 délivre alors-un signal de com- mande à une installation de commande 10 à laquelle est envoyé en supplément ou alternativement un signal de commande provenant d'un dispositif de dosage de la quantité d'air 11 prévu dans le tuyau d'aspiration du moteur. En outre est prévue la possibilité d'amener à l'appareil de commande un signal de vitesse de rota- tion du moteur provenant d'un indicateur de vitesse de rotation 12. Dans l'appareil de commande 10, il est formé, à l'aide des signaux de quantité d'air, des signaux de quantité de carburant et/ou des signaux de vitesse de rotation ou d'autres paramètres supplémentaires du moteur, une tension Au qui correspond à 7 94 7 '5 1 n la valeur de coefficient > affectée à l'état de régime de marche du moteur. L'appareil de commande peut alors contenir par exemple un réseau de courbes caractéristiques à partir desquelles est obtenue la tension -du en question en dépendance des paramètres correspondantes qui lui sont fournis. Dans le système collecteur de gaz d'échappement 3 est disposée une sonde à courant limite 14, à laquelle est appliquée une tension de mesure par l'intermédiaire d'une cana- lisation d'alimentation 15. La tension de mesure est ici formée par addition du signal de tension Su à une tension de mesure de base U0. Cette tension de mesure corrigée U1 est appliquée à la sortie d'un dispositif sommateur 16 et est envoyée à un régulateur de tension 17. A partir de la sortie de ce régula- teur 17, la tension est envoyée en passant par une résistance de mesure 18, à la sonde. Entre la résistance de mesure 18 et la sonde, est dérivée une conduite de retour 19, qui est reliée à nouveau à l'entrée du régulateur de tension 17. La chute de tension produite à la résistance de mesure, en raison du cou- rant qui passe dans la sonde 14 est mesurée à l'aide d'un ampli- ficateur différentiel 21, dont les entrées sont reliées à une prise en amont et en aval de la résistance. La sortie de l'am- plificateur 21 est reliée à un montage de réglage 22 par lequel est fourni un signal de correction, par exemple à l'installa- tion 6 d'alimentation en carburant et de dosage. Le régulateur de tension, en liaison avec le retour 19, assure que la sonde soit chargée avec la tension Uir indépendamment du courant limite qui s'institue. Comme le mon- tre la figure 1, la tension U0 représente la tension la plus faible à laquelle on peut s'attendre. L'avantage réside en ce que, grâce à l'addition du signal de tension Au, la tension de mesure moyenne reste toujours à l'intérieur du domaine moyen de la portion linéaire de la courbe de courant éventuelle, de telle sorte que, dans le cas de variations importantes du coef- ficient d'air t, on capte le courant limite correspondant à la concentration d'oxygène momentanée. Grâce à la constitution de l'appareil de commande , la valeur de A de consigne peut 9tre formée, de manière plus ou moins précise sous la forme d'une tension corrigée Sou. Dans le cas le plus simple, il suffit de prévoir un potentio- mètre commandé en dépendance de la charge. Dans le cas de moteurs Diesel à auto-allumage, le coefficient d'air t se rapproche par exemple de la valeur t = 1 quand la charge augmente. On peut utiliser ici, avec un degré de précision suffisant, un potentiomètre actionné par l'organede réglage de la quantité de carburant de la pompe d'injection, pour la fourniture de la valeur À de consigne et pour former le signal de commande.. L'installation décrite peut également 9tre- soumise à un réglage ultérieur dans le cas de variations impor- tantes de la concentration en oxygène dans les gaz d'échappe- ment, et de manière suffisamment rapide. Il importe peu à ce- sujet que le courant produit à l'instant zéro conformément à la figure 2d corresponde exactement à la concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement à cet instant t. Le point important essentiel est que, à cet instant to, le comportement d'inertie et retard de réponse à la sonde à courant limite soit à peu près compensé par l'addition d'un courant conformément à la figure 2_. Après écoulement de la constante de temps, la sonde est en mesure de régler avec une grande précision une valeur " de consigne prédéterminée. 947513n R E V E N D I C A T I 0 N S ) Procédé pour capter une grandeur de commande pour la régulation du rapport air-carburant du mélange d'ali- mentation de moteurs à combustion interne à l'aide d'une sonde de mesure exposée aux gaz d'échappement, qui présente un corps en matériau formant électrolyte solide bon conducteur d'ions oxygène et qui délivre un signal de commande correspondant à la teneur en oxygène des gaz d'échappement, ce signal étant envoyé à une installation de commande pour le réglage du rap- port air-carburant lambda (t), procédé caractérisé en ce que la sonde de gaz d'échappement fonctionne suivant le principe d'un conducteur d'ions oxygène quand elle est alimentée en tension, le courant limite, limité par la vitesse de diffusion du gaz à mesurer, étant alors une mesure de la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement (sonde à courant limite), pendant qu'il est produit un signal de grandeur de perturbation, qui correspond à la variation du coefficient d'air ( t) du mélange alimenté due à un changement de régime du moteur, ce signal étant ajouté sous forme de différence de tension à. là tension de mesure appliquée à la sonde, le courant résultant passant dans la sonde étant comparé, dans l'installation de régulation.(22), comme mesure de la teneur en oxygène avec la valeur de consigne de teneur en oxygène, et le rapport air- carburant du mélange fourni au moteur, étant corrigé en fonction du résultat de la comparaison. ) Installation pour l'application du procédé suivant la revendication 1, pour la régulation du rapport air- carburant du mélange fourni à un moteur à combustion interne, à l'aide d'une sonde de mesure exposée au courant de gaz d'échappement, pourvue d'un corps formant électrolyte solide bon conducteur d'ions oxygène, qui répond à la teneur en oxygène des gaz d'échappement, et délivre un signal à une installation de commande destinée à la modification et au réglage du rapport air-carburant, installation caractérisée en ce que la sonde de gaz d'échappement est une sonde du type dit "à courant limite" (14) qui est soumise à une tension de mesure (U 0), et est reliée à une installation (18, 21) pour mesurer le courant de mesure qui en résulte, comme grandeur de commande appliquée à l'entrée d'une installation de régulation (22) du rapport air-carburant ( t) montée à la suite, une installation (8, 11, 12) captant ?475130 le régime de marche du moteur étant en outre prévue et connectée a une installation (10) pour la production d'un signal de ten- sion (,&I) correspondant à la variation du coefficient d'air ( limite (14). ) Installation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la tension de mesure corrigée (U1) est appliquée à la sonde (14) par l'intermédiaire d'un régulateur de tension (17). 4 ) Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que, entre la sonde (14) et le régulateur de tension (17), il est prévu une résistance de mesure (18) dont le branchement c8té courant limite est maintenu à la valeur de tension de mesure corrigée (U1), par une conduite (19) de retour à l'entrée du régulateur de tension (17). ) Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, comme installation pour la production du signal de tension ( mémoire de courbes caractéristiques, commandée par l'installa- tion qui capte le régime de marche du moteur.