Brevet FR2701767A1 — publié le 19940826

"Dispositif pour déterminer le coefficient lambda d'un mélange air/carburant, alimentant un moteur à combus- tion interne" L'invention concerne un dispositif pour déterminer une tension représentant le coefficient lambda, c'est-à-dire le rapport air/carburant du mélange air/carburant alimentant un moteur à combus- tion thermique. L'invention concerne notamment un dispositif pour déterminer une tension qui représente le coeffi- cient lambda d'un mélange air/carburant alimentant un moteur à combustion interne, comprenant: une sonde à oxygène à deux cellules exposées aux gaz d'échappement du moteur, cette sonde comportant une cellule de pompage et une cellule de concentration, l'une de deux électrodes de la cellule de pompage et l'une des deux électrodes de la cellule de concentra- tion étant placées dans une chambre de diffusion com- mune aux deux cellules, cette chambre ayant une ouver-20 ture à travers laquelle s'échange le gaz entre la chambre à gaz d'échappement et la chambre de diffu- sion, l'autre électrode de la cellule de pompage étant exposée dans la chambre à gaz d'échappement et l'autre électrode de la cellule de concentration étant exposée à l'air ambiant; et un étage de commutation pour émettre une tension in- diquant letcourant électrique de pompage traversant la cellule de pompage lorsqu'on veut réguler un coeffi- cient lambda différent de l'unité et pour émettre une autre tension lorsqu'on veut réguler un coefficient lambda égal à l'unité. Selon l'article S Soejima et autre, paru dans SAE-Papers 1985, 850378, pages 53 et 54 sous le titre "Multi-Layered Zirconia Oxygen Sensor for Lean Burn Engine Application", on connaît une sonde à oxy- gène à deux cellules avec une cellule de pompage et une cellule de concentration L'une des deux électro- des de la cellule de pompage et l'une des deux élec- trodes de la cellule de concentration sont montées dans une chambre de diffusion commune aux deux cellu- les Cette chambre possède une ouverture à travers la- quelle s'échangent les gaz entre la chambre contenant les gaz d'échappement à mesurer et la chambre de dif- fusion Lorsque par exemple un gaz d'échappement mai- gre arrive dans la chambre de diffusion, la cellule de concentration constate cette situation et applique à la cellule de pompage une tension telle que celle-ci pompe par conduction des ions 02-, de l'oxygène de la chambre de diffusion jusqu'à ce que la concentration de la cellule indique un coefficient lambda égal à l'unité Si par contre un gaz d'échappement riche a pénétré dans la chambre de diffusion, les opérations se déroulent de manière inverse C'est pourquoi les brins de pompage possèdent une polarité différente pour les deux cas Pour le coefficient lambda égal à l'unité il passe un courant nul La mesure du courant nul pour réguler par exemple le coefficient lambda sur l'unité est toutefois dérangée par exemple par les courants de fuite de chauffage, les courants capaci- tifs, les forces électromotrices et les polarisations. Etat de la technique. Un dispositif tel que celui rappelé ci- dessus est connu selon le document DE-C-35 15 588 Ce dispositif utilise une sonde à oxygène à deux cellules avec une cellule de concentration et une cellule de pompage Une tension de pompage est appliquée à cette dernière cellule pour que le courant de pompage qui passe, c'est-à- dire le courant des ions 02-, fasse que la cellule de la concentration indique toujours une tension de Nernst, constante, correspondant à un coef- ficient lambda égal à l'unité. Cette sonde à oxygène à deux cellules four- nit au choix l'une des deux tensions pour son exploi- tation, c'est-à-dire soit la tension de pompage qui est appliquée, soit une tension correspondant au cou- rant de pompage Les deux tensions indiquent alors le coefficient lambda La première tension est fournie par un étage de commutation si l'on veut réguler sur la valeur lambda égale à un, c'est-à-dire une valeur correspondant à un mélange stoechiométrique de l'air et du carburant Au cas contraire, on émet la seconde tension qui indique le courant (intensité) de pompage. Le document examiné ci-dessus indique que la mesure de la tension de pompage dans la zone du coef- ficient lambda égal à l'unité est moins sujet aux pa- rasites qu'une mesure de la tension indiquant le cou- rant de pompage Toutefois, cela ne correspond pas à une amélioration significative car cette tension de pompage est également influencée par les parasites évoqués ci-dessus. Exposé de l'invention. La présente invention se propose de créer un dispositif permettant de déterminer une tension qui indique le coefficient lambda d'un mélange air/carbu- rant alimentant un moteur à combustion interne, per- mettant de détecter de manière fiable même des ten- sions qui correspondent à un coefficient lambda proche de l'unité. A cet effet, l'invention concerne un dispo- sitif correspondant au type défini ci-dessus, caracté- risé en ce que l'étage de commutation est conçu pour fournir à sa sortie celle des tensions de Nernst lorsqu'on veut réguler un coefficient de lambda égal à l'unité, qui est prise entre l'électrode exposée à l'air ambiant et une autre électrode. Le dispositif selon l'invention se distingue en ce que la tension détectée pour le domaine entou- rant le coefficient lambda égal à l'unité est la ten- sion de Nernst qui est transmise à la sortie du dispo- sitif par l'étage de commutation Cette tension de Nernst présente un comportement à variation brusque, très accentué autour de la valeur lambda égale à un, connu d'après les sondes lambda fonctionnent selon le principe de Nernst C'est pourquoi cette tension per- met une régulation très précise sur le coefficient lambda égal à l'unité car toute petite déviation par rapport à cette valeur se traduit brutalement par une déviation de tension importante De plus, les risques de parasites ou de dérangements évoqués ci-dessus n'ont aucune influence. De façon globale, une sonde à oxygène à deux cellules dispose de quatre électrodes, à savoir deux électrodes pour la cellule de pompage et deux pour la cellule de concentration Lorsqu'on détecte la tension de Nernst il faut au moins utiliser l'électrode de la cellule de concentration qui est exposée à l'air am- biant Comme seconde électrode, on peut toutefois uti- liser l'une quelconque des trois autres électrodes. Pour cela, les électrodes tournées vers la chambre de diffusion commune aux deux cellules doivent avoir es- sentiellement le même effet, ce qui s'utilise avanta- geusement pour contrôler l'aptitude au fonctionnement de la cellule en appliquant en alternance des tensions entre chaque fois l'électrode exposée à l'air ambiant et l'une des deux cellules de la chambre de diffusion, puis on compare dans une installation de comparaison qui émet un signal d'erreur lorsque les tensions mesu- rées sont trop différentes les unes des autres. En tenant compte des points de vue suivants on peut librement choisir celle des trois électrodes, c'est-à-dire l'électrode de la chambre à gaz d'échap- pement et les deux électrodes de la chambre de diffu- sion, avec laquelle on mesure la tension de Nernst par rapport à l'électrode de l'air ambiant, et la relation de potentiel entre l'électrode de la chambre à gaz d'échappement et les électrodes de la chambre de dif- fusion (court-circuit ou une certaine tension ou un potentiel libre). On suppose que sur l'électrode de la chambre à gaz d'échappement, arrive un gaz d'échappement cor- respondant à un coefficient lambda égal à l'unité, mais qui contient néanmoins de l'oxygène et un gaz ré- ducteur L'électrode indiquée oxyde ce gaz avec l'oxy- gène, cependant la réaction ne se déroule pas complè- tement mais selon la loi d'action de masse, si bien qu'il reste un certain résidu d'oxygène conduisant à une certaine quantité d'ions 02 qui créent à leur tour une certaine différence de potentiel entre l'é- lectrode de la chambre à gaz d'échappement et l'élec- trode de l'air ambiant Si cette réaction sur l'élec- trode se poursuit jusqu'à l'état d'équilibre, on mesu- re alors précisément la tension de Nernst correspon- dant au coefficient lambda égal à l'unité Si toute- fois il y a un apport important de gaz d'échappement présentant la composition indiquée ci-dessus, on n'at- teindra jamais l'état d'équilibre si bien que l'on me- surera une valeur erronée du coefficient lambda On peut éviter cette erreur si on mesure dans la chambre de diffusion dans laquelle arrive le gaz d'échappement qui peut agir sur les électrodes, une réaction le conduisant jusqu'à l'état d'équilibre Un autre avantage de la mesure dans la chambre de diffusion est que les électrodes qui s'y trouvent sont moins fortement expo- sées aux incidents entraînés par le vieillissement que les électrodes se trouvant dans la chambre des gaz d'échappement C'est pourquoi la mesure à l'aide de ces dernières électrodes réagit très rapidement aux variations du coefficient lambda des gaz d'échappe- ment. Si les électrodes de la chambre de diffusion sont court-circuitées avec l'électrode de la chambre à gaz d'échappement, on arrive à un potentiel moyen lé- gèrement plus précis que celui de l'électrode des gaz d'échappement seule, et légèrement plus rapide que ce- lui des seules électrodes de la chambre de diffusion. Si l'on effectue la mesure par rapport aux électrodes de la chambre de diffusion et si le potentiel de l'é- lectrode de la chambre des gaz d'échappement est lié, on conserve la précision élevée indiquée ci-dessus mais il peut toutefois arriver une conduction ionique entre la chambre à gaz d'échappement et la chambre de diffusion qui peut fausser légèrement la mesure On conserve la mesure la plus précise si la cellule de pompage est mise à une tension précisément opposée à la tension générée par la différence de pression par- tielle de l'oxygène pour qu'il n'y ait pas de courant ionique Dans ce cas, on aura une réaction parfaite à l'équilibre pour les gaz d'échappement qui auront pé- nétré dans la chambre à gaz d'échappement, réaction qui ne sera dérangée par aucune influence. Le dispositif selon l'invention utilise la tension de Nernst non plus comme tension de régulation du courant de pompage mais pour les opérations de me- sure et de régulation dans la zone entourant le coef- ficient lambda égal à l'unité, et également comme ten- sion de mesure moins sensible au bruit Du fait que pour cela la tension de Nernst soit prise entre l'é- lectrode exposée à l'air ambiant et n'importe laquelle des autres électrodes, permet d'adapter de façon opti- male les dispositifs à des applications les plus di- verses et permet un contrôle de l'aptitude au fonc- tionnement. Dessins. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté aux figures Ainsi: la figure 1 est un schéma bloc d'une sonde à oxygène à deux cellules avec étage de commutation pour fournir chaque fois l'une des deux tensions lamb- da selon que le coefficient lambda est proche ou non de l'unité. la figure 2 est un diagramme donnant la tension de Nernst, inversée et diminuée d'une tension prédéterminée pour la cellule de concentration de la figure 1, en fonction du coefficient lambda. la figure 3 est un diagramme représentant le courant de pompage de la cellule de pompage selon la figure 1, en fonction du coefficient lambda. Description des exemples de réalisation. Le dispositif représenté à la figure 1 pour déterminer une tension représentant le coefficient lambda d'un mélange air/carburant alimentant un moteur à combustion interne (non représenté) se compose d'une sonde à oxygène 10 à deux cellules et d'un étage com- mutateur ou inverseur 11 L'étage commutateur transmet son signal de sortie à un dispositif de commande 12 d'o il reçoit un signal de commutation Le dispositif de commande comporte une installation de comparaison 28. La sonde à oxygène 10 à deux cellules se compose d'une cellule de pompage 13 disposée au-dessus et d'une cellule de concentration 14 disposée en- dessous; ces cellules ont en commun une chambre de diffusion 15 La cellule de pompage 13 se compose d'u- ne plaque de céramique en oxyde de zirconium 16 avec un passage 17 pour les gaz d'échappement Une première électrode 18 1 est prévue sur sa face supérieure et une seconde électrode 18 2 sur sa face inférieure La cellule de concentration 14 se compose d'une plaque d'oxyde de zirconium 19 ayant sur sa face supérieure une troisième électrode 18 3 et sur sa face inférieu- re, une quatrième électrode 18 4 Sous cette quatrième électrode se trouve une chambre 20 pour l'air ambiant. L'ensemble du dispositif est chauffé par une plaque en matière céramique 22 contenant des conduites de chauf- fage 21. L'installation de commutation il dispose d'un amplificateur de différence 23, d'un régulateur de courant 24, d'un commutateur d'électrode 25 ainsi que d'un commutateur pour la tension de sonde 26. A l'aide des figures 1 et 2, on décrira tout d'abord le fonctionnement de la cellule de concentra- tion 14 On suppose d'abord que des gaz d'échappement correspondant à un coefficient lambda égal à l'unité se trouvent dans la chambre de diffusion 15 Puis la cellule de concentration 14 émet une tension qui est de façon caractéristique de l'ordre de 450 m V Cette tension s'oppose, dans le circuit de la figure 1, à la tension d'une source de tension opposée 27 La sortie de l'amplificateur de différence 23 fournit alors une tension nulle lorsque, comme l'indique la figure 2, le coefficient lambda est égal à un Déjà pour une dévia- tion du coefficient lambda du gaz d'échappement dans la chambre de diffusion 15, ne représentant qu'environ 1 %, la tension de Nernst existant entre les électro- des 18 3 et 18 4 pour la cellule de concentration 14, varie de manière importante et passe ainsi à environ 800 m V pour le mélange riche et à environ 100 m V pour le mélange pauvre Comme cette tension s'oppose à la tension de la source de tension continue 27, on a une variation de + 350 m V à -350 m V L'amplificateur de différence 23 inverse cette tension ce qui donne le tracé représenté à la figure 2. Ce tracé va d'un niveau de l'ordre de -350 m V dans la zone riche à une zone de quelques pour mil- le autour du coefficient lambda égal à 1, en augmen- tant très rapidement pour atteindre une tension de l'ordre de + 350 m V dans la zone pauvre La tension de sortie de l'amplificateur de différence 23 est reliée par la source de courant 24 à l'électrode supérieure 18.1 de la cellule de pompage 13 Comme indiqué ci- dessus, cette tension est négative par rapport à l'é- lectrode inférieure 18 2 lorsque la chambre de diffu- sion 15 contient un gaz d'échappement riche Cette tension négative appliquée à l'électrode supérieure 18.1 entraîne que cette concentration d'ions 02 à travers la plaque d'oxyde de zirconium 16 de la cellu- le de pompage 13 soit refoulée vers l'électrode infé- rieure 18 2 o les ions seront neutralisés en 02 Cet oxygène s'échappe dans la chambre de diffusion 15 et y appauvrit le gaz d'échappement riche qui s'y trouve jusqu'à ce que l'on soit au coefficient lambda égal à l'unité Puis l'amplificateur de différence 23 donne une tension nulle et le pompage d'oxygène s'arrête. Lorsqu'il y a un mélange pauvre dans la chambre de diffusion 15, les conditions de tension sont inversées c'est pourquoi l'opération de pompage se fait également dans le sens inverse De l'oxygène est pompé de la chambre de diffusion vers les gaz d'é- chappement jusqu'à ce que le coefficient lambda dans la chambre de diffusion soit égal à l'unité Il est important dans le premier cas que l'oxygène soit pompé dans la chambre de diffusion plus rapidement que cet oxygène n'en diffuse de nouveau à travers l'orifice d'entrée de gaz d'échappement 17, alors que dans le second cas l'oxygène est pompé de la chambre de diffu- sion plus rapidement que cet oxygène n'est remplacé de nouveau par celui des gaz d'échappement qui arrivent. Pour éviter toute erreur d'interprétation, il convient de remarquer qu'à la figure 1, le courant i passe usuellement du pôle positif au pôle négatif, c'est-à-dire en sens opposé au courant des électrons. Le courant de pompage ip dans le cas d'un mélange ri- che quitte ainsi l'électrode supérieure 18 1 Le cou- rant de pompage ip est mesuré chaque fois en détectant une tension Uip Dans l'exemple de la figure 1, cet- te tension est fournie par la source de courant 24. La figure 3 montre la relation entre le cou- rant de pompage (intensité) ip et le coefficient lamb- da Il apparaît que ce courant de pompage peut se me- surer avec un comportement pratiquement linéaire pour les valeurs respectivement positives et négatives dans la zone des coefficients lambda pour les mélanges ri- ches ou pauvres On dispose pour les coefficients lambda entourant l'unité, d'une échelle beaucoup plus grossière qu'à la figure 2 Si l'on examine le courant de pompage ip seulement dans une zone ayant une lar- geur de quelques pour mille, autour du coefficient lambda égal à l'unité, il apparaît que ce courant pour le coefficient lambda égal à l'unité n'est pas égal à il 0 volt pour toutes les sondes mais que l'on peut avoir des dispersions correspondant à des déviations de quelques pour mille du coefficient lambda C'est pour- quoi on ne peut pas mesurer de manière fiable un coef- ficient lambda entourant l'unité à l'aide de la ten- sion dérivée Uip du courant de pompage Cela est tou- tefois possible sans difficulté si l'on utilise la tension de Nernst UN de la cellule de concentration 14 L'étage de commutation 11 fournit par le commuta- 1.0 teur de tension de sonde 26, soit la tension Uip dé- duite du courant de pompage pour réguler un coeffi- cient lambda égal à l'unité, soit la tension de Nernst U_N de la cellule de concentration pour réguler le coefficient lambda sur l'unité, pour le dispositif de commande 12. La commutation du commutateur de sonde 26 est assurée par le signal de commutation émis comme indiqué ci-dessus par le dispositif de commande 12. Lorsqu'un véhicule automobile fonctionne par exemple dans la plage de charge inférieure ou moyenne, il est préférable d'avoir un mélange pauvre si bien que le dispositif de commande commute le commutateur de ten- sion de sonde 26, et que l'étage de commutation Il fournit alors la tension U _ip Par contre, dans les conditions de fonctionnement correspondant à l'accélé- ration ou à la pleine charge, il faut réguler sur un coefficient lambda égal à l'unité Le dispositif de commande 12 commande alors le commutateur de tension de sonde 26 pour que l'étage de commutation h I four- nisse la tension de Nernst UN. Le commutateur d'électrode 25 évoqué ci- dessus n'est pas indispensable Toutefois, le commuta- teur d'électrode 25 représenté à la figure 1 est avan- tageux pour certaines applications Il fournit alors si l'on veut mesurer la tension de Nernst, le poten- tiel de l'électrode 18 1 à la place de celui de l'é- lectrode 18 3 à l'amplificateur de différence 23 On mesure ainsi la tension de Nernst entre l'électrode 18.4 exposée à l'air ambiant dans la cellule de con- centration 14, et l'électrode 18 1 exposée aux gaz d'échappement dans la cellule de pompage 13 Cette dernière électrode 18 1 est exposée directement aux gaz d'échappement ce qui permet de détecter immédiate- ment les variations du coefficient lambda des gaz d'é- chappement. Comme indiqué en préambule, on peut égale- ment détecter différemment la tension de Nernst mais cela n'est pas représenté aux figures. L'installation de comparaison représentée à la figure 1 ne peut pas coopérer directement avec l'installation de commutation représentée à cette fi- gure car celle-ci ne détecte qu'une tension de Nernst. Si toutefois l'installation de commutation est conçue pour assurer la fonction de commutation décrite ci- dessus entre deux tension de Nernst dans le cas de la mesure des gaz d'échappement autour du coefficient lambda égal à l'unité, l'installation de comparaison travaille comme suit: on commute tout d'abord sur la tension de Nernst entre l'électrode 18 4 exposée à l'air ambiant et l'électrode inférieure de la chambre de diffusion 18 3 Cette première tension est enregis- trée par l'installation de comparaison Puis on commu- te sur la tension Nernst pour l'électrode supérieure 18.2 de la chambre de diffusion La seconde tension mesurée alors est comparée à la première tension mesu- rée Lorsque la différence est supérieure à un seuil prédéterminé, il y a émission d'un signal d'erreur Il est également possible de faire la moyenne de plu- sieurs premières et secondes tensions mesurées avant de faire la comparaison, pour éviter l'émission erro- née d'un signal d'erreur provenant d'un incident aléa- toire. Il est également à remarquer que l'on peut utiliser comme sonde à oxygène à deux cellules n'im- porte quelle sonde fonctionnant sur le principe décrit ci-dessus, c'està-dire par exemple une sonde telle que celle décrite dans le document évoqué dans le préambule, ou une sonde du commerce. R E V E N D I C A T I O N S 1) Dispositif pour déterminer une tension qui représente le coefficient lambda d'un mélange air/carburant alimentant un moteur à combustion inter- ne, comprenant: une sonde à oxygène ( 10) à deux cellules exposées aux gaz d'échappement du moteur, cette sonde compor- tant une cellule de pompage ( 13) et une cellule de concentration ( 14), l'une ( 18 2) de deux électrodes ( 18 1, 18 2) de la cellule de pompage et l'une ( 18 3) des deux électrodes ( 18 3, 18 4) de la cellule de con- centration étant placées dans une chambre de diffusion ( 15) commune aux deux cellules, cette chambre ayant une ouverture ( 17) à travers laquelle s'échange le gaz entre la chambre à gaz d'échappement et la chambre de diffusion, l'autre électrode ( 18 1) de la cellule de pompage étant exposée dans la chambre à gaz d'échappe- ment et l'autre électrode ( 18 4) de la cellule de con- centration étant exposée à l'air ambiant; et un étage de commutation ( 11) pour émettre une ten- sion (U-ip) indiquant le courant électrique de pompage (ip) traversant la cellule de pompage lorsqu'on veut réguler un coefficient lambda différent de l'unité et pour émettre une autre tension lorsqu'on veut réguler un coefficient lambda égal à l'unité, caractérisé en ce que l'étage de commutation est conçu pour fournir à sa sortie celle des tensions de Nernst (UN), lorsqu'on veut réguler un coefficient de lambda égal à l'unité, qui est prise entre l'électrode ( 18 4) exposée à l'air ambiant et une autre électrode ( 18 1, 18.2, 18 3). ) Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il est conçu pour fournir la ten- sion de Nernst entre l'électrode de la chambre à gaz d'échappement ( 18 1) tournée vers les gaz d'échappe- ment dans la cellule de pompage, et l'électrode ( 18 4) exposée à l'air ambiant de la cellule de concentra- tion, pour réguler un coefficient lambda égal à l'uni- té. 3) Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il fournit la tension de Nernst en- tre au moins l'une des électrodes ( 18 2 et/ou 18 3) de la chambre de diffusion tournée vers la chambre de diffusion, et l'électrode de l'air ambiant ( 18 4) de la cellule de concentration, exposée à l'air ambiant, pour réguler un coefficient lambda égal à l'unité. 4) Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que l'électrode ( 18 1) de la chambre à gaz d'échappement est mise en court-circuit avec celle des électrodes de la chambre de diffusion ( 18 2, 18 3) par rapport à laquelle on mesure la tension de Nernst. ) Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce qu'il maintient au potentiel environ- nant l'électrode ( 18 1) de la chambre à gaz d'échappement. 6) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il maintient l'électrode ( 18 1) de la chambre à gaz d'échappement à un certain poten- tiel par rapport aux électrodes ( 18 2, 18 3) de la chambre de diffusion, électrode par rapport à laquelle on mesure la tension de Nernst, pour qu'il n'y ait pas passage d'un courant ionique. ) Dispositif selon l'une des revendica- tions 3 à 6, caractérisé en ce que: l'étage de commutation ( 11) est conçu pour émettre alternativement la tension de Nernst entre l'électrode ( 18 4) exposée à l'air ambiant et l'une des trois au- tres électrodes ( 18 1, 18 3, 18 4) et il comporte une installation de comparaison ( 28) qui compare entre elles les tensions ci-dessus et émet un signal d'erreur si l'une des tensions diffère de l'au- tre d'une valeur supérieure à une valeur prédétermi- née.