Brevet FR2714729A1 — publié le 19950707

" Dispositif d'exploitation du signal d'une sonde à oxy- gène " L'invention concerne un dispositif d'exploi- tation du signal d'une sonde à oxygène, de type ampèromé- trique, chauffée, placée dans le flux des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant: - un dispositif de mesure du signal de la sonde réalisé pour appliquer à la sonde une tension prédéterminée et obtenir comme signal de mesure une grandeur (S_N non corrigé) qui représente l'intensité traversant la sonde et qui est une mesure de la concentration en oxygène. Etat de la technique La fonction d'une sonde à oxygène à courant li- mite appelée ci-après de façon abrégée sonde à oxygène, est décrite dans un but de clarté à l'aide de la figure 5 an- nexée, pour mesurer la teneur en oxygène de mélanges pau- vres. Cette figure représente l'intensité de pompage ip en fonction de la tension de pompage Up pour une certaine tem- pérature de fonctionnement. Cette température de fonction- nement peut être par exemple de 850 C pour une résistance interne ohmique de la sonde de 100 Q. Dès que la tension de pompage est appliquée à la sonde, les molécules d'oxygène 02 contenues dans les gaz d'échappement qui ont pénétré dans une chambre de diffusion de la cellule, sont réduites en ions de 2-qui sont pompés à travers celles-ci par le en ions de 0 qui sont pompés à travers celles-ci par le champ électrique appliqué à la sonde, pour sortir de la chambre de diffusion. Pour les petites tensions de pompage, le cou- rant est seulement limité par la résistance ohmique, c'est pourquoi la caractéristique ip-Up est tout d'abord li- néaire. Lorsque les gaz d'échappement ne contiennent que très peu de molécules de 02, déjà pour une tension de pom- page relativement faible, il y a saturation du courant de pompage. Ce cas est représenté à la figure 5 par la courbe en trait plein la plus basse. Le mélange est d'autant plus pauvre que le niveau de saturation est élevé. Dans l'utilisation effective d'une telle sonde dans le flux des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, on prédétermine de manière caractéristique la ten- sion de pompage de façon fixe avec une valeur importante pour que le courant de pompage se trouve dans la plage de saturation. Ce courant est ainsi une mesure directe de la teneur en oxygène des gaz d'échappement ayant pénétré dans la chambre de diffusion de la sonde. Il est à, pour être complet, qu'il existe également des procédés de mesure qui changent la tension de pompage en fonction de la teneur en oxygène; ils utilisent une tension de pompage d'autant plus faible qu'il y a moins d'oxygène. En effet, la figure 5 montre directement que pour des faibles teneurs en oxygène, on pourrait utiliser des faibles tensions de pompage mais il faut néanmoins tou- jours satisfaire à la condition consistant à mesurer la plage de saturation de la caractéristique. Il importe peu pour l'invention que la tension de pompage soit maintenue constante ou qu'elle soit modifiée en fonction de la teneur en oxygène et c'est pourquoi il ne sera fait mention d'aucun détail concernant cette situation. Les caractéristiques représentées en trait plein à la figure 5 correspondent à une sonde à l'état neuf. Au fur et à mesure du vieillissement d'une sonde sa résistance interne augmente. Pour une représentation claire à la figure 5, on a supposé que la résistance interne n'était plus que la moitié de la résistance interne ini- tiale après un temps de fonctionnement prolongé, la tempé- rature étant toujours la même. Comme cela est indiqué par un trait interrompu à la figure 5, le courant de pompage est alors très fortement limité par la résistance ohmique et, pour un mélange très pauvre, pour la tension de pompage appliquée en pratique, (représentée par un trait vertical à la figure 1) il n'atteint pas encore sa valeur de satura- tion. Dans ces conditions, on ne mesure pas la concentra- tion réelle d'oxygène par un courant limite déterminé mais par un courant plus faible; cela signifie que la mesure de la concentration en oxygène est fausse. Pour éviter cela, on règle la sonde sur une résistance interne constante de la cellule électrochimique. On conserve ainsi la pente de la caractéristique décrite, même pendant le vieillissement de la sonde; toutefois la température de la sonde augmente avec l'âge de la sonde. L'amplitude du signal d'une sonde dépend non seulement de la résistance interne, mais également très fortement de la température car les conditions de diffusion varient fortement avec la température. Pour exclure les er- reurs de mesure entraînées par la température, il est connu (voir par exemple le document US 4 708 777) de réguler la température de la sonde à une valeur constante en mesurant la résistance interne de l'élément chauffant, ou encore de mesurer la température de la sonde et de corriger le signal de mesure affichant la concentration en oxygène de la sonde à l'aide de la température mesurée (voir à cet effet par exemple le document DE-C-38 40 248). Les remarques faites ci-dessus s'appliquent également pour l'essentiel à des sondes à oxygène à deux cellules dans lesquelles une cellule de pompage, pompe des ions 2- d'une chambre de diffusion ou les pompe dans cette ions O d'une chambre de diffusion ou les pompe dans cette chambre pour pouvoir mesurer un mélange pauvre ou un mé- lange riche. Le pompage est tel qu'une seconde cellule, à savoir la cellule de détection, affiche toujours une ten- sion constante prédéterminée. Par vieillissement, la résis- tance interne d'une telle sonde augmente également avec le risque que la tension de pompage disponible ne soit plus suffisante pour assurer le transfert proprement dit, néces- 2- saire, des ions O. Par une régulation sur une résistance interne constante on peut éliminer cette difficulté. Toute- fois on aura alors également le problème des défauts de me- sure résultant d'une augmentation de la température comme cela a été évoqué ci-dessus. Les sondes à oxygène de type ampèrométrique concernées par la présente invention englobent les sondes à oxygène à une ou deux cellules et ayant les fonctions dé- crites ci-dessus. Exposé de l'invention: La présente invention a pour but de créer un dispositif d'exploitation du signal d'une sonde à oxygène de type ampèrométrique, chauffée et placée dans le flux des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne, permettant de compenser les défauts de mesure du signal de la sonde engendrés par le vieillissement, pour permettre de continuer d'utiliser une sonde vieillie sans que cela se traduise par une augmentation de l'émission des gaz nocifs. A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'exploitation caractérisé par: "dispositif de mesure de résistance conçu pour l'application d'une tension alternative à la sonde il dé- termine la résistance interne de la sonde, - un dispositif de régulation réalisé commandant le dispo- sitif de chauffage de la sonde pour que la résistance in- terne de la sonde reste essentiellement constante, - un dispositif de compensation comprenant: -- un dispositif déterminant la valeur à l'état neuf, réalisé pour déterminer une valeur neuve (Uh_0) et la mettre en mémoire, cette valeur étant une mesure de la tension de chauffage nécessaire lorsque la sonde est à l'état neuf, pour, obtenir la résistance interne indi- quée lors d'un fonctionnement de calibrage prédétermi- né du moteur, -- un dispositif déterminant la valeur d'état instanta- née, pour déterminer la valeur d'état instantanée (Uh_M) qui est une mesure de la tension de chauffage nécessaire à l'état instantané de la sonde, et pour arriver à la résistance interne indiquée lorsque le moteur est à l'état de fonctionnement calibré, -- un dispositif pour déterminer la valeur de correction (25, 26) à partir de la variation de la valeur d'état instantané par rapport à la valeur à l'état neuf en déterminant un coefficient de correction (KF) pour corriger le signal de mesure, et - un dispositif de correction qui corrige le signal de mesure non corrigé par une combinaison mathémati- que avec la valeur de correction donnant un signal de me- sure corrigé (S_K). Ce dispositif est remarquable notamment en ce qu'il effectue toujours de nouveau des mesures de calibrage pour un état de fonctionnement prédéterminé du moteur à combustion interne, pour pouvoir compenser des variations du signal de sonde engendrées par le vieillissement, à l'aide d'une valeur de correction. Il est particulièrement important que la régulation assure toujours une résistance interne constante de la sonde (et non de l'élément chauf- fant) et que la tension de chauffage nécessaire ici pour l'ensemble de l'état de fonctionnement mis en oeuvre, soit utilisée comme mesure de l'état de vieillissement de la sonde. Cette façon de procéder fait qu'à mesure du vieillissement de la sonde on chauffe de plus en plus pour maintenir constante la résistance interne; cela entraîne d'une part que le signal de mesure n'est pas faussé par une modification de la résistance interne, et que d'autre part la conséquence en est que l'introduction d'une erreur d'un défaut dans le signal de mesure. Toutefois, cette erreur engendrée par la température peut se déduire très précisé- ment de la variation de la tension de chauffage, de sorte qu'il est possible de compenser très simplement cette er- reur sans nécessiter pour cela un capteur de température. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide de différents exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un schéma par blocs d'un dispositif d'exploitation avec compensation du vieillisse- ment du signal d'une sonde à oxygène à courant limite, chauffée. - la figure 2 montre un ordinogramme de l'opération effectuée par le dispositif d'exploitation de la figure 1 pour déterminer une valeur indiquant le nouvel état d'une sonde. - la figure 3 montre un ordinogramme décrivant l'opération de saisie de l'état de vieillissement d'une sonde. - la figure 4 montre un ordinogramme décrivant une opération pour corriger le signal de mesure d'une sonde en utilisant les valeurs saisies au démarrage, selon les figures 2 et 3. - la figure 5 montre un diagramme connu courant de pompage/tension de pompage d'une sonde à oxygène à cou- rant limite. La figure 1 montre un dispositif d'exploitation du signal d'une sonde à oxygène 11 à courant limite, chauffée. Cette sonde est placée dans la tubulure d'échappement 12 d'un moteur à combustion interne 13. La tubulure d'aspiration 14 du moteur est équipée d'un pa- pillon d'étranglement 15 sur lequel un dispositif de saisie de signal de charge 16 prend un signal de charge L. Le cap- teur de vitesse de rotation 17 du moteur fournit un signal de vitesse de rotation n. La sonde 11 n'est représentée que schématique- ment avec un dispositif de chauffage 18 ainsi que deux électrodes de mesure 19.1 et 19.2 auxquelles on applique la tension de pompage Up évoquée ci-dessus; ces électrodes sont traversées par le courant de pompage ip. Le signal de sonde émis par la sonde 11, mais non corrigé en vieillisse- ment, porte la référence S_N. Le circuit d'exploitation 10 de la figure 1 comporte un dispositif de mesure de la résistance interne 20, un dispositif de régulation de la tension de chauffage 21, un dispositif de compensation 22 et un dispositif de correction 23 sous la forme d'un multiplicateur. Le dispo- sitif de compensation 22 se compose lui-même d'une mémoire de valeur à l'état neuf 24, d'un soustracteur 25, d'une ca- ractéristique 26 et d'une mémoire de valeur de correction 27. L'installation de mesure de la résistance in- terne 20 mesure la résistance interne Rs de la sonde 11 en appliquant une tension alternative d'une fréquence de l'ordre par exemple de 1 à 5 kHz, aux électrodes 19.1 et 19.2 de la sonde. La résistance interne mesurée est trans- mise par cette installation à l'installation de régulation de la tension de chauffage 21 qui compare cette valeur constituant une valeur réelle, à une valeur de consigne de la résistance interne de la sonde comme par exemple 100 Q. Le dispositif de régulation de la tension de chauffage fournit une tension de chauffage Uh telle que la résistance interne mesurée de la sonde soit maintenue d'une manière aussi précise que possible sur la valeur de consigne. Comme la résistance interne Rs de la sonde aug- mente avec son vieillissement, pour une certaine tempéra- ture égale par exemple à 850 C, mais diminue lorsque la température augmente, le fait de maintenir constante la ré- sistance interne de la sonde à l'aide d'une installation de régulation de la tension de chauffage 21, signifie que la température de la sonde augmente en fonction de son vieillissement. L'augmentation de la température de la sonde est toutefois faussée par le signal de sonde SN qui n'est pas corrigé. Il faut compenser cette erreur et pour cela on utilise la tension de chauffage Uh telle qu'elle doit être appliquée pour un certain état de fonctionnement du moteur, pour régler la résistance interne de consigne de la sonde. Cette compensation est effectuée par le disposi- tif de compensation 22 d'une manière qui sera décrite ci- après. Après la première mise en route d'un véhicule, on effectue un calibrage de vieillissement dès que s'établit un état de fonctionnement calibré, prédéterminé du moteur, par exemple le ralenti ou le mode de poussée. Il doit s'agir d'un état de fonctionnement pour lequel, le chauffage de la sonde ayant été coupé, la sonde il prend une température dans une plage de température très étroite, par exemple 700 C, avec une déviation de seulement quelques degrés. La tension de chauffage Uh correspond alors à la valeur à laquelle elle doit être réglée pour obtenir une résistance interne prédéterminée de la sonde et ainsi une mesure du degré de vieillissement. Lorsque la sonde est neuve, cette tension est par exemple égale à 9 V et on at- tend une température de 850 C. Pour atteindre la résistance interne prédéterminée, égale par exemple à 100 Q, on ins- crit cette tension Uh_0 comme nouvelle valeur d'état dans la mémoire 24. Lorsque ultérieurement on utilise effectivement le véhicule, l'opération de calibrage recommence toujours à zéro lorsque le moteur est arrivé en état de fonctionnement de calibrage. Plus la sonde est vieille et plus il faut une température élevée pour respecter la résistance interne de la sonde, toujours prédéterminée, égale à 100 Q. Comme le moteur fournit toujours la même quantité de chaleur au cours du fonctionnement de calibrage, il faut que la quan- tité de chaleur nécessaire à la température plus élevée soit fournie uniquement par le dispositif de chauffage 18 par application d'une tension de chauffage Uh plus élevée. La tension de chauffage Uh_M mesurée au cours d'une opération de calibrage réelle, est une valeur qui af- fiche l'état instantané de la sonde. De cette tension, on retranche la valeur d'état, neuve Uh 0 inscrite en mémoire dans la mémoire 24. A l'aide de cette différence, on ob- tient un coefficient de correction KFM de la caractéristi- que 26. Cette caractéristique multiplie le signal de sonde non corrigé SN dans le multiplicateur 23 pour obtenir un signal de sonde S_K, corrigé. La valeur instantanée KF_M du coefficient de correction KF est toujours inférieure à l'unité, représentée par le coefficient de correction KF_0 à l'état neuf, car à mesure que la sonde vieillit, il faut augmenter la tension appliquée à la sonde pour maintenir la résistance interne prédéterminée et, puisqu'à mesure que la tension de sonde augmente et qu'il en est ainsi de sa tem- pérature, la valeur du signal de la sonde augmente pour une concentration en oxygène constante. Le signal de sonde non corrigé doit ainsi être réduit par le coefficient de cor- rection. Les opérations décrites ci-dessus seront expo- sées de manière plus complète ci-après en s'appuyant sur les figures 2 à 4. Selon la figure 2, après la première mise en route d'un véhicule à l'étape s2.1, on vérifie en perma- nence si le moteur a fonctionné une première fois en mode de fonctionnement calibré. Dès que cela est le cas, dans l'étage s2.2 on mesure la valeur à l'état neuf Uh_0 pour laquelle s'établit la résistance interne prédéterminée de la sonde. Cette valeur est enregistrée dans une étape s2.3. La valeur unité pour le coefficient de correction K_F est déjà enregistrée dans la mémoire de coefficient de correc- tion 27. Au cours du fonctionnement ultérieur du véhi- cule, on vérifie en permanence au cours d'une étape s3.1, que le moteur est passé en mode de fonctionnement de cali- brage. On constate cela en comparant les valeurs instanta- nées du signal de charge L et de la vitesse de rotation N, à des plages de valeur prédéterminées et si les deux va- leurs instantanées se situent toutes deux dans les plages de valeurs correspondantes respectives cela est alors un signe que l'on a l'état de fonctionnement de calibrage. Dès que cela est le cas, dans l'étape s3.2, on mesure la ten- sion de chauffage UhM. Le dispositif de régulation de la tension de chauffage 21 continue ainsi de manière inchangée comme en mode non calibré, toujours pour respecter la ré- sistance interne prédéterminée de la sonde. Dans l'étape s3.3, on retranche la valeur à l'état neuf Uh 0 de la va- leur instantanée UhM et, dans l'étape s3.3, on lit le coefficient de correction KF appartenant à cette différence sur la caractéristique 26 et on l'inscrit dans la mémoire 27. Lorsque le moteur travaille dans d'autres états de fonctionnement que l'état de calibrage, dans une étape s4.1 on détecte le signal de sonde S_N non corrigé pour la résistance interne de sonde prédéterminée. Dans l'étape s4.2, on lit le coefficient de correction KF dans la mé- moire de coefficient de correction 27 et on multiplie par ce coefficient dans le multiplicateur 23, avec le signal de sonde non corrigé. On obtient ainsi le signal de sonde cor- rigé S K. La structure décrite ci-dessus est notamment intéressante s'il y a une relation essentiellement linéaire entre la variation de la tension de chauffage et la varia- tion du signal de sonde pour une concentration constante en oxygène. Par contre, si cette relation n'est pas linéaire, il peut être plus avantageux d'appliquer à une caractéris- tique modifiée, des coefficients de correction qui ne cor- respondent pas à la valeur instantanée de la différence diminuée de la valeur neuve, mais correspondent au pourcen- tage (valeur d'état momentanée/valeur à l'état neuf). Dans ce cas, à la place du soustracteur 25 on utilise un divi- seur 25. Il est également possible d'utiliser une caracté- ristique à l'entrée de la mémoire de valeur d'état neuf 24 au lieu d'effectuer une soustraction ou une division. Cette caractéristique contient alors les coefficients de compen- sation rapportés non pas à une différence de tension ou à un quotient de tension, mais directement à la tension de chauffage. Cette caractéristique permet d'enregistrer un coefficient de compensation déjà pour l'état neuf. Pour un état de calibrage ultérieur on lit un nouveau coefficient de compensation divisé alors par le coefficient de compen- sation de la valeur à l'état neuf, pour avoir le coeffi- cient de correction KF. Indépendamment de la manière pratique de déterminer le coefficient de correction, il est seulement important qu'il corrige la variation du signal de sonde non corrigé, engendré par une augmentation de tempé- rature elle-même entraînée par une augmentation de la ten- sion de chauffage; or, cette dernière est nécessaire pour compenser l'augmentation de la résistance interne de la sonde entraînée due au vieillissement. Dans l'exemple de réalisation, on définit un coefficient de correction, c'est-à-dire une valeur de cor- rection qui est combinée par multiplication au signal de sonde S_N non corrigé. Toutefois, il est également possible de déterminer un terme " somme de correction " que l'on ajoute alors au signal de la sonde. La manière de détermi- ner le coefficient de correction à chaque fois et de le combiner mathématiquement au signal de mesure non corrigé, dépend en pratique très fortement des caractéristiques de la sonde et de l'ensemble du système de chauffage. L'essentiel est que la résistance interne de la sonde soit maintenue constante en permanence et que le défaut de tem- pérature créé par la sonde soit compensé en ce qu'on saisit les variations de la tension de chauffage nécessaires pour maintenir constante la résistance interne de la sonde mal- gré le vieillissement. Le dispositif d'exploitation selon l'invention permet d'utiliser une sonde à oxygène à courant limite, de façon beaucoup plus longue que jusqu'à présent malgré le vieillissement, et sans que cela se traduise par une plus forte émission de gaz d'échappement nocifs. Toutefois, même dans ce cas, on ne peut pas utiliser une sonde pour une du- rée illimitée. Pour connaître le moment o il faudra rem- placer la sonde, il peut être avantageux de comparer le coefficient de correction à une valeur de seuil. Dès que le coefficient de correction dépasse la valeur de seuil, on affiche la nécessité d'un remplacement de la sonde. R E V E N D I CATIONS 1) Dispositif d'exploitation (10) du signal d'une sonde à oxygène (11), de type ampèrométrique, chauf- fée, placée dans le flux des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (13), comprenant: - un dispositif de mesure (11) du signal de la sonde réali- sé pour appliquer à la sonde une tension prédéterminée et obtenir comme signal de mesure une grandeur (S_N non cor- rigé) qui représente l'intensité traversant la sonde et qui est une mesure de la concentration en oxygène, caractérisé par - un dispositif de mesure de résistance (20) conçu pour l'application d'une tension alternative à la sonde qui détermine la résistance interne de la sonde, - un dispositif de régulation (21) commandant le dispositif de chauffage (18) de la sonde pour que la résistance in- terne de la sonde reste essentiellement constante, - un dispositif de compensation (22) comprenant: -- un dispositif déterminant la valeur à l'état neuf, réalisé pour déterminer une valeur neuve (Uh_0) et la mettre en mémoire, cette valeur étant une mesure de la tension de chauffage nécessaire lorsque la sonde est à l'état neuf, pour, obtenir la résistance interne indi- quée lors d'un fonctionnement de calibrage prédétermi- né du moteur, -- un dispositif déterminant la valeur d'état instanta- née, pour déterminer la valeur d'état instantanée (Uh_M) qui est une mesure de la tension de chauffage nécessaire à l'état instantané de la sonde, et pour arriver à la résistance interne indiquée lorsque le moteur est à l'état de fonctionnement calibré, -- un dispositif pour déterminer la valeur de correction (25, 26) à partir de la variation de la valeur d'état instantané par rapport à la valeur à l'état neuf en déterminant un coefficient de correction (KF) pour corriger le signal de mesure, et - un dispositif de correction (23) qui corrige le signal de mesure non corrigé par une combinaison mathématique avec la valeur de correction donnant un signal de mesure cor- rigé (SK). 2) Dispositif d'exploitation selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que: - le dispositif déterminant la valeur de compensation (22) est réalisé pour former un coefficient de correction (KF) et, - le dispositif de correction est un dispositif multiplica- teur (23) qui multiplie le signal de mesure non corrigé (SN) par un coefficient de correction.