Brevet FR2733053A1 — publié le 19961018

Capteur de gaz pouvant être chauffé et son procédé d'exploitation L'invention concerne un dispositif pour la détermination de la concentration en composants gazeux dans les gaz20 d'échappement de véhicules automobiles à moteurs à combustion interne, avec un capteur actif ainsi qu'un dispositif de chauffage électrique adjoint au capteur et alimenté par une source de tension, ainsi qu'un procédé pour sa mise en oeuvre.25 Des capteurs de gaz, en particulier des sondes X, sont connues depuis longtemps. DE-A-3.610.363 décrit par exemple une sonde X avec un électrolyte solide tubulaire qui présente un chauffage électrique séparé. Ce chauffage est30 nécessaire pour amener l'électrolyte solide à sa température de service. Par ailleurs, on connait par DE-U- 91 03 547, un capteur de gaz dans lequel un chauffage à résistance électrique est disposé sur un support commun avec le capteur actif et la masse totale de la zone active35 est maintenue faible pour assurer un chauffage rapide. Le chauffage de ce capteur est plus rapide de quelques dizaines de secondes que celui des sondes x plus anciennes, mais le temps de chauffage va, pour ce capteur, jusqu'à 20 secondes. Avec les tendances à minimiser le rejet global de substances nocives d'un véhicule automobile au cours d'un cycle de test fixé, la phase de démarrage à froid est de la plus haute importance. Il est vrai qu'on connaît des catalyseurs pouvant être chauffés électriquement qui sont actifs immédiatement après le démarrage à froid. Un fonctionnement sans problème d'un catalyseur à trois voies n'est cependant pas réglé à l'avance par une phase de fonctionnement à chaud commandée avec un mélange graissé ou dégraissé, mais par une phase de fonctionnement à chaud régulée dans laquelle le mélange amené au moteur à combustion interne présente une valeur de X dans la zone de 1. Dans l'espace de temps avant l'activation des capteurs de gaz d'échappement, le dispositif de nettoyage des gaz d'échappement se trouve dans un état de fonctionnement inefficace parce que les signaux nécessaires pour une régulation ne sont pas disponibles. Lorsque ce temps est supérieur à quelques secondes, le rejet de substances nocives dans les premières secondes de la phase de fonctionnement à froid du moteur à combustion interne peut déjà dépasser le rejet total admissible de substances nocives pour le cycle de test, de sorte que le dispositif de nettoyage des gaz d'échappement pleinement actif ne peut plus conduire à conserver les valeurs limites imposées. On est de ce fait astreint à rendre les capteurs de gaz d'échappement mis en oeuvre prêts au fonctionnement en30 l'espace de quelques secondes. C'est en conséquence un but de la présente invention de fournir un dispositif et un procédé pour la détermination de la concentration en composants gazeux dans les gaz35 d'échappement de véhicules automobiles qui délivrent, déjà environ 5 secondes après le démarrage à froid, des résultats de mesures utilisables. A cet effet, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que le dispositif de chauffage peut être relié à une première source de tension et à au moins une seconde source de tension par l'intermédiaire d'un dispositif de commande. Avec le dispositif conforme à l'invention, le dispositif de chauffage du capteur de gaz d'échappement peut être alimenté, pendant la phase de démarrage à froid, par une autre source de tension que le chauffage pour le fonctionnement continu du capteur de gaz d'échappement. Il est alors possible de choisir pour la première source de tension la tension d'alternateur non régulée de la génératrice prélevée au régulateur de tension et, pour la seconde source de tension, le réseau de bord du véhicule automobile. Il est également possible, après avoir atteint la température de fonctionnement du capteur, de limiter la tension de chauffage amenée à la valeur qui est nécessaire au maintien de la température de fonctionnement du capteur de gaz d'échappement à l'état chaud au moyen d'une alimentation en tension cadencée dans le temps. La tension nominale de la seconde source de tension est alors égale, selon le type de véhicule, par exemple à 13,6 volts (alimentation 12 volts) ou 27,2 volts (alimentation 24 volts). Dans l'avenir, il est également possible d'envisager des réseaux de bord avec d'autres tensions nominales. Lorsque la tension de la première source de tension est supérieure d'au moins 30% à la tension nominale de la seconde source de tension, un chauffage particulièrement rapide du capteur est possible parce que la tension électrique nécessaire au préchauffage croît comme le carré de la tension. On peut avantageusement utiliser comme première source de tension le générateur du véhicule automobile qui, par un prélèvement avant le régulateur de tension, fournit environ le double de la tension de bord usuelle des véhicules automobiles. Immédiatement après le démarrage à froid, le dispositif de chauffage de ce capteur de gaz d'échappement est relié à la première source de tension afin de pouvoir alimenter le dispositif de chauffage avec une tension électrique suffisante. Après avoir atteint la température de fonctionnement du capteur actif, le dispositif de chauffage est de préférence relié à la seconde source de tension qui fournit la tension nécessaire au maintien de cette température de fonctionnement. On peut également prévoir de continuer à utiliser la première source de tension pour le chauffage, auquel cas, afin de réduire la tension de chauffage fournie, l'amenée de courant est par exemple cadencée dans le temps. La commutation de la première source de tension à la seconde source de tension peut être effectuée, de manière particulièrement simple, en dépendance du temps écoulé depuis le démarrage à froid. Une commutation fiable, en particulier pour des tensions de chauffage électrique très élevées est obtenue lorsque la commutation est effectuée en dépendance de la température du capteur actif. On peut dans ce cas utiliser de manière simple, comme indicateur de la température du capteur actif, l'absorption de courant du25 dispositif de chauffage dont la résistance électrique dépend de la température atteinte. Une bonne stabilité en température et une dépendance reproductible de la résistance électrique à la température30 peuvent être atteintes lorsque le dispositif de chauffage comprend un conducteur chauffant qui contient essentiellement des métaux du groupe du platine. Le chauffage du capteur s'effectue particulièrement vite lorsque le capteur actif et le dispositif de chauffage sont35 montés sur un substrat commun. Un dispositif de chauffage avec un conducteur chauffant dont la résistance électrique croît avec la température a dans ce cas l'avantage que, en particulier dans un environnement froid et, donc, avec une basse température de démarrage, la tension de chauffage électrique est élevée. Ainsi, plus le capteur est froid au démarrage, plus il est chauffé. L'invention a également pour objet un procédé pour l'exploitation d'un capteur de gaz d'échappement avec un élément chauffant adjoint, dans un véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne, avec une première source de tension et avec une seconde source de tension, la tension nominale de la première source de tension étant supérieure à la tension nominale de la seconde source de tension, caractérisé en ce que, après le démarrage du moteur à combustion interne, le dispositif de chauffage est d'abord alimenté, pendant un temps limité, par la première source de tension nominale plus élevée. Parce que le dispositif de chauffage du capteur de gaz d'échappement est d'abord alimenté, après un démarrage du moteur à combustion interne, par la première source de tension à tension nominale plus élevée et, ensuite, par la seconde source de tension à tension nominale plus basse, un chauffage rapide du capteur peut d'abord avoir lieu tandis que la tension électrique amenée pour le maintien de la température de fonctionnement atteinte est plus basse et peut être fournie par la seconde source de tension à tension nominale plus basse. Selon la situation de montage, on peut cependant renoncer totalement à continuer à chauffer électriquement le capteur lorsque, en fait, la température des gaz d'échappement est si élevée que le30 capteur conserve, en fonctionnement, la température nécessaire sans chauffage. Il est alors particulièrement avantageux que la commutation entre la première source de tension et la seconde source de35 tension ait lieu entre 2,5 et 20 secondes après le démarrage à froid. Il peut déjà être avantageux, dans le cas d'une tension électrique de chauffage particulièrement élevée, que la commutation ait lieu entre 1 seconde et 2,5 secondes après le démarrage à froid. Dans une autre configuration, la commutation peut avoir lieu entre 3 secondes et 10 secondes après le démarrage à froid. Le procédé peut alors être avantageusement mis en oeuvre de telle manière que, pour déterminer l'instant de la commutation entre la première source de tension et la seconde source de tension, on détecte l'absorption de courant du dispositif de chauffage. Une forme de réalisation préférée d'un dispositif conforme à l'invention et son procédé d'exploitation sont décrits ci-après en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique en plan d'un capteur de gaz d'échappement utilisable dans le dispositif conforme à l'invention, avec un capteur actif et un élément de chauffage montés sur un substrat et - la figure 2 représente schématiquement le circuit électrique du capteur de la figure 1. On a représenté à la figure 1 un capteur de gaz d'échappement 1 sans son boîtier et sa fixation. Le capteur 1 comprend, de manière connue en soi, un substrat 2, par exemple une plaquette de support en oxyde d'aluminium. Sur le substrat 2 est formée une pastille 3 de matériau sensible (par exemple titanate de strontium), par une technique d'impression sérigraphique, munie de deux électrodes 4 et 5. Les électrodes 4 et 5 sont reliées, par des conducteurs 6, à des pastilles de raccordement 7 et 8 qui servent à la connexion du circuit électrique extérieur (non représenté). Le matériau sensible 3 est entouré par un conducteur chauffant 10 qui, à son tour, est relié à des pastilles de raccordement 12, par des conducteurs 11, pour le chauffage. Les pastilles de raccordement 12 servent également au raccordement électrique externe du capteur de gaz d'échappement. La figure 2 représente un circuit équivalent simplifié d'un capteur de gaz d'échappement qui peut être utilisé avec le dispositif conforme à l'invention. En fonctionnement, une résistance Rs, qui est caractéristique de la concentration d'un gaz déterminé, peut être ajustée aux pastilles de raccordement 7 et 8 du capteur de gaz d'échappement 1 représenté avec le capteur actif résistif 3. Le circuit d'alimentation électrique pour le chauffage du capteur est relié aux pastilles de raccordement 12 du conducteur chauffant 10. La résistance électrique RH du conducteur chauffant 10 est dépendant de la température. Dans le cas d'un démarrage à froid d'un véhicule automobile, le dispositif conforme à l'invention fonctionne comme suit. Immédiatement après le démarrage du moteur, la tension non régulée du générateur (jusqu'à 30 volts pour une tension de bord de 12 volts) est amenée au dispositif de chauffage 1025 du capteur 1. Sa résistance électrique est faible à basse température, de sorte qu'une intensité élevée passe. La tension de chauffage amenée est élevée et, en conséquence, le capteur chauffe rapidement. Lorsque la température de fonctionnement est atteinte, le capteur fournit des signaux30 utilisables sur la composition des gaz d'échappement. La commande du moteur peut alors passer à un fonctionnement régulé dans lequel la composition du mélange est maintenue dans la plage de consigne. Les catalyseurs de gaz d'échappement peuvent travailler efficacement dans cette35 plage. Le temps écoulé jusqu'à atteindre la température de fonctionnement est, pour le capteur plan de la figure 1 choisi à titre d'exemple, d'environ 2 à 3 secondes. La tension de chauffage amenée a, lorsqu'on atteint la température de fonctionnement, déjà diminué d'environ 40% parce que la résistance RH du conducteur chauffant 10 a déjà augmenté. Ensuite, le dispositif de chauffage 10 est relié à la tension de bord du véhicule automobile. La tension électrique de chauffage amenée est alors suffisante pour maintenir le capteur à la température de fonctionnement. L'instant de commutation de la tension électrique de chauffage amenée peut sensiblement être déterminé selon l'absorption de courant du conducteur chauffant 10, qui reste inférieure à une valeur seuil lorsqu'on atteint la température de fonctionnement, du fait d'une résistance électrique RH croissante. En variante, cette commutation peut avoir lieu simplement après écoulement d'un temps déterminé après le démarrage à froid. Plus le signal du capteur est indépendant de la température effective du capteur, moins le maintien d'une température déterminée est critique. En correspondance, une dépense moindre est nécessaire pour la commande ou la régulation du chauffage. Le dispositif qui vient d'être décrit peut conduire, en particulier en combinaison avec des catalyseurs métalliques à réponse rapide également chauffés électriquement, à une réduction considérable du rejet de substances nocives d'un véhicule automobile lors d'un démarrage à froid. L'invention, en dehors des capteurs plans de l'exemple de réalisation décrit, est aussi utilisable avantageusement dans le cas des sondes X usuelles avec un électrolyte solide tubulaire et un chauffage de construction différente, également lorsque les temps nécessaires pour35 atteindre la température de fonctionnement ne sont pas aussi courts que dans cet exemple de réalisation qu'avec des capteurs plans à conducteur chauffant imprimé. La seconde alimentation en tension ne doit pas non plus obligatoirement travailler à une basse tension. Un passage d'un fonctionnement en courant permanent à un fonctionnement pulsatoire réduirait également de manière appropriée la tension électrique de chauffage amenée. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la détermination de la concentration en composants gazeux dans les gaz d'échappement de véhicules automobiles à moteurs à combustion interne, avec un capteur actif (3) ainsi qu'un dispositif de chauffage électrique (10) adjoint au capteur (3) et alimenté par une source de tension, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage (10) peut être relié à une première source de tension et à au moins une seconde source de tension par l'intermédiaire d'un dispositif de commande. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde source de tension est le réseau de bord du véhicule automobile. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tension nominale de la seconde source de tension est de 12 volts à 14 volts ou 24 à 28 volts. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension de la première source de tension est supérieure d'au moins 30% à la tension nominale de la seconde source de tension. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première source de tension est le générateur du véhicule automobile. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage est relié à la première source de tension immédiatement après le démarrage à froid. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage est relié à la seconde source de tension après avoir atteint la température de fonctionnement du capteur actif. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la commutation de la première source de tension à la seconde source de tension est effectuée en dépendance du temps écoulé depuis le démarrage à froid. 9. Dispositif selon l'une des revendication 1 à 7, caractérisé en ce que la commutation de la première source de tension à la seconde source de tension est effectuée en dépendance de la température du capteur actif (3). 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la commutation de la première source de tension à la seconde source de tension est effectuée en dépendance de la température du dispositif de chauffage (10). 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la commutation de la première source de tension à la seconde source de tension est effectuée en dépendance de l'absorption de courant du dispositif de25 chauffage (10). 12. Dispositif selon l'une des revendication précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage comprend un conducteur chauffant (10) qui présente une résistance30 électrique croissant avec la température, de préférence contenant essentiellement des métaux du groupe du platine. 13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur actif (3) et le dispositif de chauffage (10) sont montés sur un substrat (2) commun. 14. Procédé pour l'exploitation d'un capteur de gaz d'échappement (1) avec un élément chauffant (10) adjoint, dans un véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne, avec une première source de tension et avec une seconde source de tension, la tension nominale de la première source de tension étant supérieure à la tension nominale de la seconde source de tension, caractérisé en ce que, après le démarrage du moteur à combustion interne, le dispositif de chauffage (10) est d'abord alimenté, pendant un temps limité, par la première source de tension à tension nominale plus élevée. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage, apres ledit temps limité, est alimenté par la seconde source de tension à tension nominale plus basse. 16. Procédé selon l'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que la commutation entre la première source de tension et la seconde source de tension a lieu entre 2,5 et 20 secondes après le démarrage à froid. 17. Procédé selon l'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que la commutation entre la première source de tension et la seconde source de tension a lieu entre 1 seconde et 2,5 secondes après le démarrage à froid. 18. Procédé selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que la commutation entre la première source de tension et la seconde source de tension a lieu entre 3 secondes et 10 secondes après le démarrage à froid.30 19. Procédé selon l'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que, pour déterminer l'instant de la commutation entre la première source de tension et la seconde source de tension, on détecte l'absorption de35 courant du dispositif de chauffage (10).