Brevet FR2741445A1 — publié le 19970523

L'invention concerne un capteur destiné à mesurer la pression partielle d'oxygène dans les gaz d'échappement du type qui comporte un substrat présentant deux éléments de capteur pour la mesure de la pression partielle d'oxygène, les gaz d'échappement étant activés par une couche catalytique pour donner une réaction chimique, au voisinage du premier élément de capteur. L'invention concerne également une disposition de circuit pour ce capteur pour gaz d'échappement. A partir du document de publication DE 4228052 Al, on connait un capteur pour gaz d'échappement destiné à la régulation de moteurs à combustion interne et constitué d'un capteur présentant deux éléments de capteur qui sont disposés l'un à côté de l'autre sur un substrat commun. Le premier élément de capteur présente une couche catalytique qui a pour effet, dans le cas d'une composition stoechiométrique des gaz d'échappement, de régler une pression partielle d'équilibre d'oxygène dans les gaz d'échappement, qui est mesurée avec le premier élément de capteur. Le deuxième élément de capteur, qui ne présente pas de couche catalytique, mesure la pression partielle d'oxygène libre dans les gaz d'échappement, sans réglage catalytique des conditions stoechiométriques. A partir des signaux du premier et du deuxième élément de capteur est créé un signal de capteur qui constitue une mesure du caractère incomplet de la combustion du moteur à combustion interne. Le but de l'invention est de mettre à disposition un capteur pour gaz d'échappement, qui soit de construction simple et comporte une précision de mesure améliorée. Ce problème est résolu selon l'invention dans un capteur du type défini ci-dessus qui est caractérisé en ce que l'environnement du premier élément de capteur dans les gaz d'échappement est séparé de l'environnement du deuxième élément de capteur dans les gaz d'échappement de telle façon que l'environnement du deuxième élément de capteur dans les gaz d'échappement ne soit pas activé par le catalyseur. Il est particulièrement avantageux de disposer le premier et le deuxième élément de capteur séparés l'un de l'autre dans l'espace, de telle façon que la couche catalytique du premier élément de capteur n'ait pas d'influence sur l'environnement dans les gaz d'échappement du deuxième élément de capteur. On obtient ainsi l'amélioration de la précision du capteur pour gaz d'échappement. Suivant une caractéristique de l'invention, le premier élément de capteur est disposé sur une surface externe du substrat et le deuxième élément de capteur est disposé sur la surface externe, en opposition, du substrat. Suivant une autre caractéristique: - le capteur pour gaz d'échappement est fixé à l'intérieur d'un dispositif de maintien, - le capteur pour gaz d'échappement est entouré, au moins en partie, par le dispositif de maintien, - le dispositif de maintien présente deux canaux séparés de gaz d'échappement, et - le premier élément de capteur fait saillie dans le premier canal des gaz d'échappement et le deuxième élément de capteur fait saillie dans le deuxième canal des gaz d'échappement. Suivant une autre caractéristique, la surface externe du premier élément de capteur ou celle du deuxième élément de capteur, sont disposées sensiblement parallèles aux surfaces externes respectives du premier canal et du deuxième canal des gaz d'échappement, et les surfaces externes du premier et du deuxième élément de capteur se raccordent de façon continue aux surfaces externes respectives du premier et du deuxième canal des gaz d'échappement. Suivant une autre caractéristique la couche activée catalytiquement est disposée sur une pièce constitutive, au voisinage du premier élément de capteur. Suivant une autre caractéristique: - la couche catalytique est appliquée, au moins en partie, sur la surface externe du premier canal des gaz d'échappement, et, - en regardant dans la direction de l'écoulement des gaz d'échappement, la couche catalytique est disposée avant le premier élément de capteur, ou au moins à la même hauteur que ce dernier. L'invention a également pour objet une disposition de circuit pour un capteur pour gaz d'échappement tel que défini ci-dessus, caractérisée en ce que - le capteur pour gaz d'échappement est disposé dans le catalyseur, ou après le catalyseur, d'un moteur à combustion interne, - le premier et le deuxième élément de capteur sont montés en série sur une tension d'alimentation, et, - entre le premier et le deuxième élément de capteur, est prélevée une tension qui est utilisée pour contrôler la capacité de conversion du catalyseur. Un procédé de fabrication particulièrement simple est obtenu en ne disposant pas la couche catalytique sur le premier élément de capteur, mais au voisinage du premier élément de capteur. Dans une autre forme d'exécution avantageuse de l'invention, la couche catalytique est appliquée sur un tube de protection, au voisinage du premier élément de capteur. On décrira plus en détail l'invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue d'un capteur pour gaz d'échappement. La figure 2 est une vue d'une électrode de mesure. La figure 3 est une vue d'un tube de protection comportant un élément de capteur. La figure 4 est une vue d'un tube de protection sur lequel est appliquée la couche catalytique. La figure 5 est une vue d'un dispositif de mesure. La figure 6 est un schéma synoptique de remplacement pour une disposition de circuit. La figure 7 présente la courbe d'un signal de mesure. La figure 8 présente la courbe de la résistance du premier et du deuxième élément de capteur. La figure 1 montre un capteur 9 pour gaz d'échappement présentant un substrat 1, sur la face supérieure et sur la face inférieure duquel est chaque fois disposée une électrode de mesure 3, ces faces étant chacune recouvertes d'une couche d'oxyde métallique 4. Sur la face supérieure du substrat 1, au dessus de la couche d'oxyde métallique 4, est encore appliquée, en plus, une couche catalytique 7. Sauf la couche catalytique 7, le capteur 9 pour gaz d'échappement est construit de façon identique sur sa face supérieure et sur sa face inférieure. Dans le substrat 1, est introduite une structure de chauffe 2, qui, de préférence, est réalisée en platine et qui sert à chauffer le capteur 9 pour gaz d'échappement, qui est porté à une température de 800 à 900 C. De plus, au-dessus de la structure de chauffe 2, on peut mesurer, en même temps, au moyen d'une mesure de résistance, la température du substrat 1. Le substrat 1 est constitué, de préférence, d'oxyde d'aluminium (A1203), l'électrode de mesure 3 de platine et la couche d'oxyde métallique 4 d'un oxyde métallique faiblement actif comme catalyseur, de préférence de titanate de strontium (SrTiO3). La disposition de couche sur la face supérieure du substrat 1 représente un premier élément de capteur 5, comportant la couche catalytique 7, constituée, par exemple, de platine, de palladium ou de rhodium. Sur la couche catalytique 7, se règle toujours une pression partielle d'oxygène d'équilibre, de telle façon que le premier élément de capteur 5, lors d'une mesure en aval d'un catalyseur, mesure toujours une pression partielle d'oxygène d'équilibre indépendamment de la capacité de conversion du catalyseur. La disposition de couche sur la face inférieure du substrat 1 présente un deuxième élément de capteur 6, qui n'est pas actif catalytiquement, ou l'est seulement faiblement, de telle façon que les gaz d'échappement ne sont pas activés pour réagir, en particulier pour s'oxyder, ou, du moins, le sont seulement dans une faible proportion. De ce fait, les gaz d'échappement, au voisinage du deuxième élément de capteur 6, présentent une pression partielle d'oxygène qui correspond à la composition des gaz d'échappement et qui, si une mesure est effectuée après le catalyseur, dépend directement de la capacité de conversion du catalyseur. La pression partielle d'oxygène au voisinage de la couche d'oxyde métallique 4 a une influence directe sur la conductibilité de la couche d'oxyde métallique 4. La conductibilité a s'obtient à partir de la formule suivante: ((T) = ao * exp(-E/kT) * f(po), (1) o ao désigne une constante de conductibilité, E une énergie d'activation, k la constante de Boltzmann, T la température absolue, et f(po) une fonction de la pression partielle d'oxygène po au voisinage de la couche d'oxyde métallique 4. Comme les couches d'oxyde métallique 4 du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6 sont constituées du même métal, on a, pour la conductibilité des couches d'oxyde métallique 4 du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6, des valeurs égales de la constante ao de conductibilité et de l'énergie d'activation E. Le premier et le deuxième élément de capteur 5, 6 sont disposés à la même distance de la structure de chauffe 2, la construction du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6 étant identique, de telle façon que les températures dans les couches d'oxyde métallique 4 du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6 sont également égales. De ce fait, les conductibilités des couches d'oxyde métallique 4 du premier et du deuxième élément de capteur se distinguent seulement en raison de pressions partielles d'oxygène différentes au voisinage du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6. Ainsi, on peut mesurer la pression partielle d'oxygène différente causée par une conductibilité différente du premier et du deuxième élément de capteur. La figure 2 montre la structure de l'électrode de mesure 3 avec laquelle on mesure la résistance de la couche d'oxyde métallique 4. Pour cela, on applique une tension aux deux points de raccordement 19 de l'électrode de mesure 3, on mesure le courant et, à partir de cela, on calcule la résistance de la couche d'oxyde métallique 4, cette résistance représentant une grandeur de comparaison pour les pressions partielles d'oxygène dans l'environnement du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6. Une extension de l'invention est représentée sur la figure 3 et repose sur le fait que le capteur 9 pour gaz d'échappement est fixé dans un dispositif de maintien, en particulier dans un tube de protection 8. Le tube de protection 8 est construit de telle façon que le capteur 9 pour gaz d'échappement soit protégé de tous les côtés contre des détériorations mécaniques. Ce tube de protection 8 présente, de préférence, une section circulaire, et le capteur 9 pour gaz d'échappement est disposé au centre du tube de protection 8. Le tube de protection 8 est introduit dans une tubulure d'échappement d'un moteur à combustion interne, après le catalyseur ou dans le catalyseur. Le sens du courant des gaz d'échappement est indiqué par une flèche. Pour faire arriver les gaz d'échappement au premier et au deuxième élément de capteur 5, 6, un premier canal des gaz d'échappement et un deuxième canal 11 des gaz d'échappement sont réalisés dans le tube de protection 8. Ces canaux conduisent les gaz d'échappement s'écoulant du catalyseur dans le tube de protection 8, de telle façon que les gaz d'échappement s'écoulent sur le premier et le deuxième élément de capteur 5, 6, puis s'écartent de nouveau du tube de protection 8. Un effet essentiel des canaux 10, 11 des gaz d'échappement consiste à séparer les gaz d'échappement environnant le premier canal et le deuxième élément 10, 11, afin que l'environnement du deuxième élément de capteur 11 ne soit pas influencé par la couche catalytique 7 du premier élément de capteur 10. Le premier canal 10 des gaz d'échappement est réalisé avec une section qui se rétrécit dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, en allant dans la direction du premier élément de capteur 5, de telle façon qu'il règne, sur le premier élément de capteur 5, un écoulement accéléré des gaz d'échappement. Le deuxième canal 11 des gaz d'échappement est, de même, réalisé avec sa section se rétrécissant depuis la zone d'entrée des gaz d'échappement vers le deuxième élément de capteur 6, de telle façon qu'il règne également, sur le deuxième élément de capteur 6, un écoulement accéléré des gaz d'échappement. Une forme d'exécution avantageuse du tube de protection 8 consiste à disposer le capteur 9 pour gaz d'échappement symétriquement par rapport à la ligne médiane passant par le centre de la section circulaire du tube de protection 8, le premier élément de capteur 5 et le deuxième élément de capteur 6 étant disposés symétriquement par rapport à cette ligne médiane. Les canaux d'entrée 10, 11 ont, de même, une direction symétrique par rapport à la ligne médiane. Vu en section, le premier canal d'entrée est séparé du deuxième canal d'entrée par un coin d'entrée 12, qui s'élargit depuis la zone d'entrée des gaz d'échappement en direction du capteur 9 pour gaz d'échappement. L'extrémité du coin d'entrée 12, située en limite du capteur 9 pour gaz d'échappement, est réalisée aussi large que le capteur 9 des gaz d'échappement, de telle façon que le capteur 9 des gaz d'échappement se raccorde au coin d'entrée 12 sans former de décrochement, et que le coin d'entrée 12 et les éléments de capteur 5, 6 forment un plan sans décrochement. En regardant dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement, une pièce terminale 14, qui a exactement la même largeur que le capteur 9, se raccorde, sans décrochement, derrière le capteur 9 des gaz d'échappement. Ainsi la pièce terminale 14 et les éléments de capteur 5, 6 forment une surface sans décrochement. Du fait de la géométrie décrite du coin d'entrée 12, du capteur 9 pour gaz d'échappement et de la pièce terminale 14, on réalise un écoulement peu résistant dans le premier canal d'entrée 10 et le deuxième canal 11 des gaz d'échappement, car les gaz d'échappement circulent sans tourbillons dans le canal des gaz d'échappement. Sur la figure 3, le capteur 9 pour gaz d'échappement est construit conformément à la figure 1. Un développement avantageux de l'invention est représenté sur la figure 4. Le tube de protection 8 de la figure 4 est réalisé sous la forme correspondant au tube de protection 8 de la figure 3. Une différence consiste en ce que, par comparaison avec la figure 3, la couche catalytique 7 n'est pas disposée sur le premier élément de capteur 5, mais sur le tube de protection 8, au voisinage du premier élément de capteur 5, en particulier au voisinage de la couche d'oxyde métallique 4 du premier élément de capteur 5. Une zone avantageuse pour appliquer la couche catalytique 7 est représentée par les parois du premier canal des gaz d'échappement 10, ces parois étant disposées avant le premier élément de capteur 5, dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement. L'écoulement des gaz d'échappement est figuré par une flèche. La figure 4 montre une couche catalytique 7 appliquée sur la surface externe, c'est-à-dire sur la paroi du premier canal des gaz d'échappement 10. Le premier canal des gaz d'échappement 10 est réalisé avec une section circulaire, la couche catalytique 7 étant, de préférence, disposée sur toute la surface intérieure du premier canal des gaz d'échappement 10, cette surface étant située en avant du premier élément de capteur 5 en regardant dans la direction de l'écoulement des gaz d'échappement ou, du moins, encore à la même hauteur que lui. La couche catalytique 7 est soit seulement appliquée sur la paroi du premier canal des gaz d'échappement 10, soit également partiellement sur le premier élément de capteur 5. Si la couche catalytique 7 est appliquée seulement sur le tube de protection 8, le capteur 9 pour gaz d'échappement est alors réalisé à partir d'un premier élément de capteur 5 et d'un deuxième élément de capteur 6 qui sont identiques, ce qui simplifie le procédé de fabrication du capteur 9 pour gaz d'échappement. Le tube de protection 8 est constitué par une céramique, comme, par exemple, de l'oxyde d'aluminium, sur laquelle la couche catalytique 7 adhère bien. Cela est rendu plus avantageux par la plus grande rugosité de la surface de la céramique par rapport à l'oxyde métallique 4. Un autre avantage repose sur le fait que la couche catalytique 7 n'est pas limitée, pour la grandeur de la surface, à celle de la surface du premier élément de capteur 5. De ce fait, la forme de construction du capteur 9 pour gaz d'échappement peut être choisie indépendamment de la surface nécessaire pour la couche catalytique 7 et ainsi le capteur 9 pour gaz d'échappement peut être réalisé encore plus petit. La figure 5 représente une installation de mesure comportant un moteur à combustion interne 20, auquel est raccordé un tube de gaz d'échappement 21 passant par un catalyseur 22. Dans le catalyseur ou après le catalyseur 22, est introduit le capteur 9 pour gaz d'échappement, et il est relié à un appareil de commande 23 par des conduites de mesure. La figure 6 représente un schéma synoptique de remplacement pour la disposition de circuit de la figure 5. Les électrodes de mesure 3 du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6 sont, dans ce cas, montées en série sur la tension d'alimentation 16, étant entendu que la tension d'alimentation 16 est de 5 volts, et est désignée par UB. La deuxième résistance du deuxième élément de capteur 6 est désignée par Ro et la première résistance du premier élément de capteur 5 est désignée par R,. Entre le premier et le deuxième élément de capteur 5, 6, on mesure une tension de sortie 18, qui est désignée par U. La tension de sortie U dépend, en dehors de la tension de fonctionnement UB, exclusivement du rapport de la première résistance Rm à la deuxième résistance Ro: U = UB/ (1 + RO/ R.). (2) La résistance de la couche d'oxyde métallique 4 est inversement proportionnelle à la conductibilité a de la couche d'oxyde métallique qui est donnée par la formule (1). Les résistances Ro et Rm du deuxième élément de capteur et du premier élément de capteur dépendent ainsi seulement des pressions partielles d'oxygène dans les gaz d'échappement au voisinage du premier ou du deuxième élément de capteur 5, 6. Le dispositif choisi de mesure du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6 permet, de plus, une compensation des effets produits par une modification de température ou par une modification du débit massique. De plus, le vieillissement du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6 est compensé et, avec lui, la stabilité sur une longue période de la tension de sortie est améliorée. Comme le tube de protection 8 est réalisé en céramique, la faible conductibilité thermique de la céramique réduit l'influence de variations thermiques dans les gaz d'échappement sur la température du capteur 9 pour gaz d'échappement. Par le fait que seules les surfaces du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6 sont soumises aux gaz d'échappement, la puissance de chauffe de la structure de chauffe 2 nécessaire pour le fonctionnement du capteur 9 pour gaz d'échappement est réduite. Le montage symétrique du capteur 9 pour gaz d'échappement et des premier et deuxième canaux des gaz d'échappement 10 et 11 garantissent que l'influence de la température des gaz d'échappement et du courant de gaz d'échappement sur le premier et le deuxième élément de capteur 5, 6 soit de même grandeur, de telle façon que les températures du premier et du deuxième élément de capteur 5, 6 coincident. Le principe de la mesure repose sur le fait que, dans la zone du premier élément de capteur 5, en raison de l'activité catalytique de la couche catalytique 7, on provoque la réaction des gaz d'échappement, en particulier leur oxydation, et il se crée une pression partielle d'oxygène d'équilibre, soit parce que les gaz d'échappement présentent déjà la pression partielle d'oxygène d'équilibre en raison d'une capacité élevée de conversion du catalyseur, soit parce que la couche catalytique activée 7 produit elle-même une pression partielle d'oxygène d'équilibre dans les gaz d'échappement. Dans l'environnement du deuxième élément de capteur 6, il se crée, par contre, une pression partielle d'oxygène qui dépend de la composition des gaz d'échappement derrière le catalyseur à l'instant donné. La courbe caractéristique résistance-nombre caractéristique de l'air, du deuxième élément de capteur 6, est ainsi, seulement dans le cas de taux de conversion élevés du catalyseur, identique à la courbe caractéristique résistance-nombre caractéristique de l'air, du premier élément de capteur 5. Dans ce cas, les résistances Ro et R, sont de même grandeur et le signal de mesure U est égal à UB/2. Si le taux de conversion du catalyseur diminue, le rapport de Ro à R, se modifie pour donner des valeurs situées en-dessous de 1 en cas d'excès d'air (mélange maigre en carburant) et pour donner des valeurs situées au-dessus de 1 dans le cas de manque d'air (mélange riche en carburant). L'amplitude du signal de mesure U du capteur 9 pour gaz d'échappement autour de la valeur UB/2 en fonctionnement en régime lambda est directement une mesure du taux de conversion du catalyseur. Par fonctionnement en régime lambda, on désigne l'état de fonctionnement pour lequel la valeur du rapport air sur carburant (lambda) dans le mélange combustible est alternativement réglé plus grand ou plus petit que 1. La figure 7 représente le déroulement dans le temps de la tension de mesure U en fonction du temps t, pour un catalyseur en état de fonctionner, comportant un taux de conversion élevé, pour un moteur à combustion interne travaillant en régime lambda. Dans un premier état de fonctionnement A, qui correspond à un catalyseur froid, les amplitudes de la tension de mesure U sont de grandeur égale et la fréquence de la tension de mesure U est constante. Dans un deuxième état de fonctionnement B, dans lequel le taux de conversion du catalyseur augmente, les amplitudes du signal de mesure U deviennent plus petites en fonction du temps, mais la fréquence reste constante. Dans un troisième état de fonctionnement C, dans lequel le taux de conversion du catalyseur atteint un maximum, le signal de mesure U se poursuit avec une tension continue. La figure 8 représente, d'une façon correspondant aux états de fonctionnement de la figure 7, la courbe de la première résistance Rm et de la deuxième résistance Ro. On voit nettement sur la figure 8 que si le taux de conversion du catalyseur 22 augmente, la deuxième résistance Ro augmente, car la deuxième résistance Ro est proportionnelle à 1/a, a désignant la conductibilité, qui est proportionnelle à la pression partielle d'oxygène. Dans le cas d'un taux de conversion élevée du catalyseur 22, il règne toujours dans les gaz d'échappement une pression partielle d'oxygène d'équilibre correspondant aux rapports stoechiométriques donnés, de telle façon que le premier et le deuxième élément de capteur 5, 6 mesurent la même pression partielle d'oxygène. Mais si le catalyseur 22 présente une capacité de conversion faible ou nulle, il règne alors dans les gaz d'échappement une pression partielle d'oxygène libre, qui est mesurée par le deuxième élément de capteur 6, alors que le premier élément de capteur 5, en raison de l'effet catalytique propre, mesure une pression partielle d'oxygène d'équilibre, telle que la première et deuxième résistance indiquent des valeurs différentes et, de là, on peut déduire que le catalyseur 22 présente un faible taux de conversion, et donc une capacité de conversion faible. REVENDICATIONS 1. Capteur (9) pour gaz d'échappement, comportant un substrat (1), qui présente deux éléments de capteur (5, 6) pour la mesure de la pression partielle d'oxygène, les gaz d'échappement étant activés, au voisinage du premier élément de capteur (5), par une couche catalytique (7) pour donner une réaction chimique, caractérisé en ce que - l'environnement, dans les gaz d'échappement, du premier élément de capteur (5) est séparé de l'environnement, dans les gaz d'échappement, du deuxième élément de capteur (6), de telle façon que l'environnement du deuxième élément de capteur (6) dans les gaz d'échappement ne soit pas activé par le catalyseur. 2. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que - le premier élément de capteur (5) est disposé sur une surface externe du substrat (1) et que le deuxième élément de capteur (6) est disposé sur la surface externe, en opposition, du substrat (1). 3. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que - le capteur (9) pour gaz d'échappement est fixé à l'intérieur d'un dispositif de maintien (8), - le capteur (9) pour gaz d'échappement est entouré, au moins en partie, par le dispositif de maintien (8), - le dispositif de maintien (8) présente deux canaux séparés de gaz d'échappement (10, 11), et - le premier élément de capteur (5) fait saillie dans le premier canal (10) des gaz d'échappement et que le deuxième élément de capteur (6) fait saillie dans le deuxième canal (11) des gaz d'échappement. 4. Capteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que - la surface externe du premier élément de capteur (5) ou celle du deuxième élément de capteur (6), sont disposées sensiblement parallèles aux surfaces externes respectives du premier canal et du deuxième canal des gaz d'échappement, et en ce que les surfaces externes du premier et du deuxième élément de capteur (5, 6) se raccordent de façon continue aux surfaces externes respectives du premier et du deuxième canal (10, 11) des gaz d'échappement. 5. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que - la couche (7) activée catalytiquement est disposée sur une pièce constitutive, au voisinage du premier élément de capteur (5). 6. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que - la couche catalytique (7) est appliquée, au moins en partie, sur la surface externe du premier canal des gaz d'échappement, et, - en regardant dans la direction de l'écoulement des gaz d'échappement, la couche catalytique est disposée avant le premier élément de capteur (5), ou au moins à la même hauteur que ce dernier. 7. Disposition de circuit pour un capteur (9) pour gaz d'échappement suivant la revendication 1, caractérisée en ce que - le capteur (9) pour gaz d'échappement est disposé dans le catalyseur (22), ou après le catalyseur (22), d'un moteur à combustion interne (20). - le premier et le deuxième élément de capteur (5, 6) sont montés en série sur une tension d'alimentation (16), et, - entre le premier et le deuxième élément de capteur (5, 6), est prélevée une tension qui est utilisée pour contrôler la capacité de conversion du catalyseur (22).