Brevet FR2782558A1 — publié le 20000225

I Etat de la technique: La présente invention concerne une installation de diagnostic pour une sonde de gaz d'échappement à chauffage électrique, potentiométrique, pour réguler les procédés de combustion avec alternance périodique de la composition du mélange carburant/air à brûler, entre un manque d'oxygène et un excédent d'oxygène, le signal de la sonde en cas de fonc- tionnement correct de la sonde alternant entre une première plage correspondant à des valeurs élevées du signal (manque d'oxygène) et une seconde plage correspondant à des valeurs faibles du signal (excédent d'oxygène), ces deux plages étant séparées par une troisième plage de valeurs, l'installation de diagnostic émettant un signal de défaut si le signal de la sonde reste plus longtemps qu'une durée maximale prédétermi- née à l'intérieur de la troisième plage. On connaît déjà une sonde à gaz d'échappement à chauffage électrique potentiométrique par exemple selon le document DE-OS-29 37 048 (US-43 10 401). Cette sonde est uti- lisée pour réguler des procédés de combustion par exemple dans des installations de chauffage ou des moteurs à combus- tion interne de véhicules automobiles. Pour des véhicules au- tomobiles, le législateur dans les différents pays exige des contrôles embarqués de tous les composants concernés par les gaz d'échappement. Un défaut aboutissant à une détérioration des gaz d'échappement doit être décelé et affiché par une lampe témoin. Dans ce contexte, la présente invention con- cerne notamment le diagnostic de tous les défauts électriques de la sonde de gaz d'échappement pendant son fonctionnement. Les défauts électriques sont notamment les courts-circuits des lignes de branchement électriques de la sonde tels que le court-circuit vers la tension de la batterie, le court- circuit à la masse, une rupture de câble, etc. La régulation des procédés de combustion se fait souvent selon un procédé de régulation en deux points. Dans ce cas, une sonde exposée aux gaz d'échappement du procédé de combustion distingue entre un gaz d'échappement riche en oxy- gène et un gaz d'échappement pauvre en oxygène. Dans le cas du gaz d'échappement riche en oxygène, on enrichit en carbu- rant le mélange carburant/air comburant alimentant le procédé de combustion, jusqu'à ce que le gaz d'échappement produit soit pauvre en oxygène. Puis on appauvrit le mélange en dimi- nuant l'alimentation en carburant jusqu'à l'apparition d'un excédent d'oxygène dans les gaz d'échappement. De cette fa- çon, la composition du mélange carburant/air comburant à brû- ler est modifiée périodiquement entre un défaut d'oxygène et un excédent d'oxygène; le signal de la sonde en cas de fonc- tionnement défectueux de la sonde, varie entre une première plage correspondant aux valeurs élevées du signal (manque d'oxygène) et une seconde plage pour les valeurs faibles du signal (excédent d'oxygène). Les deux plages sont séparées par une troisième plage de valeurs qui, en cas de fonctionnement de la sonde sans défaut est parcourue très rapidement entre chaque alter- nance entre la première et la seconde plages. Un diagnostic de sonde connu prévoit de considérer comme erreur un temps de séjour prolongé du signal de la sonde dans la troisième plage évoquée ci-dessus, car ce comportement est typique d'un dé- faut électrique tel qu'une rupture des lignes de transmission de signaux, ou la mise à la masse entre la sonde et l'appareil de régulation. Ce diagnostic s'est avéré extrême- ment fiable pour certains types de sondes alors que pour d'autres types de sondes, ce diagnostic a présenté des fai- blesses. En particulier pour les sondes Lambda = 1, comme celles connues selon le document DE OS 29 37 048, les ruptu- res de câble ont été reconnues par des essais comme n'offrant pas de sécurité suffisante. Vis-à-vis de cet arrière plan technologique, la présente invention a pour but de développer un diagnostic fiable des défauts électriques de sonde du type connu selon le document DE OS 29 37 048. A cet effet, l'invention concerne une sonde ca- ractérisée en ce qu'un signal de défaut est également émis si, à l'intérieur des variations prédéterminées, il y a des variations du courant de chauffage électrique, et le signal de la sonde quitte la troisième plage, provisoirement, à l'intérieur de la durée maximale évoquée après la variation du courant de chauffage. La présente invention repose sur la considération que les problèmes observés sur une sonde lambda = 1, en tech- nique planaire, avec un dispositif de chauffage de sonde et les électrodes de mesure sur une puce planaire, sont liés. Dans certains modes de fonctionnement, il peut ainsi arriver qu'entre le chauffage de la sonde et la cellule de Nernst de la sonde, on rencontre des résistances de couplage et des ca- pacités de couplage gênantes. La cellule de Nernst comprend un électrolyte solide avec des électrodes exposées d'une part aux gaz d'échappement et d'autre part à un gaz de référence ou à de l'air. La tension de la sonde se situe ainsi dans une plage de tension plausible, c'est-à-dire en dehors de la troisième plage évoquée ci-dessus, et ne peut être reconnue comme défectueuse par le diagnostic de sonde connu. Comme erreur consécutive, on risque que la régu- lation décrite ci-dessus du mélange carburant/air appauvrisse le mélange carburant/air jusqu'à la production de ratés d'allumage. Dans le cas extrême, cela peut produire la com- bustion du catalyseur équipant le véhicule et même l'incendie du véhicule. Déjà au préalable, un tel appauvrissement du mé- lange se traduit par une détérioration significative et per- ceptible du comportement de roulement. L'avantage de l'invention consiste à permettre de saisir en sécurité avec une extension fonctionnelle supplé- mentaire dans le diagnostic électrique des sondes, même pour des sondes planaires, tous les défauts qui se produisent, pour que les défauts évoqués ci-dessus et les détériorations qui en résultent ne risquent plus de se produire. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - la troisième plage correspond à des valeurs d'environ 400 mV jusqu'à 600 mV, - la durée maximale est comprise entre 4 et 10 secondes, - le signal de la sonde quitte provisoirement la troisième plage à l'intérieur de la durée maximale après une varia- tion du courant de chauffage qui ne dépasse pas 100 ms, - l'installation de diagnostic détermine une valeur de la ré- sistance interne du capteur à partir d'une température éle- vée de la sonde partant du signal de la sonde, pour émettre un signal d'erreur si la résistance interne ainsi obtenue dépasse une première valeur prédéterminée, - la température de la sonde est définie à partir d'une tem- pérature mesurée à proximité de la sonde, ou par modélisa- tion à partir des paramètres de fonctionnement du procédé de combustion, une valeur supérieure à 15 Kohm est une première valeur prédéterminée, et les températures hautes sont supérieures à 600 C, - on reprend le signal de défaut si la résistance interne ob- tenue passe en dessous d'une seconde valeur prédéterminée, - une seconde valeur prédéterminée est inférieure à 3 Kohm. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 montre le domaine technique de l'invention, - la figure 2 montre les chronogrammes du signal de la sonde en fonction du temps, avec et sans défaut, - la figure 3 décrit les influences du courant de chauffage sur le signal de la sonde, - la figure 4 montre un exemple de réalisation de l'invention sous la forme de blocs fonctionnels. La référence 1 à la figure 1 représente un schéma équivalent d'une sonde de gaz d'échappement à chauffage élec- trique. La référence 1.2 désigne la tension d'origine de la sonde; la référence 1.3 désigne sa résistance interne; la référence 1.4 désigne un moyen de chauffage électrique; et la référence 1.5 désigne un interrupteur commandé pour l'alimentation électrique du moyen de chauffage. Le moyen de chauffage et la sonde sont idéalement séparés électriquement l'un de l'autre. Dans le cas réel d'une proximité étroite en- tre le chauffage de sonde et le générateur de signal de sonde, il y a entre le générateur de signal de sonde (schéma- tisé par les chiffres 1.2 et 1.3) et le chauffage de la sonde, un couplage résistant et capacitif non souhaité, ce qui a été schématisé par les références 1.7 et 1.6. La réfé- rence 1.8 désigne une interruption éventuelle de la ligne de transmission de sonde et la référence 1.9 une interruption possible de la ligne de masse de la sonde. La référence 2 dé- signe un appareil de commande qui comporte l'installation de diagnostic 2.3 selon l'invention, un moyen 2.4 de reconnais- sance du bon fonctionnement des sondes, un régulateur 2.5, une commande de chauffage 2.6 ainsi qu'un circuit de prépara- tion du signal de sonde sous la forme d'une source de contre- tension 2.1 et d'une résistance 2.2. L'appareil de commande présente usuellement plu- sieurs fonctions par exemple pour commander l'allumage, la réinjection des gaz d'échappement, la ventilation du réser- voir etc. dans des moteurs à combustion interne. Ces fonc- tions sont sans signification pour la compréhension de l'invention et ont été ainsi supprimées dans les figures. Le bloc de diagnostic 2.3 commande également la lampe témoin 3. Des capteurs fournissent la reconnaissance de l'aptitude au fonctionnement et le régulateur reçoit des signaux concernant les conditions de fonctionnement du procédé de combustion; le régulateur en déduit des signaux de commande de l'organe d'actionnement 5, par exemple pour les injecteurs de carbu- rant d'un moteur à combustion interne. La figure 2 montre le chronogramme de la tension de sonde US. A l'état froid, la résistance interne Ri de la sonde et très fortement ohmique, de sorte que la tension de sonde US est dominée par la tension de la source de tension opposée 2.1 qui est par exemple de 450 millivolts. Cela cor- respond au profil du signal de sonde du bord gauche de la fi- gure 2. Après élévation de température de la sonde à environ 300 C, la tension de sonde au point tl quitte la plage des valeurs comprises entre le seuil inférieur USREM et le seuil supérieur USREF, ce qui interprète la reconnaissance d'aptitude au fonctionnement 2.4 comme signal de la sonde prête à fonctionner. Dans le cas d'une sonde prête à fonc- tionner, le régulateur 2.5 est branché et la coopération en- tre le régulateur, le chemin de régulation et la caractéristique de la sonde, règle au niveau du signal de la sonde, une alternance périodique entre la première plage avec des valeurs élevées pour le signal et la seconde plage avec des valeurs faibles pour le signal. Les deux plages de va- leurs sont séparées par la troisième plage de valeurs située entre la plage USREF et la plage USREM. Dans le cas de la sonde représentée, par le diag- nostic, on saisit une reconnaissance de rupture de câble, sans équivoque dans la ligne de signal (1.8), si la tension de sonde US se trouve entre le seuil du mélange riche USREF et le seuil du mélange pauvre USREM et ainsi à la tension op- posée pour un temps de parcours TRSA. Si une rupture de câble vers la masse de la sonde (1.9) se produit dans le cas de la sonde lambda représentée, il y aura, entre le pôle positif de la tension d'alimentation et le dispositif de chauffage de sonde 1.4, la résistance de couplage 1.7, la capacité de cou- plage 1.6, la résistance antagoniste 2.2 et la source de ten- sion antagoniste 2.1 assurant la liaison avec la masse. Si dans le cas de ce défaut, le chauffage de la sonde est commandé par la commande de chauffage 2.6 selon un rapport de travail déterminé, on arrive, comme l'ont constaté les inventeurs, à un condensateur de couplage 1.6 jusqu'à une température Tabgas = 700 C entre l'élément de chauffage et la cellule de Nernst de la sonde. Cela fait que les flancs de commutation de la commande de chauffage donnent des pointes de tension au signal de la sonde, si bien que l'on dépasse les seuils USREF et USREM. Cette situation est représentée à la figure 3. Ces pointes de tension font que pour une rupture de cable dans la ligne de masse de la sonde, le temps de diagnostic T1 égal à environ 5 sec ne peut pas s'écouler, car l'activation de l'élément de temporisation 4.3 (instant T1) est toujours interrompue avant la fin de la période de 5 se- condes, si bien que l'on ne peut reconnaître une rupture de câble vers la masse de la sonde. Ces pointes de tension d'une durée d'environ 20 millisecondes sont éliminées par le diag- nostic de l'invention. Pour cela, lorsque la tension de sonde US se situe à l'intérieur de la largeur de bande comprise en- tre les seuils USREM et USREF, on a une condition B1 qui n'est remise à l'état initial que si le signal de sonde s'est développé pendant au moins une durée T2 de l'ordre de 60 millisecondes au-delà de la largeur de bande. Mais comme la tension de la sonde, à la fin des pointes de tension, se trouve déjà après environ 20 millise- condes, de nouveau dans la largeur de bande évoquée, la con- dition Bl n'est pas annulée, si bien que le temps Tl peut s'écouler. A la fin du temps Tl, on remet à l'état initial l'aptitude au fonctionnement de sonde BBS, et le défaut de rupture de câble BKB est mis à l'état conduisant à une com- mande de la lampe témoin de défaut 3. Inversement, pour une bonne sonde sans rupture de câble à l'intérieur de la largeur de bande, la condition Bl est toujours mise à l'état mais après avoir quitté la bande de reconnaissance, elle est tou- jours remise à l'état initial à la fin de la durée T2, si bien que l'on ne peut diagnostiquer de défauts par rupture de câble. Une réalisation possible de cette fonction est donnée à la figure 4. Le bloc 4.1 vérifie si la tension de sonde US se trouve à l'intérieur de la largeur de bande évoquée entre les seuils USREM et USREF. Si cela est le cas, le bloc 4. 2 met à l'état la condition Bl. En conséquence, dans le bloc 4.3, on déclenche une mesure de temps. Si la condition Bl reste maintenue plus longtemps qu'une durée prédéterminée Tl, cette situation est exploitée comme signal correspondant à une rupture de câble et le bloc 4.4 branche la lampe témoin de défaut 3. En même temps, le bloc 4.5 et le bloc 4.6 remet- tent à l'état initial l'aptitude de la sonde à fonctionner. L'élimination des impulsions parasites de courte durée engendrées par le chauffage, se fait par les blocs 4.7, 4.8, 4.9. Le bloc 4.7 inverse la sortie du bloc 4.1. En d'autres termes: Le bloc 4.7 déclenche une mesure de temps dans le bloc 4.8 lorsque la tension de sonde US quitte la largeur de bande contrôlée dans le bloc 4.1. Si le signal reste plus longtemps qu'une durée prédéterminée T2, égale par exemple à millisecondes, à l'extérieur de la largeur de bande, le bloc 4.9 remet à l'état initial la condition Bl et arrête ainsi la mesure de temps dans le bloc 4.3. Cela garantit qu'en fonctionnement régulier de la sonde, la mesure de temps du bloc 4.3 est toujours interrompue. Cela évite toute signa- lisation non fondée d'une rupture de câble. Si le signal de sonde US, du fait d'une impulsion parasite de courte durée provoquée par le chauffage, reste brièvement à l'extérieur de la largeur de bande, alors le temps T2 ne se termine pas avant le retour du signal de sonde US dans la plage USREM des faibles tensions US, c'est-à-dire des faibles tensions USREF. En conséquence, la condition B1 n'est pas remise à l'état initial lorsque se produisent de courtes impulsions perturba- trices, et le temps T1 peut s'écouler. Aux températures élevées des gaz d'échappement et aux températures de sonde qui en résultent, il faut tenir compte d'un autre effet. C'est ainsi qu'au delà d'une tempé- rature de gaz d'échappement de 7000C entre l'élément de chauffage et la cellule de Nernst, on arrive en outre à une résistance de couplage 1.7 de l'ordre d'environ 100 kiloohms. Cela fait que la tension de sonde US se situe, même lorsque la ligne de masse est rompue, dans la plage des tensions plausibles au-dessus du seuil USREF. En fonctionne- ment régulier de la sonde, cela correspondrait à un mélange riche, c'est-à-dire à un mélange riche en carburant. En con- séquence, le régulateur Lambda produit un fort appauvrisse- ment du mélange. Cela peut se traduire par des ratées d'allumage qui produisent comme réaction un mélange carbu- rant/air imbrûlé dans le catalyseur. La température du cata- lyseur peut alors atteindre des valeurs élevées inacceptables. Pour éviter cette situation, il faut un diag- nostic rapide mettant le régulateur Lambda sur une valeur neutre évitant tout appauvrissement inacceptable du mélange. Pour cela, on peut utiliser la résistance interne Ri de la sonde, calculée à partir de la tension US de la sonde et des valeurs connues du circuit. Cette résistance interne augmente rapidement en cas de rupture de câble. Si la résistance interne est supé- rieure à un seuil R1 d'environ 20 kiloohms, à partir d'une température de gaz d'échappement de l'ordre de T-Abgaz supé- rieure à 600 C (seuil ABGT), alors on met une condition B2 et l'aptitude au fonctionnement de la sonde BBS est remise à l'état initial, le défaut par rupture de câble BKB étant af- fiché par la lampe témoin de défaut 3. Lorsque le défaut de rupture de câble est traité, la résistance interne Ri devient de nouveau faiblement ohmique, de sorte que pour un seuil R2 inférieur à un kiloohm, la condition B2 est de nouveau remise à l'état initial et l'aptitude au fonctionnement est égale- ment remise à l'état initial; le défaut de rupture de câble n'est plus transmis à l'affichage. Cette situation est réali- sée à la figure 4 par les blocs 4.10 jusqu'à 4.14. La tempé- rature des gaz d'échappement peut être déterminée à partir d'une température mesurée à proximité de la sonde ou en modé- lisant les paramètres de fonctionnement du procédé de combus- tion. En plus de la détection d'une rupture de la ligne de masse de la sonde, dans le cas d'une sonde planaire, après le branchement du chauffage de la sonde, on tient avantageu- sement compte du fait qu'un couplage fortement ohmique du chauffage sur la cellule de Nernst évite de déclencher préma- turément l'aptitude au fonctionnement de la sonde si la sonde est encore froide. On interdit un tel couplage si, grâce à une temporisation T3 d'environ 6 secondes, on retarde le si- gnal d'aptitude au fonctionnement de la sonde. Dans la vue de la figure 4, cela est réalisé par les blocs 4.15 et 4.16. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Installation de diagnostic pour une sonde de gaz d'échappement à chauffage électrique, potentiométrique pour réguler les procédés de combustion avec alternance périodique de la composition du mélange carburant/air à brûler, entre un manque d'oxygène et un excédent d'oxygène, le signal de la sonde en cas de fonctionnement correct de la sonde alternant entre une premiere plage correspondant à des valeurs élevées du signal (manque d'oxygène) et une seconde plage correspon- dant à des valeurs faibles du signal (excédent d'oxygène), ces deux plages étant séparées par une troisième plage de va- leurs, l'installation de diagnostic émettant un signal de dé- faut si le signal de la sonde reste plus longtemps qu'une durée maximale prédéterminée à l'intérieur de la troisième plage, caractérisée en ce qu' un signal de défaut est également émis si, à l'intérieur des variations prédéterminées, il y a des variations du courant de chauffage électrique, et le signal de la sonde quitte la troisième plage, provisoirement, à l'intérieur de la durée maximale évoquée après la variation du courant de chauffage. 2 ) Installation de diagnostic selon la revendication 1, caractérisée en ce que la troisième plage correspond à des valeurs d'environ 400 mV jusqu'à 600 mV. 3 ) Installation de diagnostic selon la revendication 1, caractérisée en ce que la durée maximale est comprise entre 4 et 10 secondes. 4 ) Installation de diagnostic selon la revendication 1, caractérisée en ce que la durée pendant laquelle le signal de la sonde quitte provi- soirement la troisième plage à l'intérieur de la durée maxi- male après une variation du courant de chauffage, ne dépasse pas 100 ms. Il ) Installation de diagnostic selon au moins l'une des re- vendications précédentes, caractérisée en ce que l'installation de diagnostic détermine une valeur de la ré- sistance interne du capteur à partir d'une température haute de la sonde partant du signal de la sonde, pour émettre un signal d'erreur si la résistance interne ainsi obtenue dé- passe une première valeur prédéterminée. 6 ) Installation de diagnostic selon la revendication 5, caractérisée en ce que la température de la sonde est définie à partir d'une tempé- rature mesurée à proximité de la sonde, ou par modélisation à partir des paramètres de fonctionnement du procédé de combus- tion. 7 ) Installation de diagnostic selon la revendication 5, caractérisée par une valeur supérieure à 15 Kohm comme première valeur prédé- terminée, et des températures supérieures à 600 C comme va- leurs de température haute. 8 ) Installation de diagnostic selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'on reprend le signal de défaut si la résistance interne ob- tenue passe en dessous d'une seconde valeur prédéterminée. 9 ) Installation de diagnostic selon la revendication 8, caractérisée par une seconde valeur prédéterminée qui est inférieure à 3 Kohm. ) Installation de diagnostic selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par son application au diagnostic embarqué des sondes de gaz d'échappement équipant des véhicules automobiles.