Brevet FR2798466A1 — publié le 20010316

I Etat de la technique: La présente invention concerne un capteur pour déterminer la concentration en composants d'un mélange gazeux comprenant au moins une électrode de mesure exposée au mé- lange gazeux et une électrode de référence, ainsi qu'une ins- tallation de chauffage pour mettre en température au moins une électrode de mesure et l'électrode de référence. Un tel capteur convient notamment pour surveiller l'aptitude au fonctionnement des catalyseurs d'installations d'épuration des gaz d'échappement de moteurs à combustion in- terne. Les moteurs à combustion interne génèrent des gaz d'échappement contenant entre autres du monoxyde de carbone, des oxydes d'azote ainsi que des hydrocarbures imbrûlés ou partiellement brûlés. Les mesures de la teneur en oxygène des gaz d'échappement effectuées à l'aide des sondes Lambda habi- tuelles, ne fournissent pas toujours des informations suffi- santes concernant la qualité de la combustion du mélange de carburant. Pour différentes applications, il est particuliè- rement avantageux de pouvoir contrôler la teneur des compo- sants oxydables qui résultent d'une combustion incomplète. En plus de la réduction de la valeur limite de l'émission des gaz d'échappement, la surveillance du catalyseur des instal- lations de gaz d'échappement est importante pour son fonc- tionnement, par exemple pour un diagnostic embarqué. On utilise pour cela de plus en plus des capteurs fonctionnant selon le principe du potentiel mixte. De tels capteurs sont par exemple décrits dans les documents DE 44 08 504 Ai et DE 196 23 434 Ai. Le principe de mesure de tels capteurs nécessite un contrôle très précis de la tempé- rature des électrodes de mesure. Pour cela, on utilise une régulation de chauffage utilisant la résistance de l'installation de chauffage intégrée dans l'électrolyte du capteur, par exemple la résistance d'une installation de chauffage à platine, directement comme signal de température. La présente invention a pour but de perfectionner le contrôle de température des électrodes de mesure d'un cap- teur de gaz fonctionnant selon le principe du potentiel mixte. En particulier, l'invention se propose de corriger l'erreur systématique de tels capteurs selon laquelle la me- sure de température ne se fait pas à l'emplacement des élec- trodes de mesure mais à un endroit distinct au niveau de la résistance chauffante. Avantages de l'invention: A cet effet, l'invention concerne un capteur du type décrit ci-dessus caractérisé en ce qu'on utilise un si- gnal de mesure pris sur au moins une électrode de mesure que l'on modifie par une valeur de correction qui dépend de la puissance de chauffage d'une installation de chauffage, né- cessaire pour atteindre une valeur prédéterminée de la résis- tance chauffante d'au moins un élément chauffant de l'installation de chauffage. En modifiant le signal de mesure par une valeur de correction dépendant de la puissance de chauffage d'installation de chauffage, nécessaire pour atteindre la va- leur prédéterminée de la résistance chauffante, on améliore de manière significative la corrélation entre le signal de mesure du capteur et la concentration des composants gazeux à mesurer pour des paramètres de mesure différents ou des points de fonctionnement différents d'un moteur à combustion interne dont on détecte le mélange gazeux. Suivant une caractéristique avantageuse, la va- leur de correction en fonction de la variation de la puis- sance de chauffage est déterminée par mesure du capteur en fonctionnement, et enregistrée dans un champ de caractéristi- ques. Cela permet de déterminer exactement la relation fonc- tionnelle de la valeur de correction dépendant de la température du signal de capteur et de l'utiliser pour corri- ger le signal de mesure. Selon une autre caractéristique avantageuse, la valeur de correction est directement proportionnelle à la va- riation de la puissance de chauffage. Dans ce cas, il suffit de déterminer par mesure un seul coefficient de correction. Suivant une autre caractéristique avantageuse d'un capteur selon l'invention, une valeur de consigne prédé- terminée de la résistance chauffante d'au moins un élément chauffant de l'installation de chauffage peut être augmentée pour qu'à un point de fonctionnement du capteur, une demande de puissance de chauffage augmentée compense une chute de température correspondante pour au moins une électrode de me- sure. Dans ce cas, à la place de l'influence de la tem- pérature sur le signal à corriger, on maintient constante la température de l'électrode. Cela permet également de corriger l'erreur systématique créée dans de tels capteurs puisque la mesure de la température ne se fait par directement à l'endroit des électrodes de mesure mais à un endroit diffé- rent sur la résistance chauffante. De façon avantageuse, la valeur de consigne se détermine par des mesures effectuées pour différents états de fonctionnement du capteur et cette valeur est enregistrée dans un champ de caractéristiques. On détermine cette valeur en fonction de la chute de température obtenue par la mesure pour les électrodes. Dessins: La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'un capteur selon l'invention représenté schématiquement dans l'unique figure annexée. Description de l'exemple de réalisation: La figure montre schématiquement en coupe un cap- teur comportant un substrat céramique planaire 6, isolant, portant sur sa grande surface, des couches superposées à sa- voir une électrode de référence 3 par exemple en platine, un électrolyte solide 4, des électrodes de mesure 1, 2 ainsi qu'une couche protectrice 5 perméable aux gaz. La grande sur- face opposée du substrat 6 porte une installation de chauf- fage 7 munie d'un recouvrement 8. Pour déterminer la concentration de composants oxydables contenus dans des mélanges gazeux, par exemple des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, on chauffe le capteur à l'aide de l'installation de chauffage 7 à une température comprise entre 300 et 1000 C, de préférence à 600oC. Pour permettre la diffusion du gaz à mesurer dans l'électrode de référence 3 et régler le potentiel d'équilibre d'oxygène, la couche protectrice 5 est poreuse, frittée. De plus, on peut prévoir de manière connue en soi, un canal de5 référence ou une atmosphère de gaz de référence (non repré- senté). Par l'électrolyte solide 4 conducteur d'ions d'oxygène, le capteur fournit un signal de mesure sous la forme d'une tension de cellule par une première réaction de10 demi-cellule réglée à l'aide de l'électrode de référence 3 et une seconde réaction de demi-cellule influencée par les com- posants gazeux oxydables, à définir, sur au moins l'une des électrodes de mesure 1, 2. Par des courbes de calibrage, à partir des valeurs de la tension du circuit 10, on détermine les concentrations en composants gazeux. Dans le cas le plus simple, le capteur selon l'invention s'utilise avec une élec- trode de référence 3 qui catalyse l'équilibre du mélange ga- zeux, et l'électrode de mesure 1 ou 2 qui ne catalyse pas ou très peu l'équilibre du mélange gazeux. Il est toutefois éga- lement possible comme le montre la figure 1, de prévoir deux électrodes de mesure 1, 2 ou plusieurs électrodes de mesure avec une activité catalytique chaque fois différente pour ré- gler des états d'équilibre d'oxygène. Les électrodes de me- sure 1, 2 réagissent alors différemment en fournissant une tension dépendant du type de gaz par rapport à l'électrode de référence 3. Dans des dispositifs à deux ou plusieurs électro- des de mesure 1, 2 ayant une activité catalytique différente, il est également possible d'exploiter la tension entre les électrodes de mesure 1, 2 pour déterminer les gaz suscepti- bles d'être oxydés. Dans les mesures de tension entre les électrodes de mesure situées dans le même plan et à la même distance par rapport à l'installation de chauffage 7 comme par exemple les électrodes de mesure 1, 2 représentées à la figure 1, on élimine en outre l'effet Seebeck. En ayant au moins deux électrodes de mesure 1, 2, il est en outre possi- ble, comme le montre la figure 1, de compenser totalement ou au moins partiellement la sensibilité transversale d'une pre- mière électrode de mesure 1 par le signal d'une autre élec- trode de mesure 2, en réglant la sensibilité de cette autre électrode de mesure 2 en fonction des composants gazeux per- turbateurs. Pour mesurer les composants gazeux spécifiques des gaz d'échappement par exemple les hydrocarbures, il faut un contrôle très précis de la température des électrodes de mesure 1, 2. Pour cela, il est prévu une régulation de l'installation de chauffage 7 qui utilise la résistance de l'élément chauffant intégré dans le capteur par exemple d'un élément chauffant à platine, directement comme signal de tem- pérature. En fonctionnement stationnaire, un flux thermique O passe entre l'élément chauffant de l'installation de chauffage 7 et la surface supérieure du capteur refroidie par le flux de gaz d'échappement. Suivant la résistance thermique R entre l'élément chauffant de l'installation de chauffage 7 et les électrodes de mesure 1, 2 prévues à la surface du cap- teur, on a une différence de température AT selon l'équation suivante: AT = R * Si la température ou le débit volumique des gaz d'échappement change, il faut adapter la puissance de chauf- fage Pchauff à la puissance de refroidissement modifiée des gaz d'échappement pour maintenir constante la température de l'installation de chauffage 7. Cela modifie le flux thermique traversant le capteur et ainsi la différence de température AT. La température des électrodes de mesure 1, 2 dépend éga- lement de la puissance de refroidissement du gaz d'échappement pour une température maintenue constante de l'installation de chauffage 7. Comme le signal des capteurs de potentiel mixtes dépend fortement de la température, il est nécessaire de corriger le signal de capteurs, c'est-à- dire le signal de tension UMes pris entre les électrodes de mesure 1 et 2 ou entre les électrodes de mesure 1, 2 et l'électrode de référence 3. L'idée de base de l'invention consiste à utiliser la puissance de chauffage PChauff nécessaire pour atteindre la valeur de consigne de la résistance chauffante de l'élément chauffant pour corriger le signal du capteur. Cette variation de la puissance de chauffage APchauff, nécessaire pour compen- ser la puissance de refroidissement, modifiée, est directe- ment proportionnelle à la variation de la température des électrodes de mesure 1, 2. Une grandeur de réglage pour régu- ler le chauffage peut alors s'utiliser directement comme si- gnal d'entrée pour corriger le signal de mesure UMes comme l'indique l'équation suivante: Ucorr = UMes (1 - f(Pchauff)) La relation fonctionnelle f(PChauff) dépend de la fonction de température du signal de mesure UMes et doit être définie par des essais, en mesurant sur le capteur en fonc- tionnement, c'est-à-dire pendant l'utilisation de l'instal- lation de gaz d'échappement du véhicule, pendant le fonction- nement du moteur. Cette information peut par exemple s'enregistrer dans un champ de caractéristiques. Dans un exemple de réalisation, on utilise une approximation linéaire selon laquelle le signal de correction Ucorr correspond au signal de mesure UMes diminué d'une valeur de correction directement proportionnelle à la variation de la puissance de chauffage APChauff: UCorr = UMes (1 - K * APChauff) Le coefficient de correction K se détermine par expérience en mesurant le capteur en fonctionnement, pendant le fonctionnement du moteur; il peut s'agir d'une courbe ca- ractéristique. La correction du signal de mesure se fait dans le circuit 10. En utilisant le signal de la grandeur de réglage pour réguler l'installation de chauffage 7 pour corriger la dépendance entre le signal de capteur et la température et le débit volumique du gaz d'échappement, on améliore de manière significative la corrélation entre le signal de mesure du capteur et la concentration des composants gazeux à mesurer pour des points de fonctionnement différents du capteur ou des points de fonctionnement différents du moteur, dont la tubulure d'échappement est équipée du capteur. Dans un autre mode de réalisation, il est prévu de maintenir constante la température des électrodes 1, 2 au lieu d'utiliser l'influence de la température sur le signal à corriger. Pour cela, pour les points de fonctionnement du5 capteur correspondant à une augmentation de la demande de puissance de chauffage, on utilise la valeur de consigne de la résistance chauffante de l'élément chauffant de l'installation de chauffage 7 pour la régulation de la puis- sance de chauffage du circuit 10, en relevant cette valeur10 pour que la chute de température plus grande occasionnée soit compensée pour les électrodes de mesure 1, 2. Il est clair que la chute de température doit être déterminée au préalable de manière expérimentale. La valeur de consigne est enregistrée avantageu- sement selon des états de fonctionnement dans un champ de caractéristiques. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Capteur pour déterminer la concentration en composants d'un mélange gazeux comprenant au moins une électrode de me- sure (1, 2) exposée au mélange gazeux et une électrode de ré- férence (3), ainsi qu'une installation de chauffage (7) pour mettre en température au moins une électrode de mesure (1, 2) et l'électrode de référence (3), caractérisé en ce qu' on utilise un signal de mesure pris sur au moins une élec- trode de mesure (1, 2) que l'on modifie par une valeur de correction, qui dépend de la puissance de chauffage d'une installation de chauffage (7), nécessaire pour atteindre une valeur prédéterminée de la résistance chauffante d'au moins un élément chauffant de l'installation de chauffage (7). 2 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de correction en fonction de la variation de la puissance de chauffage est déterminée par mesure du capteur en fonctionnement, et enregistrée dans un champ de caracté- ristiques. 3 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de correction est directement proportionnelle à la variation de la puissance de chauffage. 4 ) Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur de correction (K) est définie par la mesure du cap- teur dans un état de fonctionnement et enregistrée dans une courbe caractéristique. ) Capteur pour déterminer la concentration des composants d'un mélange gazeux comportant au moins une électrode de me- sure (1, 2) exposée au mélange gazeux et une électrode de ré- férence (3) ainsi qu'une installation de chauffage (7) pour mettre en température au moins une électrode de mesure (1, 2) et une électrode de référence (3), caractérisé en ce qu' une valeur de consigne prédéterminée de la résistance chauf-5 fante d'au moins un élément chauffant de l'installation de chauffage (7), peut être augmentée pour qu'à un point de fonctionnement du capteur, une demande de puissance de chauf- fage augmentée compense une chute de température correspon- dante pour au moins une électrode de mesure (1, 2).10 6 ) Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valeur de consigne se détermine par mesure du capteur en fonctionnement et est enregistrée dans un champ de caracté- ristiques.