Brevet FR3081555A1 — publié le 20191129

Description Titre de l'invention : « Procédé de diagnostic de capteurs de gaz d'échappement » Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte à un procédé de diagnostic d'un capteur électro- chimique de gaz d'échappement. Technique antérieure [0002] On connaît déjà des capteurs électrochimiques de gaz d'échappement selon l'état de la technique et en particulier selon le document DE 102009027276 Al. [0003] EXPOSE ET AVANTAGES DE L'INVENTION [0004] La présente invention a pour objet un procédé de diagnostic d'un capteur électro- chimique de gaz d'échappement, ayant une première cellule électrochimique comportant une première électrode exposée aux gaz d'échappements et une seconde électrode à l'intérieur du capteur de gaz d'échappement et comportant un premier électrolyte solide conducteur d'ions d'oxygène entre la première et la seconde électrode, [0005] le capteur de gaz d'échappement ayant une seconde cellule de pompage électro- chimique qui a une troisième électrode dans le capteur de gaz d'échappement pour y communiquer avec la seconde électrode ainsi qu'une quatrième électrode et un second électrolyte solide conducteur d'ions d'oxygène entre le troisième et la quatrième électrode, [0006] le procédé ayant une première phase antérieure suivie dans le temps d'une seconde phase et ensuite d'une troisième phase à la suite de la seconde phase, [0007] la première phase se terminant à un premier instant, [0008] la seconde phase commençant au premier instant et se terminant à un troisième instant, [0009] la troisième phase commençant au troisième instant, [0010] une première tension de pompage étant appliqué à la première cellule électro- chimique qui pompe les ions d'oxygène de l'intérieur du capteur de gaz d'échappement et/ou pompe les ions d'oxygène vers l'intérieur du capteur de gaz d' échappement , [0011] la première tension de pompage variant dans le temps de façon que dans la seconde phase, au moins en moyenne plus d'ions d'oxygène sont pompés de l'intérieur du capteur de gaz d'échappement que dans la première phase et en ce que dans la seconde phase, au moins en moyenne, plus d'ions d'oxygène sont pompés de l'intérieur du capteur de gaz d'échappement que dans la troisième phase et/ou 2 [0012] la première tension de pompage variant dans le temps de façon que dans la seconde phase au moins en moyenne, moins d'ions d'oxygène sont pompés de l'intérieur du capteur de gaz d'échappement que dans la première phase et que dans la seconde phase au moins en moyenne, moins d'ions d'oxygène sont pompés de l'intérieur du capteur de gaz d'échappement que dans la troisième phase de sorte que la concentration en oxygène à l'intérieur du capteur de gaz d'échappement dans la seconde phase est supérieure à celle dans la première phase et à celle dans la troisième phase, [0013] une seconde tension de pompage est appliquée à la seconde cellule électrochimique pour pomper les ions d'oxygène de l'intérieur du capteur de gaz d'échappement de façon à mesurer un second courant de pompage électrique dans la conduite vers la seconde cellule électrochimique, [0014] on forme la valeur d'une performance de capteur comme quotient de l'intégrale du second courant de pompage à partir du premier instant jusqu'au second instant au cours de la seconde phase et de l'intégrale du second courant de pompage entre le troisième instant jusqu'au quatrième instant au cours de la troisième phase (III), [0015] le capteur de gaz d'échappement étant considéré comme empoisonné si la valeur de la performance de capteur est inférieure à un seuil prédéfini et/ou le capteur de gaz d'échappement est considéré comme non empoisonné si la valeur de la performance du capteur est supérieure à un seuil prédéfini. [0016] La présente invention repose sur le fait que des capteurs de gaz d'échappement selon l'état de la technique peuvent être empoisonnés par certaines matières, par exemple par du souffre, ce qui détériore la dynamique du signal. Or le procédé selon l'invention permet de distinguer les capteurs de gaz d'échappement empoisonnés par rapport aux capteurs de gaz d'échappement non empoisonnés. [0017] En d'autres termes le procédé selon l'invention concerne notamment le diagnostic d'un capteur électrochimique de gaz d'échappement. Le capteur de gaz d'échappement a une première cellule électrochimique qui a une première électrode en communication avec un gaz d'échappement par exemple par une barrière de diffusion ; cette cellule a une seconde électrode installée à l'intérieur du capteur de gaz d'échappement. La première cellule électrochimique a un premier électrolyte solide conducteur d'ions d'oxygène entre la première et la seconde électrode. Le capteur de gaz d'échappement a une seconde cellule électrochimique ayant une troisième électrode à l'intérieur du capteur de gaz d'échappement pour y communiquer avec la seconde électrode et se trouve par exemple dans la même chambre de gaz que la seconde électrode. La seconde électrochimique a en outre une quatrième électrode et un second électrolyte solide, conducteur d'ions d'oxygène, entre la troisième et la quatrième électrode. [0018] Il est notamment prévu que le capteur de gaz d'échappement comporte une troisième cellule électrochimique qui a une cinquième électrode à l'intérieur du capteur de gaz 3 d'échappement, en communication avec la seconde et la troisième électrode et se trouvant par exemple dans la même chambre de gaz que la seconde et la troisième électrode. La troisième cellule électrochimique de pompage a une sixième électrode installée dans un gaz de référence et ayant un troisième électrolyte solide, conducteur d'ions d'oxygène entre la cinquième et la sixième électrode. [0019] Il est notamment prévu un dispositif de chauffage intégré dans le capteur de gaz d'échappement. [0020] Suivant une autre caractéristique le procédé se compose d'une première phase an- térieure, d'une seconde phase à la suite de la première phase et d'une troisième phase à la suite de la seconde phase ; la première phase se termine à un premier instant et la seconde phase commence à ce premier instant et se termine à un troisième instant ; à cet instant commence la troisième phase. La première phase peut commencer à un instant nul, la seconde peut avoir un second instant et la troisième phase avoir un quatrième instant et se terminer à un cinquième instant. [0021] Il est notamment prévu selon l'invention, d'appliquer une première tension de pompage à la première cellule électrochimique qui, selon la polarité, pompe des ions d'oxygène de l'intérieur et/ou vers l'intérieur du capteur de gaz d'échappement. [0022] Il est prévu notamment selon l'invention de faire varier dans le temps, la première tension de pompage pour que dans la seconde phase, au moins en moyenne, plus d'ions d'oxygène sont pompés vers l'intérieur du capteur de gaz d'échappement que dans la première phase et que dans la seconde phase, au moins en moyenne, plus d'ions d'oxygène sont pompés à l'intérieur du capteur de gaz d'échappement que dans la troisième phase et/ou il est prévu que la première tension de pompage varie dans le temps pour que dans la seconde phase, au moins en moyenne, moins d'ions d'oxygène sont pompés de l'intérieur du capteur de gaz d'échappement que dans la première phase et que dans la seconde phase, au moins en moyenne, moins d'ions d'oxygène sont pompés de l'intérieur du capteur de gaz d'échappement que dans la troisième phase de sorte que dans la seconde phase la concentration en oxygène à l'intérieur du capteur de gaz d'échappement est supérieure à celle de la seconde phase et à celle de la troisième phase. Cela englobe également le fait et avec le même effet que dans la seconde phase, que les ions d'oxygène sont pompés vers l'intérieur du capteur de gaz d'échappement alors que dans la première phase et dans la troisième phase, les ions d'oxygène sont pompés de l'intérieur du capteur de gaz d'échappement. [0023] Selon l'invention, il est notamment prévu d'appliquer une seconde tension de pompage à la seconde cellule électrochimique, pour pomper des ions d'oxygène de l'intérieur du capteur de gaz d'échappement pour mesurer un second courant électrique de pompage dans la ligne d'alimentation reliée à la seconde cellule électrochimique. [0024] Selon l'invention on forme notamment la valeur d'une performance de capteur 4 composée du quotient de l'intégrale du second pompage entre le premier instant et le second instant dans la seconde phase, et de l'intégrale du second courant de pompage, entre le troisième instant et le quatrième instant pendant la troisième phase. [0025] En s'appuyant sur cette valeur, on considère le capteur de gaz comme empoisonné si la valeur est inférieure à un seuil prédéfini et/ou que le capteur de gaz n'est pas empoisonné si la valeur est supérieure à un seuil prédéfini. [0026] Le procédé peut s'appliquer notamment dans un environnement dans lequel la com- position du gaz ne varie pas ou seulement très lentement. Ainsi le procédé peut s'appliquer pendant que le moteur à combustion interne est en phase de fin de course-moteur avec le capteur de gaz d'échappement. [0027] Il est notamment prévu que l'intervalle entre le premier instant et le second instant soit compris entre ls et 8s et notamment égal à 3s ; la période entre le troisième instant et le quatrième instant est compris entre 2s et 12s, notamment égal à 5s et en ce que le seuil prédéfini se situe entre 4 et 9 et qu'il est de préférence égal à 6,5. [0028] Il est notamment prévu de mesurer la tension de Nernst Vs développée sur la troisième cellule électrochimique et de la réguler sur une tension de consigne prédéfinie, en faisant varier la première tension de pompage en fonction de la différence entre la tension de Nernst Vs, mesurée et la tension de consigne prédéfinie dans la seconde phase par une valeur plus petite que dans la première phase, la tension de consigne dans la seconde phase étant prédéfinie par une valeur plus petite que dans la troisième phase. La tension de consigne dans la première et dans la troisième phase est par exemple égale à 425mV ; la tension de consigne dans la seconde phase est par exemple égale à 225mV. [0029] Si le diagnostic indique que le capteur de gaz d'échappement est empoisonné, on peut lancer une opération de régénération ayant pour but d'obtenir un capteur de gaz considéré comme non empoisonné. Si le diagnostic a par ailleurs déjà montré que le capteur de gaz d'échappement n'est pas empoisonné, on n'applique pas cette régénération. Brève description des dessins [0030] La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de procédé de diagnostic d'un capteur électrochimique de gaz d'échappement comme représentés dans les dessins annexés dans lesquels : [0031] [fig.1] montre un exemple de capteur de gaz d'échappement en section, [0032] [fig.21 montre à titre d'exemple le second courant de pompage pendant le procédé, [0033] [fig.31 montre la performance de capteur pour différents capteurs de gaz d'échappement. [0034] DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION [0035] Le capteur de gaz d'échappement 100 sert à déterminer au moins une fraction d'un composant de gaz de mesure avec de l'oxygène combiné, appelé ci-après par exemple oxyde d'azote Nox, dans un mélange de gaz par exemple dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne ; il comprend à cet effet, un élément de capteur 110, une première cellule électrochimique 112 (cellule de pompage) avec une première électrode 114 et une seconde électrode 116 ainsi qu'un premier électrolyte solide 117 entre ces électrodes. La première électrode 114 est séparée de l'environnement du capteur 100 par une couche d'oxyde d'aluminium poreux 118 ; la cellule comporte une première liaison électro-conductrice 120 pour appliquer une première tension de pompage UP1 à la première cellule électrochimique 112 ou un premier courant de pompage IP1 à la première cellule électrochimique 112. La première liaison électroconductrice 120 est reliée à une borne P1 d'un appareil de commande électronique externe 122. Pour avoir le circuit complet, la seconde électrode 116 a également une seconde liaison électro conductrice 124 reliée à une borne commune COM de l'appareil de commande électronique externe 122. La première cellule électrochimique 112 est appliquée à une première cavité 126 à l'intérieur de l'élément de capteur 110 et communique avec le gaz de mesure. Le premier courant de pompage IP1 dans la première cellule électrochimique 112, transporte une première fraction d'ions d'oxygène obtenus à partir de l'oxygène moléculaire du mélange de gaz, entre la première cavité 126 et l'environnement du capteur 100 (par exemple les gaz d'échappement). Dans le trajet d'entrée à partir de l'environnement vers la première cavité 126, il y a une barrière de diffusion 128. [0036] L'élément de capteur 110 comporte en outre une troisième cellule électrochimique 130 (cellule de Nernst Vs) qui a une cinquième électrode 132 et une sixième électrode 134 et entre celle-ci, un troisième électrolyte solide 135. Alors que la cinquième électrode 132 est reliée par la seconde liaison électro-conductrice 124 par exemple avec la seconde électrode 116 à la borne commune COM, la sixième électrode 134 a une liaison électro-conductrice 136 particulière vers le branchement Vs de l'appareil de commande électronique externe 122 ce qui permet de déterminer de la tension de Nernst Vs appliquée à la troisième cellule électrochimique 130. La troisième cellule électrochimique 130 est appliquée à une chambre de gaz de référence 138. [0037] L'oxyde d'azote NOx composant du gaz de mesure contenu dans le mélange de gaz avec de l'oxygène combiné, arrive notamment du fait d'une faible activité catalytique correspondante de la seconde électrode 116, pratiquement complètement sur la seconde cellule électrochimique 140 (cellule N0x) de l'élément de capteur 110. Cette seconde cellule électrochimique 140 a une troisième électrode 142 et une quatrième électrode 144 et entre celles-ci un second électrolyte solide 143 ; il est appliqué à une seconde cavité 145 à l'intérieur de l'élément de capteur 110. Au moins l'une de ces 6 deux électrodes 142, 144 est réalisée de façon qu'en appliquant une tension, on génère par catalyse, de l'oxygène moléculaire à partir du composant de gaz de mesure NOx. [0038] La cinquième électrode 142 est reliée par une liaison électro-conductrice 146 à la borne commune COM ; la sixième électrode 144 a une liaison électro-conductrice 146 pour appliquer une seconde tension de pompage UP2 à la seconde cellule électrochimique 140. La liaison électro conductrice 146 est reliée à une borne P2 de l'appareil de commande électronique externe 122. L'application d'une seconde tension de pompage UP2 à la seconde cellule électrochimique 140 produit un second courant de pompage IP2. Ce courant sert au fonctionnement normal du capteur de gaz d'échappement pour détecter le composant de gaz de mesure. [0039] L'élément de capteur 110 dispose en outre d'un élément chauffant 148 relié par deux lignes 150 aux bornes HTR+ et HTR- de l'appareil de commande 122 ; cela permet d'appliquer un courant de chauffage à l'élément de chauffage 148 qui génère une puissance de chauffage pour élever l'élément de capteur 110 à la température souhaitée. [0040] On applique le procédé selon l'invention de diagnostic du capteur de gaz d'échappement 100 décrit à titre d'exemple en référence à la figure 2 de façon séparée dans le temps, par rapport au fonctionnement normal du capteur de gaz d'échappement, c'est-à-dire la détection d'au moins une fraction d'un composant de gaz de mesure avec de l'oxygène combiné, par exemple pendant la fin de course du moteur à combustion interne dont la conduite des gaz d'échappement est équipée du capteur de gaz d'échappement 100. [0041] Le procédé commence à l'instant zéro tO avec une première phase I. Dans la première phase I on asservit la tension de pompage UP1 appliquée à la première cellule électrochimique 112 par un circuit de régulation de façon que la tension de Nernst Vs mesurée sur la troisième cellule électrochimique 130 soit une valeur constante égale à 425Mv. La concentration d'oxygène à l'intérieur du capteur de gaz d'échappement 100, dans les cavités 126 et 145, est ainsi très faible, même si la seconde tension de pompage UP2 est appliquée à la seconde cellule électrochimique 140, le second courant de pompage IP2 qui en résulte est nul. Si le second courant de pompage IP2 dans la première phase I n'est pas nul, cela peut s'interpréter comme un décalage et alors on corrige le second courant de pompage IP2 pendant l'ensemble du procédé, pour que sa valeur corrigée qui en résulte dans la phase I soit nulle. [0042] La première phase I se termine au premier instant tl et la seconde phase II du procédé de diagnostic du capteur de gaz d'échappement 100 commence. Dans la seconde phase II, on asservit par le circuit de régulation, la première tension de pompage UP1 appliquée à la première cellule électrochimique 112 pour que la tension de Nernst Vs mesurée sur la troisième cellule électrochimique 130 soit à la valeur 7 constante de 225mV. La concentration en oxygène à l'intérieur du capteur de gaz d'échappement 100 c'est-à-dire dans les cavités 126 et 145 est d'autant plus grande que le courant ionique qui traverse la seconde cellule électrochimique 140 est grand. Comme cela correspond à la figure 2, le second courant de pompage IP2 au second instant passe à une valeur élevée. Après une courte phase de stabilisation, le second courant de pompage IP2 dans la seconde phase II, reste à une valeur élevée. Dans cet exemple, la valeur de l'intégrale du second courant de pompage IP2 entre le premier instant tl et le second instant t2 suit à 3 secondes après le premier instant tl et donne la valeur résultante Il. [0043] Ensuite la seconde phase II se termine au troisième instant t3 et la troisième phase III commence. Dans cette phase, on asservit de nouveau la première tension de pompage UP1 appliquée à la première cellule électrochimique 112 en utilisant le circuit de régulation de façon que la tension de Nernst Vs mesurée sur la troisième cellule électrochimique 130 soit à la valeur constante de 425mV. La concentration en oxygène à l'intérieur du capteur de gaz d'échappement 100, c'est-à-dire dans les cavités 126 et 145 diminue de nouveau pour atteindre une valeur très faible et après la phase de stabilisation, le second courant de pompage IP2 (le cas échéant après déduction du décalage dans la première phase I) est nul. Dans cet exemple, la valeur de l'intégrale est obtenue par une intégration appliquée au second courant de pompage IP2 entre le troisième instant t3 et le quatrième instant t4 et qui suit à cinq secondes après le troisième instant t3 ; on saisit la valeur résultante 12. La troisième phase III se termine au cinquième instant t5, de façon adjacente dans le temps, au quatrième instant t4. [0044] On calcule la performance de capteur SPI comme quotient 11/12. Le quotient de l'intégrale I1 par le second courant de pompage IP2 entre le premier instant tl et le second instant t2 pendant la seconde phase II et l'intégrale 12 du second courant de pompage IP2 entre le troisième instant t3 et le quatrième instant t4 correspond à la troisième phase III. [0045] Si la performance de capteur SPI est inférieure ou égale à 6,5 on estime que le capteur de gaz d'échappement 100 est empoisonné. Dans le cas contraire, il est considéré comme n'étant pas empoisonné. [0046] Si le capteur de gaz d'échappement 100 est considéré comme empoisonné, on effectue une opération de régénération pour obtenir un capteur de gaz d'échappement 100 non empoisonné. Dans le cas contraire, il n'y a pas d'action spécifique à effectuer. [0047] Dans un essai on a soumis en tout 34 capteurs de gaz d'échappement 100 au procédé de diagnostic selon l'invention (voir figure 3). [0048] Un premier groupe de capteurs qui porte la référence A à la figure 3 est neuf. Comme performance SPI on a, comme indiqué ci-dessus, mesuré des valeurs comprises entre 7 et 8,5. On a conclu que ces capteurs n'étaient pas empoisonnés. 8 [0049] Un second groupe de capteurs portant la référence B à la figure 3 a été vieilli pendant 50 heures dans la conduite des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne fonctionnant normalement. On a ensuite mesuré la performance de capteur SPI comme cela a été décrit ci-dessus, pour des valeurs comprises entre 8 et 10. On a conclu que ces capteurs n'étaient pas empoisonnés. [0050] On a mis un troisième groupe de capteurs référencé à la figure 3 par la lettre C, pendant 10 heures, au contact de composés contenant du souffre. Comme performance de capteur SPI, on a ensuite mesuré comme décrit ci-dessus, des valeurs comprises entre 4 et 5. On a conclu que les capteurs étaient empoisonnés. Ces capteurs ont pu être ensuite régénérés en appliquant des mesures appropriées. [0051] NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX [0052] 100 Capteur de gaz d'échappement [0053] 110 Elément de capteur [0054] 112 Première cellule électrochimique [0055] 114 Première électrode [0056] 116 Seconde électrode [0057] 117 Premier électrolyte solide [0058] 120 Première liaison électro conductrice [0059] P1 Borne d'un appareil de commande électronique externe [0060] 122 Appareil de commande électronique externe [0061] 124 Seconde liaison électro conductrice [0062] 126 Première cavité [0063] 130 Troisième cellule électrochimique [0064] 132 Cinquième électrode [0065] 134 Sixième électrode [0066] 135 Troisième électrolyte solide [0067] 136 Liaison électro conductrice particulière [0068] 140 Seconde cellule électrochimique [0069] 142 Troisième électrode [0070] 144 Quatrième électrode [0071] 143 Electrolyte solide entre la troisième et la quatrième électrode [0072] 145 Seconde cavité creuse [0073] 146 Liaison électro conductrice [0074] UP2 Seconde tension de pompage [0075] 152 Ligne d'alimentation [0076] 146 Cavité [0077] Vs tension de Nernst [0078] Ti Premier instant 9 [0079] T2 Second instant [0080] T3 Troisième instant [0081] SPI Performance de capteur [0082] COM Borne commune [0083] IP1 IP2 Courant de pompe [0084] UP1 UP2 Tension de pompe [0085] Vs Borne de l'appareil de commande [0086] Pl, P2 Borne [0087] HTR+ Bornes [0088] HTR- Bornes [Revendication 11