Brevet FR3123089A1 — publié le 20221125

L'invention porte sur un procédé d'amélioration de la précision d'un signal de mesure d'une sonde à oxygène (22, 23) associée à un dispositif de dépollution (21) de gaz d'échappement d'un moteur thermique (10) à essence comportant: - une étape de stockage d'une cartographie de fonctions de transfert de signaux de mesure de la sonde à oxygène (22, 23) en fonction d'un coefficient lambda représentatif d'une richesse de mélange air/carburant pour différentes températures de la sonde à oxygène (22, 23), - une étape de détermination de la température de la sonde à oxygène (22, 23), - une étape de sélection, dans la cartographie de fonctions de transfert, de la fonction de transfert la plus proche de la température de la sonde à oxygène (22, 23) précédemment déterminée, et - une étape d'utilisation de la fonction de transfert sélectionnée pour obtenir un signal de mesure de la sonde à oxygène (22, 23). Figure 3 PROCEDE D'AMELIORATION D'UN SIGNAL DE MESURE D'UNE SONDE A OXYGENE La présente invention concerne, de façon générale, le post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur thermique, en particulier dans un véhicule automobile. L'invention porte plus particulièrement sur un procédé d'amélioration d'un signal de mesure d'une sonde à oxygène. Un véhicule automobile à moteur thermique émet des gaz, dits gaz d'échappement, suite à la combustion de carburant et d'air dans le moteur thermique. L'émission de ces gaz d'échappement est réglementée par des normes visant à limiter la teneur en certains polluants, par post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur. Aussi, il est connu de traiter les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement des gaz, autrement dit après leur émission. Une telle ligne d'échappement comprend généralement un catalyseur et un filtre à particules, également désigné GPF, pour "Gasoline Particulate Filters" en langue anglaise, dans le cas d'un moteur à essence. Afin de pouvoir mesurer efficacement la teneur en oxygène des gaz d’échappement ainsi que la performance du catalyseur d'oxydation, des sondes à oxygène, dite également "sonde lambda" sont disposées respectivement en amont et en aval du catalyseur. Comme cela est illustré par la montrant l'évolution des signaux de tension Us de la sonde amont (courbe C1) et de la sonde aval (courbe C2), on diagnostique le fonctionnement du catalyseur via la création d'une phase riche Ph_r en amont du catalyseur pour le purger puis d'une phase pauvre Ph_p en amont du catalyseur. La purge est maintenue pendant la période MP. On attend ensuite d'observer le signal de la sonde aval basculer dans un régime pauvre. On mesure alors la durée entre l’instant t1 de bascule de la sonde amont et l'instant t2 de bascule de la sonde aval. On intègre le débit en oxygène sur la durée Pint entre t1 et t2 pour déterminer la capacité de stockage en oxygène dite "OSC" pour "Oxygen Stockage Capacity" en anglais du catalyseur. L’OSC du catalyseur est l’aptitude du catalyseur à stocker de l’oxygène. L'OSC est représentative de l'état de vieillesse du catalyseur car plus le catalyseur vieillit, plus l’OSC chute dans le temps. Lorsque l'OSC devient inférieure à une valeur seuil, on considère que le catalyseur est défaillant et nécessite donc d'être changé. Les sondes à oxygène se basent sur le principe du Zircone et sur des électrodes en platine. Suite à une montée en température, le Zircone a l’aptitude de laisser passer les ions oxygène. Le courant associé à ce passage d’ions est représentatif de la présence d’oxygène. La courbe caractéristique de fonctionnement d'une sonde à oxygène appelée courbe en "S" du fait de sa forme est montrée sur la . Cette courbe indique le niveau de tension retourné par la sonde en fonction d'un rapport "Lambda". Ce rapport lambda est le rapport entre un dosage idéal en carburant et un dosage réel en carburant. Le rapport Lambda représente donc l'inverse de la richesse. La sonde voit sa tension basculer en fonction de la richesse du milieu. La tension est proche de 1V en régime riche et proche de 0V en régime pauvre. La plage Preg correspond à une plage de réglage située entre 0.97 et 1.04. La problématique est que cette courbe caractéristique de fonctionnement de la sonde à oxygène est dépendante de la température de la sonde, ce qui peut induire des dispersions importantes du signal de mesure et donc un diagnostic erroné de l'état de fonctionnement du catalyseur. L’invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé d'amélioration de la précision d'un signal de mesure d'une sonde à oxygène associée à un dispositif de dépollution de gaz d'échappement d'un moteur thermique à essence, ledit procédé comportant: - une étape de stockage d'une cartographie de fonctions de transfert de signaux de mesure de la sonde à oxygène en fonction d'un coefficient lambda représentatif d'une richesse de mélange air/carburant pour différentes températures de la sonde à oxygène, - une étape de détermination de la température de la sonde à oxygène, - une étape de sélection, dans la cartographie de fonctions de transfert, de la fonction de transfert la plus proche de la température de la sonde à oxygène précédemment déterminée, et - une étape d'utilisation de la fonction de transfert sélectionnée pour obtenir un signal de mesure de la sonde à oxygène. L'invention permet ainsi, en tenant compte de la température de la sonde à oxygène, d'améliorer la précision du signal de mesure et donc la qualité du diagnostic de fonctionnement réalisé à partir des mesures retournées par les sondes à oxygène. Selon une mise en œuvre de l’invention, l'étape de détermination de la température de la sonde à oxygène comprend une sous-étape de génération d'un pic de courant dans la sonde à oxygène. Selon une mise en œuvre de l’invention, l’étape de détermination de la température de la sonde à oxygène comprend une sous-étape de mesure de la valeur de la résistance de Nernst de la sonde à oxygène lors dudit pic de courant. Selon une mise en œuvre de l’invention, la résistance de Nernst est calculée à partir de la formule suivante: - U(t0) étant la tension mesurée à l'instant t0 correspondant à un instant auquel commence le pic de tension, - U(t1) étant une tension mesurée à un instant t1 correspondant à un instant où le pic de courant a atteint sa valeur maximale, et - lpulse étant l'intensité d'un pic de courant. Selon une mise en œuvre de l’invention, chaque étape de détermination de la température de la sonde à oxygène comprend une sous-étape de détermination de la température à partir de ladite valeur de la résistance de Nernst mesurée et d'une courbe prédéterminée représentant la résistance de Nernst en fonction de la température. Selon une mise en œuvre de l’invention, le dispositif de dépollution comprend un catalyseur et un filtre à particules. L’invention a également pour objet un calculateur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé d'amélioration de la précision d'un signal de mesure d'une sonde à oxygène tel que précédemment défini. L’invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant un moteur thermique à essence et un dispositif de dépollution des gaz d'échappement dudit moteur thermique à essence, lesdits gaz d'échappement étant adaptés pour traverser ledit dispositif de dépollution d'amont en aval, ledit véhicule automobile comprenant une sonde à oxygène amont placée en amont du dispositif de dépollution et une sonde à oxygène aval placée en aval du dispositif de dépollution, ledit véhicule automobile comportant un calculateur tel que précédemment défini. Selon une réalisation de l’invention, le dispositif de dépollution comprend un catalyseur et un filtre à particules. Selon une réalisation de l’invention, les sondes à oxygène comportent du Zircone. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention. La , déjà décrite, montre l'évolution en fonction du temps de signaux de tension d'une sonde à oxygène amont et d'une sonde à oxygène aval observables lors d'un diagnostic de fonctionnement du catalyseur; La , déjà décrite, est une courbe caractéristique de fonctionnement d'une sonde à oxygène; La est une représentation schématique d'une ligne d'échappement du moteur thermique d'un véhicule automobile mettant en œuvre le procédé selon l'invention d'amélioration d'un signal de mesure d'une sonde à oxygène; La est une vue en coupe d'une sonde à oxygène de la et du circuit de connexion électrique de ladite sonde; La montre des courbes représentant des mesures effectuées par des sondes à oxygène de la ; La montre une courbe d'une tension mesurée par une sonde à oxygène de la ; La montre une courbe d'une résistance de la sonde à oxygène en fonction de la température; La montre une cartographie de fonctions de transfert de signaux de mesure de la sonde à oxygène en fonction d'un coefficient représentatif d'une richesse de mélange air/carburant pour différentes températures de la sonde à oxygène. Comme cela est illustré sur la , un véhicule automobile 1 comprend un moteur thermique 10 et une ligne d'échappement 20 des gaz d'échappement émis par ledit moteur thermique 10. Le moteur thermique 10 comprend une chambre de combustion (non représentée) dans laquelle du carburant et du comburant sont mélangés. Le carburant peut, par exemple, être de l'essence, et être injecté dans la chambre de combustion par un injecteur (non représenté), notamment par un système d'injection directe. Le comburant peut, par exemple, être de l'air. La combustion du mélange dans la chambre de combustion entraîne un piston (non représenté) en translation, ce qui permet de transformer l'énergie thermique de la combustion en énergie mécanique afin d'entraîner l'arbre du moteur 10 en rotation. Lors de la combustion du mélange, des gaz d'échappement sont formés. De tels gaz d'échappement comprennent notamment des gaz, tels que, par exemple, de l'oxyde d'azote, dont la teneur est réglementée par des normes. Lorsque la quantité d'air injectée dans la chambre de combustion est supérieure à la quantité d'air nécessaire pour que la combustion du carburant soit complète, on parle de mélange pauvre. Lorsque la quantité d'air injectée est inférieure à la quantité d'air nécessaire, on parle de mélange riche. Dans ce dernier cas, tout le carburant n'est pas brûlé, on parle de combustion incomplète et le carburant imbrûlé peut être évacué par la ligne d'échappement 20, ce qui augmente la quantité de gaz polluant rejeté par le moteur 10. Après la combustion, les gaz d'échappement sont évacués par la ligne d'échappement 20 permettant également de post-traiter au moins partiellement ces gaz d'échappement. Pour ce faire, la ligne d'échappement 20 comprend, dans cet exemple, un dispositif de dépollution 21, une sonde 22 à oxygène amont placée en amont du dispositif de dépollution 21 et une sonde 23 à oxygène aval placée en aval du dispositif de dépollution 21. Le dispositif de dépollution 21 comprend un catalyseur et un filtre à particules placé en aval du catalyseur. Le catalyseur, également désigné catalyseur d'oxydation, permet d'oxyder les gaz d'échappement, notamment le monoxyde de carbone compris dans les gaz d'échappement afin de former du dioxyde de carbone, moins polluant. Dans le cas d'un moteur thermique à essence, le catalyseur est un catalyseur trois voies, également désigné TWC pour "Three-Way Catalyst" en langue anglaise. La capacité de stockage d'oxygène, également désignée "OSC", représentant l'efficacité du catalyseur peut varier selon l'état d'usure du catalyseur. Le filtre à particules, également désigné GPF pour "Gasoline Particulate Filters" en langue anglaise pour un moteur à essence, permet de retenir les particules polluantes des gaz d'échappement et les brûle lors d'une phase dite de régénération. Un tel filtre à particules pour moteur 10 à essence est dit passif car les phases de régénération sont effectuées de manière passive lorsque le taux d'oxygène des gaz d'échappement dépasse un seuil prédéterminé. Les particules retenues dans le filtre à particules sont alors brûlées par une autocombustion. La sonde à oxygène amont 22 et la sonde à oxygène aval 23 sont des sondes à oxygène adaptées pour mesurer le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement en amont et en aval du dispositif de dépollution 21. Comme on peut le voir sur la , une sonde à oxygène 22, 23, également désignée "sonde planar" en langue anglaise, comprend un élément chauffant 221, une couche 222, de préférence réalisée en céramique, de protection de l'élément électrique 221, une première électrode 223 située à l'extérieur de la couche de protection 222 afin d'être en contact avec les gaz d'échappement à mesurer, et une deuxième électrode 224 située à l'intérieur de la couche de protection 222. De préférence, la première et la deuxième électrode 223, 224 sont réalisées en platine. Pour mesurer le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement, la sonde à oxygène 22, 23 mesure la tension Us entre la première et la deuxième électrode 223, 224. Une telle tension Us est représentative d'une cellule de Nernst de la sonde à oxygène 22, 23. La deuxième électrode 224 est située dans une cavité contenant un volume d'air de référence. De préférence la cavité communique avec l'atmosphère afin que l'air de référence soit l'air de l'atmosphère. Ainsi, la mesure du taux d'oxygène dans les gaz d'échappement est réalisée par référence à l'air présent dans la cavité. Une telle sonde à oxygène 22, 23 à référence d'air est également désignée sonde à oxygène de Zircone. Le Zircone est un matériau ayant la capacité de laisser passer les ions oxygènes, le courant électrique associé à ce passage d'ions est proportionnel au taux d'oxygène dans les gaz d'échappement. Ainsi, la mesure de ce courant électrique permet à la sonde à oxygène 22, 23 de mesurer le taux d'oxygène. Par ailleurs, les références Vbatt, M, PWM, et ADC correspondent respectivement à la tension de la batterie, à la masse électrique, à un signal de modulateur de largeur d'impulsion (ou "Pulse Width Modulation" en anglais), et à un convertisseur analogique-numérique ("Analog-Digital Converter" en anglais). Une telle sonde à oxygène 22, 23 étant connue, elle ne sera pas décrite plus en détail. La sonde à oxygène 22, 23 est reliée électriquement à un calculateur (non représenté) du véhicule automobile 1 par un circuit électrique 30. Le circuit électrique 30 permet d'alimenter l'élément chauffant 221 en énergie électrique, notamment en le reliant à la batterie du véhicule 1. Le circuit électrique 30 permet également au calculateur de recevoir la valeur de la tension électrique Us mesurée aux bornes des électrodes 223, 224 afin de déterminer le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement. Comme cela est illustré par la , la tension Us1 mesurée par la sonde à oxygène amont 22 varie en fonction de la richesse du mélange injecté dans le moteur thermique 10 tandis que la variation de la tension Us2 mesurée par la sonde à oxygène aval 23 est inférieure du fait de la dépollution des gaz d'échappement par le dispositif de dépollution 21 entre la sonde à oxygène amont 22 et la sonde à oxygène aval 23. Ainsi, on parlera de mélange riche lorsque la tension Us est élevée, et de mélange pauvre lorsque la tension Us est faible. La résistance R de la cellule de Nernst étant proportionnelle à la température, il est possible d'utiliser la sonde à oxygène 22, 23 afin de déterminer sa température. Plus précisément, pour mesurer la résistance de Nernst R, le calculateur actionne le transistor Port selon une loi de commande afin d'envoyer un pic P de courant (ou pulse de courant) au niveau de la cellule de Nernst de la sonde à oxygène 22, 23. Le pulse P entraîne alors un pic de la tension Us aux bornes des électrodes 223, 224, comme illustré à la . On note t0 l'instant auquel commence le pic de tension et t1 l'instant où le pic atteint sa valeur maximale. De préférence, l'intervalle de temps entre l'instant t0 et l'instant t1 est de l'ordre de 3 ms. La résistance de Nernst R peut alors être calculée à partir de la formule suivante : Où U(t1) est la tension mesurée à l'instant t1, U(t0) est la tension mesurée à l'instant t0 et l pulse est l'intensité du pic P de courant. A partir de la valeur de la résistance de Nernst R ainsi calculée et d'une courbe représentant la résistance de Nernst R en fonction de la température T, telle qu'illustrée à la , le calculateur détermine la température T de la sonde à oxygène 22, 23. Un tel graphique est prédéterminé, notamment en laboratoire. Ainsi, il est possible de déterminer la température de la sonde à oxygène 22, 23 en générant un pulse de courant P dans la sonde à oxygène 22, 23. Par ailleurs, le calculateur stocke une cartographie Cart de fonctions de transfert de signaux de mesure de la sonde à oxygène 22, 23 en fonction d'un coefficient lambda (λ) représentatif d'une richesse de mélange air/carburant pour différentes températures de la sonde à oxygène 22, 23, tel que cela est montré sur la . Le calculateur pourra sélectionner, dans la cartographie Cart de fonctions de transfert, la fonction de transfert la plus proche de la température de la sonde à oxygène 22, 23 déterminée selon la méthode décrite ci-dessus. Il est ensuite possible d'utiliser la fonction de transfert sélectionnée pour obtenir un signal de mesure de la sonde à oxygène 22, 23. Comme on peut le voir sur la , pour un écart de 100°C entre la courbe obtenue à 750°C et la courbe obtenue à 850°C, le signal de mesure de la sonde à oxygène 22, 23 présente un écart de 40mV. Il est donc important de pouvoir corriger le signal de mesure de la sonde à oxygène 22, 23 en fonction de sa température afin de pouvoir effectuer des diagnostics robustes de son fonctionnement. Procédé d'amélioration de la précision d'un signal de mesure d'une sonde à oxygène (22, 23) associée à un dispositif de dépollution (21) de gaz d'échappement d'un moteur thermique (10) à essence, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de stockage d'une cartographie (Cart) de fonctions de transfert de signaux de mesure de la sonde à oxygène (22, 23) en fonction d'un coefficient lambda (λ) représentatif d'une richesse de mélange air/carburant pour différentes températures (T) de la sonde à oxygène (22, 23), - une étape de détermination de la température (T) de la sonde à oxygène (22, 23), - une étape de sélection, dans la cartographie (Cart) de fonctions de transfert, de la fonction de transfert la plus proche de la température (T) de la sonde à oxygène (22, 23) précédemment déterminée, et - une étape d'utilisation de la fonction de transfert sélectionnée pour obtenir un signal de mesure de la sonde à oxygène (22, 23). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la température (T) de la sonde à oxygène (22, 23) comprend une sous-étape de génération d'un pic de courant dans la sonde à oxygène (22, 23). Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’étape de détermination de la température (T) de la sonde à oxygène (22, 23) comprend une sous-étape de mesure de la valeur de la résistance (R) de Nernst de la sonde à oxygène (22, 23) lors dudit pic de courant. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance (R) de Nernst est calculée à partir de la formule suivante: - U(t0) étant la tension mesurée à l'instant t0 correspondant à un instant auquel commence le pic de tension, - U(t1) étant une tension mesurée à un instant t1 correspondant à un instant où le pic de courant a atteint sa valeur maximale, et - lpulse étant l'intensité d'un pic de courant. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque étape de détermination de la température (T) de la sonde à oxygène (22, 23) comprend une sous-étape de détermination de la température (T) à partir de ladite valeur de la résistance de Nernst (R) mesurée et d'une courbe prédéterminée représentant la résistance de Nernst (R) en fonction de la température (T). Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de dépollution (21) comprend un catalyseur et un filtre à particules. Calculateur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en œuvre du procédé d'amélioration de la précision d'un signal de mesure d'une sonde à oxygène (22, 23) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes. Véhicule automobile (1) comprenant un moteur thermique (10) à essence et un dispositif de dépollution (21) des gaz d'échappement dudit moteur thermique (10) à essence, lesdits gaz d'échappement étant adaptés pour traverser ledit dispositif de dépollution (21) d'amont en aval, ledit véhicule automobile (1) comprenant une sonde à oxygène amont (22) placée en amont du dispositif de dépollution (21) et une sonde à oxygène aval (23) placée en aval du dispositif de dépollution (21), caractérisé en ce que ledit véhicule automobile (1) comporte un calculateur selon la revendication 7. Véhicule automobile selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de dépollution (21) comprend un catalyseur et un filtre à particules. Véhicule automobile selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que les sondes à oxygène (22, 23) comportent du Zircone.