BE1008062A3

BE1008062A3 - Dispositif de determination de la proportion d'oxygene dans les gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne utilise pour mouvoir un vehicule.

Info

Publication number: BE1008062A3
Application number: BE9400888A
Authority: BE
Inventors: Gerhard Dipl Chem Dr Hoetzel; Harald Dipl Ing Dr Neumann; Walter Dipl Phys Strassner; Johann Dipl Ing Dr Riegel
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 1996-01-09
Also published as: DE4333229A1; IT1269998B; US5549804A; ITMI941926A0; KR950009251A; GB2283322B; GB9419604D0; GB2283322A; DE4333229B4; KR100316398B1; ITMI941926A1; JPH07159371A

Abstract

Le dispositif de détermination de la proportion d'oxygène dans les gas d'échappement d'un moteur à combustion interne, comporte une cellule de mesure de la concentration fonctionnant suivant le principe de Nernst et comprenant une électrode de mesure (4), un électrolyte solide (3) et une électrode de référence (5), ainsi qu'un montage en série d'une source de tensio continue (UV) et d'une résistance série (Rv), qui relie l'électrode de mesure (4) à l'électrode de référence (5), l'électrode de mesure étant en liaison avec les gaz d'échappement.

Description


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  Dispositif de détermination de la proportion   d'oxygène   dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne utilisé pour mouvoir un véhicule. 



  Etat de la technique. 



   La présente invention concerne un dispositif de détermination de la proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. 



   Il est connu que l'on peut mesurer la proportion d'oxygène dans des gaz d'échappement à l'aide d'une cellule de mesure de la concentration, par exemple en céramique à l'oxyde de zirconium, par rapport à une proportion d'oxygène de référence dans une atmosphère de référence. L'atmosphère de référence peut être constituée, par exemple, par l'air ambiant ou aussi par un gaz de référence, dans un volume fermé, ou à peu près fermé, par rapport à l'environnement. 



  Une atmosphère d'oxygène stable est obtenue, dans ce volume, par exemple, en pompant de l'oxygène des gaz d'échappement dans le volume par l'imposition d'un courant. Une telle atmosphère de référence pompée possède, par rapport à la référence de l'air ambiant, l'avantage qu'une altération éventuelle de l'atmosphère de gaz de référence, par exemple par des projections d'eau ou des vapeurs de carburant à proximité immédiate du dispositif, est relativement faible. 



  Comme les volumes de référence, qui sont en général choisis très petits, ne sont pas étanches par rapport à l'environnement, par exemple en raison d'une porosité résiduelle de la céramique au   Zr02   ou sous l'effet de canaux de gaz incorporés volontairement et ayant pour rôle d'éviter les trop fortes pressions gazeuses dans le volume de référence, une atmosphère de référence stable ne peut être maintenue que grâce à l'imposition durable d'un courant. 



   Il y a alors, toutefois, le risque de décomposition de l'électrolyte par la tension appliquée qui est nécessaire à cet effet, en particulier quand les gaz 

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 d'échappement sont le résultat de la combustion d'un mélange riche et présentent en conséquence une proportion d'oxygène faible. 



   Quand la tension de pompage est appliquée à l'électrolyte par l'intermédiaire des électrodes de mesure, il se produit, en outre, une modification, qui est fonction de la température, du signal de mesure. Le signal de mesure Us, prélevé sur une électrode de mesure située du côté des gaz d'échappement et sur une électrode de référence située du côté du gaz de référence, est constitué dans ce cas par l'addition de la tension de Nernst Un obtenue dans l'électrolyte sur la base des différentes pressions partielles d'oxygène et d'une tension Ri*Ip, Ri étant la résistance interne de l'électrolyte et Ip le courant de pompage qui passe sous l'effet de la tension de pompage.

   Du fait que la résistance interne Ri de la sonde est fonction de la température, le produit Ri*Ip constitue pour ainsi dire pour le signal de mesure, une perturbation qui est fonction de la température. 



   Dans ce contexte, le but de l'invention est d'indiquer un dispositif de mesure de la proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ce dispositif fonctionnant avec un volume à peu près fermé de gaz de référence, sans que se manifestent les inconvénients cités, comme la décomposition de l'électrolyte et de trop fortes perturbations du signal de mesure dues au fait que la résistance interne de l'électrolyte est fonction de la température. 



   L'invention atteint ce but avec une cellule de mesure de la concentration fonctionnant suivant le principe de Nernst, comportant une électrode de mesure, un électrolyte solide, une électrode de référence et un montage en série comprenant une source de tension continue (Uv) et une résistance série (Rv) qui relie l'électrode de mesure à l'électrode de référence, étant entendu que l'électrode de mesure est en liaison avec les gaz d'échappement du 

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 moteur à combustion interne et est reliée, par l'intermédiaire de l'électrolyte solide,

   à l'électrode de référence qui est reliée à un volume de gaz de référence que le volume de gaz de référence est séparé des gaz d'échappement et de l'air ambiant de telle façon qu'un échange de particules entre le volume de gaz de référence et les gaz d'échappement ainsi qu'entre le volume de gaz de référence et l'air ambiant soit empêché ou tout au moins rendu plus difficile, et que la tension de sortie de la cellule de mesure des concentrations constitue une mesure de la différence entre les concentrations d'oxygène dans les gaz d'échappement du moteur à combustion interne et dans le volume de gaz de référence et que la tension de sortie de la source de tension continue et/ou la valeur de la résistance série sont déterminées à l'avance,

   de telle façon qu'un courant électrique Ip passant dans le circuit constitué par la source de tension continue, la résistance série et la cellule de mesure de la concentration passe toujours, indépendamment de la tension de sortie de la cellule de mesure de la concentration, dans un sens tel que l'oxygène soit transporté des gaz d'échappement vers le volume de gaz de référence, sachant que dans les gaz d'échappement riches ou avec une tension de sonde élevée, il en résulte une très faible intensité nette de courant et, dans des gaz d'échappement maigres ou avec une faible tension de la sonde, il en résulte une intensité nette de courant sensiblement plus élevée. 



   Le dispositif de l'invention réduit la dépendance du signal de la sonde, US = UN + Ri*Ip par rapport à la température, en particulier pour un mélange riche, et il empêche une éventuelle décomposition de l'électrolyte telle qu'elle risque de se produire pour une faible proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement (mélange riche) et un courant de pompage élevé. Un autre avantage réside dans le fait que, en cas d'altération de la référence, comme il peut s'en produire, par exemple, à la suite de la pénétration de 

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 vapeurs de carburant dans le volume de gaz de référence quand le véhicule est immobile, une élimination automatique de l'altération a lieu puisque, pendant l'altération, une tension de sonde nettement réduite est toujours obtenue et engendre un flux de courant net accru. 



   La Fig. 1 montre un exemple de réalisation de l'invention, dont la Fig. 2 représente un schéma électrique équivalent. 



   La Fig. 1 montre une coupe d'une sonde 2 pour gaz d'échappement placée dans un tuyau d'échappement dont une paroi 1 est représentée. Cette paroi sépare les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (à gauche) de l'air ambiant (à droite). La sonde pour gaz d'échappement présente, dans sa partie située du côté des gaz d'échappement, un électrolyte solide 3 situé entre une électrode de mesure 4 exposée aux gaz d'échappement et une électrode de référence 5. Un volume de gaz de référence 6 relié à l'électrode de mesure 5 n'est en contact direct ni avec les gaz d'échappement ni avec l'air ambiant.

   Une surpression éventuelle qui s'établirait dans le volume de gaz de référence serait supprimée par l'intermédiaire d'une liaison indirecte avec l'air ambiant, par exemple grâce à une conduite d'amenée pour mesure 10, réalisée de façon à être poreuse. Entre cette conduite d'amenée 10, qui est reliée à l'électrode de référence, et une conduite d'amenée 9, qui est reliée à l'électrode de mesure, sont branchées une source de tension continue 8 (Uv) et une résistance série 7 (Rv). Le signal de tension de mesure US de ce dispositif est prélevé entre les conduites d'amenée 9 et 10. 



   La Fig. 2 montre un schéma équivalent du dispositif de l'invention. L'électrolyte 3 et les électrodes 4 et 5 sont représentés sous la forme d'une source de tension Un (10) et d'une résistance Ri (9). 



   La source de tension continue fait passer dans l'électrolyte un courant de pompage Ip qui, combiné à la résistance interne Ri de l'électrolyte, fait apparaître une 

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 tension Ri*Ip. La cellule de concentration, constituée par l'électrolyte et les électrodes, produit une tension de Nernst Un qui, pour une température constante, est fonction du logarithme du rapport entre les pressions partielles dans le volume de gaz de référence et dans les gaz d'échappement. Le signal de tension de mesure Us est constitué par l'addition des deux éléments : Uv-Un = Ip* (Rv + Ri). Le courant de pompage Ip est dirigé de telle manière qu'il transporte de l'oxygène des gaz d'échappement vers le volume de gaz de référence. On s'oppose ainsi à la baisse éventuelle de la pression partielle d'oxygène dans le volume de gaz de référence.

   Il est avantageux de choisir la valeur de la tension opposée Uv, de telle façon qu'elle soit juste supérieure à la plus forte tension de Nernst possible de la cellule de concentration, UN. 



   Le tableau figurant plus bas montre les variations du courant de pompage Ip en fonction de la composition du mélange et de la température de la sonde, dans le cas d'un exemple de réalisation du dispositif de l'invention avec lequel la valeur de Rv est de 51 kn et la tension de polarisation est de 1 volt. La tension de Nernst Un = 0,9 volt donne un mélange riche, celle de 0,1 volt un mélange pauvre. La résistance interne de la sonde Ri = 100 n est typique d'une sonde très chaude, celle de 10 000 n l'est d'une sonde froide. Les valeurs de Us et Ip ont été calculées à partir des relations : 
Ip =   (Uv-Un)/ (Rv   + Ri) et Us = Un + Ri*Ip. 
 EMI5.1 
 
<tb> 
<tb> 



  Ri <SEP> [#] <SEP> Rv <SEP> [k#] <SEP> Uv <SEP> [V] <SEP> Un <SEP> Us <SEP> [V] <SEP> Ip <SEP> [ A]
<tb> 100 <SEP> 51,0 <SEP> 1,0 <SEP> 0,9 <SEP> 0,900 <SEP> 2,0
<tb> 100 <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 0,102 <SEP> 17,6
<tb> 10 <SEP> 000 <SEP> 0,9 <SEP> 0,916 <SEP> 1,6
<tb> 10 <SEP> 000 <SEP> 0,1 <SEP> 0,248 <SEP> 14, <SEP> 8
<tb> 
 

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Les avantages mentionnés plus haut sont obtenus en raison des relations qui suivent. 



   Tout d'abord, le dispositif de l'invention réduit la dépendance du signal de la sonde, Us = Un +   Ri*Ip,   par rapport à la température, du fait que les variations, en fonction de la température, de la résistance interne Ri de la sonde en tant qu'élément du circuit de pompage, ont pour résultat une modification en sens opposé du courant de pompage Ip, de telle sorte que l'effet de la variation de la résistance interne de la sonde sur la tension Ri*Ip diminue. 



   Une décomposition éventuelle de l'électrolyte dans le cas d'une faible proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement (mélange riche) est prévenue du fait que, avec le montage de l'invention, le courant de pompage Ip est proportionnel à la différence entre la tension de polarisation   Uv   et la tension de Nernst Un de la cellule de concentration. Pour un mélange riche, la valeur de cette différence devient faible parce que la faible proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement donne une tension de Nernst élevée. De cette façon, le courant de pompage s'établit, pour ainsi dire, en tant que fonction de la composition du mélange, de telle façon que, dans le cas critique d'un mélange riche, il passe un courant relativement faible et que, dans le cas non critique du mélange pauvre, il passe un courant plus fort.

   Ce dernier phénomène a pour effet une augmentation du transport d'oxygène amené au volume de gaz de référence et il empêche que la pression partielle d'oxygène dans le volume de gaz de référence baisse trop à la longue. 



   Dans le cas d'une référence altérée, la pression partielle d'oxygène dans le volume de gaz de référence peut descendre au-dessous de la valeur de la pression partielle d'oxygène dans les gaz d'échappement. Par exemple, il peut arriver, le véhicule étant immobile, que des vapeurs de carburant pénètrent dans le volume de gaz de référence et 

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 fixent en grande partie l'oxygène. Si la pression partielle d'oxygène dans le volume de gaz de référence descend audessous de la valeur de la pression partielle d'oxygène dans les gaz d'échappement, la tension de Nernst, Un, change de signe. Avec le dispositif de l'invention, ce n'est alors plus la différence, mais la somme de la tension de polarisation Uv et de la tension de Nernst Un qui détermine l'intensité du courant de pompage Ip.

   Il en résulte que le courant de pompage augmente et, avec lui, la quantité, qui y est liée, d'oxygène transporté des gaz d'échappement au volume de gaz de référence. Enfin, cela produit pour ainsi dire un rinçage du volume de gaz de référence à l'oxygène, ce qui mène à l'élimination de l'altération de la référence.

Claims

EMI8.1

R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1.-Dispositif de détermination de la proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne utilisé pour mouvoir un véhicule, ce dispositif comportant au moins : - une cellule de mesure de la concentration fonctionnant suivant le principe de Nernst, et comprenant une électrode de mesure, un électrolyte solide et une électrode de référence, et - un montage en série d'une source de tension continue (Uv) et d'une résistance série (Rv), qui relie l'électrode de mesure à l'électrode de référence, l'électrode de mesure étant en liaison avec les gaz d'échappement du moteur à combustion interne ainsi que, par l'intermédiaire de l'électrolyte solide, avec l'électrode de référence, qui est elle-même en liaison avec un volume de gaz de référence,

et le volume de gaz de référence étant séparé des gaz d'échappement et de l'air ambiant, de telle façon qu'un échange de particules entre le volume de gaz de référence et les gaz d'échappement ainsi qu'entre le volume de gaz de référence et l'air ambiant soit au moins rendu plus difficile, et la tension de sortie de la cellule de mesure de la concentration constituant une mesure de la différence de concentration d'oxygène entre les gaz d'échappement du moteur à combustion interne et le volume de gaz de référence, et - la tension de sortie de la source de tension continue et/ou la valeur de la résistance série, étant fixées à l'avance, de telle façon qu'un courant électrique Ip passant dans le circuit constitué par la source de tension continue, la résistance série et la cellule de mesure de la concentration soit toujours dirigé,

indépendamment de la tension de sortie de la cellule de mesure de la concentration, de telle manière que de <Desc/Clms Page number 9> l'oxygène soit transporté des gaz d'échappement au volume de gaz de référence.
2.-Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur absolue de la tension continue (Uv) est inférieure à 1,5 fois la tension de sortie maximale de la cellule de mesure de la concentration, mesurée sans tension continue ni résistance série.
3.-Dispositif suivant l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cellule de mesure de la concentration est utilisée en liaison avec d'autres cellules.