FR2459888A1 - Systeme pour une commande a retro-action du rapport air/carburant d'un melange air-carburant dans un systeme d'admission de moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

SYSTEME POUR UNE COMMANDE A RETRO-ACTION DU RAPPORT AIRCARBURANT D'UN MELANGE AIR-CARBURANT DANS UN SYSTEME D'ADMISSION DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE. LE SYSTEME DE COMMANDE A RETRO-ACTION DE L'INVENTION UTILISE UN DETECTEUR 110 DE RAPPORT AIRCARBURANT SENSIBLE A L'OXYGENE, DISPOSE DANS LE PASSAGE D'ADMISSION 82 EN AVAL DU DISPOSITIF D'ALIMENTATION EN CARBURANT. UN MOYEN D'ALLUMAGE 116 EST PREVU DANS LE PASSAGE D'ADMISSION DE SORTE QUE LE DETECTEUR EST EN CONTACT AVEC LES GAZ DE COMBUSTION. LE DETECTEUR QUI EST DU TYPE A CELLULE A CONCENTRATION COMPORTE UNE COUCHE D'ELECTROLYTE SOLIDE ET RECOIT UN COURANT CONTINU CONSTANT. IL PRESENTE UNE CARACTERISTIQUE DE SORTE INCLINEE ET PEUT DETECTER LES RAPPORTS AIRCARBURANT AU-DESSUS OU AU-DESSOUS DU RAPPORT STOECHIOMETRIQUE. IL PRESENTE AUSSI UNE CARACTERISTIQUE TOUT OU RIEN ET PEUT DETECTER LE RAPPORT STOECHIOMETRIQUE EN FONCTION DE L'INTENSITE ET DU SENS DU COURANT. CE SYSTEME DE COMMANDE COMPORTE UNE BOUCLE FERMEE REDUITE ET PEUT EFFECTUER TRES RAPIDEMENT LA CORRECTION D'UN RAPPORT AIRCARBURANT.

Description

245 *9 8 8 8

Système pour une commande à rétro-action du rapport

air/carburant d'un mélange air-carburant dans un système d'ad-

mission de moteur à combustion interne.

La présente invention concerne un système de commande à rétro-action pour commander avec précision le rapport air/ carburant d'un mélange aircarburant devant être fourni à un moteur à combustion interne en utilisant un détecteur de gaz qui est sensible à un élément constitutif spécifique

d'un gaz de combustion produit à partir du mélange air-car-

burant et qui peut fournir un signal de rétro-action indiquant

le rapport réel air/carburant du rélanqe air-carburant.

On va décrire la présente invention en se référant aux

dessins annexés, sur lesquels v -

la figure 1 est une vue schématique et en coupe d'un détecteur d'oxygène classique; la figure 2 montre une caractéristique de sortie du détecteur d'oxygène de la figure 1 lorsqu'il est utilisé dans les gaz d'échappement d'un moteur; la figure 3 est un diagramme montrant la façon dont fluctue le rapport air/carburant d'un mélange air-carburant fourni à un moteur à combustion interne lorsque le rapport

air/carburant est commandé par un système classique de com-

mande à rétro-action; la figure 4 est une représentation schématique d'un système classique de comnande de rapport air/carburant pour un moteur à combustion interne; la figure 5 montre schématiquement et en coupe une structure fondamentale d'un élément de détection d'oxygène utilisé dans la présente invention; la figure 6 montre des caractéristiques de sortie de l'élément de détection d'oxygène de la figure 5 lorsqu'il est utilisé dans des gaz d'échappement de moteur; la figure 7 est une représentation schématique d'un dispositif de détection de rapport air/carburant comprenant l'élément de détection d'oxygène de la figure 5; la figure 8 est une vue en coupe d'une partie d'un système d'admission pour un moteur à essence, ce système d'admission étant muni d'un système de commande de rapport air/carburant selon la présente invention; la figure 9 montre schématiquement et en coupe une partie principale d'un dispositif de détection de rapport air/ carburant utilisé dans le système de commande de la figure 8; la figure 10 est un schéma synoptique d'un système de commande de rapport air/carburant selon la présente invention; la figure 11 est un schéma synoptique montrant une variante du système de la figure 10; la figure 12 est une vue schématique et en coupe d'un élément de détection d'oxygène combiné qui présente deux types différents de caractéristiques de sortie et est utilisé dans la présente invention; la figure 13 est une vue schématique et en coupe d'une partie principale d'un dispositif de détection de rapport air/carburant comprenant l'élément de détection d'oxygène de la figure 12; et les figures 14 et 15 sont respectivement des schémas synoptiques de deux systèmes de moteur à combustion interne purvus tous deux d'un système de commande de rapport air/

carburant selon la présente invention.

En ce qui concerne les moteurs à combustion interne, particulièrement les moteurs d'automobiles, une des techniques importantesmisesau point récemment consiste à effectuer une commande à rétro-action du débit de l'alimentation en carburant en utilisant un détecteur de gaz d'échappement qui est sensible à un constituant spécifique des gaz d'échappement et fournit un signal électrique indiquant la composition réelle d'un mélange air-carburant fourni au moteur, cela pour que le moteur fonctionne avec un mélange air-carburant présentant un rapport de mélange commandé avec précision, de manière que

les gaz d'échappement puissent être purifiés de façon satis-

faisante et que le rendement du moteur soit augmenté. Cette technique a déjà trouvé une utilisation pratique et a été appliquée à la fois auKcarburateus et aux injecteurs de

carburant commandés électroniquement.

Comme détecteur de gaz d'échappement du type mentionné ci-dessus, on a utilisé presque exclusivement un détecteur d'oxygène du type cellule à concentration d'oxygène

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constitué fondamentalement par une couche d'un électrdyte solide conducteur de l'ion oxygènecomme par exemple l'oxyde de zirconium stabilisé avec de l'oxyde de calcium, une couche constituant une électrode de mesure, habituellement en platine, formée de façon poreuse sur une des faces de la couche d'électrolyte solide et une couche constituant une électrode de référence formée sur l'autre face. Ce détecteur d'oxygène

engendre une force électromotrice lorsqu'il existe une dif-

férence entre la pression d'oxygène partieUede référence maintenue sur le côté électrode de référence et une pression partielle d'oxygène variable appliquée au côté électrode

de mesure. Comme on peut le voir sur la figure 1, habituel-

lement, la couche d'électrolyte solide est réalisée de manière à avoir la forme d'un tube 12 dont une extrémité est fermée de telle sorte que la couche-électrode 14 de référence se trouvant sur le côté intérieur puisse être exposée à l'air utilisée comme s&urce de pression partielle d'oxygène de référence, tandis que la couche-électrode 16 de mesure se

trouvant sur le côté extérieur est exposée au gaz d'échap-

pement s'écoulant dans un tuyau d'échappement. Dans les

systèmes classiques de commande à rétro-action pour la com-

mande du rapport air/carburant, la force électromotrice engendrée par le détecteur d'oxygène installé dans le tuyau

d'échappement est appliquée à un circuit de commande électro-

nique qui fournit un signal de commande à un moyen d'alimen-

tation en carburant en se basant sur le résultat d'une comparaison entre une tension de référence prédéterminée et

l'amplitude de la force électromotrice.

L'amplitude de la force électromotrice engendrée par ce détecteur d'oxygène 10 exposé aux gaz d'échappement indique le rapport air/carburant d'un mélange fourni au moteur

mais n'est pas proportionoelLe à ce rapport air/carburant.

Comme on peut le voir sur la figure 2, la force électro-

motrice reste de façon pratiquement constante à un niveau haut, tandis que le rapport air/carburant est inférieur au rapport stoechiométrique air-carburant (environ 14,7 pour un mélange air-essence), c'est-à-dire pendant qu'un mélange riche est fourni au moteur, et, par contre, reste de façon pratiquement constante à un niveau très bas pendant que le rapport air/carburant est supérieur au rapport stoechiométrique,

c'est-à-dire pendant qu'un mélange pauvre est fourni au moteur.

Mais une variation importante et brusque se produit dans l'amplitude de la force électromotrice lorsque la variation du

rapport air/carburant franchit le point correspondant au rapport stoechiomé-

triaue. Par conséeuent,l'utilisation de ce détecteur d'oxygène convient extrêmement bien quand le but de la commande est le rapport stoechiométrique air/carburant comme c'est le cas lorsqu'on utilise un catalyseur dit à trois effets qui catalyse à la fois la réduction de NOx et l'oxydation de Co et HC (hydrocarburesnon brûlés) et présente le rapport de transformation le plus élevé dans des gaz d'échappement produits par la combustion d'un mélange stoechiométrique air-carburant. Toutefois, quand le point de commande est un

rapport air/carburant sensiblement éloigné du rapport stoe-

chiométrique, ce détecteur d'oxygène 10 ne peut pas être utilisé. Dans l'industrie automobile courante, le procédé le

plus utilisé pour purifier les gaz d'échappement est l'uti-

lisation d'un catalyseur d'oxydation en combinaison avec certaines mesures prises pour réduire l'émission de NOx,

comme par exemple le recyclage d'une partie des gaz d'échap-

pement. L'utilisation d'un catalyseur à trois effets est limitée principalement en raison du fait que ce catalyseur doit comprendre du rhodium qui est une matière coûteuse et

que l'on ne peut guère espérer produire en-quantité suf-

fisamment abondante pour répondre à la demande d'un nombre énorme d'automobiles dans le monde entier. L'utilsation d'un réacteur thermique n'est pas non plus dominante en raison qu'un tel réacteur présente l'inconvénient d'augmenter la

consommation en carburant par suite du besoin d'un fonction-

nement du moteur avec un mélange riche et l'utilisation indispensable d'un alliage coûteux résistant à la corrosion

et à la chaleur comme matière structurale pour le réacteur.

Dans le cas o l'on utilise un catalyseur d'oxydation, il est alors habituellement nécessaire d'utiliser un mélange air-carburant non stoechiométrique avec le maintien d'un t4I9008 rapport air/carburant optimal pour permettre au catalyseur de présenter son rendement de conversion maximale. Par conséquent, il est souhaitable d'effectuer une commande à rétro-action du rapport air/carburant mais on ne peut guère satisfaire ce désir car il n'existe aucun détecteur pratique pour gaz d'échappement au moyen duquel des valeurs de rapport air/carburant différentes du rapport stoechiométrique puissent être détectées. C'est pourquoi un travail immense a été consacré à la mise au point de convertisseurs catalytiques contenant, un catalyseur d'oxydation plus efficace et plus durable et de dispositifsd'alimentation en carburant devant être combinés avec de tels convertisseurs catalytiques pour chaque modèle des automobiles fabriquées récemment. En outre, une production en série de tels dispositifs et de leurs pièces constitutives

principales est effectuée sous un contrôle de qualité extrê-

mement stricte dans le but d'obtenir pour chaque produit les meilleures possibilités et dans le but de réduire à un minimum les différences de performances parmi les produits individuels. De plus, lors de l'assemblage des automobiles, on s'efforce d'obtenir la meilleure concordance entre le moteur et le dispositif d'alimentation en carburant dans chaque véhicule, car non seulement le rendement en ce qui

concerne la purification des gaz d'échappement mais éga-

lement le rendement mécanique et le rendement thermique du

moteur sont fortement influencés par le degré de cette concor-

dance. Bien entendu, ces tentatives augmentent inévitablement

et considérablement le prix de revient.

C'est pourquoi il existe une vive demande pour une technique nouvelle de détection de gaz permettant de détecter chaque valeur de rapport air/carburant dans la gamme utilisée

dans la pratique.

A ce sujet, la demande de brevet US no 28 747 déposée le 10 avril 1979 propose de détecter une valeur de rapport air/carburant,soit d'un mélange pauvre, soit d'un mélange

riche fourni à un moteur au moyen d'un dispositif de détec-

tion d'oxygène d'un type modifié de cellule à concentration qui présente une caractéristique de sortie souhaitable quand il est disposé dans des gaz d'échappement et est alimenté 2459888g.

avec un courant en continu constant d'une intensité adéquate.

On va décrire ci-après les caractéristiques de ce dispositif

de détection d'oxygène.

Quand une commande à rétro-action du rapport de mélange air-carburant est effectuée par utilisation soit d'un détec- teur d'oxygène classique du type illustré sur la figure 1 sitdu dispositif proposé dans la demande de brevet US précitée n0 28 747, le problème qui se pose et qui n'a pas été résolu estl'existence d'un temps de retard considérable, soit dans l'émission du signal de rétro-action à la suite de l'émission d'un signal de commande, soit dans le retour d'un rapport air/carburant non souhaitable à la valeur de commande voulue à la suite du commencement d'uneaction i correction, car la boucle fermée du système de commande a une longueur

considérable et comprend une multiplicité d'éléments fonction-

nels. En raison de l'existence de ce temps de retard, le rapport de mélange air-carburant ne peut pas être maintenu exactement à une valeur préétablie et continue à présenter les fluctuations oscillantes comme représentées sur la figure 3. Numériquement, la plage des fluctuations du rapport air/carburant est d'environ + 0,25 de part et d'autre du rapport

stoechiométrique voulu de 14,7. On va expliquer les particu-

larités du temps de retard mentionné ci-dessus en se référant au système classique de commande de rapport air/carburant

représenté sur la figure 4.

Sur la figure 4, la référence 20 désigne une partie

principale d'un moteur à essence muni d'un carburateur 18.

Un injecteur principal 28 de carburant servant d'extrémité à un passage principal 27 de carburant dans le carburateur 18 débouche dans un passage d'admission 22-à l'endroit d'une section de venturi 26 en amont d'un papillon 24. Une prise d'air principale30 est prévue dans le passage 27 de carburant, cela de la façon habituelle. De plus, une prise d'air auxiliaire 32 est prévue dans le même passage 27 de carburant et une valve électromagnétique 34 de commande d'écoulement du type à fonctionnement tout ou rien est associée à la prise d'air auxiliaire 32 pour commander l'admission d'air à

travers cette prise d'air 32 en réponse à un signal de com-

mande fourni par un circuit de commande 40. Un détecteur 38 t459888 d'oxygène du type représenté sur la figure i est monté dans

un passage d'échappement 36 pour fournir un signal de rétro-

action au circuit de commande 40.

Quand le signal de rétro-action indique qu'un mélange riche est envoyé au moteur 20, le circuit de commande 40 commande la valve électromagnétique 34 de manière à augmenter la proportion de son temps d'ouverture par rapport à son temps de

fermeture, de manière à admettre ainsi une quantité relati-

vement importante d'air dans le passage 27 de carburant à travers la prise d'air auxiliaire 32 jusqu'à ce que le signal de rétro-action indique une augmentation du rapport air/

carburant jusqu'à la valeur de rapport stoechiométrique désirée.

Quand le signal de rétro-action indique l'envoi d'un mélange pauvre, la valve électromagnétique 34 est commandée de manière à diminuer ou à interrompre l'admission d'air à travers la

prise d'air auxiliaire 32.

Pendant une opération de correction d'écart dans ce système de commande à rétro-action, il existe un temps de retard dans la réponse ou dans le fonctionnement de chaque élément du système de commande. Le tableau 1 ciaprès donne des valeurs, confirmées expérimentalement, d'un tel temps de retard en ce qui: concerne un moteur à essence d'automobile à six cylindres de deux litres fonctionnant à une vitesse constante de 2000 tours/minute dans des conditions de charge exprimées par un vide d'admission - 200 mmFg. Le rapport

air/carburant peut varier dans la plage de 12,7-16,7.

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TABLEAU 1

Retard Sens de variation du rapport de Bas ---->Haut Haut--> Bas mélange air/carburant - (Riche--)Pauvre) (Pauvre-->Riche) Circuit de commande EM valve 6 ms 4 ms EM valve injecteur principal de carburant 4 ms 3ms Injecteur principal - valve d'admission 15 ms 15 ms Attente pour 1 'ouverture de la valve d'admission 0-60 ms 0-60 ms Chambre de combustion 32 ms 32 ms Valve d' échappement - détecteur de -02- 6ns 6 ms Répcnse du détecteur de -2- 20 ms 15 ms Retard total de la réponse 143 ms (max.) 135 ms (max.) Tamps nécessaire pour ramener la valeur déviée du rapport de mélange à la valeur de rapport environ 250 ms environ 210 ms

stoechicaétrique par une opéra-

tion de correction continue.

Temps total de la comtnande environ 393 ms environ 345 ms (max.) (max.) - Dans le tableau 1, le "retard total de la réponse"

désigne une période de temps depuis un moment o le détec-

teur 38 d'oxygène émet un signal indiquant que le rapport de mélange aircarburant s'écarte du rapport stoechiométrique jusqu'au moment o le détecteur 38 d'oxygène émet un signal indiquant l'arrivée au détecteur 38 d'oxygène du gaz d'échappement

résultant de la combustion d'un mélange air-carburant corrigé.

Cette période de temps sera appelée plus simplement le "retard de réponse". Toutefois, cela ne signifie pas que la valeur déviée du rapport de mélange a été ramenée à celle du rapport stoechiométrique voulu pendant cette période de temps. Le circuit de commande 40 est réalisé de manière à exécuter, par exemple, une opération de commande proportionnelle et intégrale, de telle sorte que le rapport de mélange soit augmenté (ou diminué) progressivement dans un sens le rapprochant du rapport stoechiométrique. Bien que le rapport stoechiométrique soit atteint en un temps bref, habituellement le circuit de commande 40 ne s'arrête pas instantanément avant d'effectuer l'opération de commande d'augmentation de rapport de mélange mais continue la même opération jusqu'à ce que la tension de sortie du détecteur 38 d'oxygène devienne inférieure à une tension de référence

prédéterminée. A ce moment, le circuit de commande 40 com-

mence à émettre un signal de commande inversé pour diminuer le rapport de mélange augmenté de façon excessive. C'est pourquoi, il faut environ 250 ms (ou environ 210ms) pour ramener la valeur déviée du rapport de mélange à la valeur du rapport stoechiométrique en plus du "retard" précité.La somme du "retard de réponse" et du temps supplémentaire nécessaire

(250 ms ou 210 ms) sera appelé le "retard de commande".

Dans l'industrie automobile, c'est également une préoccupation technologique importante que de raccourcir le "retard de commande" dans le type décrit ci-dessus de système de commande à rétro-action et de nombreuses tentatives ont été faites pour améliorer le temps de réponse des éléments

respectifs du système de commande et pour raccourcir parallè-

lement la longueur globale de la boucle fermée.

Un objet de la présente invention est de procurer t4S9888 un système pour une commande à rétro-action du rapport de mélange air/carburant dans un moteur à combustion interne,ce système permettant, d'une part, d'utiliser comme valeur voulue ou valeur de référence de commande n'importe quelle valeur de rapport air/carburant dans la plage utilisée dans la pratique pour les moteurs à essence et les moteurs Diesel et pouvant,d'autre part, effectuer, comme avantage supplémentaire, la commande avec une meilleure précision et un "retard de réponse" et avec un

"retard de commande" moindre.

Un sysIème de commande à rétro-action selon la présente invention est destiné à commander le rapport air/carburant dans le mélange aircarburant s'écoulant dans un passage d'admission d'un moteur à combustion interne. Ce système de commande comprend un moyen d'alimentation en carburant pouvant être commandé électriquement pour alimenter en carburant le passage d'admission, un détecteur de rapport air/carburant sensible à l'oxygène, ce détecteur étant disposé dans le passage d'admission à l'endroit d'une section située en aval du moyen d'alimentation en carburant, un circuit de commande pour envoyer un signal de commande au moyen d'alimentation en carburant en se basant sur un signal de rétro-action émis par le détecteur de rapport air/carburant pour corriger un écart du rapport de mélange air-carburant par rapport à un rapport de mélange prédéterminé indiqué par le signal de rétro-action. Le détecteur de rapport air/carburant comprend une couche d'un électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène,

cette couche étant formée sur un substrat, et deux couches-

électrodes formées sur la couche d'électrolyte solide. Le système de commande comprend, en outre, un moyen d'allumage pour allumer une fraction du mélange air-carburant s'écoulant dans le passage d'admission, de telle sorte que le détecteur de rapport air/carburant soit exposé aux gaz de combustion résultants, et un moyen d'alimentation en énergie électrique

pour faire circuler un courant continu constant d'une inten-

sité prédéterminée à travers la couche d'électrolyte solide du détecteur entre les deux couches-électrodes de manière à donner ainsi de façon sélective, au détecteur de rapport

air/carburant exposé aux gaz de combustion l'une des carac-

t459888 téristiques de sortie ci-après: (a) une-caractéristique de sortie du type tout ou rien qui signifie que l'amplitude de la sortie du détecteur subit une variation brusque entre un niveau haut et un niveau bas quand le rapport de mélange air-carburant passe par une valeur de rapport air/carburant stoechiométrique, (b) une première caractéristique de sortie

inclinée qui signifie que l'amplitude de la sortie du détec-

teur varie progressivement à mesure que le rapport de mélange

air-carburant varie mais reste supérieur au rapport stoe-

chiométrique, et (c) une seconde caractéristique de sortie

inclinée qui signifie que l'amplitude de la sortie du détec-

teur varie progressivement à mesure que le rapport de mélange

air-carburant varie mais reste inférieur au rapport stoe-

chiométrique. Quand la première ou la seconde caractéristique de sortie inclinée est donnée au détecteur de rapport air/ carburant, il est préférable qu'un autre(second) détecteur de rapport air/carburant sensible à l'oxygène présentant la caractéristique de sortie du type tout ou rien mentionné précédemment, quand il est exposé aux gaz de combustion, soit disposé dans le passage d'admission en un endroit voisin du (premier) détecteur mentionné précédemment, de telle sorte que le second détecteur soit également exposé aux gaz de combustion précités et on fait en sorte que le circuit de commande présente une fonction supplémentaire de vérification

pour s'assurer si la sortie du premier détecteur est réel-

lement due à la caractéristique de sortie inclinée de ce détecteur en se basant sur le niveau de la sortie produite simiultanément par le second détecteur. Dans ce cas, il est préférable que les premier et second détecteurs soient du même type et se présentent sous la forme d'un seul dispositif comportant deux couches d'électrolyte solide et un seul substrat. Du fait que la longueur globale de la boucle fermée du système de commande à rétro-action de la présente invention est alors considérablement plus petite que celle du système classique de commande de rapport air/carburant, le système de

commande de l'invention fonctionne avec un "retard de com-

mande" plus court et une précision de commande accrue. En outre, ce système de commande peut être utilisé dans la

pratique quelle que soit la valeur du rapport de mélange air-

carburant prise comme valeur de consigne pour la commande.

On va décrire, en premier lieu, en se référant aux figures 5-7 la structure et le fonctionnement d'un dispositif de détection de rapport air/carburant mis au point récemment

et décrit dans la demande de brevet US précitée n0 28 747.

La figure 5 montre un élément 50 de détection d'oxygène en tant qu'élément constitutif principal du dispositif de détection de rapport air/carburant. L'élément 50 comporte un substrat 52 en céramique, par exemple en oxyde d'aluminium, et une couche 54 microscopiquement poreuse d'un électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène, comme par exemple ZrO2 stabilisé avec Y203, et formé sur une des faces du substrat 52. La première couche 56 de platine constituant une électrode est formée sur la face extérieure de la couche 54 d'électrolyte solide. Cette couche- électrode 56 a une structure poreuse perméable aux gaz de sorte qu'un gaz soumis à une mesure non seulement vient en contact avec la surface extérieure de cette couche-électrode 56, mais diffuse également dans la couche 54 d'électrolyte solide. Une seconde couche-électrode 58 en platine est formée sur l'autre face de la couche 54 d'&ectrolyte solide de manière à se trouver entre le substrat 52 et la couche 54 d'électrolyte solide et est protégée complètement, de façon macroscopique, contre l'atmosphère environnant par le substrat 52 et la couche 54 d'électrolyte solide. On comprendra que les trois couches 54, 56 et 58 constituent une cellule à concentration d'oxygène. Habituellement,chacune de ces trois couches 54, 56, 58 est une mince couche analogue à une pellicule. Un élément 60 de chauffage électrique est noyé

dans le substrat 52, car la cellule à concentration ne fonction-

ne pas efficacement si elle n'est pas maintenue à une tempé-

rature suffisamment élevée. La référence 62 désigne des conduc-

teurs destinés à fournir un courant de chauffage à l'élément de chauffage 60 et les références 64 et 66 désignent des conducteurs fixés respectivement aux première et seconde

couches-électrodes 56 et 58.

Pour détecter le rapport air/carburant d'un mélange

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air-carburant soumis à la combustion dans une chambre de combustion, par exemple les chambres de combustion d'un

moteur à combustion interne, l'élément 50 de détection d'oxy-

gène est disposé entièrement dans le gaz de combustion produit par la combustion et, au lieu d'utiliser une source d'oxygène de référence telle que de l'air, on relie la

source 70 de courant continu auxconducteurs 64 et 66, c'est-

à-dire aux première et seconde couches-électrodes 56 et 58 de cet élément, comme représenté sur la figure 7, pour faire circuler un courant continu constant d'une intensité adéquate (par exemple 3-10OA) à travers la couche 54 d'électrolyte solide entre les deux couches-électrodes 56 et 58. Sur la figure 7, la référence 72 désigne une résistance variable destinée au réglage d'intensité du courant. La fourniture d'un courant électrique à l'élément 50 de détection d'oxygène a pour but d'établir une pression partielle d'oxygène de référence à l'interface entre la seconde couche-électrode 58 et la couche 54 d'électrolyte solide comme on va le décrire ci-après. Par conséquent, la seconde couche-électrode 58 sera appelée "la couche électrode de référence", tandis que la première coucheélectrode 56,qui est directement exposée aux gaz de combustion, sera appelée "la couche-électrode de mesure". Les conducteurs 64 et 66 sont reliés également aux bornes de sortie 76 o est mesurée une force électromotrice engendrée en travers de la couche 54 d'électrolyte solide entre

les deux couches-électrodes 56 et 58.

L'amplitude de cette force électromotrice dépend du rapport air/carburant du mélange air-carburant soumis à une combustion et cette dépendance est déterminée fondamentalement par le sens de circulation du courant fourni à l'élément 50 de détection d'oxygène. Sur la figure 7, on voit que l'on utilise un commutateur 74 bipolaire à double direction pourrdéier la source 70 de courant continu à l'élément 50 sensible à l'oxygène et que l'on a représenté un cas dans lequel les couches -électrodes de mesure et de référence 56 et 58 sont reliées respectivement aux bornes positive et négative de la source 70 de courant continu en utilisant les contacts 74a et 74b du commutateur 74 de manière que le courant circule

à travers la couche 54 d'électrolyte solide depuis la couche-

électrode 56 de mesure en direction de la couche-électrode

58 de référence. Dans le présent cas, l'élément 50 de détec-

tion d'oxygène présente une caractéristique de sortie telle que celle représentée par la courbe A sur la figure 6, celapour la raison suivante.

Quand un mélange riche en carburant est soumis à une combustion, le gaz de combustion contient des quantités considérables de CO et HC. Du fait que la couche-électrode 56 de mesure est en platine, lequel est un catalyseur, CO et HC présents dans le gaz de combustion subissent des réactions d'oxydation à la surface de cette couche-électrode 56 avec consommation de 02 présent en petite quantité dans le gaz de combustion. Par conséquent, une très faible pression partielle d'oxygène est maintenue sur le côté électrode de mesure de la couche 54 d'électrolyte solide. Le gaz de combustion diffuse à travers la couche poreuse 54 d'électrolyte solide et atteint la couche-électrode 58 de référence. Du fait que la couche-électrode 58 de référence est reliée à la borne négative de la source 70 de courant continu, l'oxygène a tendance à être ionisé à l'endroit de cette couche-électrode 58, cette ionisaticnétant suivie par une circulation de l'oxygène ionisé en direction de la couche- électrode 56 de

mesure. Ceci se traduit par un nouvel abaissement de la pres-

sion partielle d'oxygène à l'endroit de la couche-électrode 58 de référence mais, en fait, ce phénomène est presque négligeable car peu de moléculesd'oxygène sont présentes dans le gaz de combustion ayant diffusé jusqu'à la couche-électrode 58 de référence après les réactions d'oxydation précitées à l'endroit de la couche-électrode 56 de mesure. C'est

pourquoi une pression partielle d'oxygène sur le côté élec-

trode de référence de la couche 54 d'électrolyte solide ne diffère pas notablement de la pression partielle d'oxygène sur le côté électrode de mesure, de sorte que la tension de sortie de l'élément 50 de détection d'oxygène prend une valeur très faible et ne varie pas notablement même si des variations se produisent dans le rapport air/carburant du

-mélange riche.

Quand le rapport air/carburant du mélange soumis à une combustion devient supérieur à un rapport stoechiométrique (environ 14,7 pour un mélange airessence), la quantité totale de CO et HC présents dans le gaz-de combustion présente une diminution brusque et importante. La consommation d'oxygène dans les réactions d'oxydation mentionnées ci-dessus à la surface de la couche-électrode 56 de mesure devient alors insignifiante de sorte que la pression partielle d'oxygène dans l'interface entre la couche 54 d'électrolyte solide et 1O cette couche-électrode 56 devient presque égale à la pression partielle d'oxygène dans le gaz de combustion. A l'endroit de la couche-électrode 58 de référence, il se produit une ionisation de 2 contenu dans le gaz de combustion et les ions 2-2 O formés à l'endroit de cette couche-électrode 58 continuent à migrer à travers la couche 54 d'électrolyte solide en direction de la coucheélectrode 56 de mesure. Il en résulte que la pression partielle d'oxygène sur le côté électrode de référence de la couche 54 d'électrolyte solide devient beaucoup plus petite que la pression partielle d'oxygène dans le gaz de combustion, tandis que le rapport air/carburant est plus élevé que le rapport stoechiométrique sans en être

fortement éloigné et, par conséquent, l'élément 50 de détec-

tion d'oxygène fournit une tension de sortie dont le maximum est élevé. Toutefois, la pression partielle d'oxygène à l'endroit de la coucheélectrode 58 de référence augmente progressivement jusqu'a une valeur voisine de la pression partielle d'oxygène dans le gaz de combustion à mesure qu'augmente le rapport air-carburant du mélange (qui est maintenant un mélange pauvre), car la vitesse de diffusion de o2 à travers la couche 54 d'électrolyte solide en direction

de la couche-électrode 58 de référence augmente progressi-

vement à mesure que s'apauvrit le mélange air-carburant tandis que la vitesse d'ionisation de l'oxygène à l'endroit de la couche-électrode 58 de référence est déterminée par l'intensité du courant fourni à l'élément 50 de détection d'oxygène et reste, de ce fait, constante.Par conséquent, la tension de sortie de l'élément 50 de détection d'oxygène accuse une diminution progressive à mesure qu'augmente le rapport air/carburant. En d'autres termes, cet élément 50 présente d'autres caractéristiques de sortie inclinée quand il est disposé dans un gaz de combustion produit par la combustion d'un mélange pauvre, alors qu'un courant continu

constant dune intensité adéquate circule de la couche-

électrode 56 de mesure en direction de la couche-électrode 58 de référence. Toutefois, si on fait en sorte que l'intensité du courant constant soit supérieure à une certaine valeur critique (par exemple environ 15 pA), la tension de sortie du même élément 50 reste constamment à un niveau haut tandis que le rapport air/carburant varie mais reste supérieur au rapport stoechiométrique car la vitesse d'ionisation de l'oxygène à l'endroit de la couche-électrode 58 de référence se trouve accrue au point que la pression partielle d'oxygène à l'endroit de cette couche-électrode 58 est à peine influencée par les variations de la vitesse de diffusion de l'oxygène gazeux à travers la couche 54 d'électrolyte

solide. C'est pourquoi, dans ce cas, l'élément 50 de détec-

tion d'oxygène présente une caractéristique de sortie du type tout ou rien représentée par une courbe presque symétrique à la courbe caractéristique de la figure 2 présentée par le détecteur classique 10 d'oxygène de la figure 1 et devient utilisable pour la détection d'un rapport

stoechiométrique air/carburant.

Quand les couches-électrodes de mesure et de référence 56 et 58 de l'élément 50 de détection d'oxygène de la figure 7 sont reliées respectivement aux bornes négative

et positive de la source 70 de courant continu par utili-

sation des contacts 74c et 74d de l'interrupteur 74 de telle sorte qu'un courant constant circule à travers la couche 54 d'électrolyte solide depuis la couche-électrode 58 de référence en direction de la coucheélectrode 56 de mesure, l'élément 50 se trouvant dans le gaz de combustion présente

une caractéristique de sortie représentée par la courbe B-

sur la figure 6.

Dans ce cas, il se produit une ionisation de l'oxygène à l'endroit de la couche-électrode 56 de mesure et une migration des ions o2 à travers la couche 54 d'électrolyte solide depuis la couche-électrode 56 de mesure en direction de la couche-électrode 58 de référence. Quand un mélange pauvre est soumis à une combustion, la différence de pression partielle d'oxygène entre le côté électrode de mesure et le côté électrode de référence de la couche 54 d'électrolyte solide est très faible, car l'oxygène présent dans le gaz

de combustion est à peine consommé dans les réactions d'oxy-

dation et l'effet de la circulation des ions oxygène jusqu'a la coucheélectrode 58 de référence est faible par rapport à la diffusion d'une quantité relativement importante d'oxygène gazeux à travers la couche 54 d'électrolyte solide. Par conséquent, la tension de sortie de l'élément 50 de détection d'oxygène

reste presque constamment à un niveau très bas.

Quand le rapport air/carburant devient inférieur au rapport stoechiométrique, la consommation d'oxygène dans les

réactions d'oxydation de CO et HC à la surface de la couche-

électrode 56 de mesure devient importante de sorte que la pression partielle d'oxygène sur le côté électrode de mesure devient bien inférieure à la pression partielle d'oxygène sur le côté électrode de référence. Par conséquent, la tension de sortie de l'élément 50 croit jusqu'à un niveau dont la valeur est élevée quand il est maximal. Au fur et à mesure que le rapport air/carburant continue de diminuer, la pression partielle d'oxygène à l'endroit de la couche-électrode 58 de référence diminue progressivement en raison de l'ionisation de l'oxygène à l'endroit de la couche-électrode 56 de mesure

et l'entrée résultante des ions oxygène jusqu'à la couche-

électrode 58 de référence devient moins importante par rap-

port à la diffusion fortement diminuée d'oxygène gazeux à travers la couche 54 d'électrolyte solide jusqu'a la couche d'électrode 58 de référence. Par conséquent, la tension de sortie de l'élément 50 de détection d'oxygène accuse une diminution progressive à mesure que diminue le rapport air/ carburant. En d'autres termes, dans le présent cas, l'élément présente une caractéristicque de sortie inclinée quand il est disposé dans un gaz de combustion produit par la combustion d'un mélange air-carburant riche en carburant. Toutefois, si on fait en sorte que l'intensité du courant constant dépasse une certaine valeur critique, la tension de sortie du même t459B86

élément 50 reste constamment à un niveau haut tandis que le rapport air/carbu-

rant varie mais reste inférieur au rapport stoechiométrique en raison de l'entrée accrue d'ions oxygène jusqu'à la couche, électrode 58 de référence. En d'autres termes, on peut faire en sorte que l'élément 50 de détection d'oxygène présente une caractéristique de sortie du type tout ou rien presque similaire à celle du détecteur classique 10 d'oxygène de la

figure 1 représentée par-la courbe de la figure 2.

Il est donc possible de faire en sorte que l'élément de détection d'oxygène présente l'un quelconque des trois types de caractéristiques de sortie représentés respectivement par les courbes A et B de la figure 6 et par la courbe de la

figure 2.

Conformément à la présente invention, on munit le passage d'admission d'un moteur à combustion interne avec un détecteur du type représenté sur les figures 5 et 7 en combinaison avec un dispositif d'allumage pour brûler une

friction d'un mélange d'air-carburant dans le passage d'admis-

sion de telle sorte que l'élément de détection d'oxygène fonctionne dans un gaz de combustion résultant et on utilise la sortie de l'élément de détection d'oxygène comme signal de rétro-action indiquant le rapport réel air/carburant du mélange air-carburant. Par conséquent, la boucle fermée du système de commande à rétro-action selon la présente invention ne comprend ni les chambres de combustion du moteur, ni une partie du

système d'échappement.

La figure 8 montre un mode de réalisation de la présente invention. La référence 80 désigne un carburateur muni d'un passage d'admission 82 d'un moteur (non représenté)d'automnbile à essence. En aval d'un papillon 84, le passage d'admission 82 est entouré par un passage de chauffage 85 à travers lequel s'écoule l'eau de refroidissement du moteur à l'état chauffé pour

favoriser l'atomisation du carburant dans un mélange air-

carburant s'écoulant en direction des chambres de combustion.

Un injecteur principal 90 de carburant servant d'extrémité à un passage principal 92 de carburant dans le carburateur 80 débouche dans le passage d'admission 82 à l'endroit d'une section venturi 88 en amont du papillon 84, et une lumière 98 de ralenti servant d'extrémité à un passage de ralenti 96 débouche dans le passage d'admission 82 à l'endroit d'une section voisine du papillon 84. Le passage principal 92 de carburant est muni d'une prise d'air principale 94 de la manière habituelle et le passage de ralenti 96 est également pourvu d'une prise d'air principal 100. De plus, une prise d'air auxiliaire 102 est prévue dans le passage principal 92 de carburant et, d'une façon similaire, une prise d'air auxiliaire 104 est prévue dans le passage de ralenti 96. Une valve électromagnétique 106 de commande d'écoulement du type fonctionnant par tout ou rien est associée aux deux prises

d'air auxiliaire 102 et 104 de manière à commander simulta-

nément l'admission de l'air à travers ces prises d'air auxi-

liaire 102 et 104 en réponse à un signal de commande fourni

par un dispositif de commande 108.

A l'endroit d'une section située en aval du papillon 84, un détecteur 110 de rapport air/carburant comprenant l'élément de détection d'oxygène de la figure 5 est introduit

dans le passage d'admission 82, et des chicanes 86 sont dis-

posées entre le papillon 84 et le détecteur 110 de manière à homogénéiser complètement le mélange air-carburant avant son arrivée à l'endroit du détecteur 110. Le dispositif de commande

108 fournit un courant continu constant d'une intensité prédé-

terminée à l'élément 50 de détection d'oxygène du détecteur 110 de manière à faire en sorte que l'élément 50 présente un type choisi de caractéristique de sortie. Le dispositif de commande 108 fournitégalement uncourant de chauffage à l'élément 50 et reçoit la tension-de sortie de l'élément 50 de manière à produire un signal de commande pour la commande de la proportion de période d'ouverture et de période de fermeture de la valve électromagnétique 106 de manière qu'un rapport de mélange aircarburant préétabli soit obtenu par utilisation de la sortie de l'élément 50 en tant que signal de rétro-action indiquant le rapport de mélange réel du mélange

air-carburant.

En se référant également à la figure 9, on voit que l'élément 50 de détection d'oxygène est disposé dans un petit tube métallique 114 qui est maintenu en place par un support métallique tubulaire 112 de manière à se trouver dans une t459888

région centrale du passage d'admission 82 le long de la direc-

tion de l'écoulement du mélange air-carburant. Des conducteurs 62,64,66 du détecteur 110 s'étendent à travers le support tubulaire 112 et l'intérieur du support 112 est rempli avec une matière isolante 113. Dans le tube métallique 114, se trouve un élément de chauffage 116 disposé en amont de l'élément 50 de détection d'oxygène. Un conducteur 120 destiné à transmettre un courant de chauffage à cet élément de chauffage 116 à partir du dispositif de commande 108 s'étend à travers un support métallique tubulaire 118. La référence 119 désigne une matière isolante se trouvant dans le support tubulaire 118. Le tube métallique 114 est ouvert à ses extrémités de sorte qu'une fraction du mélange air-carburant pénètre dans ce tube 114 et est allumée par l'élément de chauffage 116, ce qui fait que l'élément 50 de détection d'oxygène est exposé à un gaz de combustion

produit à partir du méLange air-carburant malgré son installa-

tion dans le passage d'admission 82. Si l'élément 50 de détec-

tion d'oxygène du type cellule à concentration est exposé

au mélange air-carburant non brûlé, il est impossible de détec-

ter le rapport air/carburant car une pression partielle d'oxygène dans le mélange air-carburant est trop élevée pour permettre à l'élément 50 (qui est une cellule à concentration

d'oxygène) d'engendrer une force électromotrice d'une ampli-

tude variable et suffisamment élevée. L'ouverture d'entrée du tube métallique 114 est munie d'une toile métallique 117 pour

empêcher un retour de flamme.

De préférence, l'élément de chauffage 116 est en platine qui est un métal présentant une activité catalytique sur l'oxydation des hydrocarbures. Dans une variante, un élément de chauffage (116) non catalytique peut être noyé ou enfermé

dans une petite masse de substance catalytique.

Comme on le comprendra par une comparaison entre la figure 4 et la figure 8, la boucle fermée dans le système de commande à rétro-action selon la présente invention a une longueur globale considérablement plus courte que le système de commande classique de la figure 4. Par conséquent, le "retard de réponse" et le "retard de commande" du système de commande de la présente invention deviennent considérablement plus courts que ceux des systèmes de commande classique. Le tableau 2 ci-après montre les résultats d'un essai effectué sur le système de commande de la figure 8 appliqué au même moteur que dans le cas de l'essai dont les résultats ont été donnés par le tableau 1. La valeur de consigne ou but

de la commande était un rapport air/carburant stoechiométrique.

(Dans le tableau 2, les chiffres relatifs au système de commande

classique proviennent du tableau 1).

t459888

TABLEAU 2

Retard Sens de variation du rapport de Bas (Riche) > Haut (pauvre) melange air/carburant Système de commande Système de commandE classique de l'invention Circuit de commatnde EM valve 6 ms 6 ms EM valve injecteur principal de carburant 4 ms 4 ms Injecteur principal - valve d'admission 15 ms 15 ms Attente pour l'ouverture de la valve d'admission 0-60 ms 0-60 ms Chambre de combustion 32 mrs O Valve d'échappement - détecteur de -0 6 ms O Réponse du détecteur de -02- 20 ms 20 ms Retard total de la réponse 143 (max.) 105 ms (max.) Teps nécessaire pour ramener la valeur déviée du rapport de nmélange à la valeur de rapport environ 250 ms environ 185 ms

stoechioaétrique par une opé-

ration de correction continue.

Temps total de la conmande environ 393 ms environ 290 ms (max.) (max.) Comme le montrent les chiffres du tableau 2, la présente invention permet d'obtenir une diminution de 20% du "retard de commande" total par rapport au système classique de commande à rétro-action comprenant un détecteur d'oxygène installé dans le système d'échappement. Par conséquent, dans le cas o l'on applique la présente invention à un moteur muni d'un carburateur, la sensibilité devient comparable à celle du cas dans lequel une valve d'injection de carburant est prévue dans chaque lumière d'admission. Dans un système de commande à rétro-action selon la présente invention, les

fluctuations oscillantes du rapport air/carburant telles qu'il-

lustrées sur la figure 1 deviennent considérablement plus petites et la plage de fluctuation du rapport air/carburant devient égale à peu près à + 0,2,voire moins, par rapport à

un rapport air/carburant voulu.

Le mode de réalisation illustré ci-dessus concerne

un système d'alimentation en carburant utilisant un carbura-

teur,mais-la présente invention peut aussi être appliquée à un système d'injection de carburant avec la possibilité d'une

réduction supplémentaire du "retard de commande".

Le détecteur des figures 5 et 7 présente un avantage

incontestable sur le détecteur classique de la figure 1.

* Toutefois, quand ce détecteur perfectionné présente une caractéristique de sortie inclinée telle que celle représentée par la courbe A ou la courbe B sur la figure 6, il existe un inconvénient en ce sens qu'une valeur de tension de sortie ne correspond pas uniquement à unevaleur définie de rapport air/ carburant. Dans le cas de la courbe A, par exemple, la tension de sortie devient V01 non seulement lorsque le rapport air/

carburant est 16,5 (au point P sur la courbe A), mais éga-

lement lorsque le rapport air/carburant est 14,7 (stoechio-

métrique, au point Q sur la courbe A). Si la valeur de consigne, c'est-àdire la valeur recherchée, de la commande de rapport air/carburant est 16, 5, le risque existe de juger par erreur que cette valeur de consigne est atteinte bien que le rapport réel air/carburantsoit 14,7. Dans le cas de la courbe B, la tension de sortie devient V02 lorsque le rapport air/carburant est, soit 13,5 (au point R), soit 14,5 (presque stoechiométrique,

au point S). Il est possible de réaliser un circuit de com-

mande capable d'effectuer une discrimination, par exemple, entre le point P et le point Q, étant donné que le point P se trouve dans la partie légèrement inclinée de la courbe A, tandis que le point Q se trouve dans la partie à forte pente aux environs du rapport stoechiométrique air/carburant.

Toutefois, la présente invention propose d'éliminer cet incon-

vénient par une technique plus pratique et plus fiable. -

Quand la valeur recherchée ou valeur de consigne de la com-

mande de rapport air/carburant selon la présente invention est un rapport air/carburant, soit supérieur, soit inférieur au rapport stoechiométrique, il est préférable que le système de commande de la présente invention comporte deux détecteurs de rapport air/carburant sensibles à l'oxygène et disposés tous deux dans le passage d'admission. Un des deux détecteurs (le premier détecteur) correspond au détecteur 110 du système de commande de la figure 8 et, dans ce cas, on fait en sorte qu'il présente une caractéristique de sortie inclinée. L'autre (le second détecteur) est un détecteur du type à cellule à concentration d'oxygène dont on fait en sorte qu'il présente, dans un gaz de combustion, une caractéristique de sortie tout ou rien d'un type tel que celui représenté par la courbe

de la figure 2. Par conséquent, le second détecteur peut être,.

soit un détecteur perfectionné tel que celui représenté sur les figures 5 et 7,soit un détecteur classique tel que le détecteur 10 représenté sur la figure 1. De toute façon, le second détecteur doit être disposé de manière à être exposé aux gaz de combustion à l'intérieur du passage d'admission ou à se trouver au voisinage du premier détecteur. Par exemple, le second détecteur peut être disposé dans le tube métallique 114 du système des figures 8 et 9 en combinaison avec le premier détecteur 50 ou bien peut être placé dans un tube métallique séparé qui est disposé au voisinage du premier tube 114 et contient un moyen d'allumage correspondant à l'élément de chauffage 116 du premier tube 114. La sortie du premier détecteur et la sortie du second détecteur sont fournies simultanément à un circuit de commande unique comprenant un circuit de discrimination tel que celui que l'on va décrire ci-après. t459888 La figure 10 montre l'utilisation de deux détecteurs et 124 de rapport air/carburant, sensibles à l'oxygène, dans un système de commande à rétro-action conforme à la présente invention et appliqués à un moteur 130 fonctionnant avec un mélange riche et conçu de manière à maintenir un

rapport air/carburant (par exemple 13,5) en-dessous du rap-

port stoechiométrique. Les deux détecteurs 110 et 124 sont tous deux installés dans le passage d'admission comme expliqué ci-dessus. La référence 134 désigne un circuit de commande qui fournit un signal de commande à un moyen 132 de proportionnement air-carburant comprenant un actionneur tel qu 'une valve électromagnétique destinée à modifier le débit de l'alimentation en carburant, soit directement, soit par admission d'une quantité variable d'air auxiliaire dans le carburant. Un circuit 136 formant source de courant électrique fournit un courant continu constant d'une intensité adéquate au premier détecteur 110 du type représenté sur la

figure 5, de manière que ce détecteur 110 présente une carac-

téristique de sortie inclinée telle que celle représentée par la courbe Bde la figure 6. Le second détecteur 124 présente une caractéristique de sortie du type tout ou rien telle que celle représentée par la courbe de la figure 2. Quand le second détecteur 124 est lui aussi du type représenté sur la figure 5, le circuit 136 fournit un courant continu constant d'une intensité suffisamment élevée à ce détecteur 124. Comme partie du circuit de commande 134, on trouve un circuit de

discrimination comportant un transistor 140 et des ampli-

ficateurs 138 et 142. La sortie du premier détecteur 110 est appliquée au collecteur du transistor 140, tandis que la sortie du second détecteur 124 est appliquée à la base du

transistor 140 par l'intermédiaire de l'amplificateur 138.

On va supposer qu'un mélange pauvre de façon souhai-

table s'écoule dans le passage d'admission, de sorte que la tension de sortie V02 du premier détecteur 110 est engendrée au point R de la courbe B. La sortie du second détecteur 124

se trouve alors à un niveau maximal haut.

Par conséquent, le potentiel de base du transistor 140 prend

une valeur élevée et ce transistor 140 prend l'état conducteur.

-26 Par conséquent, la tension de sortie V02 du premier détecteur est transmise à la partie principale du circuit de commande 134 qui peut engendrer un signal de commande appropriée basé sur cette tension V. Quand un mélange air-carburant presque stoechiométrique s'écoule dans le passage d'admission de sorte que la tension de sortie V02 du premier détecteur 110 est engendrée au point S de la courbe B, la sortie du second détecteur 124 est inférieure au niveau maximal haut, de sorte que le transistor 140 se trouve dans l'état non conducteur. Il en résulte que la tension de sortie V02 du premier détecteur 110 n'est pas appliquée à la partie principale du circuit de commande 134. Le circuit de commande 134 juge alors que le rapport réel air/carburant est supérieur à la valeur recherchée et continue à commander le moyen 132 de proportionnement air-carburant de manière à augmenter le débit de l'admission en carburant jusqu'à ce que le transistor 140 devienne conducteur pour que la transmission de la sortie du

premier détecteur 110 au circuit de commande 134 recommence.

La figure 11 montre l'application d'un système similaire de commande & rétro-action à un moteur 130A fonctionnant avec un mélange pauvre. Dans ce système, le circuit de discrimination est réalisé par l'addition d'un transistor 144 au circuit de discrimination de la figure 10 et la sortie du second détecteur 124 est appliquée à la base de ce transistor 144. Le collecteur du transistor 144 est relié à la base du transistor 140 de telle sorte qu'une source de tension est appliquée à la base

du transistor 140 lorsque le transistor 144 n'est pas conduc-

teur.

On va supposer qu'un mélange pauvre de façon souhai-

table s'écoule dans le passage d'admission de sorte que la tension de sortie V01 du premier détecteur 110 est engendrée au point P de la courbe A de la figure 6. La sortie du second détecteur 124 se trouve alors àmu niveau bas de façon minimale de sorte que le transistor 144 se trouve dans l'état non

conducteur. Par conséquent, la tension de la source est ap-

pliquée à la base du transistor 140 de manière à le rendre conducteur. Il en résulte que la tension de sortie V01 du premier détecteur 110 est transmise à la partie principale du t459888 circuit de commande 134. Quand un mélange air-carburant à peu près stoechiométrique s'écoule dans le passage d'admission de sorte que la tension de sortie V01 du premier détecteur 110 est engendrée au point Q de la courbe A, la sortie du second détecteur 124 se trouve au-dessus du niveau bas,de sorte que le transistor 144 devient conducteur. Le transistor 140 prend alors l'état non conducteur et interrompt la transmission de la tension de sortie V0l du premier détecteur 110 à la partie

principale du circuit de commande 134.

Le circuit 136 d'alimentation en courant électrique et le circuit de commande 134 des figures 10 et 11 peuvent,de préférence, être réalisés de manière telle que l'intensité du courant fournie au premier détecteur 110 soit modifiée

momentanément en fonction des conditions de marche du moteur.

Quand, par exemple, le moteur fonctionne dans des conditions d'accélération ou à pleins gaz, il doit être alimenté avec un mélange très riche (par exemple un mélange présentant un rapport air/carburant d'environ 13,5), il convient d'augmenter l'intensité du courant jusqu'à environ l0 jA, ce qui a pour

effet d'augmenter le niveau de sortie du premier détecteur 110.

Quand le moteur exige un mélange légèrement riche (par exemple un mélangeprésentant un rapport air/carburant d'environ 14,5),

une intensité de courant appropriéesera d'environ 5 FA.

Dans le cas o l'on utilise deux détecteurs de rapport air/carburant sensibles à l'oxygène dans un système de commande

selon la présente invention, c'est-à-dire un détecteur pré-

sentant une caractéristique de sortie inclinée et un autre détecteur présentant une caractéristique de sortie du type tout ou rien, il est bon que les deux détecteurs soient du type représenté sur la figure 5 et il est encore mieux que les deux détecteurs

soient réunis sous la forme d'un seul dispositif.

La figure 12 montre un élément 150 sensible à l'oxygène et à double cellule que l'on obtient fondamentalement par l'adjonction d'une cellule à concentration d'oxygène à l'élément

50 qui est sensible à l'oxygène et que représente la figure 5.

Sur le côté découvert du substrat 52 de l'élément 50 de la figure 5, une couche-électrode 158 de référence, une couche 54 d'électrolyte solide qui est roreuse de façon microscopique, et une couche-électrode poreuse 156 de. mesure sont formées l'une sur

14S9S888

l'autre d'une façon généralement symétrique aux couches

correspondantes 58, 54 et 56 de l'autre côté du substrat 52.

Après avoir connecté des conducteurs aux couches-électrodes, on revêt entièrement les surfaces extérieures des deux cellules à concentration avec une couche protectrice poreuse 160. La figure 13 montre un ensemble de détecteurs de rapport air/carburant utilisant l'élément 150 qui comporte une double cellule et que représente la figure 12. L'élément 150 à double

cellule est monté sur l'une des extrémités d'une tige cylin-

drique 164 en mullite, cette tige étant logée sans jeu dans un support 166 en acier inoxydable. La tige 164 de mullite comporte des alésages axiaux à travers lesquels s'étendent les conducteurs 159 de l'élément 150. Une section arrière de l'intérieur du support 166 est remplie d'une matière 174 isolante et résistante à la chaleur, comme par exemple une poudre d'alumine, et l'extrémité arrière du support 166 est fermée avec un bouchon 176 en résine synthétique. A la place du tube métallique 114 de la figure 9, un capuchon cylindrique en acier inoxydable est emboîté sur la tige 164 en mullite et est soudé -au support 166 à l'aide d'un élément annulaire 168 de manière telle que l'élément 150 est enfermé dans une partie d'extrémité de ce capuchon 170. Dans cette partie d'extrémité, le capuchon 170 comporte plusieurs trous 171 qui servent d'entrée et de sortie pour le gaz. A l'intérieur du capuchon 170, un élément de chauffage 172 en platine est placé au voisinage de l'élément 150 sensible à l'oxygène et des conducteurs 173 de cet élément 170 de chauffage s'étendent à travers les alésages axiaux de la tige 164 de mullite. Une partie d'extrémité avant du détecteur ainsi assemblé est introduite dans le passage d'admission 82 à

travers un trou 181 formé dans la paroi 180 du tuyau d'admis-

sion et est fixée à cette paroi 180 à l'aide d'un écrou 182

à collerette.

On fait en sorte que l'une des deux cellules à con-

centration de l'élément 150 présente une caractéristique de sortie inclinée grâce à l'application d'un courant continu d'intensité adéquate, tandis que l'on fait en sorte que l'autre cellule présente une caractéristique du type tout ou rien t4S9888 grâce à l'application d'un courant continu d'une intensité

plus élevée.

La valeur de consigne de la commande de rapport air/

carburant selon la présente invention est déterminée princi-

palement en fonction du type de moyen de purification de gaz

d'échappement équipant le moteur.

La figure 14 montre un système de moteur comprenant un convertisseur catalytique 194 contenant un catalyseur

d'oxydation, un circuit 196 de recyclage des gaz d'échap-

pement, et un circuit secondaire 198 d'alimentation en air raccordé au passage d'échappement 192. Dans le présent cas, il est souhaitable d'effectuer la commande à rétro-action de manière que le rapport air/carburant dans le carburateur 80 soit d'environ 13,5, ce qui signifie l'envoi d'un mélange considérablement riche aux chambres de combustion 190 du moteur. Du fait qu'un taux considérablement élevé de recyclage des gaz d'échappement est nécessaire dans ce type de système de moteur pour supprimer la formation de NOx, si on utilise un rapport air/carburant plus faible, il est alors impossible de maintenir un fonctionnement stable du moteur. Par contre, on n'obtient pas d'une façon efficace l'élimination de CO et HC par le catalyseur d'oxydation quand on utilise un mélange riche. Par conséquent, on introduit de l'air secondaire dans le passage d'échappement 192 à travers le circuit 198 de telle sorte que les gaz d'échappement dilués pénétrant dans le convertisseur catalytique 194 correspondent alors aux gaz

d'échappement produits par la combustion d'un mélange pauvre.

Le convertisseur catalytique 194 peut être remplacé par un réacteur thermique. Il devient alors souhaitable de commander le rapport air/carburant dans le carburateur 80 pour qu'il prenne une valeur encore plus faible comme, par exemple, environ 12,5. Le circuit 198 d'alimentation en air secondaire est utilisé de manière telle que le rapport en poids entre, d'une part, la somme de l'air contenu dans le mélange riche et de l'air secondaire et, d'autre part, le combustible

contenu dans le mélange riche, devienne égal à environ 16,5.

On fait en sorte que le premier détecteur 110 de rapport air/ carburant du système de moteur de la figure 14 présente la caractéristique de sortie inclinée représentée par la courbe

B de la figure 6.

Dans un système de moteur représenté sur la figure 15,

le moteur comporte le type perfectionné de chambres de com-

bustion l90A présentant une caractéristique de combustion perfectionnée de sorte qu'un fonctionnement stable et efficace du moteur peut être maintenu même si un mélange extrêmement pauvre et un mélange extrêmement riche de gaz recyclés sont utilisés conjointement. Dans le présent cas, la commande à rétro-action selon la présente invention est exécutée de manière que le rapport air/carburant dans le carburateur soit d'environ 16,5, que le dispositif 194 de purification

de gaz d'échappement soit un réacteur thermique ou un conver-

tisseur catalytique contenant un catalyseur d'oxydation. En raison de l'utilisation d'un tel mélange pauvre, le système

de moteur de la figure 15 ne nécessite pas de circuit d'ali-

mentation en air secondaire. On fait en sorte que le premier détecteur. 110 de rapport air/carburant du système de la figure 15 présente la caractéristique de sortie inclinée

représentée par la courbe A de la figure 6.

La présente invention permet donc d'exécuter une com-

mande à rétro-action du rapport air/carburant même quand on utilise un mélange riche ou un mélange pauvre différent du mélange stoechiométrique. Par conséquent, même quand on utilise un moyen de purification des gaz d'échappement autre qu'un catalyseur à trois effets, on peut obtenir une purification efficace des gaz d'échappement sans sacrifier la puissance du moteur ou les économies en carburant procurées par ce moteur. La présente invention peut être appliquée également au type perfectionné de moteur à combustion interne tel que les moteurs à mélange pauvre comportant des chambres de combustion pourvues chacune d'une chambre antérieure, le moteur à inflammation instantanée comportant des chambres de combustion munies chacune de deux bougies et dans lesqaelles

on obtient un taux très élevé de recyclage des gaz d'échap-

pement grâce à lutilisation d'un mélange légèrement riche, de manière à maintenir de bonnes conditions de marche, les moteurs munis d'un convertisseur catalytique contenant un catalyseur à trois effets et d'un système de compensation d'altitude, et les moteurs commandés électroniquement utilisant un microcalculateur pour commander de façon extrêmement variable le rapport air/carburant en fonction des conditions de marche du moteur, et, dans tous les cas, la commande du rapport air/carburant peut être effectuée avec une meilleure

précision et une meilleure sensibilité.

t459888

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Système de commande pour une commande à rétro-action du rapport air/carburant d'un mélange air-carburant dans un passage d'admission de moteur à combustion interne, le système de commande susvisé étant caractérisé par le fait qu'il comprend: un moyen (80,106) d'alimentation en carburant pouvant être commandé électriquement pour envoyer du carburant dans le passage d'admission; un détecteur (110) de rapport air/carburant sensible à l'oxygène qui comporte une couche (54) d'électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène et deux couchesélectrodes (56,

58) formées sur la couche d'électrolyte solide, ledit détec-

teur étant disposé dans le passage d'admission dans une section située en aval du moyen d'alimentation en carburant; un moyen de commande (108) pour fournir un signal de commande audit moyen d'alimentation en carburant en se basant sur unsignal de rétro-action engendré par ledit détecteur, de manière à corriger un écart du rapport air/ carburant indiqué par le signal de rétro-action à partir d'un rapport air/carburant prédéterminé; un moyen d'allumage (116) pour enflammer une fraction du mélange air-carburant s'écoulant dans le passage d'admission detelle sorte que ledit détecteur soit exposé à un gaz de combustion produit par la combustion de ladite fraction du mélange air-carburant; et un moyen (108) d'alimentation en énergie électrique pour faire circuler un courant continu constant d'une

intensité prédéterminée à travers ladite couche (54) d'élec-

trolyte solide dudit détecteur entre les deux couches-élec-

trodes (56,58) précitées, de manière à donner de façon sélective audit détecteur (110) une des caractéristiques suivantes: (a) une caractéristique de sortie du type tout ou rien qui signifie que l'amplitude de la sortie dudit détecteur subit une variation brusque entre un niveau haut de façon maximale et un niveau bas de façon minimale quand la variation du rapport air/carburant franchit le point correspondant au rapport air/carburant stoechiométrique dudit mélange air- carburant;(b) une caractéristique de sortie inclinée d'un premier type qui signifie que l'amplitude de la sortie dudit détecteur varie progressivement à mesure que le rapport air/carburant varie mais reste supérieu! audit rapport stoechiométrique air/ carburant, et (c) une caractéristique de sortie inclinée du second type qui signifie que l'amplitude de la sortie dudit détecteur varie progressivement à mesure que le rapport air/ carburant varie mais reste inférieur audit rapport stoechiométrique air/carburant.

2. Système de commande suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite couche (54) d'électrolyte solide dudit détecteur (110) de rapport air/carburant est une couche qui est poreuse de façon microscopique et qui est formée sur un substrat (52) sensiblement plat, la première (56) des deux couches- électrodes précitées étant une mince couche qui est poreuse de façon microscopique et qui est formée sur le côté extérieur de ladite couche d'électrolyte solide, la seconde (58) des deux couches-électrodes précitées étant une mince couche qui est formée sur le côté intérieur de ladite couche d'électrolyte solide et qui est protégée complètement, de façon macroscopique, contre l'atmosphère environnant par ledit substrat et ladite couche d'électrolyte solide.

3. Système de commande suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit détecteur (110) de rapport air/carburant comprend, en outre, un moyen de chauffage (60)

à résistance électrique noyé dans ledit substrat (52).

4. Système de commande suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit détecteur (110) de rapport air/carburant est relié électriquement audit moyen (108,70, 136) d'alimentation en énergie électrique, de telle sorte que lorsque ledit rapport de mélange prédéterminé est supérieur audit rapport stoechiométrique air/carburant, ledit courant continu constant est amené à circuler à travers ladite couche (54) d'électrolyte solide depuis ladite première couche-électrode (56) en direction de ladite seconde couche-électrode (58) grâce à quoi ledit détecteur présente ladite caractéristique

de sortie inclinée du premier type.

5. Système de commande suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit détecteur (110) de rapport

air/carburant est relié électriquement audit moyen (108,70,-

136) d'alimentation en énergie électrique, de telle sorte que, quand ledit rapport air/carburant prédéterminé est inférieur audit rapport stoechiométrique air/carburant,ledit courant continu constant est amené à s'écouler à travers ladite couche (54) d'électrolyte solide depuis ladite seconde couche-électrode (58) en direction de ladite première coucheélectrode (56), grâce à quoi ledit détecteur présente ladite caractéristique

de sortie inclinée du second type.

6. Système de commande suivant les revendications 4

ou 5, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, un autre détecteur (124) de rapport air/carburant qui est sensible à l'oxygène et qui est disposé dans ladite section du passage d'admission de manière à se trouver au voisinage dudit détecteur (110) de rapport air/carburant, ledit autre

détecteur comportant une couche d'électrolyte solide conduc-

trice de l'ion oxygène sur laquelle sont formées deux couches-

électrodes et présentant ladite caractéristique de sortie du type tout ou rien dans lesdits gaz de combustion, ledit moyen d'allumage (116, 172) étantdisposé de telle sorte qu'un autre détecteur (124) est également exposé auxdits gaz de combustion, ledit moyen de commande comportant un moyen de discrimination pour vérifier la veracité de l'information donnée par ledit signal de rétro-action en se référant à la sortie

dudit autre détecteur (U24).

7. Système de commande suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit autre détecteur (124) a une structure similaire dans son ensemble audit détecteur (110) et est reié audit moyen (136) d'alimentation en énergie detelle sorte,u'un autre courant continu est amené à circuler à travers la couche d'électrolyte solide dudit autre détecteur (124) entre les deux couches-électrodes dudit autre détecteur, l'intensité dudit autre courant continu étant supérieure à l'intensité

dudit courant continu fourni audit détecteur (110).

8. Système de commande suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit substrat (52) dudit détecteur

(110) sert aussi de substrat pour ledit autre détecteur (124).

9. Système de commande suivant la revendication 8, ca-

ractérisé par le fait que la couche (154) d'électrolyte solide et les deux couches-élèctrodes (156,158) dudit autre détecteur sont formées sur ledit substrat (52) de façon opposée à ladite couche (54) d'électrolyte solide et aux

deux couches-électrodes (56,58) dudit détecteur (110).