FR2467988A1 - Systeme de controle, par contre-reaction, du rapport air/carburant dans un moteur a combustion interne, avec un moyen pour controler l'alimentation en courant vers un capteur d'oxygene - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système de contrôle, par contre-réaction, du rapport air/carburant dans un moteur à combustion interne, utilisant un dispositif sensible à l'oxygène avec réchauffeur, disposé dans des gaz d'échappement pour produire un signal de contre-réaction. Selon l'invention, une couche d'électrolyte solide poreux est entourée de couches formant électrodes externe et interne; un circuit 52, 54, 56 fournit du courant au réchauffeur 34 et à la couche d'électrolyte solide pour provoquer une migration des ions oxygène vers l'électrode interne et établir une pression partielle d'oxygène de référence sur le côté interne de la couche d'électrolyte solide; le circuit est pourvu d'un moyen de régulation de l'intensité du courant 58, 60 pour la diminuer temporairement d'une valeur prédéterminée quand le dispositif sensible à l'oxygène n'est pas suffisamment chauffé et empêcher une augmentation du niveau de base de sa tension de sortie due à la résistance interne accrue de l'élément non suffisamment chauffé. L'invention s'applique notamment à l'industrie automobile.
Description
La présente invention se rapporte à un système pour contrôler, par contre-
réaction, un rapport air/carburant dans un moteur à combustion interne, lequel système comporte un détecteur du rapport air/carburant ayant un élément sensible à l'oxygène du type à cellule de concen- tration d'oxygène fonctionnant, avec une alimentation en courant continu, pour établir une pression partielle d'oxygène de référence dans cet élément et pourvu d'un réchauffeur électrique pour assurer son bon fonctionnement, et elle se rapporte plus particulièrement un sous-sytème pour contrôler l'intensité du courant ci-dessus selon la température de l'élément sensible à l'oxygène, afin de maintenir cet élément actif même quand il n'est pas
suffisamment chauffé.
Dans les moteurs à combustion interne récents et en particulier dans les moteurs automobiles, il est devenu populaire de contrôler le rapport de mélange air/carburant avec précision, à une valeur optimale prédéterminée, en accomplissant un contrôle par contre-réaction, afin d'améliorer l'efficacité des moteurs et de réduire l'émission de substances nocives ou néfastes contenues
dans les gaz d'échappement.
Par exemple, dans un système de moteur automobile comportant un convertisseur catalytique prévu dans le passage d'échappement et qui contient un catalyseur à trois voies pouvant catalyser à la fois la réduction des oxydes d'azote et l'oxydation de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures non brtlés, il est souhaitable de contrôler le rapport de mélange air/carburant à un rapport stoechiométrique, parce que ce catalyseur présente ses
plus fortes efficacités de conversion dans un gaz d'échappe-
ment produit par combustion d'un mélange air-carburant stoechiométrique, et également parce que l'emploi d'un rapport stoechiométrique de mélange est favorable pour la réalisation de fortes efficacités mécaniques et
thermiques du moteur.
L'accomplissement du contrôle, par contre-réaction, du rapport air/carburant dans un tel moteur a déjà été mis en pratique en utilisant une sorte de capteur d'oxygène, installé dans le passage d'échappement, en amont du convertisseur catalytique, comme dispositif produisant un signal électrique de contre-réaction indiquant le
rapport air/carburant d'un mélange air- carburant réelle-
ment fourni au moteur. En se basant sur ce signal de contre-réaction, un circuit de contrôle commande un dispositif d'alimentation en carburant tel que des soupapes d'injection de carburant à commande électronique, pour contrôler le taux d'limentation en carburant vers le moteur afin d'annuler ou de diminuer des écarts du rapport air/
carburant réel et du rapport stoechiométrique voulu.
Habituellement, le capteur d'oxygène ci-dessus mentionné est du type à cellule de concentration d'oxygène utilisant un électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène, comme de la zirconie stabilisée à la calcie, et traditionnellement, le capteur est constitué d'une couche d'électrolyte solide sous forme d'un tube fermé à une extrémité, d'une couche formant électrode de mesure formée poreuse sur le coté externe du tube d'électrolyte solide et d'une couche formant électrode de référence formée sur le côté interne du tube. Quand il y a une différence de pression partielle d'oxygène entre le ctté électrode de référence et le ctté électrode de mesure du tube d'électrolyte solide, ce capteur produit une force
électromotrice entre les deux couches formant électrodes.
Comme détecteur du rapport air/carburant dans le but ci-dessus mentionné, l'électrode de mesure est exposée au gaz d'échappement d'un moteur tandis que l'électrode de référence, à l'intérieur, est exposée à l'air atmosphérique utilisé comme source de pression partielle d'oxygène de référence. Dans cet état, la grandeur de la force électromotrice produite par ce capteur présente un changement important et brusque entre un niveau maximum haut et un niveau très bas à chaque fois que le rapport air/carburant d'un mélange fourni au moteur change en passant par le rapport stoechiométrique. En conséquence, il est possible de produire un signal de contrôle du taux d'alimentation en carburant basé sur le résultat d'une comparaison de la sortie du capteur d'oxygène avec une tension de référence établie entre les niveaux
haut et bas de la sortie du capteur.
Cependant, ce type de capteur d'oxygène présente des inconvénients comme la forte dépendance de sa caractéristique de sortie avec la température, la nécessité d'utiliser un gaz de référence tel que l'air, la difficulté de réduire la dimension et l'insuffisance de résistance mécanique. Pour éliminer ces inconvénients d'un capteur d'oxygène traditionnel, dans le brevet U.S. No. 4 207 159 est révélé un dispositif avancé comprenant un élément sensible à l'oxygène o une cellule de concentration d'oxygène est constituée d'une couche plate et microscopiquement poreuse d'électrolyte solide, une couche formant électrode de mesure étant formée poreuse d'un côté de la cuuche d'électrolyte solide et une couche formant électrode de référence étant formée de l'autre ctté, sur une plaque de base ou substrat, afin que la couche formant électrode de référence soit prise en sandwich entre le substrat et la couche d'électrolyte solide, et microscopiquement protégée de l'atmosphère l'environnant. Chacune des trois couches sur le substrat peut être formée comme une couche mince en pellicule. Ce dispositif nubJise aucun gaz de référence. Au contraire, un moyen d'alimentation en courant continu est relié à l'élément sensible à l'oxygène afin de forcer un courant continu et constant (par exemple d'une densité de l'ordre de 20 pA) à s'écouler dans la couche d'électrolyte solide entre les deux couches formant électrodes, pour provoquer ainsi une migration des ions oxygène dans la couche d'électrolyte solide dans une direction choisie et, en conséquence, établir une pression partielle d'oxygène de référence à l'interface entre la couche d'électrolyte solide et la couche formant électrode de référence, tandis que la couche formant électrode de
mesure est enontact avec un gaz d'échappement d'un moteur.
Quand le courant est forcé à s'écouler à travers la couche d'électrolyte solide, de la couche formant électrode de référence vers la couche formant électrode de mesure,il se produit une ionisation de l'oxygène contenu dans les
gaz d'échappement sur l'électrode de mesure et une migra-
tion des ions oxygène chargés négativement à travers la
couche d'électrolyte solide, vers l'électrode de référence.
Le taux d'alimentation en oxygène sous forme d'ions vers l'électrode de référence est principalement déterminé par l'intensité du courant. Les ions oxygène arrivés sur la couche formant électrode de référence sont dépourvus d'électrons et se transforment en molécules d'oxygène avec pour résultat, l'accumulation d'oxygène gazeux du
c'té électrode de référence de laoellule de concentration.
Cependant, une partie des molécules d'oxygène accumulées se diffuse vers l'extérieur à travers les passages
microscopiques du gaz dans la couche d'électrolyte solide.
Par conséquent, il est possible de maintenir une pression partielle d'oxygène constante et relativement élevée, pouvant servir de pression partielle d'oxygène de référence à l'interface entre la couche formant électrode de référence et la couche d'électrolyte solide, en employant une intensité appropriée de courant en considérant la structure microscopique et l'activité de la couche d'électrolyte solide. Alors, entre les couches formant électrodes de référence et de mesure de cet élément sensible à l'oxygène est produite une force électromotrice dont la grandeur est en rapport avec la composition des gaz d'échappement et le rapport air/carburant d'un mélange d'o est produit le gaz d'échappement. De même, il est possible de faire fonctionner cet élément sensible à l'oxygène en forçant le courant à s'y écouler de la couche
3-5 formant électrode de mesure vers la couche formant électro-
de de référence. Dans ce cas, une pression partielle d'oxygène constante et relativement faible peut être maintenue à l'interface entre la couche formant électrode
de référence et la couche d'électrolyte solide.
Pour fournir un courant continu d'une intensité
précisément constante, on utilise un circuit d'alimenta-
tion en courant constant contenant un moyen électronique
tradltionnel de contrble.
Le dispositif selon le brevet U.S. No. 4 207 159 présente des avantages comme l'inutilité d'utiliser un gaz de référence, la possibilité de le produire à de très petites dimensions et de bonnes résistances aux
chocs mécaniques et auxvibrations.
Dans les applications pratiques, il est nécessaire de prévoir, dans ce dispositif (également les capteurs d'oxygène traditionnels du type à cellule de concentration à électrolyte solide), un réchauffeur électrique parce que l'activité de la couche d'électrolyte solide dans le dispositif devient trop faible si la température de l'élément sensible à l'oxygène est relativement faible, c'est-à-dire si elle estinférieure à environ 4000C, ainsi l'élément sensible à l'oxygène installé dans le système d'échappement d'un moteur devient inefficace en tant que détecteur du rapport air/carburant quand le moteur
décharge un gaz d'échappement à une température relative-
ment faible, si cet élément ne doit être chauffé que par
la chaleur des gaz d'échappement. Le réchauffeur électri-
que est habituellement fixé au substrat ou enfoui dans
ce substrat de l'élément sensible à l'oxygène.
Du fait du fonctionnement de ce dispositif sensible à l'oxygène avec le maintien d'un courant constant et continu traversant la couche d'électrolyte solide qui a une résistance électrique considérable, la tension à la sortie de ce dispositif, mesurée entre les couches formant électrodes de référence et de mesure, devient la somme de la force électromotrice produite par la fonction de l'élément sensible à l'oxygène en tant que cellule de concentration d'oxygène et d'une tension produite dans la couche d'électrolyte solide résistante par l'écoulement de courant constant s'y produisant. La résistance de la couche d'électrolyte solide dépend de façon importante de la température de cette couche ou de l'élément sensible à l'oxygène et augmente fortement tandis que la température baisse. Dans un système de contrble du rapport air/carburant utilisant ce dispositif sensible à l'oxygène comme détecteur du rapport air/carburant, la valeur d'une tension de référence à laquelle la tension à la sortie du détecteur est comparée en une étape initiale dans le procédé de production d'un signal de contrble du rapport air/carburant, est déterminée en supposant que le détecteur est suffisamment chauffé par la chaleur des gaz d'échappement et par l'action du réchauffeur et que la résistance interne du détecteur (principalement la résistance de la couche d'électrolyte solide) est à un seuil assez abaissé. Habituellement, cette tension de référence est déterminée afin de correspondre à un rapport air/carburant voulu tel qu'un rapport air/ carburant stoechiométrique. Quand la supposition ci-dessus est réalisée, un niveau ou seuil de base ou niveau ou seuil en courant continu de la tension à la sortie du détecteur, à l'exclusion d'une composante variable pouvant être attribuée à la force électromotrice dont la grandeur dépend de la composition des gaz d'échappement, n'est pas si différent de la tension de référence. Quand le contrble par contre-réaction du rapport air/carburant est accompli dans de telles conditions, le rapport air/carburant réel présente des fluctuations périodiques d'une certaine amplitude, avec la valeur voulue de contrble comme ligne médiane, ainsi la tension à la sortie du détecteur présente également des fluctuations périodiques passant par la tension de référence à une relativement basse fréquence comme quelques hertz. En conséquence, il esi possible de continuer le contrble par contre-réaction en modifiant de façon appropriée la signification du signal de contrble du rapport air/carburant basé sur la relation haute-basse entre la tension à la sortie du détecteur et la tension de référence, afin de diminuer l'amplitude des fluctuations
du rapport air/carburant réel.
Cependant, quand le détecteur du rapport air/carburant fonctionne tandis que sa partie sensible à l'oxygène n'est pas suffisamment chauffée et que par conséquent, sa résistance interne est très élevée, le niveau en courant continu de la tension de sortie devient très élevé et bien audessus de la tension déterminée de référence, ainsi la tension de sortLf reste au-dessus de la tension de référence quelle que soit la grandeur de la force électromotrice que cet élément produit. Par conséquent, dans cette condition, il est impossible d'accomplir un contrôle par contreréaction du rapport air/carburant en utilisant le signal de sortie du détecteur comme signal
de contre-réaction.
Dans la pratique, on rencontre cette situation lors du démarrage à froid du moteur. Le réchauffeur dans le détecteur est excité en synchronisme avec l'allumage du moteur, et la partie sensible à l'oxygène du détecteur est rapidement exposée aux gaz d'échappement. Cependant, les effets de chauffage des deux sources de chaleur ne sont pas instantanés. La température de la partie sensible à l'oxygène augmente graduellement tandis que le réchauffeur est maintenu en fonctionnementetquela température des gaz d'échappement augmente graduellement, ainsi la résistance interne de l'élément sensible à l'oxygène et par conséquent le seuil en courant continu de la tension de sortie baissent graduellement. Il faut quelques minutes> période relativement longue de temps du point de vue technique de contrôle électronique, avant que le seuil en courant continu de la tension de sortie devienne suffisamment bas pour permettre à la tension de sortie de servir de signal de contre-réaction, en devenant soit plus forte
ou plus faible que la tension de référence selon la direc-
tion d'un écart du rapport air/carburant réel et du rapport
air/carburant prédéterminé, et que le signal par contre-
réaction du rapport air/carburant deiume utilisable dans la pratique. Pour cette raison, il est habituel d'interrompre le contrôle par contreréaction du rapport air/carburant pour accomplir un contrble en boucle ouverte afin d'alimenter le moteur en un mélange quelque peu
enrichi en carburant pendant le temps ci-dessus mentionné.
Cependant, cela est défavorable pour la purification des gaz d'échappement et l'amélioration de l'économie de carburant. On rencontre également une situation semblable
pendant la marche au ralenti du moteur.
La présente invention a pour objet un système pour le contrble par contreréaction du rapport air/carburant d'un moteur à combustion interne, lequel système utilise un détecteur du rapport air/carburant sensible à l'oxygène du type révélé dans le brevet U.S. No. 4 207 159, pourvu d'un réchauffeur électrique et disposé dans un passage d'échappement, et qui a la capacité d'accomplir le contrôle voulu par contre-réactionmême quand la partie sensible à l'oxygène du détecteur est à une température
relativement basse et a une résistance interne considérable-
ment élevée, afin de permettre ainsi de commencer immédiatement le contrtle par contre- réaction même lors
d'un démarrage à froid du moteur.
Un système de contrble par contre-réaction selon l'invention comprend un moyen d'alimentation en courant électriquement réglable prévu dans le système d'admission d'un moteur à combustion interne; un détecteur du rapport air/carburant disposé dans le passage d'échappement du moteur et qui a un élément sensible à l'oxygène du type à cellule de concentration comprenant un substrat, une couche formant électrode de référence microscopiquement
poreuse formée sur le substrat, une couche microscopique-
ment poreuse d'un électrolyte solide conducteur de l'ion
oxygène formée sur le substrat afin de couvrir sensible-
ment totalement la couche formant électrode de référence et une couche formant électrode de mesure microscopiquement poreuse formée sur la couche d'électrolyte solide, ainsi qu'un réchauffeur électrique; et un moyen de contr le d'alimentation en carburant pour appliquer un signal de contrôle au moyen d'alimentation en carburant afin de contrtler le taux d'alimentation en carburant vers le
moteur pour maintenir un rapport air/carburant prédé-
terminé en utilisant la tension à la sortie du détecteur du rapport air/carburant comme signal de contre-réaction. Ce système de contrôle comprend de plus un sous-système pour fournir un courant de chauffage au réchauffeur du détecteur du rapport air/carburant et forcer un courant continu d'une intensité prédéterminée à s'écouler à travers la couche d'électrolyte solide de l'élément sensible à l'oxygène, de la couche formant électrodecb référence vers la couche formant électrode de mesure afin de provoquer une migration des ions oxygène à travers la couche d'électrolyte solide, de la couche formant électrode de mesure vers la couche formant électrode de référence pour établir ainsi une pression partielle d'oxygène de référence à l'interface entre la couche formant électrodede référence et la couche d'électrolyte solide. Ce sous-système comprend de plus un moyen de détection de la température, pour détecter la température del'élément sensible à l'oxygène en tant qu'indication de la résistance interne anre les couches formant électrodes de référence et de mesure du même élément, et produisant un signal de commande quand la température détectée est en dessous d'une température prédéterminée, ainsi qu'un moyen de régulation de courant pour diminuer l'intensité du courant continu s'écoulant à travers la couche d'électrolyte solide, à partir de l'intensité ci-dessus mentionnée, d'une valeur prédéterminée, tandis que le moyen de détection de température produit le signal de commande. En conséquence, on peut empocher le seuil de base de la tension à la sortie de l'élément
sensible à l'oxygène d'augmenter trop tandis que la résis-
tance interne de cet élément est excessivement élevée.
Dans un mode de réalisation préféré, le sous-système ci- dessus mentionné peut comprendre une résistance supplémentaire reliée en série avec la ou les résistances nécessaires pour produire un courant continu à l'intensité prédéterminée ci-dessus, et un commutateur électriquement
réglable relié en parallèle avec la résistance supplé-
mentaire et normalement à l'état passant pour mettre en court-circuit la résistance supplémentaire, mais qui prend l'étatnon psat en réponse au signal de commande ci-dessus, afin que la résistance supplémentaire devienne efficace pour diminuer l'intensité de courant tandis que l'élément sensible à l'oxygène n'est pas suffisamment chauffé. Il est pratique et préférable de détecter la température de l'élément sensible à l'oxygène en utilisant
la dépendance entre la résistance du réchauffeur électri-
que et la température.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci
apparaltront plus clairement au cours de la description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un système d'un moteur à combustion interne comportant un système de contrble du rapport air/carburant concerné par la présente invention; 25. - la figure 2 est une vue schématique et en coupe d'un élément sensible à l'oxygène d'un détecteur du rapport air/carburant employé dans la présente invention - la figure 3 est un schéma de circuit montrant un circuit traditionnel pour fournir un courant constant à la partie sensible de l'élément sensible à l'oxygène de la figure 2, et un courant de chauffage à un réchauffeur prévu dans le même élément; - la figure 4 est un diagramme illustrant le mode de fonctionnement de l'élément sensible à l'oxygène de la figure 2, qui est employé dans le système du moteur de la figure 1 et commandé par le circuit de la figure 5, pendant une phase de démarrage de fonctionnement du moteur, il le taux étant indiqué en abscisses et la sortie du capteur en ordonnées; - la figure 5 est un schéma de circuit montrant un circuit d'alimentation en courant pour l'élément sensible à l'oxygène de la figure 2 dans le système du moteur de la figure 1, selon un mode de réalisation de l'invention;et la figure 6 est un diagramme illustrant le mode de fonctionnement de l'élément sensible à l'oxygène de la figure 2, employé dans le système dé moteur de la figure 1 et commandé par le circuit d'alimentation en courant de la figure 5 ainsi que le mode de fonctionnement du circuit de la figure 5, pendant une phase de démarrage du fonctionnement du moteur, la sortie du capteur et le courant étant indiqués en ordonnées et le temps en
abscisses.
Sur la figure 1, le repère 10 désigne un moteur à combustion interne, qui peut être un moteur automobile, pourvu d'un passage d'induction 12 et d'un passage
d'échappement 14. En 16 est indiqué un dispositif d'ali-
mentation en carburant à commande électrique ou électroni-
que, comme des soupapes d'injection de carburant àcommande électronique. Un convertisseur catalytique 18 occupe une section du passage d'échappement 14 et il contient un
catalyseur traditionnel à trois voies.
Pour accomplir le contrble, par contre-réaction, du dispositif 16 d'alimentation en carburant afin d'amener constamment un mélange aircarburant stoechiométrique au moteur 10 pendant son fonctionnement normal pour permettre ainsi au catalyseur à trois voies dans le convertisseur 18 de présenter ses meilleures efficacités de conversion, un détecteur 20 du rapport air/carburant (qui est, en principe un capteur d'oxygène), est disposé dans le passage d'échappement 14 en une section en amont du convertisseur catalytique 18. Une unité de contrble électronique 22 reçoit le signal à la sortie du capteur 20 du rapport air/carburant, et applique un signal de contrtle ou de réglage au dispositif 16 d'alimentation en carburant, basé sur la grandeur de l'écart entre le rapport air/ carburant réel indiqué par le signal à la sortie du
capteur 20 et le rapport air/carburant stoechiométrique.
- Comme on le décrira ci-après pour la figure 2, le détecteur 20 du rapport air/carburant comprend un élément sensible à l'oxygène du type nécessitant l'alimentation en un courant continu et constant afin d'y établir une pression partielle d'oxygène de référence, et un réchauffeur électrique est prévu sur l'élément. L'unité de contrôle 22 comporte un circuit pour fournir un courant de chauffage au réchauffeur du détecteur 20 du rapport air/carburant et un courant continu et constant à la partie sensible
à l'oxygène de ce détecteur 20.
Selon la présente invention, ce circuit d'alimentation en courant est construit afin de détecter la température de la partie sensible à l'oxygène du détecteur 20 du rapport air/carburant, commeindication de la résistance interne de la même partie du détecteur 20, et de provoquer une diminution d'une valeur prédéterminée de l'intensité du courant continu forcé à s'écouler dans le détecteur pour y établir une pression partielle d'oxygène de référence tandis que la température détectée est en dessous d'une température prédéterminée, et que la résistance interne ci-dessus mentionnée est trop importante. Ces fonctions du circuit d'alimentation en courant selon l'invention ainsi que leur effet seront mieux décrits ciaprès. La figure 2 montre un exemple d'une construction d'un élément sensible à l'oxygène 30 du capteur d'oxygène employé comme détecteur 20 du rapport air/carburant dans le système de la figure 1. Cet élément 30 est du type révélé dans le brevet U.S. No. 4 207 159 ci-dessus mentionné. Un organe de structure de base de cet élément sensible à l'oxygène 30 est un substrat 32 fait en une céramique telle que de l'alumine. Un élément réchauffeur 34 est enfoui dans le substrat 32 en alumine parce que l'élément sensible à l'oxygène 30 ne présente son bon fonctionnement que quand il est maintenu à des températures suffisamment élevées, c'est-àdire à des températures supérieures à environ 4000C. Dans la pratique, on obtient le substrat en alumine 32 en collant face à face deux feuilles d'al umine dont une est pourvue de l'éYnent réchauffeur 34 par exemple,
sous forme d'une couche de platine selon un motif approprié.
Une couche 36 formant électrode, est formée d'un côté du substrat 32 et, du même cOté, une couche 38 d'un électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène comme Zr02 stabilisée par CaO ou Y203 est formée afin de couvrir sensiblement toute la surface de la couche 36. Une autre couche formant électrode 40 est formée sur la surface externe de la couche d'électrolyte solide 38. On peut
citer, comme exemple typique de matériau électronique-
ment conducteur pour les couches formant électrodes
interne et externe 36 et 40, le platine.
Chacune de ces trois couches 36, 38, 40 est uoe couche mince en forme de pellicule (bien que ce soit une "couche épaisse" dans le sens de la technologie électronique courant,), et l'épaisseur totale de ces trois couches
n'est que de l'ordre de 20,., par exemple. Macroscopique-
ment, la couche 36 formant électrode interne est totale-
ment protégée de l'atmosphère l'environnant par le
substrat 32 et la couche 38 d'électrolyte solide. Cepen-
dant, la couche 38 d'électrolyte solide et la couche 40 formant électrode externe (la ouche 36 formant électrode interne également) sont microscopiquement poreuses et perméables aux molécules de gaz. Comme on le sait, ces trois couches 36, 38 et 40 constituent une cellule à
concentrationd'oxygène qui produit une force électro-
motrice quand il y a une différence de pression partielle d'oxygène entre le cOté électrode interne et le côté
électrode externe de la couche d'électrolyte solide 38.
Cet élément 30 est conçu de façon à établir une pression partielle d'oxygène de référence à l'interface entre la
couche formant électrode interne 36 et la couche d'électro-
lyte solide 38, en fournissant extérieurement un courant continu à la cellule de conoatration, afin qu'il s'écoule à travers la couche d'électrolyte solide 38 entre les deux couches formant électrodes 36 et 40, tandis que la couche formant électrode externe 40 est exposée à un gaz soumis à la mesure tel qu'un gaz d'échappement passant par le passage d'échappement 14 sur la figure 1. En conséquence, l'électrode interne 36 sera appelée couche formant électrode de référence et la couche formant électrode
externe 40 sera appelée couche formant électrode de mesure.
Au substrat 32 sont fixés trois plots conducteurs 42, 44 et 46. La couche formant électrode de référence 36 est électriquement reliée au plot 42 soit directement ou par un fil 37, et la couche formant électrode demesure 40 est électriquement reliée au plot 44 soit directement ou par un fil 41. L'élément réchauffeur 34 est relié auiplots 44 et 46 soit directement ou par des fils 33, 35, ainsi le plot 44 sert de borne à la masse, commune au réchauffeur 34 et à la cellule de concentration d'oxygène de l'élément 30. Le courant continu ci-dessus mentionné est fourni à la cellule de concentration d'oxygène afin de s'écouler du plot 42 au plot à la masse 44 à travers la couche d'électrolyte solide 38, et une force électromotrice produite par la cellule de concentration d'oxygène est mesurée entre ces
deux plots 42 et 44.
Dans la pratique, l'élément sensible à l'oxygène 30 est sensiblement totalement couvert d'une couche protectrice poreuse et perméable aixgaz 48 en une céramique, comme
de l'alumine, du spine]Je ou du zirconate de calcium.
Le principe du fonctionnement de l'élément sensible
à l'oxygène 30 a déjà été décrit ici.
La figure 3 montre un circuit d'alimentation en courant utilisé jusqu'à mântenant comme faisant partie de l'unité de contrôle correspondant à l'unité 22 de la figure 1, pour fournir un courant de chauffage au réchauffeur 34 dans 1' élément sensible à l'oxygène 30 de la figure 2 et un courant continu et constant à la cellule de concentration d'oxygène (représentée sur la
figure 3 par une résistance 31) du même élément 30.
Le courant de chauffage est fourni au réchauffeur 34 directement par une source 56 d'alimentation en courant continu comme une batterie, par les résistances habituelles
et un commutateur principal (omis du dessin).
Une partie de ce circuit d'alimentation en courant produisant un courant constant est constituée d'un transistor à effet de champ 52 et d'une résistance 54 d'une façon bien connue. La source du transistor à effet de champ 52 est reliée à la borne positive de la source de courant 56, et son drain est relié au plot 42 de l'élément sensible à l'oxygène 30 par la résistance 54, ainsi un courant continu et constant est forcé à s'écouler dans la cellule de concentration d'oxygène 31, de la couche formant électrode de référence 36 vers la couche
formant électrode de mesure 40, mais si certains change-
ments se produisent dans la résistance interne de la cellule 31. Bien entendu, l'intensité du courait fourni par ce circuit à la cellule 31 ne varie pas même si la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement varie considérablement. Par conséquent, le niveau en courant continu de la tension de sortie mesurée entre les deux plots 42 et 44 de la cellule 31 dépend de la résistance interne de cette cellule 31 et par conséquent de sa température, comme
on l'a décrit précédemment.
La figure 4 explique l'abaissement graduel du seuil ou niveau en courant continu de la tension à la sortie du capteur 20 incorporé dans le système de la figure 1, et commandé ou alimenté par le circuitde la figure 3 pendant une phase de démarrage à froid du moteur. Le moteur 10 est démarré au point T1 dans le temps, et simultanément commence l'alimentation en courant de chauffage vers le réchauffeur 34 et en courant de fonctionnement vers la cellule 31. Par l'effet du courant de fonctionnement, la
cellule 31,-c'est-à-dire le capteur 20, commence rapide-
ment à produire une tension de sortie. Initialement, cette tension de sortie est très élevée dans son niveau en courant continu du fait de la très forte valeur de la résistance interne de la cellule 31 qui n'a pas encore été suffisamment chauffée. Tandis que le réchauffeur 34 continue à fonctionner et que la température des gaz d'échappement augmente graduellement, la résistance interne de la cellule 31 baisse graduellement et en conséquence, le niveau en courant continu de la tension à la sortie du capteur baisse graduellement. Cependant, pendant une durée b l'ordre de 2 minutes, le niveau en courant continu de la tension de sortie reste distinctement au-dessus d'une tension de référence, qui a été pré-établie dans l'unité de contrble 22 pour examiner un rapport air/ carburant impiqué par la sortie du capteur 20, que le rapport air/carburant d'un mélange réellement fourni au moteur 10 soit au-dessus ou en dessous du rapport air/ carburant prédéterminé. Par conséquent, pendant ce temps, l'unité de contrôle 22 ne peut accomplir la fonction de
production d'un bon signal de contrble basé sur le résul-
tat d'une comparaison entre la tension à la sortie du capteur et la tension de référence. Au point T2 dans le temps, à la longue, le niveau en courant continu de la tension de sortie a atteint le niveau de la tension de référence, et à partir de ce moment, la tension de sortie continue à fluctuer périodiquement en passant par la tension de référence, en réponse aux fluctuations du rapport air/carburant réalisées dans le moteur 10. La tension de sortie devient supérieure à la tension de référence quand le rapport air/carburant est en dessous du rapport stoechiométrique voulu et inférieureà la tensionèb référence quand le rapport air/carburant est au-dessus de la stoechiométrie. En conséquence, il devient possible de commencer le mode voulu de cuntrble par contre- réaction du rapport air/carburant au point T2, c'est-à-dire après l'écoulement d'environ 2 minutes à partir du démarrage du moteur, et de continuer le contrôle par contre-réaction ensuite, sauf dans des conditions spécifiques de fonctionnement o la température des gaz d'échappement devient très faible. La tension de sortie présentera des fluctuations périodiques même pendant le temps entre les points T1 et T2, s'il y a des changements du rapport air/carburant réel, mais ces fluctuations sont omises de l'illustration de la figure 4 parce qu'elles sont inefficaces dans la
mise en pratique du contrble par contre-réaction.
La figure 5 montre un exemple d'un système d'alimen-
tation en courant selon l'invention. Comme on peut le voir, ce circuit est une modification de celui de la figure 3. Comme point fondamental de la modification, une
résistance supplémentaire 58 est insérée entre le transis-
tor à effet de champ 52 et la résistance 54, et un commutateur électriquement réglable 60 et normalement fermé est relié en parallèle avec la résistance ajoutée
58. Ce commutateur 60 peut être soit un relais électro-
magnétique ou un commutateur à semi-conducteur tel qu'un transistor de commutation. En outre, une résistance fixe 62 est insérée entre la source de courant 56 et le réchauffeur 34, et le circuit est pourvu d'un comparateur 66 dont une borne d'entrée est reliée à la jonction entre la résistance 62 et le réchauffeur 34 et l'autre est reliée à une source de tension constante et prédéterminée Vc.
Le comparateur 66 a pour but de détecter indirecte-
ment le niveau de la résistance internede la cellule 31 de l'élément sensible à l'oxygène 30 à partir de la température du même élément 30, et quand la résistance interne détectée est trop élevée, il produit un signal de commande Sc forçant le commutateur 60 à prendre l'état non passant. Comme procédé le plus simple et le plus pratique de détection de la température de l'élément sensible à l'oxygène 30, la partie du circuit fournissant le courant de chauffage est reliée au comparateur 66 à la façon illustrée, étant donné le fait que la résistance de réchauffeur 34 est une indication de la température
à détecter. La grandeur de la tension constante V est débt-
mide ca 4on à correspondre à une température à laquelle la résistance interne de la cellule 31 est suffisamment faible pour abaisser le niveau en courant continu de la tension de sortie de la cellule 31 au niveau au point T2
dans le temps sur la figure 4.
Tandis que la température détectée est supérieure à la température prédéterminée impliquée par la tension constante Vc, le comparateur 66 ne produit pas le signal de commande Sc, et le commutateur 60 reste à l'état
passant pour mettre la résistance 58 en court-circuit.
Dans cet état, la partie du circuit de la figure 5 d'alimentation en courant constant est fonctionnellement identique à sa contre-partie de la figure 3. Quand la température détectée est inférieure à la température prédéterminée, le comparateur 66 applique le signal de commande Sc au commutateur 60, et alors ce dernier prend l'état non passant avec pour résultat que la résistance 58, en plus de la résistance 54>devient efficace pour déterminer l'intensité du courant qui est fourni à la cellule 31. Comme conséquence naturelle, l'intensité du courant diminue d'une valeur définie déterminée par la valeur de la résistance ajoutée 58. Par exemple, les valeurs des résistances respectives 54 et 58 sont choisies de façon que l'intensité du courant constant soit de l'ordre de 20 microampères pendant que la résistance 58
est en court-circuit mais diminue à quelques micro-
ampères tandis que la résistance 58 est rendoe efficace
par le commutateur ouvert 60.
La figure 6 explique l'effet de la nouvelle fonction ci-dessus décrite du circuit de la figure 5, sur le seuil de sortie du capteur 20 dans le système de la figure 1 pendant une phase de démarrage à froid du fonctionnement
du moteur.
Le moteur 10 est démarré au point T1 dans le temps, et simultanément commence l'alimentation en courant
chauffant vers le réchauffeur 34 et en courant de fonctionne-
ment vers la cellule 31.Comme la résistance du réchauffeur 34 indique que la température de la cellule 31 est en dessous de la température prédéterminée indiquée par la tension constante V, le commutateur 60 est à l'état non passant, et la cellule 31 est alimentée en courant constant d'une très faible intensité. Par conséquent, le niveau encourant continu de la tension à la sortie du capteur 20 devient assez bas et comparable à la tension de référence pré-établie dans l'unité de contrtle 22 malgré une valeur très élevée de la résistance interne de la cellule 31, et commence par conséquent immédiatement à présenter des fluctuations périodiques passant par la tension de référence à une relativement basse fréquence comme quelques hertz en réponse aux fluctuations du rapport air/carburant réalisées dans le moteur 10. En conséquence, le contrble par contre-réaction du rapport air/carburant peut commencer dans la pratique en même twmps que le démarrage du moteur. La cellule 31 est graduellement chauffée par les gaz d'échappement et le réchauffeur 34, et au point T3 dans le temps, c'est-à-dire après l'écoulement de quelques minutes à partir du point T1, la température de la cellule 31 atteint le niveau impliqué par la tension constante Vc. Alors, le signal de commande Sc disparait avec pour résultat que le
commutateur 60 reprend l'état passant pour forcer l'inten-
sité du courant s'écoulant dans la cellule 31 à augmenter de façon échelonnée jusqu'à la valeur prédéterminée, optimale au fnctionnement de la cellule suffisamment chauffée 31, et le niveau de la sortie du capteur ne baisse pas de façon non souhaitable quand la résistance
interne de la cellule 31 baisse suffisamment.
Ainsi, le système selon l'invention permet de
commencer un contrble efficace et stable par contre-
réaction du rapport air/carburant en même temps que le démarrage du moteur et, par conséquent, il permet d'obtenir
un niveau satisfaisant de contrble de l'émission d'échappe-
ment et d'améliorer l'économie de carburant même pendant une phase de démarrage à froid du moteur. En outre, le contrble stable par contreréaction grâce à ce système,
peut continuer même pendant le ralenti du moteur.
L'élément 30 sensible à l'oxygène de la figure 2 peut également être utilisé pour la détection d'un rapport air/carburant non stoechiométrique, qui peut ttre soit supérieur ou inférieur au rapport stoechiométrique, en déterminant de façon appropriée l'intensité du courant continu à forcer à s'écouler dans la couche d'éledrolyte solide et la tension de référence à comparer à la sortie de cet élément. Dans le mode de réalisation ci-dessus décrit, le contrtle par contre-réaction avait pour but un rapport stoechiométrique, mais la présente invention s'applique également à des systèmes analogues de contrtle du rapport air/carburant conçus pour maintenir un rapport air/carburant prédéterminé et non stoechiométrique en utilisant un élément sensible à l'oxygène du type illustré
sur la figure 2.
L'élément 30 de la figure 2 peut également fonctionner en forçant un courant continu et constant à s'écouler dans la couche d'électrolyte solide de la couche 40 formant électrode de mesure vers la couche 36 formant électrode de référence. Le concept de la présente invention est également utile quand le courant est forcé à s'écouler
dans ce sens.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises
en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée.
Claims (5)
1. Système de contrble, par contre-réaction, du rapport de mélange air/carburant dans un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'alimentation en carburant électriquement réglable (16) prévu dans le système d'admission du moteur; un détecteur (20) du rapport air/carburant disposé dans un passage d'échappement du moteur et qui a un élément sensible à l'oxygène (30) du type à cellule de concentration comprenant un substrat (32), une couche formant électrode de référence microscopiquement poreuse
(36) formée sur ledit substrat, une couche microscopique-
ment poreuse (38) en un électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène formée sur ledit substrat afin de couvrir sensiblement totalement ladite couche formant électrode de référence, et une couche formant électrode de mesure microscopiquement poreuse (40) formée sur ladite couche d'électrolyte solide ainsi qu'un réchauffeur électrique (34); un moyen de contrble (22) appliquant un signal de contrôle audit moyen d'alimentation en carburant pour contr>ler le taux d'alimentation en carburant veo ledit
moteur afin de maintenir un rapport air/carburant pré-
déterminé en utilisant la tension à la sortie dudit
détecteur du rapport air/carburant comme signal de contre-
réaction; et un sous-système (52, 54, 56) pour fournir un courant de chauffage au réchauffeur dudit détecteur du rapport air/carburant et forcer un courant continu d'une intensité prédéterminée à s'écouler dans ladite couche d'électrolyte solide dudit élément sensible à l'oxygène, de ladite couche formant électrode de référence (36) vers ladite couche formant électrode de mesure (40), pour provoquer
une migration des ions oxygène dans ladite couche d'élec-
trolyte solide de ladite couche formant électrodede mesure vers ladite couche formant électrode de référence, afin d'établir ainsi une pression partielle d'oxygène de référence à l'interface entre ladite couche formant électrode de référence et ladite couche d'électrolyte solide, ledit sous-système comprenant de plus un moyen de détection de la température (34, 62, 66) pour détecter la température dudit élément sensible à l'oxygène (30) comme une indication de la résistance interne (31) entre lesdites couches formant électrodes de référence et de mesure dudit élément sensible à l'oxygène, et produisant un signal de commande (S c) quand la température détectée est en dessous d'une température prédéterminée ainsi qu'un moyen de régulation de courant (58, 60) pour diminuer l'intensité du courant continu traversant ladite couche
d'électrolyte solide, à partir de ladite intensité pré-
déterminée, d'une valeur définie tandis que ledit moyen. de détection de température produit le signal de commande (S c), ainsi le seuil de base de latension à la sortie dudit élément sensible à l'oxygène peut être empêché d'augmenter de façon non souhaitable tandis que
ladite résistance interne est excessivement élevée.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé enoe que le moyen précité de régulation de courant comprend au moins une résistance (54) reliée en série à la couche d'électrolyte solide précitéede l'élément sensible à
l'oxygène précité pour déterminer l'intensité prédé-
terminée précitée du courant forcé à traverser ladite couche d'électrolyte solide, une résistance supplémentaire (58) reliée en série à ladite résistance (54), et un moyen de commutation électriquement réglable (60) relié en parallèle avec ladite résistance supplémentaire (58) pour mettre normalement en court-circuit ladite résistance supplémentaire et la rendant efficace quand le moyen de détection de température (34, 62, 66) précité produit son
signal de commande (S C).
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de détection de température précité comprend un comparateur (66) qui reçoit un signal de tension variable produit par l'écoulement du courant de chauffage dans le réchauffeur (34) précité en tant qu'indication de la température de l'élément sensible à l'oxygène précité et un signal à une tension constante
et prédéterminée (V) indiquant la température prédé-
terminée précitée, comme entrées de comparaison et qui produit le signal de commande précité quand la température indiquée par ledit signal de tension variable est en dessous de celle indiquée par ledit signal à tension
constante (VC).
4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réchauffeur (34) précité est enfoui dans le substrat (32) précité de l'élément sensible à l'oxygène précité.
5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport air/carburant prédéterminé précité
est un rapport stoechiométrique.
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