FR2685085A1 - Dispositif de detection de la teneur en oxygene des gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne. - Google Patents

Dispositif de detection de la teneur en oxygene des gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne. Download PDF

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Abstract

Le dispositif comprend une sonde à oxygène (1) au dioxyde de titane dont le signal de sortie commute entre deux niveaux correspondant à un mélange riche ou pauvre en carburant, respectivement et des moyens de correction (6) de l'influence de la température de la sonde sur son signal de sortie. Suivant l'invention, lesdits moyens de correction (6) commandent des moyens de chauffage (2) de la sonde de manière à réguler en boucle fermée la température de la sonde, la chaîne de réaction de la boucle étant alimentée par au moins un des deux niveaux du signal de sortie de la sonde. Application à la régulation de la composition du mélange air/carburant d'alimentation d'un moteur à combustion interne.

Description

La présente invention est relative à un dispositif de détection de la teneur en oxygène des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment en vue de la régulation du mélange air/carburant d'alimentation de ce moteur et, plus particulièrement, à un tel dispositif équipé d'une sonde à oxygène au dioxyde de titane.
On utilise aujourd'hui couramment une sonde à oxygène au dioxyde de zirconium dans l'application mentionnée cidessus, qui fonctionne comme une pile électrique et délivre un signal de tension qui bascule entre O volt et 1 volt environ quand la composition du mélange air/carburant, telle quelle est perçue à travers la présence ou l'absence d'oxygène dans les gaz d'échappement, est en excès d'air ou en excès d'essence respectivement, par rapport à la stoechiométrie. Une telle sonde ne fonctionne correctement qu'à partir d'une certaine température (plusieurs centaines de degrés C) et doit donc être munie de moyens de chauffage.
On connaît aussi des sondes à oxygène constituées par un film de dioxyde de titane formé sur un substrat. C'est la résistance du film qui varie entre deux niveaux, en fonction de la présence ou de l'absence d'oxygène dans les gaz d'échappement. Ces sondes présentent divers avantages qui les rendent attrayantes par rapport à celles au dioxyde de zirconium : volume moindre, chauffage plus rapide, fabrication moins coûteuse, notamment. Leur inconvénient majeur est de présenter une résistance qui dépend très fortement de la température, aussi bien au niveau de resistance qui correspond à un excès d'air qu' à celui qui correspond à un excès d'essence dans le mélange air/carburant, comme illustré par le graphe de la figure 1 du dessin annexé à la présente demande de brevet. C'est ainsi que lorsque le mélange air/carburant est "pauvre" en carburant, la résistance R d'une sonde au dioxyde de titane peut varier typiquement de 1 MQ à 5000C à 30 kQ à 1000"C alors que lorsque le mélange est "riche", cette résistance varie typiquement de 1 kQ à 500"C à 400 Q à 1000"C.
Cette sensibilité de la sonde à la température réagit fortement tant sur le signal de tension que l'on peut mesurer au point milieu d'un pont diviseur de tension dont la sonde fait partie que sur le calcul du temps d'ouverture d'injecteurs de carburant dans le moteur, calcul réalisé classiquement par un calculateur embarqué dans le véhicule à partir de diverses informations et, essentiellement, du signal délivré par la sonde.
On a représenté en A à la figure 2 du dessin annexé, le signal S fourni par la sonde à une température de régime T pour laquelle le signal bascule symétriquement de part et d'autre d'un seuil correspondant à un mélange air/carburant stoechiométrique. On a représenté en B les évolutions du temps d'ouverture d r injecteurs (ou temps d'injection) ti correspondantes, telles qu'elles sont commandées par le calculateur. Le passage du signal S par le seuil intermédiaire commande des basculements de la variation de ti qui sont aussi symétriques par rapport à une valeur moyenne tim du temps d'injection, correspondant à un mélange air/carburant dont la composition est, en moyenne, stoechiométrique. On notera que, classiquement, ti croît quand le mélange est pauvre et décroît quand le mélange est riche, ce qui assure la régulation du mélange autour de la stoechiométrie.
La température de la sonde au dioxyde de titane peut n'être pas égale à la température de régime. C'est le cas par exemple au démarrage du véhicule, lors d'une période de préchauffage de la sonde pendant laquelle la température T2 de celle-ci est inférieur à T1. C'est le cas encore quand la température des gaz d'échappement n'est pas égale à la température de régime de la sonde (Tt = 700" par exemple), la température de ces gaz pouvant varier de 200 à 900"C environ. La sonde peut etre alors "refroidie" par des gaz à 400-500"C par exemple. Le signal de sortie de la sonde et les variations correspondantes du temps d'injection évoluent alors comme représenté en C et D respectivement, à la figure 2. Sur le graphe C, il apparaît que la forme d'onde du signal reste généralement semblable à celle du graphe A mais subit une translation parallèle à l'axe des ordonnées. Comme les temps de basculement du signal ne sont pas négligeables (de 40 à 60 ms environ par exemple) il en résulte un décalage des points de passage du signal au niveau du seuil, lui-même inchangé, décalage qui provoque un allongement des périodes de croissance du temps d'injection et un raccourcissement des périodes de décroissance de ce temps d'injection, avec pour conséquence un décalage de la valeur moyenne du temps d'injection par rapport à la valeur moyenne souhaitée tri , comme cela apparaît sur le graphe D. Il en résulte une richesse moyenne excessive du mélange, supérieure à celle qui correspond à la stoechiométrie, excès dommageable du fait d'une consommation accrue du véhicule, d'une dégradation du fonctionnement d'un pot catalytique placé dans le courant des gaz d'échappement du moteur et de la pollution atmosphérique qui s'ensuit.
Pour pallier ces inconvénients, on peut penser à réguler la température de fonctionnement de la sonde en réchauffant celle-ci à une température adéquate. Pour ce faire, on dispose dans la sonde 1, comme schématisé à la figure 3, une résistance de réchauffage 2 placée en position de transfert thermique avec le film 3 de dioxyde de titane de la sonde, la résistance de réchauffage étant alimentée par une source d'énergie électrique + Vbat telle que la batterie du véhicule et cette alimentation étant commandée pour assurer la régulation de la température de la sonde. On utilise couramment à cet effet une résistance à coefficient de température positif (CTP) qui permet d'assurer une autorégulation de la température de la sonde. En effet, lorsque la température de la résistance CTP de réchauffage s'accroit, l'impédance de celle-ci s'accroît aussi et le courant qui la traverse décroît pour réduire alors la température de la résistance.
La régulation en boucle fermée de la température de la sonde, avec utilisation dans la chaîne de réaction de l'impédance de la résistance CTP de chauffage pour mesurer la température réelle de la sonde, est affectée d'une imprécision substantielle du fait des larges variations que l'on relève sur la valeur de cette impédance, dans le cadre de fabrications de masse telles que celles qu'il est nécessaire de pratiquer en électronique automobile pour atteindre des prix de revient raisonnables. C'est ainsi que l'on relève dans un lot de telles résistances des variations de 10 à 20 % de l'impédance, aussi bien à 20"C qu'à 700"C par exemple. Il n'est plus possible alors d'assurer une régulation précise de la valeur moyenne du temps d'injection au niveau qui correspond à la stoechiométrie du mélange air/carburant.
La présente invention a donc pour but de réaliser un dispositif de détection de la teneur en oxygène des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne en vue de la régulation du mélange air/carburant d'alimentation de ce moteur, du type qui comprend une sonde à oxygène dont le signal de sortie commute entre deux niveaux, ce dispositif comprenant des moyens de compensation précis de l'influence de la température de la sonde sur son signal de sortie.
La présente invention a aussi pour but de réaliser un tel dispositif comprenant une sonde à oxygène au dioxyde de titane avantageusement peu encombrante, à chauffage rapide et de fabrication coûteuse.
On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif de détection de la teneur en oxygène des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne en vue de la régulation du mélange air/carburant d'alimentation de ce moteur, comprenant une sonde à oxygène dont le signal de sortie commute entre deux niveaux correspondant à un mélange riche ou pauvre en carburant, respectivement, et des moyens de correction de l'influence de la température de la sonde sur son signal de sortie.
Suivant l'invention, lesdits moyens de correction commandent des moyens de chauffage de la sonde de manière à réguler en boucle fermée la température de la sonde à une valeur prédéterminée, la chaîne de réaction de la boucle étant alimentée par au moins un des deux niveaux du signal de sortie de la sonde qui est fonction de la résistance de celle-ci, elle-même fonction de sa température.
On atteint ainsi la valeur de la température réelle de la sonde, utilisée dans la chaîne de réaction de la boucle.
En mesurant la température réelle de la sonde à partir de la résistance même de celle-ci, on assure une régulation de la composition du mélange air/carburant beaucoup plus précise que celle obtenue en mesurant cette température à partir de l'impédance d'une résistance de chauffage quand cette résistance est du type à coefficient de température positif dont les tolérances de fabrication sont très larges.
Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, appliqué à un dispositif comprenant un comparateur de mise en forme du signal de sortie de la sonde à oxygène, les moyens de correction commandent la position du seuil de basculement du comparateur, en fonction de la température de la sonde détectée à partir d'au moins un des deux niveaux du signal de sortie de cette sonde, de manière que ledit seuil reste centré sur le milieu de l'excursion du signal de sortie de la sonde.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel
- les figures 1 et 2 sont des graphes utiles à l'exposé des problèmes que l'invention vise à résoudre, graphes décrits dans le préambule de la présente description,
- la figure 3 représente schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif suivant l'invention,
- la figure 4 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif suivant l'invention.
Le dispositif schématisé à la figure 3 comprend une sonde à oxygène 1 du type constitué par un film de dioxyde de titane 3 déposé sur un substrat, film dont la résistance est mesuré à l'aide d'un pont de résistance 3,4 placées en série entre une source de tension Vcc et la masse. La résistance 4 peut être comprise dans un calculateur 5 comprenant un microprocesseur 6. Le point milieu du pont 3,4 est connecté à une entrée 7 du microprocesseur pour transmettre à celui-ci un signal de tension S constituant le signal de sortie de la sonde à oxygène 1.
La sonde est munie classiquement de moyens de chauffage constitués par exemple par une résistance 2 à coefficient de température positif (CTP) alimentée par une source de tension +Vbat, la batterie du véhicule par exemple. Le microprocesseur 6 est dument programmé pour commander la conduction/non-conduction, à rapport cyclique variable, d'un transistor 8 placé entre la résistance de chauffage 2 et la masse, de manière à assurer la régulation de la température de la sonde à une valeur prédéterminée T1 correspondant à un fonctionnement de la sonde conforme au graphe symétrique A de la figure 2, T1 étant de l'ordre de 700"C pour une sonde au dioxyde de titane. Le microprocesseur 6 et le transistor 8 constituent ainsi des moyens de correction supprimant toute variation du signal de sortie de la sonde due à une variation de la température.
Cette régulation en boucle fermée exige une mesure de la température du film 3 de TiO2 de la sonde 1, cette mesure étant introduite dans la chaîne de réaction de la boucle.
Suivant une caractéristique essentielle de la présente invention, le microprocesseur 6 est dûment programmé pour établir une telle régulation en boucle fermée et pour tirer la température réelle de la sonde du signal produit par cette sonde elle-même, la variation, dans un lot de sondes au dioxyde de titane, de la résistance du film 3 de dioxyde de titane en fonction de la température tétant pas affectée des larges tolérances que l'on observe dans un lot de résistances à coefficient de température positif telles que la résistance de chauffage 2. En bref, suivant l'invention, on remplace la mesure de la température réelle de la sonde normalement opérée à partir de la détermination de l'impédance de la résistance de chauffage, par une mesure opérée à partir de la résistance du film de TiO2 lui-même.
Comme on l'a vu plus haut en liaison avec le graphe de la figure 1, la résistance de la sonde bascule entre un niveau correspondant à un mélange riche et un niveau correspondant à un mélange pauvre. A chacun de ces niveaux, la résistance varie en outre en fonction de la température, cette variation étant connue précisément.
Pour mesurer la température réelle de la sonde à partir du signal qu'elle délivre, le microprocesseur doit donc en outre distinguer les deux niveaux et fixer les mesures sur un seul des deux niveaux, "riche" ou "pauvre", ou opérer des séries de mesures sur chacun des deux niveaux, afin que les mesures réalisées soient homogènes. A cet effet, le microprocesseur est muni de moyens (non représentés) permettant de sélectionner, pour les mesures de température, les parties du signal S de sonde qui correspondent à un niveau choisi par exemple. Les mesures de température opérées à ce niveau sont alors utilisées dans la chaîne de réaction de la boucle pour annuler, par un chauffage convenable de la sonde, toute erreur (T1 - Tonde) affectant la température
Tonde de la sonde. Le calculateur 5 utilise alors le signal de sortie complet de la sonde, fonctionnant à une température optimale, pour réguler avec précision le temps d'injection, comme représenté en B à la figure 3, autour d'un temps d'injection moyen tim correspondant à la stoechiométrie du mélange air/carburant.
On a représenté à la figure 4 du dessin annexé une variante du dispositif suivant l'invention. Sur cette figure des références numériques identiques à celles utilisées à la figure 3 repèrent des éléments ou organes identiques ou similaires.
Plutôt que de réguler la température de la sonde de manière à obtenir un signal de sortie S centré sur un seuil correspondant à la stoechiométrie du mélange air/carburant, on corrige, dans le mode de réalisation de la figure 4, la position d'un seuil qui se substitue au seuil de basculement du signal de sortie de la sonde. Pour ce faire, le signal S sortant de la sonde alimente une entrée d'un comparateur 9 de mise en forme de ce signal dont l'autre entrée est alimentée par une tension de référence fonction, suivant la présente invention, de la température de la sonde, telle qu'on peut la mesurer à partir du signal de sonde lui-même, mesure opérée par le microprocesseur 6 à l'aide d'un signal délivré par un crêtemètre 11, par exemple, sensible à un des deux niveaux du signal délivré par la sonde. Ainsi le signal de sortie S' du comparateur 9 bascule-t'il lors du franchissement de la tension de référence. Comme on l'a vu plus haut en liaison avec l'examen du graphe C de la figure 2, la sensibilité à la température du signal de sortie S de la sonde a pour effet de décaler ce signal par rapport au seuil fixé. Suivant l'invention, on déplace artificiellement ce seuil à l'aide du comparateur 9 pour compenser le décalage du signal de sonde par rapport au seuil de manière à empêcher une dissymétrisation par la température du signal (S') de sortie du comparateur, qui serait génératrice d'un enrichissement moyen parasite du mélange air/carburant, que l'on veut éviter.
Pour ce faire, le microprocesseur 6 calcule et commande, à partir du signal fourni par le crêtemètre 11, le seuil de basculement du comparateur 9, à travers un convertisseur numérique-analogique 10. Dans ce mode de réalisation, c'est la position du seuil de basculement du comparateur 9 qui est asservie au milieu de l'excursion de tension du signal S de sonde, tel que ce signal apparaît au point milieu du pont 3,4. La température de la sonde n'a plus alors à être régulée, contrairement à ce qui se passe dans le mode de réalisation de la figure 3, et la résistance de chauffage 2 peut alors être alimentée par des moyens d'alimentation électrique non commandés.

Claims (5)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection de la teneur en oxygène des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne en vue de la régulation du mélange air/carburant d'alimentation de ce moteur, comprenant une sonde à oxygène (1) dont le signal de sortie (S) commute entre deux niveaux correspondant à un mélange riche ou pauvre en carburant, respectivement, et des moyens de correction de l'influence de la température de la sonde sur son signal de sortie, caractérisé en ce que lesdits moyens de correction (6) commandent des moyens de chauffage (2) de la sonde (1) de manière à réguler en boucle fermée la température de la sonde à une valeur prédéterminée, la chaîne de réaction de la boucle étant alimentée par au moins un des deux niveaux du signal de sortie (S) de la sonde (1) qui est fonction de la résistance de celle-ci, elle-même fonction de sa température.
2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont constitués par une résistance électrique (2) placée en position de transfert thermique avec la sonde à oxygène (1) et alimentée par une source d'alimentation électrique (+Vbat) à travers un organe de commutation électronique (8), les moyens de compensation (6) commandant le rapport cyclique d'ouverture de cet organe de manière à réguler la température de la sonde.
3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de compensation comprennent un microprocesseur (6) alimenté par le signal de sortie de la sonde et programmé pour commander en boucle fermée le rapport cyclique d'ouverture de l'organe de commutation électronique (8).
4. Dispositif de détection de la teneur en oxygène des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne en vue de la régulation du mélange air/carburant d'alimentation de ce moteur, comprenant une sonde à oxygène (1) dont le signal de sortie (S) commute entre deux niveaux correspondant à un mélange riche ou pauvre en carburant, respectivement, un comparateur (9) de mise en forme de ce signal de sortie et des moyens de correction de l'influence de la température de la sonde sur ce signal de sortie, caractérisé en ce que lesdits moyens de correction commandent la position du seuil de basculement du comparateur en fonction de la température de la sonde détectée à partir d'au moins un des deux niveaux du signal de sortie de cette sonde, de manière que ledit seuil reste centré sur le milieu de l'excursion du signal de sortie (S) de la sonde (1).
5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la sonde à oxygène (1) est du type qui comprend un film (3) de dioxyde de titane déposé sur un substrat.
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