FR2939197A1 - Procede de mesure de la pression totale a l'aide d'une sonde a gaz - Google Patents

Abstract

Procédé de mesure de la pression totale à l'aide d'une sonde à gaz (10), notamment d'une sonde Lambda à bande large, selon lequel la sonde à gaz (10) comporte au moins un élément chauffant (17). On module la température de consigne de l'élément chauffant (17) pendant le fonctionnement de la sonde à gaz (10), et on détermine la pression totale à partir de la relation de température du courant de pompage résultant.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de mesure de la pression totale à l'aide d'une sonde à gaz, notamment d'une sonde Lambda à bande large, la sonde à gaz comportant au moins un élément chauffant. L'invention concerne également un procédé de mesure de la température d'une sonde à gaz. Enfin, l'invention concerne un programme d'ordinateur et un produit programme d'ordinateur pour la mise en oeuvre du procédé.

Etat de la technique Les capteurs à gaz de nature électrochimique sous la forme de sondes Lambda, sont utilisés en grand nombre dans les systèmes de gaz d'échappement de moteurs à combustion et de véhicules automobiles pour fournir les signaux de commande ou de gestion du moteur pour la composition des gaz d'échappement. Cela permet de gérer le moteur pour que les gaz d'échappement présentent une composition optimale pour le post-traitement dans le système des gaz d'échappement à l'aide des catalyseurs usuels de nos jours. Selon l'état de la technique, on connaît différentes sondes Lambda servant à déterminer le coefficient d'air (coefficient Lambda) comme mesure du rapport entre l'air et le carburant dans les gaz d'échappement. Pour cela, on compare la teneur résiduelle en oxygène dans les gaz d'échappement à la teneur en oxygène de l'air. A côté des sondes dites à variation brusque qui fonctionnent dans la plage autour du coefficient Lambda = 1, c'est-à-dire pour un rapport stoechiométrique de l'air au carburant, on utilise également des sondes Lambda dites à bande large pour les moteurs Diesel et les moteurs à essence qui fonctionnent en dehors de la plage autour de Lambda = 1. Une telle sonde se compose principalement de la combinaison d'une sonde de concentration (sonde Nernst) fonctionnant comme une cellule galvanique et d'une cellule de pompage ou à courant limite. La sonde comporte une chambre à gaz de mesure communiquant par l'intermédiaire d'une barrière de diffusion avec les gaz d'échappement. On influence la composition des gaz d'échappement dans le gaz de mesure par un courant de pompage qui, par l'application d'une tension

2 à la cellule de pompage, influence le transport de l'oxygène en fonction de la polarité, dans la chambre de gaz de mesure, c'est-à-dire vers celle-ci ou à partir de celle-ci. Le courant de pompage est réglé pour que le flux d'oxygène produit par le courant électrique de la cellule de pompage, compense précisément le flux d'oxygène à travers le canal de diffusion pour avoir le coefficient Lambda = 1 dans le gaz contenu dans la chambre de gaz de mesure. En cas d'excédent d'air dans les gaz d'échappement, c'est-à-dire pour la plage maigre, on évacue l'oxygène par pompage alors que si la teneur résiduelle en oxygène dans les gaz d'échappement est faible, c'est-à-dire lorsqu'on se trouve dans le domaine riche, on inverse la tension de pompage pour introduire de l'oxygène. La mesure de la concentration dans la chambre à gaz de mesure se fait en déterminant la tension de Nernst entre une électrode de Nernst placée dans la chambre de gaz de mesure et une électrode de référence balayée par l'oxygène. Pour mettre une telle sonde à la température de fonctionnement, il faut en général au moins un élément chauffant intégré dans l'électrolyte solide constituant l'élément de capteur. Une sonde à gaz doit permettre de déterminer la fraction molaire de certains composants du gaz. Dans le cas de la sonde Lambda, il s'agit de la fraction molaire de l'oxygène. Cette information peut servir pour faire fonctionner le moteur de manière appropriée. Comme la diffusion d'un composant du gaz se détermine par la barrière de diffusion à l'aide de la pression partielle du composant respectif du gaz dans l'ensemble du gaz, la sonde ne peut saisir ou mesurer que la pression partielle du composant respectif du gaz. Ce n'est que si l'on connaît la pression totale pg qui est la somme de toutes les pressions partielles des différents composants du gaz que l'on peut calculer la fraction molaire Xi à partir de la pression partielle pi. Pour cela, on applique la formule Xi = pi / pg. Pour déterminer la fraction molaire Xi, il faut ainsi déterminer la pression totale pg. Habituellement, jusqu'à présent, on a déterminé la pression totale par un capteur de pression externe ou par un modèle de pression des gaz d'échappement à partir du débit massique.

L'utilisation d'un capteur externe de pression a l'inconvénient grave de

3 nécessiter des capteurs supplémentaires avec les moyens en appareils et en branchements ce qui se traduit par un coût non négligeable. L'utilisation d'un modèle théorique de pression des gaz d'échappement à partir duquel on détermine la pression totale en utilisant le débit massique, est une solution entachée d'erreurs relativement importantes qui ne sont pas acceptables le cas échéant dans différentes applications. Par exemple, une condition pour qu'un modèle de pression de gaz d'échappement puisse être accepté, est que la sonde des gaz d'échappement utilisée, notamment une sonde Lambda à bande large, ne présente qu'une dépendance relativement faible entre la pression statique et le signal de sortie pour que les erreurs du modèle de pression des gaz d'échappement, n'apparaissent pas de façon trop importante comme erreurs dans le signal de sortie. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé de mesure de la pression totale utilisant les géométries connues de capteurs et n'occasionnant pas de coût supplémentaire important. L'invention se propose notamment d'utiliser les sondes à gaz existantes.

Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on module la température de consigne de l'élément chauffant pendant le fonctionnement de la sonde à gaz, et on détermine la pression totale à partir de la relation de température du courant de pompage résultant. Le procédé selon l'invention permet de mesurer la pression totale en utilisant une sonde à gaz, notamment une sonde Lambda à bande large comme celle utilisée habituellement pour déterminer la teneur résiduelle en oxygène contenue dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion. La sonde à gaz comporte au moins une cellule de pompage, au moins une chambre de gaz de mesure avec au moins une barrière de diffusion et au moins un élément chauffant. L'élément chauffant est de préférence un élément chauffant régulé.

4 Selon l'invention, on module la température de consigne de l'élément chauffant au cours du fonctionnement de la sonde à gaz. A partir du courant de pompage résultant de sa dépendance à la température de l'élément chauffant dont la température de consigne est modulée, on obtient la pression totale, notamment la pression totale dans la sonde des gaz d'échappement. Ce procédé a l'avantage d'utiliser une sonde à gaz usuelle sans avoir à modifier la construction de cette structure dans un module de fonctionnement permettant de déterminer la pression totale. A partir de la pression totale pg ainsi obtenue, et en utilisant la valeur mesurée de la pression partielle pi du composant gazeux, par exemple la pression partielle de l'oxygène, on détermine la fraction molaire Xi de l'oxygène en appliquant la formule suivante :

Xi=pi/pg• 15 Cette information, permet de corriger l'exploitation du signal de sortie de la sonde à gaz. D'une manière particulièrement avantageuse, on tient compte ainsi de la pression totale mesurée pour l'exploitation du signal de la sonde Lambda servant à déterminer une 20 grandeur caractérisant le gaz de mesure, notamment le coefficient d'air. A la base de l'invention, l'amplitude relative du signal du courant de pompage résultant, générée par la modulation de la température de consigne de l'élément chauffant, donne une mesure de la pression totale ; en effet, en augmentant la pression totale, on fait 25 passer la longueur moyenne de parcours libre de diffusion, de valeurs supérieures au rayon moyen des pores (c'est-à-dire dans le domaine de la diffusion Knudsen avec une faible dépendance de la température) à des valeurs inférieures au rayon moyen des pores (c'est-à-dire dans le domaine d'une diffusion en phase gazeuse avec une plus grande 30 dépendance de la température). La longueur moyenne libre de parcours d'un type de gaz connu, ne dépend pas de la concentration. De plus, les rayons moyens des pores ne changent pas en fonction de la pression partielle de l'oxygène 02 dans les gaz d'échappement. C'est pourquoi, en tous les points d'une courbe caractéristique, on peut déduire la 35 pression totale à partir de la variation relative du courant limite. Selon les relations physiques, une variation de température AT donne une variation du courant de pompage Alp seulement pour une certaine pression p. Dans les domaines de la diffusion de knudsen pour une 5 faible pression totale, la dépendance de la température est faible; pour une pression totale importante, la dépendance de la température est plus grande. Cette dépendance se déduit de la représentation de la fonction lp = f(pg, T). C'est pourquoi, selon l'invention, on exploite la variation du signal de sortie en tenant compte de la modulation effectuée sur la température de consigne et par rapport à la pression totale. De manière préférentielle, on exploite la variation du signal de sortie en synchronisme avec la consigne donnée pour la température de l'élément chauffant.

La modulation de la température de consigne se fait d'une manière particulièrement avantageuse par l'intermédiaire de la résistance interne de l'élément chauffant, par exemple en modifiant la consigne appliquée à la régulation de la résistance interne. De manière préférentielle, on effectue la modulation par une variation périodique de la température de consigne autour d'une valeur prédéfinie, notamment autour d'une valeur habituelle ou normale. D'une manière particulièrement préférentielle, on module par une variation sinusoïdale de la température de consigne. Selon un mode de réalisation préférentiel du procédé de l'invention, on effectue le procédé avec la modulation de la température de consigne de l'élément chauffant pour des gaz d'échappement statiques de préférence en mode de poussée. En déterminant la pression totale au cours du mode de poussée, on améliore considérablement la précision de l'équilibrage de la poussée. Cela permet d'utiliser des sondes Lambda à bande large ayant une dépendance relativement forte de la pression statique, car l'erreur qui en résulte, se compense en tenant compte de la pression totale mesurée. On observe une forte dépendance de la pression statique, notamment pour des pores à petit rayon dans la barrière de diffusion.

6 L'application du procédé selon l'invention pour mesurer la pression totale lorsque la sonde à gaz fonctionne avec des gaz d'échappement dynamiques, notamment en fonctionnement normal, réalise avantageusement une moyenne appropriée des températures saisies en fonction du courant de pompage pour éliminer la perturbation des résultats de la mesure par des impulsions de pression totale dans les cylindres en charge. Selon un mode de réalisation préférentiel du procédé de l'invention, la barrière de diffusion de la sonde à gaz est conçue pour que le comportement de diffusion des composants du gaz de mesure passant entre la diffusion de Knudsen et la diffusion en phase gazeuse, se fasse dans la plage de fonctionnement de la sonde, notamment à environ 1 bar. Cette solution a l'avantage que la variation de pente et ainsi la sensibilité à la pression de la relation mesurable de la température du courant de pompage résultant, soit la plus grande. Une barrière de diffusion ayant un diamètre moyen de pores d'environ 0,6 m produit sensiblement les mêmes parties de diffusion de Knudsen et de diffusion en phase gazeuse et c'est pourquoi, elle est placée avantageusement dans la plage de transition et est utilisée de manière préférentielle selon l'invention. En outre, l'invention concerne un procédé de mesure de la température d'une sonde à gaz, notamment d'une sonde Lambda à bande à large selon lequel on module la pression pendant le fonctionnement de la sonde à gaz et à partir de la relation entre la pression et le courant de pompage résultant, on détermine la température de la sonde. Ce procédé repose sur la considération que selon les explications ci-dessus, en modulant la pression totale, on détermine la température de la sonde à partir de l'amplitude relative du signal du courant de pompage résultant. Ce procédé est appliqué de préférence aux faibles pressions, car alors, une modulation de pression se traduit par une variation relativement importante du courant de pompage. Pour d'autres détails de mise en oeuvre du procédé, on se reportera aux indications données ci-dessus. L'invention concerne également un programme d'ordinateur qui exécute toutes les étapes du procédé décrit lorsque

7 celui-ci est exécuté par un appareil de calcul ou de commande. Enfin, l'invention concerne un produit-programme d'ordinateur avec un code-programme enregistré sur un support lisible par une machine pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus lorsque le programme est exécuté par un ordinateur ou un appareil de commande. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une sonde à bande large selon l'état de la technique, - la figure 2 montre des chronogrammes de la résistance interne et du courant de pompage d'une cellule de Nernst selon l'état de la technique, - la figure 3 montre des chronogrammes de la résistance interne et du courant de pompage d'une cellule de Nernst selon un mode de réalisation préférentiel du procédé de l'invention en mode de poussée, - la figure 4 montre des chronogrammes de la résistance interne et du courant de pompage d'une cellule de Nernst selon un mode de réalisation préférentiel du procédé selon l'invention pour un fonctionnement avec un coefficient Lambda = 1. Description de modes de réalisation de l'invention Selon la figure 1, une sonde Lambda à bande à large 10 reçoit les gaz d'échappement 12 à travers un petit orifice 13 d'une cellule de pompage 14 et dans une barrière de diffusion 11 dans la chambre de gaz de mesure 15, proprement dite d'une cellule de Nernst 20. La cellule de Nernst 20 est reliée à une chambre de gaz de référence 16 contenant de l'oxygène comme gaz de référence. On règle toujours un rapport stoechiométrique air/ carburant dans la chambre de gaz de mesure 15. Un circuit d'exploitation et de régulation 22 d'un appareil de commande 21 ou appareil analogue, assure la régulation de la tension de pompage appliquée à la cellule de pompage 14 pour que la composition du gaz dans la chambre de gaz de mesure 15 soit constante avec un coefficient Lambda = 1. Pour un gaz d'échappement

8 12, pauvre, la cellule de pompage 14 pompe de l'oxygène dans la chambre de gaz de mesure 15 pour l'évacuer vers l'extérieur. Pour des gaz d'échappement 12, riches, il faut pomper de l'oxygène à partir des gaz d'échappement 12 de l'environnement vers la chambre de gaz de mesure 15 en inversant ainsi le sens du courant de pompage électrique et constitue ainsi proportionnel à la concentration en oxygène ou à la demande en oxygène et constitue ainsi une mesure du coefficient Lambda dans les gaz d'échappement. Un dispositif de chauffage 17, intégré, assure une température de fonctionnement qui est par exemple d'au moins 600°C et de préférence d'environ 750°C. Le réglage du courant de pompage se fait par l'intermédiaire du circuit d'exploitation et de régulation 22 qui compare la tension de Nernst à une tension de référence générée de manière interne. Cette tension est de 450 mV. Tout écart A sera amplifié dans le circuit 22 et fourni comme courant de pompage IPompage dans la cellule de pompage 14. De l'oxygène est ainsi pompé vers la chambre de gaz de mesure 15 ou en est extrait et la tension de Nernst se stabilise sur 450 mV. Le courant de pompage ou la tension de sortie USonde mesurée aux bornes de la résistance (R1) 23 est exploitée comme signal de sortie de la sonde 10. La figure 2 montre les chronogrammes de la résistance interne et du courant de pompage résultant dans une sonde Lambda, notamment une sonde à cellule de Nernst selon l'état de la technique. Le chronogramme A représente la valeur de consigne de la résistance interne Ri de la cellule de Nernst (représentation de la tension de pompage en fonction du temps). La valeur de consigne est réglée dans ce cas sur 300 Ohms. Le chronogramme B représente le courant de pompage résultant (I) comme signal de sortie de la sonde Lambda en fonction du temps ; on constate un courant de pompage constant, linéaire. Le chronogramme C représente la résistance interne Ri mesurée, de la cellule de Nernst qui s'établit également de manière constante à un niveau de 300 Ohms. Il en résulte un courant de diffusion stationnaire et ainsi un courant de pompage d'oxygène, constant.

9 La figure 3 montre les chronogrammes A, B, C représentant la variation de la résistance interne Ri et du courant de pompage (I) résultant, en fonction du temps dans l'application du procédé selon l'invention pour le mode de poussée. Le diagramme A donne la valeur de consigne de la résistance interne Ri de la cellule de Nernst qui est modulée périodiquement. En particulier, on module la valeur de consigne de la résistance interne suivant une forme sinusoïdale au-dessus de 300 Ohms. Le courant de pompage (I), résultant, représenté par le chronogramme B varie en phase en donnant un signal de sortie augmenté ou diminué de manière correspondante pour la sonde Lambda. La résistance interne Ri effectivement réglée pour la cellule de Nernst ou pour la variation de la valeur de consigne Ri, est représentée dans le chronogramme C. La variation de la résistance interne mesurée correspond à la modulation de la valeur de consigne autour de 300 Ohms. Selon l'invention, le réglage de consigne de la résistance interne de la cellule de Nernst se fait par la modulation de la température de consigne de l'élément chauffant 17. Il en résulte l'avantage que pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention, on peut utiliser sans modification, la géométrie existante des capteurs. Il suffit d'adapter ou de régler la commande de la sonde des gaz d'échappement. Le procédé selon l'invention s'applique ainsi avantageusement à un appareil de commande d'un moteur à combustion, notamment d'un véhicule automobile par exemple sous la forme d'un code programme ou d'un circuit électronique. La température de consigne de l'élément chauffant 17 varie de préférence périodiquement autour d'une valeur prédéfinie, notamment autour de la valeur normale en modifiant de manière correspondante la consigne de régulation de la résistance interne. La variation résultante du signal de sortie de la sonde de gaz, notamment le courant de pompage apparaissant dans le chronogramme B sera modifiée en synchronisme avec la consigne selon le chronogramme A. L'évolution est normée par le courant de sortie. L'amplitude relative de la variation du courant de pompage en fonction de la résistance interne de la cellule de Nernst ou de la température dépend directement de la

10 pression statique de sorte que la variation relative dépendant de la température, permet de déduire une valeur de la pression totale. La figure 4 montre les chronogrammes de la résistance interne et du courant de pompage résultant dans la mise en oeuvre du procédé de l'invention avec les gaz d'échappement dynamiques, notamment en mode de fonctionnement normal par exemple en fonctionnement avec un coefficient Lambda = 1. Le chronogramme A représente la valeur de consigne de la résistance interne Ri de la cellule de Nernst modulée suivant une forme sinusoïdale au-dessus de 300 Ohms. Le chronogramme B représente la variation en fonction du temps du courant de pompage I pour la sonde à gaz ; cette variation est sous forme sinusoïdale en opposition de phase. Le diagramme C représente la résistance interne Ri effective de la cellule de Nernst, notamment la résistance interne mesurée. Cette résistance varie suivant une forme sinusoïdale autour de 300 Ohms. La température de consigne de l'élément chauffant et ainsi la résistance interne Ri de la cellule de Nernst varie autour d'une valeur prédéfinie, notamment autour d'une valeur habituelle par variation de la consigne de régulation de la résistance interne selon le chronogramme A suivant une variation périodique. Cette variation périodique donne la résistance interne de la cellule de Nernst comme cela apparaît dans le chronogramme C. La variation du courant de sortie de la sonde est exploitée en synchronisme avec la consigne. Cette évolution est normée par le courant de sortie. Ainsi, on exploite seulement les états dans lesquels, la variation non-synchrone du signal de sortie dépasse une certaine limite. L'amplitude relative de la variation du signal de sortie selon le chronogramme B, c'est-à-dire le courant de diffusion ou courant de pompage en fonction de la température dépend directement de la pression statique que l'on détermine à partir de cette amplitude relative. Le procédé décrit ci-dessus, peut être implémenté par exemple sous la forme d'un programme d'ordinateur exécuté par un appareil de calcul, notamment un appareil de commande ou l'appareil de gestion du moteur à combustion. Le code-programme peut être 5 11 enregistré par exemple sur un support lisible par une machine et que l'appareil de commande pourra lire. lo

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1°) Procédé de mesure de la pression totale à l'aide d'une sonde à gaz (10), notamment d'une sonde Lambda à bande large, la sonde à gaz (10) comportant au moins un élément chauffant (17), caractérisé en ce qu' on module la température de consigne de l'élément chauffant (17) pendant le fonctionnement de la sonde à gaz (10), et on détermine la pression totale à partir du courant de pompage résultant en fonction de la température. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on tient compte de la pression totale mesurée pour l'exploitation du signal de la sonde à gaz (10), notamment de la sonde Lambda à bande large pour déterminer une grandeur caractérisant un gaz de mesure, notamment le coefficient d'air. 3°) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on module la température de consigne par la résistance intérieure de l'élément chauffant (17). 4°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on module la température de consigne par une variation périodique de la température de consigne autour d'une valeur prédéfinie. 5°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on module la température de consigne par une variation sinusoïdale de la température de consigne. 6°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' 13 on effectue le procédé pour un gaz d'échappement statistique, notamment en mode de poussée. 7°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on applique le procédé à un gaz d'échappement dynamique, notamment en mode de fonctionnement normal. 8°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la barrière de diffusion de la sonde à gaz (10) est conçue pour que le passage du comportement par diffusion des composants d'un gaz de mesure entre la diffusion de Knudsen et la diffusion en phase gazeuse se situe dans une plage de fonctionnement de la sonde à gaz (10), notamment à environ 1 bar. 9°) Procédé de mesure de la température d'une sonde à gaz (10), notamment d'une sonde Lambda à bande large, caractérisé en ce qu' on module la pression pendant le fonctionnement de la sonde à gaz (10), et on obtient la température de la sonde à partir de la relation de pression du courant de pompage résultant. 10°) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' on exécute le procédé à de faibles pressions.30