FR3078779A1 - Procédé de gestion d’un capteur pour déterminer une partie d’un composant de gaz de mesure combiné à de l’oxygène et capteur pour la mise en œuvre du procédé - Google Patents
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Abstract
Titre : Procédé de gestion d’un capteur pour déterminer une partie d’un composant de gaz de mesure combiné à de l’oxygène et capteur pour la mise en œuvre du procédé Procédé de gestion d’un capteur (100) consistant à saisir un premier courant de pompage (IP1) d’une première cellule de pompage (112) et la tension (UP1) appliquée à cette cellule. Le signal de mesure fourni par l’élément de capteur (110) correspond à la composante de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné fondé sur un second courant de pompage (IP2) d’une seconde cellule de pompage (140). Par le traitement du signal on détermine une grandeur de compensation (DIO2) et à partir de celle-ci et du signal de mesure on obtient un signal de mesure corrigé (IP2_K). A partir de ce signal corrigé on détermine la teneur en composant de gaz de mesure combiné à l’oxygène. La grandeur de compensation (DIO2) dépend au moins partiellement du premier courant (IP1) et de la tension (UP1) ainsi que de la température de l’élément de capteur (110).
Description
Titre de l'invention : Procédé de gestion d’un capteur pour déterminer une partie d’un composant de gaz de mesure combiné à de l’oxygène et capteur pour la mise en œuvre du procédé Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte à un procédé de gestion d’un capteur pour déterminer au moins une partie d’un composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné au gaz de mesure ainsi qu’un programme d’ordinateur pour la mise en œuvre du procédé, une mémoire électronique contenant l’enregistrement du programme et un appareil de commande pour la mise en œuvre du procédé.
Technique antérieure [0002] On connaît un grand nombre de procédés de gestion de capteurs pour déterminer l’existence d’une partie de composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné au mélange gazeux. Cela s’applique notamment aux gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne, pour saisir une partie d’oxygène résultant de la réduction du composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné, en présence d’oxygène moléculaire.
[0003] Les capteurs pour déterminer une partie de composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné dans le mélange gazeux sont appelés en abrégé ou de manière simplifiée, « capteurs NOx » ou « capteur d’oxydes d’azote ». De tels capteurs sont, par exemple, décrits dans le document « Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347 ».
[0004] Les capteurs d’oxydes d’azote ou capteurs NOx utilisés actuellement dans la technique automobile fonctionnent selon le principe du courant limite de façon analogue à des capteurs d’oxygène tels que, par exemple, des sondes lambda. Un tel capteur d’oxydes d’azote a une cellule de concentration Nemst, encore appelée « cellule de référence », et une cellule de pompage d’oxygène, modifiée et une autre cellule de pompage d’oxygène, modifiée, c’est-à-dire une cellule NOx. La cellule de pompage d’oxygène est formée par une électrode de pompage, extérieure, exposée aux gaz d’échappement et une électrode de pompage intérieure dans une première cavité séparée des gaz d’échappement par une barrière de diffusion. L’électrode de Nemst se trouve dans la première cavité et l’électrode de référence qui constitue la cellule de Nemst ou cellule de référence, se trouve dans la chambre de gaz de référence. La cellule NOx comprend une électrode de pompage NOx et une contre-électrode. L’électrode de pompage NOx se trouve dans une seconde cavité reliée à la première cavité en étant séparée de celle-ci par une barrière de diffusion. La contre-électrode se trouve dans la chambre de gaz de référence. Toutes les électrodes de la première et de la seconde cavité ont un conducteur de retour, commun.
[0005] Pendant le fonctionnement du capteur d’oxydes d’azote, la cellule 02 élimine l’oxygène de la première cavité reliée aux gaz d’échappement par une barrière de diffusion. Le courant de pompage qui en résulte est alors proportionnel à la teneur en oxygène de l’air ambiant contenu dans le gaz de mesure ou la veine des gaz d’échappement. Les oxydes d’azote sont pompés de la cellule NOx. L’oxyde d’azote NOx dans l’atmosphère contenu dans la seconde cavité est réduit ou décomposé par l’application d’une tension de pompage constante. L’oxygène résultant de la réduction ou de la décomposition du composant de gaz de mesure dans la seconde cavité et qui provient principalement de la réduction des oxydes d’azote NOx, est pompé dans une chambre de gaz de référence. Ainsi, la tension de pompage appliquée, génère un courant de pompage vis-à-vis de la résistance de la cellule NOx et de la concentration d’oxydes d’azote NOx ou de l’oxygène ; cette concentration est proportionnelle à la teneur en oxydes d’azote NOx ou en oxygène et représente ainsi le signal de mesure NOx.
[0006] Malgré les avantages des capteurs et procédés de gestion des capteurs, connus selon l’état de la technique, il existe un potentiel d’amélioration. Dans le cas de variations rapides de la teneur en oxygène 02 dans les gaz d’échappement on a une influence perturbatrice sur le signal NOx. Cette perturbation du signal NOx est telle que le signal dynamique ne remplit plus les conditions de précision. La perturbation peut se produire à la fois dans le sens positif et dans le sens négatif. Un pic négatif se produit lorsque la concentration 02 dans les gaz d’échappement augmente fortement. La tension de pompage appliquée à la cellule 02 est augmentée de façon correspondante par le régulateur. Ainsi, la tension de Nernst de la cellule NOx augmente et s’oppose à la tension de pompage NOx. Si la tension de Nernst produite est supérieure à la tension de pompage NOx, un courant d’équilibrage passe de la cellule de mesure dans la cellule NOx. Cet effet est interprété comme signal NOx négatif par le circuit d’exploitation. Si en même temps il y a une variation de la teneur 02 et de NOx dans les gaz d’échappement, le pic négatif risque d’être amplifié car le régulateur aura entretemps augmenté la tension de pompage. On a ainsi le risque que les molécules NOx se dissocient sur la cellule 02 et soit pompées. Ces molécules ne pourront plus alors être mesurées dans la cellule NOx. On a un pic positif pour une chute rapide de la concentration 02. Le régulateur 02 diminue la tension de pompage de la cellule 02 de sorte que des molécules 02 qui n’ont pas été pompées de la cellule 02 arrivent dans la cellule NOx. Elles y seront pompées et participent au courant NOx IP2 et s’ajouterons ainsi au signal NOx mesuré.
[0007] Une variation de la teneur en eau dans les gaz d’échappement, une variation rapide du débit massique de gaz d’échappement ou de la température des gaz d’échappement peuvent constituer d’autres influences. Ces influences agissent également sur le régulateur 02 et peuvent fausser de manière dynamique les mesures NOx. En particulier, les perturbations liées à la variation de la teneur en eau sont à prendre en compte car cela se produit fréquemment en mode de roulage, lors des alternances poussée-charge et se combinent en même temps avec des variations de la teneur en 02. Un transfert de 02 sur le signal NOx en mode statique est en effet déjà connu et se compense par une fonction de l’unité de commande.
[0008] BUT DE L’INVENTION [0009] La présente invention a pour but de développer un procédé de gestion d’un capteur pour déterminer l’existence d’au moins une partie d’un composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné dans le gaz de mesure, permettant de remédier aux inconvénients des procédés connus de gestion des capteurs et d’améliorer de manière significative la précision de fonctionnement des capteurs.
[0010] EXPOSE ET AVANTAGES DE L’INVENTION [0011] A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de gestion d’un capteur pour détecter au moins une partie d’un composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné au gaz de mesure, notamment dans les gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne comprenant un élément de capteur, l’élément de capteur ayant une première cellule de pompage avec une électrode de pompage extérieure et une électrode de pompage intérieure et qui est appliqué à une première cavité en liaison avec le gaz de mesure, une cellule de référence ayant une électrode de Nernst et une électrode de référence et qui est appliquée à une chambre de gaz de référence ainsi qu’une seconde cellule de pompage ayant une électrode de pompage et une contre-électrode et qui est appliquée à une seconde cavité, on saisit un premier courant de pompage de la première cellule de pompage et la tension de la première cellule de pompage, on détermine le signal de mesure de l’élément de capteur qui indique la composante de gaz de mesure avec l’oxygène combiné en se fondant sur le second courant de pompage de la seconde cellule de pompage, on détermine une grandeur de compensation par un traitement de signal, on détermine au moins un signal corrigé à partir du signal de mesure et de la grandeur de compensation, à partir du signal de mesure corrigé on détermine la partie du composant de gaz de mesure avec l’oxygène combiné, la grandeur de compensation dépendant au moins partiellement du premier courant de pompage et de la tension appliquée à la première cellule de pompage, la grandeur de compensation dépendant en outre de la température de l’élément de capteur.
[0012] Selon un développement, la grandeur de compensation dépend au moins partiellement de la partie variable en fonction du temps du premier courant de pompage et/ou d’une partie variant en fonction du temps de l’équivalent-intensité de la tension appliquée à la première cellule de pompage.
[0013] Suivant une autre caractéristique, on utilise comme signal de référence pour déterminer la grandeur de compensation, la différence entre le premier courant de pompage et un équivalent-intensité de la tension appliquée à la première cellule de pompage et/ou la différence entre la partie variable en fonction du temps du premier courant de pompage et de la partie variable en fonction du temps de l’équivalent-intensité de la tension appliquée à la première cellule de référence.
[0014] Selon une autre caractéristique, le traitement du signal comprend le filtrage passehaut du premier courant de pompage et de l’équivalent-intensité de la tension appliquée à la première cellule de pompage et/ou de la partie variable en fonction du temps du premier courant de pompage et de la partie variable en fonction du temps de l’équivalent-intensité de la tension appliquée à la première cellule de pompage.
[0015] Selon un autre développement, on forme l’équivalent-intensité de la tension appliquée à la première cellule de pompage en se fondant sur l’impédance de la première cellule de pompage.
[0016] Selon un autre développement, on détermine l’impédance de la première cellule de pompage en se fondant sur la tension appliquée à la première cellule de pompage et le premier courant de pompage.
[0017] Suivant un autre développement, on détermine l’impédance par un algorithme d’adaptation.
[0018] Suivant un autre développement, la grandeur de compensation dépend en outre de la partie variable en fonction du temps de la température de l’élément de capteur.
[0019] Selon un autre développement, on saisit la résistance électrique de la cellule de référence et on détermine la température de l’élément de capteur en se fondant sur la résistance électrique de la cellule de référence.
[0020] Selon un autre développement, on détermine le signal de mesure corrigé en retranchant la grandeur de compensation, du signal de mesure.
[0021] Selon un autre développement, on saisit la teneur en humidité du gaz de mesure, la grandeur de compensation dépendant en outre de la teneur en humidité du gaz de mesure.
[0022] Suivant un autre développement, le traitement du signal comprend une compensation de perturbation adaptative.
[0023] L’invention a également pour objet un programme d’ordinateur pour exécuter les étapes du procédé.
[0024] L’invention a également pour objet une mémoire électronique avec un programme d’ordinateur pour la mise en œuvre du procédé.
[0025] L’invention a également pour objet un appareil de commande électronique pour mettre en œuvre le procédé enregistré sur un support de mémoire électronique pour la mise en œuvre du procédé.
[0026] L’invention a également pour objet un capteur pour détecter au moins une partie d’un composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné au gaz de mesure, notamment aux gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne comprenant un élément de capteur ayant une première cellule de pompage avec une électrode de pompage extérieure et une électrode de pompage intérieure, cette cellule étant appliquée contre une première cavité en liaison avec le gaz de mesure, une cellule de référence ayant une électrode de Nemst et une électrode de référence, cette cellule de référence étant appliquée contre la chambre de gaz de référence ainsi qu’une seconde cellule de pompage avec une électrode de pompage et une contre électrode et qui est appliquée à une seconde cavité, le capteur comportant un appareil de commande électronique tel que défini ci-dessus.
[0027] Un électrolyte solide selon la présente invention est un corps ou un objet à propriétés électrolytiques, c’est-à-dire à propriétés de conduction ionique. Il s’agit en particulier d’un électrolyte solide, céramique. La définition englobe également la matière brute d’un électrolyte solide et ainsi la réalisation d’un électrolyte vert ou non cuit qui ne devient un électrolyte solide qu’après frittage. En particulier l’électrolyte solide se présente sous la forme d’une couche d’électrolyte solide ou de plusieurs couches d’électrolyte solide. Une couche selon la présente invention correspond à une masse unitaire étendue en surface d’une certaine hauteur couvrant d’autres éléments ou comprise entre d’autres éléments.
[0028] Une électrode dans le cadre de la présente invention représente de manière générale un élément permettant d’établir le contact avec l’électrolyte solide de façon à permettre le passage d’un courant entre l’électrolyte solide et l’électrode. Ainsi, l’électrode comporte un élément injectant des ions dans l’électrolyte solide et/ou permettant de les extraire de l’électrolyte solide. De façon caractéristique, les électrodes comprennent une électrode de métal noble, par exemple, sous la forme d’une électrode métalcéramique réalisée sur l’électrolyte solide ou reliée à l’électrolyte solide d’une autre manière. De façon caractéristique on a des matières pour des électrodes Cermetplatine. D’autres métaux nobles, tels que, par exemple, de l’or ou du palladium peuvent en principe s’utiliser également.
[0029] Un élément chauffant dans le cadre de la présente invention est un élément servant à chauffer l’électrolyte solide et les électrodes, au moins jusqu’à leur température de fonctionnement, de préférence jusqu’à leur température de fonctionnement qui est la température à partir de laquelle l’électrolyte solide est conducteur d’ions ; elle correspond sensiblement à 350°C. Cette température de fonctionnement diffère de la température à laquelle l’élément de capteur fonctionne habituellement et qui est plus élevée que la température de fonctionnement. La température de fonctionnement permanent est, par exemple, comprise entre 700°C et 950°C. L’élément chauffant est prévu pour une zone de chauffage et comporte au moins une ligne d’alimentation. La zone de chauffage selon la présente invention est la zone de l’élément chauffant qui, dans le cas d’une structure stratifiée, chevauche l’électrode dans une direction perpendiculaire à la surface de l’élément de capteur. Habituellement, la zone chauffante chauffe pendant le fonctionnement, à une température plus élevée que le chemin d’alimentation, ce qui permet de les distinguer. Ce chauffage différent peut se réaliser, par exemple, en ce que la zone de chauffage présente une résistance électrique supérieure à elle du chemin d’alimentation. La zone chauffante et/ou la ligne d’alimentation sont, par exemple, réalisées sous la forme de chemins résistants électriques ; ces chemins chauffent par l’application d’une tension électrique. L’élément chauffant peut être, par exemple, un élément cermet-platine.
[0030] Un circuit de régulation selon la présente invention est une boucle d’action fermée pour influencer une grandeur physique dans un procédé technique. L’important est le retour de la valeur instantanée encore appelée « valeur réelle » à l’appareil de régulation qui s’oppose alors en continu à l’écart par rapport à la valeur de consigne. La boucle de régulation se compose du chemin de régulation, de l’appareil de régulation et d’une réaction négative de la valeur réelle comme grandeur de régulation. La grandeur de régulation est comparée à la valeur de consigne constituant la grandeur guide. L’écart de régulation entre la valeur réelle et la valeur de consigne est fournie à l’appareil de régulation qui, en fonction de la dynamique souhaitée pour le circuit de régulation, forme une grandeur de commande pour la boucle de réaction. Le chemin de régulation dans le cadre de la présente invention est la partie de la boucle de régulation qui contient la grandeur de régulation sur laquelle doit agir l’appareil de commande par l’intermédiaire de grandeurs de commande ou de grandeurs de réglage. Dans le cadre de la présente invention, l’unité électrochimique est le capteur du chemin de régulation.
[0031] Une grandeur de mesure dans le cadre de la présente invention est en principe n’importe quelle grandeur physique et/ou chimique et un signal d’affichage équivalent à cette grandeur, c’est-à-dire un signal équivalent. De façon préférentielle, la grandeur de mesure est au moins un signal de mesure de l’élément de capteur. De façon préférentielle, la grandeur de mesure est au moins un courant de pompage, par exemple, un courant limite. Il s’agit, pour la grandeur de mesure, par exemple, d’une grandeur dépendant du courant de pompage. Par exemple, la grandeur de mesure est la tension appliquée à la pompe et/ou la charge transférée. L’expression « saisir » signifie dans le présent contexte selon l’invention que la grandeur de mesure est fournie, par exemple, comme signal de mesure par l’élément de capteur et/ou la grandeur de mesure est travaillée par un appareil de commande et/ou est exploitée et/ou est enregistrée. [0032] Une grandeur de compensation dans le cadre de la présente invention est en principe n’importe quelle grandeur chimique et/ou physique ou un signal d’affichage équivalent à cette grandeur, c’est-à-dire un signal équivalent. De façon préférentielle, la grandeur de compensation comprend la même grandeur physique et/ou chimique que la grandeur de mesure. De préférence, la grandeur de compensation est l’écart du courant de pompage. La grandeur de compensation est, par exemple, au moins un courant de charge et/ou au moins une charge d’électrode. La grandeur de compensation est au moins partiellement dépendante du courant de pompage et de la tension appliquée à la cellule de pompage. En particulier, la grandeur de compensation dépend au moins partiellement de la variation du courant de pompage en fonction du temps et de la tension appliquée à la cellule de pompage. La grandeur de compensation est, par exemple, une échelle pour l’erreur de la grandeur de mesure occasionnée par les effets de transfert de charge du passage de Lambda=l sur les électrodes de la cellule de pompage.
[0033] A partir de la grandeur de mesure et de la grandeur de compensation, on détermine au moins une grandeur de mesure corrigée. La grandeur de mesure corrigée est en principe n’importe quelle grandeur chimique et/ou physique et un signal d’affichage équivalent à cette grandeur, c’est-à-dire un signal équivalent. De façon préférentielle, les grandeurs de mesure corrigées sont la même grandeur physique et/ou chimique ou la grandeur de compensation. Dans le cas de la grandeur de mesure corrigée, il s’agit notamment d’une grandeur dont on a éliminé les effets parasites. La partie de gaz dans la chambre de gaz de mesure se détermine de préférence plus précisément à partir de la grandeur de mesure corrigée qu’à partir de la simple grandeur de mesure. Pour déterminer la grandeur de mesure à partir de la grandeur de mesure et de la grandeur de compensation, on peut, par exemple, procéder par un calcul et/ou par une association.
De façon correspondante, la partie du gaz de mesure dans la chambre de gaz de mesure se détermine à partir de la grandeur de mesure corrigée, par exemple, par calcul et/ou par attribution. A titre d’exemple, on utilise au moins une courbe caractéristique pour déterminer la partie du gaz de mesure dans la chambre de gaz de mesure à partir de la grandeur de mesure corrigée. La courbe caractéristique est, par exemple, l’association entre les grandeurs de mesure corrigées et une partie du gaz d’échappement. Par exemple, cette courbe caractéristique représente l’association entre le courant de pompage corrigé et la partie d’oxygène contenu dans les gaz de mesure, par exemple, la pression partielle d’oxygène.
[0034] La grandeur de mesure comprend au moins le courant de pompage. Le courant de pompage concerne, par exemple, l’ensemble de la charge transformée par la cellule de pompage par unité de temps. La grandeur de mesure est directement le courant de pompage ou un signal correspondant au courant de pompage. Par exemple, le courant de pompage est une grandeur de mesure qui dépend du courant de pompage. La grandeur de mesure est, par exemple, une grandeur dépendant du courant de pompage. La grandeur de mesure peut être au moins le courant de pompage. La grandeur de compensation comprend au moins un courant de transfert de charge. Le courant de transfert de charge est, par exemple, le courant produit par une opération de charge et/ou une opération de décharge, par exemple, une variation de la teneur en gaz de mesure dans la chambre de gaz de mesure. Le courant de transfert de charge est, par exemple, un courant qui se produit au passage du Lambda = 1. Cette quantité de charge générée par le passage ne se développe pas habituellement au niveau de la tension du régulateur car la source est la tension de Nemst, variable, sur l’électrode de la cellule de pompage dans l’élément de capteur. La tension de sortie du régulateur n’est pas perturbée au passage Lambda=l car la tension de sortie suit le passage lambda=l.
[0035] La grandeur de mesure, la grandeur de compensation et la grandeur de mesure corrigée ne se présentent pas nécessairement comme des grandeurs absolues selon les présentes réalisations. L’invention permet explicitement de façon alternative ou complémentaire une correction de la grandeur de mesure ou une compensation du transfert de charge sur le plan du traitement de signal de sorte que la grandeur de mesure, la grandeur de compensation et la grandeur de mesure corrigée peuvent être de tels signaux caractéristiques.
[0036] L’impédance de la cellule de pompage dans le cadre de la présente invention n’est pas la résistance ohmique de la cellule de pompage mais une relation spécifique à l’élément de capteur entre la tension de pompage et un équivalent intensité de la tension de pompage qui, entre autre, dépend de la fréquence. Dans certaines conditions de fonctionnement, l’équivalent-intensité de la tension de pompage est égal à la tension de pompage (par exemple, pour une faible variation de la concentration 02 dans les gaz d’échappement en fonction du temps). Dans le cas du courant continu considéré ici (mode en courant aux limites), la valeur de l’impédance dépend de la concentration d’oxygène dans les gaz d’échappement, mais également d’autres conditions relatives aux gaz d’échappement comme, par exemple, la vitesse des gaz d’échappement. L’impédance décrit dans le cadre de la présente invention, notamment le rapport d’une part entre l’équivalent-intensité de la tension de pompage et d’autre part la tension de pompage. De façon générale, l’impédance de la cellule de pompage peut être définie comme valeur numérique complexe. L’impédance de la cellule de pompage peut ainsi dépendre également de la fréquence. Dans le cadre de la présente invention, l’impédance de la cellule de pompage se détermine à l’aide d’un algorithme d’adaptation à partir de la combinaison de la tension appliquée à la cellule de pompage et du courant de pompage. L’impédance de la cellule de pompage peut être définie comme fonction de la tension appliquée à la cellule de pompage (ou en variante comme fonction du courant de pompage).
[0037] Dans le cadre de la présente invention un filtre passe-haut est un filtre qui laisse passer les composantes hautes fréquences du signal dépassant une fréquence limite alors que les composantes basses fréquences seront atténuées. Des composantes de signal, constantes variant seulement très lentement peuvent être éliminés. Le filtrage modifie également la phase du signal. Par exemple, un différentiateur aura une phase de 90° (mode monophase linéaire). Les filtres passe-haut peuvent, dans le cadre de la présente invention, s’utiliser comme filtres récurrents ou filtres non récurrents. Ils peuvent avoir une réponse impulsionnelle finie ou non-finie.
[0038] Un filtre passe-bas dans le cadre de la présente invention, est un filtre qui laisse passer les composantes basse fréquence du signal en dessous d’une fréquence limite alors que les parties haute fréquence du signal sont éliminées. Le but d’un filtre passebas est de faire la somme du tracé du signal de différence en fonction de l’intervalle de durée de la perturbation. Si le signal de différence est petit, le signal de compensation de courant tend vers zéro. Une simple transformation par filtre passe-bas se réalise, par exemple, à l’aide d’un intégrateur faible. Dans une variante de transformation, les propriétés du filtre passe-bas seront modifiées en fonction de la grandeur du signal d’entrée.
[0039] Une idée de base de la présente invention est d’introduire une correction pour les perturbations dynamiques du signal haute pression en augmentant la précision du capteur NOx. Le signal NOx peut ainsi s’utiliser également pour des cas dynamiques de commande du post-traitement des gaz d’échappement.
Brève description des dessins [0040] La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l’aide d’exemples de procédés de gestion d’un capteur ainsi que d’un capteur pour la mise en œuvre du procédé représenté dans les dessins annexés dans lesquels :
[0041] [fig.l] montre la structure de principe d’un capteur selon l’invention, [0042] [fig.2] est un schéma par blocs du traitement du signal pour compenser les perturbations du signal de mesure par des variations dynamiques du signal 02, [0043] [fig.3] montre un chronogramme de signaux NOx perturbés, [0044] [fig.4] montre le chronogramme de signaux DIO2 fournis par le procédé de l’invention et mis en corrélation avec la perturbation du signal NOx, et [0045] [fig.5] est un schéma par blocs du traitement du signal pour compenser les perturbations du signal de mesure par les variations dynamiques de la température du capteur.
[0046] DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION DE L’INVENTION [0047] La figure 1 montre la structure de principe d’un capteur 100 selon l’invention particulièrement appropriée pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
[0048] Le capteur 100 est destiné à détecter au moins une partie d’un composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné, appelé ci-après, à titre d’exemple, oxyde(s) d’azote NOx dans un mélange gazeux, par exemple, dans les gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne. Le capteur comporte un élément de capteur 110, une première cellule de pompage 112 réalisée entre une électrode de pompage extérieure 114 et une électrode de pompage intérieure 116. L’électrode de pompage extérieure 114 est séparée de l’environnement du capteur 100 par une couche d’oxyde d’aluminium poreux 118 ; cette électrode a une première liaison électro-conductrice 120 permettant de générer un premier courant de pompage IPI dans la première cellule de pompage 112. La liaison électro-conductrice 120 est reliée à un branchement PI d’un appareil de commande électronique externe 122. Pour compléter le circuit électrique, l’électrode de pompage intérieure 116 a également une liaison électroconductrice 124 reliée à un branchement commun COM de l’appareil de commande électronique 122. La première cellule de pompage 112 est appliquée contre une première cavité 126 à l’intérieur de l’élément de capteur 110 et communiquant avec le gaz de mesure. Une première partie des ions d’oxygène formés à partir de l’oxygène moléculaire du mélange gazeux transporté entre la première cavité 126 et l’environnement du capteur 100 génère le premier courant de pompage IPI dans la première cellule de pompage 112. Le chemin d’entrée à partir de l’environnement vers la première cavité 126 comporte deux barrières de diffusion 128.
[0049] L’élément de capteur 110 comporte en outre une cellule électrique de référence 130 ayant une électrode de Nernst 132 et une électrode de référence 134. Alors que l’électrode de Nernst 132 est reliée par une liaison électro-conductrice 124 et son électrode de pompage intérieure 116 à la borne commune COM, l’électrode de référence 134 dispose d’une liaison électro-conductrice 136, distincte reliée au branchement Vs de l’appareil électronique de commande externe 122 pour la tension de Nerst vs. La cellule de référence 130 est appliquée à une chambre de gaz de référence 138. La seconde partie des ions d’oxygène de la chambre de gaz de mesure 126 et/ou de l’environnement du capteur 100 est transportée dans la chambre de gaz de référence 138 en appliquant un courant de pompage de référence entre la borne Vs et la borne commune COM. Pour cela, on règle la valeur du courant de pompage de référence pour développer une partie fixée des ions d’oxygène dans la chambre de gaz de référence 138. De préférence, dans ce contexte, on règle également l’intensité du premier courant de pompage IPI de façon à obtenir un rapport fixe entre la première partie des ions d’oxygène dans la chambre de gaz de mesure 126 et la seconde partie des ions d’oxygène dans la chambre de gaz de référence 138.
[0050] L’oxyde d’azote NOx avec l’oxygène combiné, contenu encore dans le composant de gaz de mesure contenu dans le mélange gazeux, arrive notamment par diffusion, de façon pratiquement non influencée, dans une seconde cellule de pompage 140 de l’élément de capteur 110 ; cette cellule est également être appelée cellule de pompage NOx. La seconde cellule de pompage 140 a une électrode de pompage NOx 142 et une contre-électrode NOx 144 ; elle est appliquée contre une seconde cavité 145 à l’intérieur de l’élément de capteur 110. La seconde cavité 145 est séparée de la première cavité 126 par l’une des barrières de diffusion 128. Au moins l’une des deux électrodes, c’est-à-dire l’électrode de pompage NOx 142 et/ou la contre-électrode NOx 144, est réalisée de façon que lorsqu’on applique une tension, on génère par catalyse plus d’oxygène moléculaire à partir du composant de gaz de mesure NOx se développant dans la seconde cellule de pompage 140.
[0051] Alors que l’électrode de pompage NOx 142 a une liaison électro-conductrice 146 reliée à la borne commune COM, la contre-électrode NOx 144 a une liaison électroconductrice 146 pour appliquer un second courant de pompage IP2 à la seconde cellule de pompage 140. La liaison électro-conductrice 146 est reliée à une borne P2 de l’appareil de commande électronique externe 122. Lorsqu’on applique un second courant de pompage IP2 à la seconde cellule de pompage 140, une partie des autres ions d’oxygène formés à l’aide de cet autre oxygène moléculaire est transportée dans la chambre de gaz de référence 138.
[0052] L’élément de capteur 110 dispose en outre d’un élément chauffant 148 relié par deux lignes d’alimentation 150 aux bornes HTR+ et HTR- de l’appareil de commande 122 pour appliquer ainsi un courant de chauffage à l’élément chauffant 148 ; celui-ci génère une puissance de chauffage pour mettre l’élément de capteur 110 à la température souhaitée.
[0053] Pendant le fonctionnement du capteur 100, on saisit un premier courant de pompage IPI de la première cellule de pompage 112 et la tension UP1 appliquée à la première cellule de pompage 112. Le signal de mesure de l’élément de capteur 110 qui correspond au composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné, se détermine avec le second courant de pompage IP2 de la seconde cellule de pompage 140. Comme ce signal peut être perturbé, il sera corrigé comme cela sera décrit de manière détaillée ci-après. A l’aide d’un traitement de signal, on détermine une grandeur de compensation. A partir du signal de mesure et de la grandeur de compensation on détermine au moins un signal de mesure corrigé. Avec le signal de mesure corrigé, on détermine la partie du composant de gaz de mesure comportant de l’oxygène combiné.
La grandeur de compensation dépend au moins en partie du premier courant de pompage IPI et de la tension UP1 appliquée à la première cellule de pompage 112. Comme on tient également compte des perturbations générées par la température, la grandeur de compensation dépend très largement de la température de l’élément de capteur 110.
[0054] La figure 2 montre un schéma par blocs du procédé de traitement du signal pour compenser les perturbations du signal de mesure par les variations dynamiques du signal 02 dans le capteur 100. Le traitement du signal correspond à l’algorithme présenté à la figure 2. En plus du second courant de pompage IP2 de la seconde cellule de pompage 140 on utilise la tension UP1 appliquée à la première cellule de pompage 112 et le premier courant de pompage IPI comme signaux d’entrée. La perturbation du signal de mesure par la variation de la pression partielle 02 peut être décrite comme fonction du premier courant de pompage IPI servant de signal de mesure de la concentration en 02 et la tension UP1 de l’électrode de pompage extérieure 114. Ces deux signaux sont mesurés directement par le capteur 100. Le premier courant de pompage IPI varie pratiquement de façon linéaire en fonction de la concentration 02 alors que la tension UP1 de l’électrode de pompage extérieur 114 a un comportement non linéaire en fonction de la concentration 02. A l’aide de l’impédance ZP(O2) dépendant de la concentration 02 de la première cellule de pompage 114, on peut transformer la tension appliquée à l’électrode de pompage extérieure 114 en un courant de pompage équivalent. Si la dynamique du signal 02 est importante, le premier courant de pompage et le courant de pompage équivalent ont des constantes de temps différentes. Pour cela, le traitement de signal comporte une installation de copie 152. L’installation de copie 152 transforme la tension UP1 appliquée à la première cellule de pompage 112 en un premier courant de pompage IPI. En d’autres termes, l’installation de copie génère un courant équivalent IUP1 de la tension UP1 appliquée à la première cellule de pompage 112.
[0055] Le premier courant de pompage IPI s’exprime par la relation suivante :
T [0056] Dans cette relation RShunt[Q] représente la valeur de la résistance de mesure de l’électrode de pompage extérieur 114 ou de l’électrode de pompage intérieur. Ainsi l’expression RShunt[Q] est une résistance ohmique dans l’électrode de commande pour mesurer simplement un courant électrique et la chute de tension est proportionnelle au courant de pompage. La chute de tension UIP1 est proportionnelle au courant de pompage IPI. Pour déterminer la grandeur de compensation on forme un équivalent intensité IUP1 de la tension UP1 appliquée à la première cellule de pompage 112.
[0057] Les impédances ZP de la première cellule de pompage 36 se déterminent à partir de la tension UP1 appliquée à la première cellule de pompage 112 et du premier courant de pompage IPI selon la formule suivante :
IüPi = -—-75—zi p [0058] L’impédance ZP de la première cellule de pompage 112 décrit le rapport entre d’une part l’équivalent-intensité de la tension de pompage et d’autre part, celle de la tension de pompage sous la forme suivante :
[0059] L’impédance ZP de la première cellule de pompage 112 peut être définie de façon générale comme valeur complexe. L’impédance ZP de la première cellule de pompage 112 peut ainsi également dépendre de la fréquence. L’impédance ZP de la première cellule de pompage 112 se détermine à l’aide d’un algorithme d’adaptation.
[0060] Le traitement du signal utilise en outre un premier filtre passe-haut 154 et un second filtre passe-haut 156. Le premier filtre passe-haut 154 reçoit l’équivalent intensité IUP1 de la tension UP1 appliquée à la première cellule de pompage 112. Le second filtre passe-haut 156 reçoit le signal correspondant au premier courant de pompage IPI. L’information concernant la divergence des tensions et des intensités appliquées à la première cellule de pompage 112 réside dans la différence des signaux de variation de la tension et de l’intensité appliquées à la première cellule de pompage 112. Cette différence s’exprime comme suit :
AO2=IP1-IUP1. Dans cette forme de réalisation, on élimine tout d’abord les composantes de signal à variation lente et les décalages de la tension IIP 1 à partir du premier courant de pompage ainsi que de ce premier courant de pompage IPI. Cela se fait par un filtrage passe-haut dans les filtres passe-haut 154, 156, c’est-à-dire une dérivation en fonction du temps de la forme suivante :
dIBi=- HP(t?I) · ou-dlpr=· — ai dIiæi=HP(Iupi) · ou· DIupi =· — (Z, w dï [0061] A partir des signaux dlupl et dIPl fournis par le premier filtre passe-haut 154 et le second filtre passe-haut 156, on forme le signal de compensation DIO2 comme signal de différence DIO2-dIPl-dlUPl ou DI02(k)=IUPl(k)-IPl(k).
[0062] Un filtre passe-haut permet d’éliminer seulement les composantes très basses fréquences du signal (enlèvement de la partie continue) pour enlever ainsi les composantes de signal à variation lente et les décalages et ne laisser que les composantes variables qui correspondent aux perturbations du signal NOx. Cela se présente sous la forme suivante :
DIoa= — : A'... ) = — ( ΰ'ί di [0063] L’ordre de succession des filtres passe-haut des différents signaux est quelconque. [0064] Le signal de compensation DIO2 est appliqué à un filtre adaptatif de compensation de perturbation 158. A partir du signal de sortie fourni par le filtre de compensation de perturbation adaptatif 158 et du second courant de pompage IP2 fourni par la seconde cellule de pompage 140 on forme le signal de mesure corrigé IP2_K. Ainsi, le signal DIO2 est mis en corrélation avec la perturbation du signal de mesure par les variations de la pression partielle 02. Le signal DIO2 sert de signal de référence pour compenser la perturbation du signal de mesure. On génère une valeur évaluée de la perturbation du signal de mesure à l’aide du filtre de compensation de perturbation adaptatif 158 et on retranche le signal du signal de mesure. Le fonctionnement d’un filtre de compensation de perturbation, adaptatif est connu selon l’état de la technique et ne nécessite pas de description. Le principe de bas de la compensation de perturbation adaptative repose sur la considération que si l’on dispose d’un signal en corrélation avec la perturbation, on peut copier le signal de perturbation et le retrancher ensuite du signal d’information perturbé.
[0065] La figure 3 montre le chronogramme de signaux NOx perturbés 160, 162 comme exemple celui d’un signal de mesure perturbé. Le temps est représenté en secondes sur l’axe Y 164 et les valeurs NOx correspondantes sont représentées en unités ppm sur l’axe Y 166. Comme cela apparaît, à l’endroit 168, il y a une perturbation pour laquelle la valeur NOx a un pic négatif.
[0066] La figure 4 montre le chronogramme de signaux DIO2 obtenu selon le procédé de l’invention et mis en corrélation avec la perturbation du signal NOx. Le signal 170 est le signal DIO2 sans filtrage passe-haut et le signal 172 est le signal DIO2 une fois filtré par un filtrage passe-haut. Le temps est représenté en secondes sur l’axe X 174 et les valeurs correspondantes du signal sont représentées en unités mA sur l’axe Y 176. Il apparaît clairement comment les tracés des signaux 170, 172 suivent le tracé des signaux 160, 162 et ont également un pic négatif à l’emplacement 178.
[0067] La figure 5 montre un schéma par blocs du traitement de signal pour compenser les perturbations du signal de mesure par des variations dynamiques de la température du capteur 100. Le traitement de signal correspond à l’algorithme de la figure 5. L’élément de capteur 110 saisit la résistance électrique RPVS de la cellule de référence 130. Comme la résistance électrique RPVS de la cellule de référence 130 dépend de la température, cela permet de déterminer la température de l’élément de capteur 110 en se fondant sur la résistance électrique RPVS de la cellule de référence 130. En plus du second courant de pompage IP2 de la seconde cellule de pompage 140 on utilise comme signal d’entrée, la résistance électrique RPVS de la cellule de référence 130. Le signal de la résistance électrique RPVS de la cellule de référence 130 est appliqué à un filtre passe-haut 180. Le signal de la résistance électrique RPVS de la cellule de référence 130, signal filtré par le filtre passe-haut, est ensuite appliqué au filtre de compensation de perturbation adaptatif 182. Le signal compensé de la résistance électrique RPVS de la cellule de référence 130 est alors retranché du signal du second courant de pompage IP2 de la seconde cellule de pompage 140 de sorte que l’on obtient le signal de mesure IP2_k corrigé. En option on peut également saisir l’humidité du gaz de mesure. La grandeur de compensation dépend dans ce cas de la teneur en humidité du gaz de mesure.
[0068] Du point de vue des proportions, en fonctionnement effectif, environ 70% de la perturbation dynamique du signal NOx est occasionné par la dynamique 02. On peut ainsi imaginer de réduire l’invention à un algorithme plus simple. La fonction qui représente la variation du signal 02 en fonction du temps est inconnue. Dans le procédé décrit cidessus pour compenser les perturbations occasionnées par la température est une bonne approximation de cette fonction par le filtre de compensation de perturbation adaptatif. En particulier, la perturbation est légèrement retardée dans le signal NOx et l’intensité de la perturbation dépend de différentes influences. Pour une compensation simple on peut utiliser ici des valeurs évaluées ou valeurs d’expérience qui sont alors utilisées pour compenser le signal de mesure perturbé.
[0069] On peut réaliser un programme d’ordinateur pour exécuter les étapes de procédé décrites ci-dessus. Le programme d’ordinateur peut être enregistré sur un support de mémoire électronique tel que, par exemple, une puce. Cette mémoire peut faire partie d’un appareil de commande électronique tel que, par exemple, l’appareil de gestion du moteur d’un véhicule automobile.
[0070] Le procédé selon l’invention décrit ci-dessus peut également être combiné à d’autres procédés de compensation d’autres signaux de mesure perturbés, fournis par le capteur. C’est ainsi que dans le cas de sondes lambda à bande large et des capteurs d’oxydes d’azote, on exploite un signal de pompage qui, en mode de fonctionnement statique, est relié linéairement à la concentration d’oxygène. En cas de variation rapide entre un état riche et un état maigre, comme cela se produit dans un moteur à essence ou dans le cas des applications en moteur diesel avec un catalyseur NSC, il faut une exploitation précise du signal d’oxygène. Les effets de recharge électrochimique dans l’élément de capteur peuvent fausser le courant de pompage par la transition riche / maigre ou maigre / riche par l’ondulation du signal ce qui est un effet connu sous la dénomination « ondulation Lambda=l». On connaît des algorithmes pour compenser l’effet « ondulation Lambda=l » ; ces algorithmes peuvent être combinés au procédé de l’invention.
[0071] L’application de l’invention peut se prouver si les signaux d’entrées électriques du circuit de compensation telle que la tension appliquée à l’électrode de pompage extérieure sont manipulés. Pour cela on peut insérer des résistances supplémentaires commutables dans les liaisons entre le capteur et l’appareil de commande SCU ou encore on injecte des signaux parasites. S’il y a un circuit qui corrige les perturbations du signal NOx, on aura alors des corrections erronées.
Claims (1)
- Procédé de gestion d’un capteur (100) pour détecter au moins une partie d’un composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné au gaz de mesure, notamment dans les gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne comprenant un élément de capteur (110), l’élément de capteur (110) ayant une première cellule de pompage (112) avec une électrode de pompage extérieure (114) et une électrode de pompage intérieure (116) et qui est appliqué à une première cavité (126) en liaison avec le gaz de mesure, une cellule de référence (130) ayant une électrode de Nernst (132) et une électrode de référence (134) et qui est appliquée à une chambre de gaz de référence (138) ainsi qu’une seconde cellule de pompage (140) ayant une électrode de pompage (142) et une contre-électrode (144) et qui est appliquée à une seconde cavité (145), on saisit un premier courant de pompage (IPI) de la première cellule de pompage (112) et la tension (UP1) de la première cellule de pompage (Π2), on détermine le signal de mesure de l’élément de capteur (110) qui indique la composante de gaz de mesure avec l’oxygène combiné en se fondant sur le second courant de pompage (IP2) de la seconde cellule de pompage (140), on détermine une grandeur de compensation (DIO2) par un traitement de signal, on détermine au moins un signal corrigé (IP2_K) à partir du signal de mesure et de la grandeur de compensation (DIO2), à partir du signal de mesure corrigé (IP2_K) on détermine la partie du composant de gaz de mesure avec l’oxygène combiné, la grandeur de compensation (DIO2) dépendant au moins partiellement du premier courant de pompage (IPI) et de la tension (UP1) appliquée à la première cellule de pompage (112), la grandeur de compensation (DIO2) dépendant en outre de la température de l’élément de capteur (110).Procédé selon la revendication 1, selon lequel la grandeur de compensation (DIO2) dépend au moins partiellement de la partie variable en fonction du temps du premier courant de pompage (IPI) et/ou d’une partie variant en fonction du temps de l’équivalent-intensité (IUP1) de la tension (UP1) appliquée à la première cellule de pompage (112).[Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11]Procédé selon la revendication 1 ou 2, selon lequel on utilise comme signal de référence pour déterminer la grandeur de compensation (DIO2) la différence entre le premier courant de pompage (IPI) et un équivalent-intensité (IUP1) de la tension (UP1) appliqué à la première cellule de pompage (112) et/ou la différence entre la partie variable en fonction du temps du premier courant de pompage (IUP1) et de la partie variable en fonction du temps de l’équivalent-intensité (IUP1) de la tension (UP1) appliquée à la première cellule de référence (112). Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le traitement du signal comprend le filtrage passe-haut du premier courant de pompage (IUP1) et de l’équivalent-intensité (IUP1) de la tension (UP1) appliquée à la première cellule de pompage (112) et/ou de la partie variable en fonction du temps du premier courant de pompage (IUP1) et de la partie variable en fonction du temps de 1”équivalent-intensité (IUP1) de la tension (UP1) appliquée à la première cellule de pompage (112). Procédé selon l’une des revendications 2 à 4, selon lequel on forme l’équivalent-intensité (IUP1) de la tension (UP1) appliquée à la première cellule de pompage (112) en se fondant sur l’impédance (ZP) de la première cellule de pompage (112).Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel on détermine l’impédance (ZP) de la première cellule de pompage (112) en se fondant sur la tension (UP1) appliquée à la première cellule de pompage (112) et le premier courant de pompage (IUP1).Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel on détermine l’impédance (ZP) par un algorithme d’adaptation.Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, selon lequel la grandeur de compensation (DIO2) dépend en outre de la partie variable en fonction du temps de la température de l’élément de capteur (110).Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, selon lequel on saisit la résistance électrique de la cellule de référence (130) et on détermine la température de l’élément de capteur (110) en se fondant sur la résistance électrique de la cellule de référence (130).Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, selon lequel on détermine le signal de mesure corrigé en retranchant du signal de mesure la grandeur de compensation (DIO2).Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, selon lequel on saisit la teneur en humidité du gaz de mesure et la grandeur de compensation (DIO2) dépend en outre de la teneur en humidité du gaz de mesure.[Revendication 12] [Revendication 13] [Revendication 14] [Revendication 15] [Revendication 16]Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, selon lequel le traitement du signal comprend une compensation de perturbation adaptative. Programme d’ordinateur conçu pour appliquer les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 12. Support de mémoire électronique comportant l’enregistrement d’un programme d’ordinateur selon la revendication 13.Appareil de commande électronique comportant une mémoire électronique selon la revendication 14.Capteur (100) pour détecter au moins une partie d’un composant de gaz de mesure avec de l’oxygène combiné au gaz de mesure, notamment aux gaz d’échappement d’un moteur à combustion interne comprenant un élément de capteur (110) ayant une première cellule de pompage (112) avec une électrode de pompage extérieure (114) et une électrode de pompage intérieure (116), cette cellule étant appliquée contre une première cavité (126) en liaison avec le gaz de mesure, une cellule de référence (130) ayant une électrode de Nernst (132) et une électrode de référence (134), cette cellule de référence étant appliquée contre la chambre de gaz de référence (138) ainsi qu’une seconde cellule de pompage (140) avec une électrode de pompage (142) et une contreélectrode (144) est appliquée à une seconde cavité (145), le capteur (100) comportant un appareil de commande électronique selon la revendication 15.
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| REIF, K.DEITSCHE, K-H. ET AL.: "Kraftfahr-technisches Taschenbuch", 2014, SPRINGER VIEWEG, pages: 1338 - 1347 |
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