FR2864147A1 - Dispositif de sonde pour des gaz d'echappement d'un moteur a combustion interne et procede de fonctionnement et d'exploitation - Google Patents

Abstract

Sonde de la concentration d'oxygène en différents endroits d'un système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant une première sonde de gaz d'échappement (48, 54) en amont d'un volume de catalyseur fournissant un premier signal à un circuit de régulation rapide du rapport air/carburant du moteur et à une seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) en aval du volume fournissant un second signal. A la fois la première sonde (48, 54) et la seconde (50, 52, 54) ont une électrode de pompage extérieure (76), une électrode de pompage intérieure (80), une électrode de Nernst (82) et une électrode de référence (86). La première sonde (48, 54) est reliée à un premier circuit de fonctionnement et d'exploitation (56, 92) ; la seconde sonde (50, 52, 54) est reliée à un second circuit de fonctionnement et d'exploitation. Au moins le premier ou le second circuit (56, 92) pilotent la première sonde de gaz d'échappement (48, 54) ou la seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) comme sonde de Nernst.

Description

Domaine de l'invention

La présente invention concerne un dispositif de sonde pour saisir la concentration en oxygène en différents endroits d'un système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant une première sonde de gaz d'échappement installée en amont d'un volume de catalyseur et d'un premier signal pour un circuit de régulation rapide du rapport air/carburant du moteur à combustion interne et une seconde sonde de gaz d'échappement en aval du volume de catalyseur et fournissant un second signal.

to L'invention concerne également un procédé de gestion d'un tel dispositif de sonde et de fonctionnement d'un dispositif de sonde pour saisir la concentration en oxygène en différents emplacements d'un système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comprenant une première sonde de gaz d'échappement installée en amont d'un volume de catalyseur et fournissant un premier signal pour un circuit de régulation rapide du rapport carburant/ air et au moins une seconde sonde de gaz d'échappement en aval du volume de catalyseur et fournissant un second signal.

Etat de la technique On connaît un tel dispositif de sonde et un tel procédé par exemple selon le document DE 35 00 594 C2. Dans le cas d'une combustion totalement stoechiométrique de mélange d'hydrocarbures tels que de l'essence et/ou du gasoil avec de l'air, la combustion donne des produits de combustion qui se limitent à de l'azote moléculaire, du dioxyde de car- bone moléculaire et de l'eau. Si on dose l'air comburant fourni dans le rapport du carburant fourni, d'une manière stoechiométrique mais s'il n'y a pas assez de temps pour permettre une réaction, alors en plus des trois gaz on obtient d'autres gaz dans lesquels il manque soit encore de l'oxygène par comparaison avec les produits terminés, indiqués, soit que l'oxygène y est contenu en excédent.

Le concept à deux sondes, connu selon le document DE 35 00 594 C2 consiste à mesurer la masse d'air alimentant le moteur à combustion interne et de doser une quantité de carburant appropriée à l'aide d'un circuit de régulation rapide. Comme mesure du rapport carbu- rant/air dans les chambres de combustion du moteur à combustion in- terne la première sonde de gaz d'échappement saisit une concentration en oxygène en amont d'un catalyseur. Pour saisir cette concentration en oxy- gène on utilise un électrolyte solide, par exemple du dioxyde de zirconium qui devient conducteur seulement pour les ions d'oxygène et sépare les gaz d'échappement d'une atmosphère de référence, en général l'air ambiant. Des concentrations différentes en oxygène dans les gaz d'échappement et dans l'atmosphère de référence produisent un courant d'oxygène ionique à travers l'électrolyte solide. Ce courant aboutit à une différence de potentiel entre une électrode extérieure exposée aux gaz d'échappement et une électrode intérieure exposée à une atmosphère de référence. Cette différence de potentiel est saisie d'une manière fortement ohmique pour servir de signal d'entrée au premier circuit de régulation.

On ne peut tirer de conclusion de la différence de potentiel pour le rapport carburant/air que pour une équilibre thermodynamique des gaz d'échappement. Cette condition est remplie par des électrodes à activité catalytique qui produisent localement sur l'électrode exposée aux gaz d'échappement, une conversion complète en azote, en dioxyde de car- bone et en eau. Dans ce cas, la courbe caractéristique de cette sonde pour les conditions stoechiométriques (2 = 1) correspond à un saut de la caractéristique. Si de fortes concentrations de composants de gaz d'échappement qui ne sont pas à l'équilibre thermodynamique ne sont converties qu'incomplètement, la caractéristique de la sonde présente un saut dont la position est décalée.

Selon le document DE 35 00 594 C2, un second circuit de régulation est combiné au premier circuit de régulation. Le second circuit de régulation comporte une seconde sonde de gaz d'échappement en aval d'un catalyseur à trois voies comme volume de catalyseur. Le volume de catalyseur met les gaz d'échappement à l'équilibre thermodynamique complet, de sorte que la seconde sonde de gaz d'échappement peut détecter la concentration en oxygène des gaz d'échappement avec une très grande précision. A côté de cet avantage, le montage d'un second sonde de gaz d'échappement en val du volume catalytique a toutefois l'inconvénient que des variations de la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement bruts du moteur à combustion interne sont amorties dans une certaine mesure par l'effet d'accumulation du volume de catalyseur de sorte que le second catalyseur de gaz d'échappement ne réagit que relativement lentement à de telles variations. Pour cette raison on utilise pour la régulation du mélange carburant/air, principalement la première sonde de gaz d'échappement et le second circuit de régulation n'est utilisé que pour une correction combinée, par exemple par décalage de la valeur de consigne du premier circuit de régulation.

A côté de ce principe connu utilisant cieux sondes de gaz d'échappement à caractéristique présentant un saut, il existe également d'autres principes selon lesquels on installe une sonde à bande large comme sonde de régulation en amont du volume de catalyseur. Une telle sonde à bande large est par exemple décrite dans le mémento de technologie automobile, 2ème édition, page 524. La sonde à bande large présente une caractéristique continue sans saut. Contrairement à une sonde à caractéristique avec un saut, qui dans une certaine mesure ne donne qu'une information relative au signe algébrique de la déviation d'une concentra- tion en oxygène par rapport à une valeur de consigne, une caractéristique continue permet de tirer également des conclusions concernant l'amplitude de la déviation. En outre, l'information relative à la concentration en oxygène est disponible de façon continue et non seulement brièvement au passage du point correspondant au mélange stoechiométrique.

Une sonde ou capteur ayant une caractéristique à saut présente néanmoins l'avantage par rapport à une sonde à bande large de permettre une saisie plus précise du point stoechiométrique à cause de la forme à variation brusque (saut) de la courbe du signal. Pour cette raison on utilise une sonde à caractéristique à saut également dans le cas du principe à deux sondes avec une sonde à bande large comme sonde de régulation installée en amont du volume de catalyseur et servant de sonde pilote.

Selon d'autres principes de fonctionnement d'un moteur à combustion interne, le moteur ne fonctionne qu'avec une charge moyenne et une charge élevée et un rapport de mélange carburant/air stoechiomé- trique, et pour lesquels à faible charge on utilise de préférence un excédent d'air. Un tel fonctionnement en mode maigre (pauvre) développe une quantité importante d'oxydes d'azote que l'on ne peut que difficilement convertir avec en même temps de fortes concentrations d'oxygène. Pour la conversion de quantités importantes d'oxydes d'azote, on utilise le procédé continu appelé SCR, de réduction catalytique sélective; le fonctionnement et la surveillance de ce procédé nécessitent une sonde d'oxydes NOS. Un autre procédé néanmoins discontinu utilise un catalyseur accumulateur d'oxydes NOS qui accumule les oxydes d'azote d'un gaz d'échappement maigre et les restitue sous forme convertie au cours de brèves phases de régénération caractérisant une atmosphère réductrice des gaz d'échappement.

On peut surveiller la phase au cours de laquelle on accu-mule les oxydes d'azote par une sonde d'oxydes NOS. En variante ou en complément, on peut surveiller la phase de régénération par une sonde de gaz d'échappement sensible à l'oxygène. Un procédé très coûteux prévoit d'utiliser la sonde pilote du mode 2 = 1 comme sonde surveillant la régénération du catalyseur accumulateur d'oxydes NOS. On a toutefois cons- taté qu'en utilisant les sondes habituelles de gaz d'échappement avec une caractéristique variant brusquement (saut) pour surveiller les phases de régénération on peut rencontrer des réactions de sensibilité excessive dans les courbes des signaux des sondes qui compliquent une commande précise de la phase de régénération. En variante, pour la sonde pilote à caractéristiques à saut, on peut également envisager d'utiliser une sonde à bande large pour piloter la régénération et le premier circuit de régulation. Du fait des exigences de précision très poussée pour le pilotage il est néanmoins critique d'utiliser la sonde à bande large comme sonde pilote. Vis-à-vis de cet arrière-plan technologique, pour répondre aux différentes fonctions de régulation et de surveillance d'un système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne il faut des sondes de gaz d'échappement ayant des caractéristiques différentes. Jusqu'à présent on a utilisé pour cela des sondes de gaz d'échappement de structure différente.

Pour des raisons de diminution de coût de fabrication et de gestion de stock de pièces de rechange, il serait néanmoins souhaitable de réduire le nombre de types différents de sondes de gaz d'échappement installées dans un système de traitement des gaz d'échappement.

But de l'invention La présente invention a pour but vis-à-vis de cet état de la technique de développer un dispositif de sonde pour saisir la concentration en oxygène en différents points d'un système de traitement de gaz d'échappement (traitement en aval) d'un moteur à combustion interne, permettant de répondre aux conditions énoncées ci-dessus et qui se suffit d'un nombre réduit de sondes de gaz d'échappement de types différents.

L'invention a également pour but de développer un procédé de fonctionnement d'un tel dispositif de capteur ou de sonde à nombre réduit de sondes différentes.

Exposé de l'invention A cet effet, l'invention concerne un dispositif de sonde du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'à la fois la première sonde de gaz d'échappement et la seconde sonde de gaz d'échappement ont une électrode de pompage extérieure, une électrode de pompage intérieure, une électrode de Nernst et une électrode de référence, la première sonde de gaz d'échappement est reliée à un premier circuit de fonctionnement et d'exploitation et la seconde sonde de gaz d'échappement est reliée à un second circuit de fonctionnement et d'exploitation, au moins le premier circuit de fonctionnement et d'exploitation ou le second circuit de fonctionnement et d'exploitation pilotent la première sonde de gaz d'échappement ou la seconde sonde de gaz d'échappement respectivement branchée pour la faire fonctionner comme sonde de Nernst.

L'invention concerne également un procédé du type défini to ci-dessus, caractérisé en ce qu'à la fois la première sonde de gaz d'échappement et la seconde sonde de gaz d'échappement ont une électrode de pompage extérieure, une électrode de pompage intérieure, une électrode de Nernst et une électrode de référence et sont reliées à un circuit de fonctionnement et d'exploitation individuel par sonde, et au moins l'une des sondes de gaz d'échappement fonctionne comme sonde de Nernst par son circuit de fonctionnement et d'exploitation individuel par sonde.

L'électrode de pompage intérieure et l'électrode de Nernst peuvent être réalisées sous la forme d'une électrode commune. L'électrode commune assure ainsi les deux fonctions, c'est-à-dire celle de l'électrode de pompage intérieure et celle d'une électrode de Nernst. Ainsi, l'invention se suffit de l'électrode de référence, de l'électrode de pompage extérieure et de l'électrode commune de pompage intérieure et d'électrode de Nernst, c'est-à-dire uniquement trois électrodes de constructions différentes.

Avantages de l'invention Le problème posé par l'invention est ainsi totalement résolu.

Comme à la fois la première et la seconde pompe de gaz d'échappement ont les électrodes indiquées, on dispose de l'option d'adapter chacune des deux sondes de gaz d'échappement par la conception de son circuit de fonctionnement et d'exploitation selon l'application prévue. Suivant son circuit de fonctionnement et d'exploitation, une telle sonde de gaz d'échappement fonctionne soit comme sonde de gaz d'échappement avec une caractéristique variant brusquement (caractéristique à saut) ou comme sonde à bande large. En outre, dans cette fonction comme sonde à caractéristique à saut, il est possible de modifier la position du saut pour que cette sonde de gaz d'échappement puisse également surveiller et commander la régénération d'un catalyseur accumulateur d'oxyde NON.

Cela permet de répondre aux conditions énoncées ci-dessus, et cela avec un seul type de construction de la sonde de gaz d'échappement. Cela simplifie considérablement à la fois la fabrication d'un dispositif à plusieurs sondes de gaz d'échappement et la gestion de stock des sondes à gaz d'échappement comme pièces de rechange.

Il est avantageux que par le premier circuit de fonctionne-ment et d'exploitation, la première sonde de gaz d'échappement fonctionne comme sonde de Nernst, c'est-à-dire comme sonde ayant une caractéristique à saut et permette de saisir une tension de Nernst comme différence de potentiel entre l'électrode de pompage extérieure et le potentiel d'une t o électrode de référence. Cette réalisation donne une sonde de gaz d'échappement à réaction rapide convenant notamment comme sonde de régulation pour un montage en amont du volume de catalyseur dans le cadre d'une régulation dite en deux points exploitant uniquement le signe algébrique de la déviation de régulation.

En variante, il est avantageux que le premier circuit de fonctionnement et d'exploitation fasse fonctionner la première sonde de gaz d'échappement comme sonde à bande large, l'électrode de pompage extérieure formant avec l'électrode de pompage intérieure et/ou l'électrode de Nernst et un volume conducteur d'ions installé entre les électrodes, une cellule de pompage qui utilise un courant de pompage dépendant de la différence du potentiel de l'électrode de Nernst et/ou de l'électrode de pompage intérieure et du potentiel de l'électrode de référence.

Cette réalisation donne une sonde à bande large installée en amont du volume de catalyseur et permettant une régulation traitant non seulement le signe algébrique de la déviation de régulation mais également l'amplitude de cette déviation.

Il est en outre avantageux que le second circuit de fonctionnement et d'exploitation fasse fonctionner la seconde sonde de gaz d'échappement comme sonde de Nernst.

La seconde sonde de gaz d'échappement fonctionne ainsi avec la précision maximale comme cela est souhaitable pour une application comme sonde pilote.

Un autre développement préférentiel se caractérise en ce que le seconde circuit de fonctionnement et d'exploitation pilote la seconde sonde de gaz d'échappement sans branchement sur une électrode de pompage extérieure, comme sonde pilote pour le premier circuit de régu- lation, le second circuit de fonctionnement et d'exploitation détectant une tension de Nernst comme différence d'un potentiel entre l'électrode de Nernst et/ou l'électrode de pompage intérieure et le potentiel de l'électrode de référence.

Pour un tel montage de la sonde de gaz d'échappement comme sonde Nernst pilote, on supprime le branchement de l'électrode de pompage extérieure sur le circuit de fonctionnement et d'exploitation. Ce montage augmente la précision avec laquelle la sonde de gaz d'échappement détecte la concentration en oxygène en aval du volume de catalyseur au prix de sa vitesse de réaction. Mais la réduction de la vitesse de réaction n'est pas critique car la sonde pilote n'a de toue façon pas à être rapide. En cas de condition poussée concernant la vitesse de réaction, dans le cas d'une sonde pilote en aval du volume de catalyseur on peut également mesurer une tension de Nernst entre l'électrode de pompage extérieure et l'électrode de référence. Eventuellement, en mesurant et en comparant de manière alternée et simultanée les tensions entre l'électrode de pompage extérieure et l'électrode de référence ainsi qu'entre l'électrode de pompage intérieure et/ou l'électrode de Nernst et l'électrode de référence, on peut recueillir des informations supplémentaires pour un diagnostic embarqué.

Il est également avantageux que le second circuit de fonc- tionnement et d'exploitation fasse fonctionner la seconde sonde de gaz d'échappement avec un courant de pompage passant par l'électrode de pompage extérieure et détecte une tension de Nernst comme différence entre le potentiel de l'électrode de Nernst et/ou de l'électrode de pompage intérieure et le potentiel de l'électrode de référence.

L'avantage particulier de ce mode de réalisation est que le courant de pompage traversant l'électrode de pompage extérieure influence la concentration en oxygène et ainsi le potentiel sur l'électrode de Nernst et/ou sur l'électrode de pompage intérieure d'une manière définie, ce qui conduit à un décalage du saut de la caractéristique de la sonde. Ce décalage du saut permet d'amortir et même de compenser de manière excessive l'excès de sensibilité évoqué ci-dessus en relation avec la surveillance et/ou la commande d'une phase de régénération d'un catalyseur accumulateur d'oxydes NON. La sonde de gaz d'échappement peut ainsi répondre également aux exigences concernant la surveillance et/ou la commande de telles phases de régénération.

Il est en outre avantageux que le second circuit de fonctionnement d'exploitation fournisse un courant de pompage constant.

En variante, il est avantageux que le second circuit de fonctionnement et d'exploitation fournisse un potentiel de pompage constant à l'électrode de pompage extérieure.

En général il faut un courant constant pour avoir un déca- Tage défini. Dans le cas d'une résistance constante, c'est-à-dire en particulier pour une température de sonde constante, un potentiel constant de l'électrode de pompage extérieure fait passer un courant constant à travers l'électrolyte solide. C'est pourquoi les deux réalisations peuvent s'échanger si la température de la sonde de gaz d'échappement est suffisamment constante pendant son fonctionnement, ce qui est vrai dans de nombreux cas.

Un autre développement se caractérise en ce que la première sonde de gaz d'échappement et la seconde sonde de gaz d'échappement sont identiques. Cette réalisation a l'avantage de pouvoir interchanger les deux sondes de gaz d'échappement. Il suffit de fabriquer un seul type de sonde de gaz d'échappement suivant une seule ligne de fabrication pour disposer de sondes de gaz d'échappement ayant les propriétés répondant à différentes fonctions.

En variante, il est avantageux que la première sonde de gaz 20 d'échappement ne se distingue de la seconde sonde de gaz d'échappement que par une modification de la barrière de diffusion.

Cette réalisation est avantageuse si la seconde sonde de gaz d'échappement doit servir à surveiller un catalyseur accumulateur d'oxydes NOS sans le solliciter par un courant de pompage trop élevé.

Cette réalisation peut également se faire sur la même ligne de fabrication que celle des sondes de gaz d'échappement destinées à d'autres applications. La barrière de diffusion s'obtient en général par l'application d'une pâte poreuse de sorte qu'à l'intérieur du procédé de fabrication il suffit de modifier l'étape concernant l'application de la pâte poreuse.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un moteur à combustion interne avec un système de gaz d'échappement équipé d'une sonde de régulation, d'une sonde de conduite et d'une autre sonde pour surveiller et/ou commander la ré- génération d'un catalyseur accumulateur d'oxydes NOS, la figure 2 est une vue en coupe d'une sonde de gaz d'échappement avec un premier mode de réalisation d'un circuit de sonde individuel, - la figure 3 montre la sonde de gaz d'échappement avec un second mode de réalisation de circuit, - la figure 4 montre une sonde de gaz d'échappement avec un troisième mode de réalisation de circuit, - la figure 5 montre une sonde de gaz d'échappement avec un quatrième mode de réalisation de circuit.

Description de modes de réalisation de l'invention

to La figure 1 montre un moteur à combustion interne 10 équipé d'un système de gaz d'échappement ou conduite de gaz d'échappement 12. Les chambres de combustion 14, 16, 18, 20 du moteur à combustion interne 10 sont chargées en air par un système d'admission 22; la masse de l'air arrivant dans les chambres de combustion 14, 16, 18, 20 est détectée par un débitmètre massique d'air 24. A partir du signal fourni par le débitmètre massique d'air 24 et/ou d'un capteur de pédale d'accélérateur 26 et aussi à partir du signal d'un capteur de vitesse de rotation 28, l'appareil de commande 30 détermine les valeurs de base des quantités ou doses de carburant qui sont dosées avec l'air par les injec- teurs 32, 34, 36, 38 pour charger les chambres de combustion 14, 16, 18, 20. Le cas échéant, l'appareil de commande 30 commande également un volet d'étranglement 40 prévu en option à l'aide d'un actionneur 42.

Les gaz d'échappement engendrés par les combustions dans les chambres de combustion 14, 16, 18, 20 sont collectés dans le système de gaz d'échappement 12 et les produits polluants contenus dans les gaz d'échappement sont convertis par au moins un volume de catalyseur 44. Le volume de catalyseur 44 peut être réalisé par exemple comme un catalyseur habituel à trois voies. En aval du premier volume de catalyseur 44 on peut prévoir un autre volume de catalyseur 46 servant par exemple au catalyseur accumulateur d'oxydes NO. pour convertir les oxydes d'azote émis lorsque le moteur à combustion interne 10 fonctionne avec un excédent d'air.

Une première sonde de gaz d'échappement 48 détecte la concentration en oxygène des gaz d'échappement en amont du premier volume de catalyseur 44. La première sonde de gaz d'échappement 48 forme avec l'appareil de commande 30 comme régulateur et les injecteurs 32, 34, 36, 38 comme actionneurs, un circuit de régulation rapide du rap- port carburant/air alimentant le moteur à combustion interne 10. Une to seconde sonde de gaz d'échappement 50 est prévue en aval du volume de catalyseur 44 dans le système de gaz d'échappement 12 et forme avec l'appareil de commande 30 un second circuit de régulation conduisant le premier circuit de régulation. Si par exemple la première sonde de gaz d'échappement 48 est systématiquement fausse à cause de gaz d'échappement déséquilibrés, la déviation par rapport à la valeur vraie sera saisie par la seconde sonde de gaz d'échappement 50 et cette déviation sera utilisée par l'appareil de commande 30 par exemple pour modifier la valeur de consigne du premier circuit de régulation, pour que malgré les lo erreurs de mesure de la première sonde de gaz d'échappement 48, le premier circuit de régulation assure une régulation sur la valeur de consigne correcte. L'autre seconde sonde de gaz d'échappement 52 est prévue en variante ou en complément de la seconde sonde de gaz d'échappement 50 en aval du second volume catalytique 46. Les sondes de gaz d'échappement 48; 50, 52 sont de préférence interchangeables et rem-plissent différentes fonctions par leurs circuits de fonctionnement et d'exploitation individuels différents. Les circuits de fonctionnement et d'exploitation individuels sont intégrés de préférence dans l'appareil de commande 30.

La figure 2 montre en coupe une sonde de gaz d'échappement 54 avec un circuit de fonctionnement et d'exploitation 56 intégré dans l'appareil de commande 30. Le circuit de fonctionnement et d'exploitation 56 est relié à un composant de calcul et de mémoire 58 de l'appareil de commande 30 recevant en outre par une entrée 60, les si- gnaux d'entrée des sondes 26, 28 et commandant les actionneurs 32, 34, 36, 38, 42 par une sortie 62. La sonde de gaz d'échappement 54 selon la figure 2 peut s'utiliser comme sonde de gaz d'échappement 48 ou 50 ou 52 de la figure 1. L'adéquation pour chaque application résulte du branchement sur un circuit d'exploitation; le circuit d'exploitation 56 de la fi- gure 2 prédestine la sonde de gaz d'échappement 54 pour fonctionner comme sonde de régulation 48.

La sonde de gaz d'échappement 54 a de préférence une structure formée de plusieurs couches ou films. Un film chauffant 64 porte une structure de chauffage 66 sur laquelle est appliqué un premier film de canal de référence 68. Au-dessus du film de canal de référence 68 on a un film intermédiaire 70 et au-dessus un film de pompe 72. Les films 64, 68, 70, 72, tout du moins le film intermédiaire 70 et le film de pompe 72 sont réalisés en une matière conductrice d'ions d'oxygène, par exemple d'un corps en électrolyte solide de dioxyde de zirconium.

La sonde de gaz d'échappement 54 présentée à la figure 2 comporte une électrode de pompage extérieure 76 exposée aux gaz d'échappement 74. Cette électrode est protégée par une couche poreuse 78 perméables aux gaz. Une électrode de pompage intérieure 80 et une électrode de Nernst 82 ne sont pas reliées au circuit d'exploitation 56 dans le montage de la figure 2 ou sont reliées à un potentiel de référence neutre 84 dans le circuit d'exploitation 56. L'électrode de référence 86 est exposée 1 o à une atmosphère de référence régnant dans le canal de référence 88. La communication du canal de référence 88 avec l'air ambiant à l'extérieur du système de gaz d'échappement 12 correspond par exemple à une atmosphère de référence constituée par l'air. La différence entre la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement 74 et dans le canal de référence 88 appelle alors un flux de diffusion d'ions d'oxygène de compensation à travers le film de pompage 72 et le film intermédiaire 70, donnant des potentiels électriques différents sur l'électrode de pompage extérieure 76 et sur l'électrode de référence 86. La différence de potentiel encore appelée tension de Nernst, est appliquée par l'intermédiaire d'un amplificateur opérationnel 90 au circuit de fonctionnement et d'exploitation 56 qui assure une détection fortement ohmique pour être transmise au calculateur 58.

La figure 3 montre la sonde de gaz d'échappement 54 avec un circuit de fonctionnement et d'exploitation 92 modifié qui pilote la sonde de gaz d'échappement 54 comme sonde à bande large. Les gaz d'échappement 74 arrivent par un orifice d'entrée de gaz d'échappement 94 et une barrière de diffusion poreuse 96 perméable aux gaz dans un volume 98 (intervalle de mesure) de façon à développer une concentration d'oxygène sur l'électrode de Nernst 82 et l'électrode de pompage intérieure 80. Lorsque la concentration en oxygène dans le volume 98 diffère de la concentration en oxygène dans le canal de référence 88, on a un potentiel sur l'électrode de référence 86 qui diffère du potentiel de référence 84. Cette différence de potentiel est appliquée à l'entrée d'inversion d'un amplificateur opérationnel 100. L'entrée non inversée de l'amplificateur opé- rationnel 100 reçoit une tension de comparaison par exemple égale à 450 mV générée par une source de tension 102.

Si la tension entre l'entrée inversée et l'entrée non inversée de l'amplificateur opérationnel 100 est différente de zéro, l'amplificateur opérationnel 100 génère un courant qui passe dans la résistance de me-sure 104 vers l'électrode de pompage extérieure 76, et transporte les ions d'oxygène contenus dans les gaz d'échappement 74 dans le volume 98 ou les ions d'oxygène du volume 98 vers les gaz d'échappement 74. La direc- tion de passage dépend du signe algébrique de la tension entre l'entrée inversée et l'entrée non inversée de l'amplificateur opérationnel 100. Ainsi, l'amplificateur opérationnel 100 règle la concentration en oxygène dans le volume 98 sur une valeur pour laquelle la différence de potentiel entre son entrée inversée et l'entrée non inversée s'annule. Cela correspond à une to tension de Nernst de 450 mV entre l'électrode de Nernst 82 et l'électrode de référence 86. L'amplificateur opérationnel 100 génère ainsi un courant de pompage qui maintient la concentration en oxygène dans le volume 98 à une valeur constante.

Comme la concentration en oxygène dans le volume 98 est influencée par la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement 74 à travers la barrière de diffusion 96, le courant de pompage nécessaire pour maintenir une concentration d'oxygène constante dans le volume 98 dépend de la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement 74. La chute de tension générée par le courant de pompage aux bornes de la ré- sistance de mesure 104 est saisie par l'amplificateur opérationnel 106 comme mesure de la concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement 74. Cette chute de tension est transmise au calculateur 58. Le courant de pompage varie en permanence en fonction de la concentration en oxygène des gaz d'échappement 74. Le circuit de la sonde de gaz d'échappement 54 représenté à la figure 3 prédestine la sonde de gaz d'échappement 54 pour fonctionner comme sonde de régulation en bande large à l'emplacement de la sonde de gaz d'échappement 48 selon la figure 1.

La figure 4 montre un mode de réalisation avec un circuit de fonctionnement et d'exploitation 108 qui prédestine la sonde de gaz 3o d'échappement 54 pour servir de sonde pilote. Comme pour l'objet de la figure 2, l'électrode de référence 86 est reliée à l'entrée inversée d'un am- plificateur opérationnel 110. Contrairement à l'objet de la figure 2, l'entrée inversée de l'amplificateur opérationnel 110 n'est pas reliée à l'électrode de pompage extérieure mais à l'électrode de Nernst 82 et/ou l'électrode de pompage interne 80. L'amplificateur opérationnel 110 mesure ainsi une tension de Nernst correspondant à la différence entre la concentration en oxygène dans le canal de référence 88 et celle dans le volume 98. Comme la concentration en oxygène dans le volume 98 diffère de la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement 74 en fonction de la barrière de diffusion 96, la tension de Nernst saisie par l'amplificateur opérationnel 110 est une mesure de la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement 74.

Comme la barrière de diffusion 96 possède en général une plus forte résistance de diffusion que la couche protectrice 78, la sonde 54 reliée au circuit de la figure 3 réagit à plus d'inertie aux variations de la concentration d'oxygène des gaz d'échappement 74 par rapport à un circuit selon la figure 2. Mais cela ne joue qu'un rôle secondaire si la sonde 1 o de gaz d'échappement 54 est montée à la place de la sonde de gaz d'échappement 50 de la figure 1 car pour cet emplacement de montage il y a de toute façon des retards liés au volume de catalyseur 44 en amont et parce qu'à cet emplacement d'utilisation, on est moins intéressé par la vitesse que par la précision élevée de la saisie de la concentration en oxy- gène. La précision de l'électrode de Nernst/électrode de pompage est particulièrement élevée car le catalyseur installé en amont élimine très largement les déséquilibres chimiques et de plus la charge catalytique et chimique de l'électrode de Nernst/électrode de pompage intérieure est particulièrement faible à cause de la barrière de diffusion installée en amont. L'électrode de pompage extérieure 76 n'est pas exclue dans ce mode de réalisation du circuit de fonctionnement et d'exploitation.

La figure 5 montre la sonde 54 avec un circuit de fonctionnement et d'exploitation 112 permettant d'utiliser la sonde 54 à la place de la sonde de gaz d'échappement 52 en aval d'un catalyseur accumula- teur d'oxydes NO. 46 selon la figure 1. En montant une sonde de Nernst avec un circuit selon la figure 2, des essais ont montré que la sonde de Nernst passait déjà sur l'affichage d'un mélange riche bien que les gaz fournis présentaient encore un excédent d'oxygène. La courbe du signal montre ainsi une sensibilité de réaction excessive. Un tel dépassement est fondé sur le fonctionnement erroné de la sonde de Nernst (décalage du méthane) et non sur un éventuel manque d'oxygène en aval du catalyseur accumulateur 46. En particulier pour certains catalyseurs accumulateurs on a constaté que pour une régénération produite par une atmosphère de gaz d'échappement riche à l'entrée du catalyseur, on avait un maximum de méthane en aval du catalyseur accumulateur pour lequel la sonde de Nernst, malgré l'excédent prouvé en oxygène à la sortie du catalyseur (par exemple coefficient a, = 1,003) affichait déjà une tension riche. Si on installait en amont de la sonde de Nernst un autre volume catalytique, on pourrait obtenir sans le décalage de pompe selon l'invention, au mieux une variation brusque pour un coefficient a, égal à 1. Mais il faut prévoir des passages riches, brefs, relativement inoffensifs, par exemple sur une valeur du coefficient a, = 0,997. Ces passages en mélange riche qui ne peuvent être éliminés par filtrage avec une sonde habituelle, idéale pour le coefficient a, = 1,000, peuvent être éliminés en forçant un décalage de pompage. Ce décalage de pompage permet de compenser à la fois les dé- calages liés au méthane de la sonde que les passages brefs en mode riche par le catalyseur, de façon à éviter des réactions non souhaitées de la ré- gulation.

L'objet de la figure 5 permet d'éviter un tel affichage défectueux en ce que comme dans l'objet de la figure 4 on saisit la tension de Nernst entre l'électrode de Nernst 82 et/ou l'électrode de pompage intérieure 80 et l'électrode de référence 86 mais qu'en même temps on aug- mente la concentration en oxygène dans le volume 98 en imposant un courant de pompage d'ions d'oxygène des gaz d'échappement 74 vers le volume 98. Cet enrichissement défini en oxygène dans le volume 98 dé- place la courbe caractéristique de la cellule de Nernst formée des électrodes 80/82 et 86 avec un film intermédiaire 70, en décalant de façon à ne pas avoir l'affichage d'un mélange riche pour une valeur a, supérieure ou égale à 1 mais pour avoir une valeur 2. < 1. Le courant de pompage défini dans l'objet de la figure 5 est généré par une source de courant constant ou source de tension constante 114 également reliée à l'électrode de pompage extérieure 76 et à l'électrode de pompage intérieure 80. Le circuit électrique est fermé par les électrodes solides dans la couche de pompage 72. Le courant dans les électrodes solides est ainsi porté par les ions d'oxygène.

En variante de l'imposition d'un courant de pompage défini, la sonde 54 pourrait également fonctionner comme sonde à bande large selon l'objet de la figure 3; le choix de la tension de comparaison fournie par la source de tension 102 assure l'asservissement d'une concentration en oxygène plus importante dans le volume 98. La réalisation de la figure 5 a l'avantage vis-à-vis de ce qui précède de ne pas nécessiter de circuit de régulation relativement compliqué comprenant l'amplificateur opération- nel 100 et la source de tension 102 de la figure 3. De plus, dans la réalisation de la figure 5 on arrive à une fonction de saut à la fin de la phase de régénération qui devient perceptible par un manque d'oxygène en aval du catalyseur accumulateur 46.

La présente invention a été décrite ci-dessus dans le cas de l'exemple d'une structure de sonde avec un canal d'air de référence et un montage vertical de cellules de pompage et de cellules de Nernst. Mais l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation. La cellule de Nernst peut être installée par exemple latéralement derrière la cellule de pompage. L'alimentation en air de référence n'a pas à être faite par un canal indépendant. Elle peut également se faire en utilisant la porosité du chemin conducteur faisant partie de la présente électrode. Io

Claims (12)

REVENDICATIONS

1 ) Dispositif de sonde pour saisir la concentration en oxygène en différents endroits d'un système de gaz d'échappement (12) d'un moteur à combustion interne (10) comprenant: une première sonde de gaz d'échappement (48, 54) installée en amont d'un volume de catalyseur (44) et fournissant un premier signal pour un circuit de régulation rapide du rapport air/ carburant du moteur à combustion interne (10) et une seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) en aval du volume 10 de catalyseur (44) et fournissant un second signal, caractérisé en ce qu' à la fois la première sonde de gaz d'échappement (48, 54) et la seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) ont une électrode de pompage extérieure (76), une électrode de pompage intérieure (80), une électrode de Nernst (82) et une électrode de référence (86), la première sonde de gaz d'échappement (48, 54) est reliée à un premier circuit de fonctionnement et d'exploitation (56, 92) et:la seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) est reliée à un second circuit de fonctionnement et d'exploitation (108, 112), au moins le premier circuit de fonctionnement et d'exploitation (56, 92) ou le second circuit de fonctionnement et d'exploitation (108, 112) pilote la première sonde de gaz d'échappement (48, 54) ou la seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) respectivement branchée pour la faire fonctionner comme sonde de Nernst.

2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un premier circuit de fonctionnement et d'exploitation (56) fait fonctionner la première sonde de gaz d'échappement (48, 54) comme sonde de Nernst et il prend une tension de Nernst comme différence d'un potentiel de l'électrode de pompage extérieure (76) et d'un potentiel de l'électrode de référence (86).

3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un premier circuit de fonctionnement et d'exploitation (92) fait fonctionner la première sonde de gaz d'échappement (48, 54) comme sonde en bande large, l'électrode de pompage extérieure (76) formant une cellule de pompage avec l'électrode de pompage intérieure (80) et/ ou l'électrode de Nernst (82) et un volume (72) conducteur d'ions, interposé entre ces électrodes et l'électrode de Nernst (82) et/ou l'électrode de pompage intérieure (80) for- ment une cellule de Nernst avec l'électrode de référence (86) et un volume (70) conducteur d'ions prévu entre les électrodes, et la cellule de pompage fonctionne avec un courant de pompage dépendant de la différence du potentiel de l'électrode de Nernst (82) et/ou l'électrode de pompage intérieure (80) par rapport au potentiel de l'électrode de référence (86).

4 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second circuit de fonctionnement et d'exploitation (108, 112) pilote la 15 seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) comme sonde de Nernst.

5 ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' un second circuit de fonctionnement et d'exploitation (108) fait fonction- ner la seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) sans branche-ment de son électrode de pompage extérieure (76) comme sonde pilote pour le premier circuit de régulation, le second circuit de fonctionnement et d'exploitation (108) détectant une tension de Nernst comme différence de potentiel de l'électrode de Nernst (82) et/ou de l'électrode de pompage intérieure (80) et du potentiel de l'électrode référence (86).

6 ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' un second circuit de fonctionnement et d'exploitation pilote la seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) avec un courant de pompage traversant l'électrode de pompage extérieure (76) et détecte une tension de Nernst comme différence de potentiel de l'électrode de Nernst (82) et/ou de l'électrode de pompage intérieure (80) par rapport à un potentiel de l'électrode de référence (86).

7 ) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second circuit de fonctionnement et d'exploitation (112) fournit un courant de pompage constant.

8 ) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second circuit de fonctionnement et d'exploitation (112) applique un potentiel de pompage constant à l'électrode de pompage extérieure (76).

9 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première sonde de gaz d'échappement (48, 54) et la seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) sont identiques.

10 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première sonde de gaz d'échappement (48, 54) ne diffère de la seconde sonde (50, 52, 54) que par une modification de la résistance de diffusion de la barrière de diffusion (96).

11 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de Nernst (82) forme une électrode commune avec l'électrode de pompage intérieure.

12 ) Procédé de fonctionnement d'un dispositif de sonde pour saisir la concentration en oxygène en différents emplacements d'un système de gaz d'échappement (12) d'un moteur à combustion interne (10) comprenant une première sonde de gaz d'échappement (48, 54) installée en amont d'un volume de catalyseur (44) et fournissant un premier signal pour un circuit de régulation rapide du rapport carburant/air et au moins une seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) en aval du volume de catalyseur (44) et fournissant un second signal, caractérisé en ce qu' à la fois la première sonde de gaz d'échappement (48, 54) et la seconde sonde de gaz d'échappement (50, 52, 54) ont une électrode de pompage extérieure (76), une électrode de pompage intérieure (80), une électrode de Nernst (82) et une électrode de référence (86) et sont reliées à un circuit de fonctionnement et d'exploitation (56, 92, 108, 112) individuel par sonde, et au moins l'une des sondes de gaz d'échappement (48, 50, 52, 54) fonctionne comme sonde de Nernst par son circuit de fonctionnement et d'exploitation individuel par sonde (56, 92, 108, 112).