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FR2993601A1 - Procede et dispositif de gestion d'une sonde de gaz d'echappement - Google Patents

Procede et dispositif de gestion d'une sonde de gaz d'echappement Download PDF

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FR2993601A1 FR1357018A FR1357018A FR2993601A1 FR 2993601 A1 FR2993601 A1 FR 2993601A1 FR 1357018 A FR1357018 A FR 1357018A FR 1357018 A FR1357018 A FR 1357018A FR 2993601 A1 FR2993601 A1 FR 2993601A1
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Abstract

Procédé de gestion d'une sonde de gaz d'échappement installé dans le canal de gaz d'échappement d'un moteur thermique. La sonde de gaz d'échappement a un élément chauffant et la puissance de chauffage est régulée pour stabiliser la température de la cellule. On détermine la tension de la sonde par le branchement électrique de la cellule de mesure. On génère le signal de sortie de la sonde indépendamment de la température. A l'aide de la tension de sonde mesurée et de sa résistance interne dans une première étape on calcule la tension de Nernst de la cellule de mesure qui s'établirait sans branchement électrique et dans une seconde étape on convertit la tension de Nernst obtenue en une tension de Nernst à la température nominale.

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de gestion d'une sonde de gaz d'échappement installée dans le canal de gaz d'échappement d'un moteur thermique, la sonde de gaz d'échappement ayant au moins un élément chauffant pour atteindre la température nominale de la cellule de mesure équipant la sonde et la puissance de chauffage est régulée pour stabiliser la température de la cellule de mesure. Pour cela on détermine la tension de la sonde par le branchement électrique de la cellule de mesure.
L'invention se rapporte également à un dispositif de ges- tion d'une sonde X installée dans le canal de gaz d'échappement d'un moteur thermique, la sonde de gaz d'échappement comportant au moins un élément chauffant pour atteindre la température nominale de la cellule de mesure de la sonde de gaz d'échappement et la puissance de chauffage est régulée pour stabiliser la température de la cellule de mesure et on détermine la tension de la sonde par le branchement électrique de la cellule de mesure. Etat de la technique Pour réduire les émissions de matières polluantes des véhicules de tourisme équipés de moteur à essence, on utilise habituel- lement les catalyseurs à trois voies comme installations de nettoyage des gaz d'échappement. Mais ils ne convertissent suffisamment les gaz d'échappement que si le rapport air/carburant X est réglé avec une grande précision. Pour cela, on mesure le rapport air/carburant X à l'aide d'une sonde de gaz d'échappement en amont de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement. La capacité d'accumulation d'oxygène, d'une installation de nettoyage de gaz d'échappement est utilisée pour recevoir de l'oxygène dans les phases de mélange maigre et de restituer l'oxygène dans les phases de mélange riche. Cela permet de convertir les composants polluants des gaz d'échappement qui peuvent s'oxyder. Une sonde de gaz d'échappement en aval de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement permet de surveiller la capacité d'accumulation de l'oxygène de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement. La capacité d'accumulation d'oxygène doit être surveil- lée dans le cas du diagnostic embarqué (diagnostic OBD) car elle est une mesure de l'aptitude ou de la capacité de conversion de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement. Pour déterminer la capacité d'accumulation d'oxygène, on charge tout d'abord en oxygène l'installation de nettoyage des gaz d'échappement au cours d'une phase de mélange maigre et ensuite dans une phase de mélange riche, avec un coefficient X connu dans le gaz d'échappement, en tenant compte du débit de gaz, on vide l'installation de nettoyage ou encore, tout d'abord on vide l'oxygène de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement au cours d'une phase de mélange riche et ensuite au court d'une phase de mélange pauvre, on la remplit avec un gaz d'échappement à coeffi- cient X connu en tenant compte du débit de gaz d'échappement qui passe. On termine la phase de mélange maigre lorsque la sonde des gaz d'échappement en aval de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement détecte de l'oxygène qui n'a plus été stockée dans l'installation de nettoyage des gaz d'échappement. De même, on termine une phase de mélange riche lorsque la sonde des gaz d'échappement détecte le passage de gaz d'échappement riche. La capacité de stockage ou d'accumulation d'oxygène de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement correspond à la quantité d'agent réducteur fourni pen- dant la phase de mélange riche pour guider la quantité d'oxygène four- nie pendant la phase de mélanges pauvres pour le remplissage. Les quantités précises se calculent à partir du signal de la sonde de gaz d'échappement amont du débit massique de gaz d'échappement obtenu à partir d'autres signaux de capteur.
Comme sonde de gaz d'échappement actuellement dans les systèmes de gestion ou de commande de moteur, on utilise des sondes X. On distingue entre une sonde continue ou une sonde X à bande large et une sonde X à deux points ou sonde à saut. Une sonde X utilise une cellule de concentration galvanique d'oxygène avec un élec- trolyte solide. De façon caractéristique, l'électrolyte solide devient con- ducteur d'ions oxygène à une température d'activation de l'ordre de 350°C. La température nominale de la sonde est en générale beaucoup plus élevée et se situe de façon caractéristique entre 650°C et 850°C. La température à laquelle la sonde X est prête à fonctionner et répond aux conditions imposées par le système de gestion de moteur se situent entre la température d'activation et la température nominale de la sonde. Une sonde X à bande large selon l'état de la technique et sa structure sont décrites par exemple dans le document DE 10 2008 042 268 Al.
Dès que la sonde est prête à fonctionner, on peut utiliser son signal pour la régulation et le diagnostic. En particulier, on ne peut activer la régulation X qu'avec une sonde prête à fonctionner. Comme une régulation X active permet de diminuer les émissions de matières polluantes, il faut que la sonde X soit aussi rapidement que possible prête à fonctionner après le démarrage du moteur. Pour cette raison, on chauffe électriquement la sonde en général pour la rendre active. La sonde X possède à cet effet un élément chauffant électrique commandé par un appareil de commande. Habituellement, un élément capteur en dioxyde de zirconium intègre un élément chauffant en platine. Le chauffage de la sonde est habituellement commandé pour que la température nominale de la céramique se règle si possible de façon constante et indépendamment des conditions de fonctionnement. La stabilisation de la température de la céramique est un élément décisif pour la précision du signal de la sonde, c'est-à-dire la tension de la sonde ou le signal X et la qualité de la régulation X qui a elle-même une influence directe sur la consommation de carburant et les émissions de matières polluantes. Mais en pratique, on ne peut toutefois éviter les écarts entre la température effective de la céramique et la température nomi- nale, par exemple lors de la montée en température de la sonde, ou pour le mode de roulage dynamique avec des gradients élevés de débit massique et de températures élevés des gaz d'échappement. Ou encore en cas de relèvement ou d'abaissement ciblée de la température de la céramique. De tels écarts par rapport à la température nominale faus- sent le signal de la sonde et peuvent entraîner une augmentation de la consommation de carburant et des émissions polluantes. Le signal de sonde est faussé par deux effets essentiels : - d'une part la tension de Nernst d'une sonde non branchée dépend de la température, - d'autre part, le branchement électrique utilisé habituellement pour détecter que la sonde est prête à fonctionner et aussi pour le diagnostic, dépend de la tension mesurée par la sonde de la résistance interne de sonde qui dépend de la température. C'est pourquoi les grandeurs déduites de la tension mesurée de la sonde telle que par exemple le coefficient X dépendent également de la température. But de l'invention La présente invention a ainsi pour but de développer un procédé fournissant un signal de sonde indépendant de la température de la céramique. L'invention a également pour but de développer un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'on génère un signal de sortie de la sonde de gaz d'échappement indépendamment de la température en ce qu' à l'aide de la tension de sonde mesurée et de la résistance interne de la sonde de la cellule de mesure dans une première étape on calcule la tension de Nernst de la cellule de mesure qui s'établirait sans branchement électrique et dans une seconde étape on convertit la tension de Nernst obtenue de la première étape en une tension de Nernst à la tem- pérature nominale, et au cas où l'écart entre la température de la cellule de mesure et la température nominale est faible, on définit directement la tension de Nernst pour la température nominale. Ce signal de sortie de la sonde des gaz d'échappement dépendant de la température, est disponible sans défaut, même dans les phases de fonctionnement dans lesquelles la température effective de la céramique de la cellule de mesure est différente de la température nominale. Les écarts entre la température de la céramique et la température nominale pour un mode de roulage dynamique ou en cas de ré- gulation imprécise ou de commande préalable du chauffage de la sonde n'influencent pas le signal de sortie fourni par la sonde. Habituellement, on règle la puissance de chauffage pour stabiliser la température de la cellule de mesure. Mais la régulation n'est pas indispensable. On peut envisager simplement une commande préalable du chauffage de la sonde. Le procédé pourrait même s'appliquer à une sonde de gaz d'échappement sans dispositif de chauffage électrique si la sonde des gaz d'échappement n'était que chauffée par les gaz d'échappement chauds. Suivant une caractéristique, la tension de la sonde à la sortie du circuit électrique ou branchement électrique est donnée par un convertisseur analogique/numérique (convertisseur A/N). La tension de sortie est donnée par le montage en parallèle de deux sources de tension, une source de tension qui fournit une tension opposée et est intégrée dans l'unité de commande et la source de tension de la cellule lo de mesure de la sonde des gaz d'échappement. Par la conversion A/N, les signaux de la sonde des gaz d'échappement sont transformés en des signaux correspondants pour la suite de leur traitement. Les moyens pour l'application sont relativement faibles si la conversion de la tension de Nernst provenant de la première étape en 15 une tension de Nernst à la température nominale se fait par une for- mule de calcul ou par une ou plusieurs courbes caractéristiques. Les courbes caractéristiques permettent de représenter des relations fonctionnelles, même relativement complexes, le cas échéant dans des conditions de fonctionnement diverses du moteur thermique et être prises 20 en compte pour le calcul. Selon une variante préférentielle du procédé, le signal de sortie corrigé comme indiqué ci-dessus de la sonde des gaz d'échappement est utilisé pour déterminer le coefficient X et/ou assurer la régulation X. Cela permet une régulation X plus précise. Les conditions de 25 mise en oeuvre de la régulation X peuvent ainsi être conçues de manière moins restrictive de sorte que l'on peut activer plus fréquemment la régulation X, ce qui réduit la consommation de carburant et les émissions de matières polluantes. Des relèvements ou abaissements ciblés de la température de la céramique, par exemple à des fins de diagnostic, 30 n'influencent pas le signal de sortie fourni par la sonde. On peut égale- ment améliorer ou augmenter ainsi la qualité et la fréquence de mise en oeuvre de la régulation X. Le signal de sortie corrigé de la sonde de gaz d'échappe- ment peut servir notamment lorsqu'on chauffe la sonde de gaz d'échap- pement avant qu'elle n'atteigne sa température nominale, ce qui permet une activation anticipée de la régulation X. Selon une variante préférentielle du procédé, la sonde de gaz d'échappement est une sonde X à bande large ou une sonde X à deux points qui ont des éléments de chauffage appropriés. En particu- lier, pour la sonde X, il est très important que celle-ci soit chauffée très rapidement pour son fonctionnement optimum jusqu'à la température de fonctionnement optimale. Pour cela, chacune des sondes X du canal de gaz d'échappement du moteur thermique fonctionne selon le procédé lo présenté ci-dessus et ses variantes. En principe, le procédé peut égale- ment s'appliquer à d'autres sondes de gaz d'échappement (par exemple des capteurs NO,,) ou des capteurs de gaz avec en sortie un signal indépendant de la température. De tels capteurs de gaz peuvent également être prévus à d'autres emplacements, par exemple dans le canal d'air 15 d'alimentation. En particulier, dans le cas de sondes de gaz d'échappe- ment avec une couche de poussée TSP (protection contre le choc thermique), le procédé selon l'invention permet de réduire considérablement les émissions à froid d'un moteur thermique. L'invention a également pour objet un dispositif du type 20 défini ci-dessus caractérisé en ce que l'unité de commande ou des uni- tés de calcul d'une commande principale de moteur appliquent le procédé ci-dessus pour générer un signal de sortie de la sonde de gaz d'échappement, indépendant de la température. Selon la variante du procédé, on génère un signal de sor- 25 tie de la sonde de gaz d'échappement indépendant de la température. L'unité de commande et ses composants peuvent être une partie intégrée dans la commande principale ou gestion du moteur. La fonctionnalité du procédé peut ainsi être implémentée de préférence après au moins un examen reposant sur les programmes. 30 Selon un développement préférentiel, l'unité de com- mande ou la commande de moteur principal ont une ou plusieurs mémoires de courbes caractéristiques permettant de déterminer la tension de Nernst à la température nominale à partir de la tension de Nernst de la cellule de mesure et qui s'établirait d'elle-même sans le circuit élec- 35 trique. Cela permet de convertir par le calcul des valeurs même en cas de relations très complexes sans appliquer des moyens très importants. De plus, indépendamment de l'état de fonctionnement de la sonde de gaz d'échappement et/ou du moteur thermique, on peut enregistrer en mémoire différentes courbes caractéristiques que l'on peut alors utiliser pour le calcul. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation du procédé de gestion d'une sonde de gaz d'échappement selon l'invention représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique de l'environnement technique du procédé de l'invention, la figure 2 montre un diagramme de la résistance interne de la sonde en fonction de la température de la céramique, la figure 3 montre un diagramme de l'évolution de la tension de la sonde en fonction de sa résistance interne, et la figure 4 montre un diagramme de la tension de la sonde en fonction de la température de la céramique. Description de modes de réalisation La figure 1 montre schématiquement un exemple de mo- teur à essence correspondant à l'environnement technique dans lequel est appliqué le procédé de l'invention pour préparer un signal d'une sonde de gaz d'échappement 15, 17. Le moteur thermique 10 est alimenté en air par une alimentation en air 11 dont la masse est mesurée par un débitmètre massique d'air 12. Le débitmètre massique d'air 12 peut être réalisé sous la forme d'un débitmètre massique d'air à film chaud. Les gaz d'échappement du moteur thermique 10 sont évacués par un canal de gaz d'échappement 18 et selon le sens de passage des gaz d'échappement, en aval du moteur thermique 10, il y a une installa- tion de nettoyage des gaz d'échappement 16. L'installation de nettoyage des gaz d'échappement 16 comporte habituellement au moins un catalyseur. Une commande de moteur 14 gère le moteur thermique 10. Cette commande de moteur assure d'une part l'alimentation en car- burant du moteur thermique 10 par un système de dosage de carburant 13 et d'autre part, il fournit les signaux du débitmètre massique d'air 12 et de la sonde de gaz d'échappement 15 installée dans le canal de gaz d'échappement 18 ainsi que ceux d'une autre sonde de gaz d'échappement 17 installée dans la conduite de gaz d'échappement 18.
La sonde de gaz d'échappement 15 dans le présent exemple donne la valeur réelle du coefficient X du mélange air/carburant fourni au moteur thermique 10. Cette sonde est réalisée comme sonde X à bande large ou comme sonde X continue. La sonde à gaz d'échappement 17 détermine la composition des gaz d'échappement en aval de l'installation de nettoyage des gaz d'échappement 16. La sonde de gaz d'échappement 17 est réalisée comme sonde à saut ou comme sonde X à deux points. La sonde de gaz d'échappement 15 comporte comme composant principal d'une cellule de mesure avec un élément chauffant intégré qui fournit un signal de sortie dépendant de la teneur en oxy- gène du canal de gaz d'échappement 18 et servant de signal d'entrée à une régulation de coefficient X. La cellule de mesure peut être réalisée comme cellule de Nernst. La régulation du coefficient X fait habituellement partie de la commande ou gestion de moteur 14. De façon corres- pondante à la place de la sonde de gaz d'échappement 15 ou en plus de celle-ci, on peut brancher la sonde de gaz d'échappement 17 avec son élément chauffant ainsi que sa cellule de mesure sur la commande de moteur 14. Le procédé selon l'invention sera détaillé ci-après à l'aide d'un exemple de la sonde de gaz d'échappement 17 réalisée sous la forme d'une sonde X à deux points. Cette explication se transpose à d'autres sondes de gaz d'échappement fournissant un signal de sortie dépendant de la température. Habituellement, l'appareil de commande ou la commande de moteur 14 comportent une source de tension branchée en parallèle sur la sonde de gaz d'échappement 17. Cette source de tension génère une tension opposée, constante, et par comparaison avec une sonde de gaz d'échappement 17 à l'état froid, sa résistance interne est faible. Comme la sonde de gaz d'échappement 17 constitue elle-même égale- ment une source de tension, il s'agit d'un montage en parallèle de deux sources de tension. La tension de sortie de ce montage en parallèle est mesurée à l'aide d'un convertisseur analogique/numérique (conversion A/N) et constitue la combinaison de la tension de Nernst 33 (voir figures 3 et 4) de la sonde de gaz d'échappement et de la tension opposée, la tension de la source de tension dominant avec une résistance interne plus petite. Lorsque la sonde est froide, elle a une résistance interne élevée de sorte que la tension opposée domine. Lorsque la sonde est chaude, sa résistance interne est en revanche très petite de sorte que la tension de Nernst de la sonde domine.
La figure 2 montre un diagramme 20 donnant la relation entre la résistance interne 21 Ri de sonde pour la température de céramique 22. La figure montre d'une part une première courbe caractéristique 23 correspondant à une sonde neuve et d'autre part, une seconde courbe caractéristique 24 pour une sonde vieillie. Le diagramme 20 montre en outre par exemple le point de fonctionnement 25 pour une résistance interne nominale 21 de sonde de 220 ohms, ce qui correspond pour une sonde neuve, à une température de céramique 22 de l'ordre de 780°C. Pour une sonde vieillie, cette résistance interne de sonde 21 correspondrait à une température de céramique 22 de l'ordre de 820°C. Dans la suite, pour simplifier, on supposera une relation uni- voque entre la résistance interne de la sonde 21 et la température 22 de la céramique. Le procédé selon l'invention sera explicité à l'aide des fi- gures 3 et 4 et du diagramme 30. La figure 3 montre une tension de sonde 31 en fonction de la résistance interne de sonde 21 ; la figure 4 montre en fonction de la température de céramique 22 avec chaque fois un tracé de courbe pour la tension continue 32 et la tension de Nernst 33 pour un mélange riche (courbe supérieure dans laquelle la tension de Nernst 33 est plus grande que 0,8 V) et un mélange maigre (courbe inférieure avec une tension de Nernst 33 inférieure à 0,2 V). Dans une première étape 34, on mesure la tension continue sur le convertisseur A/N (tension A/N 32) et la résistance interne 21 de la sonde. Comme la résistance opposée est prédéfinie par le montage électrique de la sonde et qu'il est ainsi connu, on peut régler la tension de Nernst 33 qui s'établirait sans branchement électrique. Dans la seconde étape 35, partant de la tension de Nernst 33 ainsi obtenue, on détermine la tension de Nernst 33 qui s'établirait pour une résistance interne nominale et ainsi à la température nominale. La résistance interne nominale correspondant à l'exemple de réalisation a une valeur de 220 ohms, ce qui correspond dans les conditions de fonction- nement normal de la température de la céramique à 780°C, ce qui correspond à une sonde neuve (voir le point de fonctionnement 25 de la figure 2). Cela peut se faire par des formules de calcul ou à l'aide d'une ou plusieurs courbes caractéristiques enregistrées avec l'aide d'un ou plusieurs appareils de commande ou de puissance de moteur 14, enre- gistrés. A proximité de la température nominale, on peut le cas échéant supprimer la première étape si le circuit électrique a une influence relativement faible comme d'habitude.
La tension de Nernst 33 pour une résistance interne no- minale ou pour la température de céramique, nominale, peut de manière générale s'utiliser pour les fonctions suivantes, par exemple le calcul du coefficient X et la régulation du coefficient X par l'écart entre la valeur effective et la valeur nominale.20

Claims (3)

  1. REVENDICATIONS1°) Procédé de gestion d'une sonde de gaz d'échappement (17) installée dans le canal de gaz d'échappement (18) d'un moteur thermique (10), la sonde de gaz d'échappement (17) ayant au moins un élément chauffant pour atteindre la température nominale de la cellule de mesure équipant la sonde de gaz d'échappement (17), et la puissance de chauffage est régulée pour stabiliser la température de la cellule de mesure, on détermine la tension (31) de la sonde par le branchement élec- trique de la cellule de mesure, procédé caractérisé en ce que on génère un signal de sortie de la sonde de gaz d'échappement (17) in- dépendamment de la température en ce qu'à l'aide de la tension de sonde (31) mesurée et de la résistance interne (21) de la sonde de la cel- Iule de mesure, dans une première étape (34) on calcule la tension de Nernst (33) de la cellule de mesure qui s'établirait sans branchement électrique, et dans une seconde étape (35) on convertit la tension de Nernst (33) obte- nue de la première étape (34) en une tension de Nernst (33) à la tempé- rature nominale, et au cas où l'écart entre la température de la cellule de mesure et la température nominale est faible, on définit directement la tension de Nernst pour la température nominale (33).
  2. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine la tension de sonde (31) à la sortie du circuit électrique sous la forme d'un convertisseur analogique - numérique.
  3. 3°) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on effectue la conversion de la tension de Nernst (33) résultant de la première étape (34), en tension de Nernst (33) à la température nomi- nale à l'aide d'une formule de calcul ou à l'aide d'une ou plusieurs courbes caractéristique.4°) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu' on utilise le signal de sortie de la sonde de gaz d'échappement (17) obtenu selon les revendications précédentes pour déterminer le coefficient 2 et/ ou pour effectuer une régulation 5°) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on utilise le signal de sortie corrigé de la sonde de gaz d'échappement (17) lorsque l'on chauffe la sonde de gaz d'échappement (17) avant qu'elle n'atteigne la température nominale. 6°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde de gaz d'échappement (17) est une sonde ?\, à bande large, une sonde à deux points ou une autre sonde de gaz d'échappement ou un détecteur de gaz fournissant un signal de sortie dépendant de la tempé- rature. 7°) Dispositif de gestion d'une sonde (17) installée dans le canal de gaz d'échappement (18) d'un moteur thermique (10), la sonde de gaz d'échappement (17) comportant au moins un élément chauffant pour atteindre la température nominale de la cellule de mesure de la sonde de gaz d'échappement (17), et - la puissance de chauffage est régulée pour stabiliser la température de la cellule de mesure, et on détermine la tension de la sonde (31) par le branchement électrique de la cellule de mesure, dispositif caractérisé en ce que l'unité de commande ou des unités de calculs d'une commande princi- pale de moteur (14) appliquent le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour générer un signal de sortie de la sonde de gaz d'échappement (17) indépendant de la température.358°) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'unité de commande ou la commande principale (14) du moteur comportent une ou plusieurs mémoires à courbes caractéristiques permet- tant de déterminer la tension de Nernst (33) à la température nominale à partir de la tension de Nernst (33) de la cellule de mesure qui s'établirait sans branchement électrique.10
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