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L'automobile
Article de fond   16-01-2017   by Marc Beauchamp

La raison d’être des détecteurs d’oxygène


Tous s’entendent sur le fait que l’on doit réduire la pollution produite par les véhicules automobiles. Pour ce faire, les gouvernements ne cessent de promulguer des lois de plus en plus rigoureuses sur les émissions des gaz d’échappement.

La méthode la plus couramment utilisée par les constructeurs d’automobiles est le convertisseur catalytique à trois voies. Ce dispositif transforme en gaz moins nocifs les principaux polluants présents dans les gaz d’échappement. Toutefois, le convertisseur catalytique à trois voies n’est vraiment efficace que si le rapport air-carburant est maintenu dans une plage très étroite. C’est donc là que le détecteur d’oxygène entre en jeu.

De manière typique, le détecteur d’oxygène est située dans le tuyau d’échappement, juste devant le convertisseur catalytique à trois voies. C’est l’élément central du détecteur d’oxygène qui est exposé aux gaz d’échappement.

oxygen sensor
Le détecteur d’oxygène détecte de façon continue la teneur en oxygène des gaz d’échappement. Son signal de sortie est relié au bloc de commande électronique et varie afin d’indiquer un mélange carburé riche ou pauvre. Par l’entremise de son signal de sortie, le détecteur « indique » au bloc de commande électronique si le moteur du véhicule fonctionne en mélange riche ou pauvre. Le bloc de commande électronique utilise les données qu’il reçoit du détecteur pour décider s’il doit enrichir ou appauvrir le mélange carburé afin de donner un rapport air-carburant optimum. On appelle cette opération commande en boucle fermée, parce que la teneur en oxygène des gaz d’échappement est mesurée et réacheminée au bloc de commande électronique, lequel est alors en mesure de commander correctement le système de mélange de carburant. Lorsque le mélange est toujours correctement équilibré, l’efficacité de la combustion et du convertisseur catalytique est optimale.

Comment le détecteur d’oxygène fonctionne-t-il?

NGK fabrique deux types principaux de détecteurs d’oxygène. Le premier, et le plus courant, utilise un élément récepteur en céramique et zircone, tandis que le second utilise un élément récepteur en bioxyde de titane. Une description du principe de fonctionnement de ces deux type de détecteurs sont présentés dans cette section.

Détecteurs en zircone : L’une des propriétés importantes de l’élément en zircone est qu’il est capable de procéder à la conduction des ions d’oxygène à une température supérieure à 350 °C. Lorsque le détecteur est installé, la partie externe de l’élément en zircone est exposée aux gaz d’échappement et la partie interne est en contact avec l’air. Les deux côtés de l’élément sont enduits d’une fine couche de platine qui sert d’électrode et transporte le signal du détecteur (tension) depuis l’élément en zircone jusqu’au fil conducteur. À la température de fonctionnement, les ions d’oxygène sont capables de traverser l’élément et de déposer leur charge sur l’électrode en platine, produisant ainsi un signal de tension.

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Un signal de tension élevé est produit par l’entremise des électrodes lorsque différents niveaux d’oxygène sont présent des deux côtés de l’élément. En raison des propriétés de l’élément en zircone, il se produit une grande variation du signal de tension lorsque le rapport air-carburant (RAC) est de 14,7.

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Si le RAC est faible (mélange carburé riche), la tension de sortie du détecteur est élevé parce que l’électrode exposée aux gaz d’échappement est en contact avec des quantités beaucoup moins grandes d’oxygène que celle exposée à l’air. À l’inverse, si le RAC est plus élevé que 14,7, (mélange carburé pauvre), la tension du signal est faible.

Le bloc de commande électronique utilise la tension produite par le détecteur pour indiquer au système de mélange de carburant d’enrichir ou d’appauvrir le mélange. Une tension faible indique au bloc de commande électronique que le mélange carburé est pauvre et une tension élevée indique au contraire que le mélange est riche. Le bloc de commande électronique peut alors prendre les mesures qui s’imposent pour corriger le RAC de manière à l’optimiser.

Le détecteur ne produit un signal de tension que lorsque la température de l’élément est supérieure à environ 350 °C, et les gaz d’échappement prennent un certain moment pour réchauffer l’élément jusqu’à cette température une fois le moteur en marche. Afin de réduire le délai nécessaire au détecteur pour atteindre sa température de fonctionnement, la plupart des détecteur d’aujourd’hui sont munis d’un élément chauffant interne en céramique. Ces détecteurs sont dotés de 3 ou de 4 fils conducteurs. Dans le modèle à 3 fils, deux de ceux-ci servent à alimenter l’élément chauffant, tandis que l’autre sert à transporter le signal au détecteur; c’est la tubulure d’échappement qui sert de prise de masse au signal. Dans le modèle à 4 fils, le quatrième fil sert à transmettre la masse du signal (d’où le terme mise à la masse isolée). Les détecteurs munis de 1 ou de 2 fils ne comportent aucun élément chauffant.

Détecteurs en bioxyde de titane: L’élément en bioxyde de titane de ces détecteurs ne produit pas de tension comme le fait l’élément en zircone. La propriété de l’élément en bioxyde de titane qui permet la détection d’oxygène dans les gaz d’échappement est sa résistance électrique. La résistance électrique de l’élément en bioxyde de titane varie selon la concentration d’oxygène dans les gaz d’échappement. Il se produit une modification considérable de la résistance de l’élément lorsque le rapport air-carburant est de 14,7. Lorsqu’une tension est appliquée à l’élément à l’intérieur d’un circuit diviseur de tension, la tension de sortie varie selon la résistance, produisant ainsi le signal de tension requis pour que le bloc de commande électronique puisse la traiter. À l’instar du détecteur en zircone, une tension de sortie faible indique un mélange riche tandis qu’une tension de sortie élevée indique un mélange pauvre. Le bloc de commande électronique utilise ces tensions pour le mode de commande en boucle fermée.

Comme l’un des côtés de l’élément des détecteur en bioxyde de titane n’a pas besoin d’air, il est possible de fabriquer ces détecteur plus petits et entièrement submersibles. En raison de leurs propriétés différentes, les détecteurs en bioxyde de titane et ceux en zircone ne sont en aucun cas interchangeables.

Comment tester les détecteurs d’oxygène?

Pour que le bloc de commande électronique puisse commander le RAC et le maintenir dans une plage très étroite, le détecteur d’oxygène doit fonctionner correctement. Les détecteurs d’oxygène défectueux ou usés entraînent des problèmes tels qu’une piètre économie d’essence, l’échec des tests d’émissions, la défaillance du convertisseur catalytique et des problèmes de fonctionnement du véhicule. C’est pourquoi il est important de pouvoir déceler les signes d’un détecteur d’oxygène défectueux ou usée et d’être en mesure d’en vérifier la performance.

Test effectué directement sur le véhicule: Pour tester le fonctionnement du détecteur, il faut un oscilloscope. Il faut d’abord vérifier si le réglage de base du moteur correspond aux spécifications du constructeur, puis mettre le moteur en marche afin qu’il se réchauffe. N’oublions pas que le détecteur n’entre en action que lorsqu’il a atteint sa température de fonctionnement.

Il y a deux façons de tester un détecteur d’oxygène : à l’aide d’un oscilloscope ou d’un multimètre. La meilleure méthode consiste à utiliser un oscilloscope, car celui-ci donne la tension de sortie exacte du détecteur de même que son temps de réaction. Un multimètre peut aussi être utilisé, mais ce dernier indique uniquement s’il y a ou non une tension de sortie, le détecteur commutant trop rapidement pour que son temps de réaction puisse être mesuré.

Oscilloscope

À l’aide d’un dispositif de branchement approprié, brancher la sortie du détecteur à l’oscilloscope sans débrancher le détecteur du bloc de commande électronique. Faire tourner le moteur à environ 2 000 tr/min. Un détecteur d’oxygène qui fonctionne correctement devrait montrer une tension de sortie fluctuant rapidement entre environ 0,1 et 1,0 volts. Le temps requis pour que la tension passe de 0,1 V à 1,0 V (appelé temps de réaction de riche à pauvre), devrait être d’environ 300 millisecondes. Le temps de réaction devrait être à peu près le même lorsque la tension passe de 1,0 V à 0,1 V (temps de réaction de pauvre à riche).

Multimètre

Pour réaliser un test au moyen d’un multimètre numérique, il faut également brancher la sortie du détecteur au multimètre à l’aide d’un dispositif de branchement approprié. Faire tourner le moteur à environ 2 000 à 2 500 tr/min. La tension de sortie est présentée en courant continu (CC), oscillant entre environ 0,1 V et 1,0 V. Bien que la tension de sortie d’un détecteur soit techniquement en CC, il est possible que certains multimètres doivent être réglés en mesure de tension CA (courant alternatif) afin de lire correctement la tension de sortie du détecteur. De plus, le temps de réaction du multimètre doit être plus rapide que celui du détecteur. Si le multimètre réagit trop lentement, il pourrait lire une tension de sortie constante, et ce, même s’il y a bel et bien commutation du détecteur.

Si la tension de sortie du détecteur est constante ou que le temps de réaction est trop lent, le détecteur doit être remplacé. Il peut aussi s’avérer utile de vérifier le fonctionnement du détecteur d’oxygène à chaque mise au point du véhicule et avant de lui faire passer un test d’émissions. Un détecteur dont le temps de réaction est trop lent réduit l’économie d’essence; par conséquent, un détecteur neuf peut s’avérer des plus rentables, car elle permet de réaliser des économies sur les factures de carburant.

Cycle de maintenance et durée de vie d’un détecteur d’oxygène

Les règlements fédéraux toujours plus stricts en matière d’émissions exigent que l’on veille à ce que les contrôles d’émissions de son véhicule soient optimaux. Les détecteurs d’oxygène jouent un rôle essentiel dans ce processus. En fait, les détecteurs encrassés ou défectueux sont la principale cause d’émissions excessives de gaz d’échappement, un des agents responsables de l’effet de serre.*

Ainsi, en raison de l’importance que revêt la durée de vie des détecteurs d’oxygène et de leur rôle dans le contrôle des émissions de votre véhicule, les fabricants et les fournisseurs de pièces de rechange ont beaucoup écrit sur le sujet au cours des dernières années, afin de déterminer la durée de vie et les cycles de remplacement de ces détecteurs. Ce sont toutefois les conditions d’utilisation réelles qui dictent la durée des détecteurs d’oxygène. En raison d’un environnement défavorable, de circonstances très variables d’un véhicule à l’autre et de l’expérience de chaque conducteur, il est à peu près impossible d’établir avec certitude la durée de vie d’un détecteur.

Les détecteurs à oxygène subissent des températures extrêmes et sont employés dans des conditions très difficiles qui favorisent l’usure et le vieillissement, et ce, même dans des conditions normales d’utilisation. La présence de contaminants dans le système d’échappement peut grandement contribuer à l’usure précoce d’un détecteur d’oxygène. L’emplacement du détecteur dans le système d’échappement du véhicule est l’un des facteurs qui affectent la durée de vie de ces détecteurs. Un détecteur situé directement dans la tubulure (habituellement un détecteur à un ou deux fils) aura généralement une durée de vie plus courte en raison des températures élevées auxquelles il est soumis et de l’exposition accrue aux particules d’échappement dommageables (essence ou huile non brûlée). En revanche, les détecteurs chauffants à trois ou quatre fils atteignent plus rapidement leur température de fonctionnement, et sont donc moins exposés aux contaminants. Ils fonctionnent ainsi à des températures d’échappement plus basses, car on peut les placer plus loin dans le système d’échappement.

Description des types de détecteurs d’oxygène

À fil simple – Un seul fil transmet le signal du détecteur, la carrosserie du véhicule servant de mise à la masse. Aussi appelé détecteur d’oxygène des gaz d’échappement (détecteur EGO).

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À deux fils – Un fil sert de signal au détecteur et l’autre sert de mise à la masse. Aussi appelé détecteur d’oxygène des gaz d’échappement isolé (détecteur ISO-EGO). Les deux fils de signal sont directement reliés à l’une des électrodes en platine de l’élément en céramique. La tension de sortie du détecteur est immunisé contre les tensions en boucle du signal de masse ainsi que contre les grandes résistances dans le retour par la masse du véhicule, lesquelles sont causées par des branchements corrodés. Il y a également, sur ce type de détecteurs le fil de masse est physiquement relié au corps de détecteur requis pour certaines applications. Il n’est pas recommandé de remplacer des détecteurs d’oxygène avec masse isolée par des détecteur reliés à la masse sur elles-même.

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À trois fil – Un fil transporte le signal et deux fils sont utilisés pour alimenter l’élément chauffant interne. Le retour par la masse du signal se fait par la carrosserie du véhicule. Aussi appelé détecteur d’oxygène des gaz d’échappement préchauffée (détecteur HEGO).

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À quatre fil – Un fil sert de signal au détecteur, un autre sert de masse isolée et les deux autres sont utilisés pour alimenter l’élément chauffant interne. Aussi appelé détecteur d’oxygène des gaz d’échappement préchauffée isolée (détecteur ISO-HEGO).

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À cinq fils – Le détecteur UEGO (détecteur d’oxygène des gaz d’échappement préchauffée universelle de mélange air-carburant) préchauffé à bande large qui s’étend au-delà du concept « planaire » de la plupart des détecteurs à quatre fils, joue son rôle en mesurant le rapport air-carburant. Au lieu de commuter comme les détecteurs traditionnels, le détecteur d’oxygène à bande large détecte une vaste gamme de rapports air-carburant et produit un signal de sortie directement proportionnel au rapport air-carburant.

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Source: NGK/NTK

 


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