Brevet FR2867549A1 — publié le 20050916

Domaine de l'invention La présente invention concerne une bougie crayon de pré-chauffage pour un moteur à combustion interne composée principalement d'un corps de bougie, d'un crayon de préchauffage en matière céramique et d'un capteur de pression intégré. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une bougie crayon de préchauffage pour un moteur à combustion in-terne composé principalement d'un corps de bougie, d'un crayon de pré-chauffage en matière céramique et d'un capteur de pression intégré, le capteur de pression étant noyé dans le crayon de préchauffage en matière céramique. Etat de la technique Aux basses températures il faut une source de chaleur pour permettre un bon démarrage et une bonne montée en température des moteurs Diesel. Cette source de chaleur assure soit le préchauffage du mélange gazeux soit l'air aspiré soit la chambre de combustion. Pour les moteurs de camion on utilise en général des bougies crayon de préchauffage. Ces bougies se composent d'un corps et d'un crayon de préchauffage qui dépasse du corps de la bougie et à l'état monté ce crayon de pré- chauffage vient dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne. En général les crayons de préchauffage d'une bougie dépassent de 4 mm dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne pour réchauffer le mélange air-gazol. La température d'incandescence et la durée post-incandescence de la bougie crayon de préchauffage ont une influence considérable sur le comportement des gaz d'échappement et de la consommation du carburant par le moteur à combustion interne. Une bougie crayon de préchauffage en céramique possède un crayon de préchauffage en céramique. Celui-ci comporte une partie centrale en céramique isolante entourée par une couche également en cé- ramique mais électroconductrice. La zone incandescente se réalise à la pointe grâce à une résistance électrique globale, plus élevée que celle des lignes d'alimentation et cela soit grâce à une forme géométrique particulière de la pointe correspondant par exemple à une réduction de section, soit par l'utilisation d'une autre couche céramique électroconductrice ayant une résistance spécifique significativement plus élevée que celle de la matière de la ligne d'alimentation. Pour réaliser le crayon de préchauffage on forme dans une presse de moulage appropriée les masses de matière tout d'abord de type matière synthétique avec une charge appropriée par un procédé de mise en forme plastique (par exemple presse à plaque ou moulage par transfert). La réalisation de la couche isolante se fait au cours d'une première opération et l'installation de la future couche conductrice se fait au cours d'une seconde opération. Les couches obtiennent leur profil de caractéristique définitif par un procédé de pyrolyse final, au cours duquel la pièce est céramisée à une température comprise entre 1200 C et 1300 C. Pour répondre au but fixé à savoir économiser encore plus de carburant et réduire les émissions polluantes, on cherche de plus en plus à développer des capteurs économiques permettant de saisir des in-formations concernant l'évolution de la 'combustion directement dans la chambre de combustion du moteur. A partir de telles informations, on peut par exemple réguler la dose injectée. L'exploitation d'une série de me-sure de valeur de pression dans la chambre de combustion offrirait des avantages considérables par exemple par rapport aux procédés utilisant la mesure du courant ionique car celui-ci rie fournit qu'une information locale puisque les valeurs des pressions mesurées ou les variations de pression mesurées sont plus importantes et peuvent ainsi se saisir plus simplement. Les concepts d'intégration de capteur utilisant un capteur de pression installé sur ou dans la bougie crayon de préchauffage ont l'avantage de ne pas nécessiter de perçages supplémentaires dans le moteur à combustion interne. Cet avantage est d'autant plus important que dans les moteurs à combustion interne actuels, l'espace pour installer des capteurs supplémentaires est très limité. Partant de cet état de la technique on a déjà proposé des solutions consistant en un élément piézoélectrique installé entre le corps d'une bougie crayon de préchauffage et sa partie vissée dans le cylindre comme cela est par exemple décrit dans le document EP-A 109 6141. En outre le document WO-A 97 09567 décrit un capteur complémentaire pro-posé dans la bougie crayon de préchauffage; ce capteur est placé entre un élément de fixation et l'organe de réception de pression du cylindre dans le corps d'une bougie crayon de préchauffage. Les capteurs de pression usuels en technique des couches métalliques minces en technique (MDS) ou en technique de Silicium sur isolant (SOI) ont un comportement qui dépend fortement de la température. C'est pourquoi, dans les bougies crayon de préchauffage existantes, comportant un capteur de pression intégré, le capteur se trouve toujours dans la zone de raccordement de la bougie crayon de préchauffage, éloignée de la chambre de combustion. Cela se fait par un déplacement de matière induit par la pression ou un allongement ou encore par un canal à gaz passant dans la bougie crayon de préchauffage ou directement à côté de celle-ci. On peut également utiliser des capteurs de pression stables à haute température qui comportent par exemple une matière piézo- électrique non ferroélectrique telle que la langasite ou une couche mince en nitrure d'aluminium. A côté des fortes variations de température auxquelles est exposé un crayon de préchauffage, les vibrations du moteur perturbent également la forme du signal en particulier si la mesure est faite en dehors de la chambre de combustion qui est à proprement parler intéressante. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une bougie crayon de préchauffage en matière céramique avec un capteur de pression intégré, pour développer cette bougie à fin de permettre une mesure de pression à proximité immédiate de la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. L'invention se propose également de développer un procédé de fabrication d'une telle bougie crayon de préchauffage. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne une bougie crayon de pré-chauffage du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que le capteur de pression est noyé clans le crayon de préchauffage en matière céramique. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle bougie crayon de préchauffage, ce procédé étant caractérisé en ce qu' un module de capteur préfabriqué avec ses contacts électriques et lignes d'alimentation est enrobé par injection d'une couche isolante, - on enrobe avec liaison de force par injection d'une matière conductrice pour former un crayon de préchauffage, - on céramise le crayon de préchauffage et, on introduit le crayon de préchauffage dans un corps de bougie. L'invention concerne également un autre procédé de fabri- cation caractérisé en ce qu' a) on réalise une première demi-couche isolante par mise en forme plastique, b) on applique un module de capteur de pression sur la première demi-couche isolant c) on complète la première demi-couche isolante avec un module de cap- teur de pression en appliquant une seconde demi-couche isolante par un procédé de mise en forme plastique, d) on enrobe avec liaison de force par injection d'une matière conductrice pour former un crayon de préchauffage, e) on céramise le crayon de préchauffage et, f) on place le crayon de préchauffage dans un corps de bougie. 1 o L'enrobage c'est-à-dire une réalisation du capteur au moins en partie enrobé, dans le crayon de préchauffage céramique permet de mesurer la pression à proximité de la chambre de combustion. La partie du crayon de préchauffage qui pénètre dans la chambre de combustion est directement exposée à la pression isostatique de la chambre de combus- tion. Le crayon de préchauffage transmet la pression par une liaison de force et de manière reproductible au capteur de pression selon l'invention. Ainsi il est inutile de transmettre la pression sur des dis-tances importantes. En particulier il est inutile de réaliser des canaux à gaz présentant le risque d'oscillations dites de sifflet, celui de la cokéfaction de la zone de raccordement ou du bouchage par des produits de combustion. En adaptant les coefficients de dilatation thermique des matières concernées on peut compenser la sensibilité transversale par les tensions induites par voie thermomécanique entre la matière du capteur de pression et celle du crayon de préchauffage. Le signal de capteur est prélevé par des lignes électriques appropriées, protégé contre les influences électromagnétiques. Le capteur de pression lui-même doit également être protégé contre les influences électromagnétiques. Selon une réalisation avantageuse, le capteur de pression est entouré au moins partiellement par une couche isolante du crayon de préchauffage en matière céramique. La couche isolante du capteur de pression en céramique assure en même temps la protection du capteur. Le capteur de pression est réalisé de préférence en une ma- tière piézoélectrique stable à haute température. Il peut s'agir d'une matière non ferromagnétique ou d'une matière ferromagnétique avec une limite de température critique très élevée ou d'une température de Curie, suffisamment élevée. Selon une réalisation avantageuse de l'invention, le capteur de pression comporte du nitrure d'aluminium. L'axe C du nitrure d'aluminium orienté est appliqué sur un substrat approprié par un procédé de technique en couche mince par exemple le procédé de dépôt à la va- peur PVD, et reçoit une métallisation chimique inerte. Grâce aux forces de liaison covalentes très importantes, le nitrure d'aluminium est chimique-ment très résistant. La matière se comporte également de façon inerte pendant la pyrolyse et conserve ses propriétés piézoélectriques même aux températures élevées. o Suivant une variante on peut également utiliser d'autres matières piézoélectriques non ferroélectriques comme par exemple la langasite cristalline. La surface superficielle doit toutefois être passivée de manière appropriée avant l'échauffement pour résister sans dommage à la pyrolyse. Selon le procédé de l'invention pour la fabrication d'une bougie crayon de préchauffage, on fabrique d'abord le module du capteur de pression indépendamment de la bougie crayon de préchauffage. Pour cela, on applique sur un substrat une matière par exemple piézoélectrique par la technique des couches minces, on la munit d'une métallisation chimiquement inerte résistant aux températures éle- vées et on réalise le contact résistant aux températures élevées. Le module de capteur de pression ainsi obtenu peut être contrôlé avant d'être enveloppé par injection de la matière isolante et une nouvelle fois avant d'être enveloppé par injection de la matière conduc- trice. Cela permet ainsi un contrôle de qualité du procédé de fabrication au cours de la fabrication. Dans une variante de procédé on fa-brique tout d'abord une demi-couche isolante et on applique le module du capteur de pression sur cette couche. Selon un mode de réalisation, on applique les matières du module de capteur de pression directement sur la demi-couche isolante par exemple par la technique des couches minces utilisant un plasma. Les lignes d'alimentation électriques sont également appliquées sur la première demi-couche isolante selon un développement avantageux du procédé de l'invention. Comme matière conductrice appropriée on utilise par exemple du silisure de molybdène ou du tungstène. Ces matières peuvent être appliquées par sérigraphie sur la première demi-couche isolante. Les lignes d'alimentation peuvent être placées ou pulvérisées sur la première demi-couche. Après avoir enveloppé le module de capteur de pression et les lignes d'alimentation avec les couches de matière céramique et après la pyrolyse, on meule l'extrémité du crayon de préchauffage non tournée vers la chambre de combustion pour dégager:les extrémités des lignes conductrices et réaliser le contact de celles-ci par un moyen galvanique ou par la technique des couches épaisses. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure la montre en coupe la structure d'un premier exemple de réalisation d'une bougie crayon selon l'invention, - la figure lb est une coupe selon le plan I-I de la figure la du premier exemple de réalisation de l'invention, la figure le est une coupe selon le plan II-II de la figure la du premier exemple de réalisation de la bougie crayon de préchauffage selon l'invention, - les figures 2a-2d sont des vues schématiques du procédé de fabrication du premier exemple de réalisation selon des vues partiellement de des-sus et partiellement en coupe, - les figures 3a-3f sont des vues schématiques du procédé de fabrication d'un second exemple de réalisation en partie en vue de dessus et en 25 partie en vue en coupe. Description des modes de réalisation La figure 1 montre en coupe la structure d'un premier exemple de réalisation d'une bougie crayon ou bougie de préchauffage selon l'invention munie d'un crayon de préchauffage 1 en céramique. Cette vue donne deux plans de coupe. Le premier plan de coupe I-I se trouve dans la couche isolante 2 et le second plan de coupe II-II est perpendiculaire à cette coupe; ces deux plans sont faits dans la direction longitudinale du crayon de préchauffage 1 et divisent la couche isolante 2 et une matière conductrice 3. La figure lb est une coupe d'un premier exemple de réalisation d'une bougie crayon de préchauffage selon l'invention comportant une tige incandescente 1 en matière céramique, dans le plan I-I de la figure la. Un capteur de pression 4 muni des lignes d'alimentation électri- ques 5 est noyé dans la couche isolante 2. Celle-ci est elle-même entourée par la couche conductrice 3 qui n'apparaît dans le plan de coupe donné dans cette figure seulement au niveau de l'extrémité 6 de la bougie de pré-chauffage, tournée vers la chambre de combustion non représentée dans cette figure. A cette extrémité 6 le diamètre 7 du rayon de préchauffage 1 est diminué pour avoir une résistance plus élevée et permettre d'atteindre ainsi un réchauffage. La figure 1c montre que le capteur de pression 4 est complètement intégré dans la couche isolante 2 du crayon de préchauffage 1. Cette figure 1c est une coupe du même exemple de réalisation d'une bougie crayon de préchauffage selon l'invention munie d'une broche incandescente 1 en céramique, représentée dans le plan II-II selon la figure la. La chambre de pression 1 se situe dans la couche isolante 2 entourée par la couche conductrice 3. Les lignes d'alimentation électriques 5 sortent du crayon de préchauffage 1 par son côté 8 non tourné vers la chambre de combustion. Les figures 2a2d montrent les étapes de fabrication d'un premier exemple de réalisation selon un procédé de l'invention, représenté par des vues schématiques partiellement en vue de dessus et partiellement en coupe. La figure 2a montre tout d'abord une vue de dessus de la première demicouche isolante 201 fabriquée par un procédé de moulage plastique. Comme le montre la figure 2b on applique sur cette demi-couche 201, un capteur de pression 204 avec ses lignes d'alimentation 205. Puis, par-dessus on applique une autre semi-couche isolante 202 comme le montre la figure 2c pour que seules les lignes d'alimentation électriques 205 ne sortent du crayon d'allumage 200 que du côté 208 non tourné vers la chambre de combustion, pour sortir de la couche isolante 202. Ensuite, on entoure la couche isolante 201, 202 d'une matière électroconductrice 203. En coupe, comme le montre la figure 2d, on a le positionnement définitif du capteur de pression 204 et des lignes d'alimentation 205 par rapport aux couches isolantes 202, 201 et à la couche conductrice 203. Le produit final correspond à l'exemple de réalisation représenté à la figure 1c. Les figures 3a-3f montrent le déroulement d'un second exemple de réalisation d'un procédé selon l'invention avec des vues schématiques partiellement en vue de dessus et partiellement en coupe. Comme le montre la figure 3a on réalise tout d'abord une demi-couche isolante 301. Sur celle-ci, comme l'indique la figure 3b on applique un capteur de pression 304 par exemple par un procédé de dépôt en couche mince. Comme support on utilise ainsi une partie de la demi- couche isolante 301. En variante on peut appliquer un module de capteur de pression 304 préfabriqué sur la demi-couche 301. On applique également directement sur la demi-couche isolante 301, au cours de l'étape suivante représentée à la figure 3c, les lignes d'alimentation électriques 305 par exemple selon un procédé de sérigraphie. Selon la figure 3d au cours de l'étape suivante du procédé, on applique la seconde demi-couche isolante 302 et ensuite, on entoure la couche isolante 301, 302 d'une matière conductrice 303 comme le montre la figure 3e. Après l'opération de pyrolyse non représentée aux figures qui produit la transformation céramique du crayon de préchauffage 300, il faut, comme le montre la figure 3f, que l'extrémité 308 du crayon de pré-chauffage 300 à l'opposé du côté tourné vers la chambre de combustion soit rodée pour libérer les contacts électriques et permettre le branche- ment. REVENDICATIONS 1 ) Bougie crayon de préchauffage pour un moteur à combustion interne composée principalement d'un corps de bougie, d'un crayon de préchauffage en matière céramique et d'un capteur de pression intégré, caractérisée en ce que le capteur de pression (4, 204, 304) est noyé dans le crayon de préchauffage en matière céramique (1, 200, 300). 2 ) Bougie crayon de préchauffage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de pression (4, 204, 304) est entouré au moins partiellement par une couche isolante (2, 202, 302) du crayon de préchauffage en matière céramique (1, 200, 300). 3 ) Bougie crayon de préchauffage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le capteur de pression (4, 204, 304) est en une matière piézoélectrique stable à haute température. 4 ) Bougie crayon de préchauffage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le capteur de pression (4, 204, 304) contient du nitrure d'aluminium. 5 ) Procédé de fabrication d'une bougie crayon de préchauffage pour un moteur à combustion interne composé principalement d'un corps de bougie, d'un crayon de préchauffage en matière céramique et d'un capteur de pression intégré, le capteur de pression étant noyé dans le crayon de préchauffage en matière céramique, caractérisé en ce qu' - un module de capteur préfabriqué (4, 204, 304) avec ses contacts électriques et lignes d'alimentation (5, 205, 305) est enrobé par injection d'une couche isolante (2, 202, 302), - on enrobe avec liaison de force par injection d'une matière conductrice (3, 203, 303) pour former un crayon de préchauffage (1, 200, 300), - on céramise le crayon de préchauffage (1, 200, 300) et, on introduit le crayon de préchauffage (1, 200, 300) dans un corps de bougie. 6 ) Procédé de fabrication d'une bougie crayon de préchauffage pour un moteur à combustion interne composé principalement d'un corps de bougie, d'un crayon de préchauffage en matière céramique et d'un capteur de pression intégré, caractérisé en ce qu' a) on réalise une première demicouche isolante (201, 301) par mise en lo forme plastique, b) on applique un module de capteur de pression (4, 204, 304) sur la première demicouche isolante (201, 301), c) on complète la première demi-couche isolante (201, 301) avec un mo- dule de capteur de pression en appliquant une seconde demi-couche isolante (2, 202, 302) par un procédé de mise en forme plastique, d) on enrobe avec liaison de force par injection d'une matière conductrice (3, 203, 303) pour former un crayon de préchauffage (1, 200, 300), e) on céramise le crayon de préchauffage (1, 200, 300) et, f) on place le crayon de préchauffage (1, 200, 300) dans un corps de hougie. 7 ) Procédé de fabrication d'une bougie crayon de préchauffage selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' on applique le module de capteur de pression (4, 204, 304) en technique des couches minces utilisant un plasma. 8 ) Procédé de fabrication d'une bougie crayon de préchauffage selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu' avant ou après l'étape de procédé b) on applique des lignes d'alimentation électriques (5, 205, 305) notamment en siliciure de molybdène ou de tungstène sur la première demi-couche isolante (201, 301).