Brevet FR2866113A1 — publié le 20050812

L'invention concerne un capteur adapté pour être disposé sur une tête de cylindre(s) d'un moteur à combustion interne, en liaison mécanique avec cette tête de cylindre(s), pour en mesurer les déformations en cours de fonctionnement, le capteur comprenant un élément piézo électrique ou piézo résistif et présentant un axe longitudinal. Mesurer la pression dans le(s) (un) cylindre(s) d'un moteur, en particulier la pression de combustion dans un moteur à combustion interne, s'avère typiquement déterminant pour réduire les émissions polluantes et la consommation de carburant. Outres des capteurs mesurant la pression à l'intérieur d'un cylindre, on a déjà proposé d'utiliser un capteur mesurant la déformation de la culasse (ou de la tête de cylindre(s)). Un tel capteur est par exemple décrit dans US-A-4,601,196. Toutefois un problème demeure quant à la conception du capteur, son 15 efficacité et sa fiabilité en toutes situations. Une facilité de mise en place et un coût de fabrication réduit sont également recherchés. Pour atteindre tout ou partie des objectifs fixés ci-dessus, il est proposé dans l'invention que le capteur comprenne, sensiblement suivant son axe longitudinal, un corps extérieur allongé, de préférence en métal, définissant un fourreau dans lequel est disposé un barreau de haute rigidité mécanique, le corps étant adapté pour être placé en contact avec la tête de cylindre(s) pour qu'une déformation de ladite tête de cylindre(s) exercée sur le capteur engendre une contrainte entre le barreau et le corps, cette contrainte étant transmise à l'élément piézo électrique ou piézo résistif. On conseille par ailleurs: - que le corps extérieur allongé soit fermé à une extrémité axiale libre, de manière qu'une déformation de la tête de cylindre(s) soit transmise au barreau par l'intermédiaire nécessairement du corps extérieur, Pour assurer un maximum de protection à la partie sensible du capteur (et en particulier au barreau transmetteur d'effort ou de contrainte), avec une fiabilité et une efficacité particulièrement élevées, on conseille en outre que le barreau soit électriquement isolant, de préférence en céramique, et en un matériau plus résistant à la déformation, en particulier en compression, que le corps extérieur. Pour une fabrication performante, avec un coût très ajusté, combiné à une facilité de fabrication, il est en outre conseillé que deux organes de contact électrique, donc électriquement conducteurs, soient disposés de part et d'autre de l'élément piézo électrique ou piézo résistif, le tout étant enfermé dans une pièce de recouvrement les bloquant en position, cette pièce de recouvrement étant sertie dans une tête élargie du corps. La conformation du capteur a par ailleurs été particulièrement étudiée, 10 pour favoriser sa capacité à enregistrer les déformations de la tête de cylindre(s), en évitant les perturbations nuisibles à un relevé performant. Dans ce but, et en liaison avec les objectifs qui précèdent, une autre caractéristique de l'invention conseille que le corps extérieur allongé du capteur présente une tête élargie dans laquelle est disposé l'élément piézo électrique ou piézo résistif, la rigidité du corps, et en particulier de sa tête élargie, étant adaptée pour que la fréquence des modes de vibration du capteur soit située en dehors de la plage de fréquences normale de fonctionnement de ce dernier, lors de la mesure des dites déformations de la tête de cylindre(s), l'épaisseur du corps mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal étant en outre, de préférence, supérieure à l'endroit de la tête que vers l'extrémité libre opposée du dit corps, où la section de ce corps est donc plus faible qu'elle ne l'est à l'endroit de sa tête. Cette caractéristique permet de combiner à la fois une performance élevée du capteur (la fréquence de résonance perturbatrice est située en dehors de la bande passante, laquelle est large) et un coût de production réduit, dès lors que la caractéristique qui précède n'entraîne pas un surcoût à cet égard. Une description encore plus détaillée de l'invention est fournie ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un capteur conforme à l'invention (en coupe longitudinale) fixé à l'endroit d'une tête de cylindre de moteur, - et la figure 2 montre une variante de réalisation du capteur de la figure 1, en vue éclatée, Sur la figure 1, on voit donc représenté en coupe une partie d'un bloc moteur 1 (ou culasse) appartenant à un moteur à combustion interne. Il s'agit typiquement de la tête 3 d'un cylindre, c'est-à-dire donc d'une zone située au-dessus de la chambre dans laquelle se déplace le piston concerné. II peut typiquement s'agir d'une zone proche des soupapes. Dans cette partie pleine 3 a été creusé un trou 5, avec une partie supérieure taraudée 5a, pour qu'on vienne y loger le capteur 10 de l'invention, lequel est donc prévu pour être fixé à l'intérieur du trou 5, en particulier par vissage, pour y être solidement et étroitement maintenu. Le capteur 10 est un capteur de déformation. Il va enregistrer et transmettre les déformations de la tête de cylindre(s) au cours du fonctionnement du moteur, dans le but de connaître la pression dans les cylindres lorsque le moteur fonctionne. Le capteur 10 possède un axe longitudinal 11 le long duquel il présente son plus grand allongement. Suivant cet axe, le capteur comprend en particulier un corps extérieur 13 entourant un barreau intérieur 15, tous deux de préférence rectilignes. Le corps extérieur 13 se présente comme un tube creux allongé, de section de préférence circulaire, avec une extrémité libre 13a et, à l'opposé, une partie de section élargie 13b présentant d'abord une partie intermédiaire 17a (qui peut en particulier être filetée pour coopérer avec le taraudage 5a), puis une partie extrême, ou tête, encore élargie 17b pouvant présenter localement une surface extérieure à plusieurs pans (par exemple octogonaux) 19, facilitant ainsi le vissage de la zone 17a, via une clé. Sur une partie au moins de sa longueur, le corps extérieur 13 sera avantageusement en contact avec la masse de la tête de cylindre(s) 3, ce contact s'opérant en particulier à l'endroit des filets 5a, 17a et de l'extrémité libre 13a, pour que les contraintes dans la culasse 3 soient transmises à l'élément piézo électrique ou piézo résistif 21 que renferme ce capteur (voir figure 2). En 13a, on notera que le corps 13 est fermé par une paroi transversale, de sorte que le barreau 15 est alors totalement enfermé dans le corps, ou fourreau. Outre l'élément (ou pastille) piézo électrique ou piézo résistif 21, le capteur de déformation 10 comprend deux pièces de contact 23, 25, électriquement conductrices, situées de part et d'autre des faces opposées de l'élément piézo électrique ou piézo résistif 21, en contact avec elles. Des lames de contact électrique 23a, 25a se dressent respectivement des pièces de contact 23 et 25, sensiblement parallèlement à l'axe 11, pour une liaison avec les bornes électriques 27a, 27b de l'embout 41 relié au câble d'alimentation 29. Compte-tenu de ce que la section du barreau 15 est, sur la figure 2, sensiblement constante sur toute sa longueur axiale, et en particulier à l'endroit de son extrémité 15a située (dans l'état assemblé, opérationnel, du capteur) à intérieur de la tête 17b, une pièce intermédiaire 33 (voir figure 1) à été adjointe entre l'extrémité 15a du barreau et la pastille de contact électrique 25. Le rôle de la pièce intermédiaire rapportée 33 est d'assurer une répartition de l'effort transmis par le barreau 15 vers l'essentiel au moins (de préférence quasiment la totalité) de la surface d'appui de l'élément piézo électrique ou piézo résistif 21 (prise donc sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal 11). Ainsi, malgré la section du barreau 15 plus petite que celle de l'élément piézo électrique ou piézo résistif 21, on va pouvoir répartir les contraintes transitant par le barreau sur une large surface active de l'élément piézo électrique ou piézo résistif 21. Typiquement, la pièce de répartition d'effort 33 se présente comme une pastille ou un petit cylindre dont une base est en appui sur l'extrémité 15a du barreau et l'autre base sur la face en regard de la pièce de contact 25. En fonction de la nature (électriquement conductrice ou non) du barreau 15, une pastille électriquement isolante 35 pourrait être interposée entre lesdites pièces 25 et 33, de même entre l'autre pastille de contact 23 et l'organe de recouvrement 37 (pièce électriquement isolante 39). Si par contre le barreau 15 est isolant (en particulier en céramique) de même pour l'organe de recouvrement 37, alors les pastilles isolantes seront inutiles. Le corps extérieur 13 peut être métallique, de même que l'embout (ou 30 capuchon) de fermeture 41 auquel est fixé le câble 29 de transmission relié à une unité de traitement (non représentée). Pour une transmission performante des contraintes relevés sur la tête de cylindre, la résistance à la déformation (en particulier en compression) du barreau 15 sera de préférence plus élevée que celle du corps extérieur 13. L'assemblage des pièces présentées du capteur peut être prévu comme suit. Les pièces 21, 23, 25, 33 sont réunis ensemble axialement, placées au contact et engagées à l'intérieur de la pièce de recouvrement 37 qui les bloque 5 alors en position. Si les pièces 35 et 39 sont également prévues, elles ont également alors été mises en place. Une fois ces pièces bloquées étroitement à l'intérieur de la pièce de recouvrement 37, celle-ci est axialement engagée dans la partie intérieure creuse de la tête 17b du corps extérieur 13, comme on peut le comprendre à la vue de la figure 1. La pièce de recouvrement 37 est alors elle-même fixée dans la tête 17b, et en particulier sertie, de telle manière qu'un contact étroit s'établit entre la pièce de répartition d'effort 33 et le barreau 15. Sur la figure 1, on notera que l'épaisseur de matière du corps extérieur 13 à l'endroit de ces parties élargies (partie filetée 17a puis, et surtout, tête 17b située à l'extérieur de la tête de cylindre 3 et donc non directement bloquée par elle) est plus importante que sur tout le reste de la longueur du corps 13 située, au-delà du filetage 17a, à l'intérieur du trou de réceptions ménagé dans la tête de cylindre 3. Ainsi, on s'assure d'une performance élevée des données fournies par le capteur. A cet égard, on notera encore que le capteur de déformation de l'invention va donc mesurer la déformation induite, sur la tête de cylindre, par la pression régnant dans le(s) cylindre(s) alors que le moteur fonctionne, la déformation de la tête de cylindre(s) comprimant alors (du fait du contact entre ces pièces) le corps extérieur 13 du capteur, mais pas (ou moins) le barreau interne 15 (plus résistant). Ainsi, la contrainte existant alors entre le corps extérieur et le barreau 30 intérieur 15 va pouvoir être transmise efficacement à l'élément piézo électrique ou piézo résistif 21 et ensuite vers l'unité de traitement, via le câble 29. Comme déjà noté, la forme étagée du capteur, avec ses épaisseurs croissantes à mesure que l'on se rapproche de la tête 17a va par ailleurs permettre d'obtenir une zone qui, à l'emplacement de l'élément piézo électrique ou piézo résistif 21, est rigide, bien que non directement bloquée à l'intérieur de la tête de cylindre(s) 3, ceci permettant que la fréquence de résonance de l'élément piézo électrique ou piézo résistif 21 soit située en dehors de sa plage de fréquences utiles de fonctionnement, lorsque les données de déformation lui parviennent, le montage prévu du capteur permettant en outre d'obtenir une mesure de déformation intégrée sur quasiment l'intégralité de la section de la tête de cylindre(s). REVENDICATIONS 1. Capteur adapté pour être disposé sur une tête (3) de cylindre(s) d'un moteur à combustion interne, en liaison mécanique avec cette tête de cylindre(s), pour mesurer les déformations de la tête de cylindre(s) en cours de fonctionnement, le capteur comprenant un élément piézo électrique ou piézo résistif (21) et présentant un axe longitudinal (11), caractérisé en ce qu'il comprend en outre, sensiblement suivant cet axe longitudinal, un corps extérieur allongé (13), de préférence en métal, définissant un fourreau dans lequel est disposé un barreau (15) de haute rigidité mécanique, le corps étant adapté pour être placé en contact avec la tête de cylindre(s) pour qu'une déformation de ladite tête de cylindre(s) exercée sur le corps extérieur engendre une contrainte entre le barreau (15) et le corps, cette contrainte étant transmise à l'élément piézo électrique ou piézo résistif (21). 2. Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le corps extérieur allongé (13) est fermé à une extrémité axiale libre (13a), de manière qu'une déformation de la tête de cylindre(s) soit transmise au barreau (15) par l'intermédiaire nécessairement du corps extérieur. 3. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le barreau (15) est électriquement isolant, de préférence en céramique, et est en un matériau plus résistant à la déformation, en particulier en compression, que le corps extérieur (13). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que deux organes de contact électrique (23, 25), donc électriquement conducteurs, sont disposés de part et d'autre de l'élément piézo électrique ou piézo résistif (21), le tout étant enfermé dans une pièce de recouvrement (37) les bloquant en position, cette pièce de recouvrement étant sertie dans une tête élargie (17b) du corps (13). 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps (13) présente une tête élargie (17b) dans laquelle est disposé l'élément piézo électrique ou piézo résistif (21), la rigidité du corps, et en particulier de sa tête élargie, étant adaptée pour que la fréquence des modes de vibration du capteur soit située en dehors de la plage de fréquences normale de fonctionnement de ce dernier, lors de la mesure des dites déformations de la tête de cylindre(s), l'épaisseur du corps mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal (11) étant pour cela, de préférence, supérieure à l'endroit de la tête (17b) que vers l'extrémité libre opposée du dit corps (13), où la section de ce corps est donc plus faible qu'elle ne l'est à l'endroit de sa tête.