Brevet FR2925777A1 — publié le 20090626

La présente invention concerne une bougie d'allumage à capteur de pression intégré pour moteur à combustion interne. Pour réaliser un meilleur contrôle de la combustion dans un moteur à explosion, il convient de connaître la pression régnant à l'intérieur des cylindres de ce moteur. Le but recherché par la connaissance de la pression dans les cylindres et le contrôle ainsi réalisé est de limiter la consommation de carburant et d'avoir un moteur moins polluant. Dans les moteurs dits à essence, c'est-à-dire fonctionnant selon le cycle Beau de Rochas (connu aussi sous le nom de cycle Otto), un capteur de pression mesurant la pression régnant dans les cylindres permet également la détection d'un éventuel cliquetis. Il devient alors inutile de prévoir un détecteur de cliquetis tels ceux que l'on retrouve sur la plupart des moteurs de ce type. Plusieurs solutions ont été proposées déjà pour mesurer la pression à l'intérieur des cylindres d'un moteur essence. II a déjà été proposé d'intégrer des capteurs de pression dans des éléments déjà existant dans le moteur tels par exemple une bougie d'allumage, des boulons de serrage de la culasse ou même dans le joint de culasse. Les diverses solutions proposées nécessitent une modification de la pièce à laquelle est intégrée le capteur, ce qui risque d'affecter la durée de vie de ces pièces. II a également été proposé de mesurer la pression régnant à l'intérieur des cylindres du moteur en mesurant la déformation de la culasse. Ici aussi, il est nécessaire de modifier la culasse du moteur et il est très difficile de calibrer les capteurs utilisés dans les solutions de ce type qui ont été proposées. Des solutions intrusives proposent de disposer un capteur de pression 25 dans le cylindre. Ceci impose des modifications importantes, notamment au niveau de la culasse, pour prévoir le passage du capteur. Le document US 6 756 722 montre le montage d'un capteur de pression sur une bougie d'allumage. L'inconvénient de la solution proposée dans ce document est l'encombrement du capteur et la complexité du montage 30 proposé. La présente invention a alors pour but de fournir des moyens non intrusifs pour mesurer la pression à l'intérieur d'un cylindre d'un moteur à combustion interne, de type moteur essence. Le but ici est de modifier le moins possible les divers éléments de ce moteur afin de limiter le coût de l'intégration d'un capteur de pression à l'intérieur d'une bougie d'allumage. À cet effet, l'invention propose une bougie d'allumage comportant : - une électrode centrale et - une âme isolante portant l'électrode centrale. Selon la présente invention, une partie de l'âme isolante est recouverte sur sa face extérieure d'une couche sensible intégrant un élément sensible, choisi dans l'ensemble des éléments à effet piézo-électrique, des éléments à effet piézorésistif et des éléments à effet piézo-capacitif. Une couche sensible telle que proposée par la présente invention peut être d'une faible épaisseur et peut donc loger à l'intérieur d'une bougie de l'art antérieur sans modification sensible de celle-ci. Il convient uniquement de prévoir la (ou les) connexion(s) nécessaire(s) pour récupérer le signal fourni par la couche sensible. En outre dans la solution proposée par l'invention, la couche sensible est disposée à un endroit où la température n'est pas trop élevée et à l'abri des hautes tensions électriques nécessaires pour le fonctionnement de la bougie d'allumage. Une forme de réalisation préférée prévoit que l'élément sensible est obtenu par dépôt sur l'âme isolante d'une couche conductrice puis d'une couche sensible. II est ainsi possible de réaliser un élément sensible de faible épaisseur et de facilement pouvoir récupérer le signal de celui-ci. En outre, la couche conductrice forme une couche d'accroche pour la couche sensible. Cette couche conductrice peut éventuellement être omise. Selon une première variante de réalisation, la couche sensible est par exemple à base de Nickel et de Chrome tandis que selon une seconde forme de réalisation proposée ici, la couche sensible comporte par exemple une couche à base de Platine et de Tungstène. D'autres matériaux û des métaux, des alliages métalliques semi-conducteurs monocristallins (Si, Ge) ou polycristallins, ou autres û peuvent être envisagés pour la réalisation de la couche sensible. Lorsque l'élément sensible est obtenu par dépôt sur l'âme isolante d'une couche conductrice et d'une couche sensible, cette dernière est de préférence recouverte d'une couche isolante afin de la protéger mécaniquement et électriquement. Cette couche isolante peut être réalisée par exemple en verre ou en polyamide. Une bougie d'allumage selon l'invention peut comporter, de manière connue en soi, un corps extérieur à l'intérieur duquel est montée l'âme isolante, cette âme isolante présentant d'une part une zone de sertissage du corps extérieur sur l'âme isolante et d'autre part, à l'opposé de la zone de sertissage, une zone d'appui de l'âme isolante sur le corps extérieur. L'élément sensible se trouve alors de préférence entre la zone de sertissage et la zone d'appui. Pour la récupération du signal fourni par l'élément sensible, une bougie d'allumage selon l'invention comporte avantageusement des électrodes reliées à cet élément sensible. Ces électrodes peuvent être par exemple réalisées par impression d'encre conductrice ou par des méthodes de dépôt de couches minces ou épaisses. La présente invention concerne également un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une bougie telle que décrite ci-dessus. Des détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de 15 la description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels : La figure 1 est une vue schématique d'une âme isolante, ou isolateur, d'une bougie d'allumage selon l'invention, et La figure 2 est une vue schématique d'une variante de réalisation de 20 l'isolateur de la figure 1. L'homme du métier connaît la structure d'une bougie d'allumage utilisée dans l'industrie automobile dans les moteurs à combustion interne, appelés aussi moteur à essence, par opposition aux moteurs dits "Diesel". Dans ces moteurs, la combustion d'un mélange de carburant et de comburant est provoquée dans un 25 cylindre à l'aide d'une étincelle réalisée à l'aide d'une bougie d'allumage. Comme il est connu de l'homme du métier, une telle bougie d'allumage comporte une électrode centrale 2, coopérant avec une électrode de masse 4 pour réaliser une étincelle. Un corps extérieur 6, appelé aussi culot de bougie, permet le montage de la bougie dans une culasse de moteur (non représentée) le 30 plus souvent par vissage, le corps extérieur 6 étant fileté et la culasse comportant un taraudage correspondant. Ce corps extérieur 6, et la culasse dans laquelle il est monté, sont généralement des pièces métalliques. Il convient d'avoir une isolation mécanique entre l'électrode centrale 2 et ces éléments métalliques. Un isolateur 8 est alors prévu entre l'électrode centrale 2 et le corps extérieur 6. Les dessins ci-joints sont schématiques car la présente invention est destinée à être appliquée à tout type de bougie d'allumage et la structure d'une bougie d'allumage est en outre bien connue de l'homme du métier. De plus, la présente invention ne concerne pas cette structure. La présente invention propose de mesurer les contraintes que subit l'isolateur 8 afin de déterminer la pression régnant dans le cylindre correspondant. À cet effet, elle propose de disposer un capteur piézo-électrique ou piézo-résistif ou piézo-capacitif sur la surface extérieure (celle faisant face au corps extérieur 6) de l'isolateur 8. II est proposé ici, dans une forme de réalisation préférée de la présente invention, de faire un dépôt en couche mince sur la surface extérieure de l'isolateur 8. Un tel dépôt est de préférence de faible épaisseur, par exemple d'une épaisseur de l'ordre du micron (=1 �m = 10-6m). Un dépôt en couche épaisse peut être envisagé ici également. Les deux figures montrent deux formes de dépôt différentes. Dans la première forme de réalisation, le dépôt prend la forme de lignes longitudinales reliées entre elles. L'isolateur 8 présente un axe longitudinal 10 et les lignes longitudinales 12 du dépôt s'étendent selon la même direction que l'axe longitudinal 10. Dans la seconde forme de réalisation, le dépôt se présente sous la forme de lignes transversales 14, c'est-à-dire orientées à environ 90° par rapport à l'axe longitudinal 10. Chacune de ces lignes transversales 14 correspond à une partie de périphérie d'une section transversale de l'isolateur 8. Divers types de dépôts permettent de réaliser une couche sensible présentant un effet piézo-électrique ou piézo-résistif ou piézo-capacitif. À titre d'exemple non limitatif, selon une forme de réalisation -préférée-, on dépose tout d'abord une couche conductrice d'une épaisseur d'environ 15 nm (soit 15 10-9 m) puis une couche sensible d'une épaisseur de l'ordre de 500 nm de Platine est réalisée sur le Chrome. On peut prévoir ici, comme variante de réalisation, un dépôt d'un alliage composé d'environ 80% de Nickel et d'environ 20% de Chrome pour former la couche sensible. Différentes techniques, connues de l'homme du métier peuvent être utilisées pour réaliser de telles dépôts. À titre d'exemple non limitatif et simplement illustratif, on peut réaliser un dépôt physique en phase gazeuse (connu aussi sous l'acronyme anglais PVD pour "Physical Vapor Deposition") ou bien un dépôt chimique en phase vapeur (connu aussi sous l'acronyme anglais CVD pour "Chemical Vapor Deposition"). La couche sensible ainsi réalisée est de préférence protégée par une couche de matériau isolant. Cette couche, qui peut être transparente, n'est pas représentée sur les figures. Elle recouvre de préférence au moins toute la couche sensible. Elle peut être réalisée avec une matière synthétique, telle du polyamide par exemple, ou bien en verre. La couche de protection a pour but de réaliser une protection mécanique et une isolation électrique de la couche sensible. Cette couche de protection a son utilité notamment lors de la fabrication de la bougie, plutôt que lors de son utilisation. La figure 1 montre une première forme de réalisation d'un capteur réalisé par dépôt d'une couche sensible sur une couche conductrice. Comme indiqué plus haut, ce dépôt comporte des lignes longitudinales 12 déposées sur l'isolateur 8. Ces lignes sont reliées entre elles par des liaisons présentant la forme d'un demi cercle. Le capteur ainsi réalisé permet de détecter notamment une déformation longitudinale de la céramique utilisée pour réaliser l'isolateur 8. Lorsque ce dernier est comprimé, sa longueur varie et cette variation est mesurée par le capteur. La compression agit ici essentiellement selon la direction longitudinale parallèle à l'axe longitudinal 10 de la bougie. De manière classique, l'isolateur 8 montré sur les figures 1 et 2 est monté par sertissage à l'intérieur du corps extérieur 6. L'isolateur 8 est introduit dans le corps extérieur 6 jusqu'à venir en appui au niveau de la zone d'appui 16. Dans la forme de réalisation présentée, cette zone d'appui 16 se trouve sensiblement à la limite d'une partie filetée du corps extérieur 6, destinée à permettre le montage de la bougie dans une culasse d'un moteur. Une zone de sertissage 18 est réalisée du côté opposé à la zone filetée du corps extérieur 6. Par déformation plastique de l'extrémité libre du corps extérieur 6, l'isolateur 8 est maintenu prisonnier dans le corps extérieur 6 en réalisant un appui au niveau de la zone d'appui 16 de manière à immobiliser l'isolateur 8 dans le corps extérieur 6. Au niveau de la zone d'appui 16 et de la zone de sertissage 18, l'isolateur 8 subit des contraintes. De ce fait, il est préférable que le capteur de pression ne recouvre pas ces zones. Ainsi, le capteur de pression se trouve de préférence dans la zone délimitée schématiquement sur les figures 1 et 2 par des lignes transversales en pointillés 20. Dans le cas de la figure 1, les lignes longitudinales 12 s'étendent sensiblement d'une ligne transversale en pointillés 20 à l'autre. On réalise ainsi un serpentin. De préférence, les deux extrémités libres de ce serpentin se trouvent du côté de la zone de sertissage 18, c'est-à-dire du côté de la tête de la bougie, côté opposé à l'électrode de masse 4. Ces extrémités libres présentent chacune un point de connexion avec des électrodes (non représentées) permettant de récupérer le signal mesuré par le capteur de pression. Ces électrodes sont par exemple réalisées par dépôt d'une couche d'encre conductrice. Il est connu d'utiliser une telle encre dans le domaine de l'électronique et des capteurs. Les électrodes, par exemple imprimées sur l'isolateur 8, s'étendent vers la tête de la bougie, c'est-à-dire du côté opposé à l'électrode de masse 4. Un connecteur spécifique peut alors être prévu pour envoyer le signal mesuré à un dispositif de traitement du signal. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le capteur de pression comporte essentiellement des lignes transversales 14. Ces dernières sont ici reliées entre elles par des liaisons rectilignes longitudinales. On retrouve alors un capteur présentant une forme globale crénelée. Dans cette forme de réalisation, le capteur de pression mesure des déformations radiales de l'isolateur 8. Lorsque ce dernier est comprimé, son diamètre varie et cette variation est mesurée par le capteur. La compression agit ici essentiellement selon la direction longitudinale parallèle à l'axe longitudinal 10 de la bougie et induit un "gonflement" radial qui est mesuré par le capteur de pression représenté sur cette figure 2. On retrouve ici aussi des électrodes (non représentées) reliant les extrémités du capteur de pression (en forme de créneaux) à un connecteur spécifique. Ces électrodes sont aussi par exemple imprimées sur l'isolateur 8. De même que pour la forme de réalisation décrite plus haut, les électrodes sont de préférences imprimées sur l'isolateur 8 avant le dépôt de la couche sensible de telle sorte que cette dernière, au niveau des points de connexion, vienne par-dessus les électrodes. Dans cette forme de réalisation, le capteur de pression est orienté transversalement par rapport à l'isolateur 8. En variante de réalisation, on peut prévoir de réaliser un capteur en forme de spirale hélicoïdale autour de l'isolateur 8. Cette variante est toutefois plus difficile à réaliser. D'autres variantes de réalisation peuvent encore être envisagées. Dans la forme de réalisation de la figure 1 le capteur est orienté longitudinalement par rapport à l'isolateur. Des orientations intermédiaires peuvent être envisagées. Dans les deux formes de réalisation décrites plus haut, il est prévu que les dépôts réalisés présentent deux points de connexion, chacun relié à une électrode permettant la liaison avec un connecteur spécifique disposé du côté de la tête de bougie. En variante de réalisation, il est possible de réaliser une liaison électrique entre la couche sensible et la zone d'appui 16. On réalise ainsi une liaison électrique entre une extrémité de la couche sensible et le corps extérieur 6, lui-même relié à la culasse du moteur et donc à la masse électrique. Seule une connexion électrique est alors nécessaire au niveau du connecteur spécifique pour récupérer le signal du capteur de pression. Les solutions proposées ici par la présente invention ont pour avantage que le capteur de pression est disposé dans une zone où la température n'est pas très élevée. Cette zone est d'une part éloignée et isolée du cylindre et de la zone où une étincelle est produite par la bougie d'allumage à laquelle le capteur de pression est intégré. D'autre part, elle est aussi à l'écart de la culasse dans laquelle la bougie est montée. La tête de la bougie est dans une zone où la température est proche de celle de la culasse. Les capteurs de pression décrits ici sont également isolés thermiquement de cette zone où la température est relativement élevée. Les capteurs de pression d'une bougie d'allumage selon la présente invention sont également isolé électriquement et sont à l'abri des hautes tensions utilisées dans un moteur, notamment pour la réalisation d'étincelles à l'extrémité de la bougie d'allumage. Bien qu'étant particulièrement bien isolé, le capteur de pression est également presque en liaison directe avec l'intérieur du cylindre dans lequel la pression doit être mesurée. Dans un moteur à combustion interne fonctionnant selon le cycle Beau de Rochas (connu aussi sous le nom cycle Otto), l'électrode de masse d'une bougie et l'extrémité de l'électrode centrale qui lui fait face sont soumises directement à la pression de combustion régnant dans le cylindre correspondant. Les contraintes de pression dues à la combustion exercent directement des forces sur l'isolateur qui entoure l'électrode centrale de la bougie d'allumage. Ainsi les contraintes exercées sur cet isolateur sont proportionnelles à la pression régnant dans le cylindre. La résistance ou la capacité de l'élément piézo-électrique utilisé pour former le capteur de pression varie alors avec les contraintes exercées sur l'isolateur, et donc avec la pression régnant dans le cylindre correspondant. La présente invention présente l'avantage de pouvoir être appliquée avec quasiment toutes les bougies d'allumage. Il est possible d'intégrer à l'aide de la présente invention un capteur de pression sur une bougie d'allumage sans avoir à faire de modifications importantes sur celle-ci. En effet, les dépôts réalisés sur l'isolateur présente une très faible épaisseur et ne nécessitent donc pas de modification sensible de l'isolateur. Il convient juste de prévoir un connecteur spécial -avec une ou deux connexions- pour récupérer le signal du capteur intégré à la bougie d'allumage. De ce fait, le procédé de montage de la bougie est pas -ou très peu- modifié, permettant ainsi de limiter le prix de revient de l'intégration d'un capteur de pression dans la bougie. REVENDICATIONS 1. Bougie d'allumage comportant : - une électrode centrale (2), - une âme isolante (8) portant l'électrode centrale (2), caractérisée en ce qu'une partie de l'âme isolante (8) est recouverte sur sa face extérieure d'une couche sensible intégrant un élément sensible, choisi dans l'ensemble des éléments à effet piézo-électrique, des éléments à effet piézorésistif et des éléments à effet piézo-capacitif. 2. Bougie d'allumage selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément sensible est obtenu par dépôt sur l'âme isolante (8) d'une couche conductrice puis d'une couche sensible. 3. Bougie d'allumage selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche sensible est à base de Nickel et de Chrome. 4. Bougie d'allumage selon la revendication 2, caractérisée en ce que la 15 couche sensible est à base de Platine et de Tungstène. 5. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la couche sensible est recouverte d'une couche isolante. 6. Bougie d'allumage selon la revendication 5, caractérisée en ce que la couche isolante est réalisée en polyamide ou en verre. 20 7. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un corps extérieur (6) à l'intérieur duquel est montée l'âme isolante (8), en ce que l'âme isolante (8) présente d'une part une zone de sertissage (18) du corps extérieur (6) sur l'âme isolante (8) et d'autre part, à l'opposé de la zone de sertissage (18), une zone d'appui (16) de l'âme isolante 25 (8) sur le corps extérieur (6), et en ce que l'élément sensible se trouve entre la zone de sertissage (18) et la zone d'appui (16). 8. Bougie d'allumage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des électrodes reliées à l'élément sensible. 9. Bougie d'allumage selon la revendication 8, caractérisée en ce que 30 les électrodes sont réalisées par impression d'encre conductrice. 10. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une bougie selon l'une des revendications 1 à 9.