Brevet FR2949539A1 — publié le 20110304

Domaine de l'invention La présente invention concerne une bougie de préchauffage intégrant un capteur de température et un procédé de fabrication d'une telle bougie de préchauffage. Etat de la technique Les bougies de préchauffage notamment les bougies-crayon, utilisées pour le démarrage à froid de moteurs Diesel et autres moteurs à combustion interne à allumage non commandé, mais qui s'utilisent également dans d'autres domaines par exemple pour certains types de moteurs à combustion interne et/ou comme dispositif d'allumage dans d'autres types de dispositifs de combustion, sont connues. Ainsi le document DE 100 31 893 Al, décrit une bougie-crayon, céramique pour des moteurs Diesels comportant un capteur de courant ionique. La bougie-crayon comporte un élément chauffant céramique en forme de tige avec au moins une couche isolante et deux couches conductrices. Au moins une électrode est prévue pour saisir le courant ionique. Cette électrode est en une matière céramique électroconductrice. But de l'invention Dans ce contexte il serait souhaitable d'équiper les bougies de préchauffage, notamment les bougies-crayon d'un capteur de température et de préparer ainsi des bougies de préchauffage comme bougies de mesure de température. Cela permettrait de saisir la température de la bougie-crayon installée dans le moteur du véhicule pour certaines applications ou encore pour des essais sur des cycles de mesure longs. De plus, cela permettrait une surveillance en parallèle de la température des bougies de préchauffage avec des fonctionnements en laboratoire à la fois par des mesures pyrométriques et des mesures des signaux fournis par le capteur de température, notamment les thermo-éléments. Pour cela on pourrait en principe munir un élément chauffant de la bougie à incandescence par exemple un crayon de préchauffage en céramique, d'une rainure et intégrer un capteur de température dans cette rainure. Mais le blocage du capteur de température dans cette rainure reste un défi. 2 Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients et solutions connus et concerne à cet effet une bougie de préchauffage, caractérisée en ce que - l'élément en céramique comporte au moins un dégagement, - le capteur de température est logé au moins partiellement dans le dégagement, et - le capteur de température et l'élément chauffant céramique sont reliés par une liaison par la matière, - on utilise une matière de remplissage comportant au moins un composant céramique de l'élément chauffant en céramique. L'invention repose sur des essais de bougies-crayon en nitrure de silicium, préparées comme bougies de mesure de température. Pour cela, on a fraisé une rainure dans la bougie-crayon et placé le thermo-élément dans la rainure en le bloquant avec une colle à base de Al2O3/ZrSiO4. De telles bougies de mesure de température ont été préparées à la fois pour des essais en laboratoire et pour des applications sur les véhicules. Mais on a constaté que la colle utilisée pour bloquer les thermo-éléments avait un coefficient de dilatation très différent de la céramique de nitrure de silicium Si3N4 de l'élément chauffant. Il en a résulté la destruction au moins partielle de la colle et finalement des ruptures de matière. Pour résoudre ce problème non connu, on a proposé une bougie de préchauffage destinée à des moteurs à combustion interne, dont l'élément chauffant, en céramique comporte notamment une tige incandescente. Par exemple, l'élément chauffant céramique peut être un élément chauffant en nitrure de silicium avec comme matériau du nitrure de silicium Si3N4 totalement réalisé en nitrure de silicium. En variante ou en plus, on pouvait toutefois utiliser en principe également d'autres matières céramiques. En particulier, l'élément chauffant peut être réalisé comme bougie-crayon ou tige incandescente, c'est-à-dire un élément en forme de tige. Par exemple, la bougie-crayon peut avoir une forme cylindrique avec par exemple une section ronde, notamment circulaire 3 ou polygonale. En principe, on peut également envisager d'autres formes géométriques. La bougie de préchauffage ainsi proposée comporte au moins un capteur de température. En principe, on peut utiliser différents capteurs de température résistant aux températures caractéristiques que l'on rencontre dans les bougies de préchauffage telles que par exemple des températures d'incandescence allant jusqu'à 1300°C voire à 1500°C. Par exemple, comme capteurs de température, on pourra utiliser des résistances de mesure de température. De façon particulièrement avantageuse, on utilise des thermo-éléments comportant différents métaux reliés les uns aux autres et qui, sous l'effet d'une différence de température, génèrent une tension électrique par effet Seebeck. En variante ou en plus, on peut également utiliser d'autres types de capteurs de température. L'élément chauffant céramique comporte au moins un dégagement ou une cavité et le capteur de température est placé au moins en partie dans ce dégagement ou cavité. Le dégagement peut être par exemple une rainure et/ou une partie fraisée et/ou un méplat et/ou un perçage, réalisés dans l'élément chauffant en céramique. Il peut s'agir par exemple d'une rainure et/ou une partie fraisée s'étendant le long d'un segment de la bougie de préchauffage et/ou complètement sur toute la longueur de la bougie de préchauffage ou bougie-crayon et/ou jusqu'à la pointe de la bougie de préchauffage. On peut également envisager d'autres types de dégagement par exemple des dégagements ou des cavités ayant des géométries différentes qui sont en principe possibles telles que par exemple des cavités et/ou des perçages. Grâce à la simplicité de la réalisation et de l'extension possible sur une grande surface, suivant la longueur de la bougie-crayon, les rainures constituent toutefois la solution préférentielle. Le capteur de température est relié à l'élément chauffant céramique par une liaison par la matière en utilisant une matière de remplissage comportant au moins un composant céramique correspondant à l'élément chauffant céramique. En particulier, la matière de remplissage et l'élément chauffant céramique auront un coefficient de dilatation thermique pratiquement identique. L'expression 4 "coefficient de dilatation thermique pratiquement identique" désigne des coefficients de dilatation thermique qui ne diffèrent l'un de l'autre pas de plus de 20 % et de préférence de moins de 5 % et d'une manière notamment préférentielle de moins de 2 %. Le nitrure de silicium présente de manière caractéristique un coefficient de dilatation thermique de l'ordre de 2-4 • 10-6 K-1. L'élément chauffant céramique tel que décrit ci-dessus est réalisé au moins en partie en nitrure de silicium Si3N4. Il est particulièrement avantageux que la matière de remplissage soit formée au moins en partie de nitrure de silicium et/ou comporte du nitrure de silicium. La matière de remplissage peut s'utiliser notamment sous la forme d'un adhésif avec au moins un composant céramique, par exemple sous la forme d'un adhésif à base de nitrure de silicium. L'adhésif peut comporter également d'autres composants en plus des composants céramiques, par exemple des liants et/ou d'autres composants organiques que l'on peut éliminer par exemple par une ou plusieurs opérations de traitement thermique, notamment des opérations de frittage et/ou des opérations de décomposition. Cela permet de remplir la rainure et le capteur de température placé dans la rainure, par exemple par une opération de coulée et/ ou une opération de masticage et/ou autres types de mise en place de l'adhésif avec la matière de remplissage ou une matière première de la matière de remplissage. Selon ce procédé, on aura le cas échéant d'autres étapes, telles que par exemple des étapes de traitement thermique pour le démoulage et/ou le frittage. En variante ou en plus de l'utilisation d'un adhésif, on peut également prévoir d'autres types de fixation de la matière de remplissage et/ou du type de matière de remplissage. C'est ainsi que par exemple, on peut appliquer la matière de remplissage par un procédé de séparation en phase gazeuse chimique (procédé de dépôt chimique à la vapeur, procédé CVD) et/ou un procédé de dépôt physique en phase gazeuse (procédé de dépôt physique à la vapeur, PVD) et/ou appliquer la couche. De manière particulièrement avantageuse, pour appliquer la matière de remplissage, on utilise un procédé d'injection au plasma. Le procédé d'injection au plasma consiste à générer un jet de plasma habituellement avec un faisceau lumineux, c'est-à-dire de développer 5 un gaz ionique électrique. Dans ce jet de plasma on introduit de la poudre par exemple de la poudre céramique pour faire fondre au moins une partie à une température très élevée. Le courant électrique du plasma fait partiellement fondre les particules de poudre qui se déposeront sur la pièce revêtue. Comme poudre, on peut envisager une io poudre céramique ou un mélange de poudre céramique avec le cas échéant des additifs tels que par exemple des additifs organiques. L'expression "procédé de pulvérisation par plasma" dans le cadre de la présente invention, englobe les procédés de pulvérisation tels que par exemple la projection à la flamme, la projection par 15 détonation, la projection par gaz froid, la projection par arc électrique, l'application de poudre de plasma ou encore la projection laser. D'autres procédés de projection thermique peuvent également s'utiliser ou encore des combinaisons de tels procédés de pulvérisation thermique et autres procédés de ce type. L'expression "procédé de pulvérisation au plasma", 20 désigne de manière générale en principe un ou plusieurs procédés de pulvérisation thermique, l'utilisation d'un procédé de pulvérisation au plasma dans le sens proprement dit, c'est-à-dire d'un procédé selon lequel on génère un jet de plasma par un arc électrique est une solution particulièrement préférentielle. 25 En particulier, on utilise un procédé de projection par plasma mais également avec d'autres types de procédés d'application pour appliquer ou introduire la matière de remplissage, on peut former cette matière de remplissage pour qu'après introduction dans la bougie de préchauffage, on obtienne un gradient de porosité et/ou un gradient 30 de densité. En particulier, on peut donner à la matière de remplissage une porosité moindre dans la zone superficielle et une porosité plus élevée ou une densité plus élevée dans les zones en profondeur par rapport à celle de la zone de surface. En principe, on peut avoir une variation continue ou discontinue de la densité et/ou la porosité. 6 Pour mieux accrocher la matière de remplissage sur l'élément chauffant ou à la surface du dégagement, on peut rendre la surface de l'élément chauffant et/ou du dégagement totalement ou partiellement rugueuse et/ou munir cette surface totalement ou partiellement d'une couche isolante favorisant l'accrochage. Pour rendre rugueux, on appliquer un procédé de soufflage au jet de sable et/ou un procédé d'attaque chimique et/ou un procédé de structuration par laser. Les procédés pour rendre rugueux par un moyen mécanique sont en principe utilisables. On peut également envisager des combinaisons des procédés ci-dessus. Comme couches isolantes favorisant l'accrochage, on peut utiliser des couches inorganiques, constituant des couches intermédiaires, par exemple une couche intermédiaire céramique. Pour rendre rugueuse cette couche favorisant l'accrochage, on peut là encore utiliser différents procédés adaptés aux matières isolantes, tels que par exemple un procédé pour rendre rugueuse une matière céramique telle que l'impression et/ou le dépôt chimique en phase gazeuse et/ou le dépôt physique en phase gazeuse. Un procédé de pulvérisation au plasma peut là encore s'utiliser. L'invention concerne non seulement des bougies de préchauffage ayant les différentes caractéristiques présentées ci-dessus, mais également un procédé de fabrication d'une telle bougie de préchauffage, caractérisée en ce que - on réalise au moins un dégagement dans un élément chauffant céramique de la bougie de préchauffage, - on introduit au moins un capteur de température au moins en partie dans le dégagement, - on relie le capteur de température et l'élément chauffant céramique, par une liaison par la matière, - et pour cela on utilise une matière de remplissage comportant au moins un composant céramique de l'élément chauffant céramique. En d'autres termes, selon le procédé, on réalise au moins un dégagement dans l'élément chauffant céramique de la bougie de réchauffage et on y introduit au moins en partie un capteur de température. Le capteur de température et l'élément chauffant 7 céramique sont reliés par une liaison par la matière en utilisant une matière de remplissage ayant au moins un composant céramique de l'élément chauffant céramique. La bougie de préchauffage et le procédé selon l'invention, offrent de nombreux avantages par rapport aux bougies de préchauffage et à leur procédé de fabrication de l'état de la technique. Ainsi, les bougies de préchauffage telles que décrites peuvent s'utiliser à la fois pour des essais en laboratoire et pour des applications à un véhicule. Dans le cas des essais en laboratoire, on pourra faire en même temps des mesures de température par des mesures pyrométriques et des mesures des signaux fournis par le capteur de température. Le blocage du capteur de température et en particulier du thermo-élément par du nitrure de silicium (Si3N4) projeté par du plasma, donnera des coefficients de dilatation thermique analogues. Cela permet d'augmenter considérablement la durée de vie de bougies de préchauffage équipées d'un capteur de température, ce qui finalement se traduit par une réduction du coût et dans le cas des essais en laboratoire, cela permet d'élargir considérablement les connaissances. Les essais à long terme possibles dans un véhicule permettront de faire des diagnostics de la bougie de préchauffage et/ou d'améliorer la commande du moteur grâce à la température fournie par la bougie de préchauffage et en particulier dans la phase de démarrage à froid d'un moteur Diesel. Il en résultera une réduction de l'émission des matières polluantes. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de détail d'un crayon de préchauffage muni d'une rainure, - la figure 2 est une vue de détail d'une coupe de la rainure garnie du thermo-élément et munie de la liaison par la matière.35 8 Description de modes de réalisation La figure 1 est une vue de détail d'un élément chauffant céramique 110 sous la forme d'un crayon de préchauffage 112 d'une bougie de préchauffage 114. La bougie de préchauffage 114 est logée dans un boîtier 116 qui n'est indiqué que partiellement à la figure 1. Le crayon de préchauffage 112 a essentiellement une forme de tige avec une pointe arrondie 118 du côté opposé à celui du boîtier 116. Selon la figure 1, partant du boîtier 116, on a réalisé dans la bougie de préchauffage 114, un dégagement 120 sous la forme d'une rainure 122 et/ou d'une partie fraisée. Ce dégagement 120 reçoit un capteur de température 124 par exemple sous la forme d'un thermo-élément 126 comme le montre la vue en coupe de la figure 2. On pourra avoir un ou plusieurs contacts de branchement 128 arrivant par un passage dans le boîtier 116 pour y être reliés électriquement de manière appropriée. Après mise en place du capteur de température 124 dans le dégagement 120, on remplit le dégagement 120 au moins en partie d'une matière de remplissage 130 et on relie le capteur de température 124 à l'élément chauffant céramique 110 par une liaison par la matière. Pour cela, en option, on peut prévoir d'autres étapes telles que par exemple une ou plusieurs étapes de traitement thermique en particulier pour durcir la matière de remplissage 130. L'élément chauffant céramique 110 peut être par exemple un élément chauffant en céramique de nitrure de silicium. Dans ce cas, il est particulièrement avantageux que la matière de remplissage 130, contienne au moins en partie une charge de nitrure de silicium et/ ou du nitrure de silicium. Le remplissage du dégagement 120 peut se faire par exemple à l'aide d'une colle à base de nitrure de silicium Si3N4. En variante ou en plus, on peut également appliquer la matière de remplissage 130 par un procédé de dépôt chimique ou physique à la vapeur (procédé CVD ou procédé PVD) ou encore utiliser un procédé de projection au plasma. De façon générale, on utilise de préférence du nitrure de silicium comme matière de remplissage, notamment si 9 l'élément chauffant céramique 110 est réalisé totalement ou partiellement en nitrure de silicium. De façon particulièrement préférentielle, on utilise un procédé de projection au plasma pour introduire la matière de remplissage 130 dans le dégagement 120. Le procédé de projection au plasma permet également de régler une porosité progressive dans la matière de remplissage 130. Ainsi, la matière de remplissage 130 pourra avoir dans la partie la plus profonde, c'est-à-dire du côté tourné vers l'élément chauffant céramique 110, une porosité plus élevée que dans la zone de surface 132. En revanche, la zone de surface 132 pourra avoir une matière de remplissage 130 plus étanche qu'à l'intérieur. Cela permet de compenser la différence des coefficients de dilatation thermique de la matière du capteur de température 124 et de celle de l'élément chauffant céramique 110 et/ ou de la matière de remplissage 130, par exemple du nitrure de silicium, ce qui augmente la durée d'utilisation de la bougie de préchauffage 114. Pour remplir le dégagement 120 qui peut être par exemple un perçage dans la zone de la pointe 118, on utilisera dans tous les cas, une colle de nitrure de silicium Si3N4 car à cet endroit, le risque de brisure de la matière est significativement plus réduit que dans la zone latérale. On pourrait également fraiser tout le côté de l'élément chauffant céramique 110 pour permettre par exemple de réaliser un revêtement au plasma également dans la zone de la pointe 118. L'accrochage de la matière de remplissage 130 peut être amélioré en rendant préalablement rugueux le dégagement 120 par exemple en utilisant un procédé de projection de sable ou encore la gravure chimique, la structure par laser ou un procédé analogue pour rendre la surface rugueuse. En variante ou en plus, on peut appliquer une couche isolante favorisant l'accrochage à la surface 134 de l'élément chauffant céramique 110 dans la zone du dégagement 120.35 REVENDICATIONS1 °) Bougie de préchauffage (114), notamment destinée à être appliquée à un moteur à combustion interne, comprenant : - un élément chauffant céramique (110), notamment un crayon de préchauffage (112) et au moins un capteur de température (124), notamment au moins un thermo-élément (126), caractérisée en ce que - l'élément en céramique (110) comporte au moins un dégagement (120), - le capteur de température (124) est logé au moins partiellement dans le dégagement (120), et - le capteur de température (124) et l'élément chauffant céramique (110) sont reliés par une liaison par la matière, - on utilise une matière de remplissage (130) comportant au moins un composant céramique de l'élément chauffant céramique (110). 2°) Bougie de préchauffage (114) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière de remplissage (130) et l'élément chauffant céramique (110) ont un coefficient de dilatation thermique pratiquement identique. 3°) Bougie de préchauffage (114) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément chauffant céramique (110) est réalisé au moins en partie en nitrure de silicium, et la matière de remplissage (130) se compose au moins en partie de nitrure de silicium. 4°) Bougie de préchauffage (114) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière de remplissage (130) est une ou plusieurs des matières suivantes : - une colle avec au moins un composant céramique, notamment une colle à base de nitrure de silicium, - une matière de remplissage applicable par un procédé de dépôt en phase gazeuse, chimique et/ ou physique (130), 12 - une matière de remplissage (130) applicable par un procédé de projection au plasma. 5°) Bougie de préchauffage (114) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière de remplissage (130) présente un gradient de porosité et/ou un gradient de densité. 6°) Bougie de préchauffage (114) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la porosité de la matière de remplissage (130) dans une zone de surface (132), est inférieure à celle dans une zone plus profonde de la matière de remplissage (130). 7°) Bougie de préchauffage (114) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dégagement (120) a une surface (134) rendue rugueuse et/ou munie d'une couche isolante favorisant l'accrochage. 8°) Bougie de préchauffage (114) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dégagement (120) comporte au moins une rainure (122) et/ou une partie fraisée dans l'élément chauffant céramique (110), notamment une rainure (122) et/ou une partie fraisée et/ou un perçage arrivant jusqu'à la pointe (118) de l'élément chauffant (110). 9°) Procédé de fabrication d'une bougie de préchauffage (114), notamment selon l'une des revendications 1 à 8, procédé caractérisé en ce qu' - on réalise au moins un dégagement (120) dans un élément chauffant céramique (110) de la bougie de préchauffage (114), - on introduit au moins un capteur de température (124) au moins en partie dans le dégagement (120), - on relie par une liaison par la matière, le capteur de température (124) et l'élément chauffant céramique (110), 5- et pour cela on utilise une matière de remplissage (130) comportant au moins un composant céramique de l'élément chauffant céramique (110). 10