Bougie de préchauffage à capteur de pression intégré et corps d'une telle bougie de préchauffage

La présente invention concerne une bougie de préchauffage à capteur de pression intégré ainsi qu'un corps d'une telle bougie de préchauffage.

Dans un moteur à combustion interne, notamment un moteur de type Diesel, chaque cylindre comporte une bougie de préchauffage qui permet de réchauffer l'intérieur de la chambre de combustion correspondante, notamment au démarrage du moteur. Cette bougie de préchauffage est disposée dans un alésage taraudé qui traverse la tête de culasse du moteur. Cette bougie de préchauffage comporte alors un corps fileté adapté à être monté dans l'alésage correspondant de la tête de culasse et un doigt dans lequel est logée une électrode de préchauffage.

Il est également connu d'intégrer un capteur de pression à une telle bougie de préchauffage. En effet, on a remarqué que la connaissance de Ia valeur de la pression à l'intérieur de chaque cylindre permettait de mieux contrôler le déroulement de la combustion au cœur de ce moteur. Cette information est alors utilisée pour réguler l'injection de carburant dans chacun des cylindres. Les émissions polluantes du moteur peuvent ainsi être réduites et la consommation optimisée.

Dans les bougies de préchauffage de l'art antérieur intégrant un capteur de pression, ce dernier est logé dans une partie du corps de la bougie appelée tête de bougie ou monté sur cette tête de bougie. Cette dernière est la partie du corps de la bougie se trouvant à l'extérieur du cylindre. Le document EP- 1 096 141 révèle par exemple une telle bougie de préchauffage.

Dans ces bougies de préchauffage, il convient de transmettre la pression qui règne à l'intérieur du moteur dans le cylindre correspondant jusqu'au capteur de pression disposé à l'extérieur du moteur, dans ou sur la tête de la bougie de préchauffage. Différents montages ont été présentés de manière à ce que les forces exercées sur le doigt de la bougie de préchauffage se trouvant dans le cylindre soient retransmises au capteur de pression. Différentes pièces mécaniques sont alors intercalées entre le capteur de pression et le doigt de la bougie. Ces diverses pièces intercalaires influent sur la mesure réalisée.

En outre, du fait de sa position, le capteur de pression de telles bougies

de préchauffage est également soumis à des vibrations extérieures. Des contraintes dans la tête de culasse peuvent également venir perturber les mesures effectuées par le capteur de pression d'une telle bougie de préchauffage.

Les bougies de l'art antérieur présentent ainsi l'inconvénient de nécessiter un ajustage mécanique précis lors de leur montage, ce qui entraîne un prix de revient élevé. De plus, malgré tout le soin apporté au montage mécanique, des forces parasites viennent perturber la mesure réalisée par le capteur de pression.

La présente invention a alors pour but de fournir des moyens permettant de mesurer au mieux la pression régnant à l'intérieur d'un cylindre d'un moteur à combustion interne sans être influencé notamment par les déformations et contraintes dans la tête de culasse, les forces dues à la dilatation et aux variations de température, etc.... La mesure de pression doit également s'effectuer dans un milieu hostile (hautes températures, fortes pressions, présence de particules, etc...) tout en étant fiable.

A cet effet, l'invention propose une bougie de préchauffage comportant :

- un corps tubulaire présentant d'une part à l'une de ses extrémités une tête de bougie et d'autre part une zone de fixation présentant des moyens permettant sa fixation dans un alésage,

- un doigt monté sur le corps de la bougie à l'extrémité opposée à la tête de bougie, et

- un capteur de pression.

Pour une telle bougie, la présente invention prévoit que le doigt est fixé au corps de bougie de manière à être solidaire de celui-ci dans une zone de liaison, que le corps de bougie présente entre sa zone de liaison avec le doigt et sa zone de fixation dans un alésage une partie déformable élastiquement de telle sorte que ladite zone de liaison est mobile et peut se déplacer longitudinalement par rapport à la zone de fixation dans un alésage supposée fixe, et que le capteur de pression est disposé entre d'une part un élément solidaire de la zone de liaison et d'autre part un élément fixe de la bougie.

De cette manière, la partie déformable élastiquement agit comme une membrane qui dissocie le corps de la bougie en deux parties, une partie fixe destinée à être montée dans une tête de culasse et une partie mobile soumise à la

pression régnant dans un cylindre du moteur correspondant. Cette membrane peut se déformer et la partie mobile se déplace longitudinalement. Ce mouvement, qui est une fonction de la pression, est alors transmis au capteur de pression qui peut ainsi donner une indication sur la pression exercée sur le doigt de la bougie. Grâce à cette nouvelle conception, la mesure du capteur de pression n'est plus perturbée par des vibrations parasites ou des forces de contraintes dues par exemple au serrage de la bougie de préchauffage dans Ia culasse correspondante. En effet, le mouvement de la membrane n'est pas affecté par les contraintes régnant dans la tête de culasse ou dans le reste du corps de la bougie. Une forme de réalisation préférée prévoit que la partie déformable élastiquement est une zone annulaire s'étendant dans un plan transversal au corps de la bougie. De cette manière, des variations de température, qui entraînent une dilatation de la partie élastiquement déformable, n'influent pas sur le mouvement longitudinal de la partie mobile de la bougie de préchauffage. Dans une bougie de préchauffage selon l'invention, la partie déformable élastiquement peut être par exemple obtenue par amincissement de matière.

Une forme de réalisation compacte d'une bougie de préchauffage selon l'invention est une forme de réalisation dans laquelle le corps tubulaire présente sur sa surface extérieure un cône d'étanchéité destiné à réaliser l'étanchéité entre la bougie de préchauffage et une tête de culasse, et dans laquelle la partie déformable élastiquement est voisine dudit cône d'étanchéité.

Dans une variante de réalisation de l'invention, le montage du capteur de pression est tel que ce capteur est monté entre d'une part une pièce d'appui fixe par rapport à la zone de fixation et d'autre part une pièce solidaire du doigt, mobile avec la zone de liaison. Dans cette variante, on peut prévoir aussi que la pièce d'appui fixe est située entre la partie déformable élastiquement et le capteur de pression, et que la pièce solidaire du doigt est fixée sur une âme alimentant le doigt en énergie en étant précontrainte sur le capteur. La pièce solidaire du doigt précitée est par exemple une bague soudée sur l'âme. Il pourrait encore s'agir par exemple d'un écrou vissé sur l'âme, maintenu éventuellement par un contre-écrou. Un capteur piézo-électrique est particulièrement bien adapté pour servir de capteur de pression dans une bougie de préchauffage selon l'invention.

Dans une bougie de préchauffage selon l'invention, le capteur de pression est de préférence disposé dans le corps tubulaire au niveau de la zone

de fixation de la bougie dans un alésage. Le capteur peut alors être très près du cylindre, ce qui est favorable pour réaliser une bonne mesure de pression.

La présente invention concerne également un corps de bougie de préchauffage présentant d'une part à l'une de ses extrémités une tête de bougie et d'autre part une zone de fixation présentant des moyens permettant sa fixation dans un alésage, caractérisé en ce qu'il présente entre sa zone de liaison avec le doigt et sa zone de fixation dans un alésage une partie déformable élastiquement de telle sorte que ladite zone de liaison est mobile et peut se déplacer longitudinalement par rapport à la zone de fixation dans un alésage supposée fixe. Dans un tel corps de bougie de préchauffage, la partie déformable élastiquement est de préférence une zone annulaire s'étendant dans un plan transversal au corps de la bougie.

La présente invention concerne enfin un moteur à combustion interne, notamment moteur de type Diesel, qui comporte une bougie de préchauffage telle que décrite ci-dessus.

Des détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels :

La figure 1 est une vue extérieure d'une bougie selon l'invention, La figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la partie inférieure du capteur de pression de la figure 1 , et

La figure 3 est une vue de détail d'une membrane d'une bougie de préchauffage selon l'invention et de son capteur de pression.

Sur les figures 1 et 2, on reconnaît une bougie de préchauffage comportant de manière connue de l'homme du métier un corps 2, un doigt 4, une âme 6 et un capteur de pression 8.

Le corps 2 est de forme tubulaire et présente plusieurs segments cylindriques circulaires. A une première extrémité, appelée tête de bougie 10, le corps de bougie présente une zone de préhension avec une surface extérieure de section transversale hexagonale. Cette zone de préhension est utilisée pour le montage et démontage.de la bougie de préchauffage par vissage/dévissage. Pour réaliser ce montage, une zone filetée 12, adjacente à la tête de bougie 10, est prévue. Un taraudage correspondant est prévu dans une tête de culasse d'un moteur pour coopérer avec la zone filetée 12. Afin de parfaire l'étanchéité entre la

tête de culasse et la bougie de préchauffage, il est également prévu de réaliser sur le corps 2 un cône d'étanchéité 14. Ce cône vient coopérer avec une surface conique complémentaire réalisée dans la tête de culasse et assure par ajustement de formes une excellente étanchéité entre les deux pièces. Du côté opposé à la tête de bougie, le corps 2 de bougie porte le doigt

4 de celle-ci. Ce doigt est destiné à prendre place dans une chambre de combustion du moteur correspondant. Ce doigt 4 forme l'élément chauffant de la bougie de préchauffage.

De préférence, comme représenté aux dessins, le doigt 4 est un doigt en céramique. Ce type de doigt est connu de l'homme du métier et n'est pas décrit plus en détail ici. Il permet d'avoir un élément chauffant de taille réduite. Ce doigt 4 est alimenté en courant électrique par l'âme 6 qui traverse tout le corps 2 de la bougie. Au niveau de la tête de bougie 10, une connexion (non représentée) est prévue afin de permettre de relier l'âme 6 à une source de courant électrique. L'extrémité du corps 2 de bougie, opposée à la tête de bougie, porte le doigt 4. Cette extrémité est une zone de section cylindrique circulaire dont le diamètre intérieur est adapté au diamètre extérieur du doigt 4. La fixation du doigt 4 sur l'extrémité 16 du corps 2 de bougie est réalisée par exemple par brasage. Le brasage peut être réalisé sur toute la hauteur de l'extrémité 16 dont le diamètre est adapté au diamètre du doigt 4. Le brasage permet de rendre le doigt 4 solidaire de l'extrémité 16 du corps 2 de bougie. D'autres techniques pourraient être utilisées ici pour solidariser le doigt 4 à l'extrémité 16 du corps 2. Pour favoriser le brasage, on peut prévoir que la partie inférieure du corps 2 de bougie comprenant l'extrémité 16 est réalisée dans un matériau adapté. Ce matériau présente de préférence un coefficient de dilation proche de celui de la céramique utilisée pour la réalisation du doigt 4. Ainsi, le corps 2 de bougie peut être un assemblage de plusieurs pièces. Sur la figure 3, on remarque que le corps 2 représenté comporte un plan de jonction correspondant à l'assemblage de deux pièces soudées l'une à l'autre pour former le corps 2. L'extrémité 16 du corps 2 de bougie forme une zone de liaison entre le corps 2 de bougie et le doigt 4. Cette zone de liaison est raccordée au reste du corps 2 de bougie par une partie du corps déformable élastiquement, cette partie élastique étant appelée par la suite membrane 18. Le raccord de l'extrémité 16 au reste du corps 2 de bougie est réalisé, par l'intermédiaire de la membrane 18, au

niveau du cône d'étanchéité 14.

La membrane 18 se présente sous la forme d'une rondelle annulaire disposée dans un plan perpendiculaire à l'axe du corps 2 de bougie. L'épaisseur de la membrane (mesurée longitudinalement) est par exemple de l'ordre de 0,3 mm. Cette épaisseur est moindre que l'épaisseur de la paroi du corps 2. Cette dernière épaisseur peut être par exemple comprise entre 0,5 mm et 1 mm. La largeur de cette membrane 18 est de l'ordre de 0,5 mm. Dans cet exemple numérique, cela signifie que la différence entre le rayon extérieur de la membrane 18 et le rayon intérieur de celle-ci est de 0,5 mm. Comme on peut le constater sur la figure 3, le bord extérieur de grand diamètre de la membrane 18 se raccorde au cône d'étanchéité 14. La partie du corps 2 de bougie se trouvant entre ce cône d'étanchéité 14 et la zone filetée 12, incluant cette zone filetée, est une zone rigide. Cette zone est montée dans la tête de culasse correspondante et on suppose qu'elle est fixe. Lorsque des efforts axiaux sont exercés sur le doigt 4, la membrane 18 fléchit et le doigt 4, de même que l'extrémité 16 du corps 2, se déplacent longitudinalement. On trouve ainsi d'un côté de la membrane 18 une zone supposée fixe du corps 2 de bougie et d'un autre côté une zone mobile. La membrane 18 réalise ainsi un découplage entre ces deux zones. Lorsqu'une pression est exercée à l'intérieur du cylindre correspondant, cette pression exerce sur le doigt 4 une force tendant à le faire rentrer dans le corps 2 de bougie. La mesure de cette pression est effectuée par la capteur de pression 8. Il s'agit d'un capteur piézo-électrique.

Le capteur de pression 8 est monté entre d'une part une pièce fixe, solidaire de la partie immobile du corps 2 de bougie, et d'autre part une pièce mobile, solidaire du doigt 4.

La pièce fixe est appelée par la suite interface 20. Il s'agit d'un élément tubulaire de forme cylindrique circulaire. Sa forme et ses dimensions sont adaptées pour d'une part pouvoir être logé à l'intérieur du corps 2 tubulaire et d'autre part laisser le passage à l'âme 6. Cet interface 20 prend place dans le corps 2 de bougie juste au dessus du cône d'étanchéité 14. Cette pièce est donc très proche du doigt 4. Un siège 22 est prévu dans la surface intérieure du corps 2 de bougie pour recevoir l'interface 20.

Le capteur de pression 8 vient prendre place sur l'interface 20, c'est-à-

dire du côté de la tête de bougie 10. De façon classique, un élément électriquement isolant 24 est disposé entre l'interface 20 et le capteur piézoélectrique 8. Ce capteur comprend un élément piézo-électrique 26 disposé entre deux éléments de contact 28 en matériau conducteur d'électricité. Chacun de ces éléments de contact 28 est muni d'une grille de connexion (connue généralement sous le nom anglais "lead frame") surmoulée en forme de portion de cylindre. Ces grilles de connexion ne sont pas représentées aux dessins. On peut ici aussi prévoir des pattes de connexion plus classiques.

Au dessus du capteur de pression 8 se trouve la pièce mobile évoquée ci-dessus. Il s'agit ici d'une bague 30. Cette dernière est isolée électriquement du capteur de pression 8 également par l'intermédiaire d'un élément électriquement isolant 24. La bague 30 est soudée sur l'âme 6, par exemple par soudure laser.

A l'état de repos, lorsqu'aucune pression n'est exercée sur le doigt 4, le capteur de pression 8 est sous contrainte. Lorsqu'une pression est exercée sur le doigt 4, la contrainte au niveau du capteur de pression diminue et ce capteur de pression 8 mesure cette variation de contrainte.

Comme on peut le remarquer, le capteur de pression est disposé de manière à être très proche de la chambre de combustion. Il se trouve très près du doigt 4. De cette manière, le montage du capteur est simplifié. La mesure faite par ce capteur en est d'autant plus précise. Lorsque la bougie de préchauffage est montée dans un moteur, le capteur de pression se trouve à l'intérieur de la tête de culasse. Par rapport à la bougie de préchauffage, il se trouve au niveau de la zone de fixation (entre le cône d'étanchéité 14 et la zone filetée 12) dans laquelle est réalisée la liaison entre la bougie de préchauffage et la tête de culasse. Le capteur de pression 8 de la bougie de préchauffage décrite ci- dessus est insensible aux contraintes régnant dans la tête de culasse. Ces diverses contraintes ne viennent donc pas influencer la mesure faite par ce capteur.

Le capteur de pression se trouve également isolé des particules et autres impuretés se trouvant dans la chambre de combustion correspondante. La liaison entre l'extrémité 16 et le doigt 4 est parfaitement étanche et empêche donc toute migration de particules vers le capteur de pression.

Comme indiqué plus haut, la membrane 18 est placée de préférence dans un plan transversal par rapport au corps 2 de la bougie. L'ensemble mobile,

comprenant notamment le doigt 4, peut alors se déplacer de haut en bas (on suppose ici la bougie en position verticale, la tête de la bougie se trouvant en haut) en fonction de la pression régnant dans le cylindre correspondant et s'exerçant sur le doigt 4. Ce déplacement de la membrane est transmis à l'élément piézo-électrique 26 par l'intermédiaire de l'âme 6 de la bougie.

Dans la forme de réalisation représentée, l'interface 20 est très proche du doigt 4. Toutefois, un intervalle existe entre ces deux pièces. Cet intervalle est suffisant pour ne pas gêner les mouvements du doigt 4. On prévoit alors un intervalle entre le doigt 4 et l'interface 20 bien supérieur à l'amplitude du mouvement du doigt 4.

De préférence, la mesure de pression effectuée est indépendante de la température. Pour ce faire, on choisit de préférence pour réaliser la membrane 18 un alliage dont l'élasticité ne varie pas dans les plages de température auxquelles la membrane est soumise. De même, l'élément piézo-électrique 26 est choisi de telle sorte que sa sensibilité est indépendante de la température. Pour résister aux températures relativement élevées à laquelle le capteur de pression est soumis, l'élément piézoélectrique 26 se présente par exemple sous la forme d'un monocristal. Il est toutefois également possible d'utiliser des polycristaux présentant une température de Curie élevée, par exemple supérieure à 500 ⁰ C.

On remarque aisément que dans la forme de réalisation préférentielle représentée, dans laquelle la membrane s'étend transversalement, c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à la direction de mesure du capteur de pression 8, une dilation de la membrane 18 est sans effet sur la contrainte appliquée sur l'élément piézo-électrique 26.

La présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite ci-dessus et aux variantes évoquées. Elle concerne également tous les modes de réalisation à la portée de l'homme du métier.

Ainsi, par exemple, toutes les données numériques indiquées le sont uniquement à titre illustratif et non limitatif.

Dans la forme de réalisation décrite, le capteur de pression est disposé très près du doigt formant l'élément chauffant de la bougie de préchauffage. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en éloignant le capteur de pression de ce doigt.

Le capteur de pression décrit est un capteur piézo-électrique monté en précontrainte. Une autre forme de réalisation, où l'élément piézo-électrique travaille par exemple en compression, est également envisageable.

La membrane décrite est obtenue de préférence par amincissement de matière. Toutefois si la paroi du corps de la bougie est relativement fine, une zone de déformation élastique, permettant un mouvement longitudinal, peut être obtenue sans amincissement. Une forme appropriée du corps de la bougie permet l'obtention de cette membrane.

La position de la membrane déformable élastiquement peut être différente de celle décrite ci-dessus. La forme de réalisation préférée décrite permet une construction compacte de la bougie de préchauffage. Dans certains cas, une conception moins compacte peut être envisagée. On peut alors par exemple prévoir un corps de bougie présentant un premier épaulement au niveau duquel se trouve la membrane déformable élastiquement et un second épaulement avec un cône d'étanchéité.