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Capteur de mesure de la pression régnant

dans un cylindre d'un véhicule automobile

La présente invention se rapporte au domaine des capteurs électroniques de mesure et concerne plus particulièrement un capteur de mesure de pression et un véhicule automobile comprenant un tel capteur.

L'invention trouve particulièrement son application dans le domaine des capteurs de mesure de pression montés sur les cylindres de moteur de véhicule automobile.

Dans un véhicule à moteur comprenant des cylindres fermés par une culasse pour la combustion du carburant, il est connu de monter pour chaque cylindre, à travers un orifice de la culasse, un capteur permettant de mesurer la pression des gaz dans ledit cylindre et de générer un signal représentant les variations de la valeur de cette pression dans le temps.

Ce signal est envoyé à un calculateur du véhicule afin de contrôler différents paramètres. Par exemple, le signal peut être utilisé par un calculateur pour décider du moment optimum d'injection du carburant dans le cylindre afin d'améliorer le fonctionnement du moteur et/ou réduire les émissions de polluants.

Comme illustré à la figure 1 , ce capteur 1 de mesure de pression comprend un corps tubulaire 2 s'étendant selon un axe longitudinal Xi et un élément sensible 3 aux variations de pression, monté dans ledit corps tubulaire 2.

L'élément sensible 3 comprend un module piézoélectrique 3A de conversion d'une contrainte mécanique en une tension électrique, un organe 3B de transmission de ladite contrainte mécanique au module piézoélectrique 3A et une bride 3C de réception du module piézoélectrique 3A et de l'organe de transmission 3B.

Cette bride 3C comprend une portion tubulaire 3C-1 , une membrane 3C-2 déformable élastiquement et un épaulement 3C-3.

Le module piézoélectrique 3A et l'organe de transmission 3B sont logés dans la portion tubulaire 3C-1 qui est elle-même montée de manière coaxiale dans le corps 2.

La membrane 3C-2 comprend une portion circulaire 3C-21 s'étendant transversalement dans la portion tubulaire 3C-1 de sorte à l'obstruer et une protubérance de liaison 3C-22 s'étendant depuis le centre de ladite portion circulaire 3C-21 selon l'axe longitudinal Xi afin de relier la membrane 3C-2 à l'organe de transmission 3B.

L'épaulement 3C-3 s'étend radialement, par rapport à l'axe longitudinal Xi, depuis la portion tubulaire 3C-1 pour permettre la fixation de la bride 3C sur le corps 2 par soudage au niveau d'une première soudure S _! .

Le capteur 1 comprend enfin une jupe 4 fixée par soudage sur l'épaulement 3C-3 au niveau d'une deuxième soudure S ₂ . Cette jupe 4 présente une „

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forme conique permettant de monter à force le capteur de mesure 1 dans un orifice de la culasse du véhicule.

En fonctionnement du capteur 1 , la membrane 3C-2 se déforme sous l'effet de la pression régnant dans le cylindre, générant ainsi une contrainte mécanique transmise par l'organe de transmission 3B au module piézoélectrique 3A qui la convertit en une tension électrique représentant la pression régnant dans le cylindre.

Un tel capteur 1 présente cependant des inconvénients.

Tout d'abord, un tel montage nécessite, d'une part, le soudage par laser de l'épaulement 3C-3 sur le corps 2 et, d'autre part, le soudage par laser de la jupe 4 sur l'épaulement 3C-3, ce qui peut s'avérer complexe, chronophage et coûteux.

De plus, la culasse peut se déformer sous l'effet de la température et des contraintes du moteur, ce qui peut alors entraîner une déformation du capteur 1 et notamment de la membrane 3C-2. Une telle déformation de la membrane 3C-2 est susceptible de perturber la transmission des contraintes mécaniques entre la membrane 3C-2 et le module piézoélectrique 3A et donc le fonctionnement du capteur 1.

Afin de pallier en partie cet inconvénient, il est connu de monter la membrane 3C-2 au niveau de l'épaulement 3C-3 afin de la rigidifier et de limiter ainsi les impacts d'une déformation du capteur 1 sur la membrane 3C-2.

Cependant, dans ce cas, lors du soudage de l'épaulement 3C-3 sur le corps 2 (soudure et du soudage (soudure S ₂ ) de la jupe 4 sur l'épaulement 3C-3, la chaleur dégagée par de tels soudages au niveau de l'épaulement 3C-3 se transmet à la membrane 3C-2 et peut en entraîner une déformation, ce qui présente là encore les inconvénients précités.

En outre, le montage à force du capteur 1 dans l'orifice de la culasse peut entraîner une déformation mécanique de la jupe 4 et de l'épaulement 3C-3, soumis à des efforts E, de sorte à déformer alors la membrane 3C-2, ce qui présente les inconvénients précités.

Il existe donc un besoin pour un capteur de pression dont l'assemblage est aisé et sans risque de déformation de la membrane.

A cet effet, l'invention concerne un capteur de mesure de la pression régnant dans un cylindre d'un véhicule automobile, ledit capteur comprenant un corps tubulaire s'étendant selon un axe longitudinal et un élément sensible aux variations de ladite pression, monté dans ledit corps tubulaire, ledit élément sensible comprenant un module piézoélectrique de conversion d'une contrainte mécanique en une tension électrique représentant la valeur de la pression régnant dans le cylindre, un organe de transmission de ladite contrainte mécanique au module piézoélectrique et une bride de réception du module piézoélectrique et de l'organe de transmission, ladite bride comprenant : • une portion tubulaire montée de manière coaxiale dans le corps et dans laquelle sont logés l'organe de transmission et le module piézoélectrique,

• une membrane, déformable élastiquement pour générer une contrainte mécanique sous l'effet de ladite pression, s'étendant au centre de la portion tubulaire et étant reliée, d'une part, à ladite portion tubulaire au niveau d'une zone de liaison et, d'autre part, au module piézoélectrique par ledit organe de transmission, et

• une portion de fixation de la bride sur le corps s'étendant radialement, par rapport à l'axe longitudinal, depuis la portion tubulaire,

le capteur étant remarquable en ce que la zone de liaison et la portion de fixation sont séparés d'une distance non nulle selon l'axe longitudinal et en ce que la bride comprend, entre la zone de liaison et la portion de fixation, une portion d'absorption d'une déformation mécanique.

Grâce au capteur selon l'invention, la portion d'absorption se déforme lorsque la bride est soumise à des efforts. La portion d'absorption étant située entre la zone de liaison de la membrane et la portion de fixation de la bride sur le corps, la membrane est alors protégée des efforts auxquels la portion de fixation est soumise. Un tel capteur est ainsi protégé des dysfonctionnements liés à la transmission des contraintes mécaniques depuis la membrane.

De préférence, la distance séparant la zone de liaison et la portion de fixation est supérieure à 1 ,5 mm afin de protéger la membrane des variations de température de la portion de fixation.

De préférence encore, la portion d'absorption présente au moins une épaisseur inférieure à l'épaisseur de la portion tubulaire qui se situe au niveau de la zone de liaison afin que la portion tubulaire se déforme au niveau de la portion d'absorption lorsqu'elle est soumise à des efforts, protégeant ainsi la membrane des déformations.

De manière avantageuse, la portion d'absorption présente une épaisseur minimale inférieure à 0,5 mm.

Avantageusement encore, la portion d'absorption s'étend selon l'axe longitudinal sur une distance supérieure à 0,5 mm.

Selon une caractéristique de l'invention, la portion de fixation et la portion d'absorption sont issues de matière de la portion tubulaire afin d'être aisées à fabriquer.

Dans une première forme de réalisation, le capteur comprend une jupe conique soudée à la portion de fixation, la portion de fixation s'étend selon l'axe longitudinal d'une épaisseur inférieure à 0,5 mm afin de souder la jupe et la portion de fixation au corps grâce à une unique soudure laser. .

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Dans une deuxième forme de réalisation, le capteur comprend une jupe conique, ladite jupe étant issue de matière de la portion de fixation afin d'être aisée à fabriquer.

L'invention concerne également un véhicule comprenant une culasse, comprenant au moins un cylindre, et au moins un capteur de mesure, tel que présenté précédemment, de la pression à l'intérieur dudit cylindre, ledit capteur étant monté dans ladite culasse.

L'invention concerne aussi un procédé d'assemblage d'un capteur de mesure tel que présenté précédemment comprenant une unique étape de soudure de la jupe et de la portion de fixation sur le corps tubulaire. Une unique soudure laser permet avantageusement une fabrication aisée et rapide du capteur tout en limitant les risques de déformation de la membrane par la chaleur dégagée lors du soudage.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et se référant aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un capteur de pression selon l'art antérieur,

- la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une forme de réalisation du capteur de pression selon l'invention,

- la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une deuxième forme de réalisation du capteur selon l'invention.

Il faut noter que les figures exposent l'invention de manière détaillée pour sa mise en oeuvre, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l'invention le cas échéant.

Le capteur selon l'invention est destiné à être monté sur une culasse d'un véhicule automobile afin de mesurer la pression des gaz contenus dans un cylindre de ladite culasse. A cette fin, le capteur est configuré pour être introduit dans un orifice (non représenté) de la culasse débouchant, d'un côté, dans un cylindre et, d'un autre côté, à l'extérieur de la culasse.

Un tel capteur transforme de manière connue la contrainte mécanique générée par la pression régnant dans le cylindre en un signal électrique représentatif de ladite pression qui est envoyé à un calculateur de bord du véhicule afin d'optimiser différents paramètres de fonctionnement du véhicule tels que, par exemple, sa consommation en carburant.

En référence à la figure 2, il est représenté une première forme de réalisation d'un capteur 10 de mesure de pression selon l'invention.

Le capteur 10 comprend tout d'abord un corps tubulaire 20 de forme allongée s'étendant selon un axe longitudinal Xi ₀ entre une extrémité de préhension (non _

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représentée) et une extrémité de mesure 20A, et comprenant une surface intérieure 20B sensiblement cylindrique délimitant une cavité intérieure 20C.

L'extrémité de préhension est utilisée pour le montage et le démontage du capteur 10 dans l'orifice de la culasse par vissage et dévissage depuis l'extérieur de la culasse. Pour réaliser un tel montage, le corps 10 présente un filetage (non représenté) sur une portion de sa surface extérieure coopérant avec un taraudage de l'orifice.

L'extrémité de mesure 20A est configurée pour recevoir un élément 30 sensible aux variations de la pression des gaz dans le cylindre.

Cet élément sensible 30 est monté à la fois à l'extrémité de mesure 20A et dans la cavité intérieure 20C du corps tubulaire 20.

A cette fin, l'extrémité de mesure 20A présente une surface circulaire de soudage de l'élément sensible 30 sur le corps tubulaire 20 s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal X ₁₀ et permettant notamment le blocage de l'élément sensible 30 dans le corps tubulaire 2 selon l'axe longitudinal Xi ₀ .

Afin de mesurer la pression régnant dans un cylindre, l'élément sensible 30 comprend un module piézoélectrique 30A, un organe de transmission 30B et une bride 30C.

La bride 30C est agencée, d'une part, pour recevoir le module piézoélectrique 30A et l'organe de transmission 30B et, d'autre part, pour recevoir une contrainte mécanique générée par la pression régnant dans le cylindre.

L'organe de transmission 30B s'étend longitudinalement selon l'axe longitudinal Xi ₀ et est agencé pour se déplacer selon ledit axe longitudinal Xi ₀ sous l'effet d'une contrainte mécanique reçue par la bride 30C afin de la transmettre au module piézoélectrique 30A.

Le module piézoélectrique 30A est configuré pour convertir une contrainte mécanique transmise par l'organe de transmission 30B en une tension électrique représentative de la valeur de la pression régnant dans le cylindre. Le fonctionnement d'un tel module piézoélectrique 30A étant connu de l'homme du métier, il ne sera pas présenté plus en détail.

La bride 30C va maintenant être davantage décrite en détail. La bride 30C comprend une portion tubulaire 30C-1 , une membrane 30C-2 s'étendant dans ladite portion tubulaire 30C-1 et une portion 30C-3 de fixation de la bride 30C au corps de capteur 2.

La portion tubulaire 30C-1 s'étend longitudinalement selon l'axe X ₀ et définit une espace intérieur creux 30C-1 1 dans lequel sont logés l'organe de transmission 30B et le module piézoélectrique 30A. La portion tubulaire 30C-1 comprend une zone de liaison 30C-12 de la membrane 30C-2 sur la portion tubulaire 30C-1 dans l'espace „

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intérieur creux 30C-1 1. De préférence, la portion tubulaire 30C-1 présente, au niveau de la zone de liaison 30C-12, une épaisseur de l'ordre de 0,8 mm afin de rigidifier la membrane 30C-2.

La membrane 30C-2 comprend une portion circulaire 30C-21 s'étendant transversalement dans la portion tubulaire 30C-1 de sorte à l'obstruer et une protubérance de liaison 30C-22 s'étendant depuis le centre de ladite portion circulaire 30C-21 selon l'axe longitudinal Χ _Ί0 afin de relier la membrane 30C-2 à l'organe de transmission 30B. La portion circulaire 30C-21 présente une épaisseur faible, de l'ordre de 0,3 mm, permettant sa déformation élastique sous l'effet de la pression régnant dans le cylindre.

Dans une forme préférée de réalisation du capteur selon l'invention, la membrane 30C-2 est issue de matière de la portion tubulaire 30C-1. Il a été présenté une membrane 30C-2 issue de matière de la portion tubulaire 30C-1 , mais il va de soi que la membrane 30C-2 pourrait être une pièce distincte montée dans l'espace intérieur de la portion tubulaire 30C-1 , par exemple par collage, vissage, soudage etc. De même, la membrane peut être de forme aplatie, s'étendant alors radialement à l'axe longitudinal Xio, ou bien de forme concave ou convexe.

La portion de fixation 30C-3 s'étend radialement, par rapport à l'axe longitudinal X ₁₀ , depuis la portion tubulaire 30C-1 et permet la fixation par soudage de la bride 30C sur le corps 20 au niveau d'une soudure S ₁₀ . Plus particulièrement, la portion de fixation 30C-3 est adaptée pour venir en contact avec la surface de fixation du corps tubulaire 2 afin d'être soudées pour assembler le capteur 10. La portion de fixation 30C-3 présente une épaisseur, selon l'axe longitudinal X ₁₀₎ inférieure à 0,8 mm, de préférence de l'ordre de 0,4 mm.

Selon un aspect de l'invention, la zone de liaison 30C-12 de la membrane 30C-2 et la portion de fixation 30C-3 sont séparées d'une distance selon l'axe longitudinal Xi ₀ non nulle, de préférence supérieure à 1 ,5 mm. Une telle distance de séparation permet avantageusement de protéger la membrane 30C-2 des déformations éventuelles de la portion de fixation 30C-3 et notamment de la chaleur dégagée lors du soudage de la portion de fixation 30C-3 sur le corps tubulaire 20.

Selon un autre aspect de l'invention, la portion tubulaire 30C-1 présente, entre la zone de liaison 30C-12 et la portion de fixation 30C-3, une portion d'absorption 30C-4. Cette portion d'absorption 30C-4 présente une épaisseur réduite par rapport à l'épaisseur de la portion tubulaire 3C-1 qui se situe au niveau de la zone de liaison 30C-12. De préférence, l'épaisseur au niveau de la portion d'absorption 30C-4 diminue progressivement jusqu'à atteindre une épaisseur inférieure à 0,5 mm. L'épaisseur de la portion tubulaire 30C-1 est ainsi réduite sur une longueur, selon l'axe longitudinal X ₁₀ , de l'ordre de 0,5 mm. Une telle portion d'absorption 30C-4 permet une déformation de la portion tubulaire 30C-1 lorsque la portion de fixation 30C-3 est soumise à des efforts tout en évitant que cette déformation ne se propage jusqu'à la membrane 30C-2.

Pour permettre le montage à force du capteur 10 dans l'orifice de la culasse, le capteur comprend une jupe 40. La jupe 40 présente une zone de fixation à la bride 30C et une portion conique 41 permettant le montage à force du capteur 1 dans l'orifice de la culasse.

La jupe 40 est montée sur la bride 30C au niveau de la portion de fixation 30C-3, du côté opposé au corps tubulaire 2. Ainsi, la portion de fixation 30C-3 est reliée, d'une part, au corps tubulaire 2 et, d'autre part, à la jupe 40. La jupe 40 est de préférence soudée à la bride 30C.

Afin de permettre le contact de la membrane 30C-2 avec les gaz du cylindre, la jupe 40 délimite une ouverture cylindrique 42 en son centre.

Il a été présenté une jupe 40 montée sur la bride 30C, cependant, dans une deuxième forme de réalisation et en référence à la figure 3, la jupe 30C-5 peut être issue de matière de la portion de fixation 30C-3 tout en présentant les mêmes formes et dimensions que dans la première forme de réalisation du capteur 10 présentée précédemment.

Dans la suite de la description, il va être présenté une mise en œuvre du procédé de fabrication du capteur 10 décrit précédemment.

Lors du montage du capteur 10 selon l'invention, l'élément sensible 30 est tout d'abord assemblé. Pour ce faire, le module piézoélectrique 30A et l'organe de transmission 30B sont montés dans l'espace intérieur 30C-11 de la bride 30C, l'organe de transmission 30B étant en contact, d'une part, avec la membrane 30C-2 au niveau de la protubérance de liaison 30C-22, et, d'autre part, avec le module piézoélectrique 30A.

L'élément sensible 30 est ensuite monté de manière coaxiale dans le corps tubulaire 2 de sorte que la portion de fixation 30C-3 soit en contact avec l'extrémité de mesure 20A du corps 2.

Pour rendre l'ensemble solidaire, la portion de fixation 30C-3 et le corps 2 sont soudés ensemble par soudage laser au niveau d'une soudure S ₁₀ . Avantageusement, la zone de liaison 30C-12 de la membrane 30C-2 étant séparée de la portion de fixation 30C-3, la chaleur dégagée par la soudure S ₁₀ ne déforme pas ladite membrane 30C-2.

Dans le cas où le capteur 10 comprend une jupe 40 rapportée, celle-ci est montée sur le la bride 30C au niveau de la portion de fixation 30C-3. Pour ce faire, la jupe 40 est soudée à la portion de fixation 30C-3 du côté opposé au corps 2. Un cordon d'une soudure laser présentant une largeur de l'ordre de 0,8 mm, l'épaisseur de la portion de fixation 30C-3 est avantageusement inférieure ou égale à 0,5 mm afin de permettre de souder le corps tubulaire 2 et la jupe 40 à la portion de fixation 30C-3 grâce à une unique soudure S ₀ . Ainsi, les risques de déformation de la membrane 30C-2 sous l'effet de la chaleur dégagée lors de la soudure sont réduits et le procédé de montage du capteur est rapide et aisé.

Le capteur 10 ainsi assemblé est alors introduit dans l'orifice de la culasse par l'extrémité conique 30C-5, 41. Le corps tubulaire 2 est vissé dans ledit orifice afin de monter à force le capteur 10 dans l'orifice. Les efforts dus au montage à force de l'extrémité conique 30C-5, 41 par vissage de l'extrémité de préhension du corps 2 sont avantageusement absorbés par la déformation de la portion d'absorption 30C-4 de la portion tubulaire 30C-1 de la bride 30C. Aussi, la membrane 30C-2 est protégée et n'est pas déformée durant cette opération de montage.

En fonctionnement du capteur 0, la membrane 30C-2 se déforme sous l'effet de la pression, générant ainsi une contrainte mécanique transmise par l'organe de transmission 30B au module piézoélectrique 30A qui la convertit en une tension représentant la pression au sein du cylindre.

Il est à noter enfin que la présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus et est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. Notamment, les formes et les dimensions de la zone de liaison 30C-12, de la portion de fixation 30C-3, de la portion d'absorption telles que représentées sur les figures de façon à illustrer un exemple de réalisation de l'invention, ne sauraient être interprétées comme limitatives.