Développement, caractérisation et optimisation d'un capteur de pression intégré sur une bougie d'allumage

Concept, development and characterization of in-cylinder pressure sensor integrated into a spark plug

• Auteur / Autrice : Bernard Kamel
• Direction : Alain Giani, Philippe Combette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 22/04/2011
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : André Chrysochoos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Giani, Philippe Combette, Bertrand Vaysse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Basrour Skandar, Emmanuel Leclezio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Carburants -- Consommation

Moteurs à explosion -- Combustion

Véhicules automobiles -- Capteurs

Mots clés libres

Capteurs automobiles

Pression cylindre

Contrôle de combustion

Jauges de contraintes

Pressure sensor

Combustion control

Strain gauges

Résumé

Les récentes normes environnementales et les demandes de réduction des émissions et de consommation de carburants des moteurs essence exigent de nouvelles stratégies de combustion par lesquels le mélange air/essence devrait être méticuleusement commandé en temps réel par un capteur de pression. Le contrôle de la pression cylindre est une technologie principale qui permet une coordination optimisée du mélange air/carburant, et la recirculation des gaz d'échappement par la rétroaction de contrôle. A ce jour, la mesure de pression cylindre en temps réel n'est pas fournie même sur les voitures récentes. Jusqu'à présent cette mesure a été mise en application sur des moteurs spécifiques pour le développement d'applications particulières telles que le contrôle moteur. Plusieurs obstacles empêchent l'intégration des capteurs de pression sur les nouveaux moteurs; le coût de production élevé de ces dispositifs et leurs implémentations complexe sur les moteurs standards retarde leur développement.Le capteur de pression GCS™ (Gasoline Combustion Sensor) est un capteur non-intrusif de pression cylindre intégré dans une bougie d'allumage qui a un accès direct à la chambre de combustion. Il répond aux contraintes d'intégration automobile, de performance et de fiabilité, et permet la mesure de pression jusqu'à 200bar et du cliquetis. Ce type de capteur permet le suivi de combustion en temps réel exigé pour la combustion par auto-allumage par laquelle la rétroaction rapide des événements de combustion permet la gestion étincelle/carburant dans chaque cylindre. Il agit sur l'allumage aussi bien que sur l'injection pour optimiser la combustion et réduire la consommation de carburant d'environ 1.4% et les émissions de polluants d'environ 10%.La présente thèse concerne le développement d'un capteur de pression fiable et bas-cout qui sera une condition de base pour les prochaines générations de moteurs. Cette étude concerne deux types d'éléments sensibles différents. L'un est basé sur une céramique piézoélectrique, et l'autre comporte un système piézo-résistif de jauges de contraintes sérigraphiées sur l'isolant céramique de la bougie d'allumage. Durant cette analyse, des problèmes mécaniques ont été soulignés et une section a été consacrée pour résoudre le problème de transmission de pression à l'élément sensible réduisant les bruits mécaniques notamment. Différents concepts mécaniques ont été développés et regroupés sous plusieurs familles, dont deux catégories ont été retenues pour la suite du développement.Le premier chapitre décrit le projet d'un vue globalement, les caractéristiques du capteur et le principe de mesure. Le second chapitre se rapporte à l'élément sensible et la description des technologies utilisées. Le développement mécanique du corps d'épreuve du capteur basé sur un élément sensible piézoélectrique sera présenté en détail dans le troisième chapitre. Le quatrième chapitre comprend la caractérisation des deux types de capteurs piézoélectriques et piézo-résistifs. Le cinquième chapitre décrit le traitement du signal issu de l'élément sensible et le packaging du capteur. Le dernier chapitre présente une perspective d'optimisation du dispositif.

Recent environmentally-friendly norms and global demands for lower emissions and lower fuel consumption on gasoline engines require innovative combustion strategies, whereby air/fuel mixture should be meticulously controlled through a real time pressure feed-back sensor. In-cylinder pressure control has shown to be a key technology that enables an optimized coordination of an air/fuel mixture, and exhaust gas recirculation through closed loop control.Nowadays real time in-cylinder pressure measurement is not provided on passenger's cars. Thus far it has been implemented on specific engine for development of particular applications such as engine control. Several obstacles prevent the integration of pressure sensors on new engines such as high production cost of this device and its complex implementation on a standard engine. The Gasoline Combustion Sensor™ (GCS) is a non-intrusive in-cylinder pressure sensor integrated into a spark plug which has direct access to the combustion chamber. It answers the automotive integration constraints performance and reliability and allows in-cylinder pressure measurement up to 200bar, knock and misfiring detection.Such sensors allow for combustion follow-up in a real-time direct mode required for auto ignition combustion whereby fast feedback of combustion events enables fine tuning and individual cylinder spark/fuel management. It operates on the ignition as well as on the injection to optimize the combustion and reduce fuel consumption by an average of 1.4% under steady-state conditions, which will reduce harmful emissions by about 10%. The present thesis relates to the development of a low-cost pressure sensor which will be a basic requirement for future engine generations. It consists on two different sensing element types, one is based on piezoelectric ceramic, and the other comprises piezo-resistive strain gauge system directly embedded on the ceramic insulator. During this analysis, mechanical problems have been emphasized and a section was dedicated to resolve the problem of the pressure transmission to the sensing element reducing structure-borne noise on the sensor. Different mechanical concepts have been developed, where two categories have been selected.Chapter one describes the project in a global overview including sensor specifications and sensing principle, chapter two relates to the sensing element materialization including technology description. Proof body development based on piezoelectric sensor will be presented in detail in chapter three, while chapter four contains device characterization of both sensor types piezoelectric and piezo-resistive. Chapter five describes the signal processing and sensor packaging, and chapter six gives an optimization perspective of the device.