Matériaux piézoélectriques

Sommaire

1. Introduction ……………………………………………………………………… 4

2. Piézoélectricité ………………………………………………………………….... 5

3. Aspects historiques ……………………………………………………………… 5

3.1 Travaux précurseurs ………………………………………………………..... 5 3.2 Découverte de l'effet piézoélectrique………………………………………… 6 3.3 Premières applications……………………………………………………….. .6 3.4 Découverte des oxydes ferroélectriques……………………………………… 7 3.5 Sujets de recherche …………………………………………………………… 8

4. Matériaux piézoélectriques………………………………………………………. 9

4.1 Oxydes ………………………………………………………………………….... 9 4.2 Semi-conducteurs ……………………………………………………………….. 10 4.3 Polymères ………………………………………………………………………... 10 4.4 Mise en forme …………………………………………………………………… 10 4.4.1 Monocristaux ………………………………………………………………… 10 4.4.2 Céramiques…………………………………………………………………... 11 4.4.3 Composites …………………………………………………………………... 11 4.4.4 Couches minces ………………………………………………………………11

5 Les céramiques PZT…………………………………………………………….… 12

5.1 Histoire…………………………………………………………………………... 12 5.2 Usages industriels……………………………………………………………….. 12 5.3 Caractéristiques physiques……………………………………………………... 13 6. Transducteurs piézoélectriques……………………………………………………14

6.1 Effets piézoélectriques…………………………………………………………… 14 6.2 Champ d’applications…………………………………………………………… 14 6.3 Injecteurs piézo-électriques……………………………………………………… 15 6.3.1 Injecteur de moteur…………………………………………………………… 15 6.3.2 Mise en situation ………………………………………………………………. 15 6.3.3 Injecteur traditionnel automobile …………………………………………… 15 a) Description……………………………………………………………………….. 16 b) Fonctionnement : ………………………………………………………………... 17 6.3.4 Les injecteurs piézo-électriques ……………………………………………….. 18 a) Description……………………………………………………………………….. 18

2

b) Fonctionnement : ……………………………………………………………….. 196.3.5 Pourquoi les injecteurs piézo-électriques ……………………………………… 216.3.6 L’avantage des injecteurs piézo-électriques ………………………………...… 22

7. Conclusion ……………………………………………………...……………...…... 22

Bibliographie

3

1- Introduction

Qu'est-ce qu'un matériau intelligent ?

Définition

Un matériau intelligent est sensible, adaptatif et évolutif. Ils possèdent des fonctions qui lui permettent de se comporter comme un capteur (détecter des signaux), un actionneur (effectuer une action sur son environnement) ou parfois comme un processeur (traiter, comparer, stocker des informations). Ce matériau est capable de modifier spontanément ses propriétés physiques, par exemple sa forme, sa connectivité, sa viscoélasticité ou sa couleur, en réponse à des excitations naturelles ou provoquées venant de l'extérieur ou de l'intérieur du matériau.

Exemples d'applications

Par exemple des variations de température, des contraintes mécaniques, de champs électriques ou magnétiques. Le matériau va donc adapter sa réponse, signaler une modification apparue dans l'environnement et dans certains cas, provoquer une action de correction. Il devient ainsi possible de détecter des faiblesses de structures dans le revêtement d'un avion, des fissures apparaissant dans un bâtiment ou un barrage en béton, réduire les vibrations de pales d'hélicoptère, ou insérer dans les artères des filtres qui se déploieront pour réduire le risque de dispersion de caillots sanguins.

Quelles sont les différentes catégories de matériaux intelligents considérés aujourd'hui comme classiques ? Il s'agit principalement de trois catégories de matériaux connaissant de nombreuses applications dans des secteurs divers :

Les alliages à mémoire de forme (AMF), les matériaux piézo-électriques, électrostrictifs et magnétostrictifs.

4

2 -PiézoélectricitéLa piézoélectricité (du grec piézein presser, appuyer) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique direct ; le second effet piézoélectrique inverse.

Cette propriété trouve un très grand nombre d’applications dans l’industrie et la vie quotidienne. Une application parmi les plus familières est l’allume-gaz. Dans un allume-gaz, la pression exercée produit une tension électrique qui se décharge brutalement sous forme d’étincelles : c'est une application de l’effet direct. De manière plus générale, l’effet direct peut être mis à profit dans la réalisation de capteurs (capteur de pression etc.) tandis que l’effet inverse permet de réaliser des actionneurs (injecteurs à commande piézoélectrique en automobile, nanomanipulateur…).

Les matériaux piézoélectriques sont très nombreux. Le plus connu est sans doute le quartz, toujours utilisé aujourd’hui dans les montres pour générer des impulsions d’horloge. Mais ce sont des céramiques synthétiques, les PZT qui sont le plus largement utilisées aujourd’hui dans l'industrie.

Soulignons enfin que l’effet piézoélectrique inverse ne doit pas être confondu avec l’électrostriction qui est un effet du second ordre et existe dans tous les matériaux.

Illustration du comportement d’une pastille piézoélectrique : la contrainte appliquée crée un signal électrique

5

3 -Aspects historiques

3.1- Travaux précurseurs

Au milieu du XVIIIe siècle, Carl von Linné et Franz Aepinus avaient étudié l'effet pyroélectrique, par lequel un changement de température entraîne une variation de la polarisation électrique d'un cristal. Le cristal type présentant cet effet est alors la tourmaline : en chauffant un cristal de tourmaline, on fait apparaître sur ses deux faces de l'électricité. La nature de l'électricité est différente sur une face et sur l'autre, vitreuse et résineuse selon les termes de l'époque (on parlerait aujourd'hui de charges positives et négatives).

En 1817, l'abbé René-Just Haüy, qui a étudié en détail la pyroélectricité dans différents minéraux, décrit la découverte de ce qu'il appelle alors « l'électricité de pression » sur le spath d’Islande : en comprimant un cristal entre les doigts, il est possible de faire apparaître de l'électricité sur les faces du cristal. Antoine Becquerel poursuit l'étude du phénomène, il identifie plusieurs autres minéraux présentant cette propriété et montrera à l'aide d'une balance de Coulomb que l'électricité ainsi produite est dans une certaine gamme environ proportionnelle à la pression exercée.

Contrairement à la pyroélectricité, Haüy observe que c'est le même type d'électricité qui est produite sur les deux faces du cristal. Cela suffit à dire que le phénomène découvert par Haüy n'est pas de la piézoélectricité. Le spath d’Islande n'est d'ailleurs pas piézoélectrique. Quand ils publieront leurs travaux sur le quartz, les Curie se démarqueront des travaux de Haüy, attribuant l'électricité de pression à un effet de surface.

L'électricité de pression de Haüy aura été pendant une cinquantaine d'années une propriété parmi d'autres permettant de classer les minéraux. Mais le caractère incertain et difficilement reproductible de cet effet le fera tomber dans l'oubli avec la découverte de la piézoélectricité. Au début du XXe siècle, les manuels de minéralogie ne feront plus mention de l'électricité de pression de Haüy.

3.2- Découverte de l'effet piézoélectrique

Cette époque, les deux frères, âgés respectivement de 21 et 25 ans, sont tous deux préparateurs à la faculté des sciences de Paris. Combinant leurs connaissances de la pyroélectricité et de la structure cristalline, ils prédirent et vérifièrent l'existence de la piézoélectricité sur des cristaux de quartz, de tourmaline, de topaze, de sucre et de sel de Rochelle. L'existence de l'effet inverse fut prédite l'année suivante par Gabriel Lippman sur la base de calculs thermodynamiques, et immédiatement vérifiée par les Curie. C'est également en 1881 que Hermann Hankel suggéra l'utilisation du terme piézoélectricité du grec piézein signifiant presser, appuyer.

6

La piézoélectricité resta une curiosité de laboratoire pendant une trentaine d'années ; elle donna surtout lieu à des travaux théoriques sur les structures cristallines présentant cette propriété. Ces travaux aboutirent en 1910 à la publication par Woldemar Voigt du Lehrbuch der Kristallphysik qui donne les vingt classes cristallines piézoélectriques, et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques dans le formalisme de l'analyse tensorielle.

D'un point de vue pratique, la piézoélectricité ne fut utilisée que pour réaliser quelques instruments de laboratoire.

3.3- Premières applications

La première application de la piézoélectricité fut le sonar développé par Paul Langevin et ses collaborateurs pendant la Première Guerre mondiale. Ce sonar était composé de lames de quartz collées entre deux plaques d'acier et d'un hydrophone et permettait, par la mesure du temps écoulé entre l'émission d'une onde acoustique et la réception de son écho, de calculer la distance à l'objet. Peu de temps après, au début des années 1920, le premier oscillateur à quartz est mis au point par Walter Cady, ouvrant ainsi la voie au contrôle de fréquence.

Le succès de ces projets suscita un grand intérêt pour la piézoélectricité, relança les recherches et conduisit à travers les années qui suivirent au développement de nouveaux dispositifs pour une large palette d'applications dans la vie quotidienne, l'industrie et la recherche. L'amélioration du phonographe ou le développement du réflectomètre et du transducteur acoustique, largement utilisé pour les mesures de dureté ou de viscosité, en sont des exemples.

Pendant cette période, les principaux matériaux utilisés sont le quartz, le sel de Seignette et le dihydrogène phosphate de potassium KH2PO4. Or, s'ils peuvent être utilisés, ces matériaux présentent toutefois des inconvénients qui limitent à la fois les applications possibles et l'élaboration de théories de la piézoélectricité.

3.4- Découverte des oxydes ferroélectriques

Au cours de la Seconde Guerre mondiale, la recherche de matériaux diélectriques plus performants amena différents groupes de recherche au Japon, aux États-Unis et en Russie à découvrir les propriétés piézoélectriques de céramiques de synthèse composées d'oxydes à structure pérovskite : le titanate de baryum (BaTiO3) puis un peu plus tard les titano-zirconate de plomb (PbZrxTi1-xO3, abrégé en PZT). La mise au point de ces matériaux représente une étape décisive dans le développement des dispositifs piézoélectriques. En effet, leurs propriétés sont globalement bien meilleures ; ils ont des coefficients piézoélectriques de l'ordre de 100 fois supérieurs à ceux des cristaux naturels. Mais surtout, il est possible avec ces céramiques synthétiques de jouer sur différents

7

paramètres de synthèse et ainsi d'ajuster les propriétés du matériau pour une application précise. En particulier, le dopage par divers ions métalliques permet de modifier considérablement leur constante diélectrique, leur dureté, leur usinabilité, etc.

D'un point de vue théorique, ces matériaux constituent également les premiers ferroélectriques simples qui vont permettre d'élaborer et valider les modèles microscopiques.

Un nouveau saut a été effectué au début des années 1980 avec la synthèse des cristaux de PZN-PT et PMN-PT qui présentent les coefficients piézoélectriques les plus élevés connus à ce jour.

3.5- Sujets de recherche

Aujourd'hui, les recherches sur les matériaux piézoélectriques portent notamment sur la compréhension précise de ces propriétés exceptionnelles, leur optimisation, ainsi que sur le développement de matériaux sans plomb ou de matériaux utilisables dans une plus large gamme de températures.

8

4 - Matériaux piézoélectriques

De nombreux cristaux naturels présentent des propriétés piézoélectriques. On peut citer le quartz, la topaze, la tourmaline, la berlinite (AlPO4) ou le sucre. Dans la pratique, les matériaux utilisés pour la fabrication des différents dispositifs sont des matériaux de synthèse qu'on peut classer selon leur structure cristallographique ou leur composition chimique.

4.1- Oxydes Maille cristalline d'un cristal de structure pérovskite : PbTiO3Les matériaux ferroélectriques de structure pérovskite occupent une large place dans la palette des oxydes piézoélectriques. Ils ont pour formule générale ABO3. On les représente par un empilement d'octaèdres liés par leurs sommets. Les anions oxygène forment les sommets des octaèdres tandis que les cations B et A occupent respectivement leur centre et les sites entre les octaèdres. De nombreux ferroélectriques modèles appartiennent à cette famille : le titanate de plomb PbTiO3, le titanate de baryum BaTiO3, le niobate de potassium KNbO3.

En substituant des cations différents sur les sites A ou B, on peut obtenir des solutions solides. C'est à cette catégorie qu'appartient en particulier le plus couramment utilisé des piézoélectriques, le titano-zirconate de plomb (Pb(ZrxTi1-x)O3 abrégé en PZT), dans lequel les sites B sont occupés par des ions titane et zirconium. On peut également citer des solutions solides entre un relaxeur et le titanate de plomb comme les Pb(Zn1/3Nb2/3)1-xTixO3, Pb(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3, Pb(Sc1/2Nb1/2)1-xTixO3 (abrégés en PZN-xPT, PMN-xPT et PSN-xPT respectivement). C'est dans des cristaux de ce type, pour certaines compositions particulières, que les coefficients piézoélectriques les plus élevés connus sont mesurés.

Le niobate de lithium LiNbO3 et le tantalate de lithium LiTaO3 forment une famille à part. Ils sont tous deux ferroélectriques avec des températures de Curie de 1210°C et 660°C respectivement. Ils ont une structure proche de la maille ilménite de symétrie 3m ; ils n'en diffèrent que par la suite des cations selon leur axe de polarisation (Li-Nb-*-Li-Nb-* contre Fe-Ti-*-Ti-Fe-* pour l'ilménite, où * désigne un site vacant). Ils sont particulièrement utilisés sous forme de monocristaux dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface11.

Certains matériaux de structure cristalline tungstène-bronze sont également utilisés (Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15). Parmi les autres matériaux piézoélectriques de synthèse, on peut citer l'orthophosphate de gallium (GaPO4), l'arséniate de gallium (GaAsO4) ou les cristaux langasites (dont le langasite de composition La3Ga5SiO14).

9

4.2- Semi-conducteurs

Les semi-conducteurs des groupes III-V de structure zinc-blende et II-VI de structure wurtzite sont également piézoélectriques.

4.3- Polymères

Il existe également des polymères qui présentent des propriétés piézoélectriques. Les plus couramment utilisés sont des polymères de synthèse, notamment le polyvinylidine difluoride (PVDF) (-CH2-CF2-) et ses dérivés.

Dans la pratique, les polymères sont utilisés également en couche mince de 6 à 25 microns pour la réalisation de transducteurs ou d'hydrophones. Ils ont l'avantage de présenter une impédance acoustique plus faible, de permettre une mise en forme facile et donc peu onéreuse. En contrepartie, leurs coefficients de couplage électromécanique restent modestes : 12 à 15 % pour le PVDF et jusqu'à 30 % pour le co-polymère P(VDF-TrFE). Ils présentent de plus des pertes diélectriques élevées.

4.4- Mise en forme

Indépendamment de sa composition chimique, un matériau piézoélectrique peut être étudié et utilisé sous différentes formes. Chacune a des spécificités qui peuvent être mises à profit dans une situation donnée.

4.4.1- Monocristaux

Un monocristal est un arrangement régulier et périodique d'atomes. C'est sous cette forme que se présentent les matériaux piézoélectriques naturels comme le quartz ou la tourmaline, et c'est également sous cette forme qu'ils ont été utilisés dans les applications de première génération avant la mise au point des céramiques.

Les cristaux ferroélectriques peuvent posséder une structure en domaines. On distinguera alors les monocristaux monodomaines et polydomaines selon qu'une ou plusieurs directions de polarisation coexistent dans le cristal. Dans une description cristallographique, les cristaux polydomaines ne sont pas rigoureusement des monocristaux mais des cristaux maclés ; l'usage est cependant de continuer à parler de monocristal.

Les coefficients piézoélectriques les plus élevés connus à ce jour sont obtenus pour des monocristaux polydomaines. Dans la pratique, ils présentent des inconvénients qui limitent leur utilisation dans beaucoup de dispositifs : coût, disponibilité, etc.

10

4.4.2- Céramiques

Une céramique est composée de grains soudés entre eux par frittage. Les grains sont orientés statistiquement dans toutes les directions ; leur taille peut être contrôlée par les conditions de fabrication.

C'est la forme la plus utilisée, principalement en raison de leur facilité de fabrication et des nombreuses propriétés qu'on peut obtenir en faisant varier la composition chimique, les paramètres de la fabrication, etc.

Si l'on parvient à donner aux grains de la céramique une orientation préférentielle, on obtient alors une céramique texturée dont les propriétés sont en général intermédiaires entre celles d'une céramique et celles d'un monocristal de même composition.

4.4.3- Composites

Dans un composite, le matériau piézoélectrique est divisé et plongé dans une matrice non piézoélectrique (une résine). Les composites ont montré leur intérêt par rapport aux céramiques conventionnelles dans le domaine des transducteurs acoustiques hautes fréquences pour l'imagerie : leur meilleur coefficient de couplage électromécanique et leur impédance acoustique plus adaptée permettent d'améliorer la résolution des images.

4.4.4- Couches minces

La piézoélectricité est une propriété à la base des microsystèmes électromécaniques (MEMS) comme les micromoteurs, les microvalves, les accéléromètres ou les membranes. Les avantages des couches minces piézoélectriques sont notamment leur faible puissance de fonctionnement, l'importance des forces générées et les larges gammes de fréquences d'utilisation. Les couches sont en général fabriquées par un procédé sol-gel et ont une épaisseur comprise typiquement entre 0,5 et 5 microns. Le matériau le plus utilisé est là aussi le PZT. Les coefficients piézoélectriques mesurés sur les couches minces sont plus faibles que ceux du matériau massif à cause de l'effet du substrat.

11

5 - Les céramiques PZTLes céramiques PZT (Titano-Zirconate de Plomb) (ou LZT pour les anglophones, pour Lead Zirconate Titanate) dont des matériaux de formule chimique Pb(Zrx,Ti1-x)O3 .

Ces matériaux sont très utilisés dans l'industrie en raison de propriétés particulières :

ferroélectrique (ce qui signifie qu'il possède une polarisation électrique à spontanée, qui peut être renversée par l'application d'un champ électrique)

piézoélectrique (Ce qui signifie qu'il développe une tension électrique entre ses deux faces une fois compressé (ce qui le rend utile pour des applications de type capteur), ou qu'il change physiquement de forme selon le champ électrique externe auquel on l'applique (utile pour des applications de type actionneur).

pyroélectrique (ce qui signifie que ce matériau développe une différence de tension entre deux de ses faces quand il est chauffé ou refroidi (ce qui en fait un capteur de température ou de variation de températures)

5.1- Histoire

Les premiers PZT ont été élaborés dès 1954, à partir de découvertes faites par trois physiciens japonais, Yutaka Takagi, Gen Shirane et Etsuro Sawaguchi, à l'Université de Technologie de Tōkyō, vers 1952.

5.2- Usages industriels

Les céramiques PZT sont employées pour fabriquer des outils de type capteurs ou actionneurs ;

des actionneurs sans moteurs tels que des micromanipulateurs de précisions, dont pour ceux qui sont employés en optique adaptative en astronomie,

des capteurs pour l'échographie, les sonars, radars, des capteurs infra-rouge des condensateurs céramiques à haute capacité, certains composants de l'électronique pour l'informatique tels que les Ferroelectrc

Random Access Memory (ou FRAM) ou les résonateurs céramique qui synchronisent des circuits électroniques. En 1975 les Laboratoires Sandia ont travaillé sur des lunettes « anti-Flash »

visant à protéger de brûlures et cécité en cas d'explosion nucléaire, grâce à des lentilles PLZT pouvant devenir opaque en moins de 150 millionièmes de seconde

12

5.3- Caractéristiques physiques

La structure cristalline des PZT est de type pérovskite.La masse volumique du PZT varie entre 7500 et 7800 kg/m³

Illustration du comportement d’une pastille piézoélectrique : la contrainte appliquée crée un signal électrique

Selon la présence plus ou moins importante de Titane (ou de Zirconium), les propriétés du PZT (mécanique, couplage, diélectrique, pertes) changent.

Ce matériau comporte une constante diélectrique particulièrement importante à la frontière de phase morphotropique (MPB pour morphotropic phase boundary pour les anglophones), près dex= 0,52. Pour cette valeur x = 0.52, cette famille de matériaux surclasse les autres matériaux piézoélectriques classiques (Quartz, Langasites...) par ses propriétés piézoélectriques.Néanmoins les années 2000 ont vu l'émergence de nouveaux matériaux aux propriétés ferroélectriques extraordinaires (un ordre de grandeur plus piézoélectrique que les PZT) que sont les monocristaux ferroélectriques de type pérovskites (PMN-PT, PZN-PT...).

Ces propriétés font des PZT des composés parmi les plus importants du domaine de l'électrocéramique.Dans les produits commercialisés, les PTZ ne sont généralement pas inclus dans leur forme pure mais sous forme de semi-conducteur dopés avec soit des dopants accepteurs, qui créent des trous vacants d'oxygène (anion) ,soit des dopants "donateurs", qui créent des trous de métal (cation) en facilitant dans les deux cas les mouvements électroniques dans le matériau.

Un dopage en accepteurs crée généralement un PZT dit dur (hard) ; Dans les PZT durs, le mouvement du Mur de domaine (changement de phase) est freiné par les impuretés ce qui diminue les pertes dans le matériau, mais avec comme conséquence d'une réduction de la constante piézo-électrique.

le dopage en donateurs crée PZT dit soft. Un PZT soft a habituellement une constante piézoélectrique plus élevée qu'un PTZ dur, mais plus de pertes internes au matériau en raison du frottement interne plus important.

La plupart des PZT durs et mous diffèrent dans leurs constantes piézo-électriques. Ces constantes piézo-électriques sont proportionnelles à la polarisation ou au champ électrique produit par unité de contrainte mécanique, ou inversement à la déformation mécanique produite par unité de champ électrique appliqué au matériau.

13

Structure pérovskite 

6 – Les Transducteurs piézoélectriquesDéfinition : Un transducteur est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre.

6.1- Effets piézoélectriques:

effet direct : un effort mécanique donne naissance à un potentiel électrique

effet inverse : un potentiel électrique donne naissance à un effort mécanique

6.2 Champ d’applications

• Effet direct les capteurs

- choc,- pression,- mesures acoustiques,- accéléromètre,…

• Effet indirect les actionneurs

- rotatif, - linéaire,- multi degrés de liberté,- injecteurs automobiles

• Effet direct + effet indirect

- sonar,- télémètre,- échographie,- filtrage acoustique,- transformateurs,…

14

6.3- Injecteurs piézo-électriques

6.3.1- Définition :

Un injecteur est un dispositif permettant l'apport de matières gazeuses ou liquides dans une machine. Il existe plusieurs types d'injecteurs.

6.3.2- Mise en situation Pour tirer le meilleur parti d’un moteur, qu’il soit à essence ou Diesel, il est capital d’ajuster en permanence les quantités de carburant qui lui sont fournies en fonction de multiples paramètres comme son régime, la température ou le couple demandé. De la qualité de cette gestion résulteront le bon rendement du moteur et la diminution du taux d’imbrûlés. Le calculateur d’injection a donc pour mission, en exploitant les données que lui transmettent des capteurs et des sondes, de veiller à cette optimisation. Cependant, il ne «sait» gérer que des courants électriques. Pour qu’il puisse intervenir sur le moteur, il faut donc passer par un élément électromécanique qui joue alors le rôle d’«interface» entre l’électronique du calculateur et la mécanique du moteur. C’est ici qu’interviennent les injecteurs piézo-électriques, en se comportant comme des électrovannes qui, en s’ouvrant, vaporisent le carburant entre le réservoir de carburant sous pression que constitue le Common Rail et les chambres de combustion du moteur.

6.3.3- Injecteur traditionnel automobile

L'injecteur permet l'apport du carburant dans la chambre de combustion.

À l'arrière de ce dispositif, on trouve un filtre qui ne laisse passer qu'un tout petit peu de carburant et qui retient les impuretés.Le combustible est ensuite pulvérisé par l'avant sous forme de micro gouttelettes, permettant une combustion optimale. Ce phénomène peut être amplifié grâce à une turbine amplifiant la dispersion des gouttelettes.Ce système se retrouve dans les chaudières à fioul, certains moteurs de voitures où il remplace le carburateur, ou encore dans les turboréacteurs d'avions.

15

a) Description :

16

b) Fonctionnement :

17

6.3.4- Les injecteurs piézo-électriques

Les injecteurs piézo-électriques se comportent comme des électrovannes, laissant ou non passer les carburants, commandés par le calculateur d’injection. Très rapides, ils permettent d’ajuster la quantité de carburant pour optimiser le rendement du moteur.

Ultrarapides, ils permettent de doser très précisément les quantités de carburant injectées. Commandés par des impulsions électriques issues du calculateur de gestion du moteur, ils fonctionnent à la manière d’électrovannes, en s’ouvrant et se refermant très rapidement pour vaporiser dans les chambres de combustion du moteur la quantité exacte de carburant que fixe le calculateur d’injection.

a) Description :

18

b) Fonctionnement :

Si l’injecteur est non commandé : Le Piézoélectrique de commande n’étant pas alimenté, le champignon de fermeture obture le canal de retour grâce à son ressort de rappel. La haute pression s’installe identiquement dans la chambre de pression et dans le volume de commande à travers le gicleur Z. Cette pression est la même partout, le canal de retour étant obturé par le champignon de commande.  La surface de contact du piston de commande étant  plus importante que la surface de contact au niveau de la pointe de l’aiguille, l’injecteur reste fermé par son ressort de rappel.  

 Dans ce cas :  F1 = effort exercé par la pression rail sur le piston de commande. F2 = effort exercé par la pression sur la section de l’aiguille. FR = force de rappel du ressort.

19

Si l’Injecteur est commandé :  Au moment opportun, le calculateur alimente l’actuateur piézoélectrique sous une tension de 70 volts (courant de 10 A). La décontraction du piézo lors de l’activation est de l’ordre de 50 µm, le levier amplificateur permet de multiplier par deux la course du piézo. L’actuateur  piézo via le levier amplificateur déplace le piston de commande sur le champignon de fermeture. La chambre de commande est alors en communication avec le circuit retour de carburant au réservoir. Il s’ensuit une chute de pression dans la chambre de commande donc un chute de la force hydraulique F1. L’équilibre entre la pression exercée sur l’aiguille F2 qui n’a pas variée et la pression dans la chambre de commande F1 est rompu.  L’aiguille d’injecteur s’ouvre sous une pression rail d’environ 160 bars. Une fois l’injecteur ouvert le carburant arrive dans la chambre de combustion par les 5 orifices de pulvérisation.    Dans ce cas : F1 = effort exercé par la pression retour sur le piston de commande. F2 = effort exercé par la pression rail sur la section de l’aiguille. FR = force de rappel du ressort.

20

6.3.5- Pourquoi les injecteurs piézo-électriques

Comme tous les autres injecteurs, les injecteurs électriques se basent sur une aiguille qui, par ses déplacements, commande leur ouverture et, donc, la vaporisation du carburant au travers de petits trous dans la buse. La différence se joue au niveau de la gestion des mouvements de l’aiguille. Sur les injecteurs traditionnels, c’était la brusque élévation de la pression du carburant qui provoquait la montée de l’aiguille et, par voie de conséquence, l’ouverture de l’injecteur. Sur les injecteurs électriques, ce déplacement de l’aiguille est confié à un dispositif électromécanique. Leur fonctionnement n’est plus piloté par la pression mais par la levée, ce qui permet de les utiliser sur les systèmes Common rail, où le carburant est maintenu en permanence à une pression très élevée.

Il existe deux types d’injecteurs électriques : ceux à solénoïde et les piézo-électriques. Le cœur des injecteurs à solénoïde est un électroaimant : le solénoïde. Pour pouvoir utiliser un électroaimant de petite taille, donc peu puissant mais rapide, les injecteurs ont recours à une astuce. En fait, l’électroaimant ne commande pas directement les mouvements de l’aiguille, qui, en se soulevant, ouvre l’injecteur. Il se contente de piloter une valve auxiliaire qui a pour effet de déséquilibrer la pression qui s’exerce à chaque extrémité de l’aiguille. Lorsque l’électroaimant est alimenté en électricité, la valve se soulève. Elle dévie le carburant se trouvant au sommet de l’aiguille et le renvoie vers le réservoir, grâce à un circuit de retour. Il apparaît alors une baisse de pression au sommet de l’aiguille. Celle-ci provoque, à son tour, le soulèvement de l’aiguille, en raison de la forte pression persistant sur son extrémité : l’injecteur s’ouvre (voir schéma ci dessous). Dès l’interruption de l’alimentation électrique du solénoïde, la valve se referme. La pression à laquelle est soumise la partie supérieure de l’aiguille remonte et conduit à la fermeture de l’injecteur. Grâce aux faibles puissances mises en jeu au niveau du solénoïde, le système ne requiert pas de fort courant de commande et, ses masses en mouvement restant réduites, il bénéficie d’une excellente rapidité de fonctionnement.

Le fonctionnement des injecteurs piézo-électriques est assez proche de celui des précédents, si ce n’est que leur cœur est une céramique. Celle-ci possède pour particularité de se dilater, ou de se rétracter, sous l’effet d’une impulsion électrique : c’est l’effet piézo-électrique. Cependant, pour que de tels injecteurs puissent voir le jour, les constructeurs ont dû contourner un certain nombre de problèmes. En premier lieu, les dilatations d’un élément piézo-électrique sont extrêmement faibles. Pour obtenir un déplacement exploitable, ce ne sont pas moins de 400 pastilles de céramique qui sont empilées pour former l’élément actif de l’injecteur. Pour les actionner, une impulsion d’une centaine de volts leur est appliquée et un minuscule bras de levier amplifie leur mouvement. De plus, comme dans les injecteurs électromécaniques, les pastilles piézo-électriques ne commandent pas directement les mouvements de l’aiguille. Elles aussi actionnent une petite valve.

21

6.3.6- L’avantage des injecteurs piézo-électriquesL’avantage majeur des injecteurs piézo-électriques est leur rapidité de fonctionnement et la répétabilité du mouvement de la valve. Les mouvements de dilatation et de rétractation des éléments piézo-électriques sont quasiment instantanés. Une vitesse de réaction qui permet un dosage encore plus précis du carburant injecté et une augmentation du nombre d’injections par cycle.

7- Conclusion

La découverte des matériaux piézo-électriques faite apparaitre de nouveaux système technologiques intéressants dans tous les domaines , l’échographie dans la médecine , le sonar dans la marine , les condensateurs haute capacité …Grace à la technologie des injecteurs piézo-électriques La troisième génération de moteurs diesel Common rail permet de contrôler très précisément la quantité de carburant et une pression qui peut aller jusqu'à 1 900 bars, voire au delà.

22

Bibliographie

1. Wikipédia, l'encyclopédie libre

http://fr.wikipedia.org

2. Renault documentation technique

http://www.renault.com/fr/Lists/ArchivesDocuments

3. Matériaux piézoélectriques , Michel Brissaud – 2007

23