LES SYSTEMES D’ ALLUMAGE

 

LES SYSTEMES D’ALLUMAGE DES MOTEURS ESSENCE.

  • Exprimer le processus de combustion à partir de l’étincelle
  • Définir l’Avance à l’allumage et placer le point d’avance sur un graphe P=f()
  • Justifier de l’avance à l’allumage
  • Exprimer les 4 principaux critères d’optimisation de l’AA
  • Définir la fonction globale du système d’allumage
  • Définir et justifier la variation d’AA en fonction de :  , remplissage, anomalie de combustion
  • Représenter le schéma de principe de l’allumage
  • Définir le principe physique lié à la création d’une haute tension
  • Représenter et commenter les courbes primaires et secondaires (mettre en place tc,to,tf. Et justifier l’énergie constante).
  • Exprimer et calculer le % de Dwell
  • Définir les fonctions composantes du système d’allumage
  • Pour chaque système des 3 familles d’allumage

? Définir le nom des constituants

? Identifier quel est l’élément associé à telle fonction composante

? Représenter le schéma de principe électrique du système

? Définir le principe de fonctionnement du système et comment est gérée l’avance

  • Définir la différence entre une bougie chaude et une bougie froide

PRINCIPES PHYSIQUES DE L’ALLUMAGE

    1. Rappel :

Dans le moteur à allumage commandé (moteur essence), la combustion du mélange air essence provoque un dégagement de chaleur qui engendre une élévation de pression dans le cylindre.

Les gaz se détendent en repoussant le piston vers le PMB; c’est la phase moteur Combustion – détente

Création de l’énergie mécanique).

    1. Déclenchement de la combustion

Pour s’enflammer, le mélange air – essence contenu dans le cylindre doit subir une élévation d température permettant de porter une partie de sa masse au-dessus de sa température d’inflammatio (ti-380°C).

Principe retenu

L’inflammation du mélange air -essence est provoquée par un arc électrique ( étincelle) qui jaillit entre le électrodes d’une bougie d’allumage placée dans la chambre de combustion

L’énergie calorifique dissipée par l’étincelle élève localement la température du mélange et provoque ainsi l’inflammation du mélange dans la petite zone proche de la bougie.

AMORCAGE DE LA COMBUSTION

La combustion étant déclenchée, le reste du mélange s’enflamme par couches successives autour du foyer d’inflammation.

PROPAGATION DE LA COMBUSTION

Front de flamme

Vff : vitesse de propagation du front de flamme  30m/s (déflagrante)

Vff

Gaz brulés

Gaz frais

    1. Valeurs caractéristiques

Délai d’inflammation: di = 0.3 à 0.5 ms

( temps écoulé entre le début étincelle et le début combustion) durée de combustion : 2 à 5 ms

La combustion n’est donc pas instantanée . En fin compression, l’instant d’allumage est positionné avec précisio en permanence afin d’optimiser le fonctionnement du moteur.

    1. Objectif recherché :
      • Récupérer le maximum de travail mécanique au niveau du piston donc rendement maxi , puissanc maximale du moteur.

En tenant compte des contraintes suivantes :

      • minimiser les émissions de polluants à l’échappement
      • éviter les anomalies de combustion ( cliquetis)
    1. Instant d’allumage et travail mécanique récupéré Instants de déclenchement

Combustion détente

Compression

fig. 1 après le PMH fig. 2 au PMH

fig. 3 avant le PMH

Conclusion : L’instant de déclenchement optimal est recherché pour- obtenir un travail «indiqué» maximal ( S 1 maxi.). Pour obtenir ce travail maxi au niveau du piston, il est nécessaire de déclencher la combustion quelques degrés avant le PMH.

    1. Définition de l’avance à l’allumage

Cliquetis

L’avance à l’allumage est définit par l’angle de rotation volant qui sépare l’instant d’étincelle du PMH.

  • Un décalage du point d’allumage en direction

du PMHcorrespond à une variation dans le sens retard.

  • Une correction dans l’autre sens correspond

à une variation dans le sens avance.

Point d’allumage et cliquetis

Un excès d’avance engendre des pressions et des températures très fortes dans le cylindre.

Dans certains cas de fonctionnement ces conditions peuvent entraîner un processus de combustion anormale : le cliquetis.

Si présence cliquetis : diminution de l’avance

AVANCE A L’ALLUMAGE ET PARAMETRE DE FONCTIONNEMENT MOTEUR

Les conditions de fonctionnement moteur variant, il est nécessaire d’adapter en permanence l’avance à l’allumage en fonction des paramètres moteur ( N moteur, remplissage, T° moteur…)

Avance en fonction de la vitesse moteur:

Sur un moteur, calculons l’avance à l’allumage permettant d’obtenir 50% du mélange air essence brûlé 5°après le PMH ( travail mécanique maxi sur le piston ), sachant que

  • N moteur = 2000 tr/mn
  • 50% des gaz sont brûlés lorsque la combustion est débutée depuis 1 ms
  • di = 0.5 mns

Calcul de l’angle balayé par ms : 200036012ms

60 1000

AA= 12 x 15 – 5 = 13°

En considérant que l’avance à l’allumage est figée, calculer la nouvelle position du vilebrequin correspondant à 50% des gaz brûlés à 6000 tr/mn sachant que:

  • 50% des gaz sont brûlés lorsque la combustion est débutée depuis 0.8ms
  • di = 0.5 ms

Conclusion

Si la vitesse de rotation augmente, même si la durée de la combustion diminue légèrement, l’angle balay pendant la combustion augmente.

Si le constructeur désire conserver un travail méca maximal sur le piston quelque soit le régime de rotation (50% des gaz brûlés à une même position moteur : 5 à 10° après le PMH), il doit faire varie l’avance à l’allumage en Fonction du régime moteur.

Plus le régime de rotation augmente, plus l’avance à l’allumage doit augmenter

Remplissage

Position du papillon des gaz Ouvert à fond presque Fermé
Remplissage important Faible
Durée de combustion faible Importante
Avance à l’allumage faible importante

Plus le taux de remplissage est faible, plus l’avance à l’allumage doit augmenter

  1. APPROCHE EXTERNE DU SYSTEME D’ALLUMAGE

Exemples de cartographie d’avance à l’allumage

Si : P=450 N=1500

Alors : AA=30

N tr/mn

  • Plus N  plus l’avance 
  • Plus la charge  plus l’avance

Fonction globale du système d’allumage :

Le système d’allumage doit :

  • transformer l’énergie électrique basse tension en une énergie calorifique suffisante pour déclencher la combustion
  • déclencher la combustion à un instant précis du cycle à 4 temps
  • faire varier le point d’avance à l’allumage en fonction des paramètres moteur :
    • N moteur
    • Remplissage moteur ( charge)
    • De certains paramètres : cliquetis, T° moteur,

Représentation fonctionnelle :

  • Présentation d’un système ( voir feuille jointe)
  • Actigramme A-0 :

Vitesse moteur

Info Marche/arret

Position moteur

Info charge (P tub)

Info combustion (cliquetis, T°)

Energie électrique (BT)

Transformer l’énergie électrique BT en énergie calorifique ponctuelle suffisante pour déclencher la combustion pour chaque cylindre à un instant précis du cycle moteur.

Système d’allumage

A-0

Info vitesse moteur Energie calorifique

Energie calorifique (HT)

PRESENTATION D’UN SYTEME D’ALLUMAGE

LE SYSTEME D’ALLIIMAGE ELECTRONIQUE INTEGRAL RENIX

Constitution :

1 : Allumeur

3 : Contacteur à clé

5 : Capsule de dépression 7 : Bougies

2 : Capteur position / vitesse moteur 4 : Module d’allumage

6 : Bobine d’allumage

8 : Compte tours moteur

Frontière du système, étude des flux échangés:

PRINCIPES DE L’ALLUMAGE

    1. Schéma de principe d’un circuit d’allumage
      • Le hacheur : Il permet d’établir et d’interrompre (hacher) le courant primaire qui circule à travers la bobine primaire de la bobine d’allumage.
      • La bobine d’allumage: elle transforme l’énergie électrique basse tension en énergie électriqu haute tension suffisante pour déclencher la combustion.

– Le distributeur: il distribue l’énergie électrique haute tension aux bougies dans un ordr déterminé.

La bougie: Elle transforme l’énergie électrique haute tension en énergie calorifique.

    1. Principe de transformation basse tension  haute tension

Pour obtenir l’ énergie calorifique suffisante servant à déclencher la combustion , on fait jaillir un arc électrique entre les 2 électrodes de la bougie.

Pour créer cet arc électrique dans la chambre de combustion ( passage d’un courant dans la couche d mélange comprimé compris entre les deux électrodes distantes de  0.8 mm), il faut une différence de potentie entre les électrodes de la bougie de 15000 à 30000 V.

Pour obtenir cette haute tension à partir du 12 V disponible aux bornes de la batterie, la bobin d’allumage utilise le principe de variation de flux magnétique dans 2 bobinages dont le rapport d nombre de spires est supérieur à 100.

    1. Description de la bobine

Le principe de fonctionnement de la bobine est régi par les lois d’électromagnétisme

Un bobinage parcouru par un courant électrique produit un champ magnétique B. La bobine est alors traversée par un flux magnétique �.

et

l

BkN i

BS

  • N : nombre de spires de la bobine
  • l : longueur de la bobine
  • i : intensité dans la bobine
  • S : surface de la bobine

A la fermeture du circuit primaire par le hacheur, il y a établissement de Ip et donc établissement d’un cham magnétique B. Les bobinages primaire et secondaire, soumis à cet établissement de champ magnétique, son traversés par un flux magnétique variables.

Lorsqu’il y a variation de flux dans un bobinage, il y a création aux bornes de ce bobinage d’une force électromotrice induite (tension) qui tend à s’opposer à la cause qui à donnée naissance à cette variation de flux.

dt

ELdi

dt

EdN

L : inductance de la bobine.

A la fermeture du circuit primaire par le hacheur, cette variation de flux (créée par l’établissement du courant primaire) dans le bobinage primaire et secondaire génère:

  • une fem induite dans le primaire qui tend à s’opposer à l’établissement du courant primaire et donc retarde sont établissement.
  • une fem induite dans le secondaire qui est faible et qui ne peut produire une étincelle.

Lorsque le hacheur coupe brutalement le circuit primaire, le courant primaire diminue brusquement. L champs magnétique et le flux disparaissent brusquement. Cette variation brutale du flux entraîne :

  • Une fem induite dans le bobinage primaire Ep  300V

dt

Ep dNp

dt

EpLpdip

  • Une fem induite dans le bobinage secondaire Es d’expression

Np

EsEpNs

Calculons Ep permettant d’obtenir à cet instant 20000V au secondaire

    • Ns 12000 spires
    • Np 200 spires

Ep=Es-. Np/ Ns  Ep = 20000 . 200 / 12000=333 V

Cette tension apparaît à la coupure du circuit primaire grâce à la variation brutale de  dans les bobinage primaires et secondaire

L’instant d’allumage correspond à l’instant de coupure du courant primaire. La variation brutale du flu magnétique traversant les bobinages créée une fem au secondaire suffisante pour créer l’étincelle à la bougie.

REALISATIONS TECHNOLOGIQUES: les systèmes d’allumage

    1. Système d’allumage classique
      1. Constitution du système :

      1. Fonctionnement du système

Le hacheur:

Le hacheur est logé dans l’allumeur. C’est un interrupteur mécanique à contacts appelé rupteurs. Il est commandé mécaniquement par une came qui est entraînée à demi vitesse moteur par l’arbre de l’allumeur lié à l’arbre à cames.

L’instant d’ouverture est de fermeture du circuit primaire est défini mécaniquement par le positionnement angulaire de l’ensemble rupteurs par rapport à la came, qui est liée au vilebrequin. Cette position initiale correspond à l’avance initiale (au ralenti) et dépend de l’orientation du corps d’allumeur sur le moteur : opération de calage de l’allumeur.

La variation du point d’avance à l’allumage en fonction de N moteur est obtenue par un système d’avance centrifuge qui va décaler la position angulaire de la car-ne par rapport au vilebrequin en fonction de N moteur.

La variation du point d’avance en fonction de la charge est obtenue par un décalage de la position angulaire des rupteurs par rapport à la came en fonction de la pression tubulure grâce à un système d’avance à dépression équipé d’une capsule à dépression.

Inconvénients de ce système d’allumage :

Usure des pièces mécaniques  Déréglage de l’avance.

Coupure mécanique du circuit primaire  arc électrique au moment de la coupure malgré un condensateur: tension secondaire limitée( coupure non franche), Ip maxi = 4 A (faible énergie BT), détérioration des contacts. La commande mécanique du hacheur ne permet pas :

De gérer le niveau d’énergie (allumage médiocre à hauts régimes)

De tenir compte d’autres paramètres : cliquetis, T° moteur… pour l’AA

Le distributeur HT

Il est constitué de la tête d’allumeur et d’un doigt d’allumeur qui est entraîné par l’arbre d’entraînement de l’allumeur. Le doigt d’allumeur qui tourne distribue l’énergie électrique HT aux différents cylindres en fonction du branchement des fils de bougie.

      1. Schéma de principe du système
    1. Système d’allumage transistorisé à générateur d’impulsions
      1. Constitution du système
        1. batterie
        2. commutateur
        3. bobine d’allumage
        4. module d’allumage
        5. générateur d’impulsion
        6. distributeur HT
        7. bougie d’allumage

Exemple: Système d’allumage du Système BOSCH MOTRONIC MP 5.1.1.

Eléments du système:

        • Calculateur injection allumage (1)
        • Bobine d’allumage jumo-statique (11)
        • Bougies (26)

Informations prises en compte pour la., gestion de l’allumage

        • Capteur régime position moteur (2)
        • Capteur pression (3)
        • Sonde T° air (6)
        • Potentiomètre papillon (4)
        • Capteur T’ eau (5)
        • Capteur cliquetis (25)
        • Capteur vitesse véhicule (7)
        • U batterie
      1. Fonctionnement du système:

Bobine d’allumage jumo-statique:

Bobine d’un allumage statique 4 cylindres

Le distributeur HT est un système mécanique qui s’use. L’allumage statique supprime le distributeur HT.

Dans cette bobine d’allumage jumo-statique il y a 2 bobinages primaires et 2 bobinages secondaires.

Chaque extrémité d’un bobinage secondaire est liée

à une bougie donc il y a une bobine pour 2 cylindres:

  • une pour le cylindre 1 et 4
  • une pour le cylindre 2 et 3
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Le hacheur est logé dans le calculateur d’allumage. Il s’agit de 2 transistors qui commandent alternativement le circuits primaires de la bobine d’allumage statique (voir schéma de principe ci dessous). Ces 2 transistors son commandés par un module électronique intégré dans le calculateur d’allumage.

Le déclenchement de l’allumage a lieu alternativement tous les demi-tours moteur sur une paire de cylindres ( 1 & 4 ou 2 & 3 ), en respectant l’ordre d’allumage (ex : 1.3.4.2 ). Il y a donc une étincelle effective fin compression sur un cylindre (ex cyl 1) et une étincelle « perdue » fin échappement sur 1 ‘autre cylindre (ex: cyl 4).

Le module électronique gère le niveau d’énergie délivrée ainsi que l’instant d’allumage sur le cylindre donné en fonction des informations des différents capteurs ( paramètres moteurs) et des cartographies programmées qu’il en mémoire.

      1. Schéma de principe

GMB TECHNOLOGIE SYSTEMES D’ALLUMAGE 34 / 36

Tableau récapitulatif

u

système d’allumage classique Système transistorisé à générateur d’impulsions Système électronique intégral
Type de Hacheur Mécanique: Rupteurs Electronique: Transistor Electronique : Transistor
Unité de commande du hacheur (méca / électronique ) Mécanique Electronique et Mécanique Electronique
Eléments constituants l’unité de commande Came Système d’avance Centrifuge ( 1) Système d’avance à dépression ( 2) Module d’allumage Générateur d’impulsions Systèmes ( 1 & 2) Calculateur d’allumage( et d’injection) Capteurs
Distribution H T Oui : distributeur HT Oui distributeur HT Oui ou non selon les Systèmes ( statique)
Instant de déclenchement de l’étincelle A l’ouverture des rupteurs Dès que le transistor n’est plus passant Dès que le transistor n’est plus passant
Possibilité de

gestion de 1

‘énergie emma- gasinée dans la bobine : % de Dwell variable

( oui / non )

Non Oui Oui
Asservissement au cliquetis Non Non Oui
Info position moteur Liaison mécanique de la came par rapport au vilebrequin Liaison mécanique du rotor du géné avec le vilebrequin Capteur position et vitesse moteur
Variation de L’AA en fonction de N Variation de la position angulaire de la came ( Syst centrifuge ) Variation de la position angulaire du rotor ( Syst. centrifuge ) Capteur position et vitesse moteur
Variation de L’AA en fonction de la charge Variation de la position angulaire des rupteurs ( Syst. à dépression Variation de la position angulaire du stator ( Syst. à dépression Capteur pression tubulure o capsule à dépression
Calage initial de L’AA

(oui / non)

Oui Oui Non
Comment Orientation initiale du corps de l’allumeur Orientation initiale du corps de l’allumeur
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CORRECTION DES APPLICATIONS :

Application p7 :

En considérant que l’avance à l’allumage est figée, calculer la nouvelle position du vilebrequin correspondant à 50% des gaz brûlés à 6000 tr/mn sachant que:

  • 50% des gaz sont brûlés lorsque la combustion est débutée depuis 0.8ms
  • di = 0.5 ms

sol : N = 6000 tr/mn  ( = 36 °/ms)

 ( 50%) = 1,3 x 36 -13 = 33,8° après le PMH

Application p9 :

Etude des flux échangés:

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Application p14 :

Tcy

%Dwell Tc 100

22

%Dwell 1310059%

Application p15 :

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