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Point d'allumage et contrôle des émissions

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By: Christian Haentjens
2006-04-01

Le point d'allumage est un élément critique du contrôle des émissions. Il est défini comme la position du vilebrequin par rapport au point mort haut -- PMH (Top Dead Center - TDC) de fin de course ascendante du piston correspondant et est décrit en degré d'angle avant le PMH. Cet angle est appelé «angle d'avance». Un décalage du point d'allumage en direction du PMH correspond à une variation dans le sens retard. Une correction dans la direction opposée définit une variation dans le sens avance.

La durée entre l'allumage et la combustion du mélange ne varie que de façon minimale. Trois (3) millisecondes (ms) en moyenne s'écoulent entre l'instant de l'inflammation du mélange air-essence et sa combustion complète. L'étincelle d'allumage doit donc jaillir suffisamment tôt de façon que la pression de combustion atteigne son maximum juste après le point mort haut du vilebrequin. Si l'étincelle éclate trop tôt, le piston est fortement freiné dans sa course ascendante. Si l'étincelle jaillit trop tard, la combustion ne s'effectue que lorsque le piston a entamé sa course descendante. Dans les deux cas, la puissance du moteur est faible par rapport au carburant consommé et le risque de surchauffe des pièces du moteur dans la chambre de combustion est grand. C'est pourquoi, le point d'allumage est réglé pour obtenir une puissance maximale tout en permettant un fonctionnement économique et un minimum de pollution.

Si l'on réglait définitivement le point d'allumage à une valeur définie de l'angle d'avance avant le point mort haut, l'instant de combustion reculerait sans cesse au cours du cycle de travail (temps combustion) à une vitesse croissante, car le vilebrequin tourne de plus en plus vite entre l'allumage et la combustion. Si l'on veut s'assurer que la pression maximale de combustion maximale de combustion règne toujours à la même position du piston, à savoir quelques degrés après le PMH, le point d'allumage doit être ajusté de façon à pouvoir se décaler de plus en plus dans le sens avance lorsque la vitesse croît. Le régime du moteur ne représente toutefois pas le seul facteur qui définit l'instant le plus favorable de l'inflammation du mélange.

L'instant précis où l'allumage doit se produire afin d'assurer la combustion la plus complète du mélange change continuellement et dépend, également, de la dépression dans la tubulure d'admission ou de la charge respective du moteur, de la température du moteur et de la température de l'air d'admission. Même la position du papillon d'admission et les taux de changement d'ouverture sont des facteurs qui peuvent modifier les exigences du moment d'allumage. Le carburant, la densité et le flux du mélange exercent, de même, une influence sur le point d'allumage.

Quand le moteur, par exemple, ne fonctionne pas à pleine charge, mais à charge partielle, le mélange arrivant dans la chambre de combustion est moins inflammable; il brûle plus lentement et doit donc être enflammé plus tôt parce que les particules de combustible sont moins rapprochées les unes des autres.

Pour toutes ces raisons, les dispositifs classiques d'avance à l'allumage à dépression et centrifuge ne peuvent produire les changements ultra-rapides et précis du moment d'allumage qu'exige une combustion complète. Pour ces dispositifs mécaniques et pneumatiques, la précision des réglages dépendait entièrement du déplacement libre de divers éléments mobiles. Avec leur usage, les caractéristiques de ces éléments changeaient (usure). Devant ces conditions, les constructeurs se devaient d'adopter des marges de sécurité importantes allant jusqu'à 10° pour éviter d'endommager le moteur. Ces écarts entre le point idéal d'allumage et réel contribuaient à réduire de façon significative le rendement du moteur. De plus, les avances mécaniques ne pouvaient être déterminées directement que par deux paramètres : le régime du moteur et la dépression dans la tubulure d'admission. La régulation mécanique de l'avance présentait donc des carences que les constructeurs corrigèrent par l'adoption de l'allumage à détermination électronique de l'avance. Il suffisait d'un surplus d'avance pour endommager le moteur de façon permanente et d'un léger retard pour en réduire le rendement et produire des émissions polluantes.

Les figures 2, 3 et 4 illustrent comment le point d'allumage influence la composition des gaz d'échappement d'un moteur type ayant un régime de 2 000 tr/min et une charge partielle de conduite sur route.

Par comparaison avec la régulation mécanique de l'avance, l'allumage à détermination électronique de l'avance est indispensable pour régler le point d'allumage avec précision impossible à obtenir par une simple avance centrifuge et à dépression, dispositifs qui répondent qu'aux variations de vitesses du moteur et à la dépression dans la tubulure d'admission.

L'adoption de la commande électronique de l'avance à l'allumage à coïncider, dans la plupart des cas, avec celle de l'injection électronique partageant le même module de commande du moteur.

Ainsi, le système de commande électronique d'avance à l'allumage doit détecter et réagir, en quelques millisecondes, aux signaux provenant des capteurs et des sondes montés sur le moteur qui enregistrent les multiples aspects déjà mentionnés du fonctionnement de ce dernier. Le traitement presque instantané de toutes ces données procure une infinité de réglages de l'avance et constitue une des fonctions du module de commande du moteur que comporte le système de commande électronique d'avance à l'allumage partagé avec le système d'injection électronique de carburant.

Le module de commande du moteur, principal élément du système de commande électronique d'avance à l'allumage, reçoit simultanément des signaux provenant du capteur de régime du moteur (engine speed sensor - RPM sensor), du capteur de position du vilebrequin (CranKshaft Position sensor -- CKP sensor, du capteur de pression absolue de la tubulurure d'admission (Manifold Absolute Pressure sensor -- MAP sensor) ou du débitmètre d'air massique (Mass Air Flow sensor -- MAF sensor), de la sonde de température du liquide de refroidissement (Engine Coolant Temperature sensor -- ECT sensor), de la sonde de température d'air d'admission (Intake Air Temperature sensor -- IAT sensor), du capteur de position du papillon (Throttle Position sensor -- TP sensor) et du commutateur d'allumage (signal de démarrage) analyse cette information et produit des signaux de commande qui permettent l'allumage du mélange air-essence au bon moment selon les exigences spécifiques du moteur, imposées par les conditions de fonctionnement particulières, telles que: température, démarrage, ralenti, révolution, accélération, décélération, pleine charge et la richesse du mélange, ainsi que, les conditions environnementales telles que: pression atmosphérique et température.

Par exemple, l'angle d'avance au démarrage est programmé en fonction de la vitesse, ce qui accroît l'aptitude au démarrage du moteur. L'angle d'avance ou l'angle de retard du moment d'allumage n'est pas basé sur une courbe constante; les courbes peuvent être en nombre infini et variables.

Ainsi, le réglage de l'allumage au ralenti sera orienté vers une meilleure composition des gaz d'échappement, un fonctionnement régulier et une consommation faible, alors qu'à charge partielle l'agrément de conduire et la consommation occupent une place prédominante. À pleine charge, l'objectif principal sera l'obtention d'un couple moteur maximal évitant le cliquetis (Pinking).

Selon le type d'allumage, le module de commande du moteur peut commander l'ouverture du circuit primaire de la bobine d'allumage et, par le fait même, produire l'étincelle à la bougie d'allumage soit: directement ou bien indirectement à travers le module d'allumage.

L'évolution du système d'allumage a fait apparaître, d'abord, l'allumage électronique touchant surtout le circuit primaire favorisant la réduction des émissions polluantes. Ensuite, est apparu l'allumage à détermination électronique de l'avance réduisant davantage les substances toxiques des gaz d'échappement. Puis, mis à part le développement de bobines dites « performantes » permettant une haute tension disponible beaucoup plus élevée, le circuit secondaire n'avait pas subi depuis, de modifications majeures. Ainsi, les changements importants concernent maintenant le circuit secondaire, source de ratés d'allumage et, bien sûr, cause de pollution. La disparition du distributeur, n'étant en fait qu'un chapeau et un rotor, permet un contrôle encore plus précis de l'avance à l'allumage puisque les pièces mobiles, sujettes à l'usure, ont été supprimées.

L'utilisation d'un système d'allumage sans distributeur (Distributorless Ignition System -DIS) implique parfois, selon le système, l'ajout d'un autre capteur, appelé « capteur d'identification des cylindres » (Cylinder IDentification - CID), est une variante dans le nombre de bobines d'allumage à commander.

Afin de suppléer à la fonction distribution du distributeur, le système emploie une bobine à deux étincelles, c'est-à-dire une bobine pour deux cylindres ou une bobine par cylindre. Dans ce dernier cas, les bobines sont reliées directement à leur bougie respective. Les bobines d'allumage à deux étincelles prennent la forme d'un groupe monobloc ou d'un ensemble modulaire, indépendantes les unes des autres et remplaçables individuellement.

Chacune des bobines d'allumage possède son circuit primaire et son circuit secondaire sur lequel est branché, à ses extrémités, une bougie. Une étincelle est produite sur chacune des bougies en même temps. Lorsqu'un des pistons est en fin de course compression, c'est-à-dire dans une position favorable et, qu'il est prêt à subir l'inflammation, l'autre piston est en fin de course échappement.

Un moteur à quatre cylindres utilise deux bobines d'allumage, un moteur possédant six cylindres utilise trois bobines, alors qu'un moteur muni de huit cylindres en utilise quatre.

Encore ici, le module de commande du moteur peut commander directement ou indirectement l'ouverture du circuit primaire par l'entremise d'un module d'allumage.

La tendance des constructeurs d'automobiles est d'accroître le rapport volumétrique des moteurs pour en réduire la consommation et en augmenter le couple moteur. L'augmentation du rapport volumétrique risque toutefois de provoquer une combustion détonante du mélange air-essence et le cliquetis du moteur. Ces phénomènes s'accompagnent d'un accroissement de la charge thermique et mécanique des composants du moteur provoquant des bruits durs et soudains lors de la combustion en cours.

Normalement, la combustion est amorcée par l'étincelle qui enflamme le mélange air-essence dans la chambre de combustion. Un front de flamme se propage alors dans toutes les directions à partir de l'étincelle. La vitesse de déplacement du front de flamme s'appelle « la vitesse de propagation des flammes ». Lorsque le front de flamme se déplace uniformément dans la chambre de combustion, on considère la combustion comme normale.

Par contre, il y a aussi des combustions dites « anormales ». Il s'agit de combustions affectant la totalité ou une partie du mélange carburé qui ne résultent pas de la propagation d'un front de flamme amorcé par l'étincelle. Elles sont provoquées par différents facteurs, avant ou après la production de l'étincelle, appelées respectivement « pré-allumage » et « détonation ».

Ainsi, les variations résultant de pression et de dégagement accru de chaleur dans la chambre de combustion, succédant au cliquetis, risquent d'endommager le moteur. Des effets de vieillissement (dépôts), la composition du mélange, la qualité de l'essence, la densité de l'air et la température du moteur exercent une influence importante sur la limite du cliquetis. Pour chaque type de moteur, les constructeurs prescrivent un indice d'octane minimal pour le carburant afin que le moteur fonctionne en l'absence de cliquetis.

On distingue deux types de cliquetis lesquels sont:

* le cliquetis audible survenant à l'accélération à partir d'un régime faible et à charge élevée;

* le cliquetis non audible apparaissant à haut régime et à forte charge (ce cliquetis à haut régime est un paramètre particulièrement critique pour le moteur).

Le cliquetis du moteur provient d'une combustion brusque des particules du mélange, lesquelles ne sont pas encore atteintes par le front de flamme émanant de l'allumage par étincelle. Dans ce cas, le point d'allumage se situe trop loin dans le sens avance. Le cliquetis se traduit par une augmentation de la température dans la chambre de combustion, susceptible de provoquer un auto-allumage, et par un fort accroissement de la pression.

La combustion brusque engendre des ondes de pression qui se superposent à l'évolution normale de la pression. Les bruits du moteur ne permettent pas d'entendre le cliquetis à haut régime. C'est pourquoi, le cliquetis audible procure une image incomplète du comportement au cliquetis. Celui-ci peut toutefois être mesuré exactement par des moyens électroniques. Un cliquetis persistant provoque des avaries graves du moteur (détérioration des joints de culasse, endommagement des paliers, formation de trous dans le piston) ainsi qu'au niveau des bougies et, il est généralement associé à une perte de puissance du moteur.

L'emploi d'un ou de plusieurs capteur (s) de cliquetis (knock sensor), logé (s) au niveau des chambres de combustion sur le bloc-cylindres, permet (tent) de concevoir la commande du point d'allumage dans un cas normal et de résoudre les problèmes reliés au cliquetis au moyen d'un circuit d'asservissement ajouté au système de commande électronique d'avance à l'allumage.

Une combustion, accompagnée du phénomène de cliquetis, provoque la vibration des pièces du bloc-cylindres à une fréquence caractéristique avec des harmoniques correspondantes. Comme les vibrations contiennent d'autres fréquences que celles caractérisant le cliquetis, rend difficile la mesure des bruits du moteur. C'est pourquoi, les oscillations importantes pour la détection du cliquetis sont enregistrées et converties par un ou plusieurs capteur (s) de cliquetis en des signaux électriques à l'aide d'une céramique piézo-électrique (effet piézoélectrique: apparition des charges superficielles sur un cristal sous l'effet de forces mécaniques). À partir de ces signaux, le module de commande du moteur génère un signal présence ou absence de cliquetis en combinant logiquement d'autres paramètres.

À l'apparition du cliquetis au cours de la combustion, le système de commande électronique d'avance à l'allumage décale aussitôt l'angle d'allumage d'une valeur donnée dans le sens retard, puis le ramène progressivement dans le sens avance jusqu'à sa valeur initiale, à moins que le ou les capteur (s) de cliquetis n'ait (aient) détecté (s) un nouveau cliquetis. Sur certains moteurs, l'angle d'allumage est réglé de façon spécifique à chaque cylindre.

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Christian Haentjens
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fig. 1 : Avance à l'allumage avec augmentation du régime du moteur
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Caption: fig. 1 : Avance à l'allumage avec augmentation du régim...
fig. 2 : Relation existant entre les émissions d'hydrocarbures (HC) et le coefficient d'air Lambda à différents points d'allumage
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Caption: fig. 2 : Relation existant entre les émissions d'hydroc...
fig. 3 : Relation existant entre les émissions de monoxyde de carbone (CO) et le coefficient d'air Lambda à différents points d'allumage
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Caption: fig. 3 : Relation existant entre les émissions de monox...
fig. 4 : Relation existant entre les émissions d'oxydes d'azote (NOx) et le coefficient d'air Lambda à différents points d'allumage
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Caption: fig. 4 : Relation existant entre les émissions d'oxydes...
fig. 5 : Représentation schématique du système à commande directe sans module d'allumage
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Caption: fig. 5 : Représentation schématique du système à comman...
fig. 6 : Représentation schématique du système à commande indirecte avec module d'allumage
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Caption: fig. 6 : Représentation schématique du système à comman...
fig. 7 : Représentation schématique du système sans distributeur avec contrôle direct
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Caption: fig. 7 : Représentation schématique du système sans dis...
fig. 8 : Représentation schématique du système sans distributeur avec contrôle indirect
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Caption: fig. 8 : Représentation schématique du système sans dis...


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