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Allumage

Publié le par Guide automobile

L' allumage dans un moteur automobile

Allumage La tension requise entre les électrodes de la bougie dépend de leur écartement et de la pression dans le cylindre. Elle varie en gros de 5 à 15 kV.

Le "timing" de l'allumage doit être particulièrement précis, compte tenu de ses conséquences sur la puissance fournie et sur le risque de cliquetis. En effet, si l'allumage est trop précoce, l'augmentation de pression avant le PMH sera trop importante, et le surplus de travail à fournir pendant la fin de la compression excédera le gain de travail fourni par le piston pendant le temps moteur, le bilan total étant donc négatif. En outre, comme on l'a déjà mentionné, les pressions et températures élevées provoquées par un allumage précoce risquent de favoriser le cliquetis. En revanche, si l'allumage est trop tardif, le travail fourni pendant le temps moteur va décroître exagérément, et ce phénomène ne sera pas compensé par la diminution du travail à fournir pendant la compression. De plus, la combustion risque de ne pas avoir disposé de suffisamment de temps pour se dérouler complètement avant que la soupape d'échappement ne s'ouvre en fin de détente, ce qui peut provoquer une surchauffe des soupapes en question. Il existe donc un optimum, et l'on choisit en général de décaler l'allumage de l'optimum de quelques degrés dans le sens qui permet d'éviter le cliquetis, c'est-à-dire de réduire l'avance à l'allumage. Le cliquetis est davantage susceptible d'intervenir à pleine charge et à bas régime, car lorsque le régime augmente l'efficacité volumique diminue (donc les pressions) de même que le laps de temps disponible pour que le mécanisme du cliquetis puisse se déclencher. L'avance à l'allumage doit donc généralement être plus importante à bas régime qu'à haut régime.

A charge partielle, pression et température sont plus réduites, donc la propagation de la flamme est plus lente. Par conséquent, l'allumage doit être "minuté" en conséquence.

Carburation ou injection

On nomme lambda le rapport entre la masse d'air effectivement admise et la masse nécessaire pour avoir une combustion stoechiométrique (qui est de 14,7 kg d'air pour 1 kg de carburant, soit près de 10000 litres d'air par litre de carburant). La puissance maxi est obtenue pour un lambda compris entre 0.85 et 0.95, soit un mélange légèrement riche. Cela s'explique en partie par le fait que la chaleur latente de vaporisation de l'essence en excès permet de refroidir le mélange et donc d'améliorer le remplissage. On peut descendre jusqu'à 0.4 pour un démarrage à froid. En revanche, la conso mini est obtenue pour lambda compris entre 1.05 et 1.3. Les limites de fonctionnement correspondent approximativement à un rapport air:essence de 64:1 pour les mélanges les plus pauvres à 3:1 pour les plus riches, mais de telles valeurs sont réellement extrêmes, et le fonctionnement du moteur dans de telles conditions sera très chaotique.

Plus lambda augmente, plus la température du moteur augmente car la combustion ralentit. Au-delà de la valeur de 1.3, un moteur conventionnel ne fonctionne plus. Il faut avoir recours à de fortes turbulences : système V-Tec, charges stratifiées.

Le principe des moteurs à charge stratifiée est de disposer d'un mélange inflammable à proximité immédiate de la bougie, et un mélange moins riche (éventuellement non-inflammable ; lambda peut y dépasser 3) dans le reste du cylindre. On ne contrôle alors pas la puissance par la quantité d'air admis, mais par la quantité d'essence fournie, de façon assez semblable à un moteur diesel. La chambre de combustion doit être divisée de manière à créer une pré-chambre où se trouve la bougie. Une cavité sphéroïdale est réalisée dans la tête de piston, et permet d'imprimer un mouvement tourbillonnant (tumble) "renversé" au mélange, en le faisant remonter vers la bougie. Au ralenti, un tel procédé permet de réduire la consommation de près de 40% par rapport à un moteur classique. L'injection fonctionne selon deux modes principaux : un mode pauvre, qui correspond aux faibles besoins en puissance, et un mode "normal". Dans le premier mode, l'injection a lieu en fin de compression (la pression dans le cylindre étant comprise entre 3 et 10 bars) et le lambda global est de l'ordre de 2.5. Compte tenu des importants besoins en air, le papillon reste grand ouvert, et les pertes de charge sont ainsi limitées. En mode normal, l'injection a lieu pendant la phase d'admission, ce qui permet d'obtenir ensuite un mélange plus homogène. La pression dans le cylindre lors de l'injection est d'environ 1 bar, ce qui permet d'obtenir un spray plus divergent qu'en mode pauvre, ce qui va également dans le sens d'une bonne homogénéité du mélange. En outre, le refroidissement assuré par l'injection précoce permet de gagner environ 5% en efficacité volumétrique. La température en fin de compression est en plus réduite d'environ 30°, ce qui permet d'éviter le cliquetis jusqu'à des taux de 12:1.

Les injecteurs utilisés dans les moteurs essence à injection directe doivent supporter des pressions d'injection de l'ordre de 100 bars, contre moins de 10 bars pour les injections indirectes (resp. environ 1500 et 300 pour des moteurs diesel ...). La forme du jet est déterminée par la levée de l'aiguille de l'injecteur ainsi que par la durée d'ouverture de cette dernière. La performance de ces moteurs est étroitement liée au timing de l'injection. Plus la charge moteur réduit, plus la "fenêtre" temporelle d'injection diminue.

Le premier moteur essence à injection directe (dont le principe remonte aux années 30 ...) commercialisé par Mitsubishi avait une cylindrée unitaire de 450 cm3. Il semble être particulièrement délicat de mettre cette technologie au point sur des cylindrées unitaires plus réduites. De plus, la gestion de la transition entre les différents modes opératoires est complexe. Le fonctionnement des moteurs à injection directe dans les phases transitoires est meilleur, ils démarrent plus facilement et ont besoin de moins d'enrichissement à froid, mais ils ont en contrepartie tendance à produire davantage d'hydrocarbures imbrûlés, et, comme les moteurs diesel et pour les mêmes raisons, des particules. Les gouttelettes de carburant les plus grosses, n'ayant pas eu suffisamment de temps pour s'évaporer, en sont les responsables ... En outre, la production de NOx d'un moteur à injection directe est à peu près comparable à celle d'un moteur à injection indirecte

Le problème des mélanges très pauvres est qu'ils ont tendance à engendrer de hautes températures. Ces températures élevées favorisent la formation de NOx que les catalyseurs troies voies ne peuvent réduire. Une solution consiste à utiliser un dispositif de recyclage des gaz d'échappement (EGR). La réinjection de gaz brûlés par un raccord placé sur la canalisation d'air frais permet de diminuer la température de combustion, et le taux de dilution élevé parfois utilisé (40% pour les moteurs à injection directe, 20% pour les moteurs à injection indirecte) permet de laisser le papillon plus ouvert, ce qui est bénéfique pour les pertes par pompage.

En présence d'un mélange pauvre, les catalyseurs trois voies travaillent en outre en mode "oxydation" ...

(Eric Cabrol)

Publié dans automobile

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