L'allumage des moteurs à combustion interne

I. Objectif

Vers la fin de la compression, la chambre de combustion est pleine de gaz combustibles, qu'il faut enflammer.

Deux procédés peuvent être utilisés :

1. Amener les gaz au contact d'une flamme qui élève la température des particules immédiatement voisines et les enflamme, celles-ci à leur tour échauffent et enflamment les particules voisines, la combustion partie d'un point, atteint successivement toutes les couches de la masse gazeuse.

2. Utiliser la propriété de tous les gaz combustibles de s'enflammer spontanément et en masse dès que leur température atteint une certaine valeur. Ce procédé est utilisé dans les moteurs du type Diesel.

 Dans les moteurs à explosion, l'inflammation du mélange gazeux est très généralement obtenue par le premier procédé 1. Actuellement et depuis longtemps, on enflamme les gaz par une étincelle de tension élevée jaillissant à l'intérieur de la chambre de combustion entre les deux électrodes d'une bougie.

Note : on est parvenu pendant la guerre à éliminer les procédés d'allumage classique sur les moteurs d'avion en raison des inconvénients que ces dispositifs présentent en atmosphère raréfiée.

Le procédé consiste à injecter une petite quantité d'éther dans le cylindre en fin de compression. L'éther s'enflamme spontanément et provoque ainsi l'allumage du mélange. L'inflammation est très régulière et l'expérience. montré que le taux de compression pouvait être augmenté sans l'apparition de la détonation.

La quantité de fluide injecté est très faible: 2 litres à l'heure pour 1 moteur de 3 litres de cylindrée (Voir Auto-Revue du 10 mai 1947).

On étudiera, avant d'entreprendre la description et le fonctionnement des appareils d'allumage utilisés actuellement, les conditions que doit remplir l'étincelle pour assurer un allumage correct et les moyens techniques employés pour les satisfaire.

A.  Conditions à remplir par l'étincelle électrique.

a) Instant convenable - On a vu (Etude du Cycle pratique) qu'il y a lieu de provoquer l'inflammation du mélange gazeux à un instant précis. Cet instant précède d'un temps extrêmement court le passage du piston au point mort haut et constitue l'avance à l'allumage.

 1. Temps nécessaire à la combustion. - Pour une chambre de combustion de dimension donnée, le temps nécessaire à la combustion est fonction de la vitesse de combustion du mélange. La vitesse de combustion du mélange est elle-même déterminée par trois facteurs: le combustible, la richesse du mélange et enfin sa température. Seul le 3e facteur est en fait susceptible de varier, lorsqu'on considère un moteur donné alimenté par un carburant dont les caractéristiques peuvent être considérées comme constantes au moins en principe. Or la température du mélange est fonction de la pression en fin de compression, c'est à dire du taux de compression et du remplissage. En fait, le taux de compression restant sensiblement constant, la vitesse de combustion du mélange est fonction du remplissage.

L'avance à l'allumage doit diminuer lorsque le taux de remplissage augmente et croître dans le cas inverse.

Note : Lorsque la chambre de combustion a une grande dimension, cas des moteurs de grosse cylindrée ou lorsqu'on désire écourter au maximum la durée de la combustion (moteur à régime très élevé) on monte sur le moteur un dispositif de double allumage.

2. Temps offert à la combustion. Lorsque la vitesse de rotation augmente, la fin de la combustion a lieu de plus en plus en retard par rapport au point mort haut, l'avance à l'allumage doit donc augmenter de manière à maintenir la répartition optimum de la combustion de part et d'autre du pl1Ïnt mort haut.

En fait pour un moteur et un combustible donnés, l'avance à l'allumage est pratiquement fonction à chaque instant de deux quantités indépendantes:

La vitesse de rotation du moteur

Le remplissage des cylindres.

b) Etincelle suffisante - Pour que la combustion soit rapide, il faut que l'étincelle mette immédiatement le feu à une quantité suffisante de gaz.

La température de l'étincelle qui est de l'ordre de 3000°C n'est pas le seul élément à considérer. Il faut que l'étincelle ait une dimension suffisante et cède d'emblée au mélange combustible une quantité de chaleur suffisante : l'expérience montre que l'allumage est satisfaisant lorsque sa longueur est de 0,5 à 0,6 mm.

A une longueur donnée correspond une tension minimum au dessous de laquelle l'étincelle ne jaillira plus. Dans l'air sec, à la pression atmosphérique, cette tension est de l'ordre de 3 000 Volts, mais le mélange gazeux est comprimé et la résistance au passage de l'étincelle croît à peu à près proportionnellement à la pression des gaz. La pression en fin de compression étant de l'ordre de 8 à 10 kg/cm2, la tension nécessaire est d'environ 10 000 Volts.

Pour être certain que l'étincelle jaillisse même dans des conditions défavorables (surpression accidentelle, électrodes trop écartées), la tension aux bornes de la bougie atteint généralement 15 000 Volts.

B. Principe d'un appareil d'allumage.

a) Organisation.

On dispose sur le véhicule d'une source de courant à basse tension et on l'élève grâce à une bobine d'induction.

Un appareil d'allumage est toujours organisé d'après le schéma suivant (fig. 128). On peut distinguer deux circuits, nettement séparés du point de vue électrique:

1. Le circuit primaire dans lequel on trouve:

un générateur de courant à basse tension : batterie d'accumulateurs ou source de courant alternatif (magnéto à basse tension). La force électromotrice de ce générateur est comprise entre 6 et 30 Volts

l'enroulement primaire d'un transformateur qui joue en même temps le rôle de bobine d'induction.

un rupteur ou interrupteur formé essentiellement de deux contacts ou vis platinées qui peuvent se séparer à l'instant convenable et interrompre le courant primaire.

 Le circuit primaire est toujours complété par un condensateur et un interrupteur permettant l'arrêt du moteur.

2. Le circuit secondaire composé de l'enroulement secondaire du transformateur et d'une bougie entre les électrodes de laquelle le courant à haute tension passe sous forme d'étincelle.

b) Fonctionnement

Le rupteur étant fermé, le circuit primaire est parcouru par un courant supposé pour l'instant constant et continu. Le passage du courant dans l'enroulement primaire provoque la création d'un champ magnétique et par suite d'un flux magnétique constant dans le circuit secondaire.

L'ouverture du rupteur détermine l'annulation du courant primaire et par suite du flux magnétique dans le circuit secondaire. Le circuit secondaire étant soumis à une variation de flux est le siège d'un courant induit.

Si l'enroulement secondaire a N spires, la différence de potentiel entre les extrémités du circuit secondaire a pour valeur :

Soit i l’intensité du courant primaire

n le nombre de spires de l’enroulement primaire

l la longueur de l’enroulement

Le champ magnétique H produit par le passage du courant primaire a pour valeur

On peut arriver au même résultat en observant que la force électromotrice du générateur de courant est élevée par l'application simultanée de deux procédés :

- création d'un courant d’auto-induction dans l'enroulement primaire par ouverture rapide du circuit primaire.

- Elévation de la tension du courant d’auto-induction par un transformateur.

La différence de potentiel due au courant d’auto-induction entre les extrémités du circuit primaire a pour valeur :

Les tensions aux extrémités des enroulements primaire et secondaire et le nombre de spires de ces enroulements sont reliés par:

Cette expression de la différence de potentiel aux extrémités de l'enroulement secondaire est identique à la relation (1).

C. Réalisations des conditions de l'étincelle

a) Instant convenable.

La rupture du circuit primaire détermine le jaillissement de l'étincelle entre les électrodes de la bougie.

Il suffit que cette rupture ait lieu au moment voulu : elle est commandée par une came provoquant l'écartement des vis platinées et convenablement calée par rapport à l'arbre moteur.

La variation d'avance à l'allumage en fonction de la vitesse de rotation et du remplissage peut être obtenue de différentes manières :

La variation en fonction de la vitesse de rotation est souvent réalisée par un dispositif à force centrifuge intercalé entre arbre moteur et came de commande, qui permet d'obtenir un décalage entre ces deux organes en fonction de la vitesse,

Les dispositifs de variation automatique en fonction du remplissage ne sont montés que d'une manière exceptionnelle et uniquement sur les appareils d'allumage par batterie.

On signalera enfin l'emploi, dans certains cas, de dispositifs non automatiques commandés directement par le conducteur.

Ces réalisations seront étudiées plus loin.

b) Etincelle suffisante.

La différence de potentiel entre les extrémités de l'enroulement secondaire doit être de l'ordre de 15 000 Volts; on a vu que cette différence de potentiel était donnée par la relation:

Les différents facteurs de cette relation sont :

Influence de di/dt : Il faut réaliser la plus grande variation d'intensité di, dans le temps dt le plus court possible.

On examinera plus loin la question du temps.

On part d'une valeur i0 la plus grande possible pour aboutir à la valeur zéro, lorsque le circuit primaire est coupé.

L'intensité avant la rupture i0 dépend de ,la force électromotrice du générateur à basse tension: 6 à 12 Volts pour une batterie, jusqu'à 30 Volts pour une magnéto tournant à grande vitesse. Elle dépend également de la résistance du circuit primaire, en fait de l'enroulement primaire qui doit être peu résistant, donc constitué par un fil de faible longueur et d'assez grosse section. i0 ne peut cependant atteindre une valeur trop importante. Sa valeur maximum possible est déterminée par l'intensité que peut supporter l'enroulement primaire sans échauffement exagéré et surtout par l'intensité que peuvent laisser passer sans détérioration les contacts de rupture.

On ne peut songer, pour élever la limite de l'intensité acceptable aux contacts, à renforcer la pression entre ces contacts : le rupteur travaillerait dans des conditions mécaniques trop dures.

Il n'est pas non plus possible d'augmenter la surface utile des contacts au-delà des valeurs couramment choisies dans l'industrie, car la portée deviendrait irrégulière et peu sûre.

On admet en fait avec des contacts circulaires de tungstène de 3 à 4 mm de diamètre une intensité maximum de 3 à 5 ampères.

Influence de S : On est limité, car la valeur de S détermine la longueur de chaque spire. La résistance de l'enroulement primaire deviendrait trop élevée. La section du noyau est de 1 à 2 cm².

Influence de n/l : L'accroissement de ce facteur suppose un grand nombre de spires au centimètre et une bobine assez longue par rapport à son diamètre. Ceci n'est admissible que si l'intensité du courant primaire conserve une valeur suffisante. Le nombre de spires de l'enroulement primaire est de l'ordre de 200 à 300. La longueur de la bobine n'excède pas quelques centimètres, et le rapport n/l est voisin de 50.

Influence de µ : La perméabilité n'est pas indépendante du champ; pour des champs de l'ordre de 200 Gauss, valeur approximative du champ produit par le passage du courant dans l'enroulement primaire, la perméabilité du fer recuit a une valeur voisine de 100.

Influence de N : Le nombre de spires de l'enroulement secondaire peut être élevé, la résistance de ce circuit ayant peu d'importance. II suffit que le fil ne soit pas trop fin pour ne pas chauffer, cette condition est aisément satisfaite, l'intensité du courant secondaire étant extrêmement faible. Dans ces conditions l'enroulement secondaire est constitué par un fil fin et long: 15:000 à 20.000 spires de fil de 0,1 mm.

Influence du temps : L'enroulement primaire est le siège au moment de l'ouverture du circuit de phénomènes d’auto-induction. L'ouverture brusque du rupteur annule le flux dans l'enroulement primaire, cette variation de flux fait naître dans les spires de l'enroulement primaire un courant induit ou extra-courant de rupture. Ce courant s'oppose à l'ouverture du circuit (augmentation de dt) et se manifeste aux contacts sous forme d'étincelles.

La variation de l'intensité du courant primaire en fonction du temps peut être représentée par la courbe ci-contre fig. 129.

Pour éviter ces inconvénients on monte en parallèle sur le rupteur un condensateur, appareil susceptible d'emmagasiner une quantité d’électricité. A l'ouverture des vis platinées, le condensateur se charge très rapidement, l'étincelle entre contacts se trouve ainsi absorbée et la différence de potentiel atteint une valeur assez élevée. Mais la charge du condensateur est oscillante : une fois chargé il restitue au circuit primaire une partie de cette charge, ce nouveau courant primaire produit une nouvelle variation de flux qui engendre un courant dans le circuit secondaire. Le condensateur se charge à nouveau, se déchargeant ensuite et ainsi jusqu'à l'équilibre.

Chacun de ces courants, de charges ou de décharges successifs produit une étincelle à la bougie. L'étincelle unique due à la rupture du circuit primaire est remplacée par un train d'étincelles. D'autre part, les charges et décharges successives ont lieu dans un temps très court (Fig. 130);

Sur les Kawasaki 4 cylindres des années 80, les deux capteurs inductifs se trouvent sur une platine en acier. La partie tournante est le système d'avance centrifuge qui porte à son extrémité la pièce en acier qui fait varier le champ magnétique dans les bobines. 

On trouve des systèmes très similaires sur les autres marques de motos.

Voici le signal issu d'un des deux capteurs de la Honda CB650. On voit aussi la tension au primaire de la bobine d'allumage correspondante. La pointe de tension à la fin de la phase "Bobine ON" correspond à l'étincelle à la bougie. On voit qu'elle se produit au moment précis où le front montant de la tension du capteur passe par zéro. 

Le même signal se retrouve sur d'autres Honda (Bol d'Or, Goldwing...) et sur les Kawasaki.

Sur les Suzuki GSX et GSXR des années 80, les deux capteurs sont montés en série, mais tête-bêche, et seuls deux fils vont de la platine des capteurs vers le module d'allumage. Cet astucieux montage donne une unique tension différente : 

Le module d'allumage traitant ce signal est évidemment d'un principe différent de celui des capteurs Honda et Kawasaki.