MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE

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1 MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE BUT Se fmiliriser vec les courbes crctéristiques d'un moteur à llumge commndé équipé d'un système d'injection et d'llumge électronique. L'ccent est mis sur les côtés techniques des systèmes d'injection et d'llumge électroniques et les méthodes d'nlyse de gz d'échppement. 1 - APPAREILLAGE Le Moteur Il s'git d'un moteur à llumge commndé et à injection monopoint (Moteur Renult E7J) dont les crctéristiques sont : Nombre de cylindres 4 Alésge Course Cylindrée Rpport volumique de compression 9,5 Couple mximl Puissnce mximle 75,8 mm 77 mm 1390 cm3 106 N.m à 750 tr/min 57,5 kw à 5750 tr/min Injection d'essence Le système est un système injection électronique centrlisé à bsse pression (injection monopoint) de chez AC DELCO électronics. Son coeur est constitué pr l unité d injection monopoint et son injecteur électromgnétique, qui injecte le crburnt pr intermittence u-dessus du ppillon. L réprtition du crburnt entre les différents cylindres s effectue pr le collecteur d dmission. Des cpteurs détectent les principux prmètres de fonctionnement du moteur, indispensbles à l dpttion optimle du mélnge notmment le régime du moteur et l pression régnnt dns le collecteur d'dmission mis églement l'ccélértion ou l décélértion du moteur, l tempérture du liquide de refroidissement, etc.... L centrle de commnde électronique clcule lors les signux de pilotge de l injecteur et de l llumge. L unité d injection se compose du boîtier de ppillon et de l prtie hydrulique. Celle-ci est constituée pr l injecteur électromgnétique et le régulteur de pression qui mintient à un niveu constnt (0,7 br) l différence entre l pression du crburnt et celle u point de dosge de l injecteur. Le débit d injection dépend donc uniquement de l durée d ouverture de l injecteur. L pompe est du type multicellulire à rouleux entrînés pr un moteur électrique 1V à excittion permnente noyé dns l'essence. Le filtre à essence, plcé près l pompe retient les impuretés présentes dns le circuit d'essence qui pourrient nuire u bon fonctionnement du régulteur et de l injecteur. L'injecteur électromgnétique est constitué essentiellement d'un noyu mgnétique solidire d'une iguille d'injection comprimée pr un ressort sur le siège du corps d'injecteur. A l'rrière, le corps d'injecteur porte un enroulement conducteur qui, lorsqu'il est limenté, exerce sur le noyu mgnétique un effort ntgoniste u ressort, l'iguille est lors décollée de son siège et lisse psser le crburnt sous pression pr un lésge clibré. Lorsque cette limenttion est coupée, le ressort repousse l'iguille sur son siège et l'injecteur ne débite plus. Lors de l ouverture du ppillon pr l ctionneur d ccélérteur, le point de fonctionnement désiré est imposé u moteur. Un cpteur de pression bsolue de type piézo-résistif à membrne de silicium (MAP Sensor) mesure l pression régnnt dns le collecteur d dmission (p). Le débit d ir dmis est défini pr l pression collecteur (p) et le régime moteur correspondnt (n) : système (p/n). Le régime moteur est mesuré pr un cpteur mgnétique à réluctnce vrible monté sur le volnt pourvu des cibles (volnt broché). Le cpteur comprend un imnt permnent suivi d un xe polire en cier doux utour duquel est plcé un bobinge. Le défilement des dents de l cible provoque une MAC 1

2 vrition de flux dns l xe polire qui induit une tension dns le bobinge. Ce signl est ensuite mis en forme pr un circuit spécifique (intégrteur différentiel) situé dns le clculteur, pour fourni une imge électrique de l cible permettnt u clculteur de déterminer le régime moteur et l phse u degré près pr rpport u PMH. Il est importnt, pour l enrichissement à pleine chrge et l coupure d injection en décélértion, de détecter les étts de fonctionnement rlenti et pleine chrge, fin de stisfire ux différents critères d optimistion de ces étts. A l pleine chrge le moteur doit fournir s puissnce mximle. Le mélnge ir-crburnt doit être lors enrichi pr rpport à l chrge prtielle. L pleine chrge est crctérisée pr le fit que le ppillon dépsse un ngle d ouverture. L mpleur de l enrichissement est progrmmée pr l centrle de commnde u niveu de l durée d injection. Le régime de bse de rlenti est entretenu pr le pssge de l ir u niveu du ppillon. L position rlenti est tteinte dès que le levier du ppillon ctionne le contct de rlenti. L régultion utodpttif du rlenti est rélisé à l ide d un moteur ps à ps, piloté pr le clculteur, qui gère le débit d ir dérivé en fonction de l chrge moteur. L tempérture du moteur exerce une influence considérble sur le besoin en crburnt. Une sonde intégrée u circuit de refroidissement mesure l tempérture du moteur et trnsmet un signl électrique à l centrle de commnde. Ce cpteur monté sur l culsse du moteur est constitué d un boiter dns lequel est noyé une thermistnce. L crctéristique principle de cet élément est l vrition de résistnce en fonction de l tempérture. L msse volumique de l ir d dmission dépend de l tempérture. L ir froid est plus dense que l ir chud. L msse d ir spirée pr le moteur diminue donc lorsque l tempérture de l ir ugmente. Afin de tenir compte de ce phénomène, une sonde de tempérture est disposée dns le cnl d dmission de l unité d injection en vl du ppillon. Elle fournit une imge électrique de l tempérture de l ir dmis à l centrle de commnde pr vrition de résistnce à coefficient négtif (CTN). Les temps d ttrction et de relâchement de l injecteur électromgnétique vrient en fonction de l tension de l btterie. Afin de compenser les retrds de réponse de l injecteur, l centrle de commnde corrige les vritions de l tension de bord en modulnt l durée d injection. Au déprt à froid, une prtie du crburnt injecté se condense sur les prois froides du collecteur d dmission. Afin de grntir des temps de démrrge courts insi que le fonctionnement stble du moteur, un supplément de crburnt est injecté en fonction de l tempérture du moteur. Avnt que le moteur it tteint s tempérture de service, l enrichissement à l mise en ction compense les pertes dues à l condenstion et u muvis mélnge de l ir et du crburnt. Cette fonction permet un fonctionnement prfit à toutes les tempértures, tout en minimisnt l consommtion. Le phénomène de mouillge de prois en régime trnsitoire est lrgement compensé pr nticiption de correction en terme de temps d injection grâce ux informtions fournies pr les cpteurs potentiomètre de ppillon, cpteur de pression et cpteur de régime moteur. L sonde Lmbd montée sur l tubulure d échppement trnsmet à l centrle de commnde (clculteur) un signl crctéristique de l composition instntnée du mélnge. Cette informtion permet u clculteur de déceler et de corriger les divergences pr rpport à un dosge ir-crburnt bien défini insi de mintenir toujours l composition de mélnge optimisée pour une dépollution efficce λ = 1,00 (0,97 ~ 1,03). Cette sonde est constituée pr un mtériu électrolytique (cérmique dioxyde de zirconium) qui, à tempérture élevée et en présence d une différence de pression prtielle d oxygène entre les deux côtés du mtériu, présente une différence de potentiel de l forme : E = KT e Log PO ( tm ) PO ( é chp) Entre 350 C et 800 C, l tension délivrée pr l sonde ser de 0 00 mv qund le mélnge est puvre et plus de 800 mv qund le mélnge est riche. MAC

3 1.3 - L'llumge A prtir des prmètres d'entrée - vitesse de rottion, chrge - et de différentes grndeurs de corrections, le microclculteur (c'est un même et seul boîtier clculteur injection - llumge) de l centrle de commnde clcule un ngle d'vnce qui représente le flnc rrière du signl d'llumge et définit une position ngulire correspondnt à l position momentnée du vilebrequin. Le microclculteur détermine églement l'ngle de cme nécessire, représentnt le flnc vnt du signl d'llumge, à prtir des données de fonctionnement du moteur. Ce signl, dont l durée correspond u temps de fermeture, module l'intervlle de conduction de l bobine pr l'étge finl de mnière à procurer, u bon moment, une énergie d'llumge suffisnte à l'inflmmtion du mélnge ir/crburnt. Les signux émis pr le microclculteur sont trop fibles pour l bobine d'llumge de hute tension. Ils sont mplifiés dns l'étge de puissnce pour être en mesure de piloter l bobine. L hute tension disponible pour l'llumge provient essentiellement de l'énergie emmgsinée dns l bobine d'llumge. Cette dernière est constituée de deux enroulements en cuivre, superposés et bobinés utour d'un noyu de fer doux. Ces enroulements sont isolés réciproquement en fonction des différences de potentiel. Dès que l phse d'emmgsinge est terminée, le circuit primire de l bobine est interrompu pr l'étge de puissnce du microclculteur pour le déclenchement du point d'llumge. Au même instnt, le chmp mgnétique disprît et l tension d'llumge s'étblit pr induction dns l'enroulement secondire. Le distributeur à hute tension, entrîné directement pr l'rbre à cme, ssure l distribution de l hute tension depuis l bobine d'llumge vers les différentes bougies Alimenttion en crburnt On utilise l'essence sns plomb EURO 95. L'limenttion en essence du réservoir de l cellule d'essi est ssurée pr une pompe électrique 0 V. Son fonctionnement est contrôlé de mnière utonome pr un cpteur de niveu plcé dns le réservoir (Lisser toujours l'interrupteur pompe essence sur l position ON) Le positionneur de ppillon Le ppillon de gz est ctionné pr un positionneur motorisé. Un cpteur détecte l position rlenti et informe l opérteur en éteignnt le voynt PLUS Le dynmomètre C'est un frein hydrulique Zöllner (3n19A). Il permet d'bsorber une puissnce mximle de 118 kw. Le couple dmissible pour le frein est de 50 N.m. L vitesse mximle est de 7500 tr/min. Le frein se compose d un rotor comportnt l rbre et les brides d ccouplement, insi qu un rouet et d un sttor comportnt le crter et les pièces rpportées (corps pendulire) Le corps pendulire est monté en blnce sur les supports de plier. Il possède un levier qui ttque le peson de mesure de couple. Le rouet du rotor est monté dns le sttor vec un jeu importnt. Il est doté d un ubge incliné permettnt de freiner dns un sens de rottion. Les poches du rouet et du sttor sont conçues de telle sorte que le couple ne subisse ps de vritions périodiques. L eu située dns les poches est mise en mouvement pr l rottion du rouet et trnsmet le couple du rotor u crter. Comme ce dernier se trouve monté en blnce, son levier ttque directement le peson qui indique le couple en lecture directe. Le frein est à réglge pr tiroirs. Il possède deux tiroirs semi-circulires, logés entre le rouet et le sttor, tiroirs mobiles rdilement, qui servent d écn entre les poches mobiles et fixes. Plus les poches sont obstruées moins le frein bsorbe de puissnce. En ctionnnt les boutons de chrge (flèche vers le hut pour plus de chrge et flèche vers le bs pour moins de chrge), on commnde un moteur électrique qui déplce les tiroirs à l position voulue. MAC 3

4 1.7 - Circuits de refroidissement Le moteur et le frein sont refroidis pr eu de ville en circuit ouvert. Des régulteurs de pression sont instllés sur les circuits de refroidissement moteur et frein. L pression de l'eu de frein est hbituellement réglée à brs et celle du moteur à 3 brs. L'huile du moteur est refroidie à l'ide d'un échngeur Huile-Eu. Le liquide de refroidissement du moteur est refroidi à l'ide d'un échngeur Eu-Eu. Les débits d'eu de refroidissement sont contrôlés pr des vnnes motorisées dont l'ouverture et l fermeture sont pilotées pr des régulteurs à processus PID monté sur chque circuit de refroidissement (huile et eu). Le régulteur permet de mintenir le liquide à refroidir à une tempérture proche de celle de consigne. Ainsi, on peut effectuer des essis à tempértures huile et eu constntes pour différents niveux de consignes de tempértures quelles soient l chrge et l vitesse de rottion du moteur Dispositifs de sécurités moteur moteur. Le bnc d essi est équipé des cpteurs de sécurité permettnt une protection du On distingue deux types de sécurités moteur : pssive et ctive. Les dispositifs de sécurité pssive sont de simples témoins ttirnt l'ttention de l'opérteur qund un défut est détecté. Prmi ces dispositifs, on peut citer : Tempérture de l'huile moteur Tempérture du liquide de refroidissement du moteur Tempérture de l eu du frein Pression de l huile moteur Présence de l eu dns le frein Présence de l eu dns les circuits de refroidissement moteur En plus de témoins lumineux, les dispositifs de sécurité ctive coupent l'limenttion stbilisée du clculteur et les modules de puissnce, dès qu'un défut est détecté. Ces dispositifs sont Arrêt générl Coup-de-Poing (coupure mnuelle) Régime moteur (survitesse) Anlyse de gz Cette instlltion est rélisée fin d effectuer des prélèvements répétitifs de gz de combustion d un moteur à llumge commndé en vue de mesurer leurs teneurs en gz permnents : O, CO, et en pollunts : CO, NO x, CH totux. Les opértions seront continues en régimes stbilisés du moteur, et multiséquentielles pour l étude des régimes trnsitoires. Les gz sont prélevés dns l conduite d échppement, u moyen d une sonde en inox trversnt dimétrlement l cnlistion, construite et instllée selon un schém normlisé (OREUCF). Un système utilisnt un filtre à prticules en cérmique (seuil 0,5 µm) chuffé suivi de 5 mètres de cnlistion thermosttée à 180 C ssure le trnsfert des fumées ux nlyseurs. Celles-ci sont nlysées directement à cette tempérture pr l nlyseur CH-FID, insi qu en prllèle, près déshumidifiction (condenseur C) pr les nlyseurs O - CO - CO - NO x. MAC 4

5 L lecture des concentrtions volumiques des divers gz s'effectue sur les fficheurs de l bie d'nlyse. Des étlonnges sont effectués régulièrement, à prtir de bouteilles de gz étlons, pour tenir compte des dérives éventuelles, en prticulier dues à l vrition de tempérture mbinte. CO - CO Photométrie d bsorption non dispersive (NDIR) d un fisceu de rditions infr rouges. L bsorption IR répond ux lois de Lmbert-Beer : A Log I 0 = = KCL I I 0 I K L C Energie lumineuse incidente Energie lumineuse trnsmise Coefficient d extinction molire Longueur de l cellule de mesure (trjet optique) Concentrtion de l espèce bsorbnte L sélectivité de ce type d nlyseur s obtient pr suppression des rditions gênntes u moyen d un filtre à gz ou interférentiel bsorbnt dns ce domine ; le détecteur pneumtique rempli de gz pur (CO ou CO) de même nture que l espèce à doser bsorbe sélectivement une énergie liée à l quntité de gz à doser. O Le Prmgnétisme élevé de ce gz permet son dosge pr ction d un chmp mgnétique hétérogène et d une vrition de s susceptibilité mgnétique sur son prcours pr un grdient thermique, crént une convection : le débit ou l pression générés étnt proportionnels à l teneur en O du mélnge à mesurer. DF = dvgrd X B df Force élémentire dv Volume élémentire de gz X B Susceptibilité mgnétique Chmp mgnétique (X>0). L sélectivité est due u fit que seuls O, NO, NO, et ClO, sont prmgnétiques NO). NO x On désigne sous ce terme l somme NO + NO obtenue près conversion de NO en L chimiluminescence dns le proche IR de l réction de NO et O 3 (ozone) une intensité lumineuse proportionnelle u débit mssique de NO, elle est convertie en signl électrique pr un photomultiplicteur. * 1 NO + O3 NO + O NO * + M NO + M (quenching) NO * NO + h ( 1, µm) MAC 5

6 L sélectivité et l grnde dynmique de mesure sont remrqubles. CH totux Anlyseur à détection pr ionistion de flmme (FID). Les effluents prélevés à chud dns les échppements sont mintenus à 180 C dns l M ligne de trnsfert chuffée, les CH contenus étnt détectés pr l propriété C H d ioniser une M flmme de H (chimionistion). Le cournt est collecté et mplifié. L sélectivité est nulle puisque chque liison M C H produit un signl, M l environnement moléculire joue peu pour les divers CH (éthyléniques, benzéniques...) mis l présence d hétérotomes (O-N...) peut ffiblir, voire nnuler le signl Equipement d'essis et de mesures Couple Le cpteur de force monté sur le dynmomètre permet de mesurer le couple résistnt du frein. Ce cpteur est étlonné vec le brs de levier du frein et le réglge du conditionneur permet un ffichge du couple frein directement en Newton-Mètre pr un fficheur. Vitesse de rottion Le frein est muni d un dynmo-tchymètre permettnt l mesure de l vitesse de rottion du frein. L'ffichge se fit en tr/min. Consommtion On mesure le temps que met le moteur pour consommer 100 ml (ou 50 ml) d'essence à l ide des boules de consommtion. L mesure est donc volumique. Pour retrouver l consommtion mssique, l mesure de l densité de l essence est nécessire. Fire ttention u fit que l essence est très voltile. Tempértures Des sondes (thermocouples type K et sondes à résistnce Pt 100) permettent de mesurer l tempérture en divers points du circuit de refroidissement (eu et huile) et d'ir (dmission et échppement), insi que l tempérture mbinte. - MANIPULATION.1 - Crctéristiques en fonction de l tempérture du liquide de refroidissement A 000 tr/min et à l demi chrge, on effectuer des essis à 30 C, 50 C, 70 C et à 90 C pour les consignes de tempérture du liquide de refroidissement en lissnt l consigne de tempérture de l'huile moteur à 90 C (L tempérture de l huile moteur évoluer en fonction du temps selon l tempérture du liquide de refroidissement ). On mesure les prmètres suivnts : - le régime moteur - le couple u frein - les tempérture d dmission et l'échppement - les tempérture du liquide de refroidissement et de l'huile - le temps de consommtion t c - les concentrtions en CO, CO, NO x, O et HC totux des gz d'échppement.. - Crctéristiques en fonction de l vitesse de rottion MAC 6

7 On règle les consignes de tempértures Eu et Huile à 90 C. Le moteur fonctionnnt à pleine chrge, on effectue les mesures de 1500 tr/min à 4500 tr/min pr ps de 1000 tr/min plus un point de fonctionnement à 750 tr/min. On note les mêmes prmètres que ci-dessus..3 - Crctéristiques en fonction de l chrge A 500 tr/min on effectuer des essis à 1/4, /4, 3/4 et 4/4 de l chrge mximle et on mesure les mêmes prmètres que ci-dessus..4 - Rendement mécnique A 500 tr/min, 1/ chrge, on coupe l'llumge d un cylindre. On rmène l vitesse à 500 tr/min en réduisnt le couple résistnt du frein. L lecture des deux couples frein permet le clcul du rendement mécnique en supposnt les mêmes pertes sur chque cylindre. 3 - RESULTATS DEMANDES 1 Trcer les courbes de vrition, en fonction des tempértures du liquide de refroidissement, du couple, de l puissnce, de l richesse, de l tempérture d'dmission, de l consommtion horire, de l consommtion spécifique, des émissions en CO, CO, O, NO x, et HC, des émissions spécifiques en CO, NO x, et HC et du rendement de remplissge pour les essis effectués en.1. Trcer les courbes de vrition des mêmes grndeurs en fonction de l vitesse de rottion pour les essis effectués en.. 3 Trcer les courbes de vrition des mêmes grndeurs en fonction de l chrge pour les essis effectués en.3. 4 Clculer le rendement mécnique et le rendement globl pour les essis effectués en.4. 5 Clculer les rendements mécniques pour les essis effectués en.3, en supposnt que l perte due u frottement reste constnte. N.B. : 1. On dopte l formule C 7,17 H 13, O 0,0 pour l'essence utilisée (EURO 95 sns plomb).. On suppose qu'il y l'équilibre du gz à l'eu et on prend [ H ] [ supérieure à Pour le clcul du rendement globl, on prend PCI essence = kj/kg. 1 = CO ] pour richesse 3 4. Des tbleux de résultts seront étblis et feront prtie du compte-rendu insi que des commentires sur les résultts obtenus. MAC 7

8 ANNEXE A.1 C N Puissnce Elle est donnée pr Pe = C ω/ 1000 ou Pe π vec P e Puissnce (kw) C Couple moteur (N.m) ω Vitesse moteur (rd/s) N Vitesse moteur (tr/min) A. w Consommtion horire C h = 3600 t vec C h Consommtion horire (g/h) w Poids (g) t Temps (s) A.3 Consommtion spécifique C = vec C s Consommtion spécifique (g/kwh) C h Consommtion horire (kg/h) P e Puissnce (kw) s C P h e A.4 Combustion L combustion du mélnge d'hydrocrbures composnt l'essence s'écrit : x rchx + ( 1+ )( O + 376, N ) CO + bco + cch x + d H + eo + fh O + gn + hn O 4 Equtions des bilns : (1) C: r = + b+ c () H: r x = cx+ d+ f (3) O : x + = + b+ e+ f + h (4) N : x 3, 76( 1+ ) = g+ h 4 Equilibre gz à l eu : (5) d = 1 b 3 Anlyse des gz (tous en % de volume) : CO (6) b [ ] [ CO ] = (7) c = [ CHx] [ CO] (8) e = [ O] [ CO] (9) h = [ NO] [ CO] 13, Essence sns plomb EURO 95 C 7,17 H 13, O 0,0 donc x = = 184, 717, A.5 Richesse r = 3( x+ 4) {[ CO] + [ CO] + [ CHx] } ( 3x+ 4)[ CO] + 3( x+ 4)[ CO ] + 1[ O ] + 6[ NO] MAC 8

9 A. 6 Rpport stoechiométrique ir ( ) R M M s= essence stoe = ( 1 + x)( ,76 14 ) 34, 3( 4 + x) 4 1+ x R s = 1 + x A.7 Tux de remplissge Quntité d essence injectée pr tour : Ch Me = 60 N Quntité d ir dmis pr tour : RsM e M ir= ; RsCh M ir= r 60rN V pv Quntité d ir de référence pr tour Mré f =ρ Mré f = vec R = 87 J/kg.K RT V Cylindrée p Pression mbinte (ou Pression collecteur) T Tempérture mbinte (ou Tempérture dmission collecteur) M RsCh ir RT Tux de remplissge : τ R = τ R= M 30r N pv ré f A.8 Emission spécifique Pr l définition de concentrtion (nlyse des gz secs, suf pour [CH x ] ignoré), pour CO : [ CO ] = + b + c + d + e + f + g + h f De A.4, on obtient : [ CO ] = D vec : = 3( x+ 4)[ CO] ( 3x+ 4)[ CO] + 3( x+ 4)[ CO ] + 1[ O ] + 6[ NO] ( x+ 4) {( 3x )[ CO] + 3x[ CO] } {( x+ )[ CO] + ( x+ )[ CO] + [ O] + [ NO] } f = [ ] + [ x] [ CO ] x 5CO 6CH D = 4761, f 1 mole CH x mole CO (1 + x) grmmes CH x D [C MA grmmes espèce A C s g/kwh CH x D[ C A] M A Cs g/kwh espèce A 1+ x vec : - C A concentrtion volumique en espèce A en gz secs - M A msse molire de l'espèce A. Emission spécifique E sa (g/kwh) : E sa = [ ] DCA MA C s 1 + x MAC 9

10 A.9 Rendement mécnique On suppose : Pe = 4P e1 ; Pi = 4Pi 1 ; Pe3 = 3Pe1 On Pe4 = Pe ; Pe4 = 4Pi1 Pf ; Pe3 = 3Pi1 P f ; et Pi1 = Pe4 Pe 3 ; Pf = 3Pe4 4Pe3 Donc Pf Pf η m = 1 ou η m = 1 Pi 4 ( Pe4 Pe3) A.10 Rendement globl Energie contenue dns 1 grmme de crburnt : E P ci = 1000 kj Pci Energie contenue dns C s grmmes de crburnt : Es = C s kj 1000 En consommnt C s grmmes de crburnt, il est produit 1 kwh d énergie mécnique (3600 kj) Il en résulte que : η= 36, 10 6 C P s ci vec P ci kj/kg ² C s g/kwh Boîtier d'injection et llumge Pressoin collecteur Vitesse de rottion Injection Allumge Fonctions nnexes Tempérture ir Tempérture eu Vrition ppillon Tension btterie Démrrge Rlenti ou Pleine chrge Sonde O Admission MOTEUR Echppement Régultion injection et llumge MAC 10