LA CARTOGRAPHIE MOTEUR
Marc Schaefges , mai 2009
Ce dossier part dans l'idée que le lecteur possède des bases solides dans le fonctionnement d'un moteur thermique essence ou diesel .
Un moteur nécessite un mélange air/essence précis pour pouvoir fonctionner et ceci selon la vitesse du véhicule ou plus particulièrement du régime moteur et de la demande du conducteur .
On parle donc d'une proportion d'essence par rapport à l'air , c'est pourquoi quand on parle de mélange riche ou pauvre , c'est toujours en parlant de la quantité d'essence par rapport à l'air , riche voudra donc dire un excès d'essence par rapport à l'air .
Pour obtenir un rapport air/essence adéquat au moteur , il faut donc un système permettant de doser, de surveiller et de modifier le mélange si nécessaire .
Sur les anciennes voitures , ce mélange était confié à un carburateur complètement autonome ou bien piloté par une électronique plus ou moins rudimentaire.
Sur les voitures modernes , environ depuis les années 90 , ce contrôle du mélange est confié à un calculateur électronique gérant en temps réel le mélange selon des informations venant du moteur , par exemple entre autres , la température d'eau , la température d'air , de la sonde lambda ( nous en reparlerons après ) et surtout grâce à 2 informations principales qui sont le régime moteur et sa charge .
Dans le calculateur se trouve une ou plusieurs cartographies permettant selon la charge du moteur et le nombre de tours que le moteur effectue en une minute ( régime moteur ) de connaître le mélange à injecter .
Comme dit ci-dessus , le calculateur nécessite de connaître le régime moteur ainsi que sa charge .
Pour connaître le régime moteur , il existe 3 principales façons de le mesurer :
1)Par un capteur situé autour de la couronne du démarreur .
2)Par un capteur situé autour de l'arbre à came .
3)Grâce au capteur à effet hall situé dans le distributeur d'allumage ( ancien procédé ) .
Pour la charge du moteur , on doit déterminer la quantité d'air , donc la masse de l'air rentrant dans le moteur via le filtre à air et ensuite le collecteur d'admission .
Il existe 4 principales manière de procéder pour connaître cette information :
1)Mesure avec un débimétre mesurant le volume d'air rentrant dans le moteur .
2)En mesurant la dépression après le papillon d'admission en utilisant une durit reliée directement au calculateur.
3)Avec un potentiomètre monté sur le bloc papillon reflétant donc son ouverture , donc la quantité d'air y passant.
4)Capteur sur la pédale d'accélération , réflétant donc aussi la quantité d'air rentrant .
Ces 4 informations ne sont pas suffisantes pour connaître la charge du moteur , en effet , une volume d'air n'a pas la même masse selon que la température soit à 0 degrès ou 30 degrès .
Prenons exemple de l'affirmation suivante :
« L'air étant un gaz compressible , sa masse volumique (en kg/cm3) est fonction de la pression , de la température et du taux d'humidité » .
Source :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Air
Donc , si on obtient une information de 2 m3 ( chiffre donné au hasard ) transitant par le débimètre , pour connaître la masse d'air effective , donc la valeur massique , il nous faut connaître au minimum la température de cet air , cette information est relevée par une sonde , soit directement incluse au débimètre , soit indépendante .
« Fonctionnement de la cartographie »
En se basant sur les 2 informations de base , qui sont , comme expliqué plus haut , le régime moteur et sa charge , le calculateur va utiliser ces informations et en déduire la quantité d'essence et l'avance moteur , cela en procédant par interpolation .
N'ayez pas peur , malgré que ce terme soit un peu barbare , il est en fait facilement compréhensible grâce à un exemple .
Source :
http://moteurpassion.site.voila.fr/
En bleu , la pression d'air rentrant de le moteur , en rouge le régime moteur , eh bien pour connaître la quantité d'essence à injecter selon un régime et une pression d'air donné , on va lire ( ou plutôt le calculateur ) le tableau .
Prenons l'exemple d'un régime moteur de 1200t/min et d'une pression collecteur de 250 mbar , on va injecter ( ouvrir l'injecteur ) pendant 170ms .
La quantité d'essence va être réglée en agissant sur la durée d'ouverture de l'injecteur .
Il faut également savoir que le dosage du carburant fonctionne selon 2 modes principaux :
Boucle ouverte ( open loop ).
Boucle fermée ( closed loop ) .
Partie 1 closed loop :
Commençons par la boucle fermée si vous le voulez bien .
Je parlais plus haut de l'utilisation de l'interpolation pour déterminer selon le régime moteur et la charge du moteur , la quantité d'essence à injecter .
Dans un soucis d'anti-pollution , de consommation et de protection du catalyseur ( les sondes lambda sont d'ailleurs apparues quelques temps après ces derniers, pour plus de détails , consultez la partie sonde lambda 'lien futur vers la sonde lambda' ) , il va falloir surveiller les gaz d'échappement qui reflétent le bon ou mauvais fonctionnement du moteur .
Prenons exemple d'une voiture roulant sur l'autoroute , à vitesse stabilisée , à 3'000t/min .
Dans un soucis de consommation , le calculateur va sans arrêt calculer la quantité d'essence nécessaire pour obtenir le meilleur résultat .
Il va bien entendu se baser sur les tables de cartographie par interpolation du tableau vu plus haut , mais va également se baser sur l'information de la sonde lambda ( lien futur vers la sonde lambda ) pour apporter certains facteurs de correction en vue d'obtenir le meilleur compromis possible .
Pour comprendre comment le calculateur va utiliser l'information venant de la sonde lambda , certaines connaissances supplémentaires sont nécessaire :
La stoéchiométrie
Aie aie aie , c'est quoi ce terme ....
Voici une petite définition tirée du site wikipédia :
En chimie, la stœchiométrie (du grec στοιχειον stoicheion « élément » et μετρειν metrein « mesure ») est le calcul des relations quantitatives entre réactifs et produits au cours d'une réaction chimique.
En fait pour être précis , le dosage ou rapport stoéchiométrique définit la quantité d'air nécessaire pour la combustion complète d'une certaine quantité d'essence .
Il faut donc savoir qu'il faut environ 15 grammes d'air pour brûler 1 gramme d'essence , donc un rapport de 15/1 .
Certains sites parlent aussi d'un rapport de 14,7/1 , ce qui d'après mes recherches semble être le bon chiffre .
On utilise un terme qui est appelé AFR , AFR pour air-fuel-ratio , soit rapport air-essence .
On parle aussi d'une richesse de 1 .
La sonde lambda
Il faut tout d'abord savoir que la sonde lambda a été inventée par Bosch pour améliorer le rendement du pot catalytique ou catalyseur .
Pour un bon fonctionnement de ce dernier , il va falloir lui faciliter la vie et ne lui faire parvenir ( comprenez par les gaz d'échappements ) qu'un mélange gazeux le plus idéal possible .
Quand je parle d'idéal , je veux parler d'un mélange air-essence complètement brûlé , ''sans résiduts'' .
Pour savoir si le mélange est correct , le meilleur moyen est d'analyser les gazs d'échappements et de transmettre au calculateur des facteurs de correction pour qu'il adapte le mélange dans le but d'obtenir le meilleur résultat possible .
Il est bien entendu que la sonde ne va pas analyser tout les gazs d'échappements , mais va s'en tenir à mesurer le taux d'oxygène résiduel qui reflète bien le fonctionnement du moteur, c'est pourquoi on parle aussi de sonde à oxygène ou sonde o2 .
Une sonde lambda nécessite une température minimale de fonctionnement , dans les sondes de première génération , ce chauffage ne fonctionnait que grâce aux gaz d'échappements , il faut donc que le moteur monte en température pour que l'information provenant de la sonde lambda devienne exploitable .
C'est pourquoi Bosch a munis ces sondes d'une résistance électrique dès les années 80 permettant un chauffage en environ 30 secondes pour atteindre les 300 degrès , les informations deviennent donc plus rapidement exploitable par le calculateur ( ECU ).
Certains modèles de voitures possèdent plusieurs sondes lambda , dans le cas d'une voiture récente catalysée , nous allons trouver une sonde avant le catalyseur et une après .
Pourquoi ?
Car tout simplement les normes anti-pollution devenant de plus en plus sévères , il devenait donc nécessaire de connaître l'état du catalyseur , la méthode consiste donc à mesurer les gazs avant et après , ceci pour analyser le bon fonctionnement de ce dernier .
Si les valeurs obtenues en sortie du catalyseur sont identiques aux valeurs d'entrées ou dans un rapport déterminé à l'avance , le calculateur va le détecter et en informer le conducteur via le témoin moteur qui s'affichera sur le tableau de bord .
Les différents types de sonde lambda :
Au zirconium ( OZA )
Au dioxyde de titane ( OTA )
Nous ne rentrerons pas dans les détails concernant le fonctionnement de ces 2 sortes de sondes lambda , retenez simplement que la sonde au zirconium génère une tension électrique reflétant la teneur en oxygéne qui sera interprétée par le calculateur , tandis que la sonde au dioxyde de titane fonctionne plutôt comme une résistance variable .
Suivant la teneur en oxygène , la résistance de l'élément va changer et c'est cette information qui sera interprétée par le calculateur .
C'est un peu le fonctionnement d'une sonde de température d'eau qui a sa résistance qui varie selon la température du liquide de refroidissement.
Pour être encore plus précis , la sonde lambda va mesurer une différence entre le taux d'oxygène de l'air ambiant ( c'est à dire de l'air extérieur atmosphérique ) et le taux d'oxygène passant par le conduit d'échappement .
Si la différence est nulle , c'est à dire que le taux d'oxygène de l'air ambiant et le taux à l'intérieur du conduit sont identique , alors la sonde enverra une tension de 0V .
Si par contre il y a une différence , cette dernière sera représentée par une tension entre 0 et 1V , 1V correspond à un taux nul dans le conduit d'échappement , donc un mélange riche , donc de l'essence excédentaire .
OV correspond assez logiquement à un mélange pauvre , air en excès .
On rencontre également assez récement une gamme de mesure allant de 0V à 5V .
Pour citer encore des différences entre sondes lambda , on peut parler des sondes bande étroite et large bande .
De quoi s'agit-il ?
A l'époque ( pour changer ) , la sonde lambda n'était utilisée que pour préserver le catalyseur , pour que ce dernier soit pleinement efficace ( comme expliqué plus haut dans le dossier ) , il faut faire en sorte que la richesse soit de 1 avec une tolérance de +/- 3% .
La sonde lambda va donc mesurer le taux en oxygène et modifier le mélange si nécessaire et ceci uniquement en closed loop ( lien vers le closed loop ) .
Cette mesure va être limitée en précision , car la pente de mesure est très raide et donc empêcher une mesure précise .
Dans le cas d'une sonde large bande , cette pente sera étendue et permettra des mesures avec beaucoup plus de précision .
Partie 2 closed loop :
Maintenant que l'on sait mesurer avec précisions les gazs d'échappement ou plutôt leurs teneurs en oxygène , il va donc être possible de savoir si le mélange a été correctement brûlé ou non .
On était donc sur l'autoroute , vitesse stabilisée à 3'000 tours/min .
Le calculateur va lire la cartographie et injecter une quantité d'essence par rapport à la charge et le régime moteur comme expliqué plus haut .
La sonde lambda va mesurer la teneur en oxygène des gazs d'échappements et va renvoyer l'information au calculateur ( que je vais appeler dès maintenant ECU ) .
Si l'ECU reçoit une information de richesse du mélange , il va faire en sorte de diminuer la quantité d'essence en injectant moins longtemps , le contraire si l'information reflète un mélange pauvre .
On va donc se baser sur une information de base déterminée grâce à la programmation de l'ECU et surtout des tables d'injections , mais ensuite un facteur de correction va prendre la suite pour obtenir un mélange le plus optimal possible .
Quand je parle d'optimal , je ne parle évidemment pas de performance , mais d'économie de carburant et d'anti-pollution .
Pour obtenir une consommation moindre , on tournera sur un mélange légérement pauvre d'environ 10% , donc en apportant un excès d'air au mélange .
Cette régulation ne fonctionne qu'à régime stabilisé du fait qu'il faut quand même un certain temps ( infime, mais un certain temps quand même ) pour le calcul de la quantité d'essence à injecter .
Il est donc bien clair que cette méthode ne fonctionnera pas si le régime moteur n'arrête pas de fluctuer .
Et c'est là que l'on passe dans la partie openloop .
Openloop :
