Moteur à allumage commandé - Définition

Allumage

Allumage électromécanique

Le faisceau d'allumage, ici en jaune, relie l'allumeur à la bougie d'allumage.

L'allumage électromécanique d'un moteur à allumage commandé fonctionne sur le principe d'un rupteur permettant de réaliser des coupures intermittentes de courant, alimentant ainsi à tour de rôle les bougies d'allumage via le distributeur Delco. L'ensemble rupteur-distributeur est appelé allumeur. Le rupteur et le distributeur sont entraînés par un rotor, lui même lié à l'arbre à cames. Dans les années 1970, le rupteur a été remplacé par un transistor, augmentant la fiabilité de l'allumage.

L'énergie électrique nécessaire est fournie par un générateur sous la forme d'une dynamo ou d'un alternateur, entraîné par le moteur. La batterie permet de fournir de façon continue une basse tension de 12 volts dénommée « courant primaire », que la bobine d'allumage transforme en hautes tensions, allant de 6 000 à 25 000 V. L'énergie est en effet accumulée durant un laps de temps, avant de se décharger sous haute tension. Un condensateur est placé en parallèle sur le circuit primaire et permet de réduire le temps de rupture en augmentant la tension dans le circuit secondaire. Enfin, l'élément principal de l'allumage est la bougie d'allumage, équipée d'électrodes d'entre lesquelles l'étincelle jaillit.

Schéma récapitulatif du système d'allumage électromécanique.

Allumage électronique

L'allumage électronique est actuellement la solution technique la plus utilisée, puisqu'elle est plus performante et plus précise que l'allumage électromécanique. Les moteurs disposent d'une bobine par bougie, l'allumage ne se faisant que lorsque c'est nécessaire grâce à l'électronique. Un capteur placé en regard des dents du volant d'embrayage permet de déterminer le régime moteur. La charge est, quant à elle, calculée en considérant la pression absolue (mesurée par un capteur piézo-résistif) régnant dans la tubulure d'admission. Les données de régime et de charge sont ensuite traitées par le calculateur qui définit l'angle d'allumage optimal grâce à une cartographie prédéfinie et entrée en mémoire.

Distribution des étincelles

Bobines nécessaire à l'allumage.

Distribution par distributeur

Sur les automobiles, il était habituel d'utiliser une seule bobine pour tous les cylindres et de distribuer les étincelles au moyen d'un Delco. Ce « distributeur rotatif », dont chacun des plots correspond à une bougie, est inventé en 1899 par le français Léon Lefebvre, mais il n'est industrialisé qu'en 1908 par les américains Edward Deeds et Charles F. Kettering, qui le commercialisent et le popularisent sous le nom de Delco.

Distribution à étincelle perdue

Sur les motocyclettes et désormais sur les automobiles, pour des raisons d'encombrement, le Delco est rarement utilisé. Un système à étincelle perdue est préféré, dans lequel une bobine est utilisée pour deux bougies. Les deux bougies sont montées en parallèle, et installées sur des cylindres dont les pistons sont décalés de 360°. Pour des cylindres décalés de toutes autres valeurs, une deuxième bobine est nécessaire.

À chaque fois que les pistons atteignent leur point mort haut, les deux bougies font une étincelle. Celle qui se produit dans le cylindre rempli de gaz frais enflamme le mélange, tandis que celle qui se produit dans le cylindre en fin d'échappement n'a aucun effet. De cette manière, un moteur à quatre cylindres peut n'être équipé que de deux bobines et deux rupteurs.

Avance à l'allumage

Principe

θ désigne l'avance à l'allumage.

Lors du déclenchement de l'étincelle par la bougie d'allumage, seule une petite fraction du carburant est immédiatement brûlée. La combustion, qui se propage ensuite en front de flamme par couches concentriques, grâce à la conductivité thermique du mélange, possède une vitesse de propagation et met un certain temps à parcourir la chambre de combustion. La vitesse de propagation dépend de l'enceinte de combustion et des caractéristiques physiques du mélange. Elle croit avec la température du carburant mais diminue lors que la pression augmente.

Il est ainsi important de déclencher l'étincelle avant que le piston n'atteigne le point mort haut (PMH) sous peine de passer le PMH avant la combustion complète du mélange, et de perdre une part importante du rendement. En revanche un allumage trop précoce risque de provoquer la rupture d'éléments mécaniques. L'avance à allumage est donc la différence entre le moment où l'étincelle est déclenchée et celui où le piston atteint son PMH. Cette avance peut être quantifiée en temps mais il est plus pertinent de la considérer en termes d'angle de la bielle par rapport à la normale à la tête du piston. L'avance à l'allumage de base sur les automobiles est d'environ 10°.

Réglage

Cartographie de l'avance à l'allumage du moteur.

Les avances à l'allumage les plus favorables, dénommés généralement « avances optimales », sont celles pour lesquelles le couple et/ou le rendement sont les meilleurs. Plus le moteur tourne vite, plus il faut augmenter l'avance. Lorsque l'avance est trop faible, le moteur ne fonctionne pas correctement, l'accélération est « creuse » et faible ; on parle alors de « retard à l'allumage ». En cas de forte charge demandée au moteur, l'allumage doit être, à l'inverse, déclenché plus tard. C'est pourquoi il est fréquent d'ajouter un système à dépression pour modifier l'avance, avec ici θ désignant l'avance à l'allumage et n le nombre de tours par minute.

Historiquement, la commande d'avance était manuelle (levier au guidon des motocyclettes Norton, delco au tableau de bord sur les Bugatti, etc.). Par la suite, elle fut généralement assurée par un mécanisme centrifuge. De nos jours, c'est un calculateur électronique qui gère l'allumage et donc l'avance, à l'aide d'un capteur de PMH et d'un dispositif indiquant la charge instantanée du moteur.

Afin de connaître l'avance à l'allumage, une lampe stroboscopique est branchée sur le contacteur de la bougie d'allumage. Un flash lumineux est émis lors du déclenchement de l'étincelle ce qui provoque, en raison de la vitesse de rotation du moteur permettant de mesurer l'avance par effet stroboscopique.

Pollution

L'avance à l'allumage, en raison d'une combustion provoquée plus tôt dans le cycle thermodynamique, favorise les émissions d'oxyde d'azote (NO). Lorsque le piston atteint son PMH, une plus grande fraction de carburant est déjà brûlée lors de l'avance, augmentant le pic de pression ainsi que le temps de séjour des gaz brûlés à haute température dans la chambre, deux conditions propices à la formation de NO.