Rapport_final Allumage Avance Variable

STRUB Guillaume WEINGARTNER David

Travail dInitiative

Personnelle Encadr

Allumage lectronique Moryama de cyclomoteur MBK 51

2

Sommaire

Introduction ............................................................................................................................................. 3

Prsentation du systme tudi ......................................................................................................... 3

Ncessit de lallumage ....................................................................................................................... 3

Notion davance lallumage .............................................................................................................. 3

Problmatique et analyse.................................................................................................................... 4

Etude thorique....................................................................................................................................... 5

Principes de base de lallumage command ....................................................................................... 5

La dtermination de linstant dtincelle ........................................................................................ 5

La gnration de ltincelle proprement parler ........................................................................... 5

Les allumages dcharge de self .................................................................................................... 5

Les allumages dcharge de condensateur.................................................................................... 7

Lallumage lectronique Moryama ..................................................................................................... 9

Constitution du systme.................................................................................................................. 9

Fonctionnement ............................................................................................................................ 12

Manipulations prvues, contraintes ..................................................................................................... 14

Ncessit dun banc dessais ............................................................................................................. 14

Manipulations prvues ...................................................................................................................... 15

Etude exprimentale ............................................................................................................................. 16

Ralisation du banc dessais .............................................................................................................. 16

Mesure de linstant dtincelle par rapport la charge .................................................................... 19

Mesure de la forme de la dcharge .................................................................................................. 21

Ralisabilit de lavance variable ...................................................................................................... 25

Conclusion ............................................................................................................................................. 29

Annexe 1 : Le thyristor .......................................................................................................................... 30

Reprsentation schmatique : .......................................................................................................... 30

Structure ............................................................................................................................................ 30

Caractristiques lectriques .............................................................................................................. 30

Fonctionnement ................................................................................................................................ 30

Annexe 2 : les arcs lectriques .............................................................................................................. 32

Annexe 3 : dessin de dfinition de larbre daccouplement.................................................................. 33

Bibliographie.......................................................................................................................................... 34

3

Introduction

Prsentation du systme tudi

Le systme tudi est lallumage lectronique type Moryama mont sur les moteurs

Motobcane/MBK type AV10, qui ont notamment quip les cyclomoteurs MBK 51, 41 et autres. Ce

systme remplace, depuis les annes 1980, lallumage rupteurs et volant magntique type Novi-PB

qui quipait les moteurs Motobcane jusque-l.

Le moteur quip par cet allumage est un moteur 2 temps dune cylindre de 49,9cm3, avec

un alsage de 39mm et une course de 41,8mm. Cet allumage est dcharge de condensateur (CDI

pour Capacitive Discharge Ignition) et volant magntique.

Nous limiterons ltude thorique aux aspects lectriques et lectroniques permettant la

gnration de ltincelle, mais avant de prsenter ltude thorique mme, il est ncessaire

dexpliciter la fonction de lallumage dans la combustion et des notions qui sy rattachent.

Ncessit de lallumage

Lallumage est un composant essentiel des moteurs combustion interne dits allumage

command (typiquement les moteurs fonctionnant lessence). Contrairement aux moteurs

allumage par compression (moteurs Diesel), o la combustion est dclenche par linjection du

carburant dans la chambre de combustion contenant de lair fortement comprim, les moteurs

allumage command ncessitent un dispositif dallumage afin de dclencher la combustion.

Les systmes dallumage permettent denflammer le mlange air-carburant comprim, en

fournissant une tincelle lectrique dont lnergie permet dlever localement la temprature du

mlange jusqu sa temprature dinflammation. La combustion se poursuit ensuite de faon

autonome et permet au moteur de fournir de lnergie mcanique sur larbre de sortie.

Notion davance lallumage

La combustion ne se faisant pas de faon instantane mais par couches successives (cest

pourquoi il est impropre de parler de moteur explosion), il est ncessaire de la dclencher avant

que le piston ne soie au somment de sa course (PMH). Le dcalage entre cette position et le PMH est

exprime en degrs, mesurs sur le volant moteur, ou en mm, mesurs par rapport au cylindre. On

note une de ces positions lavance initiale, qui permet de rgler lavance lors de la fabrication ou de

la maintenance du moteur.

La vitesse de combustion tant fixe lorsque le remplissage du moteur et la richesse du

mlange sont constantes, il est ncessaire de faire varier le point davance en fonction du rgime

moteur. Sur les vhicules automobiles, cette variation est obtenue soit lectroniquement, soit par un

systme davance centrifuge. Il est galement ncessaire de faire varier lavance en fonction de la

4

charge moteur, car la richesse du mlange et le remplissage du moteur varient en fonction de

louverture du papillon des gaz. Un systme davance dpression plac dans la tubulure

dadmission ou un capteur de dbit dair permettent de raliser cette variation.

Les besoins en avance lallumage sont diffrents pour moteur quip par le systme

tudi : en effet, les moteurs cycle 2 temps, et particulirement ceux de petite cylindre

prsentent des caractristiques de combustion diffrentes de leurs homologues 4 temps.

A faible rgime, le remplissage tant plutt mauvais, il est ncessaire davoir une avance

lallumage plus leve pour pallier ce phnomne et garder de la puissance. Le remplissage

samliorant vers les hauts rgimes, la courbe davance pour un moteur 2 temps aura une allure

plutt dcroissante, contrairement un moteur 4 temps qui aura une courbe croissante.

Cependant, pour les moteurs de faible cylindre quipant les cyclomoteurs comme celui dont

le systme dallumage est tudi ici, les constructeurs ne mettent pas de dispositif de variation

davance lallumage pour des raisons de cot et de lgislation (limitation 45km/h qui rend

caduque laugmentation de puissance, except pour les machines de comptition).

Problmatique et analyse

Quels sont les moyens mis en uvre dans le systme tudi pour gnrer la tension

dtincelle, et par quel moyen le dclenchement de ltincelle est-il command ?

Nous tudierons rapidement les principaux systmes dallumages existant sur le march, puis

expliciterons le fonctionnement du systme choisi dans son dtail, afin de poser un modle. Dans un

second temps, des mesures sur le systme en fonctionnement permettront de conclure sur la validit

du modle.

Quelles sont les amliorations possibles du systme afin dobtenir de meilleures

performances au point de vue puissance motrice ?

Dans une seconde phase du travail, nous tudierons les possibilits pour pallier au manque

dun dispositif davance variable sur le systme tudi

5

Etude thorique

Principes de base de lallumage command

Lallumage consiste enflammer un instant voulu le mlange air-carburant comprim dans la chambre de combustion afin de dclencher la combustion. Il y a donc deux aspects traiter :

La dtermination de linstant dtincelle

Comme vu dans lintroduction, cet instant dpend des paramtres de fonctionnement du

moteur et est gnr soit par un systme de variation davance mcanique, soit de faon

lectronique par un calculateur davance.

Lavance initiale est fixe lors du montage du moteur, en indexant en rotation une pice

tournante (appartenant au rotor) par rapport au stator (ensemble fixe). Le dclenchement dpend

essentiellement du type dallumage :

- Pour un allumage rupteurs, le dclenchement se fait par lcartement des linguets du rupteur

lors du passage dune came aux formes bien prcises (ncessaires pour un bon fonctionnement

lectrique)

- Pour un allumage lectronique, le dclenchement se fait lors du passage dun lment

appartenant au rotor (par exemple : plaquette mtallique de dclenchement, aimants du rotor)

devant un capteur fix au stator (bobine ou capteur effet Hall en gnral).

Le dclenchement provoqu par la partie mcanique peut directement dclencher ltincelle

(par exemple sur un allumage rupteurs) ou tre trait par un calculateur lectronique qui

dclenchera lui-mme ltincelle (par exemple sur un allumage lectronique intgral avance

variable)

La gnration de ltincelle proprement parler

Llvation de temprature permettant la combustion est ralise grce lnergie apporte

par une tincelle. Cette tincelle provient dune diffrence de potentiel entre deux lectrodes dune

bougie dallumage, alimente en haute tension par une bobine dallumage. On retrouve ici deux

grandes familles dallumages :

- Les allumages dcharge de self,

- Les allumages dcharger de condensateur.

Les allumages dcharge de self

Cette famille comprend notamment les allumages rupteurs, qui ont quip (et quipent

encore) la majorit des moteurs combustion interne avant lapparition des allumages lectroniques

intgraux.

6

Figure 1 : l'allumage classique rupteurs

Lallumage dcharge de self fonctionne en deux phases :

1. Rupteur ferm, le courant tabli dans lenroulement primaire permet de charger

lectromagntiquement le noyau de la bobine dallumage.

2. Lnergie stocke sous forme magntique dans le noyau de la bobine est transforme en

nergie lectrique haute tension. Louverture brutale du rupteur fait disparatre le courant

de lenroulement primaire, qui est le support de lnergie lectromagntique : cette

disparation induit dans lenroulement secondaire une haute tension qui donne ltincelle aux

bougies.

Le condensateur plac en parallle avec le rupteur permet damliorer la coupure du

primaire en se chargeant et se dchargeant de faon oscillatoire, et permet galement de prolonger

la dure de vie des contacts du rupteur en vitant la formation darcs lectriques entre ceux-ci.

Les volutions des allumages classiques rupteurs sont les allumages rupteurs

transistoriss et les allumages lectroniques dcharge de self, qui fonctionnent selon le mme

principe, en utilisant des semi-conducteurs pour ouvrir ou fermer le circuit primaire. Comme le

rupteur ne commute que de faibles intensits (ou ne commute plus sil est remplac par un capteur

lectronique), ces allumages ncessitent moins dentretien et ont une dure de vie plus longue.

7

Les allumages dcharge de co

Cette technologie est bien plus rcente que la prcdente, car sa ralisation nest possible

que grce llectronique et aux semi

moteurs de faible cylindre (tondeuses, cyclomoteurs,

Avec lapplication des nouvelles normes anti

simposer dans le domaine automobile.

Le systme tudi fait partie de cette famille dallumages, et sera tudi plu

suite.

Au lieu de stocker lnergie sous forme lectromagntique dans le noyau dune bobine, cette

famille dallumages stocke lnergie dans un condensateur sous forme lectrostatique.

de temps du circuit capacitif utilis

peuvent travailler des vitesses bien plus leves, et la vitesse de monte en tension plus leve

vite lencrassement des bougies dallumage.

Structure dun systme dallumage dcharge de co

Figure 2 : Diagramme gnral de la structure dun allumage dcharge de condensateur

- Lalimentation Haute Tension

une tension de sortie de 300 400V, soit par un bobinage dans un volant magntique qui

dlivre, une fois redresse, une tension de sortie entre 300 et 400V

- Le condensateur, de capacit en

dcharg dans le circuit dallumage

- Le thyristor (parfois remplac par un triac) permet de transfrer lnergie stocke dans le

condensateur dans le primaire du transformateur dallumage

- Le capteur permet de synchroniser ltincelle avec la position du vilebrequin (avance initiale).

- Ltage de conditionnement du signal

dclenchement intempestif du thyristor. Cest galement ici que sont

fonctions davance lallumage variable ou de bridage.

- Le transformateur dallumage

secondaire, entre 5 et 20kV.

CondensateurAlimentation

Haute Tension

Etage de conditionnement

du signal

Capteur d'allumage

Les allumages dcharge de condensateur


que grce llectronique et aux semi-conducteurs. On retrouve ces allumages sur la majorit des

moteurs de faible cylindre (tondeuses, cyclomoteurs, ) ainsi que sur les vhicules de comptition.

Avec lapplication des nouvelles normes anti-pollution, cette technologie commence aussi

simposer dans le domaine automobile.

Le systme tudi fait partie de cette famille dallumages, et sera tudi plu


famille dallumages stocke lnergie dans un condensateur sous forme lectrostatique.

de temps du circuit capacitif utilis tant infrieure celle dun allumage self, ces allumages


vite lencrassement des bougies dallumage.

Structure dun systme dallumage dcharge de condensateur

: Diagramme gnral de la structure dun allumage dcharge de condensateur

alimentation Haute Tension est soit produite par un convertisseur courant continu qui dlivre


dlivre, une fois redresse, une tension de sortie entre 300 et 400V

, de capacit entre 0.47 et 2F, stocke lnergie venant de lalimentation et est

allumage

(parfois remplac par un triac) permet de transfrer lnergie stocke dans le

condensateur dans le primaire du transformateur dallumage

permet de synchroniser ltincelle avec la position du vilebrequin (avance initiale).

Ltage de conditionnement du signal permet de filtrer le signal dentre, pour viter le

dclenchement intempestif du thyristor. Cest galement ici que sont

fonctions davance lallumage variable ou de bridage.

transformateur dallumage transforme limpulsion sur le primaire en haute tension au

.

Transformateur d'allumage

Thyristor

Condensateur

conditionnement


conducteurs. On retrouve ces allumages sur la majorit des

) ainsi que sur les vhicules de comptition.

pollution, cette technologie commence aussi

Le systme tudi fait partie de cette famille dallumages, et sera tudi plus en dtail par la


famille dallumages stocke lnergie dans un condensateur sous forme lectrostatique. La constante

tant infrieure celle dun allumage self, ces allumages


est soit produite par un convertisseur courant continu qui dlivre


tre 0.47 et 2F, stocke lnergie venant de lalimentation et est

(parfois remplac par un triac) permet de transfrer lnergie stocke dans le

permet de synchroniser ltincelle avec la position du vilebrequin (avance initiale).

permet de filtrer le signal dentre, pour viter le

dclenchement intempestif du thyristor. Cest galement ici que sont implmentes les

transforme limpulsion sur le primaire en haute tension au

Bougie d'allumage

8

- La bougie dallumage permet denflammer le mlange grce ltincelle qui se forme entre ses

deux lectrodes.

Fonctionnement dun systme dallumage dcharge de condensateur

Figure 3 : Schma d'un allumage dcharge de condensateur pour moteur de faible cylindre

La bobine dalimentation (SUPPLY COIL) gnre une tension alternative redresse par D2, qui

charge le condensateur C1 travers le primaire du transformateur dallumage.

Lors du passage dun aimant (plaquette de dclenchement ou aimant du volant magntique)

devant le capteur (SENSOR), la diode D4 laisse passer la partie positive du signal et dclenche la

gchette du thyristor. Le thyristor devient passant et dcharge C1 dans le primaire de la bobine

dallumage, gnrant ainsi une tincelle la bougie (SPARK PLUG).

9

Lallumage lectronique Moryama

Constitution du systme

Le systme tudi est compos des lments suivants :

Figure 4 : Composants du systme d'allumage Moryama

1. Stator (platine dallumage)

2. Rotor (volant magntique, communment appel cloche dallumage)

3. Botier dallumage (communment appel CDI)

4. Transformateur ou bobine dallumage

5. Bougie dallumage

6. Rgulateur dclairage : permet de limiter la tension dclairage 12V pour viter le grillage

des ampoules.

2 1

3

5

4

6

10

1. Dtail du stator :

Figure 5 : Stator

1. Induit (bobine) dexcitation ou dalimentation haute tension

2. Capteur dallumage (bobine) 3. Induit (bobine) dclairage

2. Dtail du rotor :

On met en vidence la position des aimants dans le rotor

au moyen de limaille de fer.

On constate que les laxe des trous dans le rotor sont dans

le plan mdian des aimants. Cette information servira lors

des expriences permettant de dterminer la position du

point davance initiale (position du rotor par rapport au

stator au moment du dclenchement de ltincelle)

La disposition du capteur dans le stator et des aimants dans le rotor fournissent donc une

information dallumage 4 fois par tour. Il y a donc 3 tincelles qui ne servent rien

Le signal aux bornes du capteur est le suivant (mesure faite sur un cyclomoteur MBK

Magnum Racing XR, moteur au ralenti, ralise avec un oscilloscope Tlquipment Type D1011) :

Figure 7 : Signal fourni par le capteur

Echelles : - Horizontale : 2ms/div - Verticale : 2V/div

1

2

3

Figure 6 : mise en vidence des aimants

11

3. Le botier dallumage (CDI)

Le circuit lectronique du CDI est noy dans une rsine afin de le protger des agressions du

milieu extrieur (humidit, vibrations, etc.). La dissection dun botier usag permet dobtenir le

schma suivant :

Figure 8 : circuit lectronique du botier d'allumage

Figure 9 : Schma interne du botier d'allumage

R1 : 330 R2 : 22K R3 : 1K C1 : 1F C2 : 3,3F 50V C3 : 10nF U1 : SF3G42C Connexions : - Noir : masse - Vert : induit dalimentation - Rouge : capteur - Orange : transformateur dallumage - Noir & blanc : coupe-circuit

R1 , R2 ,R3, C2, C3 et D3 forment ltage de conditionnement du signal.

D3 redresse le signal du capteur pour ne conserver que la partie positive du signal.

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C3 filtre les parasites haute frquence lentre , R1 , R2 ,R3 et C2 forment un filtre passe-haut

destin liminer une ventuelle composante continue qui dclencherait le thyristor de faon

intempestive.

U1 est un thyristor fabriqu par Toshiba, dont les caractristiques lectriques sont les

suivantes :

VRRM : Tension inverse maximale 400V

VDRM : Tension directe l'tat bloque 400V

IT : Courant maximum l'tat passant 3A

ITSM : Courant de crte 50A

IGT : Courant de gchette minimum 0,10mA

VGT : Tension de gchette minimum 0,8V

IH : Courant de maintien 3mA

dv/dt : Vitesse critique de croissance de la tension 50V/s

It : Contrainte thermique 12,5As

Cependant ce modle nest plus fabriqu, et des modles quivalents sont le T106D1,

fabriqu par Teccor et le BT258-600R, fabriqu par Philips.

Fonctionnement

La rotation du volant magntique entran par le moteur gnre une tension alternative aux

bornes de linduit dalimentation. Cette tension est redresse pour ne conserver que les alternances

positives par les deux diodes en entre (D1 et D2).

La topologie du botier dallumage du systme tudi est quivalente la topologie suivante :

(Source : note dapplication 819 STMicroelectronics) :

Figure 10 : Topologie quivalente

Lorsque lon dclenche le thyristor (SCR), le condensateur se dcharge de faon oscillatoire

dans la bobine. Le thyristor conduit pendant les alternances positives du courant de dcharge, et la

diode D conduit pendant les alternances ngatives (Traduit du document suscit).

On obtient donc les oscillogrames suivants :

13

Figure 11 : Courants Ith et Id

Ce qui donne au primaire du transformateur dallumage

Figure 12 : Courant dans l'enroulement primaire du

transformateur d'allumage

On na donc plus une tincelle unique mais un train dtincelles, ce qui permet un meilleur

amorage de la combustion lorsque les conditions sont dfavorables

trop riche)

Figure

Partie suprieure : courant Ith (courant travers le thyristor) Partie infrieure : courant Id (courandiode) Echelles : 10A/div

Ce qui donne au primaire du transformateur dallumage : (chelle 10A/div)

: Courant dans l'enroulement primaire du

La dcharge est oscillatoire, permet au secondaire davoir galement une dcharge de cette forme.


amorage de la combustion lorsque les conditions sont dfavorables (dmarrage froid, carburation

Figure 13 : Trains d'ondes d'une dcharge capacitive

: courant Ith (courant travers

: courant Id (courant travers la

(chelle 10A/div)

La dcharge est oscillatoire, ce qui permet au secondaire davoir galement une


(dmarrage froid, carburation

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Manipulations prvues, contraintes

Ncessit dun banc dessais

Afin de pouvoir raliser des mesures sur le systme en fonctionnement, il est ncessaire

davoir un banc dessais permettant de faire tourner le volant magntique diffrentes vitesses

(dans lidal de 0 10000 tours/minutes, voire envisager jusqu 15000 si possible)

Les solutions suivantes ont t envisages :

1. Raliser les mesures sur le moteur complet, mont sur le cyclomoteur ou sur un support.

Avantages Inconvnients

Pas daccouplement mcanique difficile raliser, systme dj mont Possibilit de commencer assez rapidement les expriences, le support tant assez facile raliser (montage dans un tau par les pattes de fixation, rservoir dessence type perfusion)

Il est difficile de maintenir le moteur un rgime fixe lorsque la charge applique est faible Les tests hauts rgimes risquent dendommager svrement le moteur si les rglages ne sont pas corrects (notamment carburation et avance lallumage) Il faut alimenter le moteur en essence et vacuer les gaz dchappement, de plus les sances de tests seront bruyantes

2. Raliser un accouplement mcanique sur un arbre tourn, mont dans les carters dorigine,

entranement par un moteur lectrique via poulie et courroie


Possibilit de choisir le rapport de transmission, donc la plage des vitesses de rotation Systme assez souple : permet de choisir une vitesse arbitraire et de la fixer (au moyen dun variateur de vitesse sur le moteur lectrique)

Ncessit de tourner une pice emmanchement conique ct allumage, ncessit de choisir un ensemble de poulies et une courroie adaptes larbre du moteur et au montage (voir catalogues industriels) Ncessit de brider le moteur et les carters sur une plaque pour maintenir lalignement des gorges de poulie et la tension de la courroie

3. Raliser un accouplement mcanique sur un arbre tourn, entranement en prise directe par

un moteur lectrique


Systme assez souple : permet de choisir une vitesse arbitraire et de la fixer (au moyen dun variateur de vitesse sur le moteur lectrique)

Ncessit de tourner une pice emmanchement conique Ncessit de fixer la platine dallumage au bti

15

Moins de souplesse dans le choix de la plage de vitesses

4. Simuler le fonctionnement du volant magntique par un ou plusieurs gnrateurs basse

frquence


Pas daccouplement mcanique raliser Possibilit de commencer rapidement les expriences

Ne permet pas de faire des relevs de forme du signal sur le volant magntique Il est difficile de respecter les dphasages des signaux tels quils sont gnrs par le volant magntique

Au vu des avantages et inconvnients des solutions exposes ci-dessus, nous avons dcid de retenir

la 2e solution, qui devrait tre ralisable en un temps assez limit, ainsi que la 4e solution si lon se

limite ltude du botier dallumage.

Manipulations prvues

- Mesure de la loi de variation de lavance lallumage du botier dorigine : en thorie,

lavance tant fixe, cette loi devrait reprsenter une variation nulle.

Cette mesure pourrait seffectuer de diffrentes manires :

o Grce un oscilloscope deux voies : on affiche sur une voie le signal dentre

(capteur), sur lautre le signal de sortie (bougie) et on relve le dcalage temporel

entre les deux signaux diffrents rgimes.

o Grce un dispositif stroboscopique : on fixe un disque gradu sur le rotor, cal 0

sur le point davance initiale (repre de calage) ; le dclenchement de ltincelle

provoquant un flash, on peut relever langle de dcalage mesur par le disque grce

la persistance rtinienne.

- Construction dun circuit dallumage quivalent celui dorigine afin de valider certains

points exposs dans le modle (notamment la forme des courants de dcharge du

condensateur)

- Conception et ralisation dun circuit dallumage avance variable, bas sur un

microcontrleur qui introduit une avance ou un retard du dclenchement du thyristor selon

une loi davance prprogramme

- Mesure et validation de la loi davance programme : vrifier ladquation entre la loi

thorique programme dans le microcontrleur et la loi mesure, qui est fonction des dlais

introduits par les diffrents composants voire de la mthode de mesure.

- Mesures des caractristiques (tension, intensit, frquence, forme du signal) du courant

produit par les diffrents induits du stator, comparaison un modle restant dterminer

(ncessit de connatre le nombre de spires des bobines : il faut soit trouver linformation,

soit sacrifier un stator, ce qui nest pas envisageable)

16

Etude exprimentale

Ralisation du banc dessais

Au vu des solutions retenues pour la ralisation du banc dessais, nous avons finalement

retenu la solution n2, consistant raliser un arbre dentranement de la cloche dallumage. La

solution n4, qui consistait gnrer les signaux grce des gnrateurs basse frquence, na pas t

retenue pour des raisons de scurit et de ralisabilit : en effet, la tension dalimentation ncessaire

au bon fonctionnement du circuit est de 300V environ, et de plus, la bonne synchronisation des

signaux dalimentation et de dcharge est primordiale pour la ralisation de ltude.

Larbre daccouplement a t conu partir des cotes du vilebrequin dorigine, afin de se

monter dans les carters dorigine sans aucune modification de ceux-ci, afin de pouvoir les rutiliser

par la suite. Le dessin de dfinition et le modle 3D ont t raliss avec le logiciel de CAO

proEngineer de PTC (voir le dessin de dfinition en annexe).

Figure 14 : vue 3D de l'arbre daccouplement sous proEngineer

Nous avons cependant rencontr divers problmes pour la ralisation de cette solution : il

fallait en effet usiner larbre par tournage, trouver un ensemble poulies-courroie adapt, ainsi quun

moteur avec son variateur.

Nous nous sommes procur les poulies et la courroie grce au technicien responsable de la

plateforme mcanique dans un dlai relativement court, mais la ralisation de la pice a pos plus de

problmes.

Nous avons t nous renseigner chez M. DENIER pour la possibilit de faire usiner cette

pice, et il nous a conseill de demander M. ROUX, professeur de Fabrication, si ces pices taient

ralisables en TP. Cependant, nous navions pas encore eu de TP dusinage cette date, et ceux-ci

taient programms quelques semaines plus tard, ce qui nous aurait encore plus retards dans

lobtention de la pice. Bien que disposant de relations possdant le matriel ncessaire (tour

mtaux), nous ne pouvions pas nous dplacer pour cause demplois du temps chargs. Suite un

problme avec les poulies (le pas de lune tait lgrement diffrent du reste de lensemble, ce qui

aurait caus une usure prmature), nous avons t revoir le technicien de la plateforme mcanique,

et celui-ci nous a indiqu que le technicien de latelier pouvait raliser cette pice. Deux jours plus

tard, nous avions notre pice, mais celle-ci ne comportait pas de filetage pour lcrou de serrage de

la cloche dallumage. Aprs filetage, nous avons pu monter la pice dans les carters moteur et

installer la cloche dallumage sur celle-ci, mais il manquait encore un moteur pour lentranement.

17

Figure 15 : arbre d'accouplement mont dans les carters

De plus, le filetage de fixation des goujons dans les carters ntant pas standard (M7x1,25),

nous navons pas trouv de vis pour fixer les carters de faon tendre la courroie.

Lide est finalement venue dutiliser une simple perceuse portative pour entraner le

systme. Aprs rcupration et rparation dune perceuse Bosch, nous pouvions enfin entraner la

cloche en rotation et faire fonctionner le systme dallumage pour raliser nos mesures.

Figure 16 : Utilisation de la perceuse pour entraner le systme

18

Afin de raliser des mesures de tensions internes au CDI, nous avions besoin dun CDI dont

les composants sont accessibles. Au lieu de reconstruire un botier sur plaque prototype, nous avons

simplement rpar le botier qui avait t dmont pour obtenir le schma. Les composants abms

lors du dmontage ont t remplacs et le botier a t mont sur le cyclomoteur : comme celui-ci

fonctionnait, le botier tait nouveau fonctionnel.

Figure 17 : banc d'essais en cours d'utilisation

19

Mesure de linstant dtincelle par rapport la charge

Le schma de cblage est le suivant :

Figure 18 : Schma de cblage pour la mesure de la tension aux bornes de C1

Ces mesures ont t ralises sur le CDI dmont afin davoir accs aux broches des

diffrents composants, au moyen de grippe-fils. Nous rappelons que C1 est le condensateur de

stockage de lnergie dtincelle et U1 le thyristor.

On obtient les oscillogrammes suivants : (NB : bien que ralises des vitesses de rotation

diffrentes, les dures relatives restent identiques)

Figure 19 : tension aux bornes de C1, tension d'alimentation

Dure dun cycle : 40ms Dure de la charge : 15ms Dure relative de charge : 37,5%

Nous constatons quune seule impulsion de la tension dalimentation suffit charger le

condensateur pour un cycle.

A B

B

20

Figure 20 : tension aux bornes de C1, tension la gchette de U1

Dure dun cycle : 31ms Dure dune impulsion : 4ms Dure relative dune impulsion : 13%

Cette mesure permet de confirmer la ralisabilit dun module davance variable sinstallant

la place du CDI. En effet, limpulsion de dcharge se produit environ la moiti dun cycle complet

entre deux charges. Cette configuration nous autorise avancer ou retarder limpulsion de dcharge.

Dans le cas contraire, deux situations auraient pu se prsenter :

1. Limpulsion arrive pendant la charge du condensateur, et ltincelle est de moindre qualit

car le condensateur ntait pas entirement charg

2. Une impulsion de charge arrive pendant que le thyristor est passant : mme si la tension de

gchette est nulle, celui-ci restera passant car il y a une diffrence de potentiel ses bornes.

21

Mesure de la forme de la dcharge

Le cblage pour raliser cette mesure est le suivant :

La sonde de loscilloscope est relie entre le fil orange du CDI et la masse, on mesure ainsi la

tension aux bornes du primaire du transformateur dimpulsions. Une pince ampremtrique a t

utilise pour mesurer le courant traversant ce mme fil :

Figure 21 : Tension aux bornes de lenroulement primaire lors de la dcharge

A

22

Figure 22 : courant traversant lenroulement primaire lors de la dcharge

Ces mesures confirment donc lhypothse mise lors de ltude thorique : la dcharge se

fait de faon oscillante, ce qui permet davoir un train dtincelles au lieu dune tincelle unique.

A partir de la mesure de la tension en fonction du temps, nous pouvons dterminer la

pseudo-priode des oscillations du circuit, en utilisant la mthode de la dcroissance logarithmique.

Lquation de la tension aux bornes de lenroulage primaire est de la forme

= sin( 1 ) La priode de ces oscillations est :

= 2 1 Le coefficient de dcroissance est :

= = O X2 et X1 sont des valeurs mesures N priodes dintervalle.

En utilisant les curseurs de loscilloscope, on obtient les mesures suivantes :

23

Figure 23 : mesure de la priode des oscillations

Sur 4 priodes, on obtient un cart de 184s.

Do la priode : = !! = 46%&

Figure 24 : mesure du coefficient de dcroissance

Sur un cart de 4 priodes, on mesure : X1 = 316V X2 = 56V

Do = '()( 0,177

On rsout donc le systme suivant :

. 1 = 2 = ln 0 1

2334335 = 672 8 + 7 ln 0 8

= ln 0 :;2

24

On obtient donc :

= = 136914.3453 = 0.068687443211 Do la frquence des oscillations : C = D = 21790EF

Nous pouvons donc assimiler lensemble {condensateur, transformateur dimpulsions,

bougie} un circuit RLC srie. On sait que C1 = 1F, et = GH, do : I = 1 J = 53.346297%E

Au secondaire du transformateur dimpulsion, la tension tant de quelques dizaines de

kilovolts pour permettre larc de stablir, nous navons donc pas pu la mesurer directement. Nous

avons toutefois pu mesurer le courant dans le fil de bougie grce une pince ampremtrique :

Figure 25 : courant au secondaire du transformateur d'impulsions

Nous pouvons donc raliser une premire estimation du rapport de transformation, en

utilisant le modle du transformateur monophas parfait :

= KK = 300,4 = 75 Avec I1 le courant travers lenroulement primaire et I2 le courant travers lenroulement

secondaire. On obtient donc, en dbut de dcharge :

= = 75 300 = 22500L

25

Ralisabilit de lavance variable

Au vu des mesures ralises prcdemment (et surtout de celle de linstant dtincelle par

rapport la charge du condensateur), il ressort que limpulsion de dclenchement du thyristor peut

tre avance ou retarde. La latitude de dcalage temporel sur un cycle est la suivante :

Figure 26 : latitude de dcalage de l'impulsion de dclenchement sur un cycle

Un tour du volant magntique quivalent 4 cycles, un cycle dure 90 de rotation du

vilebrequin. On peut donc faire varier lectroniquement le calage de lallumage sur une plage de 45.

Cette latitude peut tre encore augmente en diminuant la largeur de limpulsion

dtincelle : en effet, une impulsion de 15s suffit commuter le thyristor (cf. dfinition de tgt p.58

du catalogue Teccor)

Dans le cas o la chronologie des signaux naurait pas permis de dcaler facilement

limpulsion du thyristor, une solution aurait t de remplacer linduit dallumage par une

alimentation dcoupage, alimente partir de linduit dclairage. En commandant la coupure de

lalimentation par microcontrleur lors de la dcharge, on ne risque pas de garder le thyristor

passant pendant la charge

De plus, cette solution permet de pallier la diminution de puissance de ltincelle hauts

rgimes (>10000 tours par minute) : le condensateur ne se charge plus suffisamment car la constante

de temps du circuit est trop leve par rapport la priode et la largeur des impulsions de charge. En

augmentant la tension disponible, on peut diminuer la capacit du condensateur pour gagner en

vitesse de charge, tout en conservant une nergie suffisante pour ltincelle.

Ce dcalage temporel peut tre ralis avec un montage monostables (avance

analogique linaire) ou un montage microcontrleur (avance digitale programmable).

Dans le cas dun montage microcontrleur, le schma-bloc de ltage dentre serait :

26

Figure 27 : schma-bloc de l'tage d'entre du CDI microcontrleur

Ltage de conditionnement du sig

lis ltincelle et supprimer lventuelle composante continue. La mthode la plus simple pour

raliser lisolation galvanique sur lentre du microcontrleur est dutiliser un optocoupleur. O

ainsi des variations de tensions nfastes pour le bon fonctionnement du microcontrleur.

Pour raliser le dcalage temporel de limpulsion de dclenchement du thyristor, nous avons

deux manires de procder, suivant le sens voulu

- Pour raliser un retard, il

angulaire souhait.

- Pour raliser une avance, il faut

volant magntique ait parcouru 90 moins lav

Du choix de la mthode dpendra lavance initiale de lallumage

dmarrage, le microcontrleur nest pas aliment, mais que lon a quand mme besoin que

lallumage produise des tincelles pour le bon fonctionn

Cest pourquoi la solution du retard est la plus adapte dans notre cas

lavance doit tre plus importante car la combustion se fait plus lentement (en partie cause du

mauvais remplissage du moteur).

On cherchera donc avoir une courbe de la forme

utiliser un banc de puissance pour dterminer la courbe davance optimale)

Figure 28

Conditionnement du signal, isolation

galvaniqueCapteur d'allumage

0

10

20

30

40

0 2000Av

an

ce

l'a

llu

ma

ge

()

Avance l'allumage en fonction du rgime

bloc de l'tage d'entre du CDI microcontrleur

Ltage de conditionnement du signal a pour but ici dliminer les parasites haute frquence


raliser lisolation galvanique sur lentre du microcontrleur est dutiliser un optocoupleur. O



deux manires de procder, suivant le sens voulu :

Pour raliser un retard, il suffit dattendre un certain dlai dpendant du rgime et du retard

Pour raliser une avance, il faut anticiper le signal du capteur : il faut attendre que le

volant magntique ait parcouru 90 moins lavance souhaite.

Du choix de la mthode dpendra lavance initiale de lallumage : il ne faut pas oublier quau


lallumage produise des tincelles pour le bon fonctionnement du moteur.

Cest pourquoi la solution du retard est la plus adapte dans notre cas


mauvais remplissage du moteur).

avoir une courbe de la forme (les valeurs sont arbitraires, il faudrait

utiliser un banc de puissance pour dterminer la courbe davance optimale) :

28 : avance l'allumage en fonction du rgime moteur

MicrocontleurConditionnement du signal, isolation

galvanique

4000 6000 8000 10000 12000

Rgime moteur (trs/min)


moteur

nal a pour but ici dliminer les parasites haute frquence


raliser lisolation galvanique sur lentre du microcontrleur est dutiliser un optocoupleur. On vite



suffit dattendre un certain dlai dpendant du rgime et du retard

: il faut attendre que le

: il ne faut pas oublier quau


Cest pourquoi la solution du retard est la plus adapte dans notre cas : bas rgimes,


(les valeurs sont arbitraires, il faudrait

Thyristor

12000 14000


27

A partir de lavance initiale (ici 36 avant le point mort haut), on dtermine la courbe du

retard angulaire appliquer :

Figure 29 : retard angulaire en fonction du rgime moteur

Pour raliser le dcalage temporel partir de la donne du dcalage angulaire, il est

ncessaire de connatre la vitesse de rotation du volant ; celle-ci est calculable en mesurant la

priode entre deux impulsions du capteur et en multipliant le rsultat par 4 pour obtenir le temps

que met le volant magntique pour faire un tour (360). On obtient donc :

= N 90 O T est la priode des impulsions des capteurs, le dcalage temporel et N le dcalage angulaire.

Figure 30 : retard temporel en fonction du rgime moteur

Suivant les ressources du microcontrleur utilis et la flexibilit souhaite, ces valeurs seront

soit stockes en dur dans le programme (tableau statique), soit calcules partir dun ensemble de

points (avance, priode) au dmarrage (remplissage dun tableau dynamique) ou la vole.

0

5

10

15

20

25

30

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Re

tard

an

gu

lair

e (

)

Rgime moteur (trs/min)

Retard angulaire en fonction du rgime

moteur

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000Re

tard

te

mp

ore

l (m

s)

Rgime moteur

Retard temporel en fonction du rgime

moteur

28

Il convient galement de retrancher au retard appliqu le temps qui a t ncessaire son

calcul. Suivant lalgorithme utilis, le calcul de ce temps est plus ou moins ais ; il faut connatre la

vitesse dhorloge du microcontrleur ainsi que le nombre de cycles ncessaire la ralisation de

chaque opration.

Un algorithme pour raliser la fonction davance serait alors (en fonctionnement normal, les

cas de dmarrage et de fonctionnement bas rgime ne sont pas dtaills ici :

Dbut Initialiser le microcontrleur Tant que le moteur tourne //Calcul de la priode Attendre un front montant lentre Priode = Lire le timer Rintialiser le timer //Application du retard Calculer le retard appliquer en fonction de la Priode Attendre ce retard son temps de calcul //Gnration de limpulsion de sortie Mettre la sortie 1 Attendre le temps de raction du thyristor Mettre la sortie 0 FinTantQue Fin

29

Conclusion

Les recherches que nous avons effectues nous ont permis dtablir un modle thorique

gnral de fonctionnement du circuit dallumage, mais ne permettent pas deffectuer tous les calculs

de dimensionnement de lallumage. Il manque en effet certaines informations, notamment sur les

caractristiques des diffrentes bobines (notamment linduit dalimentation et le transformateur

dallumage), capitales pour le calcul des constantes de temps de lallumage. Certaines dentre elles

ont pu tre dtermines au moyen des expriences ralises et permettent de confirmer le modle

mis en place durant ltude thorique.

Lanalyse des tensions lors du cycle de charge et de dcharge du condensateur ont permis de

confirmer la ralisabilit dune variation davance et den prciser les limitations. Enfin, une pr-

tude du systme de variation davance a t mene et aurait pu permettre la ralisation dun

prototype permettant de tester le bon fonctionnement des solutions retenues. Malheureusement, la

ralisation de laccouplement mcanique a pris plus de temps que prvu, et il ne restait plus

suffisamment de sances ni de temps pour mener bien ce projet de ralisation.

30

Annexe 1 : Le thyristor

Reprsentation schmatique

Figure 31 : Reprsentation schmatique d'un thyristor

Structure

Le thyristor est un composant lectronique semi

couches de silicium dopes alternativement positivement et ngativement.

Il peut tre modlis par deux transistors, un PNP et un NPN monts comme

sur la figure ci-contre :

Caractristiques lectriques

Les caractristiques suivantes sont souvent donnes pour dfinir un thyristor dans le

commerce :

- VRRM : Tension inverse maximale

- VDRM : Tension directe l'tat bloque

- IT : Courant maximum l'tat passant

- ITSM : Courant de crte

- IGT : Courant de gchette minimum

- VGT : Tension de gchette minimum

- IH : Courant de maintien

- ID : Courant d'accrochage

- VT : Tension maximale l'tat passant

- dv/dt : Vitesse critique de croissance de la tension

- di/dt : Vitesse critique de croissance du courant

- It : Contrainte thermique

Fonctionnement

Si la tension VAK ses bornes est ngative, le thyristor est bloqu ; il n'est parcouru que par

un faible courant inverse. Il faut veiller ne pas dpasser la tension inverse maxim

dtrioration).

Si la tension VAK devient positive, le thyristor reste bloqu ; il n'est parcouru que par un faible

courant de fuite direct. Il faut veiller ne pas dpasser la tension directe l'tat bloqu, V

courant de gchette nul (toujours risque de dtrioration).

: Le thyristor

Reprsentation schmatique :

: Reprsentation schmatique d'un thyristor

Le thyristor est un composant lectronique semi-conducteur fait de quatre

couches de silicium dopes alternativement positivement et ngativement.


Caractristiques lectriques


: Tension inverse maximale

: Tension directe l'tat bloque

: Courant maximum l'tat passant

: Courant de gchette minimum

: Tension de gchette minimum

: Courant d'accrochage

: Tension maximale l'tat passant

dv/dt : Vitesse critique de croissance de la tension

ique de croissance du courant

It : Contrainte thermique

ses bornes est ngative, le thyristor est bloqu ; il n'est parcouru que par

un faible courant inverse. Il faut veiller ne pas dpasser la tension inverse maxim

devient positive, le thyristor reste bloqu ; il n'est parcouru que par un faible

courant de fuite direct. Il faut veiller ne pas dpasser la tension directe l'tat bloqu, V

hette nul (toujours risque de dtrioration).

t de quatre



ses bornes est ngative, le thyristor est bloqu ; il n'est parcouru que par

un faible courant inverse. Il faut veiller ne pas dpasser la tension inverse maximale, VRRM (risque de

devient positive, le thyristor reste bloqu ; il n'est parcouru que par un faible

courant de fuite direct. Il faut veiller ne pas dpasser la tension directe l'tat bloqu, VDRM,

Figure 32 : modlisation

d'un thyristor par 2

transistors

31

Si la tension VAK est positive, et que l'on fait passer une impulsion de courant dans la

gchette, le thyristor s'amorce et devient passant. Il faut veiller ce que la dure de l'impulsion soit

suffisante pour que le courant dans le thyristor soit suprieur au courant d'accrochage, ID.

Quand il est passant, le thyristor se comporte comme une diode. Seule sa chute de tension

directe est un peu plus forte.

Il ne se bloque que lorsque le courant direct s'annule. (En ralit, il se bloque lorsque le

courant qui le traverse devient infrieur une valeur limite appele courant de maintien). Aprs

l'amorage, la gchette a perdu son pouvoir de contrle.

Figure 33 : Caractristique courant-tension d'un thyristor

32

Annexe 2 : les arcs lectriques

Un arc lectrique est un courant visible dans un milieu isolant (air, gaz, ), il est cre par une

ionisation de la matire dudit milieu, facilite par la proximit relative des surfaces conductrices. Une

fois ionis le matriau cre un canal conducteur entranant le reste de la charge prsente sur la

surface dorigine, larc continue alors, et ce mme si les surfaces scartent lune de lautre, pour

autant que la diffrence de potentiel des susdites surfaces reste suffisante.

Le champ disruptif1 de lair est valu 3600 V/mm pour de lair sec (0.1% de vapeur

deau), Temprature ambiante (21C), pression atmosphrique (1 bar), au niveau de la mer (0 m

daltitude) mais il peut descendre 1000 V/mm dans un air satur en humidit, pour de petites

distances inter-lectrodes, pour des distances plus leves, la valeur du champ disruptif augmente.

La position dun arc lectrique est stable, en effet, aprs ionisation de lair, qui devient

conducteur , larc garde ce chemin car cest celui qui lui demande le moins dnergie. De

nombreuses expriences ont montres que larc est lectriquement neutre, dans un sens, des

lectrons font circuler le courant de la cathode lanode et dans lautre il y a un transfert de matire

sous forme dions mtalliques, ce qui explique lusure des surfaces dans les bougies dallumage et les

soudures dites larc .

L'coulement du courant dans la matire ionise met un rayonnement de lumire dont le

spectre est caractristique de la nature du gaz, et un degr moindre, de celle des lectrodes dans le

cas o ces dernires sont fusibles. Dans le cas gnral, les arcs mettent une grande proportion

d'ultraviolet particulirement agressif pour les yeux.

1 Champ disruptif : La rigidit dilectrique dun milieu isolant reprsente la valeur maximum du

champ lectrique que le milieu peut supporter avant le dclenchement dun arc lectrique (donc

dun court-circuit).On utilise aussi l'expression champ disruptif qui est synonyme mais plus

frquemment utilise pour qualifier la tenue d'une installation, alors que le terme rigidit

dilectrique est plus utilis pour qualifier un matriau. Pour un condensateur quand cette valeur

est dpasse, llment est dtruit. La valeur maximale de la tension lectrique applique aux

bornes, est appele tension de claquage du condensateur.

33

Annexe 3 : dessin de dfinition de

larbre daccouplement

34

Bibliographie

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Rapport_final Allumage Avance Variable

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