Thierry CABANTOUS Lycée Fernand Léger BTS AVA - 2ème Année Systèmes d'injection Essence Régulation de richesse Thierry CABANTOUS Lycée Fernand Léger

Systèmes d’injection Essence Régulation de richesse Plan de la séance Présentation du système de régulation de richesse Réalisation matérielle du système Catalyse 3 voies des gaz d'échappement Modélisation de la boucle de régulation de richesse Stratégies de la régulation de richesse Présentation des TP sur véhicules Acquisitions Synchronie sur véhicules Synthèse des TP sur véhicules

Présentation du système de régulation de richesse Principe de l’injection d’essence Principe de base : La masse d’essence à injecter dans les cylindres est déterminée à chaque instant par la mesure de la masse d’air aspirée par le moteur. Dosage du mélange carburé : Le dosage du mélange carburé est le rapport entre la masse d’essence injectée pendant un temps donné et la masse d’air aspirée par le moteur pendant le même temps. Dosage stœchiométrique : Le dosage stœchiométrique correspond au dosage théorique permettant une combustion complète de l’essence dans l’air. L’équation chimique de la combustion de l’heptane (C7 H16) dans l’air donne :

Dosage Stœchiométrique Présentation du système de régulation de richesse Dosage Stœchiométrique Lorsque le moteur aspire 15,1 grammes d’air Il faut injecter exactement 1 gramme d’essence ( C7H16 ) Dans ce cas, la richesse du mélange est exactement égale à 1 La combustion de l’essence dans l’air est complète

La richesse et le coefficient d’air Présentation du système de régulation de richesse La richesse et le coefficient d’air Fonctionnement du moteur Richesse Coefficient d’air Mélange riche Excès d’essence Combustion incomplète r > 1  < 1 Mélange stoechiométrique Combustion complète r = 1  = 1 Mélange pauvre Excès d’air Combustion incomplète r < 1  > 1 Les coefficients  et r varient en sens inverse. Lorsque  augmente (mélange pauvre), r diminue. Ces deux coefficients représentent la même notion de carburation exprimée selon deux formes différentes. Par analogie au coefficient d’air  , la richesse r représente en fait le « coefficient d’essence ».

Présentation du système de régulation de richesse Les produits de la combustion Combustion idéale (complète), dans le cas d’un dosage stoechiométrique C7 H16 + 11 (O2 + 3,76 N2) 7 CO2 + 8 H20 + 11.(3,76 N2) Air sec (% en volume, gaz rares négligés) Oxygène : 21 % O2 Azote : 79 % N2 Une mole d’air : O2 + 3,76 N2 Combustion réelle (incomplète), dosage non stoechiométrique Produits polluants avant catalyse Monoxyde de carbone CO Oxydes d’azote NOX Imbrûlés HC Carburant idéal Cn H2(n+1) Heptane, sans plomb Une mole d’Heptane : C7 H16 Produits non "polluants" CO2, H20, N2, O2 Produits de la combustion après catalyse (taux de conversion idéal du catalyseur de 100%)

Présentation du système de régulation de richesse Emission des polluants en fonction de la richesse AVANT CATALYSE Lorsque la richesse diminue de 1,2 à 0,9 Le CO et les HC diminuent simultanément. Les HC et les NOX évoluent de façon inverse. Les NOX augmentent en raison de l’élévation de la température de la combustion en mélange pauvre. Lorsque la richesse est inférieure à 0,85. Le CO atteint un niveau très bas (excès d’air), les HC augmentent (imbrûlés) en raison de phénomènes d’extinction de flamme. Lorsque la richesse augmente de 1 à 1,2 Le CO et les HC augmentent fortement en raison d’une combustion incomplète (mélange riche). Les NOX diminuent car la température de la combustion diminue, jusqu’à la limite d’inflammabilité du carburant, pour des richesses supérieures à 1,2. Conclusion : Il est très difficile d’amener simultanément les trois polluants à leurs niveaux minimums, tout en conservant une richesse permettant un bon fonctionnement du moteur. Avant catalyse, le meilleur compromis en terme d’émission de polluants et de fonctionnement du moteur, se situe autour de la richesse 1.

Présentation du système de régulation de richesse Emission des polluants en fonction de la richesse APRES CATALYSE Lorsque la richesse diminue (mélange pauvre) Les NOX augmentent fortement en raison de l’élévation de la température de la combustion (excès d’air). Les CO et les HC atteignent un très faible niveau (faible taux d’imbrûlés). Lorsque la richesse augmente (mélange riche) Le CO et les HC augmentent en raison d’une trop grande proportion d’essence imbrûlée dans le mélange. Cette essence imbrûlée peut provoquer, en cas de prise d’air à l’échappement, un phénomène de post-combustion entraînant la destruction totale du catalyseur (T>1000°C). Efficacité maximum de dépollution du catalyseur L’efficacité maximum de dépollution du catalyseur se situe dans une fenêtre très étroite, centrée autour de la richesse 1 (entre 0,98 et 1,02). Conclusion : Le bon fonctionnement du catalyseur impose l’utilisation d’un dispositif de régulation. Ce dispositif doit réguler la richesse du mélange à une valeur aussi proche que possible de 1, afin de maintenir les émissions de polluants à leurs plus faibles niveaux, après catalyse.

Réalisation matérielle du système Le pot catalytique Pot catalytique et sonde lambda sous collecteur

Réalisation matérielle du système Le pot catalytique Un catalyseur est un élément qui a la propriété de déclencher et d’accélérer une réaction chimique, sans être transformé au cours de la réaction. 1 - Joint d’étanchéité en matériaux fibreux 2 - Enveloppe en acier haute température (de volume égal à la cylindrée du moteur) 3 - Matériau amortissant et isolant thermique 4 - Bloc de céramique en nid d’abeille enduit de métaux précieux (platine, rhodium, palladium)

Réalisation matérielle du système Le pot catalytique Catalyse sous collecteur Catalyse sous plancher La température optimale de fonctionnement du catalyseur se situe entre 500°C et 800°C. Le pot catalytique est implanté au plus près du moteur afin de permettre un amorçage plus rapide de la catalyse après le démarrage du moteur (à partir de 300°C).

Réalisation matérielle du système Principe de la catalyse 3 voies La catalyse permet : - d’oxyder le monoxyde d’azote (CO) en CO2 et les imbrûlés (HC) en H20 et en CO2 - de réduire les oxydes d’azote (NOX) en N2 et en O2

Réalisation matérielle du système Mode d’action du catalyseur 3 voies cache Oxydation du CO CO + 1/2 O2  Oxydation des HC 2 HC + 5/2 O2  Réduction des NOX NO + O2  CO + NO  CO2 2 CO2 + H2O uction des NOX 1/2 N2 + 3/2 O2 CO2 + 1/2 N2 CO , HC , NO REACTIONS CHIMIQUES BILANS CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT  Mélange air + essence stœchiométrique (r = 1)  Tgaz > 300°C (amorçage du catalyseur) La dépollution maximale des gaz d’échappement n’est possible qu’à l’intérieur d’une étroite fenêtre de fonctionnement du moteur, centrée autour de la richesse 1 (dosage stoechiométrique). Cette contrainte technologique impose un dispositif précis de régulation de la richesse

Réalisation matérielle du système La sonde lambda La sonde lambda est placée entre le collecteur d’échappement et le pot catalytique. Sa température optimale de fonctionnement se situe entre 500°C et 800°C. La sonde lambda mesure la teneur en oxygène des gaz d’échappement. Cette teneur en oxygène dépend du dosage du mélange air + essence (riche ou pauvre) brûlé par le moteur. La sonde lambda permet donc d’effectuer une mesure indirecte de la richesse du mélange carburé. Elle est utilisée pour réguler la richesse sur tous les moteurs à injection d’essence.

Réalisation matérielle du système Constitution de la sonde lambda Cache 1 - Tube de protection avec fente (entrée des gaz d'échappement) 2 - Culot de la sonde 3 - Enveloppe protectrice (sertissage non étanche à l’air extérieur) 4 - Isolateur 5 - Fil électrique (signal sonde  calculateur) 6 - Fils de réchauffe de la sonde (+ APC et masse) 7 - Contacteurs électriques 8 - Résistance chauffante CTP (4,5 Ohms) 9 - Support en céramique 10 - Céramique poreuse + électrodes de platine externe et interne

Réalisation matérielle du système Fonctionnement de la sonde lambda Cache La sonde est constituée d'un corps en céramique dont la surface est munie d'électrodes en platine, perméables aux gaz. La céramique utilisée conduit les ions oxygène à une température minimale de 350°C. Lorsqu'il y a différence de concentration d'oxygène entre les deux électrodes, il se produit un déplacement des ions oxygène (de la face interne vers la face externe) qui crée aux bornes de la sonde une différence de potentiel. Cette différence de potentiel constitue le signal électrique (0,1 ou 0,9 Volts) transmis au calculateur

Réalisation matérielle du système Signal électrique de la sonde lambda Le signal de sortie de la sonde lambda s’apparente à une variable binaire qui ne peut avoir que les deux valeurs suivantes : Mélange riche 0,9 Volts Mélange pauvre 0,1 Volts

Réalisation matérielle du système Câblage de la sonde lambda au calculateur 1 - Alimentation de la résistance CTP 2 - Masse de la résistance CTP 3 - Électrode négative (face externe) 4 - Électrode positive (face interne)

Modélisation de la régulation de richesse Réalisation matérielle du système Modélisation de la régulation de richesse Cache Uc Tension de référence appliquée à l'entrée du comparateur (consigne  = 1) Uc = 0,5 Volts Um Tension de sortie de la sonde  (mesure du taux de O2 des gaz d'échappement) Le comparateur calcule en permanence la différence de tension  = Uc - Um Um = 0,9 Volts =>  < 0 Mélange riche, le calculateur corrige en diminuant le temps d’injection Um = 0,1 Volts =>  > 0 Mélange pauvre, le calculateur corrige en augmentant le temps d’injection Le signal de la sonde  oscille entre 0,9 Volts et 0,1 Volts, ce qui correspond à une régulation de la richesse variant continuellement entre  = 0,98 (riche) et  = 1,02 (pauvre).

Réalisation matérielle du système Stratégies de la régulation de richesse Le calculateur corrige le temps d'injection en fonction du signal de sortie de la sonde lambda. En boucle fermée, Il existe deux types de corrections de richesse - La correction Intégrale - La correction Proportionnelle La correction intégrale consiste à enrichir ou appauvrir uniformément le mélange tant que la tension de sortie de la sonde à oxygène (0,1 Volts ou 0,9 Volts) ne varie pas. La correction proportionnelle a lieu lorsqu’une variation est détectée. Cette action est proportionnelle à l'écart entre la mesure et la référence, afin de stabiliser rapidement la richesse du mélange.

Présentation des TP sur véhicules BTS AVA - 2ème Année Systèmes d'injection Essence Régulation de richesse Présentation des TP sur véhicules

Présentation des TP sur véhicules Organisation du travail 4 postes de travail (organisés en 4 binômes) 2 postes de TP "Réparation" : Peugeot 306 Peugeot 307 2 postes de TP "Acquisitions Synchronie" : Citroën Saxo Peugeot 406

Présentation des TP sur véhicules Objectifs et Guide de travail TP "Réparation" Objectifs : Etre capable de contrôler, de faire le diagnostic, et de remplacer une sonde lambda sur véhicule. Guide de travail : Contrôle de la tension de sortie de la sonde avant dépose Dépose de la sonde lambda Contrôles électriques de la sonde au multimètre Contrôle de fonctionnement de la résistance chauffante (branchement direct au + batterie) Repose de la sonde lambda Contrôle de la tension de sortie de la sonde après repose

Présentation des TP sur véhicules TP "Acquisitions Synchronie" Objectifs et Guide de travail TP "Acquisitions Synchronie" Objectifs : - Etre capable de faire le diagnostic du système de régulation de richesse sur véhicule. - Evaluer le fonctionnement en vraie grandeur de la boucle de régulation (réponse à différentes perturbations). Guide de travail : Acquérir sur Synchronie le signal de sortie de la sonde lambda moteur tournant, en fonctionnement normal (ralenti et accélérations). Faire varier la richesse du mélange en agissant sur les durites d'arrivée et de retour d'essence. Observer la réponse de la régulation en fonctionnement "ultra riche" et "ultra pauvre". Créer deux dysfonctionnement en débranchant successivement un injecteur puis une bougie d'allumage. Observer la réponse de la régulation à ces perturbations.

Synthèse des TP sur véhicules BTS AVA - 2ème Année Systèmes d'injection Essence Régulation de richesse Synthèse des TP sur véhicules

Synthèse des TP sur véhicules Acquisitions Synchronie Tension de sortie de la sonde lambda en mélange riche (durite de retour d’essence pincée)

Synthèse des TP sur véhicules Acquisitions Synchronie Tension de sortie de la sonde lambda en mélange pauvre (durite d'arrivée d’essence pincée)

Synthèse des TP sur véhicules Acquisitions Synchronie Tension de sortie de la sonde lambda avec un injecteur débranché On observe un "trou" de richesse exactement tous les 2 tours

Synthèse des TP sur véhicules Questions complémentaires … Résultats obtenus Mise en commun des résultats de TP et analyse des relevés Synchronie effectués sur les véhicules Questions complémentaires …

Notes personnelles …