I. Objectif
Vers la fin de la compression, la chambre de combustion est pleine de gaz combustibles,
qu'il faut enflammer.
Deux procédés peuvent être utilisés :
1. Amener les gaz au contact d'une flamme qui élève la température des particules
immédiatement voisines et les enflamme, celles-ci à leur tour échauffent et enflamment les particules
voisines, la combustion partie d'un point, atteint successivement toutes les couches de la masse gazeuse.
2. Utiliser la propriété de tous les gaz combustibles de s'enflammer
spontanément et en masse dès que leur température atteint une certaine valeur. Ce procédé est utilisé
dans les moteurs du type Diesel.
Dans les moteurs à explosion, l'inflammation du mélange gazeux est très
généralement obtenue par le premier procédé 1. Actuellement et depuis longtemps, on enflamme les gaz
par une étincelle de tension élevée jaillissant à l'intérieur de la chambre de combustion entre les deux
électrodes d'une bougie.
Note : on est parvenu pendant la guerre à éliminer les procédés d'allumage
classique sur les moteurs d'avion en raison des inconvénients que ces dispositifs présentent en atmosphère
raréfiée.
Le procédé consiste à injecter une petite quantité d'éther dans le cylindre
en fin de compression. L'éther s'enflamme spontanément et provoque ainsi l'allumage du mélange. L'inflammation
est très régulière et l'expérience. montré que le taux de compression pouvait être augmenté sans l'apparition
de la détonation.
La quantité de fluide injecté est très faible: 2 litres à l'heure pour 1
moteur de 3 litres de cylindrée (Voir Auto-Revue du 10 mai 1947).
On étudiera, avant d'entreprendre la description et le fonctionnement des appareils
d'allumage utilisés actuellement, les conditions que doit remplir l'étincelle pour assurer un allumage
correct et les moyens techniques employés pour les satisfaire.
A. Conditions à remplir par l'étincelle électrique.
a) Instant convenable - On a vu (Etude du Cycle pratique) qu'il y a
lieu de provoquer l'inflammation du mélange gazeux à un instant précis. Cet instant précède d'un temps
extrêmement court le passage du piston au point mort haut et constitue l'avance à l'allumage.
1. Temps nécessaire à la combustion. - Pour une chambre de combustion
de dimension donnée, le temps nécessaire à la combustion est fonction de la vitesse de combustion du
mélange. La vitesse de combustion du mélange est elle-même déterminée par trois facteurs: le combustible,
la richesse du mélange et enfin sa température. Seul le 3e facteur est en fait susceptible de varier,
lorsqu'on considère un moteur donné alimenté par un carburant dont les caractéristiques peuvent être
considérées comme constantes au moins en principe. Or la température du mélange est fonction de la pression
en fin de compression, c'est à dire du taux de compression et du remplissage. En fait, le taux de compression
restant sensiblement constant, la vitesse de combustion du mélange est fonction du remplissage.
L'avance à l'allumage doit diminuer lorsque le taux de remplissage augmente
et croître dans le cas inverse.
Note : Lorsque la chambre de combustion a une grande dimension, cas
des moteurs de grosse cylindrée ou lorsqu'on désire écourter au maximum la durée de la combustion (moteur
à régime très élevé) on monte sur le moteur un dispositif de double allumage.
2. Temps offert à la combustion. Lorsque la vitesse de rotation augmente,
la fin de la combustion a lieu de plus en plus en retard par rapport au point mort haut, l'avance à l'allumage
doit donc augmenter de manière à maintenir la répartition optimum de la combustion de part et d'autre
du pl1Ïnt mort haut.
En fait pour un moteur et un combustible donnés, l'avance à l'allumage est
pratiquement fonction à chaque instant de deux quantités indépendantes:
La vitesse de rotation du moteur
Le remplissage des cylindres.
b) Etincelle suffisante - Pour que la combustion
soit rapide, il faut que l'étincelle mette immédiatement le feu à une quantité suffisante de gaz.
La température de l'étincelle qui est de l'ordre de 3000°C n'est pas le seul
élément à considérer. Il faut que l'étincelle ait une dimension suffisante et cède d'emblée au mélange
combustible une quantité de chaleur suffisante : l'expérience montre que l'allumage est satisfaisant
lorsque sa longueur est de 0,5 à 0,6 mm.
A une longueur donnée correspond une tension minimum au dessous de laquelle
l'étincelle ne jaillira plus. Dans l'air sec, à la pression atmosphérique, cette tension est de l'ordre
de 3 000 Volts, mais le mélange gazeux est comprimé et la résistance au passage de l'étincelle croît
à peu à près proportionnellement à la pression des gaz. La pression en fin de compression étant de l'ordre
de 8 à 10 kg/cm2, la tension nécessaire est d'environ 10 000 Volts.
Pour être certain que l'étincelle jaillisse même dans des conditions défavorables
(surpression accidentelle, électrodes trop écartées), la tension aux bornes de la bougie atteint généralement
15 000 Volts.
B. Principe d'un appareil d'allumage.
a) Organisation.
On dispose sur le véhicule d'une source de courant à basse tension et on l'élève
grâce à une bobine d'induction.
Un appareil d'allumage est toujours organisé d'après le schéma suivant (fig.
128). On peut distinguer deux circuits, nettement séparés du point de vue électrique:
1. Le circuit primaire dans lequel on trouve:
-
un générateur de courant à basse tension : batterie d'accumulateurs
ou source de courant alternatif (magnéto à basse tension). La force électromotrice de ce générateur
est comprise entre 6 et 30 Volts
-
l'enroulement primaire d'un transformateur qui joue en même temps le rôle
de bobine d'induction.
-
un rupteur ou interrupteur formé essentiellement de deux contacts ou vis
platinées qui peuvent se séparer à l'instant convenable et interrompre le courant primaire.
Le circuit primaire est toujours complété par un condensateur et un interrupteur
permettant l'arrêt du moteur.
2. Le circuit secondaire composé de l'enroulement secondaire du transformateur
et d'une bougie entre les électrodes de laquelle le courant à haute tension passe sous forme d'étincelle.
b) Fonctionnement
Le rupteur étant fermé, le circuit primaire est parcouru par un courant supposé
pour l'instant constant et continu. Le passage du courant dans l'enroulement primaire provoque la création
d'un champ magnétique et par suite d'un flux magnétique constant dans le circuit secondaire.
L'ouverture du rupteur détermine l'annulation du courant primaire et par suite
du flux magnétique dans le circuit secondaire. Le circuit secondaire étant soumis à une variation de
flux est le siège d'un courant induit.
Si l'enroulement secondaire a N spires, la différence de potentiel entre les
extrémités du circuit secondaire a pour valeur :
Soit i l’intensité du courant primaire
n le nombre de spires de l’enroulement primaire
l la longueur de l’enroulement
Le champ magnétique H produit par le passage du courant primaire a pour valeur
On peut arriver au même résultat en observant que la force électromotrice du
générateur de courant est élevée par l'application simultanée de deux procédés :
- création d'un courant d’auto-induction dans l'enroulement primaire par ouverture
rapide du circuit primaire.
- Elévation de la tension du courant d’auto-induction par un transformateur.
La différence de potentiel due au courant d’auto-induction entre les extrémités
du circuit primaire a pour valeur :
Les tensions aux extrémités des enroulements primaire et secondaire et le nombre
de spires de ces enroulements sont reliés par:
Cette expression de la différence de potentiel aux extrémités
de l'enroulement secondaire est identique à la relation (1).
C. Réalisations des conditions de l'étincelle
a) Instant convenable.
La rupture du circuit primaire détermine le jaillissement de l'étincelle entre
les électrodes de la bougie.
Il suffit que cette rupture ait lieu au moment voulu : elle est commandée
par une came provoquant l'écartement des vis platinées et convenablement calée par rapport à l'arbre
moteur.
La variation d'avance à l'allumage en fonction de la vitesse de rotation et
du remplissage peut être obtenue de différentes manières :
-
La variation en fonction de la vitesse de rotation est souvent réalisée
par un dispositif à force centrifuge intercalé entre arbre moteur et came de commande, qui permet
d'obtenir un décalage entre ces deux organes en fonction de la vitesse,
-
Les dispositifs de variation automatique en fonction du remplissage ne sont
montés que d'une manière exceptionnelle et uniquement sur les appareils d'allumage par batterie.
-
On signalera enfin l'emploi, dans certains cas, de dispositifs non automatiques
commandés directement par le conducteur.
-
Ces réalisations seront étudiées plus loin.
b) Etincelle suffisante.
La différence de potentiel entre les extrémités de l'enroulement secondaire
doit être de l'ordre de 15 000 Volts; on a vu que cette différence de potentiel était donnée
par la relation:
Les différents facteurs de cette relation sont :
Influence de di/dt : Il faut réaliser la plus grande
variation d'intensité di, dans le temps dt le plus court possible.
On examinera plus loin la question du temps.
On part d'une valeur i0 la plus grande possible pour aboutir
à la valeur zéro, lorsque le circuit primaire est coupé.
L'intensité avant la rupture i0 dépend de ,la force électromotrice
du générateur à basse tension: 6 à 12 Volts pour une batterie, jusqu'à 30 Volts pour une magnéto
tournant à grande vitesse. Elle dépend également de la résistance du circuit primaire, en fait de l'enroulement
primaire qui doit être peu résistant, donc constitué par un fil de faible longueur et d'assez grosse
section. i0 ne peut cependant atteindre une valeur trop importante. Sa valeur maximum possible est déterminée
par l'intensité que peut supporter l'enroulement primaire sans échauffement exagéré et surtout par l'intensité
que peuvent laisser passer sans détérioration les contacts de rupture.
On ne peut songer, pour élever la limite de l'intensité acceptable aux contacts,
à renforcer la pression entre ces contacts : le rupteur travaillerait dans des conditions mécaniques
trop dures.
Il n'est pas non plus possible d'augmenter la surface utile des contacts au-delà
des valeurs couramment choisies dans l'industrie, car la portée deviendrait irrégulière et peu sûre.
On admet en fait avec des contacts circulaires de tungstène de 3 à 4 mm de
diamètre une intensité maximum de 3 à 5 ampères.
Influence de S : On est limité, car la valeur de
S détermine la longueur de chaque spire. La résistance de l'enroulement primaire deviendrait trop élevée.
La section du noyau est de 1 à 2 cm².
Influence de n/l : L'accroissement de ce facteur
suppose un grand nombre de spires au centimètre et une bobine assez longue par rapport à son diamètre.
Ceci n'est admissible que si l'intensité du courant primaire conserve une valeur suffisante. Le nombre
de spires de l'enroulement primaire est de l'ordre de 200 à 300. La longueur de la bobine n'excède pas
quelques centimètres, et le rapport n/l est voisin de 50.
Influence de µ : La perméabilité n'est pas indépendante du champ;
pour des champs de l'ordre de 200 Gauss, valeur approximative du champ produit par le passage du courant
dans l'enroulement primaire, la perméabilité du fer recuit a une valeur voisine de 100.
Influence de N : Le nombre de spires de l'enroulement secondaire peut
être élevé, la résistance de ce circuit ayant peu d'importance. II suffit que le fil ne soit pas trop
fin pour ne pas chauffer, cette condition est aisément satisfaite, l'intensité du courant secondaire
étant extrêmement faible. Dans ces conditions l'enroulement secondaire est constitué par un fil fin et
long: 15:000 à 20.000 spires de fil de 0,1 mm.
Influence du temps : L'enroulement primaire est le siège au moment
de l'ouverture du circuit de phénomènes d’auto-induction. L'ouverture brusque du rupteur annule le flux
dans l'enroulement primaire, cette variation de flux fait naître dans les spires de l'enroulement primaire
un courant induit ou extra-courant de rupture. Ce courant s'oppose à l'ouverture du circuit (augmentation
de dt) et se manifeste aux contacts sous forme d'étincelles.
La variation de l'intensité du courant primaire en fonction du temps peut être
représentée par la courbe ci-contre fig. 129.
Pour éviter ces inconvénients on monte en parallèle sur le rupteur un condensateur,
appareil susceptible d'emmagasiner une quantité d’électricité. A l'ouverture des vis platinées, le condensateur
se charge très rapidement, l'étincelle entre contacts se trouve ainsi absorbée et la différence de potentiel
atteint une valeur assez élevée. Mais la charge du condensateur est oscillante : une fois chargé
il restitue au circuit primaire une partie de cette charge, ce nouveau courant primaire produit une nouvelle
variation de flux qui engendre un courant dans le circuit secondaire. Le condensateur se charge à nouveau,
se déchargeant ensuite et ainsi jusqu'à l'équilibre.
Chacun de ces courants, de charges ou de décharges successifs produit une étincelle
à la bougie. L'étincelle unique due à la rupture du circuit primaire est remplacée par un train d'étincelles.
D'autre part, les charges et décharges successives ont lieu dans un temps très court (Fig. 130);
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