bts ava - 2 ème année systèmes d'injection essence régulation de richesse thierry cabantous...

BTS AVA - 2BTS AVA - 2èmeème Année Année

Systèmes d'injection Essence

Régulation de richesse

Thierry CABANTOUS Lycée Fernand Léger

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

Systèmes d’injection Essence


Plan de la séancePlan de la séance

Présentation du système de régulation de richessePrésentation du système de régulation de richesse

Principe de l’injection d’essence

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. air

essence

m

md

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 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 :

1,15

1

sair

essences m

md


Dosage Stœchiométrique

Il faut injecter exactement

1 gramme d’essence ( C7H16 )

Lorsque le moteur aspire

15,1 grammes d’air

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

Excès d’air

Combustion incomplète

Combustion complète

Excès d’essence

Combustion incomplète

> 1 r < 1Mélange pauvre

= 1 r = 1Mélange stoechiométrique

< 1 r > 1 Mélange riche

Fonctionnement du moteur

Coefficient d’airRichesse

s

réel

ddr

r1

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 ».


Les produits de la combustion

Air sec (% en volume, gaz

rares négligés)

Oxygène : 21 % O2

Azote : 79 % N2

Une mole d’air : O2 + 3,76 N2

Carburant idéal Cn H2(n+1)

Heptane, sans plomb

Une mole d’Heptane : C7 H16

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)

Combustion réelle (incomplète), dosage

non stoechiométrique

Produits polluants avant catalyse

Monoxyde de carbone CO

Oxydes d’azote NOX

Imbrûlés HC

Produits non "polluants" CO2, H20, N2, O2

Produits de la combustion après catalyse

(taux de conversion idéal du catalyseur de 100%)


Emission des polluants en fonction de la richesse

0,7 0,8 0,9 1,2 0,96 1 1,04

0,8

1,5

CO %

0,5

Richesse

CO HC NO X

A Instabilité

1,1

AVANT CATALYSE

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.

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.

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

Lorsque la richesse est inférieure à 0,85.

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.


Emission des polluants en fonction de la richesse

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).

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).

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).

Lorsque la richesse augmente (mélange riche)

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.

Polluants ( % )

Richesse

0.8 0.9 1 1.1 1.2

NOx CO

HC

Efficacité maximum du pot catalytique

Efficacité maximum de dépollution du catalyseur

Réalisation matérielle du systèmeRéalisation matérielle du système

Le pot catalytique

Pot catalytique et sonde lambda sous collecteur


Le pot catalytique

1

2

3

4

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)

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.


Le pot catalytique

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).

Catalyse sous plancherCatalyse sous collecteur


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


Mode d’action du catalyseur 3 voies

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).

Oxydation du COOxydation du CO

CO + 1/2 OCO + 1/2 O2 2

Oxydation des HCOxydation des HC

2 HC + 5/2 O2 HC + 5/2 O2 2

Réduction des NORéduction des NOXX

NO + ONO + O22

CO + NO CO + NO

CO , HC , NOCO , HC , NO

CONDITIONS DE FONCTIONNEMENTCONDITIONS DE FONCTIONNEMENT

Mélange air + essence stœchiométrique (r = 1)Mélange air + essence stœchiométrique (r = 1)

TTgazgaz > 300°C (amorçage du catalyseur) > 300°C (amorçage du catalyseur)

cache

COCO22

2 CO2 CO2 2 + H+ H22OO

uction des NOX

1/2 N1/2 N22 + 3/2 O + 3/2 O22

COCO22 + 1/2 N + 1/2 N22

REACTIONS CHIMIQUES BILANSREACTIONS CHIMIQUES BILANS

Cette contrainte technologique impose un dispositif précis de régulation de la richesse


La sonde lambda

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.

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.


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

1 2 3 4 5

6 7 8 9 10


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.

Gaz d'échappement

Peu ou pas d'oxygène Oxygène

Air ambiant

Electrodes de platine

e

Ions d'oxygène

Céramique

Cette différence de potentiel constitue le signal électrique (0,1 ou 0,9 Volts) transmis au calculateur


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


Câblage de la sonde lambda au calculateur

CALCULATEUR

Info

2

1 4 3

Info

+ 12 V

4V

1 - Alimentation de la résistance CTP

2 - Masse de la résistance CTP

3 - Électrode négative (face externe)

4 - Électrode positive (face interne)

1 2 3 4


Modélisation de la régulation de richesse

Cache

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).

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)

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 comparateur calcule en permanenceLe comparateur calcule en permanence

la différence de tension la différence de tension = Uc = Uc - Um - Um


Stratégies de la régulation de richesse

La correction intégrale 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 proportionnelleproportionnelle 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.

Coefficient multiplicatif du temps d’injection

Signal sonde (mV)

100 mV Pauvre

900 mV Riche

Référence 500 mv

Temps

Temps

Correction intégrale

Correction proportionnelle

Enrichissement

Appauvrissement

Enrichissement

100 mV Pauvre

En boucle fermée, Il existe deux

types de corrections de richesse

- La correction Intégrale

- La correction Proportionnelle

Le calculateur corrige le temps

d'injection en fonction du signal

de sortie de la sonde lambda.

Présentation des TP sur véhiculesPrésentation 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

TP "Réparation"

Objectifs : - Etre capable de contrôler, de faire le diagnostic, et de

remplacer une sonde lambda sur véhicule.

- 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

Guide de travail :


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).

- 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.

Guide de travail :


Objectifs et Guide de travail

Synthèse des TP sur véhiculesSynthèse des TP sur véhicules





Acquisitions Synchronie

Tension de sortie de la sonde lambda en mélange riche (durite de retour d’essence pincée)



Tension de sortie de la sonde lambda en mélange pauvre (durite d'arrivée d’essence pincée)



Tension de sortie de la sonde lambda avec un injecteur débranché On observe un "trou" de richesse exactement tous les 2 tours

Mise en commun des résultats de TP et analyse

des relevés Synchronie effectués sur les

véhicules


Résultats obtenus

Questions complémentaires …

Notes personnelles …

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