Régulation de Richesse

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.
messence
d 
mair
Dosage stœchiométrique :
Le
dosage
théorique
stœchiométrique
permettant
une
correspond
combustion
au
dosage
complète
de
l’essence dans l’air. L’équation chimique de la combustion
de l’heptane (C7 H16) dans l’air donne :
m

1
d s   essence  
15,1
 mair  s
Présentation du système de régulation de richesse
Dosage Stœchiométrique
Lorsque le moteur aspire
Il faut injecter exactement
15,1 grammes d’air
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
Présentation du système de régulation de richesse
La richesse et le coefficient d’air
Fonctionnement du moteur
Richesse
Coefficient d’air
r  dréel
ds
 1
r
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
Air sec (% en volume, gaz
rares négligés)
Oxygène :
21 % O2
Azote :
79 % N2
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)
Une mole d’air : O2 + 3,76 N2
Carburant idéal Cn H2(n+1)
Combustion réelle (incomplète), dosage
non stoechiométrique
Heptane, sans plomb
Produits polluants avant catalyse
Une mole d’Heptane : C7 H16
Monoxyde de carbone CO
Oxydes d’azote NOX
Imbrûlés HC
Produits de la combustion après catalyse
(taux de conversion idéal du catalyseur de 100%)
Produits non "polluants" CO2, H20, N2, O2
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.
A
Instabilité
CO %
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.
HC
NO X
Le CO atteint un niveau très bas (excès d’air), les HC
augmentent (imbrûlés) en raison de phénomènes
d’extinction de flamme.
CO
Lorsque la richesse augmente de 1 à 1,2
1,5
Le CO et les HC augmentent fortement en raison d’une
combustion incomplète (mélange riche).
0,8
0,5
0,7
0,8
0,9
0,96
1
1,04
1,1
1,2 Richesse
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
Polluants
(%)
Lorsque la richesse diminue (mélange pauvre)
Les NOX augmentent fortement en raison de l’élévation
de la température de la combustion (excès d’air).
Efficacité maximum
du pot catalytique
Les CO et les HC atteignent un très faible niveau (faible
taux d’imbrûlés).
CO
NOx
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).
HC
Efficacité maximum de dépollution du catalyseur
Richesse
0.8
0.9
1
1.1
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).
1.2
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.
2
1
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)
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
CO , HC , NO
cache
REACTIONS CHIMIQUES BILANS
Oxydation du CO
CO + 1/2 O2

CO2
Oxydation des HC
2 HC + 5/2 O2 
2 CO2 + H2O
Réduction des NOX uction des NOX
CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT
NO + O2

1/2 N2 + 3/2 O2
CO + NO

CO2 + 1/2 N2
 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
1
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-
3
2
4
5
Cache
9
8
7
6
Tube de protection avec fente (entrée des gaz d'échappement)
Culot de la sonde
Enveloppe protectrice (sertissage non étanche à l’air extérieur)
Isolateur
Fil électrique (signal sonde  calculateur)
Fils de réchauffe de la sonde (+ APC et masse)
Contacteurs électriques
Résistance chauffante CTP (4,5 Ohms)
Support en céramique
Céramique poreuse + électrodes de platine externe et interne
Réalisation matérielle du système
Fonctionnement de la sonde lambda
Cache
Electrodes
de platine
e
Air ambiant
Gaz
d'échappement
Oxygène
Peu ou pas
d'oxygène
Céramique
Ions d'oxygène
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
CALCULATEUR
2 - Masse de la résistance CTP
3 - Électrode négative (face externe)
Info Info
4 - Électrode positive (face interne)
+ 12 V
1
2
4
3
4V
4
3
2
1
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
Coefficient
multiplicatif
du temps
d’injection
Enrichissement
Enrichissement
Correction intégrale
Le calculateur corrige le temps
d'injection en fonction du signal
Appauvrissement
Correction
proportionnelle
de sortie de la sonde lambda.
Temps
Signal
sonde
(mV)
En boucle fermée, Il existe deux
900 mV
Riche
100 mV
Pauvre
types de corrections de richesse
Référence 500 mv
- La correction Intégrale
100 mV
Pauvre
- La correction Proportionnelle
Temps
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.
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 "Acquisitions Synchronie"
: - Citroën Saxo
- Peugeot 406
2 postes de TP "Réparation"
:
- Peugeot 306
- Peugeot 307
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
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.
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
Résultats obtenus
Mise en commun des résultats de TP et analyse des
relevés Synchronie effectués sur les véhicules
Questions complémentaires …
Notes personnelles …