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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
Régulation de richesse
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
Présentation du système de régulation de richessePrésentation du système de régulation de richesse
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
Présentation du système de régulation de richessePrésentation du système de régulation de richesse
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 ».
Présentation du système de régulation de richessePrésentation du système de régulation de richesse
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%)
Présentation du système de régulation de richessePrésentation du système de régulation de richesse
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.
Présentation du système de régulation de richessePrésentation du système de régulation de richesse
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
Réalisation matérielle du systèmeRéalisation matérielle du système
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.
Réalisation matérielle du systèmeRéalisation matérielle du système
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
Réalisation matérielle du systèmeRéalisation 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 systèmeRéalisation matérielle du système
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
Réalisation matérielle du systèmeRéalisation matérielle du système
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.
Réalisation matérielle du systèmeRéalisation 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
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10
Réalisation matérielle du systèmeRéalisation 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.
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
Réalisation matérielle du systèmeRéalisation 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 systèmeRéalisation matérielle du système
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
Réalisation matérielle du systèmeRéalisation matérielle du système
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
Réalisation matérielle du systèmeRéalisation matérielle du système
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
BTS AVA - 2BTS AVA - 2èmeème Année Année
Systèmes d'injection Essence
Régulation de richesse
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 :
Présentation des TP sur véhiculesPrésentation 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).
- 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 :
Présentation des TP sur véhiculesPrésentation des TP sur véhicules
Objectifs et Guide de travail
Synthèse des TP sur véhiculesSynthèse des TP sur véhicules
BTS AVA - 2BTS AVA - 2èmeème Année Année
Systèmes d'injection Essence
Régulation de richesse
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)
Synthèse des TP sur véhiculesSynthèse 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 véhiculesSynthèse 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
Mise en commun des résultats de TP et analyse
des relevés Synchronie effectués sur les
véhicules
Synthèse des TP sur véhiculesSynthèse des TP sur véhicules
Résultats obtenus
Questions complémentaires …
Notes personnelles …