Systèmes d'Allumage Automobile : Types, Fonctionnement et Composants

Systèmes d'Allumage : Comparaison

Comparaison des systèmes d'allumage.

Allumage Classique

Offre une bonne performance pour des exigences normales (capable de générer jusqu'à 20 000 étincelles par minute, c'est-à-dire qu'il peut répondre aux exigences d'un moteur 4 cylindres jusqu'à 10 000 tr/min, mais peut poser plus de problèmes sur les moteurs 6 et 8 cylindres). La mise en œuvre technique du rupteur, soumis à de fortes charges par le passage du courant électrique à travers la bobine primaire, est un compromis entre le comportement de commutation à faible vitesse de rotation et un rebond de contact à grande vitesse. Les altérations dues à la condensation de l'eau, la saleté, la combustion, etc., réduisent considérablement la tension disponible.

Allumage Électronique Assisté

Il y a une tension plus élevée disponible à la bougie, en particulier à des vitesses élevées du moteur. Grâce à un faible rebond des contacts du rupteur, ce système peut fonctionner sans interruption jusqu'à 24 000 étincelles par minute. Le rupteur n'est pas soumis à de lourdes charges de puissance, de sorte que sa durée de vie est beaucoup plus grande, ce qui réduit la maintenance et le dépannage de ce type d'allumage. Le condensateur est supprimé.

Allumage Électronique Sans Contact

Ces modèles répondent à des exigences encore accrues. Le rupteur est remplacé par un générateur d'impulsions (« inductif » ou « effet Hall ») qui est sans entretien. Le nombre d'étincelles est de 30 000. En raison de la faible impédance des bobines utilisées, la montée de la haute tension est plus rapide et, par conséquent, la tension d'allumage est moins sensible aux fils électriques.

Allumage Électronique Intégral

En se débarrassant des systèmes mécaniques de correction de l'avance à l'allumage par l'application de composants électroniques, on obtient des courbes d'avance plus précises, qui peuvent être ajustées précisément, se conformant pleinement aux lois anti-pollution. L'entretien de ces systèmes est pratiquement nul.

Allumage Électronique et Injection

Dans les systèmes actuels d'injection électronique de carburant, l'allumage électronique intégral est souvent combiné, utilisant de nombreux capteurs communs et une seule unité de contrôle électronique (UCE) pour gérer les deux systèmes. Parmi ces systèmes, on trouve ceux qui utilisent encore le distributeur et ceux qui l'ont entièrement supprimé (allumage électronique statique DIS).

Allumage à Décharge Capacitive

Ce système s'applique aux moteurs fonctionnant à haut régime avec des bougies haute tension. La montée extrêmement rapide de la tension rend le système moins sensible aux fils électriques. Mais l'étincelle est très courte.

Classement BOSCH des Systèmes d'Allumage

Le fabricant BOSCH opère un classement particulier de ses systèmes d'allumage :

SZ

Bobine d'allumage

TZ

Transistor de puissance

EZ

Allumage électronique

VZ

Allumage entièrement électronique

Voici une comparaison des fonctions selon ces types :

• Initiation : SZ (Mécanique), TZ (Électronique), EZ (Électronique), VZ (Électronique)
• Détermination de l'angle d'allumage (vitesse/charge) : SZ (Mécanique), TZ (Mécanique), EZ (Électronique), VZ (Électronique)
• Génération de la haute tension (bobine) : SZ (Inductif), TZ (Inductif), EZ (Inductif), VZ (Inductif)
• Distribution de l'étincelle (distributeur) : SZ (Mécanique), TZ (Mécanique), EZ (Mécanique), VZ (Électronique)
• Mise en œuvre (standard) : SZ (Mécanique), TZ (Électronique), EZ (Électronique), VZ (Électronique)

Qu'est-ce que le Circuit d'Allumage ?

Le circuit d'allumage, utilisé dans les moteurs à essence, est chargé de générer une étincelle électrique dans les cylindres pour provoquer la combustion du mélange air-carburant au moment opportun. L'élément chargé de générer une tension élevée pour provoquer l'étincelle électrique est la bobine. La bobine est un transformateur qui convertit la tension de la batterie (12 V) en une haute tension de l'ordre de 12 000 à 15 000 V. Une fois la haute tension générée, elle nécessite une distribution à chacun des cylindres au moment opportun, en tenant compte du fait que les moteurs multicylindres fonctionnent selon un cycle avec un ordre d'allumage donné pour chaque cylindre (ordre d'allumage typique pour un moteur 4 cylindres : 1-3-4-2). L'élément chargé de distribuer la haute tension est le « distributeur » ou « Delco ». La haute tension génère des étincelles électriques au sein de chaque cylindre grâce à un élément appelé « bougie ». Il y a autant de bougies que de cylindres dans le moteur.

La Bobine d'Allumage

Concernant la bobine, il y a peu à dire car c'est un élément qui pose rarement problème et qui, en cas de défaillance, est remplacé (pas de réparation possible). La bobine d'allumage n'est rien d'autre qu'un transformateur électrique qui convertit la tension de la batterie en une impulsion haute tension qui fait jaillir l'étincelle entre les électrodes de la bougie.

La bobine est composée d'un noyau de fer en forme de barre, constitué de tôles magnétiques, sur lequel est enroulé le secondaire, comprenant plusieurs milliers de tours de fil de cuivre fin (entre 15 000 et 30 000), correctement isolé de lui-même et du noyau. Autour de cet enroulement est enroulé le primaire, constitué de plusieurs centaines de tours de fil épais, isolé du secondaire. Le rapport entre le nombre de spires des deux enroulements (primaire et secondaire) est compris entre 60 et 150.

L'ensemble, constitué des deux enroulements et du noyau, est entouré par une plaque magnétique et rempli d'une masse isolante, de manière à maintenir l'ensemble parfaitement à l'intérieur du boîtier métallique de la bobine. En règle générale, ils sont immergés dans un bain d'huile à haute rigidité diélectrique, qui agit comme isolant et refroidisseur.

Bien que pratiquement toutes les bobines soient similaires, il existe des caractéristiques spéciales. L'une d'elles possède deux enroulements primaires. L'un des enroulements (enroulement primaire auxiliaire) est utilisé uniquement pendant le démarrage ; une fois le moteur démarré, cet enroulement est coupé. Ce système est utilisé pour compenser la chute de tension qui se produit lors du démarrage, lorsque le démarreur consomme beaucoup de courant. L'enroulement primaire auxiliaire est utilisé au moment du démarrage, mis en circuit par l'interrupteur (I) (contact d'allumage), ce qui augmente le champ magnétique et donc la tension sur l'enroulement secondaire de la bobine. Une fois le moteur démarré, au moment où l'on relâche la clé de contact, l'interrupteur (I) s'ouvre et se déconnecte de l'enroulement primaire auxiliaire, ne laissant que l'enroulement primaire principal.

Pour atténuer les effets de la chute de tension lors du démarrage, certaines bobines possèdent une résistance (R) en série avec l'enroulement primaire, qui est court-circuitée au moment du démarrage et remise en service une fois le moteur démarré.

Le Distributeur (Delco)

Le distributeur, également appelé Delco, a évolué avec les systèmes d'allumage, mais tend à disparaître dans les systèmes les plus récents. Dans les systèmes d'allumage par rupteur, il est le plus complexe et remplit plusieurs fonctions :

En plus de distribuer la haute tension comme son nom l'indique, il contrôle la coupure de courant dans l'enroulement primaire via le rupteur, ce qui génère la haute tension. Il remplit également la mission d'avancer ou de retarder le point d'allumage dans les cylindres grâce à un « régulateur centrifuge » qui agit en fonction du régime moteur, et à un « correcteur à dépression » qui agit en combinaison avec le régulateur centrifuge en fonction de la charge du moteur (c'est-à-dire la position de la pédale d'accélérateur). Le distributeur (Delco) est entraîné par l'arbre à cames, tournant à la moitié de la vitesse du vilebrequin. L'entraînement du distributeur n'est pas toujours le même ; souvent, le mouvement est transmis par un engrenage hélicoïdal, plaçant le distributeur en position verticale par rapport à l'arbre à cames (à droite). Dans d'autres cas, le distributeur est entraîné directement par l'arbre à cames sans transmission, le plaçant en position horizontale (figure ci-dessous).

Détails sur les Types de Systèmes

Allumage Électronique Assisté

L'allumage conventionnel par rupteur bénéficie de l'application de l'électronique dans le monde de l'automobile, évitant ainsi les inconvénients du rupteur : ratés d'allumage à haut régime et usure prématurée des contacts, nécessitant des passages fréquents à l'atelier. Ce type d'allumage est appelé « allumage électronique assisté » (à droite). Le rupteur n'est plus chargé de couper le courant dans la bobine ; cette fonction est assurée par un transistor (T). Le rupteur n'a qu'une fonction de commande, de sorte qu'il ne nécessite pas de passages aussi fréquents à l'atelier. Le condensateur n'est plus nécessaire et est supprimé. Les problèmes à haut régime sont améliorés dans une certaine mesure, mais il arrive un moment où les contacts du rupteur rebondissent, provoquant des ratés habituels.

Allumage Électronique Sans Contact

Un développement important du distributeur (Delco) est venu de la substitution du « rupteur », élément mécanique, par un « générateur d'impulsions », qui est un élément électronique. Avec ce type de distribution, on a réalisé un système appelé « allumage électronique sans contact », comme indiqué dans le schéma ci-dessous.

Le distributeur équipé d'un « générateur d'impulsions » est similaire à celui utilisé dans les systèmes d'allumage classique, c'est-à-dire avec les éléments de correction du point d'allumage (« régulateur centrifuge » et « correcteur à dépression ») et la plupart des éléments constructifs. La différence fondamentale réside dans le remplacement du rupteur par un générateur d'impulsions et la suppression du condensateur.

Types de Générateurs d'Impulsions

Générateur d'Impulsions Inductif

Le générateur d'impulsions inductif est l'un des plus utilisés dans les systèmes électroniques. Il est situé dans le distributeur, remplaçant le rupteur. Le signal électrique généré est envoyé à l'unité électronique qui gère la coupure de courant dans l'enroulement primaire de la bobine pour générer la haute tension envoyée aux bougies. Le générateur d'impulsions est constitué d'un rotor à pales, en acier magnétique, qui lors de sa rotation produit une variation du flux magnétique d'un aimant permanent, induisant ainsi une tension dans la bobine qui est envoyée à l'unité électronique. La roue à pales a autant de lames que de cylindres moteur, et à mesure qu'une lame s'approche de la bobine d'induction, la tension monte de plus en plus rapidement jusqu'à atteindre sa valeur maximale lorsque la bobine et la lame sont alignées (+V). Lorsque la lame s'éloigne, la tension change très rapidement et atteint sa valeur maximale négative (-V). Ce changement de tension se produit de manière dynamique et est généré dans le distributeur avant d'être envoyé à l'unité électronique. Lorsque les pales de la roue ne sont pas alignées avec la bobine, aucune induction ne se produit.

Générateur d'Impulsions à Effet Hall

Le générateur d'impulsions à « effet Hall » est basé sur l'interruption périodique d'un champ magnétique. Il génère un signal électrique envoyé à l'unité de commande électronique qui détermine le point d'allumage.

Ce générateur est constitué d'une partie fixe comprenant un circuit intégré à effet Hall et un aimant permanent. La partie mobile du générateur est constituée d'un tambour obturateur, qui possède une série d'écrans (ou volets) correspondant au nombre de cylindres du moteur. Lorsqu'un écran (volet) se trouve dans l'entrefer, il interrompt le champ magnétique, empêchant celui-ci d'atteindre le circuit intégré. Lorsque l'écran (volet) quitte l'entrefer, le champ magnétique est détecté par le circuit intégré. À ce moment, l'allumage se produit. La largeur de l'écran détermine le temps de conduction de la bobine.

Pour distinguer si un distributeur utilise un générateur d'impulsions « inductif » ou à « effet Hall », il suffit de regarder le nombre de fils reliant le distributeur à l'unité de contrôle électronique (UCE). S'il n'y a que deux fils, il s'agit d'un générateur d'impulsions « inductif ». S'il y a trois fils, il s'agit d'un générateur d'impulsions à « effet Hall ».

Pour le bon fonctionnement du générateur d'impulsions, il faut vérifier l'entrefer (distance entre la partie fixe et mobile) qui doit toujours maintenir la distance recommandée par le fabricant.

Allumage Électronique Intégral

Dans ce système amélioré, le distributeur évolue encore : les éléments de correction de l'avance à l'allumage (régulateur centrifuge et correcteur à dépression) et le générateur d'impulsions disparaissent, étant remplacés par des composants électroniques. Le rôle du distributeur dans ce type d'allumage est limité à la distribution, comme son nom l'indique, de la haute tension de la bobine à chaque bougie.

Le type de système d'allumage que l'on trouve aujourd'hui est appelé « allumage électronique intégral ». Ses caractéristiques intéressantes par rapport aux systèmes précédents sont :

Composants Clés

Capteur de Régime Moteur (Roue Dentée)

Il se compose d'une roue dentée (couronne) couplée au vilebrequin (souvent près du volant moteur) et d'un capteur magnétique placé en face. Il détecte ainsi la vitesse de rotation du moteur. La roue possède une dent manquante (ou un repère spécifique) qui sert de référence. Ce repère, situé à un angle précis (par exemple 90°) avant le Point Mort Haut (PMH) de référence, génère un signal spécifique qui indique à l'unité de contrôle électronique (UCE) la position angulaire du vilebrequin et permet de synchroniser l'allumage.

Capteur de Dépression

Sa fonction est de transformer la valeur de la dépression présente dans le collecteur d'admission en un signal électrique envoyé et interprété par l'unité de contrôle électronique. Sa constitution est similaire à celle utilisée dans les distributeurs (correcteur à dépression), la différence est que son fonctionnement est désormais basé sur un capteur électronique (par exemple, un capteur de pression absolue MAP) dont le signal varie en fonction de la dépression.

L'Unité de Contrôle Électronique (UCE)

L'unité de contrôle de l'allumage électronique intégral reçoit les signaux du capteur de régime moteur pour déterminer le nombre de tours/minute et la position du vilebrequin (PMH). Elle reçoit également les signaux du capteur de dépression pour connaître la charge du moteur. En plus de ces signaux, elle prend en compte la température du moteur via un capteur de température du liquide de refroidissement et la température de l'air d'admission via un autre capteur. Avec toutes ces informations, l'UCE calcule le point d'avance à l'allumage optimal.

Capteur de Cliquetis

Certains de ces systèmes incluent un capteur de cliquetis, installé près des chambres de combustion, capable de détecter le début du cliquetis. Lorsque le couple est élevé (par exemple en montée) et le régime moteur faible, une avance à l'allumage excessive peut provoquer une détonation, souvent appelée à tort « cliquetis » (bruit de bielle). Pour corriger ce phénomène, l'UCE réduit l'avance à l'allumage en adoptant une courbe d'avance inférieure. Le capteur de cliquetis est un microphone qui génère une faible tension lorsque le matériau piézo-électrique qu'il contient se déforme sous l'effet des vibrations causées par la détonation du mélange dans le cylindre.

Allumage Électronique et Injection

Les systèmes actuels d'injection électronique de carburant sont souvent combinés avec un allumage électronique intégral, utilisant de nombreux capteurs communs et une seule unité de contrôle électronique (UCE) pour gérer les deux systèmes.

Il existe deux types d'allumage électronique intégré : celui avec distributeur (figure ci-dessous à gauche), où l'UCE détermine le moment de l'étincelle et le distributeur l'envoie à la bougie appropriée selon l'ordre d'allumage ; et l'allumage électronique statique (DIS - Distributorless Ignition System), qui supprime le distributeur. Le système d'allumage DIS (figure ci-dessous à droite) utilise souvent une bobine double avec quatre sorties haute tension.

Légende (Exemple de Schéma)

• 1 - UCE
• 2 - Bobine
• 3 - Distributeur (Delco)
• 4 - Bougies
• 5 - Amplificateur
• 6 - Bobine double avec 4 sorties

L'Amplificateur

L'amplificateur a pour fonction d'amplifier le signal de commande envoyé par l'UCE à la bobine.

Bobine Double et Bobines Individuelles

L'utilisation de ce type de bobine double présente l'inconvénient de l'étincelle « perdue ». Comme ces bobines génèrent une étincelle pour deux cylindres simultanément (un en phase d'allumage, l'autre en phase d'échappement), l'étincelle « perdue » peut provoquer une explosion dans le collecteur d'admission ou d'échappement dans les moteurs avec un grand croisement de soupapes.

Pour éviter ce problème, on utilise une bobine par cylindre (voir figure ci-dessous), toutes contrôlées par l'UCE. Ce système a aussi l'avantage d'éliminer les câbles haute tension reliant les bobines aux bougies.

Les Bougies d'Allumage

Pour conclure cet article, abordons les bougies d'allumage. Cet élément est responsable de la création de l'étincelle électrique entre ses électrodes pour enflammer le mélange air-carburant dans la chambre de combustion du cylindre moteur. La partie la plus importante des bougies d'allumage sont les électrodes, qui sont soumises à toutes les influences chimiques et thermiques de la chambre de combustion, affectant significativement la qualité de l'étincelle et donc la combustion. Pour protéger les électrodes des conditions défavorables dans lesquelles elles travaillent et ainsi prolonger leur durée de vie, on utilise dans leur fabrication des alliages spéciaux à base de nickel, de manganèse, de silicium et de chrome, dans le but d'élever leur limite de température de travail.

Gamme Thermique des Bougies

La gamme thermique des bougies est leur caractéristique la plus importante. Elle est fonction de la conductivité thermique de l'isolant et des électrodes, et dépend aussi de la conception de l'isolant (longueur et forme de la partie inférieure, près des électrodes). La gamme thermique des bougies devrait être d'autant plus élevée que la puissance spécifique (par litre de cylindrée) du moteur est importante.

Selon leur gamme thermique, les bougies sont divisées en :

Bougie Froide

La bougie froide (ou à haute gamme thermique) est formée d'un isolant généralement court et épais à la base, afin que la dissipation de chaleur soit réalisée plus rapidement. Elle est utilisée dans les moteurs à compression élevée (supérieure à 7:1) et à haut régime.

Bougie Chaude

La bougie chaude (ou à basse gamme thermique) possède un isolant long et fin, évacuant la chaleur plus lentement. Elle est utilisée dans les moteurs à faible compression (inférieure à 7:1) et à bas régime.

Cependant, cette classification simple (chaude/froide) n'est plus suffisante aujourd'hui, car les moteurs modernes fonctionnent dans des conditions très variées : circulation urbaine (bas régime, arrêts fréquents) ou conduite sur route (régime élevé, vitesse constante). Il a donc fallu élargir la plage de fonctionnement thermique pour obtenir des bougies performantes dans toutes les conditions. C'est l'origine des bougies « multigrade », couvrant une large gamme thermique.

En examinant l'état et la couleur des électrodes d'une bougie démontée, on peut obtenir des informations sur les conditions de fonctionnement du moteur (par exemple, consommation excessive d'huile, avance à l'allumage incorrecte, etc.).

Types de Bougies

Types de Bougies :

Bougies Standard

Les électrodes dépassent du corps de la bougie. Elles offrent un bon contact avec le mélange et une bonne résistance à l'usure. Elles sont utilisées dans les véhicules de série. La bougie de la figure (A) permet un réglage facile de l'écartement des électrodes. La bougie (B) ne permet pas ce réglage, mais a l'avantage de faciliter l'allumage au ralenti.

La bougie d'allumage (C) est utilisée dans les moteurs à deux temps. Elle offre un bon contact avec le mélange, une bonne résistance à l'usure et facilite le démarrage au ralenti, mais ne permet aucun réglage.

Bougies Spéciales

Parmi elles, la bougie à électrode interne (l'électrode ne dépasse pas du corps), utilisée dans les véhicules de compétition. Elle présente moins de risque de surchauffe, mais une moindre résistance à l'usure et ne permet pas le réglage de l'écartement.

Une autre bougie spéciale est celle avec une électrode de masse en platine. Elle présente plusieurs avantages, notamment une excellente résistance aux attaques chimiques dues à la combustion du mélange, ce qui prolonge considérablement sa durée de vie (en milliers de kilomètres). L'écartement entre les électrodes peut être réglé. L'inconvénient de ces bougies est leur coût élevé.

Réglage de l'Écartement des Électrodes

Pour modifier l'écartement entre les électrodes, il faut toujours agir sur l'électrode de masse et non sur l'électrode centrale, afin d'éviter d'endommager l'isolant en céramique. L'écartement entre les électrodes est généralement de 0,6 à 0,65 mm et se contrôle avec une jauge d'épaisseur.