Principe et évolution de l'injection
essence électronique

Détermination de la quantité d'essence_

Quelque soit le système d'injection, l'introduction de carburant dans l'air pour former le mélange combustible est soumise à une contrainte, le respect du dosage air-essence. En admettant que le dosage nécessaire est toujours connu par le système, il lui faut déterminer en permanence la quantité d'essence à injecter et à quelle fréquence l'injecter. Pour cela, deux paramètres sont indispensables :

1. le régime de rotation du moteur (appelé généralement N)
2. la masse d'air aspirée par le moteur (modulée par l'action du conducteur sur la pédale d'accélérateur)

A. DETERMINATION DU REGIME MOTEUR

Le régime du moteur détermine l'unité de temps pour la fréquence des injections. Cette information est donnée généralement par le capteur PMH (Point Mort Haut), déjà utilisé pour définir le point d'avance à l'allumage sur les allumages électroniques, qui peut également servir à déterminer le point d'injection. Sur les injections plus anciennes comme les KE et L-Jetronic, le régime moteur était souvent donné par la bobine d'allumage.

• le capteur inductif: Il est constitué d'une bobine enroulée autour d'un aimant. Ce capteur est placé devant "une cible", placée généralement sur la couronne du volant moteur, constituée de dents et de trous (58 sur un 4 cylindres essence classique). Le PMH est repéré sur cette couronne par l'absence de deux dents. Par l'effet d'induction, l'apparition de dents et de trous face à l'aimant produit dans le bobinage du capteur une tension alternative sinusoïdale. Lorsque le point de PMH de la cible passe devant l'aimant, le signal crée une "vague" particulière (voir schéma ci-contre). Les avantages de ce type de capteur sont qu'il est peu coûteux, et ne nécessite pas d'alimentation. Les inconvénients sont la présence de parasites importants sur le signal et le manque de précision à faible vitesse, puisque l'amplitude de la tension augmente avec le régime. Malgré tout, il convient encore parfaitement pour délivrer le signal PMH, puisqu'un moteur démarré ne tourne jamais au dessous de 500 Trs/min, et que les parasites n'empêchent pas la détection des "pics". Le capteur PMH dispose de 2 fils véhiculant le signal, parfois 3 lorsqu'il est équipé d'une ligne antiparasite.
  
  

  Schéma : 1. aimant permanent | 2. boîtier du capteur | 3. carter moteur | 4. tige polaire |
  5. enroulement | 6. entrefer | 7. disque-cible avec repère de référence.
  

  
  
  
• le capteur dit à effet Hall est plus élaboré. Il est muni d'une plaquette de Hall, d'un circuit électronique et d'un aimant permanent . Cette plaquette alimentée par le circuit est traversée perpendiculairement par le champ magnétique de l'aimant. Lorsqu'une dent se présente devant la plaquette, les électrons la parcourant sont déviés par la variation du champ magnétique, et créent une tension de l'ordre de quelques millivolts. Le circuit amplifie et transforme ce signal en un signal "carré" directement exploitable par le calculateur. L'amplitude de la tension de sortie est constante à tout régime, ce qui lui permet de fonctionner avec de faibles vitesses de rotation, et d'être plus précis que le capteur inductif. De plus, il est plus moins sensible aux parasites. Ce type de capteur nécessite une alimentation externe, 5V en général, et dispose donc d'une connectique 3 fils (5V, signal, 0V). Il est plus coûteux que le capteur inductif.

Schéma : 1. connexion électrique | 2. boîtier du capteur |
3. carter moteur | 4. joint | 5. aimant | 6. C.I. Hall |
7. roue dentée | a. entrefer | φ. angle de rotation |
Z. dent | L. entredent.

Photo d'un capteur PMH inductif
Photo d'un capteur à effet Hall

B. DETERMINATION DE LA MASSE D'AIR ADMISE

La détermination de la masse d'air est plus complexe car elle dépend de plusieurs grandeurs. En effet, la densité de l'air varie en fonction de la température et de la pression, il est donc indispensable de les prendre en considération.
Voici la formule des gaz "parfaits", qui permet de calculer l'influence de ces grandeurs sur la densité. Dans la réalité, la composition de l'air influence légèrement les résultats.

masse d'air (en Kg) = [ Pression (en Pa) x Volume (en m³) ] / [ Température (en K) x Constante (en J/Kg.K) ]

La constante des gaz parfaits est égale à 288 J/Kg.K. Conversion : 1 bar = 100 000 Pa ; 0°C = 273 K.
D'après la formule ci-dessus : densité = masse / volume = Pression / [ Température x Constante ]

Influence de la température et de la pression sur la densité de l'air :

• à 0° et 1,013 bars (pression atmosphérique) : densité = 101 300 / 273 x 288 = 1,288 soit 1,29 g/L
• à 20° et 1,013 bars : densité = 101 300 / 293 x 288 = 1,200 soit 1,2 g/L
• à 80° et 1,013 bars : densité = 101 300 / 353 x 288 = 0,996 soit 1,00 g/L
• à 20° et 0,4 bars (charge partielle) : densité = 40 000 / 293 x 288 = 0,474 soit 0,47 g/L
• à 20° et 2.013 bars (suralimentation de 1 bar) : densité = 201 300 / 293 x 288 = 2,386 soit 2,39 g/L

Plus la température augmente, plus la densité diminue (l'air chaud est plus léger). A l'inverse, plus la pression augmente, plus la densité augmente. Pour admettre le maximum d'air et exploiter au mieux la cylindrée d'un moteur, il faut augmenter la pression d'admission (utilisation d'un turbocompresseur par exemple) et diminuer la température (rôle de l'échangeur).

Pour déterminer la masse d'air admise, ou charge moteur, les ingénieurs ont eu recours à différents systèmes de mesure :

1. Le débitmètre volumique
   
   Le premier, expérimenté par Bosch sur le système L-Jetronic est un débitmètre volumique. Ce débitmètre placé à l'admission en amont du boîtier papillon (donc théoriquement soumis à la pression atmosphérique) est constitué d'un volet-sonde dont l'inclinaison mécanique change suivant le volume d'air qui s'applique sur sa surface, et par l'intermédaire d'un potentiomètre fixé sur l'axe de rotation du volet, il transforme sa position en une tension analogique. Celle-ci, comparée à la tension batterie, permet au calculateur d'injection de déterminer le volume d'air admis.
   
   
   

    

   Schéma 1 : 1. volet de compensation | 2. volume d'amortissement | 3. canal de dérivation |
   4. volet-sonde | 5. vis de réglage de ralenti | Q_L. Flux d'air d'admission.
   Schéma 2 : 1. couronne dentée de tarage du ressort | 2. ressort de rappel | 4. plaque en
   céramique | 5. contact de curseur | 6. curseur | 7. Contact de pompe | Q_L. Flux d'air d'admission.

   La masse volumique de l'air variant avec la température, une thermistance d'air de type CTN (Coefficient de Température Négatif) permet au calculateur de préciser son calcul.
   Ce type d'injection est appelé système Débit / N (N caractérisant le régime moteur). Les inconvénients de ce débitmètre concernent la précision qui dépend de nombreux paramètres mécaniques, l'encombrement d'un tel dispositif, et la fiabilité des contacts du curseur qui sont sensibles à l'oxydation, à la poussière et à l'usure.
   

    

2. Le débitmètre massique
   
   La mesure du débit d'air peut être également réalisée par un débitmètre à fil chaud (ci-contre à gauche). Un fil de platine tendu à l'intérieur de la canalisation d'admission est chauffé électriquement à 100°C au dessus de la température d'air ambiante (ce qui permet l'auto-nettoyage du fil en permanence). Le débit d'air tend à abaisser la température du fil, et le calculateur compense en élevant l'intensité d'alimentation. Cette élévation d'intensité permet à l'électronique de gestion du capteur de déterminer le débit massique de l'air, et ce 1000 fois par seconde. La température du fil est mesurée par une thermistance placée derrière le fil, tandis que la température du l'air ambiante, qui influe aussi sur le refroidissement du fil, est mesurée par une résistance de compensation thermique placée avant le fil.
   
   La seconde évolution, toujours d'actualité est le débitmètre à film chaud. Le fil chaud est remplacé par un film chauffé à 160°C au dessus de la température de l'air ambiante. Tout comme pour le fil chauffant, une résistance placée en amont mesure la température de l'air, une résistance de mesure est placée en aval du film et l'électronique de gestion fait varier la tension de la résistance chauffante afin de maintenir sa température constante. La variation de tension générée permet de déterminer la masse d'air traversant le débitmètre. Les principaux avantages du film par comparaison au fil chaud sont la précision (~4%) et la résistance du film aux salissures et dépôts, la surface du capteur étant placée dans le sens du flux.
   
   

   La dernière évolution du débitmètre massique à film chaud (du type HFM5 chez Bosch) repose sur le même principe, mais mesure la température en deux points très rapprochés, disposés de part et d'autre d'une résistance chauffante, ce qui permet de calculer avec précision la variation de température, en moins de 25 ms. Outre une plus grande précision, ce débitmètre est désormais capable de connaître le sens de l'air (variation négative), et détecter ainsi un éventuel reflux d'air. La cellule de détection miniature est logée dans une canalisation parallèle au circuit d'admission, afin de la protéger des salissures et dépôts.

    

3. Le capteur de pression d'admission
   
   Un autre système utilisé entre autres par l' injection Renix consiste à placer un capteur de pression sur le collecteur d'admission. Ce capteur de type piezo-résistif génère en sortie une tension image de la différence de pression entre la pression atmosphérique et la pression d'admission. Techniquement parlant, ce capteur est composé d'une membrane munie de résistances piezo-électriques, dont l'allongement micromécanique varie par la différence de pression entre l'admission et la pression d'une chambre de référence située sous la membrane. Cette déformation fait varier la tension du capteur alimenté entre 0V et 5V. La tension de sortie du capteur varie linéairement entre 0.4V (ralenti) et 4.6V (pleine charge), ce qui permet d'avoir une image fiable de la pression d'admission. Une thermistance d'air de type CTN séparée permet au calculateur d'injection de déterminer la masse d'air admise. Les avantages principaux sont le coût réduit du capteur et sa précision.
   On parle de système Pression / N.
   Exemples de thermistances d'air :

   Photo d'un capteur de pression d'admission
   Photo d'un capteur de température CTN

    

4. Le système α (Alpha) / N
   
   Certains systèmes n'utilisent ni débitmètre ni capteur de pression, mais un potentiomètre de charge placé sur l'axe du papillon des gaz. La tension de sortie dépend directement de l'angle formé par le papillon des gaz (appelé α). Généralement, ce potentiomètre est constitué de deux pistes séparées qui agissent sur des plages différentes : l'une, réduite et précise, est dédiée aux faibles charges, l'autre plus longue, aux charges plus élevées. Ce système permet donc de déterminer le volume d'air traversant le papillon, suivant le régime associé fourni par le capteur de régime. L'avantage de ce système est qu'il tient directement compte de l'action du conducteur sur la pédale d'accélérateur, son inconvénient est que l'inclinaison du volet n'est pas proportionnelle à la pression et au débit de l'air admis, il faut donc une cartographie étendue pour déterminer avec précision la masse d'air admise.

Afin d'améliorer la précision de mesure de la masse d'air, les systèmes d'injection actuels combinent plusieurs procédés, ainsi on trouve des systèmes Débit / α / N, avec débitmètre massique et potentiomètre de charge, et des systèmes Pression / α / N, équipés d'un capteur de pression et d'un potentiomètre de charge.

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