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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CAPTEURS pour l'AUTOMOBILE

deuxième partie : le système ion gap

historique
en guise d'introduction
réaction chimique et courant d'ionisation
quid du cylindre
le système ion gap
une métrologie plus fine
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Nous empruntons à quelques ex-étudiants de l'école d'ingénieurs de Bienne (Samanta Ng, Guillaume Rapp et Jean Mael Schleppy) l'essentiel de ce chapitre.

Dans l'attente de capteurs chimiques réellement performants, beaucoup de systèmes de contrôle de la combustion sont basés sur un simple contrôle de la pression dans les cylindres. Mais récemment on a proposé aussi d'exploiter la mesure de courant d'ions.

HISTORIQUE DU CAPTEUR IONIQUE ( ION GAP)

A l’origine des systèmes à capteurs ioniques nous trouvons le principe de la chromatographie en phase gazeuse inventée dans le courant des années 1950. Dans ce système, le mélange gazeux à analyser se sépare en ses différents constituants en fonction de leur temps d’écoulement, et traverse une flamme d’hydrogène (milieu non-ionisé par définition). Dans cette flamme prennent place deux électrodes présentant, entre elles, une différence de potentiel. L'ionisation de la flamme due à l’écoulement du gaz permet le passage d'un courant électrique. On mesure ainsi des pics de tension pour chaque gaz détectable.

Plus tard, grâce au développement des semi-conducteurs sont venus les « FID » (Flame Ionic Detector) qui ont également étés et sont encore utilisés dans la recherche sur les moteurs à combustion. Ces dispositifs sont, de façon plus élémentaire, utilisés couramment pour la détection des incendies.

La recherche sur le système de mesure à capteur ionique dans la chambre de combustion a commencé dans les années 80 lors du développement chez SAAB du système "direct ignition". C’est à ce moment là que les ingénieurs ont commencé à examiner l’utilisation de la bougie comme détecteur lors de la combustion. Une méthode mesurant le courant d’ionisation a été inventée, et brevetée dès 1984, puis commercialisée sur les véhicules de série en 1987 ( première mondiale) par Mercédès-Benz. En effet, durant la combustion, le carburant réagit avec l'oxygène et, dans ce processus, de nombreux ions sont créés et un courant d'ions peut donc être mesuré. En analysant le profil temporel de ce courant, on en déduit des informations pertinentes sur les divers processus de recombinaison qui se produisent et leur rendement. On peut donc se servir de ce courant pour identifier le bon fonctionnement du moteur et monitorer les fonctions élémentaires telles l'ignition, mais aussi le recyclage des gaz et le contrôle du rapport air/carburant au niveau de l'injection.

En 1992, l’augmentation significative de la puissance des calculateurs a permis de détecter tant les ratés moteur que le cliquetis. Les instigateurs de ce projet sont :

Pour des raisons environnementales, la tendance est dorénavant à l’alimentation directe (ou injection directe). Le processus de contrôle doit donc lui aussi se faire directement depuis la chambre de combustion car ce type de système de commande permet une meilleure maîtrise de la combustion en procédant notamment à la mesure du rapport air/ carburant dans la chambre de combustion.

En effet si cette proportion peut être mesurée ( en quasi temps réel), il est donc possible de contrôler intelligemment la dose optimum de carburant à injecter en fonction de la charge du moteur et des conditions générales dans lesquelles le moteur se trouve. Il en résulte donc une diminution des émissions toxiques et une diminution de la consommation de carburant ce qui impliquera des bénéfices évidents tant au niveau économique que mécanique (élimination de l'auto-allumage).

La puissance des nouveaux calculateurs a révolutionné les possibilités d’interprétation des signaux fournis par les capteurs. La recherche actuelle se dirige vers des capteurs multifonctionnels qui mesurent 1, 2, voire 3 composantes ou plus. Mais la vraie révolution vient du fait que le calculateur utilise ces composantes pour en déduire d’autres, ce qui nécessite des calculateurs très puissants utilisant des algorithmes neuronaux pour le traitement des signaux non linéaires. Cela apporte une différence significative dans le fonctionnement du moteur, car désormais les informations seront traitées et les modifications pilotées pratiquement en temps réel.

LA REACTION CHIMIQUE DANS LE CYLINDRE

Dans une réaction de combustion idéale, les molécules d'hydrocarbure réagissent avec l'oxygène et produisent seulement du dioxyde de carbone et de l'eau, par exemple l'iso-octane donne :

La combustion implique en fait plusieurs réactions successives. Parmi celles-ci, certaines provoquent des dégagements d’ions.

FORMATION DU COURANT D’IONISATION

Plusieurs sortes d'ions sont produits lors des réactions chimiques dans le front de flamme. Des ions complémentaires sont créés relativement aux augmentations de température et de pression. Les processus créant le courant d'ionisation sont complexes et varient aussi d’un cycle moteur à l’autre. La figure suivante représente les caractéristiques de la pression dans un cylindre et du courant d'ionisation lors de dix cycles moteurs consécutifs en fonction de l’angle de l’arbre à cames, dans des conditions de charge et de vitesse constantes.

Le phénomène de variation de cycle est toujours présent lors de combustions successives. Ces courbes montrent dix cycles consécutifs dans le fonctionnement stationnaire du moteur. Comme on peut le voir, les variations sont significatives

LE SYSTEME ION GAP : PRINCIPE GENERAL DE FONCTIONNEMENT

Le schéma ci-dessus nous montre que, le capteur de cliquetis, la détection des ratés moteurs, le capteur de position d’arbre à cames ainsi que le capteur lambda peuvent être remplacés par le seul capteur ionique. Le calculateur permet à partir de ces quatre informations identifiées à partir du seul capteur d'ignition d'en déduire deux autres qui sont le pic de pression et une mesure de la qualité de la combustion (Measure of Fit).


Figure : graphique comparatif de la mesure de la pression maximale dans le cylindre en fonction des cycles moteurs.
En rouge le système conventionnel de capteur de pression et en bleu le système de mesure à capteur ionique à la sortie du calculateur.

En plus de l’avantage de la suppression des capteurs devenus inutiles, le graphique ci-dessus nous permet de remarquer que le calculateur génère une information sensiblement plus précise de la pression maximale dans le cylindre en fonction du cycle de combustion.

DETECTION


Figure : Mesure du courant d'ionisation. (a) l’écartement anode-cathode de la bougie est employé comme zone de mesure.
(b) Mesure du côté de la masse du coté secondaire de la bobine d'allumage.

Le courant d'ionisation est un paramètre moteur intéressant à exploiter . En effet c'est une mesure directe du résultat de la combustion qui contient beaucoup d'informations, dont le potentiel n’est pas encore pleinement exploité. Certains des paramètres qui affectent le courant d'ionisation sont :

la température,
la proportion air/ carburant,
durée de la combustion,
le taux de recyclage des gaz d’échappement (EGR),
la composition de carburant (indice d’octane utilisé par exemple),
la charge ponctuelle du moteur et une multitude d’autres.

TERMINOLOGIE DU COURANT D’IONISATION

Le courant d'ionisation comporte typiquement trois phases :

une phase liée à l’ignition,
une phase liée aux ions dus au développement de la flamme et à sa propagation
et une phase liée aux variations de pression et de température.

Dans la figure suivante, les trois phases du courant d'ionisation sont montrées.

Chacune de ces phases possède des caractéristiques différentes et elles interagissent de façon complexe. Dans la phase d'ignition, le courant d'ionisation est très élevé et varie brusquement. En raison de son importance le signal mesuré montré dans la figure suivante est limité nous pouvons aussi observer le phénomène d’amortissement dans la bobine après l'ignition.


Figure : le courant d' ionisation montre clairement trois phases : ignition, front de flamme et post-combustion.

Dans la phase de front de flamme, la forte concentration d'ions associés aux réactions chimiques dans la flamme produit plusieurs pics caractéristiques. Certains de ces ions se combinent ensuite très rapidement en molécules plus stables.