Tout d’abord, il faut avoir en tête qu’un système d’allumage a pour unique rôle la gestion de l’énergie. Il accumule de l’énergie magnétique puis la restitue sous forme calorifique, le tout selon un séquencement temporel très précis.
Le support physique permettant ce changement de forme de l’énergie est l’électricité.
Il est assez commode de comparer le fonctionnement d’une bobine à celui d’un véhicule : le véhicule étant à l’arrêt complet, son moteur lui fournit de l’énergie mécanique qu’il va accumuler sous forme d’énergie cinétique en prenant de la vitesse. En fonction des caractéristiques du moteur, cette mise en vitesse prend « un certain temps ».
L’énergie cinétique accumulée peut être libérée de différentes manières : lors du franchissement d’une côte, lors d’un freinage plus ou moins appuyé, lors d’une collision contre un obstacle fixe.
Bien que les conséquences et les temps de libération de l’énergie cinétique accumulée soient totalement différents, d’un point de vue physique, ces cas de figure sont strictement identiques : on a libéré, sous des formes différentes, la même quantité d’énergie.
Énergie potentielle dans le premier cas, énergie calorifique dans le deuxième, énergie mécanique + énergie calorifique dans le troisième (la déformation plastique d’un métal produit également de la chaleur).
Pour une bobine, c’est la même chose : elle se charge relativement lentement en énergie lorsque le module électronique l’alimente (comme il fallait vaincre l’inertie de notre voiture pour lui faire prendre de la vitesse, il a fallu vaincre les effets de l’induction d’un circuit magnétique) puis elle va la restituer.
Pour illustrer le propos, je suis parti de l’analyse d’un allumage ayant, du moins je le suppose, à peu près les mêmes caractéristiques que le tien (allumage électronique des années 90).
Le graphe suivant représente la variation de tension au secondaire de la bobine pour une valeur de la tension dite d’ionisation relativement élevée. La mesure est réalisée à l’oscilloscope, la sonde étant située « au cul » de la bougie :
Le point A correspond au top d’allumage (ouverture des « vis platinées ») : la circulation du courant est interrompue au primaire de la bobine, anciennement par un rupteur mécanique, dans le cas qui nous concerne très certainement par un transistor.
La bobine étant essentiellement un transformateur comportant un bobinage primaire et un bobinage secondaire, l’énergie magnétique accumulée va se dissiper dans les deux enroulements, à part que les tensions seront différentes au primaire et au secondaire : environ 400 V au primaire et de 20 000 à 40 000 V au secondaire selon les usages, les plus énergétiques étant les bobines crayons actuelles, dont la tension au secondaire peut dépasser 45 000 V.
Noter que la tension au secondaire est essentiellement le reflet du rapport de transformation des deux enroulements ; cette valeur « caractéristique » signifie également que la fatigue diélectrique de la bobine restera acceptable pour ces niveaux de tension. On verra un peu plus loin que les mesures à l’oscilloscope offrent, entre autres avantages, la possibilité de se faire une idée assez précise de l’état de fatigue de la bobine, qu’il s’agisse de l’isolant des fils comme de celui du noyau magnétique.
En revanche, la tension du secondaire ne constitue pas une indication suffisamment précise de la quantité d’énergie stockée dans la bobine.
Le point B représente la tension d’ionisation : comme indiqué précédemment, la tension au secondaire de la bobine va s’élever entre les électrodes jusqu’à ce que la masse gazeuse soit suffisamment ionisée pour devenir conductrice. Sur le graphe, il faut multiplier les ordonnées par 10 000 (rapport de la sonde) : dans ce cas, la tension d’ionisation est d’environ 16 000 V ; elle correspond à l’allumage de l’arc, qui produit le claquement caractéristique d’une étincelle à la bougie.
Il s’agit d’un vrai « pic » : on constate qu’une fois la résistance du gaz vaincue et l’arc amorcé, la tension se stabilise à environ 2 200 V, soit sept fois moins que lors de l’amorçage.
Si l’on détaille l’amorçage de l’arc, on obtient à peu près ceci :
tension d’ionisation (formation de l’arc) : 16 400 V ;
tension de conduite de l’arc : 2 200 V
Le temps de montée (partie gauche de la courbe) correspond à la phase d’accumulation des charges électriques sur les électrodes.
L’allumage de l’arc devient effectif à partir de l’instant précis où la tension commence à retomber. On remarque que la chute de tension est beaucoup plus rapide que sa montée.
La tension d’amorçage de l’arc dépend essentiellement de la pression de la masse gazeuse, de sa température, de la finesse de vaporisation de l’essence et de la densité des gouttelettes. Et aussi de la forme des électrodes, sachant que pour une bougie, on cherche à obtenir un arc trapu mais large afin de favoriser les échanges thermiques avec les gaz à enflammer.
Sur un moteur assez ancien comme le tien qui, de surcroît, tourne plutôt « riche », je pense que la tension moyenne d’ionisation doit avoisiner les 12 000 V, la tension de conduite de l’arc devant être de l’ordre de 1 000 à 1 500 V. Sur les moteurs actuels, qui tournent avec les mélanges plus pauvres — lorsqu’il ne s’agit pas de moteurs à charge stratifiée, c’est-à-dire que la richesse du mélange est plus élevée vers la bougie et plus faible lorsqu’on s’en éloigne — et ont des taux de compression plus élevés, la tension d’ionisation peut atteindre les 25 / 30 000 V.
Si l’on mesure la tension d’amorçage sur les systèmes d’allumage à « étincelle perdue » (bicylindres, monocylindres quatre temps) on voit qu’elle tourne plutôt aux alentours de 6 à 7 000 V un cycle sur deux. Logique, en phase « échappement » l’arc peut s’amorcer à une tension plus faible, la pression étant moins élevée.
Le paramètre suivant est très important : il s’agit de la durée de l’étincelle. Car c’est elle qui va assurer le transfert calorifique entre la bobine et la masse gazeuse, autrement dit, l’allumage correct du mélange air/essence.
Cette durée ne doit pas être inférieure à 1,2 milliseconde ; là encore, sur les allumages modernes, cette durée est plutôt de l’ordre de 1,5 à 1,8 ms et surtout, se maintient aux régimes élevés du moteur.
Si on revient un instant à l’analogie de la voiture libérant son énergie cinétique, on en déduit que si la tension d’ionisation doit monter très haut (cas d’un démarrage par temps très froid, électrodes trop écartées, antiparasite dont la résistance est anormalement élevée, fil de bougie partiellement coupé) une quantité accrue d’énergie sera alors consommée pour vaincre des résistances importantes. Cela va évidemment avoir un impact sur le temps disponible pour la conduite de l’arc ; si ce temps est trop réduit, cela signifie que l’énergie calorifique communiquée à la masse gazeuse sera trop faible.
Cela signifie aussi que la vérification d’un allumage en mettant une des bougies en contact avec la masse et en donnant un coup de démarreur ne permet pas de démontrer de manière certaine que l’énergie libérée par le système d’allumage est suffisante. En procédant de la sorte, on vérifie juste que la bobine n’est ni coupée, ni en court-circuit et que le reste de l’allumage ne l’est pas non plus.
L’antiparasitage joue assez souvent un rôle majeur dans la consommation inutile d’énergie. Ainsi, si le doigt assurant la distribution de la haute tension comporte un système d’antiparasitage — généralement invisible car noyé dans une résine — défaillant dans le sens où sa résistance au passage du courant est beaucoup plus importante qu’elle ne devrait, cela aura évidemment un impact sur le temps de conduite de l’arc.
Il faut donc vérifier si la doc du Range comporte des indications à ce sujet (type d’antiparasitage, caractéristiques, localisation).
De même, des fils de bougie fuyards vont permettre au courant de contourner la bougie en passant par la masse du véhicule : la résistance, beaucoup plus faible au niveau du point de contact entre le fil et la masse, permettra en ce point l’amorçage d’un arc à une tension d’ionisation beaucoup moins élevée, mais générant de nouveau une perte d’énergie à la bougie, l’énergie étant consommée par un circuit parallèle, au sens propre comme au sens figuré...
Cela se voit nettement à l’oscilloscope : la sonde étant placée juste à l’aval de la bougie dont la ligne est fuyarde, on va observer, sur cette ligne, une faible tension d’ionisation, voire pas de tension du tout.
Attention : le fait de vérifier si une étincelle claque en mettant la bougie en contact avec une masse entraîne souvent un déplacement du fil qui l’alimente par rapport à sa position normale. Il peut très bien ne plus y avoir de contact au droit du point faible, ce qui rendra invisible un éventuel défaut.
Le fait qu’un V8 soit équipé d’une seule bobine m’interpelle. Les bobines ont en effet des limites physiques infranchissables : en d’autres termes, il ne suffit pas d’augmenter l’intensité qui les traverse pour les charger plus rapidement. Ainsi, un V8 tournant à 2 500 t/mn sollicitera autant son unique bobine qu’un 4 cylindres à 5 000 t/mn. Et il est connu de longue date que même si un allumage électronique de bonne facture parvient à limiter la casse, la puissance calorifique de la bobine disponible à ce régime aura quand même diminué d’au moins 15 %.
Cette limite a été totalement effacée avec l’apparition des allumages séquentiels, autrement dit, une bobine par cylindre. Cela permet de charger (tranquillement) des bobines stockant une quantité monstrueuse d’énergie et de faire claquer des étincelles à très haut niveau calorifique dont la durée atteint généralement 2 ms.
Je serais donc curieux de mesurer un peu plus précisément l’évolution de la puissance calorifique de l’allumage du Range lorsque le régime monte...
Un dernier point de contrôle, que j’évoque juste pour le fun, car il n’est pas réalisable sans métrologie avancée ni moyens de calcul relativement puissants : l’analyse des oscillations au secondaire de la bobine.
Ce cycle démarre au point C et s’achève au point D, lorsque l’énergie contenue dans la bobine est presque totalement épuisée.
L’analyse de la courbe à partir de ce point permet de se faire une idée assez précise de l’état de fatigue électrique de la bobine.
En effet, une bobine « réelle » est la combinaison de trois composants simples : une résistance (plusieurs milliers d’ohms au secondaire, que l’on mesure facilement à l’ohmmètre), une inductance (c’est elle qui stocke l’énergie sous forme magnétique, mais qu’il est difficile de mesurer sans équipement métrologique spécialisé) et, moins connu, une capacité dite « parasite », encore plus complexe à mesurer (pour les amateurs, quelques bons sites de radio-amateurs, qui ont souvent à reconstruire des bobines diverses et variées, proposent quelques outils maison intéressants pour réaliser cette mesure).
Cette capacité se loge entre les fils du secondaire et est d’autant plus élevée — tout est relatif — que la qualité du diélectrique (isolant) qui les protège reste correcte.
On a donc un petit circuit RLC série (résistance, inductance, capacité) classique qui, à ce titre, se comporte comme tel lorsqu’on interrompt la circulation du courant qui le traverse.
Le graphe suivant concerne l’exploitation de la mesure reflétant les échanges d’énergie au sein du circuit RLC : lorsque l’énergie s’épuise, l’arc s’éteint et l’énergie résiduelle se dissipe alors sous forme d’échanges entre l’inductance et la capacité, le tout étant amorti par la résistance :
Noter que les valeurs de tension doivent encore être multipliées par 10 (je n’ai pas achevé le recalage des échelles).
Mathématiquement, la courbe bleue représente la solution de l’équation différentielle modélisant l’oscillation ; de cette fonction, on peut extraire les valeurs numériques de R, de L, et de C constituant la signature de cette bobine. De la mesure directe sur le graphe, on peut également déterminer la fréquence de l’oscillation : environ 4 700 Hz dans le cas présenté.
Parce que généralement associée à une fatigue des isolants du noyau magnétique et/ou des fils, la moindre variation dans l’équilibre de R, de L ou de C va avoir un impact significatif sur la trombine de la courbe (extrema de tension, fréquence des oscillations) : cette cuisine mathématique permet donc de suivre d’une manière relativement précise le vieillissement de la bobine, ce qui est intéressant lorsqu’on souhaite partir loin avec un véhicule âgé.
Sauf cas particulier, on n’effectue pas ces calculs : l’usage veut que si l’on repère au moins quatre oscillations sur le graphe, la bobine peut être déclarée saine.
La question qui se pose au regard de tes difficultés est : comment faire, en recourant à des moyens métrologiques simples, pour s’assurer que la bobine, mais plus globalement l’allumage, fournit bien l’énergie nécessaire ?
Le graphe suivant, issu de l'exploitation statistique d'une bonne centaines de cycles d'allumage, montre la relation existant entre la tension d’ionisation et la durée totale de l’arc :
Formulé autrement, si la tension a trop baissé, l’arc ne pourra pas s’amorcer.
Sachant que la durée de l’étincelle reflète l’énergie libérée par la bobine, en « manipulant » l’arc, on pourra se faire une idée de l’énergie disponible.
L’éclateur constitue un moyen assez simple de travailler sur les arcs. Comme son nom l’indique, le dispositif comporte deux pointes, fixées sur un socle isolant, dont on règle l’éloignement à la demande.
Ces pointes permettent de modifier le mécanisme d’accumulation des charges électriques ; à tension égale, on peut les écarter davantage que les électrodes d’une bougie, ce qui facilite la mesure. Leur principal avantage est que l’on pourra travailler à la pression atmosphérique et parvenir à reconstituer ce qui se passe dans la chambre de combustion.
Déjà évoqué ici.
Évidemment, le montage présenté constituait un véritable banc, car à l’époque (le manuel d’atelier dont est extrait cette planche date de 1950) on ne disposait pas des outils d’aujourd’hui, notamment numériques, dont la puissance d’investigation est virtuellement illimitée. À ma connaissance, les premiers outils métrologiques électroniques utilisés dans la réparation automobile étaient les oscilloscopes Souriau (analogiques, donc à tube cathodique) apparus bien plus tard et qui coûtaient une petite fortune.
Dans ton cas, l’idée est de réaliser un éclateur de fortune (deux pointes métalliques fixées sur une cale en bois massive et isolante) à monter directement sur le véhicule, le branchement étant masse – éclateur – fil de bougie.
Attention : ne pas faire durer le test trop longtemps afin d’éviter de lessiver le cylindre dont la bougie aura été débranchée mais dont l’injecteur continuera à pisser durant l’essai (cinq bonnes secondes max moteur tournant au ralenti).
Je n’ai trouvé aucune valeur pour un allumage de V8 sachant que si tu décides de réaliser l’essai, ce sera justement l’occasion d’en déterminer une. En partant des ordres de grandeur que j’ai en tête, il me semble qu’un écartement entre pointes compris entre 10 mm et 12 mm serait une valeur correcte au ralenti.
Attention : si l’arc ne passe pas avec cette première valeur, stopper immédiatement l’essai : l’étincelle jaillira à l’intérieur de la bobine, la détruisant en quelques secondes.
Si l'arc n'est pas passé, recommencer l’essai en rapprochant les électrodes d’un mm environ. Et ce jusqu'à ce qu'il passe.
Faire l’essai avec un fil de bougie neuf.
Une autre cause d’énergie trop faible est un temps de charge de la bobine insuffisante : ce point avait également été examiné dans le sujet dont je t’ai remis le lien. Sachant que tu as remplacé le module dont le rôle est de piloter cette charge, cette cause doit logiquement pouvoir être écartée.
J’en viens maintenant au lien entre une énergie libérée insuffisante et l’avance à l’allumage.
Une énergie calorifique insuffisante ne permet donc qu’un allumage très partiel — et surtout très lent — de la masse gazeuse : les chances de pouvoir démarrer s’en trouvent réduites.
Si l’on règle l’allumage en lui donnant une forte avance, outre le fait que l'arc va mieux passer en raison d'une pression dans la chambre de combustion un peu plus faible, il se passe à peu près ceci : le mélange étant déjà faiblement enflammé, lorsque le piston va poursuivre sa course, provoquant une augmentation de pression, donc de température, on va alors passer du régime normal (propagation progressive du front de flammes au sein de la masse gazeuse) à une inflammation brutale de cette masse (combustion détonante).
Formulé autrement, l’entrée en détonation permet d’achever l’inflammation de la masse gazeuse.
Ceux qui ont travaillé sur des moteurs anciens ont constaté qu’en tournant l’allumeur dans le sens de l’avance, le moteur prenait davantage de tours au ralenti.
C’est suffisant pour « qu’à l’oreille », le moteur donne l’impression de tourner à peu près rond. A part qu’en charge, il va, soit cliqueter, soit manquer de pêche, soit généralement les deux.
Ce qui vient d’être décrit correspond d’assez près aux symptômes que tu rapportes et c’est précisément pour cette raison qu’il me semble nécessaire d’effectuer une évaluation assez rigoureuse de l’énergie calorifique fournie par l’allumage.
Mais auparavant, vérifier que le système d’avance centrifuge n’est pas lui aussi à moitié bancal s’impose.
Histoire de préciser un peu les choses, j’ai mis la loi d’avance sous forme graphique.
Pour l’avance à dépression, stroboscope branché, il suffit d’aspirer avec la bouche l’entrée du tuyau : si le repère « fixe » bouge, c’est que la membrane n’est pas percée et que le ressort n’est ni grippé, ni cassé.
À suivre !
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