Je vous propose de découper la suite en deux volets : un premier traitant des capteurs inductifs de vitesse et le second (à venir) consacré aux démarreurs.
Je vais commencer par décrire le fonctionnement d'un capteur de vilebrequin récupéré sur un Kangoo dCi que j’utilise fréquemment pour effectuer des mesures de vitesse diverses et variées ; j’imagine qu’il peut avoir une trombine un peu différente que celui d’un Td5, mais ses fonctionnalités sont, par construction, similaires.
Voici la bête :
On constate que le capteur Renault est encapsulé dans une coque en plastique, signe que son isolement électrique a fait l’objet d’une attention particulière (aucun contact métallique susceptible de conduire le courant entre le capteur et le bloc moteur) qu’une partie du barreau aimanté constituant le cœur magnétique est visible (montage dit « noyé », autrement dit ne réagissant qu’à une masse métallique située dans l’axe du capteur et non sur ses côtés) et qu’il comprend un connecteur à deux fils : le signal et la masse.
J’ignore à quoi ressemble un capteur de Td5, notamment sur un point précis : sa fixation sur le carter d’embrayage. S’il est vissé dedans, la question de son isolement électrique prendra alors une importance particulière : il ne faudrait pas que des retours de masse s’effectuent, même partiellement, via sa liaison au calculateur.
Si quelqu’un dispose d’une photo, je suis preneur !
La poulie dont je voulais déterminer la vitesse de rotation — et qui va servir de support à cette première partie de l’analyse — comprend cinq trous ; la planche suivante fait apparaître, en rouge, la position du capteur et, à droite de l’écran, le signal associé :
Le cercle rouge matérialise la position du capteur projetée sur la poulie — la distance séparant le capteur de la jante de la poulie était de 7 mm environ — les points caractéristiques de l’oscillogramme ayant été reportés sur la jante afin de faciliter la lecture.
Comme indiqué supra, les capteurs inductifs émettent une tension d’autant plus grande que le champ magnétique émis par l’aimant — autour duquel est enroulé une bobine — varie fortement. L’intensité de ce champ est fortement influencée par la présence d’une masse métallique à proximité immédiate.
La poulie tournait en sens inverse d’horloge.
Lorsqu’un trou de la jante est à l’approche, la masse métallique entrant dans le champ magnétique varie, d’une part à cause de la forme du trou et, d’autre part, du fait de la vitesse d’avance du bord de trou par rapport au capteur : la tension varie brusquement. Puis le champ atteint sa variabilité maximale mais qui, pendant un instant, ne varie pas : c’est le point 1.
Ensuite, la masse métallique influençant le champ évolue de moins en moins : la tension délivrée par le capteur diminue d’autant.
Puis la masse métallique circulant sous le capteur ne varie plus du tout pendant un certain temps ; le champ magnétique devenant stationnaire, la tension aux bornes de la bobine devient nulle : c’est le point A.
Enfin, il se passe la même chose qu’en 1, à part que cette fois, la masse métallique s’éloigne : la tension change de sens, c’est le point 2.
Lorsque le nez du capteur se trouve exactement au droit du centre géométrique du perçage de la jante, la tension ne varie plus pendant un instant puis change de signe (à partir de ce point, le bord du trou sera de nouveau en approche) : c’est le point B.
Enfin, on notera que l’oscillogramme illustrant le graphe précédent apparaît parfaitement lisse ; dans la réalité, c’est loin d’être le cas : des phénomènes divers et variés ne vont pas manquer d’en perturber l’apparence.
Voyons maintenant ce qu’il en est pour le capteur du Td5.
Il y a quelques années déjà, nous avions échangé avec Ludo59 à propos de ce même capteur ; voici quelques-uns de ses enregistrements réalisés moteur au ralenti :
Certains auront sans doute remarqué que les courbes sont symétriques par rapport au cas précédent : c’est juste parce que les branchements des deux oscillos ont été inversés, ce qui ne change rien à l’interprétation.
Si l’on reprend la grille d’analyse présentée supra, on en déduit que le palier le plus long (d’une durée de 3 millisecondes environ) correspond à l’entredents (élargi) précédant le repère de point mort haut :
Cette fois, l’oscillogramme révèle la présence de pics de tension. Il montre également que les tensions positive et négative sont légèrement différentes : on atteint 3 V pour les positives et à peine 2,2 V pour les négatives. Les masses métalliques étant les mêmes, cela signifie que le capteur présente un déséquilibre magnétique.
Est-ce lié à l’aimant permanent, à la bobine, à un peu des deux, difficile de conclure ; une chose est sûre, cela constitue un indicateur de la qualité du capteur. Au passage, on constate que les tensions délivrées par le capteur du Kangoo sont nettement plus équilibrées.
Ces pics constituent la signature de parasites généralement dus à des étincelles (moteurs à collecteur, relais) et des masses douteuses : les sources potentielles sont légion.
Compte tenu de l’environnement parasité de la mesure (moteur universel tournant à plus de 10 000 t/mn) on a exactement la même chose sur le capteur de la poulie :
Si on pousse un peu la résolution de l’oscillo, on voit que la perturbation dure environ 50 µs (50 millionièmes de secondes) et représente un pic de tension (mesure dite de crête à crête) avoisinant les deux volts, valeur à comparer avec l’amplitude totale du signal normal, de l’ordre de cinq volts.
En d’autres termes, il s’agit d’un pic d’énergie, fugace mais potentiellement suffisant pour créer un artefact capable de leurrer un système de détection un peu trop sensible ou réactif. En absorbant cette énergie et en la stockant en vue de la restituer progressivement, comme un bassin de rétention lisserait une crue, on peut en réduire les effets : c’est là où le filtrage intervient.
Je reviendrai sur le graphe suivant — issu de mesures d’intensité effectuées sur un démarreur — à l’occasion du topo à venir ; pour l’instant, il s’agit simplement de traduire visuellement ce en quoi consiste un filtrage :
En rouge, le signal brut et en bleu, le signal filtré. En fonction de l’objectif recherché, on va chercher à effacer les pics d’énergie constituant le bruit, mais pas trop non plus car sinon, on risque de perdre des informations précieuses pour les analyses.
Le cas présenté est le résultat d’un filtrage algorithmique ; on obtient (presque) exactement la même chose avec les composants électroniques (condensateurs et résistances) constituant les filtres traditionnels. Décrire les différents montages n’a guère d’intérêt ici, tout simplement parce qu’on ne pourra sans doute pas analyser les circuits du calculateur : le regretté Volta avait pas mal de biscuits sur les calculateurs du Td5 et nous avons pas mal échangé là-dessus en son temps ; mais même lui n’avait pas les idées totalement claires sur le fonctionnement de détail du bazar, tout simplement parce que, comme c’est de plus en plus souvent le cas, les circuits font appel à des composants dont les références sont, soit non précisées, soit inconnues des bases de données internationales.
Dans le cas qui nous intéresse, l’inconvénient d’un filtre classique est qu’il déphase toujours plus ou moins le signal ; si ce n’est pas gênant pour un ampli destiné à amplifier un son, ça le devient sur un montage censé gérer des actuateurs (les injecteurs en l’occurrence) selon un chronogramme très précis. Sauf à contourner la difficulté en déphasant d’une valeur opposée le positionnement de la pièce mécanique à l’origine du « top signal » : en d’autres termes, il se pourrait que le repère (dent ou trou) du volant ne corresponde pas exactement au PMH du piston tel qu’on peut le relever au comparateur sur un moteur en cours de révision, mais en soit décalé d’une certaine valeur.
D’où une question aux habitués de ce moteur : s’il y a eu une évolution du calculateur pour les Td5 à partir de 2006, les références des volants moteur ont-elles changé à cette occasion ?
Il ne s’agit pour l’instant que d’une hypothèse : dans l’infinie diversité des circuits intégrés, on trouve en effet nombre de puces assurant un filtrage de signaux divers et variés. On pourrait même imaginer que cette puce contienne un amplificateur dont le gain soit asservi au régime moteur, ce qui permettrait de s’affranchir de la variabilité de la tension en fonction du régime moteur.
On en revient toujours au même problème : seule n’analyse des composants des calculateurs permettrait de conclure formellement…
Si on revient aux effets du filtrage, voici comment évolue le signal de notre poulie filtré en passe-bas à 1 000 Herz ; en langage courant, cela signifie qu’on a éliminé tous les signaux sinusoïdaux dont la période est supérieure à 1 000 cycles par seconde :
Vu la pente du signal au point recherché, on peut en conclure qu’identifier le point mort haut avec un tel signal ne posera plus aucun problème, moyennant un filtrage léger.
C’est sans compter sur une seconde série de perturbations, dues à un rayonnement magnétique cette fois.
Ça tombe bien, c’est justement la question qui nous préoccupe.
La planche suivante, toujours issue du capteur du Td5, mérite qu’on s’y arrête :
Sur le plateau précédant le top point mort haut on voit, comme précédemment, que le signal est bruité. Mais on note aussi qu’il est déformé : il redevient positif pendant un certain temps.
L’analyse du fonctionnement du capteur a montré que la tension est le strict reflet de la variation du champ magnétique auquel sa bobine est soumise. En d’autres termes, la déformation du signal révèle la présence d’un champ magnétique provenant d’une autre source que la masse métallique du volant défilant sous le capteur.
Un filtrage léger rend cette déformation plus visible ce qui, dans le cas d’un seuil de déclenchement fixé pile poil sur l’inversion de tension, va créer un nouvel artefact, le risque d’erreur d’interprétation par le calculateur étant d’autant plus élevé que la perturbation est marquée en tension et prolongée en temps (ici, elle dure déjà plus d’une demie milliseconde) :
Faire disparaître entièrement cette perturbation nécessiterait d’avoir la main très lourde sur le filtrage, autrement dit de raboter très fortement le signal d’origine. Avec le risque de l’écraser complètement en phase de démarrage, lorsque le moteur tourne à moins de 500 t/mn, ce qui pourrait compliquer le démarrage.
Il faut donc trouver un compromis.
Vous l’aurez compris, la définition de ce compromis est délicate : si on met la barre trop bas, on risque de faire foirer le système dès que le niveau des perturbations commencera à dériver. Quand, pourquoi et comment ça va se produire, difficile à dire. Mais si on met la barre trop haut, le système risque de merdouiller sans arrêt.
Par ailleurs, il faut se rappeler le contexte : on était au tout début de la généralisation des calculateurs sur les Diesel, ce qui veut dire expérience et recul limités.
Bien évidemment, les enjeux économiques n’étaient pas neutres non plus : si le bazar merdouillait des années plus tard, ce n’était pas nécessairement bien gênant, on pouvait mettre ça sur le compte du vieillissement. Dans le cas contraire, on aurait pu aller vers des rappels ou des recours en garantie très rapidement, ce qui aurait été nettement plus compliqué à gérer.
Les développements de ce sujet montrent assez clairement que l’analyse de détail d’un défaut de ce type n’est pas des plus simples ni des plus rapides ; dans ce monde où les voitures Kleenex constituent toujours le concept de base — et ça ne va pas s’arranger avec le niveau de complexité délirant vers lequel on file joyeusement, y compris avec l’électrique — la volonté de réparer pour faire durer restera donc — et pour un bon bout de temps, je le crains — l’exception.
Aux Bobos écolos qui croient dur comme fer au joli conte de fées d’une réparation au service d’une économie circulaire profitable à tous j’aurais bien envie de répondre : allez les gens, montrez-moi comment on répare — sans tout changer, évidemment — votre vélo électrique dont le capteur de couple au pédalier (pas des moins coûteux, en prime) vient de lâcher.
La vraie vie, comme tu dis, Colombin.
Pour en revenir à notre sujet, la solution généralement adoptée pour limiter les risques de dysfonctionnement à cause des distorsions de signal est généralement la suivante : relever le seuil de détection.
Cette solution, très connue en automatisme industriel, a été par exemple utilisée pour la gestion du point d’avance sur les premières pompes d’injection mécaniques passées sous contrôle commande électronique : la boucle de rétroaction de l’avance (processus permettant de vérifier que l’avance à l’injection obtenue était bien celle souhaitée) faisait appel à un capteur de levée d’aiguille, généralement implanté sur l’injecteur n°1.
Ceux qui ont mis les pattes dedans savent qu’en moyenne, une levée d’aiguille d’injecteur classique tourne aux alentours de 6 dixièmes de millimètres. Autant dire que le capteur capable de mesurer une telle cote en un temps n’excédant pas quelques µ secondes ne relève pas de la grosse mécanique. Sachant qu’on retrouve bien évidemment, vu l’environnement, le cirque parasites, rayonnements électromagnétiques, etc.
En décalant le seuil de détection on parvient généralement à se sortir à moindres frais de la zone de turbulences qui nous ennuie. Par contre, pour expliquer comment les choses se passent, il va falloir entrer un peu plus dans le détail.
Petite précision : recourir ou non à un décalage du seuil de détection, en définir les différents seuils, choisir des algorithmes plus ou moins alambiqués et, partant, plus ou moins gourmands en puissance de calcul est un exercice de compromis et d’optimisation assez complexe. Même si les essais de labo et les modélisations théoriques permettent souvent de bien dégrossir les contours de l’exercice, l’expérience en temps long et le recul qu’elle apporte, conduit parfois à rebattre les cartes.
C’est également la raison pour laquelle les dysfonctionnements ou pannes comme celles à l’origine de ce sujet présentent de mon point de vue un réel intérêt.
Le graphe suivant montre ce qui se passe si, par exemple, on cale le seuil de détection à 1 Volt :
Là, il s’agit toujours s’agit du signal brut : on voit déjà que, dans sa portion cerclée en rouge, la courbe est plutôt « propre ». A l’œil, elle semble même assimilable à une droite.
Regardons d’un peu plus près ce que nous raconte l’oscilloscope sur la zone en question :
Les règles horizontales matérialisent les deux niveaux de tension choisis (0 et 1 V) et les verticales, les temps : on observe que la tension passe de 1 à 0 V en 75 µ secondes environ. Ce que l’on appelle généralement l’angle de descente ou de montée du front pique un peu, comme on dit : ainsi, si on extrapolait la chute de tension sur une durée d’une seconde comme c’est généralement l’usage, on obtiendrait un régime de descente de 13 400 V/s.
Plus le régime moteur va augmenter et plus l’angle de descente sera méchant ; en d’autres termes, contrairement à la mécanique, l’électronique ne décrochera pas si on force la cadence.
Comme on l’a vu, la pente de la courbe semble assez régulière : pour autant, on va devoir utiliser le calcul pour objectiver cette impression. Pour ce faire, plusieurs choix techniques sont possibles : ils vont de l’analyse de la fonction dérivée à l’étude des pertes de linéarité, le principal avantage de cette dernière méthode étant de donner des ordres de grandeurs assez réalistes des diverses approximations générées par la simplification des algorithmes.
C’est donc sur la linéarité qu’on va s’arrêter un instant.
Le principe du calcul est simple : on regarde si la courbe réelle peut valablement être assimilée à une droite, autrement dit quelle erreur on va commettre si, au lieu d’utiliser une modélisation mathématique alambiquée destinée à modéliser très finement le phénomène étudié, on peut se contenter d’une simple droite.
On utilise cette cuisine pour, par exemple, déterminer quels injecteurs utiliser dans le cadre d’une application spécifique. Le but de la manip est notamment de commander des injecteurs uniquement par leur temps d’ouverture, que l’on va alors choisir d’assimiler à une fonction linéaire « basique » du temps. Sur le Td5, vu que la pression interne des injecteurs est constante (environ 2 000 bars) il est probable que ce soit cette stratégie qui ait été retenue.
Par contre, pour les injections par rampe commune, dont la pression est continuellement variable, on imagine bien que les fonctions décrivant la loi d’injection seront considérablement éloignées d’une simple fonction linéaire du temps. Et à partir du moment où les injecteurs sont devenus suffisamment réactifs (injecteurs piézoélectriques) il est même devenu possible d’ouvrir et de fermer plusieurs fois un injecteur au cours d’une même séquence d’injection.
Voici à quoi ressemble l’étude de ce qui s’appelle la perte de linéarité dans le cas qui nous intéresse :
les petits cercles sont les tensions numérisées par l’oscilloscope, la droite bleue étant la régression linéaire qui passe le mieux dans ce nuage de points, la courbe rouge représentant la perte de linéarité.
Entre 1 et 0 V, on voit que la perte de linéarité reste inférieure à 5 %, seuil assez fréquemment adopté parce que traduisant une erreur acceptable pour de nombreuses applications. Conclusion, c’est bon, on pourra utiliser une simple droite pour déterminer à quel instant précis la tension va s’annuler, ce qui va alléger les calculs et, conséquemment, réduire la charge du µ-processeur.
Cette bonne vieille ficelle permet donc au calculateur, à partir d’une zone de signal propre, de déterminer précisément quand la mire de point mort haut du volant va passer sous le capteur.
Il va donc pouvoir assez facilement calculer le régime moteur, le point d’injection et autres broutilles.
Noter que le seuil de 1 V choisi ici est totalement pifo : on aurait pu le relever davantage, ou au contraire le baisser. Le choix du seuil optimum dépend d’un tas de paramètres comme la réponse du capteur, les conditions limites de fonctionnement (200 t/mn au ralenti, 5 000 t/mn en régime max), les capacités du calculateur, ce qu’on imagine des perturbations électromagnétiques, etc., etc.
Pour situer les idées, 75 µs représentent, au ralenti, un angle au volant d’environ 3,5 dixièmes de degré (en décimal). L’erreur de non linéarité étant inférieure ou égale à 5 %, cela signifie que le calculateur connaîtra la position du PMH à moins de deux millièmes de degré au volant près.
Si l’on convertit cet angle en position linéaire du piston, on peut en conclure que c’est plutôt pas mal, comme précision.
En d’autres termes, même si le rayonnement électromagnétique est costaud, il peut n’avoir aucun impact sur la vision qu’a le calculateur de la position réelle du volant. Quant aux parasites radioélectriques, un filtrage léger suffit à les éliminer.
En résumé, si le système a été bien conçu, il fera face à toutes les vicissitudes.
Certes, avec ce type de capteur, l’angle de pente du signal sera aussi une fonction du régime moteur ; une mesure de la réponse capteur à 200 t/mn moteur puis à 3 500 t/mn permettrait de se faire une idée précise de la fonction recherchée, mais je n’imagine aucune difficulté particulière sur sa prise en compte correcte.
Pour en revenir au sujet, on en déduit qu’un diagnostic digne de ce nom devrait comporter :
- 1°) une vérification de l’étanchéité du circuit GO basse pression ;
- 2°) une vérification de la pression GO culasse, éventuellement du débit de la pompe ;
- 3°) une vérification du bon réglage des poussoirs d’injecteurs ;
- 4°) une vérification de la réponse du capteur (à ses bornes) à différents régimes moteur, y compris lors du lancement au démarreur (niveaux et équilibre des tensions, allure de la courbe, linéarité à proximité du top PMH) ce qui nécessite évidemment de disposer de références statistiques correctes ;
- 5°) si le démarrage merdoie, même manip, mais aux bornes du calculateur cette fois, histoire d’apprécier la sensibilité de la ligne ;
- 6°) et, toujours dans le cas d’un démarrage compliqué, mesure des courant et tension du circuit démarreur aux fins d’analyse et de comparaison avec un démarreur « de référence », ce qui fera l’objet de l’article à venir.
Sur ces six points, il en manquait cinq.
Encore une chose, pour achever cette première partie : sur un quatre cylindres, le repère PMH au volant indique que deux des quatre pistons sont effectivement au PMH, chacun d’eux pouvant être en fin de compression ou en fin d’échappement.
En résumé, il existe quatre possibilités ; pour savoir quel cylindre allumer/injecter, le calculateur devra donc nécessairement disposer d’une autre information : la position de l’arbre à cames.
Cette info ne servira qu’au démarrage ; en d’autres termes, une coupure du capteur d’arbre à cames après la phase de démarrage n’empêchera pas le moteur de fonctionner. Par contre, il ne pourra jamais redémarrer. C’est notamment ce qui explique pourquoi la fonction Stop & Start permet un redémarrage plus rapide du moteur : le calculateur ayant déjà verrouillé la syncro entre les deux arbres, il allumera/injectera directement le bon cylindre.
Et aussi qu’un Diesel à injection mécanique démarrera toujours plus rapidement que les moteurs actuels : le premier cylindre accrochant une compression sera injecté d’emblée, amorçant immédiatement le démarrage.
Sur un 5 cylindres, un seul piston peut se trouver au PMH indiqué sur le volant. Il n’y a donc plus que deux possibilités : soit le calculateur injecte le bon cylindre, celui en fin de compression, soit le mauvais, celui en fin d’échappement. Avec des injecteurs pompe, dont l’élévation de pression est commandée directement par l’arbre à cames, ouvrir un injecteur non monté en pression n’aura aucun effet dommageable sur la mécanique et, bien sûr, il ne se passera rien au terme de ce premier essai : l’ECU va donc rectifier le tir en prenant en compte la deuxième possibilité, ce qui va allonger imperceptiblement le délai de démarrage, le temps que les planètes s’alignent correctement.
Comment l’ECU va-t-il pouvoir déterminer si le moteur a démarré ? Via une augmentation du régime moteur. Et il obtiendra cette information à partir du signal émis par le capteur de vilebrequin qui, comme on l’a vu, est une fonction de la fréquence de passage des autres plots/mires/cibles du volant.
En deux mots, dès que le moteur commence à démarrer, la fréquence du signal capteur va augmenter.
Par ailleurs, je subodore que c’est grâce au défilé de toutes les cibles — et des subtiles variations de fréquence pouvant en résulter à l’issue de chaque combustion — que l’ECU parvient à gérer très finement le ralenti (régulation restituée via la fonction Idle Speed Error et dérivées).
Il résulte de ce qui précède que s’il y a un problème de signal capteur, le calculateur ne parviendra pas à déterminer s’il a injecté le bon cylindre, donc si le moteur a effectivement commencé à démarrer et, surtout, quel régime il a atteint. Le risque de gaver les cylindres de gas oil et de faire cogner le moteur (en phase de démarrage, les débits injectés sont très élevés) devient alors bien réel : de là à imaginer qu’une sécurité s’enclenche sous forme d’une coupure totale de l’injection pendant plusieurs secondes, il n’y a qu’un pas que je franchis bien volontiers.
Prolonger l’action du démarreur pendant plusieurs dizaines de secondes ne sert probablement à rien sitôt cette coupure enclenchée. Néanmoins, le fait que le moteur parvienne quand même démarrer quand on insiste laisse supposer qu’une fois le temps de coupure écoulé — ce qui peut prendre plusieurs secondes — le calculateur soit de nouveau capable d’identifier correctement le PMH puis l’élévation du régime, ce qui sous-entendrait un presque retour à la normale du fonctionnement de la détection : comme on le verra dans le propos à venir, l’appel de courant d’un démarreur déjà lancé est deux, voire trois fois plus faible qu’en régime dit « de couple bloqué » d’où une moindre intensité des perturbations.
Une histoire de force contre-électromotrice comme disent les électromécaniciens, mais qui se traduit par une certaine diminution du niveau de perturbation du compartiment moteur.
On pourrait donc en déduire que l’affaire se joue en réalité à pas grand-chose, d’où l’importance de la métrologie afin de cerner l’évolution des ordres de grandeur et identifier les effets de seuil qui, très souvent, les accompagnent.
Voili, voilu.
a toujours la même origine : quelque part, vu ce qui caractérise notre philosophie du voyage (nos 4x4 ne sont pas des biens de consommation, ils font simplement partie de nous et de notre histoire) nous avons la même préoccupation : rien ne doit rester dans l'ombre en matière de fiabilité.
Vérifiez aussi les fusibles, relais (notamment C0151), et la masse du démarreur. Un mauvais contact ou une masse défectueuse peut exacerber le problème.
