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Le système de refroidissement du moteur
Le circuit de refroidissement a pour but de prévenir la surchauffe du moteur. Étant donné qu’un moteur à combustion peut atteindre des températures extrêmement élevées, la chaleur ainsi créée doit être dissipée. Il est essentiel que le circuit de refroidissement soit efficace afin d’éviter de bruler le moteur. Une autre fonction du circuit de refroidissement consiste à contrôler la température de l’habitacle, assurant ainsi le confort des passagers. Dans le moteur à combustion modernes, ce refroidissement est exclusivement réalisé par un liquide sous forme d’eau. C’est la raison pour laquelle on parle du refroidissement par eau ou par liquide. Le rôle de la pompe à eau est d’assurer la circulation du liquide de refroidissement dans le système de refroidissement permettant ainsi de garantir la dissipation régulière de la chaleur du moteur et l’alimentation du circuit de chauffage en liquide de refroidissement réchauffé.
Le circuit de charge
Les véhicules automobiles modernes sont équipés de nombreux circuits électriques et électroniques. Pour pouvoir répondre à la consommation permanente d’électricité, il est donc nécessaire de disposer d’une source d’énergie électrique embarquée et autonome, mais également d’un dispositif de production de courant. En effet, cette fonction, autrefois dévolue à une dynamo, est à présent confié à un alternateur, qui présente de nombreux avantages en termes de légèreté, d’encombrement, et surtout de performance. La finalité du système est alors de disposer à la demande, d’une énergie électrique basse tension continue allant de 12.5 à 14.5 volts environ. Le circuit de charge est essentiellement composé de plusieurs organes comme illustré sur la figure ci-dessous, à savoir .
Les batteries plomb-acide
Ce sont les batteries les plus utilisées en automobile. Elle tient sa nomination grâce à ses électrodes qui sont à base de plomb. L’électrolyte est dans ce cas, formé de l’acide sulfurique dilué dans de l’eau distillée. C’est dans cette solution que baignent les électrodes. L’électrode positive dite cathode est représentée par une barre de dioxyde de plomb ; elle a comme comportement d’attirer des électrons naturellement pour pouvoir assurer sa stabilité et l’électrode négative appelée anode à son tour, a tendance à donner des électrons ; il s’agit en effet, du « plomb spongieux ». [6] [7] [8]
Le principe de fonctionnement d’une batterie au plomb repose sur l’action chimique de l’acide sulfurique sur le plomb. En effet, pendant la décharge, c’est-à-dire lorsqu’une charge électrique est branchée sur une batterie, une réaction chimique se produit : les molécules de sulfate dans l’électrolyte se décomposent et se fixent sur les plaques négatives et positives. Simultanément, les atomes d’oxygène provenant des plaques positives formés par du dioxyde de plomb vont dans la solution d’électrolyte pour se joindre aux atomes d’hydrogène, formant ainsi de l’eau. Ce déplacement de molécules de sulfate vers les plaques et les atomes d’oxygène vers la solution libèrent de l’énergie. Ceci est appelé le cycle de décharge. Lorsque la batterie est complètement déchargée, les deux plaques comportent du sulfate de plomb PbSO4 et la solution d’électrolyte est constituée totalement de l’eau, comme illustré sur la figure ci-dessous. [6] [7] [8]
Le processus inverse se produit quand la batterie se recharge, les molécules de sulfate reviennent dans la solution, et les molécules d’oxygène dans l’eau retournent sur les plaques positives. Il est à noter que toute surcharge élevée provoque la corrosion, des déformations, de l’érosion sur les plaques, ainsi qu’une surchauffe. [6] [7] [8]
Les équations suivantes décrivent la réaction « d’oxydo-réduction » qui s’y produit :
L’électrode positive a un comportement de cathode en décharge car le PbO2 est réduit en PbSO4, et devient anode en charge puisque le PbSO4 s’oxyde en PbO2 :
PbO2 + 3H3O+ + HSO- 4 + 2e – PbSO4 + 5H2O
Production permanente de dioxygène (gaz) :
3H2O 1/2O2 + 2H3O+ + 2e-
Electrode négative: Pb + HSO- 4 + H2O PbSO4 + H3 O+ + 2e-
Production permanente de dihydrogène (gaz) :
2H3O+ + 2e- 2H2O + H2
Au bilan, l’électrolyse de l’eau d’un élément s’écrit :
H2O ½ O2 + H2
Les 2 réactions de charge et de décharge peuvent se résumer en une seule réaction :
PbO2 + Pb + 2HSO4 – + 2H3O+ 2PbSO4 + 4H2O
Grandeurs caractéristiques d’un accumulateur électrochimique
Les caractéristiques principales d’une batterie à prendre en compte sont :
La tension maximale : c’est la tension mesurée au repos de la batterie sans débit de courant. La tension pour une batterie chargée à 100% est de l’ordre de 12.7 V. Avec une tension de 11.9V, la batterie est déchargée à 80%.
Intensité nominale ou intensité de démarrage : Ce terme a une relation directe avec la consommation du démarreur pendant la phase de mise en route du moteur. En fait, il exprime la faculté de la batterie à alimenter le démarreur pendant un certain temps dans des conditions difficiles. Comme il représente le courant de démarrage ainsi il est exprimé en Ampère.
Capacité nominale : elle correspond à la capacité de stockage de l’accumulateur. Elle représente en effet, la quantité d’électricité pouvant être délivrée pendant une durée déterminée par la batterie lui-même, en d’autre terme l’intensité maximale du courant qu’une batterie est capable de débiter durant une heure. En outre, elle représente un moyen théorique d’évaluation du rendement d’une batterie. Cependant, la capacité d’une batterie n’est pas constante et dépend essentiellement de plusieurs paramètres telles que :
– la surface des plaques des éléments
– du volume de l’électrolyte
– de la température de la batterie et de son atmosphère. La température ambiante a un effet important sur la capacité de la batterie. Comme une batterie dépend des réactions chimiques pour fonctionner, la rapidité de ces mêmes réactions augmente à mesure que s’élève la température. Cette dernière à une température plus élevée. Des températures plus faibles réduisent leur capacité significativement et des températures plus hautes favorisent la batterie à produire plus de puissance d’où une légère augmentation de leur capacité, mais ceci peut augmenter la perte d’eau et diminuer la durée de vie de la batterie. Le comportement d’une batterie est spécifié à une température de 27 degrés
Le rendement : le rendement de la batterie est proportionnel aux taux de décharge et à la température de fonctionnement. Plus le taux de décharge est lent, plus le rendement de la batterie est élevé.
L’autodécharge : elle désigne la perte de capacité en laissant l’accumulateur au repos (sans charge) pendant un temps donné. En effet, elle dépend de la température : le taux d’autodécharge est d’autant plus rapide à mesure que la température augmente. [5] [6] [7] [8]
Fonction de la batterie plomb acide dans un véhicule
La batterie représente la source d’énergie du véhicule pendant l’arrêt du moteur thermique (arrêt de l’alternateur). Ainsi, elle doit assurer plusieurs fonctionnalités durant cette période :
– Fournir le courant nécessaire pour actionner le démarreur pendant une courte durée
– Permettre l’utilisation du feu de stationnement dans un délai raisonnable
– Assurer l’alimentation des accessoires électriques
– Assurer la bonne marche du système d’alarme quand on quitte le véhicule pendant une période déterminée. [6] [8]
Le critère de choix d’une batterie dépend essentiellement de deux paramètres :
Sa capacité à actionner le démarreur (intensité maximale) à très basse température (- 18°C) pendant une durée déterminée, appelé : capacité de démarrage à froid
Son pouvoir d’assurer l’alimentation des appareils électriques pendant l’arrêt du véhicule [5] [6]
Durée de vie d’une batterie
La durée de vie d’un accumulateur est liée directement à leurs conditions d’utilisation. En effet, elle dépend essentiellement du nombre de cycles « charge-décharge ». Pour obtenir une durée de vie de 10 à 15 ans, il est indispensable que la batterie, dans son fonctionnement, soit maintenue dans un état de charge supérieur à plus de 50%. [5] [6]
L’alternateur
L’alternateur est l’organe qui assure la production d’énergie électrique nécessaire au véhicule et également la charge de la batterie. Pour y parvenir, il transforme l’énergie mécanique provenant de la courroie du moteur thermique en énergie électrique. Le schéma ci-après illustre la figure réelle d’un alternateur automobile. [6] [7] [8]
Dans un alternateur, le principe de production du courant repose sur le mouvement d’un aimant à l’intérieur d’une bobine qui est régit par loi d’induction électromagnétique : toute variation de flux magnétique à travers un circuit électrique fermé donne naissance à un courant induit.
En effet, si le circuit est ouvert, il y a une force électromotrice induite « e » à ses bornes, qui a pour expression : [4] [6] ????=− ΔΦΔ?(2.01).
avec : ????= valeur moyenne de la f.é.m. induite en volts (V)
ΔΦ = variation de flux magnétique en Webers (Wb)
Δ? = variation du temps en secondes
Les éléments de l’alternateur
L’alternateur comporte plusieurs éléments tels que :
– Le rotor – les flasques : supportent l’axe du rotor
– Le stator – Le charbon et le régulateur
– La poulie : reçoit l’énergie mécanique (mouvement rotatif en provenant du moteur)
– Le ventilateur : refroidit l’alternateur et particulièrement les diodes
– Le pont redresseur [6] [7].
Le circuit de redressement
L’alternateur est un générateur électrodynamique de courant qui, comme son nom l’indique, produit du courant alternatif. Or, bon nombre d’éléments consommateurs dans un véhicule à l’instar des boitiers électroniques, des circuits de signalisation et divers accessoires, le démarreur, le système d’allumage et tout particulièrement la batterie sont obligés de fonctionner avec du courant continu. De ce fait, il est nécessaire de convertir le courant alternatif produit par les enroulements statoriques par l’intermédiaire d’un redresseur. L’élément de base de ce dernier est la diode, composant qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens. En effet, le redresseur est constitué par un assemblage de diodes dont trois diodes positives, trois diodes négatives et selon le système, trois diodes d’amorçage, comme illustré sur la figure ci-après. Le courant sinusoïdal en sortie de l’induit doit passer à travers un pont de diode électronique qui comporte en plus une fonction de lissage de courant. La tension de sortie qui en résulte est de type continu avec un taux d’ondulation qui dépendra de la quantité du lissage effectué par un condensateur. [5] [6] [8]
Lissage du courant et taux d’ondulation
Un condensateur est inséré dans le pont de diodes pour assurer le lissage de courant. En effet, pendant la phase montante de l’alternance de la tension, il se charge, puis se décharge dans la phase descendante (graphe A : courbe rouge sur la figure ci-dessous). La tension ainsi obtenue est lissée, comme montré sur le graphe B. Le taux d’ondulation définit la forme de la tension et est exprimé par la relation suivante : ?=(?? − ??2??) ×100 (2.02).
Plus le taux est important, plus la tension est ondulée donc de moins bonne qualité. Le taux d’ondulation est calculé par certaines stations de diagnostic pour donner l’état de l’alternateur. Des diodes ne remplissant plus leur rôle, un condensateur hors service ou une phase coupée peuvent ainsi être détectés. Le condensateur, en augmentant la tension minimum (Um1 > Um2) diminue le taux d’ondulation. [6] [7] [8]
Facteurs déterminant la sortie d’un alternateur
Plusieurs facteurs jouent un rôle dans la puissance disponible à la sortie d’un alternateur tels que :
La vitesse de rotation du rotor. Des vitesses plus rapides produisent une sortie plus élevée.
Le nombre d’enroulements dans le rotor. Plus d’enroulement augmente la sortie de l’alternateur
L’intensité du courant traversant les bobinages du rotor. Un courant plus élevé augmente la puissance de sortie
Le nombre d’enroulement dans le stator [8] [13]
Le circuit de démarrage
Pour que le moteur d’un véhicule puisse tourner de façon autonome, il faudrait lui donner une vitesse initiale minimale, dite de lancement. Or, cet effort initial est fourni par un moteur électrique justement appelé : démarreur. De ce fait, son principe repose sur la transformation de l’énergie électrique issus des accumulateurs en énergie mécanique, afin d’assurer la mise en marche du moteur à explosion. Pour ce faire, le démarreur est essentiellement constitué par : [6] [7] [8]
un moteur électrique
un lanceur
un circuit de commande du lanceur Le moteur électrique
Comme tout moteur électrique, il est constitué de :
-un stator : représenté par la culasse qui porte les masses polaires et les bobines inductrices ;
-un rotor : représenté par l’induit et son collecteur ;
-une porte balais : organe de couplement avec la batterie via les balais frotteurs et le collecteur. Afin d’avoir un courant de forte intensité dans l’induit, ce moteur électrique se doit de produire un couple puissant. Pour y parvenir, l’inducteur et l’induit du moteur doivent être relié en série. Ce genre de moteur est dit : à excitation série. [6] [7] [8]
Le lanceur
Le lanceur est l’organe assurant le couplage mécanique entre le moteur électrique du démarreur et le vilebrequin du moteur thermique. Il se compose essentiellement d’un pignon qui communique le mouvement rotatif de l’induit à une couronne dentée, montée sur le volant à l’extrémité du vilebrequin. En fait, le rapport ente le pignon monté sur le démarreur et la couronne du volant est de 1/15 à 1/18, ce qui impose donc, une vitesse de rotation de 2000 à 3000 tr/min au moteur électrique afin d’obtenir les 150 tr/min nécessaire au démarrage d’un véhicule. [6] [7] [8] Le circuit de commande du lanceur
Le dispositif de commande du lanceur doit assurer deux fonctions :
– en premier lieu, il doit engager le pignon du démarreur dans la couronne dentée du volant juste avant que le moteur électrique ne soit alimenté en courant ;
– en second lieu, rompre la liaison pignon-couronne dentée dès que le moteur thermique du véhicule démarre.
Ces deux contraintes doivent absolument être réalisées, car leur défaut entraînerait :
le pignon s’engagerait à grande vitesse dans la couronne et le choc ainsi produit conduirait à une usure trop rapide du lanceur.
le moteur thermique, tournant à plus de 1000 tr/min, étant au contact du pignon, il entraînerait alors le moteur électrique du démarreur à la vitesse vertigineuse de 20 000 tr/min qui, sous l’action de l’inertie, le ferait voler en éclats. [6] [7] [8]
Sur ce, le dispositif de commande est composé par :
– un solénoïde
– un noyau plongeur
– une fourchette
– un ressort
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Table des matières
CHAPITRE 1 GENERALITES SUR L’AUTOMOBILE
1.1 Introduction
1.2 Fonctionnalités de l’automobile
1.3 Caractéristique d’un véhicule
1.4 Classification des automobiles
1.5 Eléments principaux constitutifs de l’automobile
La suspension
Le système de transmission
L’embrayage
La boite de vitesse
Le pont et le différentiel
La direction
Le système de freinage
Le système de motorisation
Architecture générale
Cycle 4 temps
Le système de refroidissement du moteur
CHAPITRE 2 LE SYSTEME ELECTRIQUE AUTOMOBILE
2.1 Introduction
2.2 Le circuit de charge
Les batteries plomb-acide
Grandeurs caractéristiques d’un accumulateur électrochimique
Fonction de la batterie plomb acide dans un véhicule
Durée de vie d’une batterie
L’alternateur
Principe de production d’électricité
Rotor ou l’inducteur
Le stator ou l’induit
Le circuit de redressement
Principe de redressement du courant
Lissage du courant et taux d’ondulation
Le régulateur de tension
Schéma de connexion électrique d’un circuit de charge
Facteur déterminant la sortie d’un alternateur
2.3 Le circuit de démarrage
Le lanceur
Le circuit de commande du lanceur
2.4 Le système d’allumage
L’allumeur
Le rupteur
Le condensateur
Le distributeur
La bougie
Principe de l’allumage
L’avance à l’allumage
Le système d’allumage électronique
Système d’allumage à rupteur transistorisé
Système d’allumage électronique intégral
Les faisceaux et les câbles électriques
Les boitiers d’interconnexion
La protection des circuits électriques
Les relais
CHAPITRE 3 MODELISATION DU CIRCUIT DE CHARGE AUTOMOBILE
3.1 Introduction
3.2 Description d’un réseau électrique automobile
3.3 Distribution de puissance par une courroie
3.4 Modélisation de l’alternateur automobile
Equation du circuit magnétique
Modèle du redresseur
Circuit équivalent de la batterie
Tension
Résistance aux bornes de la batterie
Résistance R1
Capacité C1
Résistance R2
Courant dans la branche parasite
Modèle de la charge et de la capacité
La charge
La capacité total C
Etat de charge (SOC) et profondeur de décharge (DOC)
Estimation du courant moyen de décharge :
Modèle thermique
Température de l’électrolyte
3.6 Les charges électriques d’un véhicule
CHAPITRE 4 SIMULATION ET PRESENTATION DU RESULTAT
4.1 Objectif de la simulation
4.2 Présentation de l’environnement du travail
4.3 Simulation et résultats
Paramètres d’entrées du véhicule
Cas d’un véhicule en marche subissant une variation de vitesse
Résultat au niveau de la batterie
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1 Le système d’éclairage et de signalisation d’un véhicule
ANNEXE 2 Les différentes pertes de l’alternateur
BIBLIOGRAPHIES
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