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Bobines d'allumage
Principes
Rôle dans le processus d’allumage
Plusieurs composants contribuent à l’inflammation du mélange air-carburant. Tout comme les bougies d’allumage et les faisceaux haute tension, la bobine est particulièrement importante. La bobine se trouve au début du processus de l’allumage. C’est elle qui génère la haute tension et qui permet à la bougie de produire l’étincelle.
Dans le montage classique présenté ici, un distributeur mécanique assure l’alimentation en haute tension des cylindres et des bougies, chacun leur tour et au bon moment.
Durant ce processus, la tension d’allumage passe par la tête du distributeur et le câble d’allumage jusqu’au connecteur de la bougie d’allumage. Ensuite, la haute tension passe de l’électrode centrale à l’électrode de masse en produisant une étincelle.
Architecture d’une bobine d’allumage
La bougie d’allumage a besoin d’une tension très élevée pour produire une étincelle. Comme la batterie ne délivre que 12 volts, la bobine d’allumage a pour fonction de transformer la basse tension continue d’entrée en une impulsion haute tension de plusieurs dizaines de milliers de volts à sa sortie.
C’est en fait un transformateur de courant continu. Le principe et la construction de base de toutes les bobines sont identiques. Elles sont composées de deux bobinages différents et d’un noyau ferromagnétique commun.
Les deux bobinages sont des enroulements de fil de cuivre. Le bobinage primaire dispose de relativement peu de spires de gros diamètre tandis que le bobinage secondaire est réalisé avec un nombre de spires beaucoup plus important mais de diamètre plus fin. Le rapport d’enroulement est de 1/150 à 1/200.
Connexion haute tension
La haute tension du circuit électrique secondaire se connecte à la borne 4 et achemine celle-ci à la bougie d'allumage par l'intermédiaire d'un câble d'allumage ou faisceau haute tension.
Borne 15
La borne 15 assure la liaison avec le contact de démarreur <br>(«commutateur en position positif»).
Borne 1
En fonction de la conception, cette borne est utilisée pour la connexion au rupteur ou à la connexion au module d’allumage.
Le capot isolant
Comme la résine moulée et le support isolant multicouche, il assure l’isolation optimale de la tension produite.
Résine moulée
Comme le support isolant multicouche et le capot isolant, il assure une isolation optimale de la tension produite.
Noyau ferromagnétique
Le noyau ferromagnétique amplifie le champ magnétique produit dans le bobinage primaire.
Boîtier métallique
Contribue à emprisonner le circuit magnétique.
Connexion du bobinage secondaire
Connecte le bobinage secondaire à la sortie haute tension et assure ainsi le transfert de l’impulsion électrique.
Bobinage secondaire
Le bobinage secondaire est constitué d’un nombre important de spires de fil de cuivre de diamètre très fin.
Bobinage primaire
Le bobinage primaire est constitué d’un fil de cuivre de diamètre relativement important qui comporte peu de spires.
Support isolant multicouche
Le support isolant multicouche, parfois huilé, assure une isolation optimale entre les bobines.
Isolant
Avec le capot étanche, il maintient le noyau ferromagnétique en position.
Enveloppe
Robuste et produite avec les tolérances les plus strictes.
Principe de fonctionnement
Comment la bobine d’allumage transforme-t-elle une tension de 12 Volts en une haute tension de 30 000 volts et plus ? Le principe est relativement simple :
Lorsque l’on tourne la clef de contact, la borne 15 est connectée au pôle positif de la batterie alors que la borne 1 est reliée à la masse. Dès que le circuit électrique est fermé, le courant électrique passe par le bobinage primaire. (Principe de physique) Lorsque l’électricité traverse un conducteur électrique un champ magnétique se forme autour de celui-ci. On appelle ce phénomène l’électromagnétisme.
Si l’on ouvre le circuit électrique, le champ magnétique s’écroule et génère une impulsion électrique de 300 à 400 Volts dans le bobinage primaire. Ce processus génère lui-même un champ magnétique appelé « induction ».
Le rapport de spires entre le faible nombre de spire de la bobine primaire et le grand nombre de spires de bobine secondaire, partageant le même champ magnétique amplifié par la présence du noyau ferromagnétique, va transformer cette tension de 300 à 400 volts dans la bobine primaire en une tension de 30.000 à 40.000 volts en sortie de la bobine secondaire. C’est le principe de tout transformateur électrique (transformation).
Technologie simple étincelle
Il y a deux modes de fonctionnement fondamentaux à distinguer quand il s’agit de bobines d’allumage : «Technologie simple étincelle» et «Technologie double étincelle aussi appelée jumostatique ou à étincelle perdue».
Les bobines simple étincelle génèrent une haute tension au travers d’une sortie haute tension unique.
La forme la plus classique de bobine simple étincelle est la bobine cannette qui alimente un distributeur d’allumage auquel elle délivre une impulsion électrique haute tension unique et qui se charge de distribuer celle–ci au cylindre approprié en fonction de l’ordre d’allumage.
De nos jours, la technologie d’allumage mono-étincelle n’a jamais été aussi populaire chez les constructeurs automobiles mais sous la forme d’une évolution de la bobine connue sous le nom de bobine crayon, en contact direct avec la bougie, et qui délivre la tension nécessaire à chaque cylindre avec une plus grande précision.
Technologie double étincelle
Les bobines utilisant la technologie double étincelle, aussi appelée jumostatique, ou encore étincelle perdue sont des bobines avec plusieurs sorties haute tension qui alimentent en tension d’allumage deux bougies d’allumage simultanément.
Avec un ordre d’allumage classique, les cylindres 1 et 4 reçoivent simultanément l’impulsion haute tension, il en va de même pour les cylindres 2 et 3.
Cependant, en raison de la différence de timing, un seul de ces cylindres est dans la phase de Combustion-Détente, pendant laquelle le mélange air-carburant est enflammé.
L'autre cylindre se trouve dans la phase d'échappement. Une étincelle y est produite afin de compléter le circuit électrique mais elle s’éteint sans effet. C’est pour cela que l’on parle d’ "étincelle perdue".
Conception
Evolution de la bobine d’allumage
Au fil des années, de nombreux développements ont contribué au développement de différents types de bobines.
Initialement, la priorité portait sur la prévention des dysfonctionnements et l’amélioration de la fiabilité d’allumage.
Cependant, avec l’introduction du pot catalytique trois voies au début des années 1980 et l’injection directe, la fiabilité, la précision du contrôle et la spécification précise des différents paramètres de l’allumage, sont devenues de plus en plus importantes. La réponse à ces besoins fut rendue possible grâce aux systèmes électroniques.
Au cours du développement des moteurs «downsizés», qui répondent aux exigeantes normes EURO en réduisant les émissions de CO2 et la consommation de carburant, les demandes grandissent concernant le besoin en tension d’allumage, la résistance aux fortes températures, l’augmentation de la performance de transformation, la tolérance électromagnétique et la réduction du poids.
Aujourd’hui, il existe de nombreux types de bobines.
Bobine cylindrique
La bobine sèche est utilisée avec un distributeur d’allumage et est un des plus anciens types de bobines. Elle est utilisée sur les véhicules anciens et sur les voitures de collection.
Elle était généralement remplie d’huile qui servait d’isolant. Le problème : Les risques de fuites et de courts-circuits augmentent avec le temps.
Les bobines pour distributeur
Après la bobine cylindrique, des versions beaucoup plus compactes et plus puissantes ont été utilisées.
Cependant, une faiblesse importante de ce dispositif traditionnel d’allumage est restée : le distributeur mécanique. Tout composant comportant des pièces en mouvement est sujet à usure ; de plus, les distributeurs mécaniques peuvent aussi souffrir de moisissure et des problèmes de contact en fonction des conditions météos.
Rampe d’allumage
Plusieurs constructeurs automobiles ont eu l'idée de combiner plusieurs bobines d'allumage dans un système complet.
Un tel système de bobine d’allumage est connu sous le terme de «rails» et, peut être équipé d'un dispositif de mesure de courant ionique qui vérifie la qualité de la combustion.
Blocs bobines
Les véhicules doivent répondre de plus en plus à de nouveaux besoins : Ils doivent fonctionner plus efficacement, avec une consommation plus faible et de manière plus écologique.
La fiabilité et le contrôle de l’allumage joue ici un rôle particulier. Ceci a été rendu possible grâce au développement des blocs bobines avec module d’allumage, les représentants typiques des systèmes d’allumage avec une «distribution statique assemblée».
Bobines crayons
Au début du XXIe siècle, a commencé la triomphante percée des petits moteurs « Downsizés » qui, grâce au turbocompresseur, développent une puissance similaire aux plus gros moteurs, plus anciens.
En raison de fortes pressions et des mouvements plus rapides du mélange, ils nécessitent une haute tension plus élevée qui doit atteindre la bougie d’allumage sans perte de puissance, ni interférence avec l’électronique embarquée. Afin de répondre à ces besoins, les bobines crayons ont été développées pour générer la haute tension en étant directement montées sur la bougie d’allumage, sans utiliser de traditionnels faisceaux haute tension.
Bobine pour distributeur
La bobine pour distributeur est le type de bobine le plus ancien. Elle a été initialement produite sous forme de bobines cylindriques remplies d’huile ou d’asphalte pour l’isolation.
La version la plus moderne est le bloc bobine avec ou sans amplificateur intégré (module d’allumage). En fonction du véhicule, soit il se trouve dans le distributeur, soit il est installé dans le compartiment moteur.
Les bobines d’allumage envoient la haute tension au distributeur rotatif. Le distributeur envoie l’impulsion aux cylindres respectifs par les câbles haute tension en fonction de l’ordre d’allumage. La tension maximale qui peut être générée par ce type de bobine est de 30000 Volts.
Distributeur mécanique
Ici, vous pouvez voir un schéma de la distribution de la haute tension utilisant un distributeur mécanique.
Un doigt d’allumeur fixé sur la partie supérieure du rotor tourne en dessous de la tête d’allumeur. Comme le rotor passe sur les surfaces de contact individuelles des cylindres, la haute tension est distribuée aux cylindres respectifs.
Bobine pour distributeur : vue à 360°
Bloc bobine
Dans un bloc bobine, plusieurs bobines d'allumage sont réunies et déclenchent plusieurs bougies d'allumage par l'intermédiaire de câbles d'allumage. La plupart des bobines blocs utilisent la technologie double étincelle.
Selon les exigences du fabricant, un bloc bobine alimente donc au moins deux bougies d'allumage. Un bloc bobine avec 4 sorties haute tension avec la technologie simple étincelle, peut alimenter un moteur 4 cylindres en entier.
Les blocs bobines fonctionnent avec la distribution statique assemblée. Ils sont déclenchés avec l’aide du module d’allumage qui contrôle le moment précis d’allumage en fonction des conditions moteur. Selon le véhicule, le module d’allumage peut être intégré à la bobine ou faire partie du système de contrôle moteur.
Un bloc bobine peut générer une tension maximum de 36 000 volts.
Bloc bobine: Architecture
Clairement visible sur cette vue en coupe : Deux bobines d’allumage ont été intégrées dans le bloc bobine.
Dans les bobines de haute qualité, une résine époxy est versée à l’intérieur du bloc bobine avec un procédé de moulage sous vide. Cela crée une isolation optimale, une haute densité est garantie et aucune bulle d’air ne peut être emprisonnée à l’intérieur du bloc bobine.
Bobine crayon
Il y a peu d’espace disponible dans les moteurs modernes “downsizés”. De plus, les besoins grandissant en hautes tensions sont nécessaires et l’électronique embarquée sensible toujours plus présente doit être protégée des interférences électromagnétiques.
La bobine crayon a été développée pour répondre à cette demande. Ce type de bobine est monté directement sur la bougie d’allumage. La bobine utilise le puits de bougie existant dans la culasse et ne prend donc pas d’espace supplémentaire dans le compartiment moteur.
Les bobines crayons avec la technologie simple étincelle offrent un avantage : la haute tension est générée juste avant chaque bougie et n’est pas transportée par des câbles haute tension. Une perte de rendement est pratiquement impossible.
Avec les bobines crayons avec la technologie double étincelle, une seule bougie d’allumage est alimentée sans câble d’allumage et un câble haute tension est nécessaire pour la connexion à la deuxième bougie.
Les bobines crayons peuvent générer une haute tension maximum de 40000 Volts.
Bobine crayon (suite)
Les bobines crayons sont montées sur les véhicules avec un allumage entièrement électronique.
La bobine d’allumage est contrôlée via le système de contrôle moteur ou via le module d’allumage intégré à la bobine.
Dans la version simple étincelle, les bobines crayons ont une diode de haute tension pour supprimer l’étincelle d’éclatement.
Les bobines double étincelle n’utilisent pas de diode et alimentent simultanément deux bougies d’allumage avec la tension nécessaire.
Bobine rampe
Avec les rampes d’allumage, appelées “rails”, plusieurs bobines crayons sont combinées en un seul composant.
Comme les bobines crayons, les systèmes complets sont donc disponibles avec les technologies simple et double étincelle, avec ou sans module d’allumage.
Dans la version simple étincelle, les bobines rampes nécessitent aussi une diode de haute tension pour éviter le pré-allumage avec une étincelle d’éclatement.
Les bobines rampes peuvent générer une haute tension maximum de 40000 Volts.
Bobine rampe (suite)
Ici dans la vue en coupe: un système complet pour un moteur quatre cylindres. Ce système particulier combine deux bobines crayons avec la technologie double étincelle dans un boîtier. Chacune des deux bobines d’allumage alimente deux bougies d’allumage en haute tension par l’intermédiaire de deux ressorts de contacts de compression.
Spécifications
Exigences électriques
Les exigences électroniques dans les bobines d’allumage sont immenses. Il ne doit pas y avoir de flashover entre les enroulements de fils (court-circuit interne), et la haute tension produite ne doit pas frapper la masse. De plus, le champ magnétique produit par la bobine d’allumage ne doit pas interférer avec les autres composants électriques. La bobine doit également se protéger elle-même des interférences.
Comme l’air est un bon conducteur, la qualité du composé de moulage à l’intérieur de la bobine est extrêmement importante. Idéalement, la résine est versée grâce à un processus de moulage sous vide, de sorte qu’aucune bulle d'air ne reste emprisonnée à l'intérieur. L’air n’étant pas un isolant électrique optimal, toute bulle emprisonnée pourrait permettre le passage de la haute tension vers la masse. L’enroulement lui-même joue un rôle important: plus le fil est enroulé avec soin, plus le risque de court-circuit interne diminue.
Exigences thermiques
Autres exigences
Une bobine d’allumage doit respecter de nombreuses autres exigences pour garantir un bon fonctionnement. D’une part, les dimensions doivent être correctes et l’ajustement mécanique doit être précis. Si ce n’est pas le cas, du stress mécanique se produit dans l‘enveloppe de la bobine et peut provoquer sa dégradation.
A l‘intérieur de la bobine et l'extérieur du boîtier, tous les matériaux, les composants, les câbles, les points de soudure et les connexions doivent respecter les normes élevées de l'industrie automobile. De la qualité des matières plastiques utilisées à l'ajustement exact des joints d'étanchéité en passant par la fabrication parfaite des noyaux de fer.
Installation
Choisir la bobine appropriée
La gamme de bobine d’allumage NGK offre des bobines adaptées pour la plupart des véhicules en Europe. Ces bobines sont divisées en 6 catégories.
Les deux premiers caractères de notre système de numérotation donnent de nombreuses informations sur le type de bobine, le nombre de bobines et le nombre de câbles haute tension nécessaire au véhicule.
U1 000
Une bobine d’allumage NGK de la catégorie U1 est une bobine exclusivement destinée aux véhicules avec distributeur mécanique d’allumage. La bobine fournit donc la haute tension aux bougies d’allumage via un distributeur. Important pour l’entretien du véhicule : ici, le nombre de câbles haute tension correspond au nombre de bougies d’allumage. Par ailleurs, un câble supplémentaire est nécessaire pour le distributeur.
U2 000
Une bobine dont le nom commence par U2 est un bloc avec plusieurs sorties haute tension. Une bobine de ce type alimente plusieurs bougies à la fois. Selon le véhicule, une ou plusieurs de ces bobines d’allumage sont nécessaires. En général, une bobine par culasse est nécessaire. Le nombre de faisceaux haute tension correspond au nombre de bougies.
U3 000
Ici vous pouvez voir un bloc avec deux sorties haute tension. Une bobine alimente deux bougies d’allumage simultanément avec une impulsion haute tension.
Ce type de bobine possède la désignation U3 dans le système de numérotation NGK. Selon l’application, plusieurs bobines sont nécessaires pour un véhicule. Le nombre de câbles haute tension correspond aux nombres de bougies d’allumage.
U4 000
U4 Bobine crayon 2 sorties. Elle est aussi appelée « bobine tige ou bobine champignon». Cette version appelée U4 alimente deux bougies en haute tension. Cette bobine est montée directement sur la première bougie. Un câble d’allumage est nécessaire par bobine.
U5 000
Nous arrivons maintenant à la bobine crayon avec la technologie simple étincelle. Elle porte le nom U5 et alimente une seule bougie. Aucun faisceau haute tension n’est nécessaire.
U6 000
Pour finir, la gamme NGK inclut également les bobines rampes. Ce sont des bobines d’allumage regroupées dans un système complet, pour que toutes les bougies d’allumage soient alimentées en tension. Un tel système d’allumage ne nécessite généralement pas de câbles d’allumage.
Conseils d’installation
Une installation correcte est indispensable afin de permettre à la bobine d’allumage d’effectuer son travail de manière optimale pendant toute sa durée de vie.
Il faut généralement éviter de forcer lors du montage. Si une bobine d’allumage ne convient pas, il faut de nouveau vérifier qu’elle soit adaptée au véhicule.
De même en ce qui concerne les embouts des bougies d’allumage et des faisceaux. Ils doivent correspondre aux connexions respectives des bobines d’allumage. Si une connexion incorrecte est utilisée, les contacts brûleront.
Enfin les outils appropriés doivent toujours être utilisés. En particulier dans le cas où des outils spéciaux sont disponibles. Les bobines crayons montées directement dans les puits de bougies, par exemple, risquent de casser si elles sont inclinées.
Enfin, les vis de fixation de la bobine d’allumage doivent être serrées au couple de serrage préconisé.
Diagnostic
Mesurer la résistance des blocs bobines - U2001
Le fonctionnement d’un bloc bobine peut être testé en mesurant la résistance électrique avec un ohmmètre. La bobine peut être testée après avoir été déposée. La résistance électrique est mesurée sur le circuit secondaire.
Mesurer le champ magnétique
Comme la mesure de la résistance, la mesure du champ magnétique est particulièrement rapide et simple pour contrôler le fonctionnement d’une bobine.
Une bobine d’allumage qui fonctionne produit un champ magnétique. Cette force donne des informations sur la capacité fonctionnelle de la bobine.
Pour se faire, le détecteur doit être maintenu au-dessus le composant électrique à contrôler. Un signal acoustique et des DEL allumées permettent d’avoir immédiatement des informations sur la capacité de fonctionnement.
Comment contrôler une bobine d’allumage avec ce système :
- Mettre en marche le testeur
- Maintenir l’extrémité du détecteur parallèlement au-dessus du bobinage, comme décrit dans les instructions.
- Lire le résultat avec les DEL
