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Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 1 | P a g e
Rapport de stage:
Diagnostic et Maintenance Automobile
SALEK Younes
Mai 2019 à Septembre 2019
Formation : Ingénierie en Mécatronique
Entreprise d’accueil : Salma Mek – 18 rue El Amal Riad, 50000 MEKNES
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 2 | P a g e
Table des matières
1. REMERCIEMENT 8
2. INTRODUCTION 9
3. RESUME 10
5. PROBLEMATIQUE 12
6. LES VEHICULES 13
6.1. Voiture Diesel 13
6.1.1. Principe de fonctionnement 14
6.1.1.1. Architecture 14
6.1.1.2. Combustion 16
6.1.2. Avantages 17
6.1.2.1. Rendement 17
6.1.2.2. Robustesse 18
6.1.2.3. Progrès en dépollution 18
6.1.3. Inconvénients techniques 19
6.1.4. Technologies associées 19
6.1.4.1. Suralimentation 20
6.1.4.2. Injection directe 21
6.1.4.3. Préchauffage 22
6.1.4.4. Filtre à particules 23
6.1.4.5. Recirculation des gaz d'échappement 25
6.1.4.6. Réduction catalytique sélective 25
6.1.4.7. Diagnostic embarqué 26
6.2. Voiture essence 27
6.2.1. Moteur à allumage commandé 27
6.2.1.1. Évolution des techniques 29
6.2.1.1.1. Allumage 29
6.2.1.1.2. Alimentation carburant 29
6.2.1.1.3. Soupapes 30
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 3 | P a g e
6.2.1.2. Nouvelles politiques anti-pollution 31
6.2.2. Combustion 33
6.2.2.1. Généralités 33
6.2.2.2. Auto-inflammation 34
6.2.2.3. Contrôle des gaz d'échappement 36
6.2.2.3.1. Polluants émis 36
6.2.2.3.2. Traitement des gaz d'échappement 37
6.2.3. Allumage 38
6.2.3.1. Allumage électromécanique 38
6.2.3.2. Allumage électronique 40
6.2.4. Injection 41
6.2.5. Lubrification et refroidissement 42
6.2.6. Suralimentation 43
6.2.7. Avantages et inconvénients 46
6.3. Voiture hybride 48
6.3.1. Moteur hybride 48
6.3.2. Principes de fonctionnement des moteurs hybrides 49
6.3.3. Les avantages de l’hybride 53
6.3.4. Les inconvénients de l’hybride 54
6.4. Voiture électrique 55
6.4.1. Fonctionnement d’une voiture électrique 56
6.4.1.1. Architecture d'une voiture électrique 56
6.4.1.2. Gestion et modulation des flux électriques 57
6.4.1.3. Stockage de l'énergie 57
6.4.1.4. Pile à combustible 58
6.4.1.5. Moteur électrique 59
6.4.1.6. Transmission 61
6.4.1.7. Embrayage 62
6.4.2. Avantages et inconvénients de la voiture électrique 62
6.4.2.1. Avantages 62
6.4.2.2. Inconvénients 64
7. LES SYSTEMES EMBARQUES 65
7.1. Introduction 65
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 4 | P a g e
7.2. Les Systèmes embarqués dans l’automobile 66
7.2.1. Contexte 66
7.2.2. Le temps réel 68
7.3. Fonctionnement des systèmes embarqués 69
7.3.1. Composition d’un système embarqué 69
7.3.1.1. Calculateur 69
7.3.1.2. Actionneurs 70
7.3.1.3. Capteurs 71
7.3.1.4. Communication 80
7.3.2. Architecture système automobile 81
7.3.3. Exemple de fonctionnement 83
7.3.3.1. Système de freinage (ABS) 83
7.3.3.2. Système de détection de pluie 84
7.4. Conclusion 87
8. DIAGNOSTIQUER L’AUTOMOBILE 88
8.1. LE PROCESSUS DE DIAGNOSTIC 88
8.2. Diagnostic électronique automobile 89
8.2.1. Diagnostic électronique 89
8.2.2.Fonctionnement de l’appareil de diagnostic électronique 90
8.2.3.Les points de contrôle du diagnostic électronique 92
8.3. Les outils de diagnostic, de mesure et de contrôle 93
8.3.1.LES APPAREILS DE DIAGNOSTIC 93
8.3.2.Les outils de mesure et de contrôle
9. Solution de la problématique 99
9.1. Description du problématique 99
9.2. Maintenance du calculateur de voiture 100
9.3. Suggestion de la solution 100
9.4. Unité de refroidissement du calculateur. 100
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 5 | P a g e
9.4.1.Description 100
9.4.2.Composants principaux 100
9.5.Simulation et programmation 101
9.5.1.Simulation 101
9.5.2.Programmation 101
9.6. Fonctionnement du système 102
9.7. CONCLUSION 103
10. CONCLUSION 107
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 6 | P a g e
Liste des Figures
Figure 1 : Éclaté didactique d'un moteur Diesel avec sa boîte de vitesses.................................................................................... 13
Figure 2 : Diagramme pression-volume du cycle d'un moteur Diesel......................................................................................... 15
Figure 3 : Moteur Diésel Mercedes Benz ................................................................................................................................................ 17
Figure 4 : STARK Turbocompresseur, suralimentation ...................................................................................................................... 21
Figure 5 : Éclaté de moteur MAN, avec injection directe par rampe commune........................................................................ 22
Figure 6 : Bougie de préchauffage diesel................................................................................................................................................ 23
Figure 7 : Filtre à particule........................................................................................................................................................................... 24
Figure 8 : Système EGR Volkswagen 2.0 TDI......................................................................................................................................... 25
Figure 9 Convertisseur catalytique ou bien le catalyseur ................................................................................................................. 26
Figure 10 : Appareil OBD pour la diagnostique................................................................................................................................... 27
Figure 11 : Moteur essence Opel............................................................................................................................................................... 28
Figure 12:Graphique de performances (puissance, couple, consommation) d'une Daewoo Matiz de 796 cm3........... 29
Figure 13 : Soupapes d’admission et d’échappement du moteur ................................................................................................... 31
Figure 14 : Illustration de la technologie hybride HSD sur une Toyota Prius............................................................................ 33
Figure 15 : Molécule d'octane modélisant l'essence............................................................................................................................ 34
Figure 16 : Le phénomène de cliquetis engendre une augmentation rapide et anormale de la pression......................... 35
Figure 17 :Le dioxyde d'azote est particulièrement nocif pour la santé....................................................................................... 36
Figure 18 :Pot d’échappement.................................................................................................................................................................... 38
Figure 19 : Schéma d'un système d'allumage électromécanique.................................................................................................... 40
Figure 20 : Le faisceau d'allumage, ici en jaune, relie l'allumeur aux bougies d'allumage. .................................................. 41
Figure 21 : Cartographie de l'injection de carburant ......................................................................................................................... 42
Figure 22 : Entrée d'air du turbocompresseur ...................................................................................................................................... 46
Figure 23 : Dispositif de partage de la puissance................................................................................................................................. 48
Figure 24 : L’hybridation série.................................................................................................................................................................... 49
Figure 25 : L’hybridation parallèle............................................................................................................................................................ 49
Figure 26 : Moteur Hybride......................................................................................................................................................................... 51
Figure 27 : Cycle de fonctionnement d’une voiture hybride ........................................................................................................... 51
Figure 28 : Moteur hybride d’une voiture KIA ..................................................................................................................................... 52
Figure 29 : Système full hybrid parallèle................................................................................................................................................ 53
Figure 30 : Disposition d’un moteur hybride les deux moteurs électriques et essence sont séparé par un volant
moteur ................................................................................................................................................................................................................ 54
Figure 31 : L’architecture de la Golf GTE................................................................................................................................................ 55
Figure 32 : Moteur et batterie d’une voiture électrique (Nissan)................................................................................................... 58
Figure 33 : Efficacité énergétique des voitures thermiques en ville et sur autoroute.............................................................. 64
Figure 34 : Fonctions d’un véhicule moderne....................................................................................................................................... 66
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 7 | P a g e
Figure 35 : Calculateur d’un véhicule ..................................................................................................................................................... 67
Figure 36 : Les différents types d’ECU...................................................................................................................................................... 68
Figure 37 : Représentation d’un système en temps réel avec son environnement.................................................................... 69
Figure 38 : Représentation d’un calculateur moteur et ses interactions...................................................................................... 70
Figure 39 : Communication capteur – calculateur – actionneur................................................................................................... 80
Figure 40 : Chaine des composants électroniques.............................................................................................................................. 81
Figure 41 :Changement de méthode de communication automobile........................................................................................... 82
Figure 42 : Capteur de vitesse et roue dentée....................................................................................................................................... 83
Figure 43 : Représentation de la diffraction d’un signal lumineux............................................................................................... 85
Figure 44 : Canaux de communication des véhicules actuels......................................................................................................... 86
Figure 45 : Connexion entre l’appareil et le véhicule....................................................................................................................... 92
Figure 46: Lecture des défauts après l’analyse d’un véhicule.......................................................................................................... 93
Figure 47 : Appareil DELPHI 150E OBD pour la diagnostic........................................................................................................... 93
Figure 48 : Figure Interface graphique de logiciel DELPHI.............................................................................................................. 94
Figure 49: Multimètre numérique............................................................................................................................................................ 95
Figure 50 : Diagnostic des signaux des capteurs par L'oscilloscope.............................................................................................. 96
Figure 51 : Testeur de circuit...................................................................................................................................................................... 96
Figure 52: Testeur système Common Rail............................................................................................................................................... 97
Figure 53 : La boîte à bornes....................................................................................................................................................................... 97
Figure 54 : Testeur réseau multiplexé .................................................................................................................................................... 98
Figure 55 : Pince ampèremétrique............................................................................................................................................................ 99
Figure 56 : Analyseur de Gaz....................................................................................................................................................................100
Figure 57 : Opacimètre...............................................................................................................................................................................100
Figure 58: Calculateur Mercedes C220 CDI .......................................................................................................................................101
Figure 59:Simulation sur ISIS du circuit...............................................................................................................................................103
Liste des tableaux
Tableau 1 :Exemples d’actionneurs .......................................................................................................................................................... 71
Tableau 2 : Exemples de capteurs ............................................................................................................................................................ 72
Tableau 3: Classification réseaux selon la SAE...................................................................................................................................... 82
« Les clients sont la raisons pour laquelle vous existez »
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 8 | P a g e
1. Remerciement
n premier lieu, je tiens à remercier mon maître de stage, M.
Hamid, directeur de l’entreprise Salma Mek. Un grand merci
pour son accueil chaleureux au sein de l’entreprise qu’il
dirige, ainsi que pour sa patience et ses précieux conseils. Il
m’a beaucoup appris sur son entreprise et les défis qu’un
directeur d’entreprise doit relever au quotidien.
Je saisis également cette occasion pour adresser mes profonds
remerciements aux responsables et au personnel de la faculté des sciences
techniques Fès. Ils ont toujours été à mon écoute et ont su m’apporter un
soutien sans faille.
Je désire aussi remercier les professeurs de la faculté des sciences techniques
Fès, qui m’ont fourni les outils nécessaires au bon déroulement de mon
stage.
Un grand merci à mes parents, pour leurs conseils, ainsi que pour leur
soutien inconditionnel, à la fois moral et économique.
E
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 9 | P a g e
2. Introduction
Toutes les études montrent bien que l'électrique n'est pas 100%
propre, mais cette technologie fait mieux aujourd'hui que l'essence
ou le diesel. Les études varient également beaucoup selon le mix
énergétique du pays émetteur, où l'électrique perd son intérêt en
Chine ou États-Unis, mais est bien plus vertueux en France.
Des efforts restent à faire sur la pollution engendrée lors de la
production des batteries, mais elle devrait nettement baisser dans les
années à venir grâce à l'amélioration des procédés et de l'énergie
renouvelable. L'hybride rechargeable, pour sa part, représente à ce
jour la solution la plus verte du marché, mais demande une
technologie compliquée et encore chère, qu'on trouve
essentiellement sur des gros SUV et des berlines.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 10 | P a g e
3. Résume
Traquer l’origine de la panne elle est la mission principale d’un
Mécatronicien automobile, surtout les pannes les plus présentes
dans les véhicules modernes. Il consacre la majeure partie de son
activité à poser un diagnostic sur un dysfonctionnement. À partir
des informations fournies par le conducteur, et au vu de ses propres
observations, il réalise une série de tests à l’aide de matériels très
sophistiqués. L’interprétation des résultats lui permet d’identifier
l’origine de la défaillance. Il peut dès lors établir la liste des travaux à
effectuer et des pièces à changer, puis arrêter le planning de
l’intervention. Vient ensuite la phase de réparation proprement dite.
Le mécanicien démonte les organes défectueux, remplace ou remet
en état les éléments endommagés. Puis, il effectue les réglages
nécessaires en suivant les recommandations du constructeur. Il
procède aux essais sur route, et réalise les dernières mises au point.
L’intervention terminée, il rend le véhicule à son conducteur et lui
explique en détail ce qui a été fait.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 11 | P a g e
4. Abstract
Tracking the origin of the breakdown it is the main mission of an
automotive Mechatronician, especially the most common breakdowns in
modern vehicles. He devotes most of his activity to diagnosing a
malfunction. On the basis of the information provided by the driver, and
in the light of his own observations, he carries out a series of tests using
very sophisticated equipment. The interpretation of the results allows
him to identify the origin of the failure. He can therefore draw up a list
of the work to be done and the parts to be changed, and then stop the
intervention schedule. Then comes e actual repair phase. The mechanic
disassembles defective components, replaces or restores damaged
components. It then makes the necessary adjustments in accordance with
the manufacturer’s recommendations. It carries out road tests and carries
out the latest developments. When the intervention is complete, he
returns the vehicle to his driver and explains in detail what has been
done.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 12 | P a g e
5. Problématique
Le calculateur moteur est l’un des éléments centraux du véhicule. Il gère en
effet les informations électroniques des différents capteurs se trouvant dans le
véhicule.
Selon le véhicule, ce boîtier est logé au sein du bloc moteur, dans l'habitacle ou
même dans le coffre. Il subit donc des contraintes de fonctionnement temps-réel et
environnementales fortes. Ne comportant aucune pièce en mouvement, celui-ci
n'est pas particulièrement fragile mais il est tout de même soumis à la température,
à l'hygrométrie, à la pression atmosphérique, aux vibrations et aux différences de
tension d'alimentation qui risquent de l’endommager et de perturber son
fonctionnement.
Les conducteurs pensent souvent que l’hiver est la saison la plus difficile à
supporter pour leur voiture et prennent beaucoup de précautions comme se garer
à l’intérieur pour la protéger, ils oublient que l’été comporte son lot
d’inconvénients. Pendant la journée, la chaleur, les rayons du soleil et la baisse
significative de température qui peut se produire pendant la nuit peuvent impacter
grandement le bon fonctionnement du véhicule en particulier le calculateur
moteur. Pour ce fait on va focaliser sur la seule contraint de température qui est
très essentielle et importante pour les composants situent au niveau de calculateur.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 13 | P a g e
6. Les véhicules
6.1. Voiture Diesel
Toujours lorsque on parle d’une voiture diesel on s’intéresse à son moteur
diesel, qui s’appelé également moteur à allumage par compression, est un moteur à
combustion interne dont l'allumage est spontané lors de l'injection du carburant,
par phénomène d'auto-inflammation lié aux températures élevées dans la chambre
de combustion. Celles-ci sont atteintes grâce à un fort taux de compression
(rapport volumétrique de 14 à 25:1), permettant d'obtenir une température de 700
à 900 °C. Pour le démarrage des petits moteurs des bougies de préchauffage sont
souvent utilisées pour permettre un meilleur démarrage à froid, en augmentant,
temporairement, la température d'un point de la chambre de combustion. Pour les
moteurs de bateaux et les gros moteurs fixes à fioul lourd, on chauffe celui-ci à
haute température pour permettre le démarrage. Le moteur Diesel peut être à deux
temps (surtout sur les navires, avec suralimentation par compresseur et injection
pneumatique) ou à quatre temps.
Figure 1 : Éclaté didactique d'un moteur Diesel avec sa boîte de vitesses
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 14 | P a g e
6.1.1. Principe de fonctionnement
6.1.1.1.Architecture
Dans Comme le moteur thermique à essence, le moteur Diesel est constitué
d'un vilebrequin et de pistons, qui lui sont reliés par des bielles, et qui coulissent
dans des cylindres percés. L'ensemble est recouvert d'une culasse, où des soupapes,
grâce à un arbre à cames lui-même actionné par le vilebrequin, ouvrent et ferment
alternativement ces espaces, reliés aux collecteurs d'admission et d'échappement.
Dans les systèmes modernes à injection directe, de l'air est aspiré dans la chambre
de combustion (le volume libéré par le piston dans le cylindre), puis, autour du
point mort haut, du gazole est à son tour injecté. Le mélange ainsi formé est alors
compressé par la rotation du vilebrequin, entre en combustion, puis est évacué
dans l'échappement.
Variante de celui de Beau de Rochas, le cycle Diesel se décompose aussi en quatre
temps :
 Admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la descente du
piston.
 Compression de l'air par remontée du piston, la soupape d'admission étant
fermée.
 Temps moteur : peu avant le point mort haut on introduit, par une
injection, le carburant qui se mêle à l'air comprimé. La combustion rapide
qui s'ensuit constitue le temps moteur : les gaz chauds repoussent le piston,
libérant une partie de leur énergie. Celle-ci peut être mesurée par la courbe
de puissance moteur.
 Échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement,
poussés par la remontée du piston.
La spécificité du Diesel tient à son auto-inflammation dans la chambre.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 15 | P a g e
Figure 2 : Diagramme pression-volume du cycle d'un moteur Diesel
Dans un moteur Diesel
On profite des propriétés du gazole en présence d'air pour rechercher cette
auto-inflammation. On ajuste la proportion de carburant injecté à débit d'air
entrant constant, et la compression elle-même qui fait monter le mélange en
pression et en température. La combustion n'est en fait idéale qu'aux endroits de la
chambre qui sont en présence des bonnes conditions, à la fois de concentration,
de pression et de température. Pour compenser ce problème, on augmente la
compression du mélange, notamment par un excès d'air admis. Cette méthode
permet de limiter l'émission de gaz imbrûlés, mais conduit à d'autres
inconvénients, comme la formation d'oxydes d'azote (NOx) et le besoin d'avoir
recours à des pièces beaucoup plus résistantes. Afin de permettre l'auto-
inflammation du mélange, l'air entrant est comprimé à hauteur de 20:1 (environ
35 bars), et sa température portée de 600 à 1 500 °C environ. Sitôt le carburant
injecté (pulvérisé sous la forme d'un brouillard de fines gouttelettes), il s'enflamme
presque instantanément, sans qu'il soit nécessaire de recourir à un allumage
commandé par bougie. En brûlant, le mélange augmente fortement la température
et la pression dans le cylindre (60 à 100 bars), repoussant le piston et entraînant,
via la bielle, la rotation du vilebrequin.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 16 | P a g e
6.1.1.2.Combustion
La combustion qui s'opère dans les cylindres d'un moteur Diesel consiste en
l'oxydation vive du carburant par le dioxygène présent dans l'air. Les produits de
cette réaction se résumeraient au dioxyde de carbone et à l'eau si le carburant ne
contenait que des hydrocarbures et si la combustion était complète et non
accompagnée de réactions secondaires. La combustion est exothermique, c'est-à-
dire qu'elle dégage de la chaleur.
Si on suppose le carburant entièrement constitué d'hexadécane, la réaction de
combustion interne du moteur Diesel peut être décrite, en première
approximation, par l'équation de la combustion complète de l'hexadécane :
,
Soit :
La chaleur dégagée étant d'environ 9 951 kJ (PCI) par mole d'hexadécane brûlée.
Dans les conditions stœchiométriques de la combustion « neutre » (sans excès
d'oxygène), il faut 3,46 g de dioxygène pour brûler 1 g d'hexadécane, soit, pour une
combustion à l'air, 14,96 g d'air (supposé sec) par gramme d'hexadécane. Cette
combustion neutre dégage, pour chaque gramme d'hexadécane brulé :
En pratique, le ratio utilisé dans les moteurs Diesel est plutôt de 30 g d'air par
gramme de gazole. Les gaz résiduaires de la combustion Diesel réelle comportent
donc principalement du diazote, du dioxygène, du dioxyde de carbone, de la
vapeur d'eau et de l'argon ; viennent s'y ajouter divers polluants résultant du
caractère imparfait de la combustion principale et de l'existence de diverses
réactions secondaires.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 17 | P a g e
6.1.2. Avantages
6.1.2.1. Rendement
Les raisons du succès du moteur Diesel dans l'automobile, au-delà
d'avantages fiscaux qui relèvent de choix plutôt politiques que techniques,
tiennent essentiellement à son rendement supérieur à celui du moteur à essence
du fait d'un taux de compression plus élevé. En résulte une consommation
volumique de carburant plus faible que dans un moteur essence.
Le rendement du Diesel profite encore de l'apport de technologies comme la
suralimentation ou l'injection directe, combinées à une pulvérisation plus fine et
mieux contrôlée du gazole dans la chambre de combustion, et à une gestion plus
précise des ouvertures et fermetures des soupapes.
Figure 3 : Moteur Diésel Mercedes Benz
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 18 | P a g e
6.1.2.2.Robustesse
Le moteur Diesel peut brûler de l'huile végétale à la place du gazole. Pendant
la Seconde Guerre mondiale, devant la pénurie de pétrole, des recherches ont
d'abord été menées pour développer l'huile végétale en tant que carburant
alternatif, mais elles finiront par être abandonnées face à la concurrence du bois et
au réapprovisionnement progressif en pétrole.
Il est aujourd'hui possible de faire usage d'un tel carburant dans une automobile
de tourisme, à condition d'adapter son circuit d'alimentation et de surveiller son
entretien, l'huile végétale présentant par rapport au gazole une plus grande
viscosité, un indice de cétane plus bas et des impuretés spécifiques. De nouveaux
carburants à base végétale transformés et raffinés sont par ailleurs en cours d'étude,
comme le diester et le NExBTL, mais ils restent encore coûteux à mettre en œuvre
comparés aux huiles végétales brutes recyclées.
Les poids lourd se peuvent également recourir à une émulsion d'eau dans le gazole
(de l'ordre de 10 à 15 % du mélangée). D'une part, les gouttes de carburant
injectées dans la chambre de combustion voient leur taille diminuer, ce qui
conduit à une meilleure combustion, et donc moins de particules rejetées. De
l'autre, la présence d'eau dans la chambre réduit sa température, limitant ainsi
l'émission de NOx. La technique impose toutefois un moteur suffisamment
robuste (matériaux résistant à l'oxydation générée par l'eau, système d'injection
adapté), et entraîne une augmentation de la consommation.
6.1.2.3. Progrès en dépollution
De même que les autres systèmes de motorisation, le moteur Diesel a connu
des améliorations au cours des dernières décennies. L'avantage principal de ce
type de moteur est de produire à consommation égale, du fait de son rendement
supérieur, des émissions de CO2 de l'ordre de 10% plus faibles que son équivalent
essence. Il engendre également moins de monoxyde de carbone (qui s'oxyde
rapidement en dioxyde de carbone dans l'atmosphère) et d'hydrocarbures imbrûlés
que les moteurs à essence. L'arrivée progressive des filtres à particules et des
systèmes SCR et EGR a contribué en outre à limiter les émissions de NOx et de
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 19 | P a g e
particules fines, même si celles-ci restent beaucoup plus élevées que sur les moteurs
à essence.
6.1.3. Inconvénients techniques
Poids :
Les premiers moteurs Diesel étaient beaucoup plus lourds, bruyants et bien moins
puissants que leurs homologues à essence. Ces inconvénients ont été partiellement
éliminés sur les véhicules modernes grâce, en particulier, au turbocompresseur à
géométrie variable, à l'injection directe à rampe commune ou à l'injection très
haute pression. Cependant, à puissance égale, ces moteurs restent plus lourds que
leurs homologues à essence du fait des contraintes mécaniques et thermiques plus
élevées.
Souplesse :
La plage de rotation du moteur Diesel étant plus réduite que celle d'un moteur à
essence, il a besoin pour une utilisation automobile de plus de rapports dans la
boite de vitesse. De plus le meilleur rendement ainsi que sa pollution au CO2
minimale est généralement obtenu dans une plage assez étroite de rotation et de
température, le cantonnant théoriquement à une utilisation continue à vitesse
constante ou à une utilisation statique.
6.1.4. Technologies associées
L'optimisation des moteurs Diesel au fil des années a conduit au
développement de technologies nouvelles, en particulier dans les domaines de la
combustion et de la dépollution. Ce sont elles qui permettent aux constructeurs de
passer les normes toujours plus contraignantes en vigueur. Le groupe Volkswagen
a ainsi pu homologuer fin 2008 différents modèles (Q7, Jetta, A4…) aux États-
Unis, pourtant soumis aux très sévères normes Tier2, Bin5, et LEV 2 en
Californieh, (mais il est apparu en 2015 lors de l'affaire Volkswagen que ces
normes n'étaient pas toujours respectées). Ces technologies se sont également
généralisées aux camions, contraints de respecter les niveaux d'émission Euro VI
depuis le 31 décembre 2013.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 20 | P a g e
6.1.4.1. Suralimentation
La suralimentation est une technique permettant d'améliorer le rendement
du moteur. Elle consiste à augmenter le taux de compression de l'air aspiré pour
accroître celui du mélange. On utilise pour cela un compresseur, qui augmente la
quantité d'air introduite dans le moteur pour une même quantité de gazole. Cet
apport supplémentaire en oxygène lutte contre la formation de gaz chauds non
propices à la combustion, permettant ainsi d'augmenter le taux de détente des gaz,
et donc la puissance engendrée, sans pour autant injecter plus de carburant. La
technique a d'abord fait ses preuves dans l'aviation, où l'altitude induit une
réduction de la densité de l'air entrant (donc de sa teneur en oxygène), mais s'est
ensuite répandue à tous les moteurs thermiques.
Il existe un grand nombre de solutions pour comprimer l'air d'admission. On peut
citer notamment :
Le compresseur mécanique, entraîné par le vilebrequin du moteur, au prix d'un
rendement diminué ;
Le turbocompresseur (ou turbo), entraîné par une turbine mise en mouvement par
le passage des gaz d'échappement, au prix d'un écoulement gêné. Les modèles les
plus récents sont « à géométrie variable » (TGV), technologie qui leur permet d'être
plus performants à bas régime ; l'échangeur de pression « Comprex » de la marque
ABB, où le vilebrequin entraîne un rotor muni de cellules, qui permettent aux gaz
d'admission et d'échappement d'échanger alternativement leurs pressions.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 21 | P a g e
Figure 4 : STARK Turbocompresseur, suralimentation
6.1.4.2. Injection directe
Cette technique consiste à injecter le carburant directement dans la chambre,
et non plus en amont comme dans les systèmes à injection indirecte. Elle permet
de contrôler précisément la zone où on injecte le gazole, et d'ainsi optimiser la
combustion du mélange.
Si l'injection directe existe depuis les débuts du Diesel, elle a longtemps été
réservée aux moteurs lents utilisés dans l'industrie, la navale ou les poids-lourds.
Des raisons techniques (fumées et bruit supérieurs, gradient de pression trop élevé)
contraignaient à utiliser des pistons très solides et très lourds, incompatibles avec
des encombrements réduits et des vitesses d'utilisation élevées. Il faut attendre
1986 et le Toyota Land Cruiser HJ61 pour voir le premier moteur Diesel à
injection directe (le célèbre 12HT) installé sur un véhicule particulier80. Il sera
suivi deux ans plus tard par celui de la Fiat Croma TDidi.
De nouveaux dispositifs sont apparus dernièrement pour contrôler plus finement
encore la qualité d'injection. Certains moteurs sont ainsi équipés d'injecteurs-
pompe, qui régulent la pression d'injection individuellement dans chaque
cylindre81. D'autres utilisent une rampe commune, où, à l'inverse, la pression est
régulée dans un rail, duquel partent tous les injecteurs. Celle-ci est de plus en plus
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 22 | P a g e
souvent combinée à des injecteurs piézo-électriques, dont le pilotage par
impulsions électriques permet une gestion plus fine, et décorrélée du vilebrequin.
Les moteurs de 2014 offrent une pression d'injection pouvant aller jusqu'à 2 500
bars, contre environ 1 400 pour les premières rampes communes, et moins de 1
000 pour les moteurs des années 1980. Associée à un pilotage précis des injecteurs,
elle assure une pulvérisation du gazole continue, constante et bien répartie,
essentielle pour une bonne combustion.
Figure 5 : Éclaté de moteur MAN, avec injection directe par rampe commune.
6.1.4.3. Préchauffage
Le moteur Diesel fonctionnant par auto-allumage à partir d'une certaine
température, le démarrage à froid est impossible sans l'aide d'un apport de chaleur
extérieur. On crée donc, par l'entremise d'une bougie en métal placée à l'intérieur
de la chambre, un « point chaud » duquel part l'inflammation du mélange.
Une alternative consiste à réchauffer l'air admis, à l'aide de systèmes qui agissent
en amont de la chambre84. En l'absence ou en complément de ces dispositifs, les
constructeurs peuvent enfin réguler les injecteurs pour opérer une surcharge
d'injection au démarrage.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 23 | P a g e
Pour les moteurs de bateaux à huile lourde, on préchauffe le combustible à une
température élevée avant d'entamer la procédure de démarrage.
Figure 6 : Bougie de préchauffage diesel
6.1.4.4. Filtre à particules
La réduction de la quantité de particules émises dépend de la qualité du
carburant et de la conception du moteur (amélioration de l'injection, dispositifs à
injections multiples, etc.). Pour certaines particules difficilement combustibles, un
filtre à particules (FAP) peut s'avérer nécessaire. Cette technologie s'est généralisée
à partir de 2009, lors de la mise en place de la Norme européenne d'émission Euro
V camions. Elle ne peut cependant pas filtrer les particules les plus fines. Le FAP
est donc généralement combiné à des catalyseurs le précédent dans la chaîne
d'échappement, de manière à ne plus avoir, en théorie, qu'à bloquer les particules
les plus grosses et les imbrûlés.
Le problème majeur d'un FAP est qu'il voit progressivement les particules retenues
s'amasser en suies, au risque de bloquer l'élément filtrant. Il faut donc procéder
régulièrement à sa régénération, en brûlant ces suies. Si la régénération du FAP
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 24 | P a g e
peut avoir lieu toute seule, à vitesse élevée, elle s'opère généralement par une
injection de plus dans la chambre en fin de combustion, quand le moteur détecte
un excédent de pression sur le FAP. La technique engendre toutefois des émissions
supplémentaires de NOx (du fait de l'injection complémentaire), et d'HC et CO
(dus à la combustion proprement dite des suies). De nouveaux FAP sont à l'étude
pour pallier ce problème, notamment par le biais de nouveaux additifs, de
technologies de filtrage plus pointues, et du perfectionnement des diagnostics
embarqués.
En 2005, l'analyse des rejets occasionnés sur deux ans par une flotte de taxis (des
Peugeot 607 2.2 HDi équipées de FAP, et entretenues selon les recommandations
du constructeur), sur cycle MVEG et en situation réelle, montre des niveaux
d'émission relativement stables si on ne tient pas compte des phases de
régénérations. Celles-ci entraînent en revanche une augmentation de plus de 20 %
de la consommation, 50 % de NOx émis en plus, et surtout neuf fois plus de CO.
Une analyse des FAP à l'issue des tests montre une faible quantité de métaux
piégés dans le filtre, avec une très forte prédominance de sulfate et de soufre.
Globalement, l'ADEME estime que, malgré les régénérations impliquées, la
présence du FAP aura permis de réduire respectivement de 90 et 95 % la masse et
la quantité de particules émises à l'échappement. L'organisme remarque en outre
que le cérium, utilisé comme additif sur les FAP PSA, reste à 95 % retenu par le
filtre.
Figure 7 : Filtre à particule
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 25 | P a g e
6.1.4.5.Recirculation des gaz d'échappement
Plusieurs systèmes coexistent pour lutter contre la formation de NOx et de
particules fines. Le plus courant à ce jour est la recirculation des gaz
d'échappement. Il consiste à réintroduire une partie des gaz d'échappement dans le
circuit d'admission, après les avoir refroidis pour éviter une température trop
élevée dans la chambre de combustion. La vanne qui pilote la portion dérivée du
collecteur d'échappement peut cependant s'encrasser, notamment à bas régime
moteur. Pour contrer cet inconvénient, on peut recourir à un additif, ou faire
monter le régime moteur, par exemple en circulant sur autoroute.
Figure 8 : Système EGR Volkswagen 2.0 TDI
6.1.4.6. Réduction catalytique sélective
Une autre technologie très répandue est la réduction catalytique sélective (ou
SCR, en anglais : selective catalytic reduction), qui recourt à une solution uréique
injectée dans le flux d'échappement. Ce liquide est commercialisé dans de plus en
plus de stations service, sous les noms « AdBlue » (marque déposée) en Europe et «
Diesel Emission Fluid » (DEF) aux États-Unis.
La catalyse des NOx est assez délicats, car ils sont relativement stables et peuvent
prendre plusieurs heures à se désagréger sous les ultraviolets de la lumière du jour.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 26 | P a g e
Ils produisent alors de l'ozone (O3), gaz très irritant, toxique, donc nuisible en
basse atmosphère bien qu'indispensable en haute altitude88. De plus, ce système
impose la présence d'une température élevée pour être efficace, nécessitant une
plus ou moins longue période de chauffe selon les conditions extérieures. Ce
phénomène pose le problème de l'adaptation des motorisations thermiques à la
circulation urbaine, caractérisée par des trajets plutôt courts. C'est pourquoi
certains pots catalytiques sont équipés de dispositifs favorisant leur montée en
température. Pour les véhicules particuliers, les choix technologiques ne sont pas
encore figés. Il est encore possible de voir émerger des choix alternatifs de dosage
d'ammoniac (solide SCR ou metal ammine).
Figure 9 Convertisseur catalytique ou bien le catalyseur
6.1.4.7. Diagnostic embarqué
Les progrès techniques en matière d'optimisation et de dépollution du
moteur ne doivent pas faire oublier qu'avec le temps, les systèmes employés s'usent
et perdent en efficacité. Il est donc nécessaire de suivre leur état, afin de les faire
contrôler, voire remplacer si nécessaire. Cette situation a conduit les constructeurs
à mettre en place une surveillance continue du véhicule, puis d'élargir petit à petit
leur champ d'action. Le système de diagnostic embarqué vérifie en permanence le
fonctionnement des différents dispositifs : sondes, capteurs, actionneurs, système
d'injection, catalyseur, etc. Si une anomalie risquant d'augmenter les émissions est
détectée, il affiche une alerte (un indicateur lumineux d'anomalie (en)) au niveau
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 27 | P a g e
du tableau de bord, de manière à pousser le conducteur à faire vérifier son
véhicule. Cela permet en théorie de maintenir les systèmes à un état optimal, et
donc d'en limiter les pertes de performances en matière d'émissions.
Figure 10 : Appareil OBD pour la diagnostique
6.2. Voiture essence
6.2.1. Moteur à allumage commandé
Un moteur à allumage commandé, plus communément appelé moteur à
essence en raison du type de carburant le plus fréquemment utilisé, est une famille
de moteur à combustion interne, pouvant être à mouvement alternatif (à deux ou
quatre temps) ou plus rarement à mouvement rotatif (comme le moteur Wankel).
L'ingénieur belge Étienne Lenoir fabrique en 1860 le premier moteur à allumage
commandé. C'est un moteur à deux temps, de rendement très médiocre, mais qu'il
fabriquera à quelque quatre cents exemplaires ce qui fera de lui le premier
industriel de cette technique de l'allumage commandé. Le physicien Beau de
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 28 | P a g e
Rochas théorise en 1862 la thermodynamique des moteurs à quatre temps, mais il
faut attendre 1872 pour que l'Allemand Nikolaus Otto devienne le premier
ingénieur à en concevoir un, commençant ainsi une longue série d'innovations.
Contrairement au moteur Diesel, le mélange combustible d'un moteur à allumage
commandé n'est pas censé s'enflammer spontanément lors du fonctionnement,
mais sous l'action d'une étincelle provoquée par la bougie d'allumage. Il est donc
équipé d'un système complet d'allumage, composé d'une bougie, provoquant l'arc
électrique enflammant les gaz dans la chambre de combustion, d'une bobine
servant à produire les hautes tensions nécessaires à la création de l'étincelle et d'un
système de commande de l'allumage (rupteur ou système électronique).
Figure 11 : Moteur essence Opel
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 29 | P a g e
6.2.1.1. Évolution des techniques
Le principe d'allumage par une bougie étant fixé, deux aspects concentreront
des évolutions spécifiques aux moteurs à allumage commandé : l'allumage, et la
façon d'amener le carburant et le comburant (oxygène) jusqu'à la chambre.
Figure 12:Graphique de performances (puissance, couple, consommation) d'une Daewoo
Matiz de 796 cm3.
6.2.1.1.1. Allumage
L'évolution de l'allumage est liée à celle de l'électricité et de l'électronique.
Après l'invention du Delco, industrialisée en 1908, les seules évolutions notables
sont le remplacement du rupteur par un transistor vers 1970N 3, et le passage à
l'allumage électronique, vers 19806.
6.2.1.1.2. Alimentation carburant
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 30 | P a g e
Du côté de l'alimentation en carburant, le système qui fut majoritaire
pendant plus d'un siècle est le carburateur. Inventé vers 1885, mais à la paternité
peu claire, il fut en situation de quasi-monopole jusque vers 1990.
Il est désormais supplanté par l'injection indirecte, qui se répand à partir de 1960,
car c'est une des rares techniques permettant de respecter les normes d'émissions
polluantes de plus en plus strictes. Ces deux techniques préparent le mélange
comburant-carburant en amont de la chambre avant son admission.
Avec la technique d'injection directe, qui fut utilisée en aviation pendant la
Seconde Guerre mondiale et dès 1952 sur des automobiles à moteur à deux temps,
le carburant est injecté seul dans la chambre, à proximité de la bougie, avant la fin
de compression de l'air précédemment admis7. Cela présente des avantages en
termes de rendement. Aujourd'hui grâce aux progrès de l'électronique de contrôle
et des systèmes d'injection, associés à l'allumage commandé, cette technique est de
plus en plus utilisée et est développée activement par les différents concepteurs de
moteurs.
6.2.1.1.3. Soupapes
Les premiers moteurs à allumage commandé et à quatre temps utilisaient des
soupapes latérales, en opposition ou accolées, dont celle d'admission n'était
généralement commandée que par la dépression créée par le mouvement du
piston. Cette technique utilise un ou deux arbres à cames et permet une grande
proximité, donc un petit nombre de pièces en mouvement, entre le vilebrequin et
les soupapes, elle connut son heure de gloire entre 1910 et 1940.
Pour la compétition, et par la suite en grande série, afin de rapprocher l'arrivée du
mélange et le point d'étincelle, les soupapes migrent dans la culasse, en tête de
cylindre — technique OHV, pour « Overhead Valves ». Leur commande utilise des
tiges et des culbuteurs conservant un unique arbre à cames proche du vilebrequin.
Enfin, et c'est la méthode la plus commune présente aujourd'hui, l'arbre à cames
est rapproché des queues de soupapes, et passe lui aussi dans la culasse, en tête de
cylindre. Cette technique de l'ACT, pour arbre à cames en tête, (OHC) pour «
Overhead Camshaft » — grâce aux progrès de la distribution et des ressorts, permet
de mieux maîtriser le problème qu'est l'affolement des soupapes à haut régime.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 31 | P a g e
Le centrage de la bougie étant crucial pour optimiser le fonctionnement, les
systèmes, comme le double arbre à cames en têtes ou (DOHC), qui laissent cet
espace central libre, sont aujourd'hui très répandus.
La multiplication du nombre des soupapes est due elle aussi aux impératifs de
rendement. De deux soupapes par cylindre on est souvent passé à quatre, afin
d'améliorer le remplissage (admission) et le dégazage (échappement) de la chambre
de combustion.
Figure 13 : Soupapes d’admission et d’échappement du moteur
6.2.1.2. Nouvelles politiques anti-pollution
Au début du XXIe siècle, en raison de la raréfaction des ressources en pétrole
et des politiques anti-pollution particulièrement sévères sur les émissions de CO2,
la nouvelle tendance pratiquée par les constructeurs automobiles en matière de
motorisation est le downsizing. Après avoir été lancée par des constructeurs
généralistes, en particulier avec les moteurs TSI de Volkswagen, recourant
simultanément à un compresseur, un turbocompresseur et à l'injection directe,
cette tendance s'étend aux modèles sportifs, par exemple pour l'Audi S4, qui
abandonne le moteur V8 au profit d'un V6 compressé. Il s'agit de réduire la
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 32 | P a g e
cylindrée des moteurs, tout en obtenant la même puissance qu'un moteur de plus
forte cylindrée au moyen d'une suralimentation. En associant le downsizing à une
injection directe, la consommation d'essence est considérablement réduite et les
émissions de CO2 sont ramenées à un niveau similaire aux moteurs Diesel
équivalents. L'inconvénient du système résulte de l'utilisation même d'un
compresseur ; en effet, afin d'éviter le phénomène de cliquetis, le rendement à très
hauts régimes est dégradé.
Depuis peu, l'hybridation des automobiles, c'est-à-dire l'association d'un moteur
thermique et d'un moteur électrique dans la majorité des cas, se généralise.
L'énergie reste issue de la combustion de l'essence mais la transmission de la
puissance par un système électrique couplé à des batteries permet de récupérer
l'énergie cinétique du véhicule lors du freinage, ou une partie de son énergie
potentielle dans les descentes. Le gain en consommation d'essence par rapport à
une automobile de même puissance, est de l'ordre de 30 %. Les sources de ce gain
sont :
La récupération d'une partie de l'énergie cinétique qui est gaspillée sur une
automobile classique lors du freinage ;
La suppression d'autres sources de gaspillage d'énergie (embrayage lors des
manœuvres) ;
La possibilité de faire tourner le moteur thermique majoritairement dans sa plage
de meilleur rendement, quelle que soit la puissance demandée aux roues.
La réalisation pratique de tels véhicules conduit en revanche à introduire d'autres
sources d'utilisations non optimales de l'énergie :
Nécessité de stockage-déstockage de l'énergie dans des batteries, donc avec un
rendement de 90 % au mieux, y compris dans certaines phases où il serait possible
de la transmettre directement aux roues ;
Nécessité de transmission de l'énergie du moteur thermique, en partie directement
aux roues et en partie via un générateur puis un moteur électrique, donc avec une
perte de rendement.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 33 | P a g e
Figure 14 : Illustration de la technologie hybride HSD sur une Toyota Prius
6.2.2. Combustion
6.2.2.1. Généralités
La combustion du mélange air-essence dans un moteur à combustion interne
est une transformation chimique, une oxydation exothermique vive du carburant
et du dioxygène. L'octane est généralement utilisé comme molécule permettant de
décrire une combustion de ce type. L'équation générale en tout point de l'espace
de la combustion est alors fournie par la formule suivante :
Pour être plus précis dans l'estimation de la réaction réelle, on prend les nombres
molaires réels de l'analyse chimique du carburant. Le rapport théorique massique
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 34 | P a g e
idéal air/essence pour le moteur à combustion interne est de 14,7:1, soit 14,7 g
d'air pour 1 g de carburant. On parle alors de mélange stœchiométrie.
Il est important de préciser que cette équation suppose que le fluide est homogène
en tout point de l'espace, ce qui n'est pas le cas dans la pratique. Il est difficile de
modéliser intégralement la réaction de combustion qui se déroule dans la
chambre, puisqu'il s'agit d'une combustion anarchique qui dépend du temps, de la
température et de la turbulence du phénomène. Une analyse informatique
découpant le problème en périodes d'une microseconde est néanmoins capable de
tenir compte de la température et du temps, mais ne peut rendre compte du
phénomène de turbulence car le fluide s'en trouve modifié en tout point de
l'espace.
Figure 15 : Molécule d'octane modélisant l'essence.
6.2.2.2. Auto-inflammation
Le phénomène de cliquetis engendre une augmentation rapide et anormale
de la pression.
Comme le point d'auto-inflammation de l'essence – c'est-à-dire la température à
laquelle l'essence s'enflamme spontanément sans l'apport d'une étincelle – est
supérieur à la température de vaporisation et qu'il s'agit d'un liquide volatil,
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 35 | P a g e
l'essence peut être aisément injectée à l'air pour former un « mélange pratiquement
homogène, constant en qualité et en quantité pour un régime donné ». Pour
réaliser la combustion, le mélange doit atteindre sa température d'inflammation,
proche de 380 °C. Les pressions dans le mélange atteignent des niveaux supérieurs
à 30 bars.
Un délai d'auto-inflammation, c'est-à-dire la durée durant laquelle les conditions
de combustion sont optimales avant d'atteindre l'auto-inflammation, est
généralement prédéfini. Il est important que le point mort haut ou PMH soit
atteint durant ce délai, engendrant dans le cas contraire un phénomène de
cliquetis. Une étude sur une machine à compression rapide permet d'obtenir le
délai en fonction de la pression P, de la température T et de constantes A ,n et B
dépendant de la composition de l'essence.
Lors d'un phénomène de cliquetis, le mélange comprimé et chauffé par
rayonnement peut s'enflammer sans avoir été atteint par le front de flamme,
provoquant une combustion beaucoup plus rapide qu'à la normale. Ce
phénomène a pour conséquence des pics de pression dans la chambre, synonyme
de bruit et de contraintes élevées dans le moteur. Le cliquetis est principalement
dû à l'avance à l'allumage.
Figure 16 : Le phénomène de cliquetis engendre une augmentation rapide et anormale de la
pression.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 36 | P a g e
6.2.2.3. Contrôle des gaz d'échappement
6.2.2.3.1. Polluants émis
Lorsque la réaction du mélange air-essence est totale, les produits de
combustion sont uniquement de l'eau et du dioxyde de carbone (CO2). En
pratique la combustion n'étant jamais complète, de nombreux hydrocarbures sont
émis : des hydrocarbures partiellement brûlés tels que les aldéhydes, les cétones, les
acides carboxyliques, le monoxyde de carbone (CO), mais également des produits
de craquage thermique comme la suie, l'acétylène ou l'éthylène. Des polluants
particulièrement nocifs pour la santé sont également émis, dont les plus connus
sont les oxydes d'azote (NOx). À la suite d'une exposition au rayonnement solaire,
des oxydants (peroxydes organiques, ozone, etc.) se forment après la sortie du pot
d'échappement.
Même si les produits de la combustion de l'essence sont nombreux, l'eau, le
dioxyde de carbone et l'azote sont largement majoritaires. Ces gaz ne sont pas
dangereux – sauf l'azote lorsqu'il est oxydé en NOx – mais le CO2 est
particulièrement gênant en raison de sa contribution au phénomène d'effet de
serre.
Figure 17 :Le dioxyde d'azote est particulièrement nocif pour la santé.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 37 | P a g e
6.2.2.3.2. Traitement des gaz d'échappement
Afin de diminuer les émissions de polluants, un pot catalytique est placé en
sortie d'échappement du moteur. Comme son nom l'indique, il s'agit d'un
catalyseur ayant pour but de traiter chimiquement les gaz d'échappement afin de
les rendre moins nocifs. Deux types de catalyseurs existent et ont des rôles
différents. Les catalyseurs d'oxydation, qui facilitent l'oxydation du monoxyde de
carbone et des hydrocarbures, et nécessitent, de ce fait, un excès d'air pour
fonctionner, ce qui induit un mélange pauvre ou implique l'insufflation d'air
secondaire ; les catalyseurs de réduction facilitent, quant à eux, la réduction des
oxydes d'azote par déficit d'air.
L'ajout en série de ces deux types de catalyseurs se nomme « catalyseur à double lit
». Il permet de traiter efficacement l'ensemble des polluants émis par le moteur à
allumage commandé. Les catalyseurs à double lit présentent l'inconvénient d'être
onéreux, en raison d'un fonctionnement en mélange riche et de l'ajout d'un
dispositif d'insufflation d'air secondaire. Une solution à ce problème réside dans
l'utilisation d'un catalyseur à trois voies, régulé en boucle fermée en fonction de la
richesse du mélange.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 38 | P a g e
Figure 18 :Pot d’échappement
6.2.3. Allumage
6.2.3.1. Allumage électromécanique
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 39 | P a g e
L'allumage électromécanique d'un moteur à allumage commandé fonctionne
sur le principe d'un rupteur réalisant des coupures intermittentes de courant dans
l'alimentation du primaire d'une bobine alimentant par son secondaire en haute
tension à tour de rôle les bougies d'allumage via le distributeur Delco. L'ensemble
rupteur-distributeur est appelé allumeur. Le rupteur et le distributeur sont
entraînés par un rotor, lui-même lié à l'arbre à cames.
Dans les années 1970, le rupteur a été associé à un transistor, puis remplacé par un
capteur à effet Hall, augmentant la fiabilité et la qualité de l'allumage.
L'énergie électrique nécessaire est fournie par un générateur sous la forme d'une
dynamo ou d'un alternateur, entraîné par le moteur, charge une batterie
permettant de fournir de façon continue une tension de 12 volts. Le courant
continu du primaire de la bobine d'allumage est commandé par le rupteur. Lors de
son ouverture la bobine transforme cette interruption de courant au primaire en
une impulsion haute tension au secondaire, allant de 6 000 à 25 000 V32. Placé
en parallèle sur le rupteur, un condensateur permet de réduire les arcs électriques
destructeurs pour le rupteur, et offre une rupture franche, augmentant ainsi la
tension dans le circuit secondaire alimentant la bougie d'allumage, équipée
d'électrodes entre lesquelles l'étincelle jaillit.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 40 | P a g e
Figure 19 : Schéma d'un système d'allumage électromécanique
6.2.3.2. Allumage électronique
L'allumage électronique est actuellement la solution technique la plus
utilisée, car elle est plus performante. Un calculateur moteur dispose d'une bobine
par bougie ou pour deux bougies ; l'allumage ne se fait que lorsque cela est
nécessaire grâce à l'électronique. Un capteur placé en regard de dents sur le
pourtour du volant moteur permet de déterminer le régime moteur ainsi que le
point mort haut de chaque piston. La charge est, quant à elle, calculée en fonction
de la pression régnant dans la tubulure d'admission, comparé à la pression
atmosphérique (mesurée par un capteur piézo-résistif). Les données de régime et de
charge sont traitées par le calculateur, qui définit la bobine à commander et l'angle
d'allumage optimal grâce à une cartographie stockée dans sa mémoire.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 41 | P a g e
Figure 20 : Le faisceau d'allumage, ici en jaune, relie l'allumeur aux bougies d'allumage.
6.2.4. Injection
L'injection de carburant dans les moteurs à combustion interne peut être
réalisée de deux manières : par injection indirecte, dans laquelle le mélange air-
essence est réalisé en amont de la soupape d'admission, ou par injection directe,
où l'essence est pulvérisée sous haute pression directement dans la chambre de
combustion. Associée à un papillon, l'injection indirecte permet de réaliser des
charges stratifiées, qui ont pour but de créer un mélange riche autour du point
d'allumage de la bougie, ce qui limite les pertes d'énergie en chaleur.
À partir des années 1960, l'injection directe remplace progressivement l'indirecte,
car elle permet de mieux contrôler la quantité de carburant et de réaliser des
combustions plus performantes, en raison d'une diffusion plus fine de l'essence.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 42 | P a g e
En effet, étant donné que la combustion est réalisée par une bougie d'allumage,
l'injection directe permet d'obtenir un mélange plus homogène.
Seuls les gaz et les mélanges gazeux ont une « structure parfaitement homogène » si
bien que l'essence doit être injectée sous forme de gouttelettes afin d'obtenir un
mélange vaporisé. Lorsque les températures sont trop basses, notamment lors d'un
démarrage à froid, le mélange est généralement enrichi en essence de telle sorte
que le pourcentage de carburant « vaporisable » soit suffisant à l'allumage. On parle
alors d'« enrichissement de démarrage à froid ».
L'injection directe, accouplée à d'autres systèmes mécaniques, permet par ailleurs
de réaliser différentes combustions. L'injection de carburant sur une forme
particulière de tête de pistons augmente, par exemple, le niveau de turbulence
(injection swirl) dans la chambre de combustion et permet a fortiori d'améliorer
l'homogénéité du mélange. L'injection directe, tout comme l'injection indirecte,
peut permettre d'effectuer une charge stratifiée (injection tumble).
Figure 21 : Cartographie de l'injection de carburant
6.2.5. Lubrification et refroidissement
Hormis lorsqu'ils sont destinés à une utilisation en hautes performances (par
exemple en compétition automobile ou sur des modèles de prestige), les moteurs à
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 43 | P a g e
allumage commandé ne sont pas exigeants en termes de lubrification. En règle
générale, cette dernière est assurée par une pompe à engrenages interne, entrainée
mécaniquement par le moteur, un filtre permettant de retirer les impuretés de
l'huile, et une série de canalisations permettant d'amener l'huile aux endroits
nécessitant un graissage. La pompe aspire l'huile située dans le carter avant de la
distribuer. Les cylindres sont quant à eux lubrifiés par projection, c'est-à-dire que
l'huile est projetée dans l'espace moteur grâce aux rotations rapides du vilebrequin.
Certains moteurs s'équipent d'échangeurs eau-huile permettant de limiter
l'échauffement de l'huile.
Sur les moteurs à refroidissement liquide, le circuit de refroidissement,
particulièrement nécessaire pour la culasse et le bloc-cylindres, est quant à lui
assuré par la circulation d'un fluide absorbant de façon optimale la chaleur,
généralement un mélange d'eau et d'éthylène glycol.
Sur les moteurs à refroidissement à air les culasse et leur disposition doit être
optimisée pour assurer l'échange thermique entre la culasse et l'air.
6.2.6. Suralimentation
Le but de la suralimentation dans un moteur à combustion interne est
d'augmenter le remplissage du moteur afin d'en accroître la puissance sans
augmenter sa cylindrée. En améliorant le remplissage, on augmente la puissance
spécifique. Le taux de suralimentation désigne l'augmentation de densité de l'air
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 44 | P a g e
admis dans la chambre de combustion par comparaison avec celle d'un moteur
atmosphérique, c'est-à-dire non suralimenté. Puisque le taux de compression de
tout moteur à allumage commandé est limité par le phénomène de cliquetis, ce
taux est généralement inférieur à celui d'un moteur atmosphérique45 afin que
l'augmentation de la compression due à la suralimentation n'engendre pas de
cliquetis.
Prenons l'exemple d'un moteur théoriquement parfait, monocylindre, d'un litre de
cylindrée. Ce moteur va aspirer et comprimer un litre de mélange air-essence dans
sa culasse qui aura été calculée en volume de manière à tirer le meilleur parti du
carburant sans atteindre le point critique de cliquetis. Imaginons ce même moteur
gavé par un turbo ; il ne va plus aspirer et comprimer un litre, mais davantage.
Grossissons le trait et imaginons que le turbo compresseur parvienne à faire entrer
2 litres de mélange air-essence dans le cylindre (taux de suralimentation de 2), les
volumes de la culasse et celui du cylindre étant inchangés, le rapport volumétrique
entre la cylindrée et le volume de la culasse du moteur reste le même mais la
quantité de mélange air-essence comprimé ayant doublée le taux de compression a
donc suivi : on aurait alors atteint et même largement dépassé les conditions
d'apparition de cliquetis.
Un moteur turbo-compressé verra donc son taux de compression revu à la baisse
de telle manière que lorsque le turbo gavera le moteur, la compression résultante
n'atteigne jamais la valeur à laquelle les phénomènes de cliquetis apparaîtraient
inexorablement. Notre moteur théorique de 1 000 cm3 va donc avec la
suralimentation avoir des performances proches de celles d'un moteur qui ferait 2
litres de cylindrée, sans en avoir les inconvénients en matière de masses mobiles,
de frottements internes, de poids et de dimension générales. Les accessoires
(démarreur, batterie etc. ) seront également de puissances et de dimensions plus
réduites, permettant un gain de poids substantiel sur l'ensemble du véhicule.
Lancer un petit moteur à taux de compression modéré demande en effet beaucoup
moins d'énergie que lancer un gros moteur ayant des taux de compression
optimums.
Parmi les différentes techniques de suralimentions, deux grandes catégories sont
généralement distinguées : les compresseurs, parfois dits volumétriques ou
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 45 | P a g e
mécaniques, et les turbocompresseurs. Un turbocompresseur est, comme son nom
l'indique, un compresseur entraîné par une turbine, qui utilise l'énergie cinétique
des gaz d'échappement, ce qui permet de ne pas « consommer » de couple efficace,
tandis qu'un compresseur volumétrique est entraîné mécaniquement par le
vilebrequin. Les technologies utilisées pour l'étage de compression sont différentes,
car les régimes de rotation obtenus diffèrent d'un ordre de grandeur. Les
compresseurs volumétriques ont néanmoins l'avantage d'être efficaces dès les bas
régimes, sans temps de réponse, mais leur régime reste proportionnel à celui du
moteur, ce qui limite les possibilités d'optimisation45. La compression d'un gaz
s'accompagnant d'une élévation de sa température nuisible au rendement de la
combustion, ces systèmes sont souvent associés à un échangeur de température.
D'autres solutions, moins mécaniques, existent également comme la
suralimentation naturelle — liée à la géométrique des tubulures d'admission —, la
suralimentation par résonance obtenue grâce au phénomène de résonance de
Helmholtz ou encore la suralimentation par systèmes d'admission à géométrie
variable.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 46 | P a g e
Figure 22 : Entrée d'air du turbocompresseur
6.2.7. Avantages et inconvénients
En raison de leur utilisation généralement commune, il est d'usage de
comparer les moteurs à allumage commandé aux moteurs Diesel. Les avantages de
l'un correspondent naturellement aux inconvénients de l'autre et vice-versa.
Le moteur à allumage commandé est relativement plus léger ; la conception même
des moteurs Diesel nécessitant de surdimensionné leurs pièces. Il est donc
relativement plus silencieux, puisque la déflagration du gazole, par auto-
inflammation, provoque une onde de choc importante dont le bruit – une sorte de
claquement – est caractéristique des Diesel. Généralement, le moteur à allumage
commandé est plus vif dans les bas régimes et lorsqu'il est froid, car l'allumage se
fait par l'intermédiaire d'une bougie. Les régimes moteurs étant de surcroît plus
élevés, les véhicules de prestige ou à vocation sportive sont généralement munis de
moteurs à allumage commandé.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 47 | P a g e
Néanmoins, le rendement thermodynamique théorique du moteur essence est plus
faible que celui du Diesel, de l'ordre de 30 % à 35 % pour l'essence contre 40 % à
45 % pour le Diesel en moyenne, en raison des taux de compression plus faibles.
Le logiciel de simulation Thermoptim fournit, à conditions identiques, un
rendement de 33,9 %47 pour le moteur à allumage commandé et 40,1%48 pour
le moteur Diesel.
Plus le taux de compression est élevé, plus la combustion est complète et la
consommation spécifique réduite. Les consommations de carburant sont plus
élevées dans les moteurs à allumage commandé, car outre la question du
rendement déjà évoquée, le contenu énergétique de l'essence est plus faible que
celui du gazole. Sans recours aux technologies du downsizing, le couple obtenu est
plus faible à bas régime et les émissions de CO2 plus élevées que pour un moteur
Diesel équivalent. Il est cependant plus facile d'obtenir une puissance plus
importante en raison d'un régime moteur maximal environ une fois et demie
supérieur à celui des moteurs Diesel pour les moteurs d'automobiles courants.
Si on compare les émissions polluantes entre un moteur Diesel et un moteur
essence, l'avantage va à l'essence sur la question de l'empreinte écologique à long
terme. Les moteurs diesel émettent moins de dioxyde de carbone (CO2), en
moyenne 15 % de moins49, car la consommation est inférieure à celle d'un
moteur essence. Toutefois le CO2 n'est pas considéré comme un polluant mais
participe au réchauffement climatique.
Les moteurs Diesel génèrent de trois à huit fois plus de NOxN 9 (oxydes d'azote) et
de huit à dix fois plus de particules fines50. Ce surcroit de pollution reste vrai
malgré les gros progrès apportés par l'injection directe haute pression. Obligatoires
en Europe sur les véhicules mis en service depuis 2011 (norme Euro 5), les filtres à
particules permettent de limiter les rejets des particules fines durant l'utilisation,
mais ne filtrent pas les NOx sans catalyseur De NOx50 et n'offrent pas la solution
optimale faute de procédés de retraitement en fin de vie. La norme Euro 6
restreint encore les motoristes sur les niveaux d'émission de particules fines et
d'oxydes d'azote. Ainsi depuis 2000, la limite maximale de rejet est passée de 500 à
80 mg/km en 2014 pour les nouveaux véhicules (poids lourds et automobiles),
donc le parc ancien reste la source principale de pollution.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 48 | P a g e
6.3.Voiture hybride
Les véhicules à moteur hybride ou à motorisations hybrides combinent au
moins deux énergies différentes pour assurer leur propulsion, en général
thermique et/ou électrique. Utilisée selon les besoins, cette optimisation de
l'utilisation des différents moteurs assure des gains en consommation et un succès
grandissant de ces véhicules techniquement très complexes.
Figure 23 : Dispositif de partage de la puissance
6.3.1. Moteur hybride
Dans une automobile à moteur hybride, on dispose de 2 groupes
motopropulseurs (GMP) utilisés en synergie. Il s'agit actuellement d'un moteur
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 49 | P a g e
thermique à combustion interne à 4 temps associé à une machine électrique
alimentée par des batteries, voire une pile à combustible (PAC) embarquée.
Au niveau de l'architecture, il convient de distinguer 2 grandes familles de « full
hybrides »:
 L’hybridation parallèle où les 2 moteurs peuvent fonctionner ensemble selon
des répartitions très variables en fonction des besoins du véhicule.
 L’hybridation série où les roues motrices sont toujours entraînées par le
moteur électrique.
Le plus souvent, le moteur thermique n'est pas utilisé aux arrêts et aux faibles
vitesses en ville. Autre perfectionnement intéressant, de plus en plus de ces
véhicules hybrides sont rechargeables ou « plug in » ; leur batterie peut donc aussi
être chargée sur secteur pour des performances bien supérieures.
Figure 24 : L’hybridation série
Figure 25 : L’hybridation parallèle
6.3.2. Principes de fonctionnement des moteurs hybrides
D'une façon générale, ces véhicules donnent la priorité à la machine électrique en
utilisation urbaine, ce qui favorise d'autant les consommations normalisées. Dès
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 50 | P a g e
que l'autonomie des batteries ou un surcroît de puissance sont nécessaires, le
moteur thermique vient toutefois épauler sa version électrique embarquée.
Plus en détails, le fonctionnement dépend du type exact d'hybridation :
En micro hybride, le véhicule ne dispose que de la fonction « stop and start » utile
en cas d’arrêts répétés, donc en circuit urbain congestionné. Les gains de
consommation vont de 0 à 10 %, mais le moteur (surtout si turbo) et la batterie
n'apprécient guère ce fonctionnement intermittent.
En mild hybrid ou hybride moyen, le freinage devient récupératif à hauteur de 5 à
20 % et ajoute son gain de consommation au système précédent. C'est encore une
technologie essentiellement utile en ville que l'on retrouve chez BMW, Ford et
Honda.
En hybridation parallèle, on arrive au full hybrid. Ici, les 2 motorisations sont
capables de propulser le véhicule au mieux selon une gestion automatique
optimisée par un calculateur électronique. Ce système est aujourd'hui employé par
la pionnière Toyota Prius et la plupart de ses concurrentes.
En hybridation série, le moteur thermique entraîne uniquement un générateur
électrique et joue le rôle d'un groupe électrogène. Il pourra ainsi être optimisé
pour fonctionner à un régime fixe. Les roues motrices sont donc exclusivement
entraînées par la machine électrique soutenue par des batteries tampons.
Plugin hybrides, des évolutions qui peuvent être avantageusement rechargées sur
secteur comme pour les Audi Q7 Plug-in, Volvo XC90 T8, VW Passat GTE ou
Golf GTE, BMW I8 ou X5 eDrive, sans oublier la nouvelle Chevrolet Volt en
2016.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 51 | P a g e
Figure 26 : Moteur Hybride
Figure 27 : Cycle de fonctionnement d’une voiture hybride
Une propulsion hybride consiste à combiner un, ou plusieurs, moteurs électriques
(réversibles pour devenir générateurs) avec un moteur thermique utilisé pour
charger la batterie et/ou assurer la traction.
Les différentes phases de fonctionnement d'un full hybrid se déroulent comme
suit :
Lorsque le véhicule est immobile, les deux moteurs sont à l'arrêt ;
la mise en mouvement de la voiture est assurée par le moteur électrique seul,
jusqu'à une vitesse maximum variant entre 70 à 130 km/h suivant les modèles ;
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 52 | P a g e
au-delà de ces vitesses, ou lorsqu'une accélération plus forte est demandée, le
moteur thermique est démarré pour fournir le supplément de puissance et
remplacer progressivement le moteur électrique ;
en cas de demande de puissance importante (forte accélération ou forte pente), les
deux moteurs fonctionnent simultanément pour additionner leurs couples
moteurs ;
en phase de décélération ou de descente, le freinage régénératif permet au
moteur/générateur de convertir une part de l'énergie cinétique en énergie
électrique, rechargeant la batterie. Ce rôle de frein moteur peut être accru en
forçant le moteur thermique à tourner sans injection de carburant, soulageant les
freins mécaniques à friction. Celui-ci peut au contraire être arrêté pour réduire la
consommation et la pollution, ce qui désactive son frein moteur.
La gestion de l'ensemble est confiée à l'électronique embarquée qui tient compte
de l'état de charge de la batterie, de la température du moteur thermique et de
celle du catalyseur, des besoins en chauffage et en climatisation et de la pression
sur les pédales d'accélérateur et de frein.
Figure 28 : Moteur hybride d’une voiture KIA
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 53 | P a g e
Figure 29 : Système full hybrid parallèle
* ENG = moteur thermique (engine) * Clutch = embrayage* MOT = moteur électrique
* PE = électronique de commande * BATT = batterie * TX = transmission
6.3.3. Les avantages de l’hybride
 Consommation de carburant réduite (environ 5L /100 km pour une Yaris
Hybride contre 6,5L /100 pour une Yaris non-hybride en cycle mixte).
 Utilisation de l’énergie cinétique des freinages et décélérations, qui est
gaspillée dans les véhicules 100% thermiques.
 Confort de conduite en ville à basse vitesse (silence, fluidité de la propulsion,
facilité des manœuvres).
 Ne nécessite pas d’être rechargée sur une prise.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 54 | P a g e
Figure 30 : Disposition d’un moteur hybride les deux moteurs électriques et essence sont
séparé par un volant moteur
6.3.4. Les inconvénients de l’hybride
 Prix toujours élevé par rapport à un modèle 100% thermique (surcoût
d’environ 5000€)
 Faible capacité de la batterie, qui ne permet pas de rouler en mode 100%
électrique sur plus d’une dizaine de kilomètres et à plus de 30-50 km/h.
 Utilisation exclusive de l’essence comme énergie primaire. Impossible donc
de choisir l’origine de l’électricité consommée à bord, contrairement à une
hybride rechargeable.
 Sur autoroutes et à vitesse élevée, le moteur électrique n’est pas opérant et
constitue un surpoids qui entraîne une légère surconsommation.
 Ne peut plus bénéficier du bonus écologique depuis 2017
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 55 | P a g e
Figure 31 : L’architecture de la Golf GTE
6.4. Voiture électrique
Une voiture électrique est une automobile mue par la force électromotrice d'un ou
de plusieurs moteurs électriques, généralement alimentés par une batterie
d'accumulateurs, une pile à combustible voire un moteur thermique couplé à un
générateur électrique pour les voitures hybrides électriques.
Parmi les modèles de chacune de ces filières, on peut citer la Tesla Model 3 et la
Renault ZOE équipées de batteries, la Toyota Mirai dotée d'une pile à
combustible, et la Chevrolet Volt munie d'un prolongateur d'autonomie qui en
fait un hybride électrique rechargeable.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 56 | P a g e
6.4.1. Fonctionnement d’une voiture électrique
Comment fonctionne de A à Z d’une voiture électrique ? Si le principe est
bien plus aisé et simple à comprendre que celui du moteur thermique, il est tout
de même intéressant de se pencher plus en détail sur la (les) technique(s).
6.4.1.1.Architecture d'une voiture électrique
Commençons par l'essentiel, à savoir les grands éléments qui composent le système
de traction d'une voiture électrique :
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 57 | P a g e
6.4.1.2. Gestion et modulation des flux électriques
 Convertisseur DC/DC
Il sert à convertir la haute tension (330v) de la batterie Lithium ion pour la batterie
de servitude au plomb (12v).
 Chargeur embarqué / redresseur
Il transforme le courant alternatif en provenance de la prise vers un courant
continu destiné à la batterie de puissance.
 Calculateur / Onduleur / redresseur
C'est le calculateur de puissance et gère beaucoup de choses ... Il contrôle les flux
d'énergie grâce aux nombreux capteurs qu'il dispose. Par exemple, quand j'accélère
j'appuie sur un capteur (la pédale) dénommé potentiomètre (c'est la même chose
sur les voitures thermiques modernes), le calculateur gère alors le flux d'énergie à
envoyer vers le moteur selon mon "degré d'accélération". Idem quand je relâche la
pédale, il va gérer la récupération d'énergie en envoyant le jus généré par le moteur
électrique (réversible donc) vers la batterie tout en modulant le débit électrique.
Il peut onduler le courant grâce à un hacheur (batterie vers moteur) ou encore
redresser le courant (récupération d'énergie alternative pour la batterie à courant
continu).
6.4.1.3. Stockage de l'énergie
 Batterie
C'est l'élément qui emmagasine l'énergie électrique grâce à une solution chimique.
On utilisait auparavant dans les années 90 des batteries au plomb, d'où une
autonomie limitée et une encombrement très important. Désormais on utilise les
batteries au Lithium qui emploient un principe similaire tout en étant plus
efficace. Pour faire simple il s'agit d'avoir une solution chimique à laquelle on peut
soutirer des électrons. Une fois qu'on lui a tout pris cette solution devient stable :
il n'y a plus de déséquilibre entre les bornes 6 et +, il n'y donc plus de jus à tirer.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 58 | P a g e
Pour recharger la batterie, on réinjecte des électrons à la borne - pour remettre la
solution en déséquilibre et pouvoir de nouveau tirer du jus entre les bornes - et +.
Figure 32 : Moteur et batterie d’une voiture électrique (Nissan)
6.4.1.4. Pile à combustible
Une pile à combustible est une sorte de batterie, la différence qu'elle se recharge
en la remplissant de combustible, et non pas en lui réinjectant des électrons (de
l'électricité donc). C'est donc un moyen rapide de faire le plein, bien plus qu'avec
les batteries Lithium Ion malgré les bornes de recharge rapides assez efficaces.
Hélas, et si l'hydrogène est l'atome le plus répandu dans l'univers, il n'y en a plus
beaucoup sur Terre (le soleil en est bourré, il le compresse devant nos yeux) ... Car
tout ce qui nous entoure était à la base de l'hydrogène qui a été tellement
compressé dans les étoiles que cela a donné lieu à des matériaux plus lourds :
carbone, fer, eau etc. (tout en fait ... absolument tout le reste). Il n'y avait au début
de l'univers que de l'hydrogène, c'est l'atome le plus simple qui soit : il a un proton
et un électron ! On ne peut faire moins, c'est donc les matériaux le plus léger.
On arrive à en produire (ou plutôt en extraire de la matière) mais cela est très
coûteux en énergie fossile, ce n'est donc pas parfait.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 59 | P a g e
6.4.1.5. Moteur électrique
Le moteur électrique reprend un principe de physique pour son fonctionnement.
Il s'agit d'exploiter la force électromagnétique pour générer du mouvement.
La science a en effet découvert que "l'épiderme" des atomes était constitué
d'électrons. Certains épidermes ont un "surplus" d'électrons qui peuvent alors se
balader d'un atome à l'autre (ce sont les matériaux conducteurs et on appelle cela
le courant électrique). Ces électrons peuvent être bougés en leur envoyant des
rayons électromagnétiques (lumière) mais aussi en le soumettant à un champ
magnétique (aimant, mais sachez que lumière et champ magnétique sont liés entre
eux).
On a donc eu l'idée de faire bouger un aimant à côté d'un fil de métal et on s'est
aperçu que cela produisait du courant (qui va dans le sens du mouvement de
l'aimant. Ce dernier entraîne les électrons à la surface des atomes). On a donc
rapidement fait des montages circulaires plus intelligents : on met un aimant
rotatif au milieu d'une bobine de cuivre (on peut aussi faire l'inverse, le cuivre au
milieu et les aimants en périphérie. Et c'est d'ailleurs ce que l'on voit sur les
moteurs électriques) ce qui produit de l'électricité en continue quand on le fait
tourner (l'aimant). On a donc ici découvert en premier lieu le côté réversible du
moteur électrique. Car ici on arrive à produire de l'électricité consécutif à un
mouvement mais pas un mouvement à partir de l'électricité (ce que l'on recherche
pour notre voiture électrique ici).
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 60 | P a g e
On a alors tout simplement essayé de faire l'inverse : Dans notre système d'aimant
rotatif on a injecté de l'électricité dans la bobine. Et là miracle, l'aimant s'est mis à
tourner ....
C'est donc le côté très intéressant du moteur électrique, il sait faire deux choses à
la fois : créer un mouvement quand il reçoit de l'électricité ou créer de l'électricité
si on le met en mouvement.
En général le rotor est à induction / asynchrone, c'est à dire qu'il a sur lui (au lieu
d'un aimant comme sur le schéma) des petites bobines dans lesquelles de
l'électricité (et donc de l'aimantation) est induite par le champ magnétique du
stator. Mais le principe reste toujours le même : faites bouger un aimant devant du
cuivre et vous génèrerez de l'électricité, ou envoyez de l'électricité dans du cuivre et
vous ferez bouger l'aimant. Sans oublier qu'envoyer de l'électricité dans une bobine
génère un aimant.
Il faut donc comprendre que le mouvement et la transmission d'énergie se fait sans
contact entre le stator et le rotor : c'est la force magnétique (force de l'aimant) qui
fait bouger les choses. Niveau usure on peut donc être rassuré.
Pour inverser le sens de fonctionnement du moteur (donc passer la marche arrière)
il suffit alors d'envoyer du courant dans l'autre sens.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 61 | P a g e
6.4.1.6. Transmission
Le moteur électrique ayant une plage de fonctionnement très élevée (16000 t/min
sur une Model S par exemple) et un couple disponible rapidement (plus on est bas
dans les régimes plus on a de couple), il n'était pas indispensable de produire une
boîte de vitesses.
On a donc en quelque sorte un moteur qui est directement connecté aux roues !
La démultiplication ne changera pas que vous soyez à 15 ou 200 km/h.
Bien évidemment, le rythme du moteur électrique n'est pas exactement calé sur
celui des roues, il y a ce que l'on appelle un réducteur.
Sur une Model S il est de 10:1 environ, c'est à dire que la roue va tourner 10 fois
moins vite que le moteur électrique. Le rapport de réduction est généralement
obtenu par un train épicycloïdal, chose que l'on connaît surtout dans les boîtes de
vitesses automatiques.
Après ce réducteur il y a enfin le différentiel qui permet de faire tourner les roues à
des vitesses différentes.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 62 | P a g e
6.4.1.7. Embrayage
Pas besoin d'embrayage ni de convertisseur de couple car si un moteur thermique a
tout le temps besoin d'être en mouvement ce n'est pas le cas d'un moteur
électrique. Il n'a donc pas de régime de ralenti ni besoin d'un embrayage qui fait le
pontage entre les roues et le moteur : quand les roues s'arrêtent pas besoin de
débrayer.
6.4.2. Avantages et inconvénients de la voiture électrique
6.4.2.1. Avantages
La voiture électrique présente certains avantages par rapport à une voiture à
moteur thermique :
Efficacité énergétique des voitures thermiques en ville et sur autoroute.
il n'y a pas d'émission locale de polluants atmosphériques liés à la combustion, la
pollution étant délocalisée sur les sites de production électrique ; toutefois, on
conserve plus du tiers des émissions de particules fines (PM10) d'un véhicule, qui
proviennent de l’abrasion des pneus, du revêtement routier et des freins;
les émissions de CO2 au cours du cycle de vie sont réduites en moyenne de 40 à
50 % par rapport à celles des voitures thermiques ; cette réduction est proche de
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 63 | P a g e
90 % dans les pays où la production d'électricité est presque entièrement
décarbonée, telles que la Norvège et la France, et atteint tout de même 15 % en
Chine en 2015, où le charbon occupe encore une place prépondérante dans le mix
électrique; les incertitudes sur les évolutions des batteries (en particulier sur leur
durée de vie, leur technologie, leur réutilisation éventuelle et leur recyclage)
entachent toutefois ces prévisions;
elle est plus silencieuse qu'une voiture thermique, à basse vitesse, au point que des
réglementations imposent des dispositifs sonores pour permettre aux piétons
d'identifier les véhicules approchant ; par exemple, aux États-Unis et à partir de
2019, pour les vitesses inférieures à 30 km/h138 ;
le moteur ne consomme pas d'énergie lorsqu'il n'est pas alimenté en électricité
(que le véhicule soit à l'arrêt ou pas) ;
elle nécessite beaucoup moins d'entretien (pas de vidange, etc.) ;
elle ne connaît aucun problème de démarrage ;
le rendement d'un véhicule électrique atteint 50 % sur électricité consommée (50
% de la centrale aux roues, en tenant compte du rendement du moteur, de celui
du stockage, du chauffage, de la climatisation et des pertes du réseau électrique),
contre un rendement sur carburant consommé de 13 à 20 % pour un moteur
thermique de voiture.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 64 | P a g e
Figure 33 : Efficacité énergétique des voitures thermiques en ville et sur autoroute
6.4.2.2. Inconvénients
La voiture électrique conserve certains des inconvénients communs à tout type de
véhicule, en particulier le coût social et humain lié à l'insécurité routière (3 000
morts et plus de 70 000 blessés/an pour l'ensemble des véhicules en France),
l'impact environnemental du transport routier, le coût financier et sanitaire lié à
l'absence d'exercice par rapport aux mobilités actives, l'étalement urbain et le coût
des infrastructures liées à son usage, la disparition du commerce de centre-ville et
le déploiement des zones commerciales péri-urbaines.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 65 | P a g e
7. Les Systèmes embarqués
7.1. Introduction
Dorénavant les systèmes embarqués font partie intègre de notre vie, la
majorité des individus possède aujourd’hui un système embarqué que ce soit chez
soi, dans son véhicule ou bien directement sur soi. Nous pouvons actuellement en
compter plus d’un milliard ayant chacun leurs spécificités, recouvrant tous les
domaines que ce soit l’aéronautique, l’électroménager, la téléphonie ou encore
l’automobile.
Le marché de l’automobile est en perpétuelle évolution avec une concurrence
massive obligeant l’innovation et la démarcation des principaux acteurs du
marché. L’intégration de nouveaux systèmes embarqués plus puissants, plus
performants et pouvant proposer tout type de fonctionnalités, permet de répondre
aux besoins des consommateurs de plus en plus exigeants.
"Les trois grands axes d’avenir sont la voiture électrique, la voiture connectée et la
voiture automatisée. L’électronique embarquée est transversale à tout cela. Elle
jouera un rôle dans des fonctions aussi diverses que la gestion de la recharge
électrique, le contrôle moteur, la connectivité du véhicule à son environnement
extérieur, ou encore les systèmes d’assistance à la conduite". (Olivier Guetta,
Chargé du développement des technologies de logiciel embarqué, Renault).
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 66 | P a g e
7.2. Les Systèmes embarqués dans l’automobile
7.2.1. Contexte
Aujourd’hui, un véhicule contient une grande quantité d’électronique et
d’informatique : on retrouve plus de 100 capteurs, 30 à 50 calculateurs selon le
type de véhicule et parfois près d’un million de lignes de codes pour les véhicules
de dernière génération. Cette évolution s’explique par les demandes exigeantes des
consommateurs et l’envie de différenciation des concurrents sur marché de
l’automobile. S’ajoute à cela les contraintes économiques et écologiques où
l’électronique embarquée répond à ces nouvelles attentes. De nouvelles
fonctionnalités impliquent parfois une intégration électronique et informatique
par le biais de systèmes embarqués. Voici une représentation des systèmes intégrés
d’un véhicule moderne.
Figure 34 : Fonctions d’un véhicule moderne
Toutes ces fonctions se catégorisent selon leur domaine d’action :
 Habitacle / Confort (climatisation, siège chauffant, allumage automatique
des feux…)
 Moteur / Transmission (contrôle injection, commande boite de vitesses…)
 Sécurité (ABS, Airbags, ESP, radar de recul…)
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 67 | P a g e
Toutes ces fonctions sont gérées par des ECUs (Electronic Control Unit) qui
représentent les calculateurs présents dans les véhicules. . Ce sont de petits boitiers
noirs ayant chacun leurs spécificités et leurs rôles liés à des capteurs et des
actionneurs.
Figure 35 : Calculateur d’un véhicule
Celui-ci est dédié uniquement au contrôle moteur, mais de nombreux autres
calculateurs (ou ECU) sont présents dans le véhicule pouvant ainsi gérer d’autres
fonctions. Voici une liste non exhaustive de différents types d’ECU :
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 68 | P a g e
Figure 36 : Les différents types d’ECU
Tous ces ECUs sont reliés à des capteurs et des actionneurs leur permettant
d’envoyer et de traiter les informations. Une communication est donc présente
entre tous ces composants électroniques via des bus de communication. Toute
cette composition forme l’électronique embarquée du véhicule.
7.2.2. Le temps réel
Les systèmes embarqués sont soumis à des contraintes différentes selon leur
domaine d’utilisation. Et bien, le temps réel est l’une des contraintes primordiales
dans le secteur de l’automobile au niveau de la performance mais surtout au
niveau de la sécurité. Devant un ordinateur classique, quelques minutes de latence
ne pourront affecter que l’humeur de l’utilisateur, sur un système embarqué
d’automobile seules quelques secondes de latence suffisent à provoquer un
accident avec des conséquences terribles. Le temps réel est le fait d’être
constamment en adéquation temporelle avec la réalité. Un système en temps réel
est un système qui doit, non seulement, produire un résultat juste mais dans une
durée limitée, sans quoi ce résultat deviendrait erroné. Ainsi, le système en temps
réel doit fournir un résultat avec une contrainte de temps. Le temps est déterminé
par l’environnement dans lequel se trouve le système, celui-ci doit avoir l’image la
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 69 | P a g e
plus réaliste de celle de son environnement externe qui évolue lui-même avec le
temps.
Figure 37 : Représentation d’un système en temps réel avec son environnement
7.3. Fonctionnement des systèmes embarqués
7.3.1. Composition d’un système embarqué
7.3.1.1.Calculateur
Le calculateur est l’élément principal d’un système embarqué automobile où
régit la mémoire, la carte-mère ou encore le traitement logiciel. Chacun des
calculateurs automobiles sont dédiés au pilotage d’une ou certaines tâches bien
précises, ainsi de nombreux calculateurs sont présents dans les véhicules formant
son système électronique. Le calculateur correspond à un boitier contenant des
broches électriques dotées de nombreux ports d’entrées et de sorties afin de
permettre à la gestion des instruments de bord. Une carte programmable
composée de circuits imprimés contient tout le traitement informatique du
système, principalement codé en langage C++ ou Java, et s’accompagne d’autres
éléments formant le calculateur. Nous pouvons les qualifier de systèmes «
intelligents » due à leur capacité de prise de décision en fonction des paramètres
d’entrées via des capteurs (ou sondeurs). Dans le cas d’un calculateur moteur, son
but précis sera d’assurer les fonctions de pilotage d’un moteur en ajustant en
temps réel les besoins du moteur. En recevant des signaux électriques de la part
des capteurs (sonde de température, capteur de pression…), le calculateur peut
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 70 | P a g e
traiter ces informations pour les transformer en actions par l’intermédiaire
d’actionneurs (injecteur, vanne EGR…).
Figure 38 : Représentation d’un calculateur moteur et ses interactions
7.3.1.2.Actionneurs
Lorsque le traitement est réalisé par le calculateur, un signal électrique est transmis
aux actionneurs permettant une action physique sur le véhicule.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 71 | P a g e
Tableau 1 :Exemples d’actionneurs
Ces actionneurs (ou actuateurs) transforment le signal électrique reçu en énergie
mécanique. Cette transformation d’énergie peut être réalisée par moteur, de façon
magnétique, hydraulique ou optique.
7.3.1.3. Capteurs
Les capteurs sont des éléments essentiels au fonctionnement des calculateurs
puisque ce sont ces composants qui sont en charge de transmettre l’information
afin d’être traitée de manière optimale. Leur principal objectif est donc de
renseigner le calculateur qui va pouvoir agir en temps réel avec l’environnement,
c’est pourquoi, ces capteurs envoient de façon constante des informations en
continu au calculateur relié. De plus en plus de capteurs sont élaborés due à la
sophistication des nouveaux véhicules. Précisément, leurs tâches consistent à
pouvoir transformer une grandeur physique (température, pression…) en un signal
électrique afin de le transmettre au calculateur. En effet, des interrupteurs peuvent
être considérés comme des capteurs puisque les informations qui résultent de
l’action émise par l’utilisateur sont directement transmises au calculateur.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 72 | P a g e
Tableau 2 : Exemples de capteurs
Pour les capteurs situent dans l’automobile :
 Capteur d'arbre à came
Le capteur d'arbre à cames est situé sur la culasse et détermine la position du
pignon pour indexer celle de l'arbre à cames.
Ce type de donnée est nécessaire pour des fonctions telles que le lancement de
l'injection sur des moteurs à injection séquentielle, le signal du régulateur de
pression de la valve électromagnétique de la pompe à injection et le contrôle de fin
de course d'un cylindre particulier.
Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 73 | P a g e
 Capteur de vilebrequin
Ce capteur fournit des informations sur la position du vilebrequin que le
calculateur d'injection utilise pour calculer le régime moteur. Ces données
permettent de déterminer l'injection de carburant la plus économique et le
moment de l'amorçage.
 Capteur de vitesse de roue
La vitesse de la roue est une donnée essentielle pour les systèmes électroniques tels
que l'ABS ou l'ASC.
 Capteur de cliquetis
Les moteurs modernes qui permettent des taux de compressions élevés ont un
inconvénient particulier : leur conception augmente les vibrations qui peuvent
endommager le moteur. Les capteurs de cliquetis mesurent précisément les
vibrations du bloc moteur qui caractérisent les cognées du moteur. Cela permet de
modifier le moment d'injection et les autres paramètres afin que le moteur
fonctionne correctement sans dépasser le seuil de vibrations maximum. Le moteur
est ainsi protégé et la consommation de carburant réduite.
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  • 2. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 2 | P a g e Table des matières 1. REMERCIEMENT 8 2. INTRODUCTION 9 3. RESUME 10 5. PROBLEMATIQUE 12 6. LES VEHICULES 13 6.1. Voiture Diesel 13 6.1.1. Principe de fonctionnement 14 6.1.1.1. Architecture 14 6.1.1.2. Combustion 16 6.1.2. Avantages 17 6.1.2.1. Rendement 17 6.1.2.2. Robustesse 18 6.1.2.3. Progrès en dépollution 18 6.1.3. Inconvénients techniques 19 6.1.4. Technologies associées 19 6.1.4.1. Suralimentation 20 6.1.4.2. Injection directe 21 6.1.4.3. Préchauffage 22 6.1.4.4. Filtre à particules 23 6.1.4.5. Recirculation des gaz d'échappement 25 6.1.4.6. Réduction catalytique sélective 25 6.1.4.7. Diagnostic embarqué 26 6.2. Voiture essence 27 6.2.1. Moteur à allumage commandé 27 6.2.1.1. Évolution des techniques 29 6.2.1.1.1. Allumage 29 6.2.1.1.2. Alimentation carburant 29 6.2.1.1.3. Soupapes 30
  • 3. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 3 | P a g e 6.2.1.2. Nouvelles politiques anti-pollution 31 6.2.2. Combustion 33 6.2.2.1. Généralités 33 6.2.2.2. Auto-inflammation 34 6.2.2.3. Contrôle des gaz d'échappement 36 6.2.2.3.1. Polluants émis 36 6.2.2.3.2. Traitement des gaz d'échappement 37 6.2.3. Allumage 38 6.2.3.1. Allumage électromécanique 38 6.2.3.2. Allumage électronique 40 6.2.4. Injection 41 6.2.5. Lubrification et refroidissement 42 6.2.6. Suralimentation 43 6.2.7. Avantages et inconvénients 46 6.3. Voiture hybride 48 6.3.1. Moteur hybride 48 6.3.2. Principes de fonctionnement des moteurs hybrides 49 6.3.3. Les avantages de l’hybride 53 6.3.4. Les inconvénients de l’hybride 54 6.4. Voiture électrique 55 6.4.1. Fonctionnement d’une voiture électrique 56 6.4.1.1. Architecture d'une voiture électrique 56 6.4.1.2. Gestion et modulation des flux électriques 57 6.4.1.3. Stockage de l'énergie 57 6.4.1.4. Pile à combustible 58 6.4.1.5. Moteur électrique 59 6.4.1.6. Transmission 61 6.4.1.7. Embrayage 62 6.4.2. Avantages et inconvénients de la voiture électrique 62 6.4.2.1. Avantages 62 6.4.2.2. Inconvénients 64 7. LES SYSTEMES EMBARQUES 65 7.1. Introduction 65
  • 4. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 4 | P a g e 7.2. Les Systèmes embarqués dans l’automobile 66 7.2.1. Contexte 66 7.2.2. Le temps réel 68 7.3. Fonctionnement des systèmes embarqués 69 7.3.1. Composition d’un système embarqué 69 7.3.1.1. Calculateur 69 7.3.1.2. Actionneurs 70 7.3.1.3. Capteurs 71 7.3.1.4. Communication 80 7.3.2. Architecture système automobile 81 7.3.3. Exemple de fonctionnement 83 7.3.3.1. Système de freinage (ABS) 83 7.3.3.2. Système de détection de pluie 84 7.4. Conclusion 87 8. DIAGNOSTIQUER L’AUTOMOBILE 88 8.1. LE PROCESSUS DE DIAGNOSTIC 88 8.2. Diagnostic électronique automobile 89 8.2.1. Diagnostic électronique 89 8.2.2.Fonctionnement de l’appareil de diagnostic électronique 90 8.2.3.Les points de contrôle du diagnostic électronique 92 8.3. Les outils de diagnostic, de mesure et de contrôle 93 8.3.1.LES APPAREILS DE DIAGNOSTIC 93 8.3.2.Les outils de mesure et de contrôle 9. Solution de la problématique 99 9.1. Description du problématique 99 9.2. Maintenance du calculateur de voiture 100 9.3. Suggestion de la solution 100 9.4. Unité de refroidissement du calculateur. 100
  • 5. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 5 | P a g e 9.4.1.Description 100 9.4.2.Composants principaux 100 9.5.Simulation et programmation 101 9.5.1.Simulation 101 9.5.2.Programmation 101 9.6. Fonctionnement du système 102 9.7. CONCLUSION 103 10. CONCLUSION 107
  • 6. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 6 | P a g e Liste des Figures Figure 1 : Éclaté didactique d'un moteur Diesel avec sa boîte de vitesses.................................................................................... 13 Figure 2 : Diagramme pression-volume du cycle d'un moteur Diesel......................................................................................... 15 Figure 3 : Moteur Diésel Mercedes Benz ................................................................................................................................................ 17 Figure 4 : STARK Turbocompresseur, suralimentation ...................................................................................................................... 21 Figure 5 : Éclaté de moteur MAN, avec injection directe par rampe commune........................................................................ 22 Figure 6 : Bougie de préchauffage diesel................................................................................................................................................ 23 Figure 7 : Filtre à particule........................................................................................................................................................................... 24 Figure 8 : Système EGR Volkswagen 2.0 TDI......................................................................................................................................... 25 Figure 9 Convertisseur catalytique ou bien le catalyseur ................................................................................................................. 26 Figure 10 : Appareil OBD pour la diagnostique................................................................................................................................... 27 Figure 11 : Moteur essence Opel............................................................................................................................................................... 28 Figure 12:Graphique de performances (puissance, couple, consommation) d'une Daewoo Matiz de 796 cm3........... 29 Figure 13 : Soupapes d’admission et d’échappement du moteur ................................................................................................... 31 Figure 14 : Illustration de la technologie hybride HSD sur une Toyota Prius............................................................................ 33 Figure 15 : Molécule d'octane modélisant l'essence............................................................................................................................ 34 Figure 16 : Le phénomène de cliquetis engendre une augmentation rapide et anormale de la pression......................... 35 Figure 17 :Le dioxyde d'azote est particulièrement nocif pour la santé....................................................................................... 36 Figure 18 :Pot d’échappement.................................................................................................................................................................... 38 Figure 19 : Schéma d'un système d'allumage électromécanique.................................................................................................... 40 Figure 20 : Le faisceau d'allumage, ici en jaune, relie l'allumeur aux bougies d'allumage. .................................................. 41 Figure 21 : Cartographie de l'injection de carburant ......................................................................................................................... 42 Figure 22 : Entrée d'air du turbocompresseur ...................................................................................................................................... 46 Figure 23 : Dispositif de partage de la puissance................................................................................................................................. 48 Figure 24 : L’hybridation série.................................................................................................................................................................... 49 Figure 25 : L’hybridation parallèle............................................................................................................................................................ 49 Figure 26 : Moteur Hybride......................................................................................................................................................................... 51 Figure 27 : Cycle de fonctionnement d’une voiture hybride ........................................................................................................... 51 Figure 28 : Moteur hybride d’une voiture KIA ..................................................................................................................................... 52 Figure 29 : Système full hybrid parallèle................................................................................................................................................ 53 Figure 30 : Disposition d’un moteur hybride les deux moteurs électriques et essence sont séparé par un volant moteur ................................................................................................................................................................................................................ 54 Figure 31 : L’architecture de la Golf GTE................................................................................................................................................ 55 Figure 32 : Moteur et batterie d’une voiture électrique (Nissan)................................................................................................... 58 Figure 33 : Efficacité énergétique des voitures thermiques en ville et sur autoroute.............................................................. 64 Figure 34 : Fonctions d’un véhicule moderne....................................................................................................................................... 66
  • 7. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 7 | P a g e Figure 35 : Calculateur d’un véhicule ..................................................................................................................................................... 67 Figure 36 : Les différents types d’ECU...................................................................................................................................................... 68 Figure 37 : Représentation d’un système en temps réel avec son environnement.................................................................... 69 Figure 38 : Représentation d’un calculateur moteur et ses interactions...................................................................................... 70 Figure 39 : Communication capteur – calculateur – actionneur................................................................................................... 80 Figure 40 : Chaine des composants électroniques.............................................................................................................................. 81 Figure 41 :Changement de méthode de communication automobile........................................................................................... 82 Figure 42 : Capteur de vitesse et roue dentée....................................................................................................................................... 83 Figure 43 : Représentation de la diffraction d’un signal lumineux............................................................................................... 85 Figure 44 : Canaux de communication des véhicules actuels......................................................................................................... 86 Figure 45 : Connexion entre l’appareil et le véhicule....................................................................................................................... 92 Figure 46: Lecture des défauts après l’analyse d’un véhicule.......................................................................................................... 93 Figure 47 : Appareil DELPHI 150E OBD pour la diagnostic........................................................................................................... 93 Figure 48 : Figure Interface graphique de logiciel DELPHI.............................................................................................................. 94 Figure 49: Multimètre numérique............................................................................................................................................................ 95 Figure 50 : Diagnostic des signaux des capteurs par L'oscilloscope.............................................................................................. 96 Figure 51 : Testeur de circuit...................................................................................................................................................................... 96 Figure 52: Testeur système Common Rail............................................................................................................................................... 97 Figure 53 : La boîte à bornes....................................................................................................................................................................... 97 Figure 54 : Testeur réseau multiplexé .................................................................................................................................................... 98 Figure 55 : Pince ampèremétrique............................................................................................................................................................ 99 Figure 56 : Analyseur de Gaz....................................................................................................................................................................100 Figure 57 : Opacimètre...............................................................................................................................................................................100 Figure 58: Calculateur Mercedes C220 CDI .......................................................................................................................................101 Figure 59:Simulation sur ISIS du circuit...............................................................................................................................................103 Liste des tableaux Tableau 1 :Exemples d’actionneurs .......................................................................................................................................................... 71 Tableau 2 : Exemples de capteurs ............................................................................................................................................................ 72 Tableau 3: Classification réseaux selon la SAE...................................................................................................................................... 82 « Les clients sont la raisons pour laquelle vous existez »
  • 8. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 8 | P a g e 1. Remerciement n premier lieu, je tiens à remercier mon maître de stage, M. Hamid, directeur de l’entreprise Salma Mek. Un grand merci pour son accueil chaleureux au sein de l’entreprise qu’il dirige, ainsi que pour sa patience et ses précieux conseils. Il m’a beaucoup appris sur son entreprise et les défis qu’un directeur d’entreprise doit relever au quotidien. Je saisis également cette occasion pour adresser mes profonds remerciements aux responsables et au personnel de la faculté des sciences techniques Fès. Ils ont toujours été à mon écoute et ont su m’apporter un soutien sans faille. Je désire aussi remercier les professeurs de la faculté des sciences techniques Fès, qui m’ont fourni les outils nécessaires au bon déroulement de mon stage. Un grand merci à mes parents, pour leurs conseils, ainsi que pour leur soutien inconditionnel, à la fois moral et économique. E
  • 9. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 9 | P a g e 2. Introduction Toutes les études montrent bien que l'électrique n'est pas 100% propre, mais cette technologie fait mieux aujourd'hui que l'essence ou le diesel. Les études varient également beaucoup selon le mix énergétique du pays émetteur, où l'électrique perd son intérêt en Chine ou États-Unis, mais est bien plus vertueux en France. Des efforts restent à faire sur la pollution engendrée lors de la production des batteries, mais elle devrait nettement baisser dans les années à venir grâce à l'amélioration des procédés et de l'énergie renouvelable. L'hybride rechargeable, pour sa part, représente à ce jour la solution la plus verte du marché, mais demande une technologie compliquée et encore chère, qu'on trouve essentiellement sur des gros SUV et des berlines.
  • 10. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 10 | P a g e 3. Résume Traquer l’origine de la panne elle est la mission principale d’un Mécatronicien automobile, surtout les pannes les plus présentes dans les véhicules modernes. Il consacre la majeure partie de son activité à poser un diagnostic sur un dysfonctionnement. À partir des informations fournies par le conducteur, et au vu de ses propres observations, il réalise une série de tests à l’aide de matériels très sophistiqués. L’interprétation des résultats lui permet d’identifier l’origine de la défaillance. Il peut dès lors établir la liste des travaux à effectuer et des pièces à changer, puis arrêter le planning de l’intervention. Vient ensuite la phase de réparation proprement dite. Le mécanicien démonte les organes défectueux, remplace ou remet en état les éléments endommagés. Puis, il effectue les réglages nécessaires en suivant les recommandations du constructeur. Il procède aux essais sur route, et réalise les dernières mises au point. L’intervention terminée, il rend le véhicule à son conducteur et lui explique en détail ce qui a été fait.
  • 11. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 11 | P a g e 4. Abstract Tracking the origin of the breakdown it is the main mission of an automotive Mechatronician, especially the most common breakdowns in modern vehicles. He devotes most of his activity to diagnosing a malfunction. On the basis of the information provided by the driver, and in the light of his own observations, he carries out a series of tests using very sophisticated equipment. The interpretation of the results allows him to identify the origin of the failure. He can therefore draw up a list of the work to be done and the parts to be changed, and then stop the intervention schedule. Then comes e actual repair phase. The mechanic disassembles defective components, replaces or restores damaged components. It then makes the necessary adjustments in accordance with the manufacturer’s recommendations. It carries out road tests and carries out the latest developments. When the intervention is complete, he returns the vehicle to his driver and explains in detail what has been done.
  • 12. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 12 | P a g e 5. Problématique Le calculateur moteur est l’un des éléments centraux du véhicule. Il gère en effet les informations électroniques des différents capteurs se trouvant dans le véhicule. Selon le véhicule, ce boîtier est logé au sein du bloc moteur, dans l'habitacle ou même dans le coffre. Il subit donc des contraintes de fonctionnement temps-réel et environnementales fortes. Ne comportant aucune pièce en mouvement, celui-ci n'est pas particulièrement fragile mais il est tout de même soumis à la température, à l'hygrométrie, à la pression atmosphérique, aux vibrations et aux différences de tension d'alimentation qui risquent de l’endommager et de perturber son fonctionnement. Les conducteurs pensent souvent que l’hiver est la saison la plus difficile à supporter pour leur voiture et prennent beaucoup de précautions comme se garer à l’intérieur pour la protéger, ils oublient que l’été comporte son lot d’inconvénients. Pendant la journée, la chaleur, les rayons du soleil et la baisse significative de température qui peut se produire pendant la nuit peuvent impacter grandement le bon fonctionnement du véhicule en particulier le calculateur moteur. Pour ce fait on va focaliser sur la seule contraint de température qui est très essentielle et importante pour les composants situent au niveau de calculateur.
  • 13. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 13 | P a g e 6. Les véhicules 6.1. Voiture Diesel Toujours lorsque on parle d’une voiture diesel on s’intéresse à son moteur diesel, qui s’appelé également moteur à allumage par compression, est un moteur à combustion interne dont l'allumage est spontané lors de l'injection du carburant, par phénomène d'auto-inflammation lié aux températures élevées dans la chambre de combustion. Celles-ci sont atteintes grâce à un fort taux de compression (rapport volumétrique de 14 à 25:1), permettant d'obtenir une température de 700 à 900 °C. Pour le démarrage des petits moteurs des bougies de préchauffage sont souvent utilisées pour permettre un meilleur démarrage à froid, en augmentant, temporairement, la température d'un point de la chambre de combustion. Pour les moteurs de bateaux et les gros moteurs fixes à fioul lourd, on chauffe celui-ci à haute température pour permettre le démarrage. Le moteur Diesel peut être à deux temps (surtout sur les navires, avec suralimentation par compresseur et injection pneumatique) ou à quatre temps. Figure 1 : Éclaté didactique d'un moteur Diesel avec sa boîte de vitesses
  • 14. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 14 | P a g e 6.1.1. Principe de fonctionnement 6.1.1.1.Architecture Dans Comme le moteur thermique à essence, le moteur Diesel est constitué d'un vilebrequin et de pistons, qui lui sont reliés par des bielles, et qui coulissent dans des cylindres percés. L'ensemble est recouvert d'une culasse, où des soupapes, grâce à un arbre à cames lui-même actionné par le vilebrequin, ouvrent et ferment alternativement ces espaces, reliés aux collecteurs d'admission et d'échappement. Dans les systèmes modernes à injection directe, de l'air est aspiré dans la chambre de combustion (le volume libéré par le piston dans le cylindre), puis, autour du point mort haut, du gazole est à son tour injecté. Le mélange ainsi formé est alors compressé par la rotation du vilebrequin, entre en combustion, puis est évacué dans l'échappement. Variante de celui de Beau de Rochas, le cycle Diesel se décompose aussi en quatre temps :  Admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la descente du piston.  Compression de l'air par remontée du piston, la soupape d'admission étant fermée.  Temps moteur : peu avant le point mort haut on introduit, par une injection, le carburant qui se mêle à l'air comprimé. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur : les gaz chauds repoussent le piston, libérant une partie de leur énergie. Celle-ci peut être mesurée par la courbe de puissance moteur.  Échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement, poussés par la remontée du piston. La spécificité du Diesel tient à son auto-inflammation dans la chambre.
  • 15. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 15 | P a g e Figure 2 : Diagramme pression-volume du cycle d'un moteur Diesel Dans un moteur Diesel On profite des propriétés du gazole en présence d'air pour rechercher cette auto-inflammation. On ajuste la proportion de carburant injecté à débit d'air entrant constant, et la compression elle-même qui fait monter le mélange en pression et en température. La combustion n'est en fait idéale qu'aux endroits de la chambre qui sont en présence des bonnes conditions, à la fois de concentration, de pression et de température. Pour compenser ce problème, on augmente la compression du mélange, notamment par un excès d'air admis. Cette méthode permet de limiter l'émission de gaz imbrûlés, mais conduit à d'autres inconvénients, comme la formation d'oxydes d'azote (NOx) et le besoin d'avoir recours à des pièces beaucoup plus résistantes. Afin de permettre l'auto- inflammation du mélange, l'air entrant est comprimé à hauteur de 20:1 (environ 35 bars), et sa température portée de 600 à 1 500 °C environ. Sitôt le carburant injecté (pulvérisé sous la forme d'un brouillard de fines gouttelettes), il s'enflamme presque instantanément, sans qu'il soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie. En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression dans le cylindre (60 à 100 bars), repoussant le piston et entraînant, via la bielle, la rotation du vilebrequin.
  • 16. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 16 | P a g e 6.1.1.2.Combustion La combustion qui s'opère dans les cylindres d'un moteur Diesel consiste en l'oxydation vive du carburant par le dioxygène présent dans l'air. Les produits de cette réaction se résumeraient au dioxyde de carbone et à l'eau si le carburant ne contenait que des hydrocarbures et si la combustion était complète et non accompagnée de réactions secondaires. La combustion est exothermique, c'est-à- dire qu'elle dégage de la chaleur. Si on suppose le carburant entièrement constitué d'hexadécane, la réaction de combustion interne du moteur Diesel peut être décrite, en première approximation, par l'équation de la combustion complète de l'hexadécane : , Soit : La chaleur dégagée étant d'environ 9 951 kJ (PCI) par mole d'hexadécane brûlée. Dans les conditions stœchiométriques de la combustion « neutre » (sans excès d'oxygène), il faut 3,46 g de dioxygène pour brûler 1 g d'hexadécane, soit, pour une combustion à l'air, 14,96 g d'air (supposé sec) par gramme d'hexadécane. Cette combustion neutre dégage, pour chaque gramme d'hexadécane brulé : En pratique, le ratio utilisé dans les moteurs Diesel est plutôt de 30 g d'air par gramme de gazole. Les gaz résiduaires de la combustion Diesel réelle comportent donc principalement du diazote, du dioxygène, du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau et de l'argon ; viennent s'y ajouter divers polluants résultant du caractère imparfait de la combustion principale et de l'existence de diverses réactions secondaires.
  • 17. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 17 | P a g e 6.1.2. Avantages 6.1.2.1. Rendement Les raisons du succès du moteur Diesel dans l'automobile, au-delà d'avantages fiscaux qui relèvent de choix plutôt politiques que techniques, tiennent essentiellement à son rendement supérieur à celui du moteur à essence du fait d'un taux de compression plus élevé. En résulte une consommation volumique de carburant plus faible que dans un moteur essence. Le rendement du Diesel profite encore de l'apport de technologies comme la suralimentation ou l'injection directe, combinées à une pulvérisation plus fine et mieux contrôlée du gazole dans la chambre de combustion, et à une gestion plus précise des ouvertures et fermetures des soupapes. Figure 3 : Moteur Diésel Mercedes Benz
  • 18. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 18 | P a g e 6.1.2.2.Robustesse Le moteur Diesel peut brûler de l'huile végétale à la place du gazole. Pendant la Seconde Guerre mondiale, devant la pénurie de pétrole, des recherches ont d'abord été menées pour développer l'huile végétale en tant que carburant alternatif, mais elles finiront par être abandonnées face à la concurrence du bois et au réapprovisionnement progressif en pétrole. Il est aujourd'hui possible de faire usage d'un tel carburant dans une automobile de tourisme, à condition d'adapter son circuit d'alimentation et de surveiller son entretien, l'huile végétale présentant par rapport au gazole une plus grande viscosité, un indice de cétane plus bas et des impuretés spécifiques. De nouveaux carburants à base végétale transformés et raffinés sont par ailleurs en cours d'étude, comme le diester et le NExBTL, mais ils restent encore coûteux à mettre en œuvre comparés aux huiles végétales brutes recyclées. Les poids lourd se peuvent également recourir à une émulsion d'eau dans le gazole (de l'ordre de 10 à 15 % du mélangée). D'une part, les gouttes de carburant injectées dans la chambre de combustion voient leur taille diminuer, ce qui conduit à une meilleure combustion, et donc moins de particules rejetées. De l'autre, la présence d'eau dans la chambre réduit sa température, limitant ainsi l'émission de NOx. La technique impose toutefois un moteur suffisamment robuste (matériaux résistant à l'oxydation générée par l'eau, système d'injection adapté), et entraîne une augmentation de la consommation. 6.1.2.3. Progrès en dépollution De même que les autres systèmes de motorisation, le moteur Diesel a connu des améliorations au cours des dernières décennies. L'avantage principal de ce type de moteur est de produire à consommation égale, du fait de son rendement supérieur, des émissions de CO2 de l'ordre de 10% plus faibles que son équivalent essence. Il engendre également moins de monoxyde de carbone (qui s'oxyde rapidement en dioxyde de carbone dans l'atmosphère) et d'hydrocarbures imbrûlés que les moteurs à essence. L'arrivée progressive des filtres à particules et des systèmes SCR et EGR a contribué en outre à limiter les émissions de NOx et de
  • 19. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 19 | P a g e particules fines, même si celles-ci restent beaucoup plus élevées que sur les moteurs à essence. 6.1.3. Inconvénients techniques Poids : Les premiers moteurs Diesel étaient beaucoup plus lourds, bruyants et bien moins puissants que leurs homologues à essence. Ces inconvénients ont été partiellement éliminés sur les véhicules modernes grâce, en particulier, au turbocompresseur à géométrie variable, à l'injection directe à rampe commune ou à l'injection très haute pression. Cependant, à puissance égale, ces moteurs restent plus lourds que leurs homologues à essence du fait des contraintes mécaniques et thermiques plus élevées. Souplesse : La plage de rotation du moteur Diesel étant plus réduite que celle d'un moteur à essence, il a besoin pour une utilisation automobile de plus de rapports dans la boite de vitesse. De plus le meilleur rendement ainsi que sa pollution au CO2 minimale est généralement obtenu dans une plage assez étroite de rotation et de température, le cantonnant théoriquement à une utilisation continue à vitesse constante ou à une utilisation statique. 6.1.4. Technologies associées L'optimisation des moteurs Diesel au fil des années a conduit au développement de technologies nouvelles, en particulier dans les domaines de la combustion et de la dépollution. Ce sont elles qui permettent aux constructeurs de passer les normes toujours plus contraignantes en vigueur. Le groupe Volkswagen a ainsi pu homologuer fin 2008 différents modèles (Q7, Jetta, A4…) aux États- Unis, pourtant soumis aux très sévères normes Tier2, Bin5, et LEV 2 en Californieh, (mais il est apparu en 2015 lors de l'affaire Volkswagen que ces normes n'étaient pas toujours respectées). Ces technologies se sont également généralisées aux camions, contraints de respecter les niveaux d'émission Euro VI depuis le 31 décembre 2013.
  • 20. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 20 | P a g e 6.1.4.1. Suralimentation La suralimentation est une technique permettant d'améliorer le rendement du moteur. Elle consiste à augmenter le taux de compression de l'air aspiré pour accroître celui du mélange. On utilise pour cela un compresseur, qui augmente la quantité d'air introduite dans le moteur pour une même quantité de gazole. Cet apport supplémentaire en oxygène lutte contre la formation de gaz chauds non propices à la combustion, permettant ainsi d'augmenter le taux de détente des gaz, et donc la puissance engendrée, sans pour autant injecter plus de carburant. La technique a d'abord fait ses preuves dans l'aviation, où l'altitude induit une réduction de la densité de l'air entrant (donc de sa teneur en oxygène), mais s'est ensuite répandue à tous les moteurs thermiques. Il existe un grand nombre de solutions pour comprimer l'air d'admission. On peut citer notamment : Le compresseur mécanique, entraîné par le vilebrequin du moteur, au prix d'un rendement diminué ; Le turbocompresseur (ou turbo), entraîné par une turbine mise en mouvement par le passage des gaz d'échappement, au prix d'un écoulement gêné. Les modèles les plus récents sont « à géométrie variable » (TGV), technologie qui leur permet d'être plus performants à bas régime ; l'échangeur de pression « Comprex » de la marque ABB, où le vilebrequin entraîne un rotor muni de cellules, qui permettent aux gaz d'admission et d'échappement d'échanger alternativement leurs pressions.
  • 21. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 21 | P a g e Figure 4 : STARK Turbocompresseur, suralimentation 6.1.4.2. Injection directe Cette technique consiste à injecter le carburant directement dans la chambre, et non plus en amont comme dans les systèmes à injection indirecte. Elle permet de contrôler précisément la zone où on injecte le gazole, et d'ainsi optimiser la combustion du mélange. Si l'injection directe existe depuis les débuts du Diesel, elle a longtemps été réservée aux moteurs lents utilisés dans l'industrie, la navale ou les poids-lourds. Des raisons techniques (fumées et bruit supérieurs, gradient de pression trop élevé) contraignaient à utiliser des pistons très solides et très lourds, incompatibles avec des encombrements réduits et des vitesses d'utilisation élevées. Il faut attendre 1986 et le Toyota Land Cruiser HJ61 pour voir le premier moteur Diesel à injection directe (le célèbre 12HT) installé sur un véhicule particulier80. Il sera suivi deux ans plus tard par celui de la Fiat Croma TDidi. De nouveaux dispositifs sont apparus dernièrement pour contrôler plus finement encore la qualité d'injection. Certains moteurs sont ainsi équipés d'injecteurs- pompe, qui régulent la pression d'injection individuellement dans chaque cylindre81. D'autres utilisent une rampe commune, où, à l'inverse, la pression est régulée dans un rail, duquel partent tous les injecteurs. Celle-ci est de plus en plus
  • 22. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 22 | P a g e souvent combinée à des injecteurs piézo-électriques, dont le pilotage par impulsions électriques permet une gestion plus fine, et décorrélée du vilebrequin. Les moteurs de 2014 offrent une pression d'injection pouvant aller jusqu'à 2 500 bars, contre environ 1 400 pour les premières rampes communes, et moins de 1 000 pour les moteurs des années 1980. Associée à un pilotage précis des injecteurs, elle assure une pulvérisation du gazole continue, constante et bien répartie, essentielle pour une bonne combustion. Figure 5 : Éclaté de moteur MAN, avec injection directe par rampe commune. 6.1.4.3. Préchauffage Le moteur Diesel fonctionnant par auto-allumage à partir d'une certaine température, le démarrage à froid est impossible sans l'aide d'un apport de chaleur extérieur. On crée donc, par l'entremise d'une bougie en métal placée à l'intérieur de la chambre, un « point chaud » duquel part l'inflammation du mélange. Une alternative consiste à réchauffer l'air admis, à l'aide de systèmes qui agissent en amont de la chambre84. En l'absence ou en complément de ces dispositifs, les constructeurs peuvent enfin réguler les injecteurs pour opérer une surcharge d'injection au démarrage.
  • 23. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 23 | P a g e Pour les moteurs de bateaux à huile lourde, on préchauffe le combustible à une température élevée avant d'entamer la procédure de démarrage. Figure 6 : Bougie de préchauffage diesel 6.1.4.4. Filtre à particules La réduction de la quantité de particules émises dépend de la qualité du carburant et de la conception du moteur (amélioration de l'injection, dispositifs à injections multiples, etc.). Pour certaines particules difficilement combustibles, un filtre à particules (FAP) peut s'avérer nécessaire. Cette technologie s'est généralisée à partir de 2009, lors de la mise en place de la Norme européenne d'émission Euro V camions. Elle ne peut cependant pas filtrer les particules les plus fines. Le FAP est donc généralement combiné à des catalyseurs le précédent dans la chaîne d'échappement, de manière à ne plus avoir, en théorie, qu'à bloquer les particules les plus grosses et les imbrûlés. Le problème majeur d'un FAP est qu'il voit progressivement les particules retenues s'amasser en suies, au risque de bloquer l'élément filtrant. Il faut donc procéder régulièrement à sa régénération, en brûlant ces suies. Si la régénération du FAP
  • 24. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 24 | P a g e peut avoir lieu toute seule, à vitesse élevée, elle s'opère généralement par une injection de plus dans la chambre en fin de combustion, quand le moteur détecte un excédent de pression sur le FAP. La technique engendre toutefois des émissions supplémentaires de NOx (du fait de l'injection complémentaire), et d'HC et CO (dus à la combustion proprement dite des suies). De nouveaux FAP sont à l'étude pour pallier ce problème, notamment par le biais de nouveaux additifs, de technologies de filtrage plus pointues, et du perfectionnement des diagnostics embarqués. En 2005, l'analyse des rejets occasionnés sur deux ans par une flotte de taxis (des Peugeot 607 2.2 HDi équipées de FAP, et entretenues selon les recommandations du constructeur), sur cycle MVEG et en situation réelle, montre des niveaux d'émission relativement stables si on ne tient pas compte des phases de régénérations. Celles-ci entraînent en revanche une augmentation de plus de 20 % de la consommation, 50 % de NOx émis en plus, et surtout neuf fois plus de CO. Une analyse des FAP à l'issue des tests montre une faible quantité de métaux piégés dans le filtre, avec une très forte prédominance de sulfate et de soufre. Globalement, l'ADEME estime que, malgré les régénérations impliquées, la présence du FAP aura permis de réduire respectivement de 90 et 95 % la masse et la quantité de particules émises à l'échappement. L'organisme remarque en outre que le cérium, utilisé comme additif sur les FAP PSA, reste à 95 % retenu par le filtre. Figure 7 : Filtre à particule
  • 25. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 25 | P a g e 6.1.4.5.Recirculation des gaz d'échappement Plusieurs systèmes coexistent pour lutter contre la formation de NOx et de particules fines. Le plus courant à ce jour est la recirculation des gaz d'échappement. Il consiste à réintroduire une partie des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, après les avoir refroidis pour éviter une température trop élevée dans la chambre de combustion. La vanne qui pilote la portion dérivée du collecteur d'échappement peut cependant s'encrasser, notamment à bas régime moteur. Pour contrer cet inconvénient, on peut recourir à un additif, ou faire monter le régime moteur, par exemple en circulant sur autoroute. Figure 8 : Système EGR Volkswagen 2.0 TDI 6.1.4.6. Réduction catalytique sélective Une autre technologie très répandue est la réduction catalytique sélective (ou SCR, en anglais : selective catalytic reduction), qui recourt à une solution uréique injectée dans le flux d'échappement. Ce liquide est commercialisé dans de plus en plus de stations service, sous les noms « AdBlue » (marque déposée) en Europe et « Diesel Emission Fluid » (DEF) aux États-Unis. La catalyse des NOx est assez délicats, car ils sont relativement stables et peuvent prendre plusieurs heures à se désagréger sous les ultraviolets de la lumière du jour.
  • 26. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 26 | P a g e Ils produisent alors de l'ozone (O3), gaz très irritant, toxique, donc nuisible en basse atmosphère bien qu'indispensable en haute altitude88. De plus, ce système impose la présence d'une température élevée pour être efficace, nécessitant une plus ou moins longue période de chauffe selon les conditions extérieures. Ce phénomène pose le problème de l'adaptation des motorisations thermiques à la circulation urbaine, caractérisée par des trajets plutôt courts. C'est pourquoi certains pots catalytiques sont équipés de dispositifs favorisant leur montée en température. Pour les véhicules particuliers, les choix technologiques ne sont pas encore figés. Il est encore possible de voir émerger des choix alternatifs de dosage d'ammoniac (solide SCR ou metal ammine). Figure 9 Convertisseur catalytique ou bien le catalyseur 6.1.4.7. Diagnostic embarqué Les progrès techniques en matière d'optimisation et de dépollution du moteur ne doivent pas faire oublier qu'avec le temps, les systèmes employés s'usent et perdent en efficacité. Il est donc nécessaire de suivre leur état, afin de les faire contrôler, voire remplacer si nécessaire. Cette situation a conduit les constructeurs à mettre en place une surveillance continue du véhicule, puis d'élargir petit à petit leur champ d'action. Le système de diagnostic embarqué vérifie en permanence le fonctionnement des différents dispositifs : sondes, capteurs, actionneurs, système d'injection, catalyseur, etc. Si une anomalie risquant d'augmenter les émissions est détectée, il affiche une alerte (un indicateur lumineux d'anomalie (en)) au niveau
  • 27. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 27 | P a g e du tableau de bord, de manière à pousser le conducteur à faire vérifier son véhicule. Cela permet en théorie de maintenir les systèmes à un état optimal, et donc d'en limiter les pertes de performances en matière d'émissions. Figure 10 : Appareil OBD pour la diagnostique 6.2. Voiture essence 6.2.1. Moteur à allumage commandé Un moteur à allumage commandé, plus communément appelé moteur à essence en raison du type de carburant le plus fréquemment utilisé, est une famille de moteur à combustion interne, pouvant être à mouvement alternatif (à deux ou quatre temps) ou plus rarement à mouvement rotatif (comme le moteur Wankel). L'ingénieur belge Étienne Lenoir fabrique en 1860 le premier moteur à allumage commandé. C'est un moteur à deux temps, de rendement très médiocre, mais qu'il fabriquera à quelque quatre cents exemplaires ce qui fera de lui le premier industriel de cette technique de l'allumage commandé. Le physicien Beau de
  • 28. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 28 | P a g e Rochas théorise en 1862 la thermodynamique des moteurs à quatre temps, mais il faut attendre 1872 pour que l'Allemand Nikolaus Otto devienne le premier ingénieur à en concevoir un, commençant ainsi une longue série d'innovations. Contrairement au moteur Diesel, le mélange combustible d'un moteur à allumage commandé n'est pas censé s'enflammer spontanément lors du fonctionnement, mais sous l'action d'une étincelle provoquée par la bougie d'allumage. Il est donc équipé d'un système complet d'allumage, composé d'une bougie, provoquant l'arc électrique enflammant les gaz dans la chambre de combustion, d'une bobine servant à produire les hautes tensions nécessaires à la création de l'étincelle et d'un système de commande de l'allumage (rupteur ou système électronique). Figure 11 : Moteur essence Opel
  • 29. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 29 | P a g e 6.2.1.1. Évolution des techniques Le principe d'allumage par une bougie étant fixé, deux aspects concentreront des évolutions spécifiques aux moteurs à allumage commandé : l'allumage, et la façon d'amener le carburant et le comburant (oxygène) jusqu'à la chambre. Figure 12:Graphique de performances (puissance, couple, consommation) d'une Daewoo Matiz de 796 cm3. 6.2.1.1.1. Allumage L'évolution de l'allumage est liée à celle de l'électricité et de l'électronique. Après l'invention du Delco, industrialisée en 1908, les seules évolutions notables sont le remplacement du rupteur par un transistor vers 1970N 3, et le passage à l'allumage électronique, vers 19806. 6.2.1.1.2. Alimentation carburant
  • 30. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 30 | P a g e Du côté de l'alimentation en carburant, le système qui fut majoritaire pendant plus d'un siècle est le carburateur. Inventé vers 1885, mais à la paternité peu claire, il fut en situation de quasi-monopole jusque vers 1990. Il est désormais supplanté par l'injection indirecte, qui se répand à partir de 1960, car c'est une des rares techniques permettant de respecter les normes d'émissions polluantes de plus en plus strictes. Ces deux techniques préparent le mélange comburant-carburant en amont de la chambre avant son admission. Avec la technique d'injection directe, qui fut utilisée en aviation pendant la Seconde Guerre mondiale et dès 1952 sur des automobiles à moteur à deux temps, le carburant est injecté seul dans la chambre, à proximité de la bougie, avant la fin de compression de l'air précédemment admis7. Cela présente des avantages en termes de rendement. Aujourd'hui grâce aux progrès de l'électronique de contrôle et des systèmes d'injection, associés à l'allumage commandé, cette technique est de plus en plus utilisée et est développée activement par les différents concepteurs de moteurs. 6.2.1.1.3. Soupapes Les premiers moteurs à allumage commandé et à quatre temps utilisaient des soupapes latérales, en opposition ou accolées, dont celle d'admission n'était généralement commandée que par la dépression créée par le mouvement du piston. Cette technique utilise un ou deux arbres à cames et permet une grande proximité, donc un petit nombre de pièces en mouvement, entre le vilebrequin et les soupapes, elle connut son heure de gloire entre 1910 et 1940. Pour la compétition, et par la suite en grande série, afin de rapprocher l'arrivée du mélange et le point d'étincelle, les soupapes migrent dans la culasse, en tête de cylindre — technique OHV, pour « Overhead Valves ». Leur commande utilise des tiges et des culbuteurs conservant un unique arbre à cames proche du vilebrequin. Enfin, et c'est la méthode la plus commune présente aujourd'hui, l'arbre à cames est rapproché des queues de soupapes, et passe lui aussi dans la culasse, en tête de cylindre. Cette technique de l'ACT, pour arbre à cames en tête, (OHC) pour « Overhead Camshaft » — grâce aux progrès de la distribution et des ressorts, permet de mieux maîtriser le problème qu'est l'affolement des soupapes à haut régime.
  • 31. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 31 | P a g e Le centrage de la bougie étant crucial pour optimiser le fonctionnement, les systèmes, comme le double arbre à cames en têtes ou (DOHC), qui laissent cet espace central libre, sont aujourd'hui très répandus. La multiplication du nombre des soupapes est due elle aussi aux impératifs de rendement. De deux soupapes par cylindre on est souvent passé à quatre, afin d'améliorer le remplissage (admission) et le dégazage (échappement) de la chambre de combustion. Figure 13 : Soupapes d’admission et d’échappement du moteur 6.2.1.2. Nouvelles politiques anti-pollution Au début du XXIe siècle, en raison de la raréfaction des ressources en pétrole et des politiques anti-pollution particulièrement sévères sur les émissions de CO2, la nouvelle tendance pratiquée par les constructeurs automobiles en matière de motorisation est le downsizing. Après avoir été lancée par des constructeurs généralistes, en particulier avec les moteurs TSI de Volkswagen, recourant simultanément à un compresseur, un turbocompresseur et à l'injection directe, cette tendance s'étend aux modèles sportifs, par exemple pour l'Audi S4, qui abandonne le moteur V8 au profit d'un V6 compressé. Il s'agit de réduire la
  • 32. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 32 | P a g e cylindrée des moteurs, tout en obtenant la même puissance qu'un moteur de plus forte cylindrée au moyen d'une suralimentation. En associant le downsizing à une injection directe, la consommation d'essence est considérablement réduite et les émissions de CO2 sont ramenées à un niveau similaire aux moteurs Diesel équivalents. L'inconvénient du système résulte de l'utilisation même d'un compresseur ; en effet, afin d'éviter le phénomène de cliquetis, le rendement à très hauts régimes est dégradé. Depuis peu, l'hybridation des automobiles, c'est-à-dire l'association d'un moteur thermique et d'un moteur électrique dans la majorité des cas, se généralise. L'énergie reste issue de la combustion de l'essence mais la transmission de la puissance par un système électrique couplé à des batteries permet de récupérer l'énergie cinétique du véhicule lors du freinage, ou une partie de son énergie potentielle dans les descentes. Le gain en consommation d'essence par rapport à une automobile de même puissance, est de l'ordre de 30 %. Les sources de ce gain sont : La récupération d'une partie de l'énergie cinétique qui est gaspillée sur une automobile classique lors du freinage ; La suppression d'autres sources de gaspillage d'énergie (embrayage lors des manœuvres) ; La possibilité de faire tourner le moteur thermique majoritairement dans sa plage de meilleur rendement, quelle que soit la puissance demandée aux roues. La réalisation pratique de tels véhicules conduit en revanche à introduire d'autres sources d'utilisations non optimales de l'énergie : Nécessité de stockage-déstockage de l'énergie dans des batteries, donc avec un rendement de 90 % au mieux, y compris dans certaines phases où il serait possible de la transmettre directement aux roues ; Nécessité de transmission de l'énergie du moteur thermique, en partie directement aux roues et en partie via un générateur puis un moteur électrique, donc avec une perte de rendement.
  • 33. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 33 | P a g e Figure 14 : Illustration de la technologie hybride HSD sur une Toyota Prius 6.2.2. Combustion 6.2.2.1. Généralités La combustion du mélange air-essence dans un moteur à combustion interne est une transformation chimique, une oxydation exothermique vive du carburant et du dioxygène. L'octane est généralement utilisé comme molécule permettant de décrire une combustion de ce type. L'équation générale en tout point de l'espace de la combustion est alors fournie par la formule suivante : Pour être plus précis dans l'estimation de la réaction réelle, on prend les nombres molaires réels de l'analyse chimique du carburant. Le rapport théorique massique
  • 34. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 34 | P a g e idéal air/essence pour le moteur à combustion interne est de 14,7:1, soit 14,7 g d'air pour 1 g de carburant. On parle alors de mélange stœchiométrie. Il est important de préciser que cette équation suppose que le fluide est homogène en tout point de l'espace, ce qui n'est pas le cas dans la pratique. Il est difficile de modéliser intégralement la réaction de combustion qui se déroule dans la chambre, puisqu'il s'agit d'une combustion anarchique qui dépend du temps, de la température et de la turbulence du phénomène. Une analyse informatique découpant le problème en périodes d'une microseconde est néanmoins capable de tenir compte de la température et du temps, mais ne peut rendre compte du phénomène de turbulence car le fluide s'en trouve modifié en tout point de l'espace. Figure 15 : Molécule d'octane modélisant l'essence. 6.2.2.2. Auto-inflammation Le phénomène de cliquetis engendre une augmentation rapide et anormale de la pression. Comme le point d'auto-inflammation de l'essence – c'est-à-dire la température à laquelle l'essence s'enflamme spontanément sans l'apport d'une étincelle – est supérieur à la température de vaporisation et qu'il s'agit d'un liquide volatil,
  • 35. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 35 | P a g e l'essence peut être aisément injectée à l'air pour former un « mélange pratiquement homogène, constant en qualité et en quantité pour un régime donné ». Pour réaliser la combustion, le mélange doit atteindre sa température d'inflammation, proche de 380 °C. Les pressions dans le mélange atteignent des niveaux supérieurs à 30 bars. Un délai d'auto-inflammation, c'est-à-dire la durée durant laquelle les conditions de combustion sont optimales avant d'atteindre l'auto-inflammation, est généralement prédéfini. Il est important que le point mort haut ou PMH soit atteint durant ce délai, engendrant dans le cas contraire un phénomène de cliquetis. Une étude sur une machine à compression rapide permet d'obtenir le délai en fonction de la pression P, de la température T et de constantes A ,n et B dépendant de la composition de l'essence. Lors d'un phénomène de cliquetis, le mélange comprimé et chauffé par rayonnement peut s'enflammer sans avoir été atteint par le front de flamme, provoquant une combustion beaucoup plus rapide qu'à la normale. Ce phénomène a pour conséquence des pics de pression dans la chambre, synonyme de bruit et de contraintes élevées dans le moteur. Le cliquetis est principalement dû à l'avance à l'allumage. Figure 16 : Le phénomène de cliquetis engendre une augmentation rapide et anormale de la pression.
  • 36. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 36 | P a g e 6.2.2.3. Contrôle des gaz d'échappement 6.2.2.3.1. Polluants émis Lorsque la réaction du mélange air-essence est totale, les produits de combustion sont uniquement de l'eau et du dioxyde de carbone (CO2). En pratique la combustion n'étant jamais complète, de nombreux hydrocarbures sont émis : des hydrocarbures partiellement brûlés tels que les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, le monoxyde de carbone (CO), mais également des produits de craquage thermique comme la suie, l'acétylène ou l'éthylène. Des polluants particulièrement nocifs pour la santé sont également émis, dont les plus connus sont les oxydes d'azote (NOx). À la suite d'une exposition au rayonnement solaire, des oxydants (peroxydes organiques, ozone, etc.) se forment après la sortie du pot d'échappement. Même si les produits de la combustion de l'essence sont nombreux, l'eau, le dioxyde de carbone et l'azote sont largement majoritaires. Ces gaz ne sont pas dangereux – sauf l'azote lorsqu'il est oxydé en NOx – mais le CO2 est particulièrement gênant en raison de sa contribution au phénomène d'effet de serre. Figure 17 :Le dioxyde d'azote est particulièrement nocif pour la santé.
  • 37. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 37 | P a g e 6.2.2.3.2. Traitement des gaz d'échappement Afin de diminuer les émissions de polluants, un pot catalytique est placé en sortie d'échappement du moteur. Comme son nom l'indique, il s'agit d'un catalyseur ayant pour but de traiter chimiquement les gaz d'échappement afin de les rendre moins nocifs. Deux types de catalyseurs existent et ont des rôles différents. Les catalyseurs d'oxydation, qui facilitent l'oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures, et nécessitent, de ce fait, un excès d'air pour fonctionner, ce qui induit un mélange pauvre ou implique l'insufflation d'air secondaire ; les catalyseurs de réduction facilitent, quant à eux, la réduction des oxydes d'azote par déficit d'air. L'ajout en série de ces deux types de catalyseurs se nomme « catalyseur à double lit ». Il permet de traiter efficacement l'ensemble des polluants émis par le moteur à allumage commandé. Les catalyseurs à double lit présentent l'inconvénient d'être onéreux, en raison d'un fonctionnement en mélange riche et de l'ajout d'un dispositif d'insufflation d'air secondaire. Une solution à ce problème réside dans l'utilisation d'un catalyseur à trois voies, régulé en boucle fermée en fonction de la richesse du mélange.
  • 38. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 38 | P a g e Figure 18 :Pot d’échappement 6.2.3. Allumage 6.2.3.1. Allumage électromécanique
  • 39. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 39 | P a g e L'allumage électromécanique d'un moteur à allumage commandé fonctionne sur le principe d'un rupteur réalisant des coupures intermittentes de courant dans l'alimentation du primaire d'une bobine alimentant par son secondaire en haute tension à tour de rôle les bougies d'allumage via le distributeur Delco. L'ensemble rupteur-distributeur est appelé allumeur. Le rupteur et le distributeur sont entraînés par un rotor, lui-même lié à l'arbre à cames. Dans les années 1970, le rupteur a été associé à un transistor, puis remplacé par un capteur à effet Hall, augmentant la fiabilité et la qualité de l'allumage. L'énergie électrique nécessaire est fournie par un générateur sous la forme d'une dynamo ou d'un alternateur, entraîné par le moteur, charge une batterie permettant de fournir de façon continue une tension de 12 volts. Le courant continu du primaire de la bobine d'allumage est commandé par le rupteur. Lors de son ouverture la bobine transforme cette interruption de courant au primaire en une impulsion haute tension au secondaire, allant de 6 000 à 25 000 V32. Placé en parallèle sur le rupteur, un condensateur permet de réduire les arcs électriques destructeurs pour le rupteur, et offre une rupture franche, augmentant ainsi la tension dans le circuit secondaire alimentant la bougie d'allumage, équipée d'électrodes entre lesquelles l'étincelle jaillit.
  • 40. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 40 | P a g e Figure 19 : Schéma d'un système d'allumage électromécanique 6.2.3.2. Allumage électronique L'allumage électronique est actuellement la solution technique la plus utilisée, car elle est plus performante. Un calculateur moteur dispose d'une bobine par bougie ou pour deux bougies ; l'allumage ne se fait que lorsque cela est nécessaire grâce à l'électronique. Un capteur placé en regard de dents sur le pourtour du volant moteur permet de déterminer le régime moteur ainsi que le point mort haut de chaque piston. La charge est, quant à elle, calculée en fonction de la pression régnant dans la tubulure d'admission, comparé à la pression atmosphérique (mesurée par un capteur piézo-résistif). Les données de régime et de charge sont traitées par le calculateur, qui définit la bobine à commander et l'angle d'allumage optimal grâce à une cartographie stockée dans sa mémoire.
  • 41. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 41 | P a g e Figure 20 : Le faisceau d'allumage, ici en jaune, relie l'allumeur aux bougies d'allumage. 6.2.4. Injection L'injection de carburant dans les moteurs à combustion interne peut être réalisée de deux manières : par injection indirecte, dans laquelle le mélange air- essence est réalisé en amont de la soupape d'admission, ou par injection directe, où l'essence est pulvérisée sous haute pression directement dans la chambre de combustion. Associée à un papillon, l'injection indirecte permet de réaliser des charges stratifiées, qui ont pour but de créer un mélange riche autour du point d'allumage de la bougie, ce qui limite les pertes d'énergie en chaleur. À partir des années 1960, l'injection directe remplace progressivement l'indirecte, car elle permet de mieux contrôler la quantité de carburant et de réaliser des combustions plus performantes, en raison d'une diffusion plus fine de l'essence.
  • 42. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 42 | P a g e En effet, étant donné que la combustion est réalisée par une bougie d'allumage, l'injection directe permet d'obtenir un mélange plus homogène. Seuls les gaz et les mélanges gazeux ont une « structure parfaitement homogène » si bien que l'essence doit être injectée sous forme de gouttelettes afin d'obtenir un mélange vaporisé. Lorsque les températures sont trop basses, notamment lors d'un démarrage à froid, le mélange est généralement enrichi en essence de telle sorte que le pourcentage de carburant « vaporisable » soit suffisant à l'allumage. On parle alors d'« enrichissement de démarrage à froid ». L'injection directe, accouplée à d'autres systèmes mécaniques, permet par ailleurs de réaliser différentes combustions. L'injection de carburant sur une forme particulière de tête de pistons augmente, par exemple, le niveau de turbulence (injection swirl) dans la chambre de combustion et permet a fortiori d'améliorer l'homogénéité du mélange. L'injection directe, tout comme l'injection indirecte, peut permettre d'effectuer une charge stratifiée (injection tumble). Figure 21 : Cartographie de l'injection de carburant 6.2.5. Lubrification et refroidissement Hormis lorsqu'ils sont destinés à une utilisation en hautes performances (par exemple en compétition automobile ou sur des modèles de prestige), les moteurs à
  • 43. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 43 | P a g e allumage commandé ne sont pas exigeants en termes de lubrification. En règle générale, cette dernière est assurée par une pompe à engrenages interne, entrainée mécaniquement par le moteur, un filtre permettant de retirer les impuretés de l'huile, et une série de canalisations permettant d'amener l'huile aux endroits nécessitant un graissage. La pompe aspire l'huile située dans le carter avant de la distribuer. Les cylindres sont quant à eux lubrifiés par projection, c'est-à-dire que l'huile est projetée dans l'espace moteur grâce aux rotations rapides du vilebrequin. Certains moteurs s'équipent d'échangeurs eau-huile permettant de limiter l'échauffement de l'huile. Sur les moteurs à refroidissement liquide, le circuit de refroidissement, particulièrement nécessaire pour la culasse et le bloc-cylindres, est quant à lui assuré par la circulation d'un fluide absorbant de façon optimale la chaleur, généralement un mélange d'eau et d'éthylène glycol. Sur les moteurs à refroidissement à air les culasse et leur disposition doit être optimisée pour assurer l'échange thermique entre la culasse et l'air. 6.2.6. Suralimentation Le but de la suralimentation dans un moteur à combustion interne est d'augmenter le remplissage du moteur afin d'en accroître la puissance sans augmenter sa cylindrée. En améliorant le remplissage, on augmente la puissance spécifique. Le taux de suralimentation désigne l'augmentation de densité de l'air
  • 44. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 44 | P a g e admis dans la chambre de combustion par comparaison avec celle d'un moteur atmosphérique, c'est-à-dire non suralimenté. Puisque le taux de compression de tout moteur à allumage commandé est limité par le phénomène de cliquetis, ce taux est généralement inférieur à celui d'un moteur atmosphérique45 afin que l'augmentation de la compression due à la suralimentation n'engendre pas de cliquetis. Prenons l'exemple d'un moteur théoriquement parfait, monocylindre, d'un litre de cylindrée. Ce moteur va aspirer et comprimer un litre de mélange air-essence dans sa culasse qui aura été calculée en volume de manière à tirer le meilleur parti du carburant sans atteindre le point critique de cliquetis. Imaginons ce même moteur gavé par un turbo ; il ne va plus aspirer et comprimer un litre, mais davantage. Grossissons le trait et imaginons que le turbo compresseur parvienne à faire entrer 2 litres de mélange air-essence dans le cylindre (taux de suralimentation de 2), les volumes de la culasse et celui du cylindre étant inchangés, le rapport volumétrique entre la cylindrée et le volume de la culasse du moteur reste le même mais la quantité de mélange air-essence comprimé ayant doublée le taux de compression a donc suivi : on aurait alors atteint et même largement dépassé les conditions d'apparition de cliquetis. Un moteur turbo-compressé verra donc son taux de compression revu à la baisse de telle manière que lorsque le turbo gavera le moteur, la compression résultante n'atteigne jamais la valeur à laquelle les phénomènes de cliquetis apparaîtraient inexorablement. Notre moteur théorique de 1 000 cm3 va donc avec la suralimentation avoir des performances proches de celles d'un moteur qui ferait 2 litres de cylindrée, sans en avoir les inconvénients en matière de masses mobiles, de frottements internes, de poids et de dimension générales. Les accessoires (démarreur, batterie etc. ) seront également de puissances et de dimensions plus réduites, permettant un gain de poids substantiel sur l'ensemble du véhicule. Lancer un petit moteur à taux de compression modéré demande en effet beaucoup moins d'énergie que lancer un gros moteur ayant des taux de compression optimums. Parmi les différentes techniques de suralimentions, deux grandes catégories sont généralement distinguées : les compresseurs, parfois dits volumétriques ou
  • 45. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 45 | P a g e mécaniques, et les turbocompresseurs. Un turbocompresseur est, comme son nom l'indique, un compresseur entraîné par une turbine, qui utilise l'énergie cinétique des gaz d'échappement, ce qui permet de ne pas « consommer » de couple efficace, tandis qu'un compresseur volumétrique est entraîné mécaniquement par le vilebrequin. Les technologies utilisées pour l'étage de compression sont différentes, car les régimes de rotation obtenus diffèrent d'un ordre de grandeur. Les compresseurs volumétriques ont néanmoins l'avantage d'être efficaces dès les bas régimes, sans temps de réponse, mais leur régime reste proportionnel à celui du moteur, ce qui limite les possibilités d'optimisation45. La compression d'un gaz s'accompagnant d'une élévation de sa température nuisible au rendement de la combustion, ces systèmes sont souvent associés à un échangeur de température. D'autres solutions, moins mécaniques, existent également comme la suralimentation naturelle — liée à la géométrique des tubulures d'admission —, la suralimentation par résonance obtenue grâce au phénomène de résonance de Helmholtz ou encore la suralimentation par systèmes d'admission à géométrie variable.
  • 46. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 46 | P a g e Figure 22 : Entrée d'air du turbocompresseur 6.2.7. Avantages et inconvénients En raison de leur utilisation généralement commune, il est d'usage de comparer les moteurs à allumage commandé aux moteurs Diesel. Les avantages de l'un correspondent naturellement aux inconvénients de l'autre et vice-versa. Le moteur à allumage commandé est relativement plus léger ; la conception même des moteurs Diesel nécessitant de surdimensionné leurs pièces. Il est donc relativement plus silencieux, puisque la déflagration du gazole, par auto- inflammation, provoque une onde de choc importante dont le bruit – une sorte de claquement – est caractéristique des Diesel. Généralement, le moteur à allumage commandé est plus vif dans les bas régimes et lorsqu'il est froid, car l'allumage se fait par l'intermédiaire d'une bougie. Les régimes moteurs étant de surcroît plus élevés, les véhicules de prestige ou à vocation sportive sont généralement munis de moteurs à allumage commandé.
  • 47. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 47 | P a g e Néanmoins, le rendement thermodynamique théorique du moteur essence est plus faible que celui du Diesel, de l'ordre de 30 % à 35 % pour l'essence contre 40 % à 45 % pour le Diesel en moyenne, en raison des taux de compression plus faibles. Le logiciel de simulation Thermoptim fournit, à conditions identiques, un rendement de 33,9 %47 pour le moteur à allumage commandé et 40,1%48 pour le moteur Diesel. Plus le taux de compression est élevé, plus la combustion est complète et la consommation spécifique réduite. Les consommations de carburant sont plus élevées dans les moteurs à allumage commandé, car outre la question du rendement déjà évoquée, le contenu énergétique de l'essence est plus faible que celui du gazole. Sans recours aux technologies du downsizing, le couple obtenu est plus faible à bas régime et les émissions de CO2 plus élevées que pour un moteur Diesel équivalent. Il est cependant plus facile d'obtenir une puissance plus importante en raison d'un régime moteur maximal environ une fois et demie supérieur à celui des moteurs Diesel pour les moteurs d'automobiles courants. Si on compare les émissions polluantes entre un moteur Diesel et un moteur essence, l'avantage va à l'essence sur la question de l'empreinte écologique à long terme. Les moteurs diesel émettent moins de dioxyde de carbone (CO2), en moyenne 15 % de moins49, car la consommation est inférieure à celle d'un moteur essence. Toutefois le CO2 n'est pas considéré comme un polluant mais participe au réchauffement climatique. Les moteurs Diesel génèrent de trois à huit fois plus de NOxN 9 (oxydes d'azote) et de huit à dix fois plus de particules fines50. Ce surcroit de pollution reste vrai malgré les gros progrès apportés par l'injection directe haute pression. Obligatoires en Europe sur les véhicules mis en service depuis 2011 (norme Euro 5), les filtres à particules permettent de limiter les rejets des particules fines durant l'utilisation, mais ne filtrent pas les NOx sans catalyseur De NOx50 et n'offrent pas la solution optimale faute de procédés de retraitement en fin de vie. La norme Euro 6 restreint encore les motoristes sur les niveaux d'émission de particules fines et d'oxydes d'azote. Ainsi depuis 2000, la limite maximale de rejet est passée de 500 à 80 mg/km en 2014 pour les nouveaux véhicules (poids lourds et automobiles), donc le parc ancien reste la source principale de pollution.
  • 48. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 48 | P a g e 6.3.Voiture hybride Les véhicules à moteur hybride ou à motorisations hybrides combinent au moins deux énergies différentes pour assurer leur propulsion, en général thermique et/ou électrique. Utilisée selon les besoins, cette optimisation de l'utilisation des différents moteurs assure des gains en consommation et un succès grandissant de ces véhicules techniquement très complexes. Figure 23 : Dispositif de partage de la puissance 6.3.1. Moteur hybride Dans une automobile à moteur hybride, on dispose de 2 groupes motopropulseurs (GMP) utilisés en synergie. Il s'agit actuellement d'un moteur
  • 49. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 49 | P a g e thermique à combustion interne à 4 temps associé à une machine électrique alimentée par des batteries, voire une pile à combustible (PAC) embarquée. Au niveau de l'architecture, il convient de distinguer 2 grandes familles de « full hybrides »:  L’hybridation parallèle où les 2 moteurs peuvent fonctionner ensemble selon des répartitions très variables en fonction des besoins du véhicule.  L’hybridation série où les roues motrices sont toujours entraînées par le moteur électrique. Le plus souvent, le moteur thermique n'est pas utilisé aux arrêts et aux faibles vitesses en ville. Autre perfectionnement intéressant, de plus en plus de ces véhicules hybrides sont rechargeables ou « plug in » ; leur batterie peut donc aussi être chargée sur secteur pour des performances bien supérieures. Figure 24 : L’hybridation série Figure 25 : L’hybridation parallèle 6.3.2. Principes de fonctionnement des moteurs hybrides D'une façon générale, ces véhicules donnent la priorité à la machine électrique en utilisation urbaine, ce qui favorise d'autant les consommations normalisées. Dès
  • 50. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 50 | P a g e que l'autonomie des batteries ou un surcroît de puissance sont nécessaires, le moteur thermique vient toutefois épauler sa version électrique embarquée. Plus en détails, le fonctionnement dépend du type exact d'hybridation : En micro hybride, le véhicule ne dispose que de la fonction « stop and start » utile en cas d’arrêts répétés, donc en circuit urbain congestionné. Les gains de consommation vont de 0 à 10 %, mais le moteur (surtout si turbo) et la batterie n'apprécient guère ce fonctionnement intermittent. En mild hybrid ou hybride moyen, le freinage devient récupératif à hauteur de 5 à 20 % et ajoute son gain de consommation au système précédent. C'est encore une technologie essentiellement utile en ville que l'on retrouve chez BMW, Ford et Honda. En hybridation parallèle, on arrive au full hybrid. Ici, les 2 motorisations sont capables de propulser le véhicule au mieux selon une gestion automatique optimisée par un calculateur électronique. Ce système est aujourd'hui employé par la pionnière Toyota Prius et la plupart de ses concurrentes. En hybridation série, le moteur thermique entraîne uniquement un générateur électrique et joue le rôle d'un groupe électrogène. Il pourra ainsi être optimisé pour fonctionner à un régime fixe. Les roues motrices sont donc exclusivement entraînées par la machine électrique soutenue par des batteries tampons. Plugin hybrides, des évolutions qui peuvent être avantageusement rechargées sur secteur comme pour les Audi Q7 Plug-in, Volvo XC90 T8, VW Passat GTE ou Golf GTE, BMW I8 ou X5 eDrive, sans oublier la nouvelle Chevrolet Volt en 2016.
  • 51. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 51 | P a g e Figure 26 : Moteur Hybride Figure 27 : Cycle de fonctionnement d’une voiture hybride Une propulsion hybride consiste à combiner un, ou plusieurs, moteurs électriques (réversibles pour devenir générateurs) avec un moteur thermique utilisé pour charger la batterie et/ou assurer la traction. Les différentes phases de fonctionnement d'un full hybrid se déroulent comme suit : Lorsque le véhicule est immobile, les deux moteurs sont à l'arrêt ; la mise en mouvement de la voiture est assurée par le moteur électrique seul, jusqu'à une vitesse maximum variant entre 70 à 130 km/h suivant les modèles ;
  • 52. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 52 | P a g e au-delà de ces vitesses, ou lorsqu'une accélération plus forte est demandée, le moteur thermique est démarré pour fournir le supplément de puissance et remplacer progressivement le moteur électrique ; en cas de demande de puissance importante (forte accélération ou forte pente), les deux moteurs fonctionnent simultanément pour additionner leurs couples moteurs ; en phase de décélération ou de descente, le freinage régénératif permet au moteur/générateur de convertir une part de l'énergie cinétique en énergie électrique, rechargeant la batterie. Ce rôle de frein moteur peut être accru en forçant le moteur thermique à tourner sans injection de carburant, soulageant les freins mécaniques à friction. Celui-ci peut au contraire être arrêté pour réduire la consommation et la pollution, ce qui désactive son frein moteur. La gestion de l'ensemble est confiée à l'électronique embarquée qui tient compte de l'état de charge de la batterie, de la température du moteur thermique et de celle du catalyseur, des besoins en chauffage et en climatisation et de la pression sur les pédales d'accélérateur et de frein. Figure 28 : Moteur hybride d’une voiture KIA
  • 53. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 53 | P a g e Figure 29 : Système full hybrid parallèle * ENG = moteur thermique (engine) * Clutch = embrayage* MOT = moteur électrique * PE = électronique de commande * BATT = batterie * TX = transmission 6.3.3. Les avantages de l’hybride  Consommation de carburant réduite (environ 5L /100 km pour une Yaris Hybride contre 6,5L /100 pour une Yaris non-hybride en cycle mixte).  Utilisation de l’énergie cinétique des freinages et décélérations, qui est gaspillée dans les véhicules 100% thermiques.  Confort de conduite en ville à basse vitesse (silence, fluidité de la propulsion, facilité des manœuvres).  Ne nécessite pas d’être rechargée sur une prise.
  • 54. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 54 | P a g e Figure 30 : Disposition d’un moteur hybride les deux moteurs électriques et essence sont séparé par un volant moteur 6.3.4. Les inconvénients de l’hybride  Prix toujours élevé par rapport à un modèle 100% thermique (surcoût d’environ 5000€)  Faible capacité de la batterie, qui ne permet pas de rouler en mode 100% électrique sur plus d’une dizaine de kilomètres et à plus de 30-50 km/h.  Utilisation exclusive de l’essence comme énergie primaire. Impossible donc de choisir l’origine de l’électricité consommée à bord, contrairement à une hybride rechargeable.  Sur autoroutes et à vitesse élevée, le moteur électrique n’est pas opérant et constitue un surpoids qui entraîne une légère surconsommation.  Ne peut plus bénéficier du bonus écologique depuis 2017
  • 55. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 55 | P a g e Figure 31 : L’architecture de la Golf GTE 6.4. Voiture électrique Une voiture électrique est une automobile mue par la force électromotrice d'un ou de plusieurs moteurs électriques, généralement alimentés par une batterie d'accumulateurs, une pile à combustible voire un moteur thermique couplé à un générateur électrique pour les voitures hybrides électriques. Parmi les modèles de chacune de ces filières, on peut citer la Tesla Model 3 et la Renault ZOE équipées de batteries, la Toyota Mirai dotée d'une pile à combustible, et la Chevrolet Volt munie d'un prolongateur d'autonomie qui en fait un hybride électrique rechargeable.
  • 56. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 56 | P a g e 6.4.1. Fonctionnement d’une voiture électrique Comment fonctionne de A à Z d’une voiture électrique ? Si le principe est bien plus aisé et simple à comprendre que celui du moteur thermique, il est tout de même intéressant de se pencher plus en détail sur la (les) technique(s). 6.4.1.1.Architecture d'une voiture électrique Commençons par l'essentiel, à savoir les grands éléments qui composent le système de traction d'une voiture électrique :
  • 57. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 57 | P a g e 6.4.1.2. Gestion et modulation des flux électriques  Convertisseur DC/DC Il sert à convertir la haute tension (330v) de la batterie Lithium ion pour la batterie de servitude au plomb (12v).  Chargeur embarqué / redresseur Il transforme le courant alternatif en provenance de la prise vers un courant continu destiné à la batterie de puissance.  Calculateur / Onduleur / redresseur C'est le calculateur de puissance et gère beaucoup de choses ... Il contrôle les flux d'énergie grâce aux nombreux capteurs qu'il dispose. Par exemple, quand j'accélère j'appuie sur un capteur (la pédale) dénommé potentiomètre (c'est la même chose sur les voitures thermiques modernes), le calculateur gère alors le flux d'énergie à envoyer vers le moteur selon mon "degré d'accélération". Idem quand je relâche la pédale, il va gérer la récupération d'énergie en envoyant le jus généré par le moteur électrique (réversible donc) vers la batterie tout en modulant le débit électrique. Il peut onduler le courant grâce à un hacheur (batterie vers moteur) ou encore redresser le courant (récupération d'énergie alternative pour la batterie à courant continu). 6.4.1.3. Stockage de l'énergie  Batterie C'est l'élément qui emmagasine l'énergie électrique grâce à une solution chimique. On utilisait auparavant dans les années 90 des batteries au plomb, d'où une autonomie limitée et une encombrement très important. Désormais on utilise les batteries au Lithium qui emploient un principe similaire tout en étant plus efficace. Pour faire simple il s'agit d'avoir une solution chimique à laquelle on peut soutirer des électrons. Une fois qu'on lui a tout pris cette solution devient stable : il n'y a plus de déséquilibre entre les bornes 6 et +, il n'y donc plus de jus à tirer.
  • 58. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 58 | P a g e Pour recharger la batterie, on réinjecte des électrons à la borne - pour remettre la solution en déséquilibre et pouvoir de nouveau tirer du jus entre les bornes - et +. Figure 32 : Moteur et batterie d’une voiture électrique (Nissan) 6.4.1.4. Pile à combustible Une pile à combustible est une sorte de batterie, la différence qu'elle se recharge en la remplissant de combustible, et non pas en lui réinjectant des électrons (de l'électricité donc). C'est donc un moyen rapide de faire le plein, bien plus qu'avec les batteries Lithium Ion malgré les bornes de recharge rapides assez efficaces. Hélas, et si l'hydrogène est l'atome le plus répandu dans l'univers, il n'y en a plus beaucoup sur Terre (le soleil en est bourré, il le compresse devant nos yeux) ... Car tout ce qui nous entoure était à la base de l'hydrogène qui a été tellement compressé dans les étoiles que cela a donné lieu à des matériaux plus lourds : carbone, fer, eau etc. (tout en fait ... absolument tout le reste). Il n'y avait au début de l'univers que de l'hydrogène, c'est l'atome le plus simple qui soit : il a un proton et un électron ! On ne peut faire moins, c'est donc les matériaux le plus léger. On arrive à en produire (ou plutôt en extraire de la matière) mais cela est très coûteux en énergie fossile, ce n'est donc pas parfait.
  • 59. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 59 | P a g e 6.4.1.5. Moteur électrique Le moteur électrique reprend un principe de physique pour son fonctionnement. Il s'agit d'exploiter la force électromagnétique pour générer du mouvement. La science a en effet découvert que "l'épiderme" des atomes était constitué d'électrons. Certains épidermes ont un "surplus" d'électrons qui peuvent alors se balader d'un atome à l'autre (ce sont les matériaux conducteurs et on appelle cela le courant électrique). Ces électrons peuvent être bougés en leur envoyant des rayons électromagnétiques (lumière) mais aussi en le soumettant à un champ magnétique (aimant, mais sachez que lumière et champ magnétique sont liés entre eux). On a donc eu l'idée de faire bouger un aimant à côté d'un fil de métal et on s'est aperçu que cela produisait du courant (qui va dans le sens du mouvement de l'aimant. Ce dernier entraîne les électrons à la surface des atomes). On a donc rapidement fait des montages circulaires plus intelligents : on met un aimant rotatif au milieu d'une bobine de cuivre (on peut aussi faire l'inverse, le cuivre au milieu et les aimants en périphérie. Et c'est d'ailleurs ce que l'on voit sur les moteurs électriques) ce qui produit de l'électricité en continue quand on le fait tourner (l'aimant). On a donc ici découvert en premier lieu le côté réversible du moteur électrique. Car ici on arrive à produire de l'électricité consécutif à un mouvement mais pas un mouvement à partir de l'électricité (ce que l'on recherche pour notre voiture électrique ici).
  • 60. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 60 | P a g e On a alors tout simplement essayé de faire l'inverse : Dans notre système d'aimant rotatif on a injecté de l'électricité dans la bobine. Et là miracle, l'aimant s'est mis à tourner .... C'est donc le côté très intéressant du moteur électrique, il sait faire deux choses à la fois : créer un mouvement quand il reçoit de l'électricité ou créer de l'électricité si on le met en mouvement. En général le rotor est à induction / asynchrone, c'est à dire qu'il a sur lui (au lieu d'un aimant comme sur le schéma) des petites bobines dans lesquelles de l'électricité (et donc de l'aimantation) est induite par le champ magnétique du stator. Mais le principe reste toujours le même : faites bouger un aimant devant du cuivre et vous génèrerez de l'électricité, ou envoyez de l'électricité dans du cuivre et vous ferez bouger l'aimant. Sans oublier qu'envoyer de l'électricité dans une bobine génère un aimant. Il faut donc comprendre que le mouvement et la transmission d'énergie se fait sans contact entre le stator et le rotor : c'est la force magnétique (force de l'aimant) qui fait bouger les choses. Niveau usure on peut donc être rassuré. Pour inverser le sens de fonctionnement du moteur (donc passer la marche arrière) il suffit alors d'envoyer du courant dans l'autre sens.
  • 61. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 61 | P a g e 6.4.1.6. Transmission Le moteur électrique ayant une plage de fonctionnement très élevée (16000 t/min sur une Model S par exemple) et un couple disponible rapidement (plus on est bas dans les régimes plus on a de couple), il n'était pas indispensable de produire une boîte de vitesses. On a donc en quelque sorte un moteur qui est directement connecté aux roues ! La démultiplication ne changera pas que vous soyez à 15 ou 200 km/h. Bien évidemment, le rythme du moteur électrique n'est pas exactement calé sur celui des roues, il y a ce que l'on appelle un réducteur. Sur une Model S il est de 10:1 environ, c'est à dire que la roue va tourner 10 fois moins vite que le moteur électrique. Le rapport de réduction est généralement obtenu par un train épicycloïdal, chose que l'on connaît surtout dans les boîtes de vitesses automatiques. Après ce réducteur il y a enfin le différentiel qui permet de faire tourner les roues à des vitesses différentes.
  • 62. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 62 | P a g e 6.4.1.7. Embrayage Pas besoin d'embrayage ni de convertisseur de couple car si un moteur thermique a tout le temps besoin d'être en mouvement ce n'est pas le cas d'un moteur électrique. Il n'a donc pas de régime de ralenti ni besoin d'un embrayage qui fait le pontage entre les roues et le moteur : quand les roues s'arrêtent pas besoin de débrayer. 6.4.2. Avantages et inconvénients de la voiture électrique 6.4.2.1. Avantages La voiture électrique présente certains avantages par rapport à une voiture à moteur thermique : Efficacité énergétique des voitures thermiques en ville et sur autoroute. il n'y a pas d'émission locale de polluants atmosphériques liés à la combustion, la pollution étant délocalisée sur les sites de production électrique ; toutefois, on conserve plus du tiers des émissions de particules fines (PM10) d'un véhicule, qui proviennent de l’abrasion des pneus, du revêtement routier et des freins; les émissions de CO2 au cours du cycle de vie sont réduites en moyenne de 40 à 50 % par rapport à celles des voitures thermiques ; cette réduction est proche de
  • 63. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 63 | P a g e 90 % dans les pays où la production d'électricité est presque entièrement décarbonée, telles que la Norvège et la France, et atteint tout de même 15 % en Chine en 2015, où le charbon occupe encore une place prépondérante dans le mix électrique; les incertitudes sur les évolutions des batteries (en particulier sur leur durée de vie, leur technologie, leur réutilisation éventuelle et leur recyclage) entachent toutefois ces prévisions; elle est plus silencieuse qu'une voiture thermique, à basse vitesse, au point que des réglementations imposent des dispositifs sonores pour permettre aux piétons d'identifier les véhicules approchant ; par exemple, aux États-Unis et à partir de 2019, pour les vitesses inférieures à 30 km/h138 ; le moteur ne consomme pas d'énergie lorsqu'il n'est pas alimenté en électricité (que le véhicule soit à l'arrêt ou pas) ; elle nécessite beaucoup moins d'entretien (pas de vidange, etc.) ; elle ne connaît aucun problème de démarrage ; le rendement d'un véhicule électrique atteint 50 % sur électricité consommée (50 % de la centrale aux roues, en tenant compte du rendement du moteur, de celui du stockage, du chauffage, de la climatisation et des pertes du réseau électrique), contre un rendement sur carburant consommé de 13 à 20 % pour un moteur thermique de voiture.
  • 64. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 64 | P a g e Figure 33 : Efficacité énergétique des voitures thermiques en ville et sur autoroute 6.4.2.2. Inconvénients La voiture électrique conserve certains des inconvénients communs à tout type de véhicule, en particulier le coût social et humain lié à l'insécurité routière (3 000 morts et plus de 70 000 blessés/an pour l'ensemble des véhicules en France), l'impact environnemental du transport routier, le coût financier et sanitaire lié à l'absence d'exercice par rapport aux mobilités actives, l'étalement urbain et le coût des infrastructures liées à son usage, la disparition du commerce de centre-ville et le déploiement des zones commerciales péri-urbaines.
  • 65. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 65 | P a g e 7. Les Systèmes embarqués 7.1. Introduction Dorénavant les systèmes embarqués font partie intègre de notre vie, la majorité des individus possède aujourd’hui un système embarqué que ce soit chez soi, dans son véhicule ou bien directement sur soi. Nous pouvons actuellement en compter plus d’un milliard ayant chacun leurs spécificités, recouvrant tous les domaines que ce soit l’aéronautique, l’électroménager, la téléphonie ou encore l’automobile. Le marché de l’automobile est en perpétuelle évolution avec une concurrence massive obligeant l’innovation et la démarcation des principaux acteurs du marché. L’intégration de nouveaux systèmes embarqués plus puissants, plus performants et pouvant proposer tout type de fonctionnalités, permet de répondre aux besoins des consommateurs de plus en plus exigeants. "Les trois grands axes d’avenir sont la voiture électrique, la voiture connectée et la voiture automatisée. L’électronique embarquée est transversale à tout cela. Elle jouera un rôle dans des fonctions aussi diverses que la gestion de la recharge électrique, le contrôle moteur, la connectivité du véhicule à son environnement extérieur, ou encore les systèmes d’assistance à la conduite". (Olivier Guetta, Chargé du développement des technologies de logiciel embarqué, Renault).
  • 66. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 66 | P a g e 7.2. Les Systèmes embarqués dans l’automobile 7.2.1. Contexte Aujourd’hui, un véhicule contient une grande quantité d’électronique et d’informatique : on retrouve plus de 100 capteurs, 30 à 50 calculateurs selon le type de véhicule et parfois près d’un million de lignes de codes pour les véhicules de dernière génération. Cette évolution s’explique par les demandes exigeantes des consommateurs et l’envie de différenciation des concurrents sur marché de l’automobile. S’ajoute à cela les contraintes économiques et écologiques où l’électronique embarquée répond à ces nouvelles attentes. De nouvelles fonctionnalités impliquent parfois une intégration électronique et informatique par le biais de systèmes embarqués. Voici une représentation des systèmes intégrés d’un véhicule moderne. Figure 34 : Fonctions d’un véhicule moderne Toutes ces fonctions se catégorisent selon leur domaine d’action :  Habitacle / Confort (climatisation, siège chauffant, allumage automatique des feux…)  Moteur / Transmission (contrôle injection, commande boite de vitesses…)  Sécurité (ABS, Airbags, ESP, radar de recul…)
  • 67. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 67 | P a g e Toutes ces fonctions sont gérées par des ECUs (Electronic Control Unit) qui représentent les calculateurs présents dans les véhicules. . Ce sont de petits boitiers noirs ayant chacun leurs spécificités et leurs rôles liés à des capteurs et des actionneurs. Figure 35 : Calculateur d’un véhicule Celui-ci est dédié uniquement au contrôle moteur, mais de nombreux autres calculateurs (ou ECU) sont présents dans le véhicule pouvant ainsi gérer d’autres fonctions. Voici une liste non exhaustive de différents types d’ECU :
  • 68. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 68 | P a g e Figure 36 : Les différents types d’ECU Tous ces ECUs sont reliés à des capteurs et des actionneurs leur permettant d’envoyer et de traiter les informations. Une communication est donc présente entre tous ces composants électroniques via des bus de communication. Toute cette composition forme l’électronique embarquée du véhicule. 7.2.2. Le temps réel Les systèmes embarqués sont soumis à des contraintes différentes selon leur domaine d’utilisation. Et bien, le temps réel est l’une des contraintes primordiales dans le secteur de l’automobile au niveau de la performance mais surtout au niveau de la sécurité. Devant un ordinateur classique, quelques minutes de latence ne pourront affecter que l’humeur de l’utilisateur, sur un système embarqué d’automobile seules quelques secondes de latence suffisent à provoquer un accident avec des conséquences terribles. Le temps réel est le fait d’être constamment en adéquation temporelle avec la réalité. Un système en temps réel est un système qui doit, non seulement, produire un résultat juste mais dans une durée limitée, sans quoi ce résultat deviendrait erroné. Ainsi, le système en temps réel doit fournir un résultat avec une contrainte de temps. Le temps est déterminé par l’environnement dans lequel se trouve le système, celui-ci doit avoir l’image la
  • 69. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 69 | P a g e plus réaliste de celle de son environnement externe qui évolue lui-même avec le temps. Figure 37 : Représentation d’un système en temps réel avec son environnement 7.3. Fonctionnement des systèmes embarqués 7.3.1. Composition d’un système embarqué 7.3.1.1.Calculateur Le calculateur est l’élément principal d’un système embarqué automobile où régit la mémoire, la carte-mère ou encore le traitement logiciel. Chacun des calculateurs automobiles sont dédiés au pilotage d’une ou certaines tâches bien précises, ainsi de nombreux calculateurs sont présents dans les véhicules formant son système électronique. Le calculateur correspond à un boitier contenant des broches électriques dotées de nombreux ports d’entrées et de sorties afin de permettre à la gestion des instruments de bord. Une carte programmable composée de circuits imprimés contient tout le traitement informatique du système, principalement codé en langage C++ ou Java, et s’accompagne d’autres éléments formant le calculateur. Nous pouvons les qualifier de systèmes « intelligents » due à leur capacité de prise de décision en fonction des paramètres d’entrées via des capteurs (ou sondeurs). Dans le cas d’un calculateur moteur, son but précis sera d’assurer les fonctions de pilotage d’un moteur en ajustant en temps réel les besoins du moteur. En recevant des signaux électriques de la part des capteurs (sonde de température, capteur de pression…), le calculateur peut
  • 70. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 70 | P a g e traiter ces informations pour les transformer en actions par l’intermédiaire d’actionneurs (injecteur, vanne EGR…). Figure 38 : Représentation d’un calculateur moteur et ses interactions 7.3.1.2.Actionneurs Lorsque le traitement est réalisé par le calculateur, un signal électrique est transmis aux actionneurs permettant une action physique sur le véhicule.
  • 71. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 71 | P a g e Tableau 1 :Exemples d’actionneurs Ces actionneurs (ou actuateurs) transforment le signal électrique reçu en énergie mécanique. Cette transformation d’énergie peut être réalisée par moteur, de façon magnétique, hydraulique ou optique. 7.3.1.3. Capteurs Les capteurs sont des éléments essentiels au fonctionnement des calculateurs puisque ce sont ces composants qui sont en charge de transmettre l’information afin d’être traitée de manière optimale. Leur principal objectif est donc de renseigner le calculateur qui va pouvoir agir en temps réel avec l’environnement, c’est pourquoi, ces capteurs envoient de façon constante des informations en continu au calculateur relié. De plus en plus de capteurs sont élaborés due à la sophistication des nouveaux véhicules. Précisément, leurs tâches consistent à pouvoir transformer une grandeur physique (température, pression…) en un signal électrique afin de le transmettre au calculateur. En effet, des interrupteurs peuvent être considérés comme des capteurs puisque les informations qui résultent de l’action émise par l’utilisateur sont directement transmises au calculateur.
  • 72. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 72 | P a g e Tableau 2 : Exemples de capteurs Pour les capteurs situent dans l’automobile :  Capteur d'arbre à came Le capteur d'arbre à cames est situé sur la culasse et détermine la position du pignon pour indexer celle de l'arbre à cames. Ce type de donnée est nécessaire pour des fonctions telles que le lancement de l'injection sur des moteurs à injection séquentielle, le signal du régulateur de pression de la valve électromagnétique de la pompe à injection et le contrôle de fin de course d'un cylindre particulier.
  • 73. Diagnostic et Maintenance Automobile 2019 /2020 73 | P a g e  Capteur de vilebrequin Ce capteur fournit des informations sur la position du vilebrequin que le calculateur d'injection utilise pour calculer le régime moteur. Ces données permettent de déterminer l'injection de carburant la plus économique et le moment de l'amorçage.  Capteur de vitesse de roue La vitesse de la roue est une donnée essentielle pour les systèmes électroniques tels que l'ABS ou l'ASC.  Capteur de cliquetis Les moteurs modernes qui permettent des taux de compressions élevés ont un inconvénient particulier : leur conception augmente les vibrations qui peuvent endommager le moteur. Les capteurs de cliquetis mesurent précisément les vibrations du bloc moteur qui caractérisent les cognées du moteur. Cela permet de modifier le moment d'injection et les autres paramètres afin que le moteur fonctionne correctement sans dépasser le seuil de vibrations maximum. Le moteur est ainsi protégé et la consommation de carburant réduite.