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La régulation électronique de notre Kugelfischer (mise à jour le 24 Aout 2014)

Installer un système de régulation électronique sur une pompe à injection mécanique des années soixante peut sembler anachronique, voir même de mauvais goût pour certains. D’origine, la pompe d’injection Kugelfischer disposait d’un simple système de dosage mécanique adapté individuellement pour chaque type de moteur, qui agissait selon le régime et la charge de celui-ci (position de la pédale d’accélérateur). Cependant, lorsqu’on changeait la cylindrée ou plus simplement l’arbre à cames, le dosage mécanique initial n’était plus convenablement adapté et nécessitait un nouveau réglage de la quantité d’essence exacte à envoyer aux injecteurs en fonction du nouveau volume d’air aspiré. Comme ce dosage était réalisé par une came de profil spécifique (la fameuse came patate), n’importe quelle modification du moteur imposait de redéfinir son profil. Nous, comme on avait tout changé, on ne se posait même pas la question de savoir si une pompe de moteur Peugeot aurait pu fonctionner plus ou moins bien sur le notre; c’était évidemment perdu d’avance. Il nous fallait donc revoir sérieusement le dosage de l’essence pour le rendre compatible aux besoins de notre moteur particulier. Nous avons dans un premier temps « dégrossi » mécaniquement l’adaptation en montant des pistons de Kugelfischer de plus gros diamètre (prélevés sur une 504 à moteur 2L) pour augmenter la quantité d’essence injectée. Cependant, n’ayant ni les compétences, ni les moyens pour développer l’étude d’une came patate spécifique à notre moteur dans l’esprit d’origine, la solution d’une supervision électronique nous a semblé à la fois la plus facile à mettre en œuvre et surtout la plus efficace dans son principe. Cette approche nous permettait d’optimiser la puissance et la fiabilité du moteur, mais aussi de limiter les rejets de CO2 … et par les temps qui courent, ce n’était pas un argument à négliger. La méthode de régulation que nous avons retenu est très simple: elle consiste à analyser les gaz d’échappement avec une sonde lambda à bande large (la sonde lambda traditionnelle utilisée sur les systèmes d’injection modernes ne convient donc pas) pour pouvoir corriger ensuite la richesse en cas de dépassement d’une plage de fonctionnement prédéterminée. Ce principe est donc une véritable boucle de régulation puisqu’il comporte un système de mesure (analyseur des gaz), un régulateur avec point de consigne et un actionneur (mini vérin linéaire) qui agira sur le levier de l’enrichisseur de la pompe pour appauvrir ou enrichir le dosage chaque fois que la mesure sortira « des clous ».

Principe Regulation Kugelfischer

Voici le principe de notre boucle de régulation: l’analyseur des gaz d’échappement (un innovate LM1 dans notre application) nous délivre un signal analogique linéaire compris entre 0 et 5V correspondant à la valeur du rapport stœchiométrique* mesuré. Ce signal est aiguillé vers une carte électronique équipée de deux relais à seuil programmables. Ces relais vont piloter le servomoteur qui commande l’enrichissement (action +) ou l’appauvrissement (action -) de la pompe à injection.

* Proportion du mélange air /essence de la carburation déterminée par l’analyse des gaz d’échappement

courbe-afr 1

Le signal de la sortie analogique de l’analyseur des gaz d’échappement est sensiblement linéaire et dépend directement de la valeur du rapport stœchiométrique mesuré. La bonne plage d’utilisation avec un carburant du commerce est comprise entre 12,8 et 13,6, ce qui correspond a un signal de sortie compris entre 1,6 et 2V. Cette fourchette relativement étroite correspond à la bande morte dans laquelle la régulation n’intervient pas. Au delà ou en deçà, le relais de seuil correspondant (+ ou -) sera activé pour aller corriger la richesse du mélange.

IMG_0851

Voici la carte électronique utilisée qui est équipée de deux relais de seuil programmables. C’est le modèle SCR02 de Devantech distribué par RobotShop (publicité gratuite). Je donne ces informations car j’ai passé plusieurs nuits à rechercher sur Internet  ce type de carte à la fois très souple d’utilisation (programmation aisée et multiples fonctionnalités) et abordable ce qui correspondait tout à fait à nos besoins. Le paramétrage des seuils se fait à partir d’un PC avec une simple liaison mini USB.

Parametrage carte regulation

Ici, c’est une capture de la vue d’écran sur laquelle on peut paramétrer les seuils de chaque relais. La valeur analogique étant convertie dans la carte en numérique sur 10 bits, cela permet de lire une valeur comprise entre 0 et 1023.  Le maximum de 1023 correspondant à une valeur de 5V, ce qui nous donne une résolution de la mesure de 0,005V! Il suffit de faire une règle de trois pour obtenir les seuils correspondants à nos valeurs mini et maxi acceptables. On a donc pour 1,6V un seuil de valeur 307 et pour 2,2V un seuil de valeur 450 (au départ je n’ai pas retenu 2 V car je crains des phénomènes « de pompage » qui apparaissent souvent dans des plages de fonctionnement trop étroites). Comme l’indique ici nos paramétrages, le premier relais est actionné quand le signal de mesure devient inférieur ou égale à 1,6V. Il est désexcité quand cette valeur remonte au dessus de 1,76V (hystérésis de 10%). Le second relais est actionné quand ce signal est supérieur ou égal à 2,2V et il est désexcité quand la mesure retombe en dessous de 1,98V. Bon, ce mini-régulateur ne propose pas d’actions intégrales ou dérivées mais uniquement du proportionnel avec toutefois la possibilité d’ajouter une bande d’hystérésis individuelle et/ou une temporisation dans les deux sens … c’est déjà pas mal! 

Il nous paraissait important d’installer une carte électronique disposant d’un paramétrage facilement réglable, au moins pour rendre plus aisée la phase de mise au point. Il est en effet difficile de préjuger de l’incidence des réglages sur le comportement d’un moteur et rien ne vaux des tests avec différentes consignes pour pouvoir se faire une opinion objective. C’est ici le moment de rappeler quelle est l’influence du rapport air/essence sur la puissance du moteur et sa consommation. Ce rapport comburant/combustible influence également la température des gaz d’échappement mais elle dépend aussi de la charge et son seul contrôle ne permet pas de réguler le bon dosage.

ideal AFR

Courbes de tendance de la puissance et de la consommation selon le rapport air/essence du mélange, qui sont basées sur des valeurs communément admises (il peut y avoir quelques différences selon les types de carburants utilisés).  En retenant a priori un mélange réglé entre 12,8 et 14 on va essayer de réguler la carburation sur une bande relativement étroite. Il est fort possible qu’en pratique nous soyons obligés d’élargir cette bande du coté de la richesse pour minimiser les temps de réaction de la régulation lors d’une demande de charge soudaine (pas de dispositif type pompe de reprise sur le système d’injection Kugelfischer). La valeur dite « idéale » de 14,7 correspond au meilleurs compromis puissance/consommation avec un minimum de rejets CO/CO2

N’ayant aucun retour d’expérience sur le comportement de cet hypothétique système de régulation et pour éviter les risques d’instabilité toujours possible durant les premiers tests, nous avons convenu de prévoir également un mode de réglage manuel permettant d’effectuer les corrections de la richesse via un jeu de boutons poussoirs  à l’initiative de l’opérateur. Pour cela, nous avons donc ajouté  un commutateur manuel / automatique pour aiguiller les ordres qui viendront:

- soit de la carte de régulation SCR02 en mode auto;

- soit en mode manu d’un jeu de boutons poussoirs (plus et moins).

Cette disposition présentera aussi l’avantage lors d’un démarrage, de pouvoir enrichir « à la carte » (via les boutons poussoirs) selon que le moteur soit froid ou chaud, à la manière d’un starter à commande électrique. A ce propos, il faut noter qu’à la mise du contact, en absence de gaz d’échappement l’analyseur va en mode auto systématiquement demander un enrichissement maximum (teneur en oxygène anormalement élevée). Si le moteur est froid, ça va aider; mais à l’inverse s’il est chaud, ça risque de cafouiller le temps que la régulation rétablisse l’équilibre du système. Dans tous les cas, je crois qu’il sera préférable de démarrer en mode manuel en utilisant les boutons poussoirs pour positionner l’enrichisseur de la pompe à injection selon les conditions du moment

Platine regulation richesse

Détail de notre petite platine de régulation électronique qui est ici en cours de câblage.  Elle sera fixée sur le banc de tests juste en dessous des appareils de mesure.

IMG_0944

Détail du mini vérin linéaire à commande électrique (ici avec la tige en position totalement sortie qui correspond à un enrichissement maxi). Le point fixe est monté sur un excentrique qui permet de faire le réglage de la quantité d’essence à injecter au ralenti (réglage de la position mini de la course des pistons de la pompe Kugelfischer). Ce vérin provisoire sera prochainement remplacé par un modèle plus puissant ayant un temps d’action un peu plus rapide et surtout un raccordement électrique moins précaire que celui de la limande actuellement installée, pas vraiment adaptée pour un environnement  »hostile » .

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Voici le modèle définitif de vérin électrique que nous venons d’installer hier. C’est cet actionneur qui fait le lien entre l’électronique (analyse des gaz) et la mécanique (modification de la richesse de la pompe à injection). Pour améliorer l’accessibilité, le point fixe du vérin (axe à gauche sur la photo) initialement prévu coté moteur a été retourné vers l’extérieur permettant ainsi d’avoir un réglage de la position mini (ralenti) plus confortable. Il est ici en position rétractée ce qui correspond maintenant à un enrichissement maxi (on a donc inversé les polarités du vérin initialement installé).  Le gros bouton moleté que l’on aperçoit juste derrière l’axe sert à régler l’air du circuit de ralenti.

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Notre sonde lambda à bande large a été installée sur le collecteur d’échappement, juste en aval du Y des cylindres 1 et 4.  Elle est montée sur la partie supérieure du tube (pour ne pas être polluée par des condensats) et prise en sandwich sur un radiateur en aluminium selon les recommandations du fournisseur (en fait il préconisait une feuille de cuivre mais c’est plus lourd!)

AFR schema regulation 3

Schéma de principe préliminaire des différents composants de notre boucle de régulation. A terme, ce schéma ou les paramétrages de la carte SCR02 risquent d’évoluer selon les constat de nos tests. 

Image de prévisualisation YouTube

Une petite vidéo qui nous montre l’action mécanique combinée de la pédale d’accélérateur et du mini vérin linéaire sur notre pompe Kugelfischer

 

Dans :
Par nanard289
Le 7 janvier, 2014
A 13:24
Commentaires : 9
 

9 Commentaires

  1.  
    gregory
    gregory écrit:

    Bonjour Monsieur Bernard,

    Je suis ravi de voir ce montage. J’ai moi même réalisé une tête kugelfischer pour 2002tii en pistons de7,5mm. Mais la patate ne correspond plus aux nouveaux réglages. D’où le problème! Je pensais à faire ça il y a deux ans.
    Mais je vois que tout est très bien expliqué. En plus je pourrais virer le starter qui n’est pas formidable sur la 2002tii.
    Je voudrais votre retour sur le temps de reaction du système? La distance entre la sonde et la sortie de culasse vous semble t elle importante ou non?

    Merci de partager votre expérience.
    Grégory

    •  
      nanard289
      nanard289 écrit:

      Bonsoir Grégory
      Ici nous sommes entre passionnés de mécanique ou de voitures anciennes et on oubli les « monsieur ». C’est plus convivial et on ne se prend pas au sérieux. Les pistons de 7,5 mm de diamètre sur une Kugelfischer sont la taille idéale pour un moteur de 2L sportif. Le starter de notre montage « électronifié » reste fonctionnel. Il suffit de commuter en mode manuel et de l’actionner électriquement par les boutons poussoirs + ou -. Le temps de réaction est bien sur une préoccupation. En pratique, sur les deux premiers rapports, les montés en régime sont trop rapides pour que la régulation intervienne efficacement. Sur les rapports supérieurs les choses vont beaucoup mieux quand le moteur est à pleine charge. Pour les charges partielles (par exemple papillons entre 20 et 50% d’ouverture) le temps de réaction dépend du paramétrage de la bande morte (c’est à dire la fourchette acceptable du ratio air/fuel dans laquelle il ne se passe rien) de notre carte de régulation. En pratique, pour éviter une régulation instable faisant du « yoyo » en permanence autour du point de consigne (les anglais appellent ça joliment le « hunting), on a grand intérêt à se satisfaire d’un ratio A/F compris entre 12 et 14,5 (soit un peu trop riche et un peu trop pauvre). Pour la localisation de la sonde Lambda, il faut seulement suivre les recommandations (assez larges) du fournisseur (Bosch) et veiller également à la bonne orientation (sur la partie supérieure du tube) pour éviter de récupérer les condensats qui suintent en partie basse. Détail pratique: toujours mettre la sonde sous tension 15 à 30 secondes (fonction préchauffage) avant de démarrer le moteur si l’on veut ménager sa durée de vie.
      Cordialement
      Bernard

  2.  
    jouvin
    jouvin écrit:

    Bonjour,
    Sa serais super d’avoir les schemas, sinon je le ferais moi meme !
    Ok pour le regulateur de tension c’est note, je passe commande de tout sa dans la semaine !
    Encore merci
    Cordialement

  3.  
    jouvin
    jouvin écrit:

    Merci beaucoup pour la reponse avec des liens, je vais passer commande d’ici peut pour commencer mon montage, il y’a deja eu des injection kugel monter sur des simca 1000, mais tres peut arrive a les regler de façon a etre plus performante que des carbus, mais perso, une belle injection kugel avec guillotine, sa a une sacre gueule ! En esperant arriver a des perfs correct grace a la regulation electronique de la pompe ! Encore merci cordialement

  4.  
    jouvin
    jouvin écrit:

    Bonjour,
    Merci pour la reponse rapide !
    Effectivement votre blog est tres bien realiser avec de bonne explication/video.
    Les question que je me,pose sont surtout concernant les accessoire electronique, pour la carte de regulation SCR02, j’ai pris note du fournisseur robotshop, en revanche auriez-vous une adresse pour les carte servomoteur/verin electrique ?
    Merci d’avance
    Cordialement

  5.  
    jouvin
    jouvin écrit:

    Bonjour,
    je viens de découvrir votre site, et je suis admiratif de votre boulot réaliser ! BRAVO !
    Je me permet de vous contacter car je suis un petit jeune (20 ans)passionner entrain de préparer une Simca rallye 2 PROTO pour route/piste/montée historique, j’ai fait l’acquisition d’une injection Kugelfisher guillotine pour ma rallye 2 en 1600cm2, votre système de régulation électronique m’intéresse énormément, si vous etes prêt a m’aider a faire ce montage, vous pouvez me contacter par mail et je vous en serait tres reconnaissant !!! merci d’avance cordialement

    •  
      nanard289
      nanard289 écrit:

      Bonsoir,
      Content de voir que nos « vieilles bidouilles » peuvent intéresser également des jeunes amateurs. Le propos de notre blog est de préciser le plus clairement possible le détail de nos expériences plus ou moins originales pour décrire et partager nos tentatives de sortir des sentiers battus. Je pense avoir détaillé dans cette page toute la procédure de montage pour réaliser cette petite boucle de régulation et je ne vois pas grand chose d’autre à rajouter. Toutefois, si quelques points paraissent encore obscures, n’hésitez pas à demander des précisions supplémentaires (photos ou caractéristiques de matériels) ; on tentera de vous renseigner. Voir également dans les différents forums de Simca Rallye 2 si ce genre d’adaptation n’a pas déjà été réalisée.
      Cordialement
      Bernard

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