The Drink Team … et saucisson

L'association de plusieurs passionnés permet de surmonter les difficultés inhérentes à la restauration de voitures anciennes

 

Modifications de la Kugelfischer « Spéciale Drink Team » (mise à jour 1 aout 2013)

Comme dans un carburateur, une pompe à injection mécanique doit être adaptée au moteur qu’elle alimente pour envoyer exactement la quantité d’essence requise dans chaque cylindre en fonction de la quantité d’air aspiré. Avec une injection électronique, c’est relativement facile à installer puisqu’un débitmètre mesure la masse d’air aspirée (mesure d’un volume corrigé en température). Le calculateur peut donc ensuite aisément en déduire la quantité d’essence correspondante qu’il faut injecter. D’autre part, une sonde lambda surveille la boucle pour apporter les corrections nécessaires éventuelles. Avec la Kugelfischer, point d’électronique ni de calculateur, mais un levier qui transmet la position des papillons et un dispositif mécanique qui mesure aussi la vitesse de rotation du moteur. La combinaison de ces deux variables permet de déterminer assez précisément la course des pistons de la pompe, ce qui va permettre d’envoyer la bonne quantité d’essence à chaque injecteur. Bien évidemment, si l’on change la cylindrée du moteur ou son arbre à cames, des corrections doivent être apportées sur la pompe à injection pour l’adapter aux nouvelles conditions de service. La pompe que nous avons récupéré provenait d’une 404 Peugeot et était donc réglée pour alimenter un moteur de 1600cc plutôt tranquille. Pour l’adapter à nos besoins spécifiques, il nous faudra d’une part revoir à la hausse les quantités d’essence que pouvaient expulser les petits pistons d’origine et d’autre part, revoir également à la hausse la plage de régime maxi pour l’adapter à notre nouveau moteur. Dans le premier cas, la solution passe par le remplacement des pistons en place par des nouveaux de plus gros diamètre et par la modification éventuelle de la course des pistons. Dans le second cas, il faut augmenter la résistance du ressort antagoniste qui contrôle l’angle de rotation de la came « patate » pour élargir d’autant la plage du régime moteur et revoir le profil de celle-ci puisqu’elle va commander le plateau élévateur qui détermine la course variable des pistons. Là encore, ces modifications sont beaucoup plus faciles à dire qu’à réaliser.

 

Modifications de la Kugelfischer

Détail en bas des composants d’un injecteur mécanique (en haut, il est assemblé) qui une fois nettoyés ont meilleure allure

En première approche, avant de modifier quoi que ce soit, il nous fallait d’abord vérifier quelle était la capacité volumétrique maximale que notre pompe  pouvait débiter à pleine charge (c’est à dire avec les papillons ouverts en grand au régime maxi) . Ensuite, il nous fallait faire une estimation de nos futurs besoins en débit d’essence sur notre nouveau moteur pour quantifier le déficit éventuelle de la pompe dont nous disposions. En comparant la cylindrée du moteur de la 404 (1618cc) et le notre (1860cc) on obtient un ratio de 1,15. En affectant ce coefficient à la dimension des pistons de la pompe à injection qui d’origine font 6mm de diamètre, on obtient de façon simpliste (mais ça donne un ordre d’idée) un nouveau diamètre théorique de 6,9mm. Dans les différents standards de pistons Kugelfischer trouvés sur Internet, on découvre qu’il y a eu du 6, du 6,5 du 7, du 7,5 et du 9 mm de diamètre de fabriqués … mais on se sait pas où on pourrait éventuellement les acheter!

Il est communément admis qu’un moteur 4 temps atmosphérique a une consommation spécifique d’environ 250 grammes d’essence par chevaux et par heure. En se basant sur une puissance maxi de 200cv (il faut se fixer des objectifs ambitieux), nos besoins en essence selon cette hypothèse pourraient atteindre 50kg à l’heure (soit environ 66,7 litres /h en débit maxi instantané). Cette valeur ramenée sur un seul cylindre et pour une seconde nous donne plus modestement le chiffre de 4,7cm cubes. Pour simplifier les calculs, en se basant sur un régime de 7200 tr/mn, chaque injecteur travaille un tour sur deux soit 60 fois par seconde. En divisant nos 4,7 cm3 par 60, on obtient environ (c’est arrondi) 0,08 cm3 qui correspond au volume maxi que doit pouvoir injecter chaque piston de la Kugelfischer pour que notre moteur ne meure pas de soif. Avec des pistons de 6mm de diamètre (montage d’origine) il nous faudrait une course de 2,83 mm (c’est énorme). Avec des pistons de 6,5 mm, la course serait « réduite » à 2,41 mm (c’est encore beaucoup), avec des piston de 7 mm on retombe à 2,08mm et avec des pistons de 7,5 mm, la course se limiterai à une valeur de 1,81 mm. A titre indicatif, la course d’origine de notre pompe, sans correction de l’enrichisseur est de 1,275mm, on voit donc le chemin qu’il nous reste à parcourir … et c’est pas gagné! Ce premier constat basé sur des hypothèses certes pas très rigoureuses, nous donne malgré tout la direction vers laquelle nous devons nous orienter

La solution de faire tourner la pompe d’origine deux fois plus vite (c’est à dire non plus à la vitesse de l’AàC mais à celle du vilebrequin) pour envoyer deux fois plus d’essence avait été envisagée mais vite abandonnée. On s’aperçoit en faisant un diagramme séquentiel que dans ce cas, d’un cylindre à l’autre, les injecteurs ne sont plus phasés avec l’ouverture des soupapes d’admission et travaillent de façon anarchique.

Dans une injection séquentielle indirecte, (c’est le cas de notre injection mécanique) il est souhaitable de pulvériser l’essence pendant la phase d’admission, c’est à dire lorsque la soupape est ouverte et que le cylindre avale de l’air. Plus on augmente la course du piston injecteur et plus la durée d’injection devient importante. Il faut donc éviter une durée d’injection trop longue qui se traduirait par une fin d’injection (ou un début, c’est selon le calage) avec la soupape fermée. Il nous fallait donc relevé le profil de la came qui selon l’angle de la rampe de remontée du piston (angle qui détermine la course) allait nous déterminer la valeur maxi à ne pas dépasser, afin que la phase d’injection soit effectuée soupape ouverte. Avec une admission effective de 320° relativement large sur notre dernier arbre à cames (soit 160° sur la came d’injection), on va voir avec les différentes courses possibles ce que la came Kugelfischer d’origine peut accepter comme course maximale de piston injecteur tout en restant dans une durée angulaire compatible.

Dans l’immédiat, en attendant de trouver des pistons plus adaptés à nos nouveaux besoins, je fais une révision générale de « l’embiellage » de la pompe en remplaçant les joints et les roulements. Ensuite, un relevé angulaire de l’arbre à cames pour vérifier la course maxi que nos pistons peuvent accepter.

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Les caches poussières des roulements neufs seront supprimés par un simple coup de canif.

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Contrôle de l’angle de durée d’injection. La rampe de came est asymétrique et la descente du piston (phase de remplissage en essence) est  deux fois plus lente que sa remontée (phase d’injection). Avec une levée maxi d’origine  des pistons de 1,275mm, la phase d’injection se fait sur 32° de rotation de came (soit 64° de vilebrequin). . La rampe de montée  étant sensiblement linéaire, en doublant la levée des pistons (soit 2,55mm) la durée de l’injection passe à 62°  (soit 124° sur le vilebrequin). Ce constat nous permet de retenir pour notre base de départ des pistons de 6,5 mm de diamètre (que nous avions sous la main) en remplacement des 6mm d’origine et qui devront travailler sur une course maxi de 2,50mm. On voit que par rapport au montage d’origine cette adaptation nous permettra théoriquement d’injecter 2,2 fois plus d’essence, ce qui ne me semble pas trop farfelu.

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Voici une des fameuses cames Kugelfischer en forme de patate. Un levier qui se loge dans la gorge de gauche déplace la came longitudinalement en fonction de l’ouverture des papillons. Selon la vitesse de rotation de la pompe, la patate reçoit un angle de rotation comme l’aiguille d’un compte-tours. Une tige palpeuse qui recopie le diamètre de la came selon ses positions axiale et horaire va ensuite piloter le plateau à hauteur variable pour déterminer la course des pistons selon la charge et le régime moteur.

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Certains préparateurs germaniques spécialisés dans les moteurs à injection Kugelfischer comme Alpina ou Schnitzer ont développé des profils spécifiques de patates selon le degré de préparation de leurs moteurs (photo source AlpinaBMW2002.com)

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pompe Kugelfischer

Détail du système qui contrôle l’angle de rotation de la patate selon la vitesse: on a le sentiment d’avoir ouvert une grosse montre!  Pour faire une extension de la plage de régime adaptée à nos nouveaux besoins, on peut durcir le couple du ressort antagoniste, ou bien augmenter l’entrefer de l’aimant tournant à l’intérieur du cylindre mené. Seuls des essais détermineront la meilleure méthode.  

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Dans le contrôle des cames qui commandent les pistons, la valeur de la levée totale (c’est à dire la différence maxi – mini) n’a pas grande importance car il n’y a que la partie haute de la came qui agit sur les pistons de la pompe. Il faut par contre que le point de la levée maxi soit identique sur toutes les cames pour garantir la même quantité d’essence envoyée dans chaque cylindre.

Pour doubler la course des pistons à pleine ouverture (de 1,275, je voulais passer à 2,55mm), afin d’envoyer les bonnes quantité d’essence, il fallait – compte tenu du bras de levier de la tige qui actionne le plateau – diminuer le diamètre de la came patate d’environ  8mm à pleine charge; c’est à dire fortement augmenter sa conicité. Après plusieurs tentatives infructueuses au tour sur une came provisoire en alu, j’ai du renoncer à cette solution trop complexe pour un simple bidouilleur. La modification de notre Kugelfischer devrait se faire autrement et comme disent les voleurs: « si tu ne peux pas passer par la porte, il faut essayer par la fenêtre ».

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Principe simplifié de la variation mécanique de la course des pistons selon la charge sur une pompe Kugelfischer type KF2. Compte tenu du bras de levier entre le point d’articulation du plateau mobile et la tige pilote, il faut diminuer le rayon de la came patate d’environ 4mm pour doubler la course des pistons. Par contre, si on agit sur la hauteur de l’axe d’articulation (il est monté sur un excentrique) il faut pour doubler la course des pistons le descendre seulement de 1,30mm (ce qui correspond à une rotation de l’axe d’environ 60°). Il existe également un autre principe de régulation basé sur la dépression du moteur (pompe type KF5 utilisée sur les moteurs Peugeot 504 -2l) mais elle est beaucoup moins souple à adapter sur un autre moteur. 

En se référant au croquis ci-dessus, on voit que sous l’action de la pédale de l’accélérateur, la came patate se déplace vers la droite et la tige pilote qui suit la rampe descend, abaissant le plateau mobile sur lequel reposent les pistons. Plus le plateau descend et plus la course des pistons augmente, mais le bras de levier réducteur (13/43 soit environ 0,3) oblige à avoir une grosse variation de diamètre sur la came pour obtenir un déplacement des pistons conséquent. Le plateau est par ailleurs articulé autour d’un axe monté sur deux paliers excentriques. La rotation de cet axe permet donc de descendre ou de monter également le plateau. Cet axe équipé d’une biellette et d’une butée individuelle sert d’une part au réglage de la course mini des pistons (réglage de la butée « course mini » qui détermine la quantité minimale d’essence envoyée  au ralenti) et d’autre part à enrichir la carburation moteur froid (câble de starter relié à la biellette). Après quelques rapides opérations de contrôle, j’entrevois une autre solution possible qui m’éviterai de retailler la came patate en tâtonnant à l’aveugle et au coup par coup. Il me suffirait de piloter « intelligemment » en rotation l’axe excentrique du plateau mobile pour augmenter la course des pistons à la valeur requise (à la place du starter). Bien évidemment, cette régulation simple dans son principe, mais malgré tout assez complexe dans sa mise en oeuvre allait se faire en faisant appel à une solution électronique.

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Voici le détail du fonctionnement du plateau mobile qui règle la course (et donc la quantité d’essence injectée) des pistons de la pompe Kugelfischer. Notre propos sera de moduler via un mini servomoteur l’angle de rotation de l’axe excentrique du plateau mobile pour ajuster la quantité d’essence à injecter selon les conditions de charge.

On trouve dans le commerce des analyseurs de gaz d’échappement qui permettent de mesurer précisément le rapport air / essence de la carburation (ou de l’injection). Ce sont des sondes lambdas dites à bandes larges qui permettent de mesurer des rapports stœchiométriques (c’est le nom donné à la chose) compris entre 9 et 20. Ces analyseurs de gaz sont en général équipés d’une sortie analogique 0-5V qui correspond à une variation linéaire comprise généralement entre les bornes 10 et 19 de ce rapport. L’idée que je venais d’avoir pour pouvoir adapter la pompe à nos besoins était d’installer un mini servo moteur qui serait en charge de tourner plus ou moins l’axe de rotation excentrique de notre plateau mobile et partant, de réguler avec précision la quantité d’essence exacte à injecter quel que soit le régime moteur et la charge. Un angle de rotation de l’axe du plateau mobile de 60° me permettait d’augmenter la course existante de plus d’un millimètre. Un rapide calcul prenant en compte le bras de levier, l’effort, la course requise du vérin et son temps d’action m’a permis de sélectionner un type d’actuator qui pourrait remplir cette fonction. D’un seul coup, les choses venaient de se clarifier et j’attendais avec impatience de recevoir un « linear actuator » et la carte électronique avec ses deux relais de sortie à seuils programmables que je venais de commander. L’adaptation d’une pompe à injection Kugelfischer sur notre petit moteur Renault me semblait soudainement ne plus être un gros problème … et j’avais hâte de le démontrer.

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Détail de l’emplacement du point de mesure de la sonde lambda à bande large  qui vient d’être installée sur notre collecteur d’échappement.

… L’adaptation d’une pompe à injection Kugelfischer sur notre petit moteur Renault me semblait soudainement ne plus être un gros problème


Dans l’immédiat, je pouvais déjà remplacer les petits pistons d’origine de 6mm de diamètre du distributeur par de nouveaux un peu plus gros de 6,5mm.

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Démontage des chemise de piston du distributeur

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Les chemises des pistons de la pompe sont graissées par un circuit d’huile sous pression  borgne (c’est à dire sans retour) dérivé du moteur. Une petite partie de cette huile de graissage va se diluer dans l’essence pistonnée pour aller également graisser les sièges des injecteurs mécaniques. Des minis joints à lèvres (difficile  maintenant à trouver) assurent l’étanchéité entre le circuit d’essence et le circuit d’huile qui sont tous les deux sous pression. On voit sur cette photo que le démontage d’une pompe qui n’a pas tourné depuis plus de dix ans nécessite un minimum de maintenance. Les autres organes de la pompe (cames, poussoirs, arbres et roulements) sont lubrifiés par barbotage à l’intérieur du carter d’huile de la pompe.

Evidemment, c’est une fois les nouveaux pistons installés que je me suis aperçu que l’alésage de la culasse dans le fond du bloc distributeur était trop faible et ne permettait pas aux pistons de se déplacer sur la totalité de leur course. Il m’a donc fallu redémonter les nouveaux pistons pour réaléser ces diamètres à 7mm. La photo ci-dessous nous montre qu’après réusinage du fond du bloc, la course des pistons est redevenue normale.

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Mécaniquement, la pompe était maintenant presque prête à être installée. Il ne me restait plus qu’à imaginer et mettre en place un système de tringlerie qui allait interconnecter les papillons, la pédale d’accélérateur et la pompe. Un petit servomoteur linéaire à commande électrique restait aussi à installer pour assurer le positionnement angulaire de l’axe d’articulation du plateau mobile (la commande du starter d’origine). Pour des commodités de gestion du système, il me semblait préférable – du moins dans un premier temps – de prévoir un mode manuel pour contrôler via un jeu de boutons poussoirs le positionnement de l’axe excentrique plutôt que d’avoir uniquement un mode automatique géré par la sonde lambda. Pour ne pas encombrer ou dénaturer le tableau de bord de la Berlinette, j’ai décidé d’installer ces boutons poussoirs de commande manuelle directement sur la pompe avec la carte des relais de régulation en charge de la commande du servomoteur. Il me suffisait pour cela de faire une petite plaque support qui serait fixée sur la face arrière de la pompe. Par la suite, avec la réalisation du banc de tests, ce dispositif de contrôle a été déplacé sur une petite platine spécifique.

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 Fabrication d’une petite tôle qui va supporter un renvoi d’angle de la tringlerie de commande d’accélérateur et les boutons poussoirs pour contrôler le servomoteur en mode manuel. 

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La tôle support est provisoirement installée mais il nous manque encore le petit servomoteur qui ira commander la biellette de l’enrichisseur ainsi que le commutateur « Auto – Manu ». Les biellettes de la tringlerie sont fabriquées comme les tiges de culbuteur: un tube en titane et deux embouts en zicral taraudés M5  (pas à droite et à gauche).

Aujourd’hui, j’ai enfin reçu  (avec une semaine de retard) le petit servomoteur que j’avais commandé au Canada. Le transporteur UPS malgré toute son électronique embarquée avait oublié  de préciser sur le bon de livraison mon N° de rue et le chauffeur pas trop zélé n’avait pas pensé à me téléphoner pour essayer d’obtenir la précision manquante: il lui avait paru plus simple de noter sur son bon de livraison: « adresse introuvable »! Maintenant, j ‘avais tous les éléments en main pour mettre en oeuvre ce micro moteur. Le point mobile étant constitué par la biellette de commande d’origine, je n’avais qu’à réaliser un point fixe. Evidemment, après les premières présentations, je constate que la biellette d’origine avait  un bras de levier trop court (avec comme conséquence un angle de rotation trop important) et du coup, ma platine support n’était plus suffisamment large pour installer mon point fixe qui se retrouvait dans le vide. Il me fallait donc refaire une nouvelle biellette plus longue et une nouvelle platine plus large.

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 Détail du point fixe du servomoteur. L’excentricité du téton permet de faire précisément le réglage de la position mini (le fin de course du vérin électrique n’est pas réglable).

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Montage provisoire du servomoteur pour vérifier ses actions

Image de prévisualisation YouTube

Un petit lien vidéo qui nous montre le servomoteur en action. Il fonctionne pour l’instant uniquement en mode manuel mais à terme il sera piloté par un signal analogique (0-5 V) issu du système de mesure de l’AFR.

Voilà, il me reste juste à refaire proprement  une biellette et une platine support pour terminer ce chapitre des modifications mécanique de notre « Kugelfischer ». En réalisant les connections de la platine à relais, je me disais: tiens, on pourrait très bien faire également un système de coupure en décélération. Il suffirait simplement de mettre un contact sur la position repos des papillons et d’ajouter une entrée analogique qui nous donne le régime moteur pour … N’exagérons pas; attendons de voir déjà comment les choses simples vont se comporter, il sera toujours temps ensuite d’envisager des développements éventuels!

Avant de terminer cette page, je dois rajouter deux mots sur l’indexage de la pompe à injection par rapport à l’arbre à cames. Avec mes poulies crantées en cascade, le calage pouvait sembler un peu compliqué mais finalement il est très simple. On repère sur la pompe la position de la poulie en fin d’injection du cylindre N°1; c’est à dire la position ou le piston de la pompe arrive au PMH et on la bloque provisoirement dans cette position. Cette position correspond à la rainure de clavetage de la poulie positionnée à 6h (midi correspondant à l’axe du distributeur). Ensuite, on tourne le vilebrequin pour mettre la came d’admission en levée maxi sur le cylindre N°1. Il suffit ensuite d’installer les courroies crantées dans cette position entre vilebrequin, pompe à huile et pompe à injection. Ce calage nous garanti une phase d’injection juste avant l’ouverture maxi de la soupape d’admission au moment où la vitesse de la colonne d’air est proche de sa valeur maxi.

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 Le vilebrequin est ici positionné pour avoir la pleine ouverture de la soupape d’admission du cylindre N°1 (c’est celui du fond et dans notre cas, ça correspond à 105° après le PMH). La pompe à injection est en fin de cycle d’injection du cylindre N°1 (son piston N°1 est exactement à son PMH) et la rainure de la clavette de la poulie est dans l’axe de l’arrivée d’essence. Il suffit de mettre maintenant la courroie crantée entre le vilebrequin et la pompe à huile pour avoir un cycle d’injection de carburant bien en phase.

Cycle d'injection drink team

Diagramme du phasage de l’injection dans le cycle d’admission

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La poulie en bout de vilebrequin est montée sur sur petit moyeu tourné en zicral. Un galet de roulement à rouleaux permet de solidariser l’ensemble

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Le moyeu qui supporte la poulie reçoit une vis qui a été bloquée et coupée pour s’encastrer dans la rainure de clavetage du damper et garantir ainsi une position fixe par rapport au vilebrequin.

 

Dans :
Par nanard289
Le 10 juillet, 2013
A 1:59
Commentaires : 4
 

4 Commentaires

  1.  
    Marcou 32
    Marcou 32 écrit:

    Bonsoir Nanar,
    J’ai grand plaisir à découvrir tardivement votre site,merci de mettre votre expérience et compétence au services de nous tous,chapeau bas.
    Êtes vous Nanar de la fameuse et bien mythique coupe gord des années de notre jeunesse passée ?
    Petites questions:
    Concernant la pompe kugel?
    Le sens de rotation de la pompe est il impératif,le raccord calibré de sortie retour est ilobligatoire?
    Merci au plaisir de vous lire.

    •  
      nanard289
      nanard289 écrit:

      Bonsoir,
      Au risque de vous décevoir, je ne suis pas le nanard de la coupe Gord. Dans ma jeunesse, je sévissais dans les courses de moto … on ne peut pas être partout!
      Pour la pompe Kugel:
      Question 1, OUI le sens de rotation est imératif et ceci pour deux raisons:
      - l’arbre à cames qui commande les poussoirs qui agissent sur les pistons est asymétrique: la rampe qui commande la phase d’injection est raide (entre 30 et 60°) tandis que la rampe de redescente (phase d’aspiration d’essence) est beaucoup plus douce (plus de 180°)
      - la came « patate » qui assure la correction de richesse selon le régime moteur (variation angulaire) fonctionne comme un compteur de vitesse (aimant tournant, disque et ressort antagoniste) et a donc aussi un sens de rotation directionnel.
      Question 2: oui, le raccord de retour calibré est nécessaire pour maintenir un delta P supérieur à 1 bar entre le circuit aller et le circuit retour. On rappelle à ce sujet que la pression d’essence interne contribue à repousser l’ensemble piston/poussoir en phase d’aspiration (c.à.d quand le piston redescend).
      Bien cordialement
      Bernard

  2.  
    suzanne david
    suzanne david écrit:

    Bonjourd bernard je serais intéressé par votre montage de l électronique sur pompe kugelfischer , si vous pouviez me contacter , je vous en remerci d avance david tel 0609240803

    •  
      nanard289
      nanard289 écrit:

      Bonjour David,

      Avant de changer le diamètre des pistons de ta pompe Kugelfischer, il me parait judicieux de vérifier sur un injecteur quelle quantité d’essence est injectée sur 40 tours de vilebrequin avec la pompe à pleine charge (accélérateur à fond) mais sans le starter (une petite éprouvette graduée de faible diamètre est suffisante pour cette mesure. Ensuite, tu refais la même opération mais avec le levier du starter tiré à fond. Tu seras certainement surpris de voir que la quantité d’essence injectée est fortement majorée et qu’un contrôle intelligent de ce levier de starter devrait te dispenser d’un changement de piston qui est une opération toujours contraignante.

      Cordialement

      Bernard

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