Technique : La bobine

En 1864, Ruhmkorff avait imaginé un dispositif au moyen duquel on pouvait obtenir de fortes décharges électriques en utilisant un faible courant continu. Ce dispositif fut le précurseur de la bobine d'allumage utilisée dans le domaine de l'automobile depuis 1913, d'abord aux États-Unis, puis dans le monde entier. Dans ses grandes lignes, la bobine est encore semblable à celle utilisée dans les premières applications.

Les améliorations apportées ont été surtout liées au progrès technologique, au perfectionnement des matériaux et à la nécessité d'adapter l'étincelle aux exigences toujours croissantes des moteurs à explosion.

Dés l'origine, la bobine d'allumage fut réalisée en deux versions différentes :

- à circuit magnétique ouvert, c'est-à-dire avec un noyau rectiligne, comme l'était à l'origine la bobine de Ruhmkorff ;

- à circuit magnétique fermé, avec un noyau de forme rectangulaire semblable à celui des transformateurs. Les deux solutions sont actuellement en usage, la préférence allant à la première dans le domaine automobile parce qu'elle permet de fournir l'étincelle également à des régimes très élevés.

La seconde, par contre, qui exige une résistance extérieure en série avec l'enroulement primaire, est plus utilisée dans le domaine motocycliste. Les premières bobines à noyau rectiligne avaient le circuit secondaire enroulé sur le circuit primaire. Les difficultés d'isolement et le mauvais refroidissement de l'enroulement primaire conduisirent à la réalisation, toujours valable, du secondaire enroulé directement sur le noyeau et du primaire disposé à l'extérieur.

LES FONCTIONS DE LA BOBINE

La fonction fondamentale de la bobine est de produire une étincelle entre les électrodes de la bougie, donc de créer entre celles-ci une forte tension. A cette fin. la bobine est constituée de deux enroulements composés d'un grand nombre de spires de fil isolé enroulés directement l'un sur l'autre autour d'un noyau de fer.

Les circuits sont caractérisés par leur résistance, leur inductance et leur capacité. Le nombre de spires étant différent dans les deux circuits, une variation de courant dans l'un des deux enroulements permet d'obtenir également une perturbation dans le second, mais avec des valeurs différentes d'intensité et de tension.

En pratique, le principe de fonctionnement consiste à interrompre le courant dans le circuit à faible nombre de spires, qui constitue le primaire. On crée ainsi, pour quelques instants, une tension très élevée dans le circuit qui a un grand nombre de spires (secondaire).

Le tout peut se comparer à un piston qui comprime lentement de l'air dans un cylindre et à une soupape qui, en s'ouvrant subitement, décharge d'un seul coup toute la pression. Outre sa fonction primordiale de produire un courant à haute tension, la bobine doit satisfaire également à d'autres conditions :

- l'émission d'un courant H.T, doit se faire sans retard par rapport à l'instant défini par l'ouverture du rupteur (vis platinées) ;

l'étincelle produite doit avoir une énergie suffisante pour provoquer l'allumage ;

- la régularité du fonctionnement doit être assurée malgré les variations de la vitesse de rotation du moteur. Autrement dit, l'énergie de l'étincelle ne doit pas être trop faible au moment de la mise en marche du moteur ni diminuer dés que le régime de rotation du moteur augmente ;

- la bobine doit être capable de résister à l'échauffement et aux risques de court-circuit quand l'automobiliste oublie de couper le contact. En pratique, certaines de ces conditions sont contradictoires.

Si, par exemple, pour avoir une étincelle efficace à régime élevé, on diminue la résistance du circuit primaire, on court le risque de griller la bobine quand on oublie de couper le contact, à cause du courant qu'elle a absorbé. La durée des vis platinées est également en relation étroite avec la puissance de la bobine, que l'on ne peut, de ce fait, augmenter comme on le voudrait.

Enfin, la haute tension obtenue grâce à la bobine ne doit pas être trop élevée, car elle exigerait dans ce cas un isolement très soigné des câbles (qui sont, le plus souvent, en contact les uns avec les autres et souillés d'huile).

Pour bien comprendre ces problèmes, il est nécessaire d'entrer dans le détail des diverses phases de fonctionnement des deux circuits ; aussi convient-il d'analyser les éléments constitutifs essentiels de la bobine. Ceux-ci sont au nombre de trois :

- l'enroulement primaire, qui comporte habituellement de 200 à 300 spires de gros fil de cuivre émaillé d'un diamètre de 0,4 à 0,8 mm ;

- l'enroulement secondaire, formé de milliers de spires (normalement 18000 à 25 000) de fil de cuivre émaillé très fin (de 0,06 à 0,08 mm de diamètre) ;

- le circuit magnétique, qui comprend le noyau et l'armature extérieure (tôle).

Le noyau est formé, en général, d'un grand nombre de lamelles d'acier au silicium placées au centre de l'enroulement ; l'enveloppe extérieure en tôle d'acier doux recouvre l'enroulement primaire.

Les éléments indiqués ci-dessus, avec les pièces isolantes indispensables correspondantes, sont logés dans un boîtier métallique fermé par une calotte sertie en résine thermodurcissable.

Dans cette calotte se trouvent les connexions pour les enroulements et les bornes pour le raccordement au circuit extérieur. L'espace libre entre les enroulements et l'enveloppe est rempli d'huile minérale ou d'une autre matière isolante (brai ou résine époxy).

Dans certains cas, on met en série avec l'enroulement primaire une résistance située à l'extérieur de la bobine qui contribue à limiter l'intensité du courant primaire et à dépenser une partie de la puissance qui, d'ordinaire, se trouve dissipée uniquement par la bobine.

Quand les contacts du rupteur mécanique à l'intérieur du distributeur d'allumage se ferment. un courant de 3 à 4 A venant de la batterie traverse le primaire et éventuellement la résistance extérieure, puis passe par les contacts du rupteur pour retourner enfin à la batterie par la masse.

Le schéma représente les enroulements primaires et secondaires et les lignes de flux. Quand les contacts du rupteur se referment, il passe dans le circuit primaire un courant de 3 à 4 A qui crée un flux magnétique traversant le circuit secondaire. A chaque variation du flux causée par l'ouverture rapide du rupteur, il s'établit dans le secondaire une tension proportionnelle à son nombre de spires

Ce courant qui circule dans l'enroulement primaire crée un champ magnétique à l'intérieur de la bobine. La majeure partie des lignes d'introduction de ce champ suit le chemin de moindre réluctance pour aller du noyau à l'enveloppe extérieure et revenir au noyau.

Ainsi, le champ magnétique se concentre dans le fer. Dès la fermeture des contacts du rupteur, l'intensité du courant dans le circuit primaire ne passe pas immédiatement à la valeur maximale fixée par la tension de la batterie : pour l'atteindre, il lui faut un certain temps, assez bref en soi, mais néanmoins considérable par rapport à la vitesse de rotation du moteur.

Si le moteur est arrêté, le courant obéit à la loi d'Ohm I =U/R , où U est la tension (12 V) et R la résistance du circuit primaire.

Le diagramme ci-dessus montre l'évolution dans le temps de la tension du circuit secondaire. telle qu'on peut la relever avec un oscilloscope. Pour éviter que des particules conductrices, présentes sur la partie isolante de la bougie, ne provoquent une perte d'énergie. il est nécessaire que la tension augmente rapidement. A cet effet, il faut que la tension passe de 10 à 90 % de sa valeur maximale dans un temps de 1 à 5 microsecondes ( microseconde = 1 millionième de seconde).

Le temps nécessaire à ce passage est appelé « temps de montée en tension » ou. en anglais. « rise- time ». Une réduction plus poussée du temps de montée en tension peut rendre les isolants inefficaces, par suite de pertes diélectriques, et augmenter considérablement les parasites radio.

Cette valeur représente l'intensité maximale. Quand le moteur tourne, cette valeur diminue, parce que la coupure des vis platinées ne permet pas à la bobine de se recharger complètement. La diminution de tension dépend de l'inductance du circuit primaire (plus l'inductance est grande, plus l'intensité du courant se trouve diminuée) et elle est inversement proportionnelle à la résistance et à la durée de fermeture des vis platinées.

Quand le moteur tourne à bas régime, le temps de fermeture des contacts est important, la baisse de courant est alors négligeable et l'intensité atteint pratiquement la valeur maximale ). A régime élevé, par contre, la durée de fermeture des contacts est très courte.

L'intensité du courant diminue totalement, jusqu'à une valeur qui pourrait ne pas être suffisante. Si le moteur est un 4 cylindres à 4 temps, deux étincelles à chaque tour sont nécessaires. Par conséquent, les vis platinées devront se fermer et s'ouvrir deux fois par tour de vilebrequin.

Si le moteur comporte un plus grand nombre de cylindres, les choses se compliquent ; les vis platinées devront se fermer et s'ouvrir un plus grand nombre de fois, toujours dans le même laps de temps. Il faut alors augmenter la résistance du circuit primaire sans réduire l'intensité du courant, ou bien réduire l'inductance.

Le premier objectif peut être atteint en augmentant la tension de la batterie : on retrouve ici un des motifs qui ont conduit à la diffusion des batteries de 12 V au lieu des batteries de 6 V qui s'étaient imposées après la Première Guerre mondiale.

En ce qui concerne l'inductance, il est possible de la réduire, mais, comme nous le verrons plus loin, cela conduit directement à une réduction de l'énergie emmagasinée à bas régime de rotation. En faisant le projet de la bobine, compte tenu de ces remarques, il faut assurer une absorption de courant assez constante pour tous les régimes d'utilisation ; de plus, la bobine doit être calculée de manière à ne pas s'échauffer exagérément quand le moteur est arrêté et qu'elle est traversée par un courant d'intensité U / R.

Il est cependant intéressant de remarquer que, dès que la bobine s'échauffe, l'élévation de température fait augmenter la résistance interne R, de sorte que l'intensité du courant qui la traverse se trouve automatiquement diminuée, ce qui constitue une sorte d'auto-compensation.

FORMATION D'UN COURANT HAUTE TENSION

L'étincelle jaillit à une tension plus basse si l'électrode centrale de la bougie a une polarité négative ; en effet, étant donné sa température élevée, cette électrode est entourée d'un nuage d'électrons qui ionisent le gaz ambiant, favorisant ainsi l'amorçage de l'étincelle. La photo montre l'usure anormale de l'électrode latérale de la bougie, due à l'in version de polarité résultant d'un branchement incorrect de la bobine.

L'énergie emmagasinée dans la bobine dépend uniquement du carré de l'intensité du courant qui passe dans le primaire et de l'inductance de ce circuit. Pour cette raison, alors qu'il est opportun d'augmenter l'intensité du courant jusqu'à la limite que peuvent supporter les vis platinées, l'inductance ne peut pas être augmentée : elle aurait une influence directe sur l'affaiblissement du courant aux régimes de rotation élevés.

Quand les contacts du rupteur en série avec le circuit primaire s'écartent l'un de l'autre, l'intensité du courant, qui était en train d'augmenter progressivement, s'annule instantanément. La rupture est rendue très rapide par la présence d'un condensateur en dérivation sur les contacts du rupteur.

Grâce à cette propriété du condensateur, il est possible d'éviter ou de réduire l'étincelle entre les vis platinées.

Examinons maintenant ce qui se passe dans le circuit secondaire formé d'un grand nombre de spires. Ce circuit était précédemment traversé par le flux magnétique créé par le primaire puisqu'il est enroulé sur le même noyau que celui-ci. Tant que le circuit magnétique ne subit pas de grandes modifications, on n'observe pas dans le secondaire des variations de tension appréciables.

En revanche, à l'ouverture des vis platinées, le flux magnétique qui traverse le circuit secondaire varie brusquement par suite de l'effet produit par le condensateur sur le primaire. La tension s'élève alors rapidement jusqu'à une valeur suffisante pour perforer l'air fortement comprimé qui sépare les électrodes de la bougie et pour faire jaillir l'étincelle.

L'énergie électrique qui circulait dans le primaire se trouve transférée dans le secondaire et produit ainsi l'étincelle dont les caractéristiques sont : la tension et la durée dans le temps. La tension qui peut être atteinte dans la bobine est plus élevée que la tension nécessaire à la bougie.

Elle est d'autant plus élevée que le nombre de spires du secondaire est plus grand. Il est bon. cependant, que l'étincelle jaillisse avant que la tension n'atteigne des valeurs très élevées, ceci afin d'éviter l'utilisation d'isolants spéciaux pour les câbles et la tête du distributeur.

A cet effet, l'électrode centrale de la bougie doit avoir une polarité négative. Rappelons ici que, normalement, la masse de l'automobile et, par conséquent, également l'électrode de masse de la bougie est reliée au pôle négatif de la batterie.

Toutefois, on parle de tensions négatives de l'ordre de 20000 V appliquées à l'électrode centrale, et, par suite, le fait que l'électrode de masse soit à une tension négative de 12 V est négligeable. L'avantage d'avoir une étincelle avec polarité négative sur l'électrode centrale réside dans le fait que, puisque c'est une électrode qui se trouve normalement à une température élevée, elle est entourée d'un flux d'électrons qui ionisent le gaz ambiant et favorisent l'amorçage de l'étincelle sous une tension inférieure.

Ce phénomène est évidemment plus marqué quand le moteur est chaud et à régime de rotation élevé et que la tension fournie par la bobine diminue. La bobine fournit une tension de loin supérieure (même de 10000 V) à la tension effectivement nécessaire pour faire jaillir l'étincelle à la bougie. Cependant, dans certaines conditions (régime élevé), la tension que peut fournir la bobine diminue tandis qu'en régime d'accélération la tension demandée par la bougie augmente. Dans ces cas, l'étincelle peut ne pas se produire.

Cela arrive, par exemple, quand la distance entre les électrodes est trop grande. Pour effectuer le raccordement de la bobine, il faut respecter les indications portées par ses bornes :

- celle qui est marquée du signe « + » ou B (batterie) ou encore Sw (switch = contact) est reliée à l'interrupteur d'allumage ;

- l'autre, marquée du signe « - » ou D (distributeur) ou encore CB (contact breaker = rupteur) est reliée aux vis platinées du distributeur.

Nous avons déjà dit que les qualités d'une bobine sont données par la tension maximale disponible et la durée de l'étincelle, ou encore par l'énergie transférée sur le secondaire.

La tension ne doit pas dépasser 30 000 V pour ne pas donner de décharge à la masse à travers la tête ou le rotor du distributeur ou encore à travers l'isolant des câbles haute tension. La durée de l'étincelle doit être d'au moins 15 millionièmes de seconde. Il est bon qu'elle atteigne 250 millionièmes pour garantir l'allumage même pour des mélanges pauvres. L'énergie enfin ne doit pas dépasser 0,02 J pour ne pas provoquer d'usure exagérée ni sur les électrodes de la bougie, ni sur le rotor.

Les flèches blanches montrent les deux bobines de l'installation de double allumage de la Ferrari Dino F 2 de 1967. Dans les moteurs poussés, le problème de l'allumage devient important parce que, aux régimes de rotation élevés, la tension fournie par la bobine diminue, tandis qu'en accélération la tension nécessaire pour faire jaillir l'étincelle entre les électrodes de la bougie augmente.

Autre caractéristique très importante : le temps de montée en tension du circuit secondaire, c'est-à-dire la façon dont la tension augmente jusqu'à 20 000 V. Cette caractéristique, appelée rise-time, est définie comme le temps nécessaire pour passer de 10 à 90 % de la valeur maximale.

Ce temps doit être très petit et inférieur à 0,005 s pour éviter une dispersion électrique due à des particules conductrices sur l'isolant de la bougie. Pour réduire le temps de montée en tension, les solutions les plus efficaces sont de recourir à l'allumage électronique à décharge de condensateur ou aux systèmes « breakerless », c'est-à-dire sans rupteur.