[FAQ] Le mélange Air-Essence

[Fred 62]

Dosage de combustion

Dans les moteurs à pistons, l'énergie thermique est convertie en énergie mécanique pour entraîner en rotation le volant moteur.
C'est la combustion du mélange essence/air, réalisée à l'intérieur d'un cylindre toutes soupapes fermées, qui fournit l'énergie thermique.
La quantité de carburant, qui est mélangée avec l'air, est très importante pour la puissance fournie, la vitesse de la voiture et le rendement général du moteur.




Le processus chimique de combustion est complet lorsqu'il y a juste assez d'oxygène, présent dans la chambre de combustion, pour brûler tout le carburant.

Le mélange essence/air est décrit comme chimiquement correct lorsqu'il y a juste assez d'oxygène, dans la chambre de combustion, pour brûler complètement le carburant injecté. La combustion est un processus chimique complexe, durant lequel les molécules de carbone et d'hydrogène réagissent avec l'oxygène de l'air. Cette réaction chimique dégage énormément de chaleur et produit du dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau (H2O).



L'équation chimique de ce processus permet d'établir les masses respectives de carburant et d'oxygène qu'il faut mélanger. Le rapport oxygène/essence obtenu est de 3.5:1 , mais un moteur à pistons aspire l'air ambiant et pas seulement l'oxygène qu'il contient.

L'air est un gaz constitué, en masse, d'environ 75% d'azote, de 23,5% d'oxygène et d'un faible pourcentage de gaz rares. L'azote est un gaz neutre sans effets sur la combustion. Avec ces données, un simple calcul permet de déterminer le rapport essence/air chimiquement parfait qui vaut 1:15.

Ainsi, le mélange essence/air parfait, appelé dosage stoéchiométrique ou plus communément dosage de combustion, est donné pour le rapport massique essence/air de 1:15.



Pour diverses raisons, le dosage stoechiométrique n'est généralement pas celui qui est employé sur les moteurs essence.



la masse volumique de l'air

Comme beaucoup de monde confond poids et masse, il est aussi facile de confondre masse et taille - ou plus précisément, volume.
Lorsque nous pensons à un objet massif , nous pensons à un grand objet - il est vrai qu'un objet volumineux occupe plus de place.
Mais un objet peut être massif - une batterie d'accumulateur, par exemple - sans occuper beaucoup de place.
Cette confusion vient aussi du fait que la masse et le volume sont souvent proportionnels, tout au moins pour une même matière.
Cette proportionnalité est représentée par la masse volumique.

La masse volumique ne doit pas être confondue avec la densité qui est le rapport entre la masse d'un volume d'un corps et la masse du même volume d'eau.

L'unité (SI) est le Kg/m³. Allez voir le tableau pour avoir un aperçu des différentes valeurs de masse volumique !

Matiére --- Kilogrammes / mètres-cube (SI) Kg/m3
Air --- 1,3
Liège --- 200
Huile --- 920
Eau --- 1000
Aluminium --- 2650
Fer --- 7800
Cuivre --- 8900
Plomb --- 11300
Or --- 19300

la pression atmospherique en fonction de l'altitude





Influence de la masse volumique de l'air

La masse volumique de l'air (ro) est influencée par la pression (p) et la température (T).
Ces paramètres sont reliés entre eux par la relation suivante :

ro = p / ( r * T )

La masse volumique (ro) est définie comme un rapport qui compare la masse d'un fluide et le volume qu'il occupe. r est une constante.

Pour plus d'informations, voir la loi universelle des gaz parfaits P*V = n * R * T
P = pression
V = volume
n = quantité de matiere
R = 8,315 J/ K·mol est appelée constante universelle des gaz.
T = temperature

La relation précédente ro = p / ( r * T ) nous montre que :

- une augmentation de température et/ou une chute de la pression diminuent la masse volumique ;
- une diminution de température et/ou une élévation de la pression augmentent la masse volumique ;
- une diminution de la pression et de la température dans l'atmosphère abaisse la masse volumique de l'air.



Il est très important de savoir qu'un moteur à pistons aspire, lorsque le régime de rotation est constant, toujours le même volume d'air pour remplir ses cylindres quand les pistons descendent.
Par contre, si le volume admis est constant, la masse d'air admise est quant à elle différente selon la valeur de la masse volumique de l'air du moment.

Par exemple, au niveau de la mer, avec un régime de rotation identique, un moteur à pistons aura moins de masse d'air à brûler lors d'une journée chaude que lors d'une journée froide.
Ce qui explique pourquoi un moteur est moins performant lorsque la température ambiante est élevée que lorsque l'air est froid.
Tout le monde a pu constater cet effet sur les voitures.

Maintenant, si vous considérez le moteur de voiture pendant une montée à régime constant ( montée de col de montagne ),
la masse volumique de l'air diminue et entraîne une chute de la masse d'air admise dans les cylindres.
Si la masse de carburant injectée reste inchangée, le mélange va devenir de plus en plus riche (plus d'essence qu'en dosage stoéchiométrique).
Le mélange essence/air peut alors atteindre des valeurs dangereuses pour le moteur.
C'est pourquoi on trouve un capteur de barométrie ( barometre ) à bord des voitures.

le calculateur regarde les valeurs de pression et de temperature, et en déduit la masse volumique de l'air.
il peut ensuite gerer le rapport air-essence en fonction des données qu'on lui a paramétré.

Le calculateur doit appauvrir le mélange essence/air lorsque l'altitude augmente et vice-versa.

Propriétés des mélanges essence/air


Si le dosage de combustion est égal au rapport d'1:15 (ou à la valeur calculée de 0,067),
il faut savoir que les mélanges essence/air peuvent brûler pour d'autres rapports.



L'essence peut brûler, dans un cylindre fermé, si elle est mélangée avec de l'air selon un rapport qui va varier
entre 1 part d'essence pour 5 parts d'air (1/5) et 1 part d'essence pour 25 parts d'air (1/25).

Un rapport essence/air de 1:5 signifie que la part d'air est plus faible que pour le dosage de combustion.
Dans ce cas, il est courant de dire que le mélange est riche (1:5 > 1:15).

Un rapport essence/air de 1:25 signifie que la part d'air est plus grande que pour le dosage de combustion.
Ce mélange est dit pauvre (1:25 < 1:15).

Si le mélange est trop riche ou trop pauvre, le taux de combustion diminue jusqu'à atteindre zéro.
En d'autres termes, une quantité excessive d'air ou de carburant peut conduire à l'extinction.

Un moteur est capable de produire une puissance utile, mais pour cela le dosage doit se situer entre 1:20 et 1:8.
Tous les constructeurs de moteurs fournissent un graphique présentant le dosage en abscisse et les propriétés de la combustion en ordonnée.

Les évolutions des caractéristiques de combustion (température de combustion, vitesse du front de flamme et puissance moteur)
sont indiquées à l'aide de courbes, pour les dosages compris entre 1:20 et 1:8 :


Vff = Vitesse du front de flamme
P = Puissance fournie
T°C = Température de combustion


Température de combustion

La température de combustion la plus élevée est atteinte pour le dosage stoéchiométrique.

Cette température diminue, à cause de l'excés de carburant, si le dosage devient riche.
En effet, dans un cylindre fermé, le carburant non brûlé utilise une partie de l'énergie thermique présente pour se vaporiser (pour passer de l'état liquide à l'état vapeur).
Ainsi, les gaz brûlés sont partiellement refroidis. Dans le cas des mélanges pauvres, c'est l'excès d'air qui abaisse la température des gaz brûlés,
mais l'effet est moins prononcé parce qu'il n'y a pas de changement d'état. L'air est déjà un gaz.




Vitesse du front de flamme

La vitesse maximale du front de flamme est atteinte pour le dosage de 1:12,5.
La distance qui sépare les molécules d'oxygène et d'essence va augmenter ou diminuer la vitesse du front de flamme.




Puissance fournie

Tout comme la vitesse du front de flamme, la puissance développée par le moteur atteint sa valeur maximale pour le dosage de 1:12,5.
Ce point, sur la courbe, est applelé "point de meilleure puissance" (Best Power Point = B.P.P).

La puissance fournie décroît comme la vitesse du front de flamme en fonction du dosage.

Généralement, les dosages essence/air, qui sont utilisés en pratique pour afficher la puissance maximale,
sont compris entre 1:13,5 , dosage qui est appelé mélange pauvre de meilleure puissance,
et 1:11,5 , dosage qui est appelé mélange riche de meilleure puissance.



Avantages et inconvénients des mélanges pauvres




Tous les dosages pauvres, qui se situent entre les rapports 1:20 et 1:15, sont utilisables mais ils sont plus ou moins favorables au fonctionnement du moteur.

Avantage

un mélange pauvre n'offre qu'un seul avantage :

- la consommation en carburant est faible, ce qui permet d'envisager une consommation économique.



Inconvénients

Les inconvénients des mélanges pauvres sont plus nombreux que leurs avantages :

- On assiste à une perte de puissance et à une augmentation des risques de détonation.
Un mélange pauvre présente les mêmes propriétés, quand il brûle, qu'un dosage stoéchiométrique réalisé avec une essence à indice d'octane faible.

- Si un dosage très pauvre peut contribuer au refroidissement du moteur, sous conditions de puissance faible, ce même mélange, sous fortes puissances, engendrera des détonations.
Celles-ci seront indiquées par une chute de la puissance, une émission de nuages de fumées noires en sortie de pot d'échappement et par une augmentation de la température culasse.

- La vitesse de propagation de la flamme diminue et le rendement de combustion aussi.

- Un mélange excessivement pauvre peut conduire à un retour de flamme dans les conduites d'admission.
La vitesse de propagation de la flamme diminue si le dosage diminue, aussi, le mélange essence/air sera encore en train de brûler lorsque le cycle arrivera à sa fin.
Il va alors enflammer le mélange frais lorsque la soupape d'admission s'ouvrira et la flamme va remonter la conduite d'admission jusqu'au carburateur.



Avantages et inconvénients des mélanges riches.





Tous les dosages riches, qui se situent entre les rapports 1:15 et 1:8,
sont utilisables mais ils sont plus ou moins favorables au fonctionnement du moteur.

Avantages

Il faut savoir que les mélanges riches présentent les avantages suivants :

- C'est le dosage riche de 1/12,5 qui offre la puissance moteur maximale.

- L'excès de carburant dans un mélange riche ne peut pas brûler, dans un cylindre fermé, parce qu'il n'y a pas assez d'oxygène.
La combustion est incomplète, mais cet excès de carburant refroidit les gaz brûlés et le moteur.
Il absorbe une partie de l'énergie thermique, dégagée par la combustion, pour changer d'état.
Le carburant, initialement liquide, se trouve vaporisé. L'effet de refroidissement pourra être noté sur l'indicateur de température culasse.
( ou mettre une sonde EGT sur le collecteur d'echappement )

- Les risques de détonation sont moins importants parce qu'un mélange riche, quand il brûle, présente les mêmes propriétés qu'un dosage stoéchiométrique utilisant de l'essence à indice d'octane élevé.

- L'excès de carburant est favorable à la tenue des matériaux utilisés pour les têtes de soupapes et leur siège.
Il ralentit le processus d'oxydation à chaud.




Inconvénients

Malheureusement, les mélanges riches présentent quelques inconvénients. Ils sont les suivants :

- Des fumées noires apparaissent en sortie de pot d'échappement, ce qui illustre une consommation élevée.

- L'excès de carburant peut brûler dans le silencieux du pot d'échappement.
Les vapeurs d'essence sont hautement inflammables et des dépôts de carbone rouges incandescents peuvent être présents dans le silencieux.

- Avec un mélange riche, la combustion est incomplète.Des particules de carbone vont alors se déposer sur les parois des cylindres, les têtes et les sièges de soupapes ainsi que les bougies d'allumage.



Dosages requis en utilisation moteur, + cas de moteurs d'avions pour bien comprendre


Il a déjà été établi qu'un moteur peut-être utilisé lorsque le rapport essence/air
est aussi pauvre que le dosage d'1/20, aussi riche que le dosage d'1/8
et lorsqu'il est compris entre ces deux valeurs extrèmes.


Le tuner doit savoir que le réglage du mélange doit respecter les recommandations du constructeur.
Sinon, tout mélange incorrect peut entraîner des variations de performances moteur et conduire à de sérieux dommages (détonation, surchauffe,...).

Le réglage du mélange est fonction de :
- la puissance envisagée
- la température culasse désirée
- la consommation recherchée.

Pour éviter le phénomène de détonation, les changements de puissance doivent être faits selon un ordre établi :

Augmentation de la puissance :

-enrichir le mélange
-augmenter le régime de rotation hélice
-augmenter la pression d'admission

Diminution de la puissance :

-diminuer la pression d'admission
-réduire le régime de rotation hélice
-régler le mélange

Le dosage essence/air est réglé en accord avec la plage de puissance dans laquelle le moteur est utilisé.



Une surveillance régulière de la température culasse permettra de prendre les mesures correctives qui s'imposent lors du tuning, avant l'apparition des premiers incidents et endommagements.

Démarrage moteur

Avant la mise en route moteur, la manette de contrôle du mélange est placée sur plein riche.

Si le moteur est froid, il faut savoir que l'essence n'est pas vaporisée complètement et qu'elle condense dans les tuyauteries d'admission.
Ceci fait que le mélange réellement disponible est pauvre, au point parfois d'être ininflammable dans le cylindre.
Un mélange riche (environ 1/10) est alors artificiellement fourni à l'aide d'un starter, par exemple.

Puissance d'acceleration moteur froid

Les plus fortes puissances moteur sont obtenues avec des dosages riches, aussi, pour le décollage, la manette de contrôle du mélange est-elle placée sur plein riche.

Un tel mélange assure un refroidissement interne du moteur qui s'ajoute au refroidissement externe, lequel s'avère insuffisant à basse vitesse.

Cela signifie que le dosage de meilleure puissance (dosage de 1/12,5) ne peut pas être utilisé parce que le moteur pourrait surchauffer.
Dans ce cas, on lui préfère le dosage riche de meilleure puissance, soit environ 1/11,5.



Puissance de montée

Cette situation est identique au décollage, la vitesse de l'avion est faible et le moteur doit fournir une puissance importante (il n'est cependant pas nécessaire d'utiliser la puissance de décollage).
Aussi, la manette de contrôle du mélange est-elle positionnée comme indiquée dans le manuel d'utilisation.

Le mélange doit être appauvri avec l'augmentation d'altitude.

Puissance de croisière

Les moteurs étant conçus pour donner leur efficacité maximum pendant la croisière, cette phase de vol ne présente aucun problème.
Le mélange de meilleure puissance peut-être utilisé, mais il serait intéressant de réduire la consommation en carburant.

Il existe un mélange économique, que l'on atteint en appauvrissant le mélange en dessous du dosage pauvre de meilleure puissance.
Lorsque le mélange est appauvri, la consommation diminue plus rapidement que la puissance délivrée par le moteur, jusqu'à ce que le meilleur dosage économique soit acquis.

Méthodes de réglage des mélanges essence/air



Comme nous l'avons vu précédemment, le dosage essence/air doit être réglé en accord avec la puissance souhaitée
et il doit être corrigé en fonction des variations de la masse volumique de l'air (pression, température et changement d'altitude).
Plusieurs méthodes ou procédures sont disponibles pour régler le mélange.

Méthode avec l'indicateur EGT.

La température des gaz d'échappement (Exhaust Gas Temperature = EGT) est équivalente à la température de combustion, laquelle dépend du rapport essence/air.
Cette température atteint sa valeur maximum pour le dosage de combustion (ou dosage stoéchiométrique), qui vaut 1/15, et diminue si le mélange s'enrichit ou s'appauvrit.
Ainsi, au cours de l'exploitation du moteur, le tuner peut regler le mélange pour trouver le dosage approprié.



Méthode avec l'indicateur tachymétrique.

Pour un réglage de puissance donné ( un point de fonctionnement fixe de la pédale d'accelerateur, donc une vitesse donnée ), le régime de rotation du moteur , changera en fonction du réglage du dosage. Avec le dosage de meilleure puissance (1/12,5), l'indicateur tachymétrique atteind une pointe pour une puissance moteur affichée et constante.



Méthode sans indicateur

avec une instrumentation minimum (indicateur tachymétrique seulement), la "méthode du moteur qui a des ratés" (rough running engine method) peut-être utilisée. Celle-ci est conduite à l'oreille.

- Le mélange doit être appauvri, lentement, jusqu'à ce que le moteur commence à fonctionner avec des ratés et à cogner ;
- Le réglage du mélange sera alors avancée légèrement, juste assez pour retrouver un fonctionnement normal du moteur.

Performances des moteurs à pistons



La puissance délivrée par un moteur à piston, dépend directement des propriétés de la masse d'air admise dans les cylindres pendant le temps d'admission.
Pour ce type d'ensemble propulsif, la puissance est affichée à l'aide de la pédale des gaz avec l'aide de l'indicateur tachymétrique.
Ainsi, plus la masse d'air admise sera importante, plus la puissance fournie par le moteur sera élevée et plus le régime de rotation sera grand.

Performances au niveau de la mer

Le débit massique d'air est influencé par la pression et la température statique ambiante.

- Une augmentation de la température statique ambiante (Outside Air Temperature = OAT) diminue la masse volumique de l'air, comme nous l'avons déjà vu .
Ainsi, la masse d'air admise et la puissance délivrée par le moteur diminuent. C'est l'inverse dans le cas d'une diminution de l'OAT.
Pour une même position de la pédale des gaz, la puissance offerte par un moteur à pistons sera meilleure si la journée est froide que si la journée est chaude.



- Une augmentation de la pression statique ambiante augmente la masse volumique de l'air et ainsi, la masse d'air admise et la puissance délivrée par le moteur augmentent.
C'est l'inverse dans le cas d'une diminution de la pression statique.




Performances en altitude, cas du moteur d'avion car c'est flagrant

Au cours de la montée, l'altitude augmente et la masse volumique de l'air diminue.
Dans le cas d'un moteur à pistons, équipé d'une hélice à calage fixe, la masse d'air qu'il aspire chute
et, pour une position de la manette des gaz constante, la puissance délivrée par le moteur va alors diminuer.

Pour prévenir une telle perte de puissance, il faudrait pouvoir conserver la pression de l'air qui règne au niveau de la mer, à l'entrée de la tuyauterie d'admission.
Ceci est possible à l'aide d'un compresseur de suralimentation (compresseur centrifuge entraîné mécaniquement par le moteur à pistons)
ou mieux, à l'aide d'un turbocompresseur de suralimentation (compresseur centrifuge mis en rotation par une turbine qui prélève une partie de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement).


Avec la position plein gaz, l'augmentation d'altitude fait chuter le régime de rotation puisque la puissance moteur diminue.
Dans de telles conditions, il est impossible de conserver la puissance maximale affichée au sol, en altitude.



Avec une position partielle de la manette des gaz (par exemple 65% de la puissance maximum au sol),
le régime de rotation peut-être maintenu constant, au cours de la montée, en avancant la manette des gaz vers plein gaz.
Lorsque cette position est atteinte, la puissance délivrée par le moteur est toujours de 65% de la puissance maximale au sol,
mais elle constitue le maximum envisageable à cette altitude de vol.
Celle-ci est alors appelée altitude critique et, par définition, c'est l'altitude maximum jusqu'à laquelle une puissance affichée au sol pourra être conservée.



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c'est fini pour le cours sur le mélange air-essence

j'ai pris le cas de moteurs 4 temps voitures et avions !
pourquoi avion, parce que le moteur est soumis a des differences de pressions atmospheriques etc...

c'est un exemple qui illustre bien la complexité du reglage du mélange air-essence !
et c'est ce que gere nos calculateurs de voitures sans que l'on s'en rende compte !

voilà pourquoi la débitmetre de la 3000GT incorpore une sonde de temperature d'air et un barometre !

@+
fred

[vin883]

Merci bcp

Reste plus qu'a faire le même pour l'allumage

[AbOuBaB]

tout simplement rigoureux...

très instructif

[jeffone]

Même moi qui suit pas mecano et qui a abandonné l'école depuis un certain temps, j'ai tout pigé!!

Bravo!

[eLdaroM]

Trés intéressant merci

[civic_16Turbal]

Reste plus qu'a faire le même pour l'allumage

c'est pas du même niveau, autant l'AFR est "facile", autant le timing c'est autre chose ...

[vin883]

D'où le

[hardrive]

un grand merci , je suis en train de reglé mon eg turbo , je comprend mieu pk j'ai de l'essance qui sort du pot
ratio 12.1


merci trés instructif

[Goldorak]

Sympa comme tuto
Par contre moteur carbu ça va on peut toucher mais pour l'injection sans informatique on peut rien faire
Mon ancienne accord Ex2.0i tournait trop riche, bougies noires et moteur qui se noyait régulièrement, conso moyenne de 11L/100 en roulage mixte alors qu'au début elle faisais 9L, j'ai jamais trouvé ce qui allais pas

[folken]

Sûrement ta lambda qui était HS.

[kimken]

merci a toi
vraiment intéressant ce sujet et puis tres comprehensible!!!

[EdUcAtIoN-CiViC]

Super instructif, je te remercie

[S2000veilside]

très intéressant et bien résumé je trouve

par contre j'ai toujours du mal à me coordonner rapidement avec les afr (air/fuel ratio) ou les rapports que tu donnes "1/8" par exemple, car j'ai appris en utilisant la richesse R et l'excès d'air Lambda ( mélange stoech: R=1 / mélange riche R>1 / mélange pauvre R<1)...

sinon merci pour tes topics intéressants (heureusment que je scanne pas mes cours lol)

[vti69]

c'est super intéressant et instructif ton truc
merci

[budbundy]

tres interressant tout ça

n'y aurait il pas moyen d'avoir un tableau aproximatif qui dit en fonction du taux de CO corrigé (sur une voiture non cata athmo) la proportion du melange ?
en fait j'ai un regulo que j'ai reglé volontairement trop riche (de combien ?) de peur d'abimer mon moteur. j'ai des detonnations à l'echappement et surtout je viens du CT CO 6.87 et j'etais à 3/3.1 sur mon mano de pression d'essence dans la baie moteur.
le reglage theorique optimal "serait" de 2.65 +/-5% on va dire

sinon je doit opter pour le reglage à l'oreille , j'appauvri jusqu'a ce que ca cogne et qd ca cogne j'enrichi un poil ... ???
j'ai un peu peur qd meme

[09s14]

Merci bcp, j'ai mon Power FC a regler bientot, ca va etre super utile...

[ViperRedZoNe]

Très intéressant ce ptit topic, merci pour le travail

[DAV4WS]

tiens j'avais pas vu ce topic ^^^^ déterrage powaaa

je chipote aussi que la T° air et la masse volumique y joue beaucoup:
http://www.thermexcel.com/french/tables/massair.htm

apres celon les moteurs ( cylindré et conception) les AFR cible change