Projets Génie Electrique 2004

P03A3

Réalisation d'un boîtier d'allumage et d'injection pour moteur monocylindre 4 temps pour l'Eco Marathon Shell

Etudiants : William Rolling et Pablo Santos Alvares
Tuteur Technique : Claude Guillaume et Jacques Laffont
Tuteur Industriel : Jean-Yves Rignault

PRESENTATION DU PROJET :

Le projet

Ce projet, débuté en 2003, est réalisé par deux étudiants, ROLLING William et SANTOS ALVAREZ Pablo dans un volume horaire de 300 heures. L'instigateur et client du projet est l'IFMA (Institut Français de Mécanique Avancée) qui participe depuis plusieurs années à l'Eco Marathon Shell.
L'Eco Marathon Shell :

C'est une compétition dont le but est de parcourir le maximum de kilomètres avec un véhicule motorisé et un litre d'essence. Cette course à l'économie d'énergie se déroule sur le circuit de Nogaro, la consommation est mesurée sur six tours et donne, après calcul, le kilométrage qui pourrait être effectué avec un litre d'essence.
But du projet :

Le but du projet est de fournir un boîtier électronique entièrement paramétrable pour commander les moteurs utilisés lors de l'Eco Marathon Shell. Les paramètres à contrôler sont les instants d'allumage de la bougie, de début et fin d'injection d'essence. Ils seront optimisés pour avoir le meilleur rendement (Consommation minimale).

Environnement du projet :

Nous avons en entrée :

• 2 capteurs pour déterminer la position du piston.
• 1 capteur de charge.

Nous avons en sortie :

• une bobine d'allumage qui commandera la bougie.
• un afficheur LCD.

CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL DU SYSTEME

Fonctions :

• assurer le début d'injection d'essence (Précision : 10 µs),
• assurer la durée d'injection d'essence (Précision : 10 µs),
• assurer l'allumage de la bougie (Précision : 0,1°),
• prendre en compte le maximum d'entrées logiques et analogiques,
• permettre le raccordement d'un ordinateur et la gestion d'un afficheur LCD.

Contraintes :

• avoir une bonne immunité aux perturbations,
• être indépendant de la tension d'alimentation,
• précision de la référence,
• être facilement paramétrable.

Les trois premières fonctions sont les plus importantes. La principale contrainte est d'avoir une bonne immunité aux perturbations électromagnétiques car le boîtier fonctionnera dans un environnement très perturbé avec notamment l'action de la bougie.

SOLUTIONS RETENUES

Description de la cible :

Le banc de test est équipé de trois capteurs principaux :

• 2 capteurs inductifs nécessaire pour connaître la position du piston.
• 1 potentiomètre servant d'accélérateur et représentant la charge appliquée au moteur.

Les deux premiers capteurs inductifs sont implantés sur une roue codeuse fixée sur l'arbre moteur. Le capteur de charge est un potentiomètre relié mécaniquement au câble d'accélérateur.

Description de la partie électronique :

• Bloc conditionnement : les capteurs inductifs fournissent un signal sinusoïdal à chaque passage d'une dent. Il est composé d'un adaptateur d'impédance, d'une diode d'écrêtage négatif suivie d'un détecteur de crête et dun comparateur pour le capteur 8 dents et d'un comparateur à deux seuils pour le capteur 1 dent,
• Bloc interface puissance : c'est un montage Darlington permettant un fort gain. Cette partie est intégrée dans un composant unique qui s'interface directement avec le microcontrôleur,
• Bloc afficheur LCD : il est connecté sur un port du microcontrôleur avec son propre protocole,
• Bloc interface PC : l'interface PC est réalisée par liaison série RS232. L'UART du microcontrôleur est programmée pour des communications à 9600 bauds,
• Bloc mémoire externe : la mémoire du microcontrôleur n'étant pas évidente à utiliser pour stocker les cartographies, une EEPROM série est utilisée (8ko - Protocole SPI). La cartographie d'allumages est de taille 32x32x16 bits,
• Bloc microcontrôleur : c'est un Mitsubishi 16 bits qui possède de nombreuses fonction utile à notre application comme la division,de nombreux timer, de nombreux convertisseurs analogique numérique, une fréquence d'horloge de 16MHz...

Fonctionnement de la carte :

D'après les cartographies fournies, l'allumage a lieu entre -50° et -10° avant le PMH (Point Mort haut). Les cartographies sont en 2 dimensions, la vitesse en abscisse et la charge en ordonnée. Pour connaître la valeur de la période d'allumage, il faut donc connaître la charge moteur et la vitesse moteur.

• Calcul de la charge : ce calcul permet de connaître la position de la pédale d'accélérateur, image de la charge souhaitée par le pilote. Nous utilisons un convertisseur analogique numérique du microcontrôleur.
• Calcul de la vitesse : c'est en fait le calcul de la durée entre deux dents (écart correspondant à 45°). Nous utilisons un timer entre ces 2 dents et ainsi nous connaissons le temps correspondant à 45°, puis nous calculons la vitesse en tours/min.
• Génération de l'instant T d'allumage : il faut générer la période d'allumage 4 dents avant le PMH. Pour cela, connaissant le temps pour 45° et connaissant le moment d'étincelle (lu dans les cartographies) nous lançons 2 timer monocoup; 1 pour charger la bobine et l'autre pour la décharger dans la bougie.

Suite du projet :

La suite du projet se fera par l'ajout d'un injecteur et sa gestion par le microcontrôleur dont les fonctions seront proches des fonctions de gestion de l'allumage. L'interface homme-machine via le logiciel Labview doit être amélioré et une carte doit remplacer nos cartes d'essais.

AVANCEMENT

Grâce à un GBF nous avons pu valider tous les calculs relatifs à la vitesse, la charge et la lecture dans les cartographies. Les fonctions de mise à jour de la cartographie via la liaison RS232 ne sont pas encore prêtes. Nous avons testé et vérifié les fonctions :

• de chargement des cartographies de la EEPROM vers la RAM du microcontrôleur.
• de calcul de l'indice mémoire pour récupérer la période d'allumage,
• de génération correcte de l'instant d'allumage,
• de calcul et d'affichage de la vitesse et de la charge moteur,
• de gestion de l'afficheur LCD.

Actuellement, l'allumage du moteur fonctionne avec une avance variable par rapport au PMH.

Mots clés :

Eco Marathon Shell, injection, allumage, boîtier électronique.