Vous vous souvenez certainement que la magnéto de ma FN a subi une petite intervention, mais c'est plus fort que moi, quand j'ai une panne, réparer ne me suffit pas je veux en plus comprendre, analyser, élucubrer.....et bien sûr vous raconter.
Si vous suivez vous savez qu'il s'agit d'une Magdyno Bosch DK1B - LS150 qui tourne à gauche à la même vitesse que le moteur, il y a donc un étincelle perdue en fin d'échappement.
Le principe de fonctionnement d'une magnéto est assez connu, on trouve sur le net des sites très bien faits à ce sujet. Mon but n'est pas de rajouter une couche mais d'illuster la théorie par des mesures et répondre à quelques questions que je me posais.
Voici quelques articles qui ont encombré ma table de chevet ces derniers temps.
http://philippe.boursin.perso.sfr.fr/bonus/magneto/pdgmagn.htm
http://naca.central.cranfield.ac.uk/reports/1923/naca-report-123.pdf
http://naca.central.cranfield.ac.uk/reports/1920/naca-report-58.pdf
http://terrot.club.pyreneen.free.fr/basse_resol/notices-techniques/nt374/htm-0001.htm
http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/ScientificPapers/nbsscientificpaper424vol17p407_A2b.pdf
Je simplifie très brièvement: la magnéto, qu'elle soit à induit tournant ou à aimant tournant consiste en une bobine de Ruhmkorff qui est soumise à un champ magnétique, variable du fait de la rotation, cette variation crée un courant dans le circuit primaire à basse tension (BT), lequel courant est interrompu au moment opportun (arrachement) par l'ouverture d'un rupteur (vis platinées) imposant ainsi une brusque variation de champ magnétique dans le circuit secondaire à haute tension (HT) qui génère alors la tension nécessaire au jaillissement de l'étincelle à la bougie. Sur certaines magnétos l'aimant et l'induit sont fixes, c'est un "volet tournant" qui dévie le champ magnétique au cours de sa rotation.
Un condensateur monté en parallèle sur le rupteur ajuste la vitesse de la chute du courant primaire à l'ouverture du circuit et a pour double action:
- de conditionner la tension maximum atteignable dans le circuit HT
- et de limiter la surtension au rupteur en évitant une étincelle qui prolongerait le passage du courant ralentissant ainsi sa chute etqui dégraderait rapidement le rupteur.
L'énergie accumulée dans le circuit primaire est égale à 1/2 L x Imax^2 et est transférée vers l'étincelle via l'enroulement HT avec un rendement énergétique qui est hélas inférieur à UN, très probablement plus proche de 50%. (L désigne l'inductance du circuit primaire (Henry) et Imax est le courant (Ampère) atteint au moment de la rupture)
Les caractéristiques électriques des différentes configurations, induit ou aimant tournant, et même les volants magnétique, sont d'ailleurs assez comparables et tournent aux environs des valeurs suivantes:
Résistance du circuit basse tension: R BT: inférieur à 1 Ohm
Résistance du circuit haute tension: R HT: 4 à 7 kOhm
Rapport de transformation (rapport du nombre de spires): 50 à 80
Inductance du circuit basse tension: L: 10 à 15 mHenry (variable en fonction de la position de l'induit)
Capacité du condensateur: C: 0.15 à 022 µFarad
Un petit schéma ne sera pas superflu. (adapté à partir d'un schéma volé sur le web)
Mesurer l'évolution de ces tensions et courants me titillait depuis longtemps, la difficulté étant que sur ma magnéto l'induit tourne et qu'il n'est pas facile de connecter un appareil de mesure.
1 MODE OPERATOIRE.
1.1 Mesure de la tension et du courant BT.
La tête de la vis qui fixe le support du rupteur est connectée électriquement à une extrémité du circuit BT (ou circuit primaire à Basse Tension) et au grain fixe du rupteur. L'autre extrémité du circuit BT est connectée à la masse.
Je réalise donc un système de balai qui frotte en permanence sur cette tête de vis et qui est connecté à la voie N°1 de l'oscilloscope.
Quand le rupteur est ouvert, je lis la tension générée dans le circuit BT et quand le rupteur est fermé à la masse je lis zéro volt.....enfin, pas tout à fait, et c'est là la ruse:
- quand le rupteur est fermé, le circuit BT est court-circuité à la masse par le rupteur qui se trouve donc traversé par le courant du circuit primaire.
- le rupteur n'est pas parfait, il présente une très faible résistance de contact, donc le passage du courant crée une différence de potentiel U de la forme U=Rc x Ibt où Rc désigne la résistance de contact du rupteur et Ibt désigne le courant qui circule dans le circuit primaire. U est très faible mais la sensibilité d'un oscilloscope est grande et permet sa visualisation....avec quelques difficultés pour le non expert que je suis car les faibles tensions ont vite fait d'être parasitées par l'environnement d'essai.
Il n'est pas aisé de connaitre la valeur très basse de Rc, mais ce qui m'intéresse c'est l'allure du courant primaire, en particulier le positionnement angulaire de sa valeur maximum par rapport à l'instant du déclenchement de l'étincelle, je me contenterai dans un premier de connaitre le produit Rc x Ibt qui est égal à la tension BT quand le rupteur est fermé.....mais on verra dans un chapitre suivant qu'il est aussi possible par ces relevés de connaitre la valeur des ampères qui circulent dans le bobinage primaire.
Suivant le but recherché, la sensibilité de la voie N°1 de l'oscilloscope aura un calibre de l'ordre du volt (mesure de tension BT) ou de l'ordre de 20 mVolt (image du courant BT).
Voici l'objet du délit: à droite le couvercle normal et à gauche le couvercle instrumenté avec son balai.
Le même en fonctionnement.
1.2 Lecture de l'étincelle sur le circuit BT
Comment peut-on lire l'étincelle sur la tension BT alors que le courant d'étincelle traverse le circuit HT?
Pendant la durée de l'étincelle il y a circulation de courant dans le circuit HT via la bougie, L'apparition et la disparition brusques de ce courant de quelques dizaines de milliampères crée l'apparition et la disparition d'un champ magnétique, variable lui aussi, qui "perturbe" les champs générés par les aimants permanents et par le courant BT. On peut donc mesurer aisément la durée de cette étincelle sur le profil de la tension BT. Le niveau de la tension BT atteint pendant les quelques millisecondes de durée de l'étincelle est l'image de la variation du courant HT au cours de l'étincelle.
1.3 Mesure de la haute tension HT.
La mesure de la haute tension utilise une sonde maison qui est constituée d'un pont diviseur de résistances de 10 MOhm et 1 KOhm réalisant une division par 10 000 de la tension HT. La calibration de l'oscilloscope est telle que la valeur lue à l'écran doit être multipliée par 1000 pour connaitre la valeur réelle. ( si vous réalisez ce type de pont diviseur, il faut absolument utiliser une résistance spéciale "haute tension" pour éviter tout court-circuit interne qui aurait pour effet de modifier le rapport de division réel et pourrait détruire l'étage d'entrée de votre oscilloscope.)
Les premiers essais sont fait avec la magnéto montée sur la moto, l'actionnement se fait par un coup de kick sans démarrage du moteur, la vitesse est basse et décroissante. Ensuite la magnéto est disposée sur un banc d'entraînement maison qui utilise une perceuse à vitesse variable.
2 RELEVES SUR KICK
2.1 Tension BT
On voit nettement les deux phases: rupteur fermé pendant 138 degrés et rupteur ouvert pendant 360-138 = 222 d°. Ces angles ne dépendent pas de l'avance à l'allumage mais seulement du profil de la came et de la valeur de l'écartement maxi des rupteurs réglés ici à 0.4 mm comme préconisé.
On note qu'avec l'avance à l'allumage manuelle au maxi, l'ouverture du rupteur se fait au sommet du pic de tension maximum (centrée entre les pics négatifs), tandis qu'avec l'avance au mini l'ouverture du rupteur est retardée.
On note également qu'à la fermeture du rupteur la tension BT est encore légèrement négative, en particulier quand l'avance est au maxi (flèche bleu).
2.2 Courant BT
Au vu de la forme très pointue du pic de tension il est permis de craindre le pire quant au positionnement angulaire de l'ouverture du rupteur, il semble en effet que tout écart par rapport à ce pic dégraderait fortement lénergie de l'étincelle. Mais ce qui détermine l'énergie d'étincelle (les millijoules) c'est le courant (les ampères) atteint juste avant l'ouverture du rupteur et non la tension (les Volts) qui a généré ce courant.
On utilise souvent le terme de "respect de l'arrachement" pour désigner l'exigence fondamantale de faire coîncider l'ouverture des rupteurs avec le maximum du courant dans le circuit primaire pour maximiser l'énergie de l'étincelle.
Voyons donc l'allure de ce courant. (photos ci-dessous)
On note à quel point le pic de courant est beaucoup moins étroit que le pic de tension en circuit ouvert. Le maximum présente même une valeur presque plate sur 35 msec ce qui correspond à peu près à 30 degrés moteur à cette vitesse de rotation. De ce fait l'énergie d'étincelle est peu indépendante de l'avance à l'allumage, tout au moins à cette faible vitesse de rotation. (On verra plus tard l'analyse des raisons de ce "lissage" du courant).
Nota: on entend parfois dire qu'en cas de démarrage du moteur difficile dû à une faiblesse de l'allumage, il vaut mieux mettre l'avance manuelle au maxi pour bénéficier de plus d'énergie d'étincelle, ce n'est pas vrai sur cette moto-là. (Sur le volant magnétique de Pétronille, j'ai pu constater que le courant maxi est plat et que l'action de l'avance centrifuge ne modifie pas l'énergie de l'étincelle). Il faut toutefois être conscient qu'avec l'avance au maxi, l'étincelle intervient dans un mélange moins comprimé ce qui facilite son jaillissement. Il ne faut pas perdre de vue aussi que sur les bicylindres en Vé à angle "bizarre" il peut y avoir des difficultés à réaliser un bon arrachement et deux belles étincelles avec une seule magnéto, dans ce cas il peut se faire que l'action sur l'avance à l'allumage aît une influence sur leur énergie.
Je précise que sur cette magnéto la condition d'arrachement n'est pas réglable, le plateau support du rupteur est solidarisé à l'induit par une clavette et le débattement angulaire du réglage de l'avance à l'allumage est imposé par une lumière usinée.
2.3 Etincelle
La photo suivante illustre le fait que l'étincelle se lit aussi bien sur le signal BT que sur le signal HT.
L'amorçage de l'étincelle se fait par un très bref pic de tension HT, non mesurable sur ce graphe, qui s'atténue sous forme d'oscillations à très haute fréquence. Les phénomènes électriques qui régissent cette phase sont complexes car toute variation de courant dans l'un des circuits est "sentie" par l'autre du fait de leur mutuelle inductance, de plus l'extême brièveté du phénomène fait que la capacité (picofarad) du circuit HT n'y est pas négligeable.
Pendant les 4.9 millisecondes que dure l'étincelle, la tension d'arc est d'environ 350 volts (entaînement avec kick, sans compression et électrodes à 0.4 mm, cette valeur augmente avec l'écartement des électrodes et avec la pression).
Quand l'étincelle "s'éteint" il reste encore un peu d'énergie sous forme de courant dans le circuit primaire, celui-ci est connecté au condensateur dans lequel il se vide sous forme d'oscillations, l'énergie restante est dissipée par effet joule dans la résistance du circuit primaire. Comme pendant cette phase le circuit HT n'est plus parcouru par du courant, la tension à ses bornes "mesure" par induction les oscillations du courant primaire, ce qui explique la même fréquence des oscillations dans les deux circuits.
3 ESSAIS SUR BANC D'ENTRAINEMENT
3.1 Tensions BT et HT, rapport de transformation.
Pour cet essai les grains du rupteur sont séparées électriquement par un morceau d'adhésif (pas de courant dans l'enroulement).
La tension du secondaire est transmise à la bougie au moyen d'un collecteur ou "pick-up" autrement dit un charbon qui frotte sur une piste et qui n'établit le contact que pendant une certaine durée angulaire d'où la valeur nulle quand le charbon frotte sur l'isolant. On notera que les pics de tension BT et HT se produisent avant la milieu de la piste conductrice.
Ce système de collecteur constitue une prédisposition pour distribuer la haute tension en cas de moteur multicylindre, il évite aussi le risque d'apparition d'une haute tension à la bougie tous les demi-tour moteur (pic négatif de tension) qui, à haut régime, même sans ouverture du rupteur pourrait être suffisante pour amorcer une étincelle en particulier en fin d'admission du moteur quand le mélange frais non comprimé en facilite le jaillissement.
Premier essai sur kick.
Ce type d'essai permet de mesurer le rapport de transformation qui est égal au rapport des nombres de spires des deux enroulements, il est dans ce cas évalué à 56, mais un relevé plus précis en dilatant l'échelle de temps donnera la valeur de 58.
3.2 Evolution de la tension BT avec la vitesse de rotation (rupteur maintenu ouvert)
Un essai à plusieurs régimes de rotation permet de confirmer que la tension générée est proportionnelle à la vitesse de rotation: on relève en moyenne 22 mVolts par t/min dans le circuit BT et 22 x 58 = 1.28 Volts par t/mn dans le circuit HT .
Je profite de l'essai fait à vitesse fixe de 517 t/mn pour mesurer précisément la durée angulaire de la piste conductrice de la HT: elle est égale à 155 d°.
3.3 Courant primaire
Le rupteur est maintenu fermé par suppression de la came et la sensibilité de la voie UN qui mesure la différence de tension entre les deux grains du rupteur est calibrée à seulement 20 mVolt par carreau. La magnéto fonctionne alors comme un alternateur en court-circuit.
On retrouve l'effet de lissage du courant qui avait déjà été observé lors des essais sur kick, comme s'explique-t-il ?
Le courant qui circule dans le primaire induit à son tour un champ magnétique qui s'ajoute (ou se retranche) au champ magnétique créé par les aimants permanents, et qui, conforméméent à la loi de Lenz tend à s'opposer celui-ci. Le champ magnétique résultant et surtout sa variation au cours du temps sont réduits par ce phénomène que l'on appelle la "réaction magnétique d'induit".
On note comme cette "paresse" à la croissance et à la décroissance du courant a pour effet de retarder le pic du courant BT: alors que les pics des tensions BT et HT interviennent en début de conduction du collecteur HT en l'absence de courant, les pics de courant se situent maintenant de façon logique au milieu de la plage angulaire de conduction HT.
On l'a déjà vu: ce phénomène de lissage est intéressant car il atténue la criticité du bon respect de l'angle d'arrachement. (rappelons que le réglage manuel de l'avance à l'allumage se fait par rotation de la came au détriment de l'angle d'arrachement).
La tension aux bornes du secondaire non parcouru par du courant "mesure" la variation de champ magnétique résultant dans le noyau magnétique, son allure est différente de celle de l'essai précédent qui était réalisé sans courant primaire. Comme la magneto n'est chargée que par une résistance pure (la résistance de contact du rupteur) cette tension est parfaitement synchrone avec le courant (cos(Phi) = 1).
Pour mieux visualiser le décalage du courant de rupture en fonction de l'avance à l'allumage, je supprime l'isolant entre les grains du rupteur pour le rendre fonctionnel. On note alors qu'avec l'avance réglée au mini la rupture intervient exactement en milieu de la piste HT quand le courant est à sa valeur maxi. On peut alors simuler les 30 d° d'anticipation que provoquerait le passage à l'avance maxi. Comme constaté lors des essais sur kick, la perte de courant est faible.
Petite réflexion:
Il est légitime de penser que la valeur du déphasage provoqué par la réaction magnétique de l'induit ne sera pas modifiée en cas de perte d'aimantation des aimants permanents car dans ce cas le courant induit, donc la réaction d'induit, sera réduite dans la même proportion que le champ magnétique des aimants: seule l'énergie de l'étincelle sera diminuée mais la condition d'arrachement ne sera pas affectée. Une aprroche plus scientifique devrait confirmer cette hypothèse.
Intéressons-nous maintenant à la valeur maximum atteinte par le courant primaire en fonction de la vitesse de rotation de la magnéto puisque c'est elle qui conditionne l'énergie disponible pour l'étincelle (sous réserve que l'ouverture du rupteur intervienne au bon moment)
Mesure de la valeur du courant (ampères) et calcul de l'énergie d'étincelle (mjoules).
Le schéma électrique équivalent de l'essai précedent est le suivant:
- un enroulement primaire soumis à un champ magnétique variable qui résulte des actions des aimants permanents d'une part et de la réaction magnétique d'induit d'autre part.
- la résistance ohmique de cet enroulement
- la résistance ohmique de contact du rupteur
Ces trois élements sont montées en série et forment une boucle fermée.
- un enroulement secondaire en circuit électrique ouvert qui est soumis à la même variation de champ magnétique que le circuit primaire et génère une tension 58 fois plus grande que celle du circuit primaire.
Appliquons la loi d'Ohm U=RI à la résistance de l'enroulement primaire:
U = UA - VBT avec :
UA = VHT/58
- R = 0.5 Ohm:
Dans l'exemple précédent à 430 t/mn les pics de tension HT et BT sont égaux à 80 volts et 40 mvolts (négligeable)
Le pic de courant est donc égal à 80/58 / 0.5 =2.76 Ampères
L'énergie accumulée est égale à 1/2 L I^2 où L est l'inductance du circuit primaire, soit 15 mHenry
E = 1/2 15e-3 2.76^2 = 57 mjoules
Nota:
1- ne connaissant pas les valeurs exactes de résistance et d'inductance primaire ce calcul est fait avec des valeurs génériques, il n'a donc qu'un intérêt didactique, en effet la résistance du circuit primaire très basse n'est pas mesurable précisément avec un ohmètre basique et une erreur de mesure de 0.1 Ohm par rapport à 0.5 Ohm, soit 20%, suffit pour fausser la valeur de l'énergie de 40%.
2- l'énergie calculée est celle qui est accumulée dans le solénoïde primaire, seule une partie est transférée à la bougie à cause du mauvais rendement (50% ?) de cette bobine de Ruhmkorff dont la configuration interdit l'utilisation de tôles isolées ce qui est générateur de pertes par courants de Foulcault.
3.4 Evolution du courant primaire en fonction de la vitesse de rotation.
Précision sur le mode opératoire.
Problème: La perceuse utilisée pour l'entraînement à haute vitesse possède un régulateur de vitesse à découpage fréquemment générateur de parasites trop élevés par rapport aux 20 ou 30 mVolt aux bornes du rupteur fermé. Je serai contraint d'augmenter artificiellement leur résistance de contact (avec un dépôt de graisse graphitée entre les grains) pour avoir une lecture plus confortable de l'ordre de 500 mVolts. Il faut bien être concient que cette résitance parasite, si elle ne change rien aux principes physiques, a pour effet de fausser les valeurs . Par ailleurs pour garantir la stabilité de la valeur ohmique de ce dépôt pendant la durée de l'essai le rupteur ne sera pas opérationnel mais sera maintenu fermé par suppression de la came extérieure. La valeur atteinte par le courant au moment précis de l'étincelle ne sera pas connu, seul le courant maxi qu'est capable de fournir la magnéto sera connu.
Résultats
Sur le graphique suivant sont tracées l'évolution du courant maxi ainsi que l'énergie
accumulée pour l'étincelle. Les calculs ont été fait avec les hypothèses génériques précédentes: L = 15 mHenry et RBT = 0.5 Ohm.
Conformément à ce qu'on trouve dans les divers documents on note la rapide croissance de l'énergie en fonction du régime tant que celui-ci est bas et la croissance beaucoup plus faible quand le régime augmente. La littérature parle d'énergie constante voire décroissante à hauts régimes.
On note que le maximum du courant coïncide toujours avec le milieu de la piste du collecteur de haute tension donc toujours à la même position angulaire de l'induit: la bonne condition d'arrachement est donc indépendante de la vitesse de rotation de la magnéto.
Cette indépendance du régime m'étonne car le reliquat de mes connaissances théoriques me portait à penser que le retard aurait dû être croissant avec la vitesse de rotation. C'est très probablement dû au fait que la tension a un profil très éloignée du cas d'école de la sinusoïde (c'est peut-être aussi que mes souvenirs d'étudiant sont bien loin...)
Et puis quand tous ces relevés sont terminés il faut remonter la magnéto sur le moteur et bien la caler angulairement, à avance nulle en position plein retard. . Sur cette moto, il n'y a pas de possibilité de réglage fin, il suffit de respecter des repères sur les pignons.....qui sont invisibles à moins de démonter beaucoup de choses. Il n'est pas facile non plus de voir à quelle hauteur se situe le piston car la bougie inclinée est éloignée de l'axe du cylindre à soupapes latérales, impossible aussi de faire tourner le moteur autrement qu'avec le kick...
Cet outil "maison" m'aide bien: un culot de bougie de 18, une axe, un balancier , une ressort, le tout "home-made" et les derniers millimètres de course du piston sont mesurables par l'extérieur: comparateur, réglet, ralllonge...
Conclusions:
A quoi ça sert tout ça à part occuper les longues journées d'hiver d'un vieux retraité qui s'acharne à mesurer le courant qui passe dans un bidule pendant qu'il tourne?
N'allez pas vous immaginer que votre magnéto fonctionnera mieux après cette indigestion d'élucubrations ennuyeuses. La seule conclusion c'est que ma magnéto fonctionne exactement comme beaucoup de gens l'ont déjà expliqué dans les livres et qu'il ne faut pas réinventer le monde.
Une magnéto montée dans les règles de l'art avec des composants de bonne qualité ne peut que bien fonctionner, il suffit juste s'en tenir aux préconisations de réglage et d'entretien d'usage.
Et puis, si vous pouvez adapter mon idée de balancier pour détecter le point mort haut sur votre moteur à soupapes latérales j'aurai l'impression d'avoir servi à quelque chose.
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