Le système électrique

La batterie d’une automobile est sollicitée pendant un court laps de temps : le démarrage. Dès que l’automobiliste tourne la clé, le circuit électrique est fermé. La batterie décharge alors un très grand courant. Ce courant sert à mettre le moteur en marche. Une fois l’automobile démarrée, c’est principalement l’alternateur qui s’occupe de fournir l’énergie nécessaire au fonctionnement de l’appareillage électrique et aussi de recharger la batterie. La batterie d’automobile doit donc générer un courant très fort pendant une courte période. Ce type de batterie ne doit jamais se décharger à plus de 75% de sa capacité maximale, sans quoi, l'efficacité de la batterie est diminuée de façon permanente. La batterie est rechargée presque instantanément par l’alternateur.

2.1 - Structure de la batterie

Une batterie normale, capable de fournir une tension de 12 V est formée de 6 éléments montés dans un récipient spécial en ébonite, en terre ou en plastique : le bac.

Ce récipient ne peut pas être en métal, à cause de l'acidité de la solution électrolytique qui en provoquerait la corrosion. Chaque élément est contenu dans un compartiment imperméable et est isolé par des séparateurs également inattaquables par l'acide. Les éléments sont reliés en série à l'aide de barrettes en alliage de plomb, qui réunissent par soudure au plomb les bornes d'éléments contigus. Le tout est recouvert d'une substance résistant aux acides, qui sépare parfaitement les éléments en les isolant entre eux. Cette substance est formée habituellement d'un mélange de goudron et de matériaux bitumineux, traités de manière à rester à l'état solide même aux températures les plus élevées, tout en résistant à la fissuration aux températures les plus basses. Chaque élément d'une batterie est rempli d'une solution électrolytique à base d'acide sulfurique et d'eau.

• La tension maximale susceptible d'être fournie est égale à 2.2 V multipliés par le nombre d'éléments de la batterie;
• La capacité en ampères-heure (Ah), c'est à dire la quantité d'électricité que la batterie peut restituer;
• Les dimensions maximales;
• Le poids.

La capacité, exprimée en ampères-heure, représente un moyen théorique d'évaluation du rendement d'une batterie. Elle exprime en théorie, l'intensité maximale du courant qu'une batterie est capable de débiter durant une heure.
Une batterie de 80 Ah pourra par exemple, fournir 80 A durant une heure ou 4 A pendant vingt heures. En pratique, on utilise un temps de décharge de vingt heures. La capacité des batteries utilisées sur les voitures automobiles varie d'un minimum de 32 Ah à un maximum de 80-100 Ah.

On sait que par contention, le poids spécifique de l'eau distillée est égal à 1.
L'acide sulfurique étant plus lourd que l'eau, plus le pourcentage sera important, plus le poids spécifique de la solution sera élevé. Ainsi, dans une batterie parfaitement chargée, la valeur du poids spécifique est habituellement comprise entre 1,27 et 1,10. Pour une batterie complètement déchargée, elle descend à 1,15. Pour mesurer le poids spécifique, on utilise un appareil appelé densimètre.

2.2 - La recharge de la batterie

Une batterie se décharge même en restant inactive. Le graphique (Diagramme 1) montre la courbe de la perte de capacité par décharge spontanée en fonction du temps. Normalement, la recharge des batteries montées sur les véhicules automobiles s'effectue automatiquement, grâce à la présence d'un dispositif spécial qui peut être une dynamo (dans les anciennes) ou un alternateur (pour les modèles plus récents). Au cours du fonctionnement normal du moteur, une transmission mécanique appropriée (courroie) fait tourner le générateur qui débite un courant dont l'intensité est fonction du régime de rotation.

Chaque batterie doit être chargée en respectant les indications fournies par le fabricant : à défaut, il faut utiliser un courant de charge ne dépassant pas quelques ampères, en général 1 à 5 A, car plus le processus de recharge est long, plus il est efficace et la recharge durable. En outre, il faut rappeler qu'en aucun cas le courant de charge ne doit être trop intense pour provoquer une ébullition violente avec dégagement de gaz, et que la température de la solution ne doit jamais dépasser 52 °C. Rappelons que l'hydrogène est un gaz fortement combustible et que, combiné à l'oxygène, il peut constituer un mélange explosif très dangereux.

3 - La bobine

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.

3.1 - 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. À 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 HT 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.

Coupe d’une bobine (à gauche) et bobine à résistance interne (à droite).

Les éléments constitutifs essentiels de la bobine sont :

• 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 25000) 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.

Le schéma ci-dessous 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. À 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

Le diagramme ci-dessous 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. À 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. À régime élevé par contre, la durée de fermeture des contacts est très courte.

3.2 - Formation d’un courant haute tension

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.

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. À cet effet, l'électrode centrale de la bougie doit avoir une polarité négative.

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. 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.