L’utilisation du calcul de l’efficacité volumétrique lors d’un diagnostic de rendement moteur
Par Eloi Chayer  CMAT-L1

Résumé

L’accessibilité des composantes des véhicules modernes devenant de plus en plus difficile, il est nécessaire de développer de nouvelles techniques ainsi que les méthodes qui s’y rapportent afin de permettre un diagnostic de rendement moteur dans un laps de temps raisonnable. En effet, même si l’accessibilité a diminué, le consommateur n’est pas prêt à assumer les coûts qui y sont reliés.

L’une de ces techniques est le calcul de l’efficacité volumétrique. Il s’agit d’un outil permettant, lorsqu’il est utilisé judicieusement, d’évaluer la capacité à “respirer” d’un moteur, et même de déterminer le système fautif, lorsque cette technique est jumelée à l’analyse de données connexes. Ces données, trop souvent mises de côté, sont pourtant d’une importance primordiale.

Si les calculs semblent complexes, il faut noter que le comportement de l’air qui transite à l’intérieur du moteur l’est beaucoup plus. Toutefois, des outils informatiques (i.e. logiciels) sont disponibles pour rendre les calculs plus conviviaux.

Notions d'efficacité

Définitions

L’efficacité d’un moteur peut être décrite comme l’énergie disponible pour effectuer un travail par rapport à l’énergie calorifique du combustible utilisé (voir [5]).

L’efficacité est alors déterminée par:

1. l’efficacité cyclique
2. l’efficacité thermique
3. l’efficacité mécanique
4. l’efficacité volumétrique

Efficacité cyclique

L’efficacité cyclique est fonction de la température initiale de combustion. C’est l’une des raisons pour lesquelles un moteur diesel est plus efficace qu’un moteur à essence. En effet, le taux de compression plus élevé accroît la température initiale de combustion, ce qui améliore le transfert d’énergie au niveau mécanique. Moins d’énergie étant dépensée à réchauffer le mélange pour le préparer à la combustion, plus d’énergie est alors disponible pour le travail mécanique proprement dit. Notez que l’injection directe de l’essence pourrait régler une partie de ce problème, tout en réduisant les pertes de pompage.

Efficacité thermique

L’efficacité thermique est fonction de la qualité de combustion, c’est-à-dire du rapport entre l’énergie calorifique disponible dans le combustible et de l’énergie transformée en travail mécanique. Par exemple, lors d’une combustion incomplète causée par un mélange trop pauvre, une partie de l’énergie disponible est transformée en chaleur diffusée dans les parois du cylindre, réduisant ainsi l’énergie disponible pour le travail mécanique.

Efficacité mécanique

L’efficacité mécanique est inversement proportionnelle à la friction interne du moteur ainsi qu’aux pertes de pompage. La friction interne est causée par le mouvement des pièces mobiles les unes par rapport aux autres ainsi que par l’énergie dépensée en travail de certaines composantes (i.e. pompe à eau, pompe à huile, etc.). La friction étant pratiquement constante à tous les régimes du moteur, l’efficacité mécanique est maximale lorsque le moteur tourne au régime correspondant à son pic de puissance.

Les pertes de pompage représentent l’énergie utilisée pour pomper le mélange combustible vers et hors des cylindres. Ces pertes sont relativement constantes dans le cas d’un moteur diesel, compte tenu de l’absence de papillon à l’entrée de la tubulure d’admission. Dans le cas d’un moteur à essence, cependant, ces pertes sont plus grandes à bas régime, quand le papillon est fermé, que lorsque le moteur tourne à pleine charge et que son efficacité mécanique est au maximum.

Efficacité volumétrique

L’efficacité volumétrique est fonction de la relation entre la quantité d’air ingérée par rapport au volume des cylindres lors de la course de chaque piston. On peut améliorer l’efficacité volumétrique d’un moteur en y annexant un dispositif de suralimentation. Parmi les dispositifs disponibles, notons le turbocompresseur, le compresseur volumétrique et le compresseur dynamique, pour n’en nommer que quelques-uns.

Pertes d'énergie

L’énergie disponible pour effectuer un travail mécanique dans un moteur à combustion interne est généralement perdue par:

1. pertes thermodynamiques
2. pertes mécaniques

Ces pertes totalisent approximativement 80%, dans le cas d’un moteur à essence, laissant un peu plus de 20% d’énergie mécanique disponible (voir [6]).

Pertes thermodynamiques

Les pertes thermodynamiques comptent pour environ 74% des pertes totales d’un moteur à combustion interne. Ces pertes se répartissent comme suit:

• 38% au niveau des gaz d’échappement
• 36% au niveau du système de refroidissement

Pertes thermodynamiques

Les pertes mécaniques comptent pour environ 6% de l’énergie totale disponible. Elles sont causées par la friction interne du moteur ainsi qu’aux pertes de pompage.

Efficacité volumétrique calculée

Lorsqu’un moteur est équipé d’un débimètre d’air massique, il est possible de calculer l’efficacité volumétrique de celui-ci de façon dynamique. Il est ensuite possible de comparer cette valeur avec celle d’un moteur similaire et fonctionnant dans les mêmes conditions.

Calcul de l'efficacité volumétrique

L’efficacité volumétrique (Volumetric Efficiency) équivaut au rapport du taux d’écoulement volumétrique actuel (Actual Volumetric Flow rate) sur le taux d’écoulement volumétrique théorique d’un moteur, le tout multiplié par cent, ce qui donne une valeur en pourcentage (voir [1]), soit:

où:

• VE est l’efficacité volumétrique calculée (%);
• AVF est l’écoulement volumétrique actuel (m3/ s);
• TAF est l’écoulement volumétrique théorique (m3/ s).

Le rapport AVF équivaut au rapport de la lecture du débimètre d’air massique (MFk) en grammes par seconde (g/s) sur la densité de l’air dans la tubulure d’admission (d2), soit:

où:

• AVF est l’écoulement volumétrique actuel (m3/ s);
• MF_k est la lecture du débimètre d’air massique (g/ s);
• d₂ est la densité de l’air dans la tubulure d’admission.

La densité de l’air à 15° C est de 1225.5 g / m3 au niveau de la mer (voir [4]). Puisque cette valeur est fonction de la température de l’air ambiant, il est nécessaire d’y effectuer des corrections. Pour ce faire, on doit multiplier la densité de l’air à 15° C par le rapport de la température de calibration (soit 15° C) sur la température actuelle de l’air. Donc:

où:

• d₂ est la densité de l’air dans la tubulure d’admission (g / m3);
• d_m est la densité de l’air au niveau de la mer à 15°C (g / m3);
• T_a est la température de l’air ambiant (°C).

Notez que la température de l’air employée lors des calculs est convertie en degrés Kelvin (°K) afin d’éviter une division par zéro. Les intervalles de température des °K et des °C étant les mêmes, il est possible d’effectuer la conversion en ajoutant simplement 273 à la température en °C. Sachez que 0 °K équivaut au zéro absolu et que cette valeur équivaut à - 273 °C.

La valeur de l’écoulement théorique (TAF) équivaut à la cylindrée du moteur en centimètres cube (ED) multiplié par le nombre de révolutions par minute à laquelle la lecture du débimètre d’air massique a été prise (rpm) multiplié par le coefficient d’efficacité volumétrique théorique (VE) divisé par la moitié du nombre de temps moteur (ES) – donc 2 pour un moteur à 4 temps – multiplié par le facteur de conversion des cm3 en m3, soit 1´106. On a donc:

où:

• TAF est l’écoulement volumétrique théorique (m3/ s);
• ED est la cylindrée du moteur (cc);
• rpm est le régime du moteur (RPM);
• VE_t est le coefficient volumétrique théorique, qu’on estime à 1;
• ES est le nombre de cycles du moteur (2 pour un moteur 4 temps);
• C est le facteur de conversion des cm3 en m3.

Notons que la valeur théorique du coefficient d’efficacité volumétrique d’un moteur est considéréé comme étant égalé à 1.

Ainsi, un moteur de 2000 cc tournant à 4000 RPM dont le débimètre d’air massique indique une consommation d’air de 50 g / s lorsque la température est de 40°C aura une efficacité volumétrique calculée de 66.51197 %:

Avantages

Les avantages reliés à cette technique sont nombreux. En plus d’offrir un moyen rapide pour déterminer la capacité de “respirer” d’un moteur, il est également possible de détecter un débimètre d’air massique défectueux, et ce, en prenant également en considération les paramètres d’adaptation du système de commande du moteur.

De plus, il n’est pas nécessaire d’acquérir d’équipements spécifiques pour effectuer la prise de données permettant d’effectuer le calcul de l’efficacité volumétrique. Un simple analyseur diagnostique (scanner) suffit.

Désavantages

Cette technique ne peut s’appliquer lorsque le moteur n’est pas équipé d’un débimètre d’air massique, compte tenu du fait qu’un tel système n’effectue uniquement que des calculs de densité de l’air, en se servant de tables de calcul statiques d’alimentation d’essence se rapportant à la pression absolue de la tubulure d’admission.

De plus, il est préférable d’être en mesure de comparer les valeurs calculées à celle d’un véhicule similaire utilisé dans des conditions équivalentes (température de l’air, altitude, usure du moteur, etc.).

Composantes pouvant influencer les résultats

L’efficacité volumétrique diminue lorsque:

• le système d’échappement est bloqué, même partiellement;
• le système d’alimentation d’air est bloqué, même partiellement;
• le mécanisme actionnant les soupapes d’admission et/ou d’échappement est défectueux ou usé;
• le débimètre d’air massique est défectueux ou le tube entre le débimètre et la tubulure d’admission comporte une fuite.

Compte tenu du nombre de causes probables d’une diminution de l’efficacité volumétrique, on doit tenir compte de certains autres paramètres pouvant nous aider à déterminer la cause probable du problème.

Indices

L’indice le plus révélateur, dans ce cas, est le Fuel Trim (facteur de correction de l’alimentation du carburant) – ou FT. En effet, des valeurs de FT différentes caractérisent la capacité à “respirer” du moteur et une défectuosité du débimètre massique d’air.

Il est donc nécessaire d’observer le FT au ralenti et à environ 2500 RPM, et ce, lorsque le moteur est sous charge légère ou modérée. Une charge est préférable à aucune charge, compte tenu du fait qu’il est rare qu’un système de combustion établisse des corrections de FT lorsque le moteur est sans charge à plus de 2000 RPM. Une accélération normale peut alors s’avérer le meilleur moyen d’obtenir des valeurs de FT viables, du moins pour l’emploi que l’on veut en faire.

Méthodologie proposée

Nous avons besoin des informations suivantes afin d’effectuer le calcul de l’efficacité volumétrique:

• La cylindrée du moteur;
• La lecture maximale du débimètre d’air massique en accélération;
• Le régime du moteur lorsque le débimètre d’air massique donne sa lecture maximale;
• La température de l’air ambiant.

La cueillette de données doit s’effectuer lorsque le moteur est à température de fonctionnement normal (ou à la température où le problème de rendement moteur survient). Les étapes sont les suivantes:

1. Brancher un analyseur diagnostique (scanner);
2. Lire les informations suivantes:
   – La température de l’air ambiant (i.e. IAT – Intake Air Temperature)
   – La lecture du débimètre d’air massique (i.e. MAF – Mass Air Flow)
   – Le régime du moteur.
   Il est important de s’assurer que ces données soient en format métrique (degrés Celsius pour la température et grammes/seconde pour le débimètre d’air)
3. Régler le scanner pour effectuer une capture d’informations (snapshot), sinon faire en sorte qu’un assistant prenne note des données pendant l’opération;
4. Accélérer à fond (WOT – Wide Open Throttle) au moins jusqu’à ce que la troisième vitesse ait passé;
5. Prendre note de la valeur maximale de la lecture du MAF ainsi que le régime moteur auquel elle a été atteinte;
6. Répéter l’opération au moins 3 fois;
7. En utilisant les données recueillies, calculer l’efficacité volumétrique soit manuellement, avec les formules décrites plus haut, ou à l’aide d’un logiciel prévu à cet effet;
8. Régler le scanner afin de pouvoir lire les données de FT;
9. Lire les valeurs de FT au ralenti, puis lors d’une accélération normale (papillon des gaz à environ 30 %);
10. Jumeler l’efficacité volumétrique calculée aux données de FT, puis interpréter les résultats.

Le temps requis pour effectuer ces opérations est négligeable, soit au plus une dizaine de minutes.

Interprétation des résultats

Valeurs de FT normales au ralenti et à 2500 RPM

Des valeurs de FT normales jumelées à une efficacité volumétrique réduite peuvent indiquer un blocage au niveau de l’échappement ou de l’admission. En effet, une telle condition n’affecte pas outre mesure le FT. Cela diminue la demande en air du moteur, ce qui, par conséquent, entraîne une demande d’essence proportionnellement plus faible également afin de conserver un rapport stoechiométrique constant.

Valeurs de FT hors normes au ralenti et / ou à 2500 RPM

Des valeurs de FT hors normes jumelées à une efficacité volumétrique déficiente peuvent indiquer que le débimètre d’air massique, dont la valeur a été utilisée lors du calcul de l’efficacité volumétrique, est défectueux ou qu’une fuite est présente entre celui-ci et la tubulure d’admission.

Il est intéressant de noter que certains techniciens ont observé qu’un débimètre d’air massique dont le capteur est encrassé a tendance à entraîner des valeurs de FT négatives au ralenti (le système de régulation de combustion détecte que le mélange est trop riche) alors qu’à plus haut régime, les valeurs de FT ont tendance à être positives (mélange trop pauvre) . Il serait intéressant de pouvoir vérifier ce phénomène.

Logiciels disponibles

Les logiciels que nous vous présentons utilisent les équations précédentes pour effectuer leurs calculs. En ce qui a trait au logiciel VE3.1, nous ne pouvons pas en être certains, compte tenu que le code source du programme n’est pas disponible.

Logiciel VE3.1 de Lee Murphy (iATN)

Quelques techniciens ont développé des logiciels effectuant les calculs d’efficacité volumétrique. L’un de ces logiciels a été développé par Lee Murphy, membre de iATN (International Automotive Technicians Network) (voir figure 1). Il semble utiliser les calculs décrits dans cet article, tout en offrant des fonctionnalités supplémentaires. Il est cependant nécessaire de demander la permission à M. Murphy afin d’utiliser ce logiciel. Lui seul peut distribuer son logiciel. Pour ce faire, il faut le contacter à l’aide du formulaire disponible sur le site de iATN à: http: //members.iatn.net/cgi-bin/membermail.cgi?m=23889&nn=1. Ce logiciel ne fonctionne que sous Windows®.

Logiciel VE Calc, version sans fenêtrage (AQTDA)

Un autre logiciel a été développé par l’AQTDA et permet d’effectuer ces calculs. Une version de ce logiciel tourne en mode console (sous DOS, Windows®ou Linux) et est de petite taille (24K), ce qui le rend intéressant dans le cas où il pourrait être installé sur un ordinateur désuet (voir figure 2).

Ce programme a été développé à l’aide du langage ADA et le code source est disponible à: http://www.aqtda.org/ressources/ve/ve.adb. Notez que cette version ne comporte aucun test de validation d'entrée. Le programme n'est donc pas très robuste, malgré sa rapidité. Il est possible de modifier le code source en autant que l'AQTDA et ses membres puissent jouir des modifications également.

Vous pouvez vous procurer une version gratuite du compilateur à: http://www.aonix.com/oa_win_demo.html ou à ftp://cs.nyu.edu/pub/gnat/3.15p/winnt, gnatwin étant le compilateur pour Windows 9x et gnat-x.xxp-nt étant le compilateur pour Windows NT®, 2000®et XP®. GNAT offre également des compilateurs tournant sous Linux, Unix® et Macintosh®.

Logiciel VE Calc à interface graphique (AQTDA)

Cette version utilise une interface graphique. Elle est écrite en Java™, et ce, afin de pouvoir tourner sur toutes les plate-formes disponibles sur le marché présentement (voir figure 3). Notez que l’ordinateur cible doit posséder au minimum un environnement runtime Java™(ou JRE). Le logiciel peut tourner sous les environnements Java de Microsoft, ou mieux, de Sun Microsystems™.

Programme client Web

Il est possible que le calculateur soit disponible en ligne sur le Web dans un avenir rapproché, si la demande est substantielle. Il n’a pas encore été décidé si il s’agira d’un script Java™ou d’un simple script roulant sur le serveur.

Conclusion

Nous avons pu constater que le calcul de l’efficacité volumétrique était un outil intéressant dans le cadre de l’évaluation du rendement moteur d’un véhicule automobile. Il reste cependant beaucoup à faire au niveau procédural afin d’établir un standard rigoureux au niveau des méthodes utilisées, et ce, pour que les techniciens utilisant cette technique puissent comparer efficacement leurs données. En effet, si deux techniciens optent pour une méthodologie différente, leurs résultats risquent d’être eux aussi différents.

Le calcul de l’efficacité volumétrique n’est pas, cependant, une panacée. Ce n’est qu’un outil supplémentaire qui, lorsque choisi et utilisé judicieusement, peut aider les techniciens à accomplir certaines tâches plus efficacement, notamment en ce qui a trait au rendement moteur.

Réféfences:

[1] Eric Barger. Volumetric Efficiency: Calculating your cars volumetric efficiency. InstallUniversity.com, 2000, http://www.installuniversity.com/install_university/installu_articles
/volumetric_efficiency/ve_computation_9.012000.htm
[2] BOSCH. Automotive Handbook. Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 1996, 892p.
[3] Heinz Heisler. Vehicle and Engine Technology, 2nd edition. Society of Automotive Engineers (SAE), Warrendale, 2001.
[4] H. P. Lenz. Mixture Formation in Spark-Ignition Engines. Society of Automotive Engineers (SAE), Warrendale, 1990, 400p.
[5] Integrated Publishing Team. ENGINEMAN 1 & C. Integrated Publishing, http://www.tpub.com/content/engine/14075
[6] Zach Yates. Power losses in a typical 4 stroke engine. Web Project, University of Alaska-Fairbanks, http://ffden-2.phys.uaf.edu/102spring2002_Web_projects/Z.yates

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