LE CARBURATEUR EN AUTOMOBILE
Image d’un carburateur de la Citroën ZX 1.4i
Histoire
Bien avant Donát Bánki, le Français Fernand Forest avait inventé, en 1885, le carburateur à niveau constant qui constituait un immense progrès par rapport au carburateur à mèches de Édouard Delamare-Deboutteville, ou au carburateur à barbotage de Maybach. C’est le carburateur inventé par Fernand Forest qui servira de base à tous les carburateurs montés sur tous les moteurs à essence fabriqués dans le monde pendant plus d’un demi-siècle.
Arthur Krebs inventa le 1er carburateur à membrane en 1902. Ce système contient deux fonctions principales : la répartition de la quantité d’air par rapport à la quantité de carburant et le réglage du point de fonctionnement du moteur (charge).
Rapidement après le premier prototype inventé, Karl Benz ajouta au montage un papillon d’accélérateur. Celui-ci permet de régler à volonté la quantité du mélange aspiré par le moteur et donc, sa puissance et sa vitesse de rotation.
Durant la période 1882 à 92, les carburateurs utilisés sur les premier moteurs à combustion interne étaient à léchage, à barbotage ou mixtes. Lourds et très encombrants, ils se composaient d’un récipient parcouru par des tubulures. La résistance à l’écoulement du mélange vers les cylindres était considérable engendrant un fonctionnement, bien que très simple, peu satisfaisant. Ils n’étaient pas capables de fournir longtemps un mélange suffisamment homogène dont la composition soit adaptée aux différents régimes du moteur.
La technique du carburateur fut plus tard améliorée par l’adjonction d’un flotteur permettant de contrôler le niveau du carburant et par le montage d’une prise d’air supplémentaire reliée au tube de sortie du mélange carburé. Cette nouvelle configuration conférait aux pilotes la possibilité de régler manuellement le dosage du mélange carburé.
Frederick William Lanchester expérimenta en Angleterre, le carburateur dans les voitures. En 1896, Frederick et son frère ont construit le premier moteur à essence utilisant le nouveau carburateur. Cette version accomplit en 1900, avec succès, un trajet de 1 000 miles (1 600 km) synonyme ainsi que l’invention du carburateur fut un important pas en avant dans l’ingénierie automobile.
Le carburateur fut l’habituel mode de carburation pour presque tous les moteurs à essence jusqu’au milieu des années 1980, quand l’injection indirecte lui fut préférée pour des raisons de normes de dépollution, le fonctionnement d’un pot catalytique s’accommodant mal d’un carburateur. Sur le marché américain, la dernière voiture utilisant un carburateur fut la Ford Crown Victoria Police Interceptor de 1991. Depuis 2005, de nombreux nouveaux modèles sont en train d’être commercialisé avec l’injection directe. Une majorité des motocycles utilise encore le carburateur en raison de son faible coût et de la réponse des gaz rapide. Mais les normes de dépollution les font toutes passer progressivement à l’injection.
Constitution d’un carburateur:
Le carburateur est situé à l’entrée des conduits d’admission où il assure le mélange air essence aspiré par le moteur. Il possède :
.Une arrivée d’air, air qui passe d’abord à travers un filtre à air sur les véhicules pour le débarrasser des impuretés qui pourraient gêner la carburation.
.Une arrivée d’essence, essence qui est envoyée par une pompe ou par gravité et stockée dans une cuve.
La buse (ou diffuseur), qui crée la dépression nécessaire à l’aspiration du carburant. Le dessin de la partie étranglée du diffuseur nécessite une étude préalable afin d’éviter l’apparition, dans la colonne d’air, de turbulences qui gêneraient l’aspiration du carburant. Par ailleurs, la vitesse d’aspiration au niveau de l’étranglement doit être limitée. La vaporisation complète du mélange est réalisée dans la zone aval du diffuseur jusqu’à la soupape d’admission.
Le boisseau, qui a pour fonction de réguler les quantités d’air et d’essence admise dans le moteur. Du côté entrée d’air, le boisseau est coupé en biais. La coupe en biais plus ou moins affirmée détermine la quantité d’air admise lorsque le pilote commence à accélérer. Plus la coupe est haute, plus le mélange est pauvre.
.La cuve, dans laquelle un flotteur muni d’un pointeau permet l’ouverture ou la fermeture de l’orifice d’arrivée de l’essence. Ce système élimine les effets de la différence de niveau entre le réservoir et le carburateur.
.Le gicleur, sorte de petite vis comportant un orifice, qui sert à introduire le carburant dans la zone de dépression du diffuseur. Le débit du gicleur dépend de son diamètre et de la dépression. Il est placé, à partir de la cuve, en un point facilement accessible sur la canalisation de carburant.
.Le papillon, placé dans le conduit en aval du diffuseur. Il s’agit d’un clapet qui régule le débit du mélange gazeux, en fonction de l’effort demandé au moteur, admis dans les cylindres. Il est ainsi commandé par la pédale d’accélérateur.
.Une sortie communiquant avec les conduits d’admission, afin d’envoyer le mélange formé pour la combustion.
Fonctionnement
Le problème est résolu grâce à l’utilisation d’un dispositif de facilitation du démarrage (choke en anglais, enrichisseur ou starter en français), qui permet au mélange d’être enrichi en essence au démarrage. Il agit de façon que la proportion d’air soit réduite, par l’intermédiaire d’un volet d’aspiration, ou en augmentant la proportion en essence en agissant sur les gicleurs.
Un système intermédiaire de carburation est parfois utilisé : il ne fonctionne qu’au démarrage. L’air est aspiré directement de l’extérieur, ou encore à partir du conduit principal en amont du papillon. Dans ce cas particulier, l’essence est puisée directement dans la cuve et le papillon doit rester fermé, afin que le mélange carburé ne passe que par le dispositif de démarrage.
Lorsque le moteur fonctionne au ralenti, le papillon est fermé ou très peu ouvert. La partie en aval du papillon subit alors une forte dépression. Cette dépression est utilisée pour faire appel au carburant nécessaire à travers un gicleur de ralenti.
Placé juste au niveau du bord du papillon, il ne débite que lorsque la situation précédente s’effectue. Le papillon s’ouvre progressivement et la dépression qui s’exerce sur le gicleur de ralenti diminue jusqu’à ne plus être suffisante pour provoquer l’aspiration de l’essence. La dépression dans le diffuseur augmente engendrant le fonctionnement du gicleur principal. Le réglage du ralenti moteur s’effectue par la vis de butée du papillon réglant l’admission d’air et par une vis-pointeau réglant l’admission de carburant, afin d’obtenir un mélange homogène air-essence.
La cuve est munie d’un système automatique qui ferme l’arrivée d’essence lorsqu’elle est pleine (il s’agit d’un pointeau couplé a un flotteur ; quand le niveau dans la cuve n’est pas suffisant, le flotteur descend à mesure que l’essence se vide et le pointeau, fixé au flotteur sert de soupape afin de faire entrer l’essence dans la cuve et de la stopper quand elle est pleine). La cuve communique par des canaux calibrés avec les gicleurs.
L’entrée d’air donne dans un passage rétréci où débouchent les sorties des gicleurs. Dans cette zone rétrécie, le flux d’air subit une dépression (effet Venturi), qui aspire l’essence à travers les gicleurs. Elle est ainsi pulvérisée dans l’air. Derrière cette zone se situe un obturateur mobile, le papillon des gaz qui pilote le flux d’air et par conséquent la charge du moteur.
Lorsque la pédale de l’accélérateur est à mi-enfoncée, le boisseau ouvre à moitié le conduit d’admission et l’aiguille du gicleur, solidaire du boisseau, détermine la quantité d’essence injectée dans le mélange par le gicleur. Entre 1/4 et 3/4 d’ouverture, l’essence est ainsi proportionnelle à l’air admis. Cette plage peut être légèrement modifiée par le réglage de la hauteur de l’aiguille. Au-delà de 3/4 d’ouverture de la poignée d’accélérateur, jusqu’à son ouverture complète, seul le gicleur détermine la quantité d’essence admise. C’est à ce moment-là que le diamètre du gicleur choisi est la plus importante.
Le carburateur de type compensé ou Zenith comporte deux gicleurs :le gicleur principal dont le débit est proportionnel à la dépression existant dans le diffuseur et le gicleur secondaire, qui en communication à travers un puits avec l’air atmosphérique, compense le débit de façon indépendante de la dépression dans le diffuseur.
La richesse du mélange distribué par le gicleur principal augmente avec le régime tandis que le gicleur secondaire fournit un mélange de plus en plus pauvre. L’augmentation du régime est à l’origine de ce système en car la quantité d’air qui vient se mélanger à l’essence augmente en fonction de ce dernier. L’addition des deux mélanges permet de maintenir relativement constant le ratio air/essence. Le gicleur principal est réglé pour les hauts régimes et le gicleur secondaire pour les bas régimes.
La cuve du gicleur secondaire, à pression atmosphérique, joue le rôle de pompe de reprise. À bas régime, elle reste remplie d’essence. Au moment des reprises, par contre, l’augmentation de la dépression agit davantage sur elle que sur la cuve à niveau constant.
Afin d’enrichir le mélange lors des reprises, beaucoup de carburateurs sont équipés d’une pompe de reprise, dispositif qui ajoute une quantité d’essence proportionnelle à chaque action rapide d’enfoncement de l’accélérateur. La pompe envoie donc une giclée d’essence afin de supprimer ce « trou » à l’accélération. Le gicleur de la pompe possède généralement 5 trous qui s’ouvrent au fur et à mesure. Ce phénomène disparaît avec les carburateurs à membrane.
Sur une pompe de reprise à membrane, la fermeture du papillon détend le ressort de rappel de la membrane et celle-ci, en se retirant, provoque une dépression dans la chambre de la pompe. La soupape de sortie empêche la sortie du carburant, tandis que la soupape d’entrée se lève, permettant ainsi un afflux de carburant suffisant pour remplir rapidement la chambre de la pompe.
L’amplitude de la course de la membrane détermine la quantité d’essence injectée, tandis que la largeur de l’orifice de sortie définit la vitesse de sortie du carburant pompé. L’utilisation d’un ressort octroie davantage de progressivité dans la course du levier de commande de la membrane.
Types de carburateur : Zénith
Le carburateur de type compensé ou Zenith comporte deux gicleurs : le gicleur principal dont le débit est proportionnel à la dépression existant dans le diffuseur ; et le gicleur secondaire qui, en communication à travers un puits avec l’air atmosphérique, compense le débit de façon indépendante de la dépression dans le diffuseur.
La richesse du mélange distribué par le gicleur principal augmente avec le régime tandis que le gicleur secondaire fournit un mélange de plus en plus pauvre. L’augmentation du régime est à l’origine de ce système : la quantité d’air qui vient se mélanger à l’essence augmente en fonction de ce dernier. L’addition des deux mélanges permet de maintenir relativement constant le ratio air/essence. Le gicleur principal est réglé pour les hauts régimes et le gicleur secondaire pour les bas régimes.
La cuve du gicleur secondaire, à pression atmosphérique, joue le rôle de pompe de reprise. À bas régime, elle reste remplie d’essence. Au moment des reprises, par contre, l’augmentation de la dépression agit davantage sur elle que sur la cuve à niveau constant.
Types de carburateur : Weber
Dans le carburateur à air antagoniste Weber, l’injecteur est situé dans la partie inférieure du gicleur et est calibré pour les bas régimes. Le mélange est ainsi enrichi aux hauts régimes. Un courant d’air soufflant transversalement au jet s’oppose au gicleur et empêche l’essence de sortir de l’injecteur. Le gicleur principal est quant à lui perforé par un orifice calibré à sa partie inférieure et par des orifices radiaux dans le reste.
L’essence monte le long du gicleur principal selon le principe des vases communicants, en remplissant également le tube porte-gicleur. Tant que la dépression dans le diffuseur reste faible l’ensemble fonctionne comme le gicleur d’un carburateur normal. Quand elle augmente le niveau d’essence dans le gicleur et dans le porte-gicleur tend à s’abaisser, découvrant successivement les différentes rangées d’orifices.
Plus l’aspiration sera forte, plus les orifices découverts seront nombreux, régulant ainsi le débit du jet d’essence. Cette réduction du débit d’essence permet ainsi de réguler à tout moment le mélange et d’assurer la constance du dosage air-essence.
Revenons au carburateur élémentaire dont la section du diffuseur est fixe. Si, à 2 000 tr/mn, le moteur aspire, par exemple, 1 000 litres d’air à la minute et si, à 4 000 tr/mn, il en aspire le double la vitesse de l’air dans le diffuseur, à 4 000 tr/mn. sera deux fois plus élevée qu’au régime de 2 000 tr/mn.
Types de carburateur: S.U.
Dans les carburateurs S.U., le diffuseur à section variable est commandé par la dépression existant dans le diffuseur. Le piston se soulève lorsque la dépression s’élève, ce qui élargit la buse et maintient à peu près constante la vitesse dans le diffuseur et le gicleur lors des variations de la quantité d’air aspirée par le moteur.
Au ralenti, le papillon est fermé et la dépression est minimale. Le piston descend. la proportion de carburant pulvérisé est faible. En marche normale, le papillonne est grand ouvert. La dépression augmente et commande le mouvement de l’aiguille qui, en remontant, augmente progressivement la section de l’orifice de giclage. À l’accélération, il suffit de disposer d’un frein capable de retarder le mouvement ascensionnel du piston pour augmenter ainsi la vitesse et la dépression dans le diffuseur et au niveau d’un gicleur.
Le rapport air-essence est contrôlé par une aiguille conique, solidaire du piston, qui coulisse dans le gicleur et fait varier la section utile. Sa forme permet d’obtenir pour chaque régime et pour chaque position du papillon, les meilleurs rapports air-essence pour le rendement du moteur.
Classification
- Carburateurs horizontaux : la colonne d’air aspiré est horizontale, tandis que le gicleur est disposé verticalement.
- Carburateurs verticaux : la colonne d’air aspiré est verticale, dirigée vers le haut et coaxiale avec le gicleur.
- Carburateurs inversés : la colonne d’air est verticale et dirigée vers le bas, le gicleur est horizontal, avec un bec terminal dirigé vers le bas.
Pour faire plus facile:
Pour faire plus facile:
Pour obtenir une combustion idéale et ainsi permettre une économie de carburant, le rapport air/carburant se situe autour de 18 pour 1. Ce mélange se nomme,”le dosage stœchiométrique”.
Notez qu’on trouve encore des carburateurs sur les petits moteurs deux temps, que ce soit sur un Scooter ou même encore une tondeuse à gazon. Les petits moteurs quatre temps à prix réduits utilisent encore ce procédé assez basique.
Le carburateur a également un autre rôle, celui de régler le couple moteur et la vitesse.
A ce jour, il existe principalement 3 types de carburateurs : Zénith, Weber et S.U.