Comment le moteur s'est enflammé ? L'histoire oubliée de la bougie et de la magnéto

Le système d'allumage est le sous-système chargé d'enflammer le mélange air-carburant dans le cylindre du moteur à combustion interne après sa compression; sans ce dispositif créant une étincelle contrôlée dans la bougie, le cycle à quatre temps ne peut s'accomplir. La ligne de plus de 150 ans qui s'étend du moteur d'Étienne Lenoir en 1860 aux dispositifs coil-on-plug d'aujourd'hui est en réalité l'histoire de la résolution d'un problème unique: produire une étincelle au bon moment, avec une tension suffisante, de manière fiable.

Un moteur né avec le problème de l'étincelle: Les premières bougies et Lenoir

Le premier exemple de moteur à pistons à combustion interne apportait avec lui, dès avant sa naissance, le problème de l'allumage. En 1860, Étienne Lenoir utilisa une bougie d'allumage électrique dans son moteur à gaz qui portait son nom, et on lui attribue généralement l'invention de la bougie. Le système était sur le principe étonnamment semblable à celui d'aujourd'hui: l'électricité haute tension sautait dans l'espace d'air entre les électrodes de la bougie, produisant une étincelle. Le concept de la bougie, c'est-à-dire l'allumage par étincelle, n'a jamais changé; le principe de fonctionnement fondamental est le même depuis plus de 150 ans.

Sur le chemin de la maturité commerciale de la bougie, un second nom se détache: Frederick Richard Simms. Simms était titulaire du brevet GB 24859/1898 relatif à une magnéto pour moteurs à combustion interne et est reconnu comme l'inventeur de la première bougie haute tension commercialement viable. Ce n'était pas un hasard s'il commença la même année sa collaboration avec Bosch; pour que la bougie fonctionne, il fallait derrière elle une source haute tension fiable, et cette source allait se trouver dans la magnéto.

L'attribution de l'invention de la bougie fait encore aujourd'hui l'objet de débats. Bien que Lenoir soit le nom généralement accepté, il existe aussi des registres indiquant que la bougie électrique fut inventée par Oliver Lodge; le nom d'Edmond Berger est également mentionné. Quant à l'origine de l'allumage à décharge capacitive (CDI), elle remonte aux années 1890 et aux travaux de Nikola Tesla. Comme dans la plupart des domaines de l'histoire de l'ingénierie, il est plus juste ici de parler de plusieurs contributions mutuellement enrichissantes plutôt que d'un seul nom.

L'ère de la magnéto: L'étincelle sans batterie et l'ascension de Bosch

Dans les premières années de l'automobile, ce que nous entendons aujourd'hui par installation électrique était presque inexistant; transporter une batterie était lourd, coûteux et peu fiable. La magnéto combla ce vide: puisqu'elle produisait elle-même l'électricité par sa rotation, elle fournissait une étincelle sans batterie. Robert Bosch produisit en 1887 le premier dispositif d'allumage magnétique pour moteurs fixes; En 1897, l'allumage à magnéto a commencé à être testé sur des véhicules et la production en série a débuté en 1898. À partir de cette date, Bosch est devenu le seul fabricant véritablement fiable à fournir des allumages à magnéto aux automobiles.

Le saut décisif est arrivé fin 1901. Le directeur technique de Bosch, Gottlob Honold, a développé dans les usines de Stuttgart la première magnéto haute tension du monde ainsi que la bougie d'allumage qui l'accompagnait. Ce duo a éliminé le besoin de batterie de l'automobile et rendu les bougies d'allumage véritablement pratiques. Vers 1902, Bosch a présenté une magnéto à double bobinage avec bougie fixe et rupteur situé à l'extérieur du cylindre. Dans les années précédant 1914, la magnéto Bosch était déterminante sur le marché ; les publications scientifiques de l'époque traitaient aussi en détail les débats sur le choix entre la magnéto et l'allumage par bobine.

La magnéto haute tension est définie comme une combinaison magnéto-transformateur qui envoie des impulsions haute tension à la bougie d'allumage. Elle est aujourd'hui principalement encore utilisée dans les moteurs sans batterie - tondeuses à gazon, tronçonneuses - et dans les avions à pistons modernes. Le fait qu'une technologie ait été retirée de l'automobile tout en restant la norme dans l'aviation est une bonne indication de la solidité de ses fondements.

Les bobines trembler : Le choix de la Model T et de Benz

La magnéto n'était pas la seule voie. La Benz Patent-Motorwagen de 1886 et la Ford Model T de 1908 utilisaient un système appelé bobine trembler. Dans ce dispositif, le bobinage recevait un courant interrompu par un mécanisme rupteur, produisant une étincelle tremblotante et discontinue. Dans la Model T, chaque cylindre des quatre disposait de sa propre bobine trembler ; c'était une solution simple, facile à réparer et pouvant fonctionner sur batterie. En observant les véhicules de l'époque, on distingue deux grandes écoles : le camp de la magnéto sans batterie et le camp de la bobine trembler. La réponse à la question de savoir lequel a gagné s'est précisée avec le développement présenté dans la section suivante.

Le système Kettering : Pourquoi le distributeur a-t-il suffi pendant un demi-siècle ?

Charles F. Kettering a développé vers 1910 le système d'allumage par batterie et bobine - le dispositif connu sous le nom de système Delco. Le système se composait de quatre composants principaux : la bobine d'allumage, les contacts rupteurs (breaker points), le condensateur et le distributeur. Une seule bobine élevait la basse tension en haute tension, et la tension était dirigée vers la bonne bougie d'allumage par le bras rotatif à l'intérieur du distributeur. Le système a été introduit pour la première fois en 1912 sur les automobiles Cadillac ; bien que les sources citent différemment 1910, 1911 et 1912 comme année de développement, l'entrée de la Cadillac de 1912 constitue l'historique le plus cohérent et marque aussi la première utilisation des systèmes à distributeur en 1912.

La raison de la victoire du système Kettering n'est pas l'élégance de l'ingénierie, mais son faible coût et sa relative simplicité. Ces deux caractéristiques en ont fait, pendant de longues années, le système d'allumage principal de l'industrie automobile. À partir de la Cadillac Model Thirty de 1912, les dispositifs à distributeur à points sont restés le système principal de la majorité des automobiles jusqu'au milieu des années 1970.

La limite du système était d'emblée évidente. Le mécanisme mécanique pouvait produire environ 10 000 volts dans la bougie ; la flexibilité était limitée face aux variations de charge et de régime. Les points de contact étaient exposés à l'usure mécanique, à l'oxydation et à la brûlure causée par l'étincelle sur les surfaces de contact ; ils exigeaient un réglage régulier et pouvaient provoquer des étincelles inefficaces. Autrement dit, le système fonctionnait mais son plafond était bas d'un point de vue ingénierie - et ce plafond a ouvert la porte de l'allumage électronique.

Des points aux transistors : Le passage à l'allumage électronique

La transition a commencé plus tôt qu'on ne le pense. La première tentative d'allumage électronique, un dispositif à cathode froide, fut testée par Delco-Remy en 1948. Lucas a introduit l'allumage à transistors en 1955 et ce système fut utilisé en 1962 sur les moteurs de Formule 1 BRM et Coventry Climax - la nouvelle technologie, comme toujours, s'est d'abord infiltrée depuis la piste de course. le parcours vers la production de série s'est déroulé ainsi :

• 1963 : Pontiac est devenu le premier constructeur automobile à proposer l'allumage électronique en option (Delcotronic) ; la même année, Hyland Electronics a produit le premier allumage à décharge capacitive SCR entièrement à l'état solide commercial.
• 1964-65 : Ford a réalisé des tests de flotte et a commencé à proposer l'allumage électronique en option sur certains modèles ; côté aftermarket, la Prest-O-Lite CD-65 (avec 50 000 milles de garantie) et la Delta Mark 10 sont arrivées sur le marché.
• 1967-68 : Motorola a introduit le système CD sans rupteur ; la Fiat Dino est devenue la première voiture de production de série équipée de série avec l'allumage électronique.
• 1971-75 : la Jaguar XJ Series 1 a suivi, puis la chaîne Chrysler, Ford et GM ; le système HEI de GM a été introduit fin 1974 sur certains véhicules.

Au milieu des années 1970, lorsque les points de contact ont commencé à être remplacés par des transistors, la tension d'allumage est montée à environ 20 kV - le doublement du plafond de 10 000 volts du système Kettering. Le distributeur lui-même a encore vécu un certain temps ; il a poursuivi sa mission de distribution, mais le calage n'était plus déterminé par des masses mécaniques mais par des cerveaux électroniques. Les distributeurs ont été largement remplacés dans les années 1980 et 1990 par des systèmes d'allumage électronique ; le dispositif contrôlé par ordinateur offrait un calage plus précis et beaucoup moins d'entretien.

La retraite du distributeur : Coil-on-Plug et allumage direct

La disparition de la logique de distribution a commencé au milieu des années 1980. GM a commencé à supprimer le distributeur et la bobine unique pour passer à des blocs de bobines multiples alimentant chacun seulement deux cylindres ; dans ce dispositif, la tension pouvait monter jusqu'à 100 000 volts. La configuration gérant deux cylindres avec une seule bobine, connue sous le nom d'étincelle perdue (wasted spark), est devenue l'une des premières formes pratiques d'allumage sans distributeur. Le système de Nissan nommé NDIS (Nissan Direct Ignition System) a été vu pour la première fois en 1985 sur les moteurs RB20DET NICS et CA18DE NICS.

À partir des années 1990, les dispositifs coil-on-plug se sont généralisés : chaque bougie est directement surmontée d'une bobine, les câbles haute tension et le rotor du distributeur disparaissent totalement. DENSO, en développant en 1996 la première bobine d'allumage compacte de type stick du secteur automobile, a défini la configuration des culasses actuelles. Dans le moteur moderne, l'ECU commande diverses fonctions moteur, de l'allumage à l'injection de carburant, avec un seul appareil - une architecture à l'opposé des systèmes distincts des époques précédentes. L'allumage n'est plus un sous-système indépendant, mais un sous-ensemble de la gestion du moteur.

Où en est le système d'allumage aujourd'hui ? Limites et débats

Autant que l'identité de l'inventeur de la bougie, le débat points-électronique dans le monde des véhicules classiques garde toute sa vivacité. Sur le plan technique, c'est clair : les points de contact s'usent, exigent un réglage et peuvent produire une étincelle inefficace. En revanche, parmi les propriétaires de véhicules classiques, l'idée qu« un allumage électronique ordinaire n'apporte rien par rapport à des points bien entretenus » est répandue et s'avère parfois justifiée en pratique ; il est vrai aussi que le coût de réparation des composants électroniques peut être plus élevé. Comme l'écart entre les sources concernant l'année de développement du système Kettering, ce désaccord naît moins de la définition de la mesure que du contexte d'utilisation : l'usage quotidien et l'originalité de niveau concours sont des exigences différentes.

Du côté de l'avenir, les évaluations de 2013 prévoyaient que l'allumage par étincelle resterait encore dominant face à l'allumage par compression pendant un certain temps. Les moteurs HCCI (allumage par compression homogène) peuvent fonctionner à l'essence et basculer entre deux modes d'allumage selon les conditions de conduite, approchant le rendement du diesel ; cela reste aujourd'hui largement un cadre théorique. Sur le marché des véhicules classiques, des distributeurs modernes à microprocesseur et Bluetooth comme le 123ignition offrent une fiabilité contemporaine tout en conservant l'apparence Kettering - l'esthétique du passé réconciliée avec l'électronique d'aujourd'hui.

Conclusion : La même étincelle, des architectures changeantes

La courbe de 160 ans de la technologie d'allumage tient en trois chiffres : Les 10 000 volts des montages Kettering, les 20 000 volts de la commutation électronique et les 100 000 volts du coil-on-plug. L'objectif n'a jamais changé ; ce qui a changé, c'est l'architecture produisant et synchronisant l'étincelle, évoluant du mécanique vers le solide. Le chemin menant du magnéto au distributeur, puis du distributeur à la bobine par bougie, est une réduction fidèle de l'histoire générale de l'ingénierie automobile : moins de pièces d'usure, plus de contrôle, plus haute tension.

Sources

• Ignition system
• Spark plug
• Ignition magneto
• 1886-1905 : Du premier atelier à l'usine
• Bosch Automotive - Une histoire de produits
• Comment le dispositif d'allumage par magnéto de Bosch a rendu les bougies d'allumage possibles
• L'évolution de l'allumage
• DENSO souligne l'évolution de la bobine d'allumage
• Des vis platinées à la précision : un siècle de systèmes d'allumage
• Allumage électronique
• Allumage par magnéto ou par bobine pour automobiles
• Frederick Richard Simms
• Étienne Lenoir
• Comprendre les distributeurs d'allumage électronique
• Vis platinées ou électronique dans les voitures anciennes