Rapport Injecteur PDF
Rapport Injecteur PDF
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Remerciements :
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Contexte du projet :
Depuis 2007, l’IUP Génie des Systèmes Industriels participe à la compétition
annuelle et européenne de l’Eco Marathon Shell. Grâce à l’équipe pédagogique de l’école
d’ingénieurs Polytechnique Clermont-Ferrand (CUST) nous possédons un véhicule
prototype. Ce véhicule demande cependant un certain nombre d’améliorations (comme la
gestion de la gestion du carburant qui est le but de ce projet) pour pouvoir envisager des
performances raisonnables.
Ayant participé à l’édition 2007 en tant que pilote de l’équipe de l’IUP, j’ai choisit ce
sujet d’étude car il s’agit d’un projet qui à mon sens représente une formidable promotion
pour notre école qui reste malheureusement méconnue. Il est donc primordial pour moi que
ce projet soit mené à son terme. Il présente également le formidable intérêt de toucher de
très prés à la compétition automobile.
Ce projet n’est pas partit de zéro. En effet, depuis le début de l’aventure, 2 équipes
de projet se sont succédées sur des thèmes similaires. La 1ère équipe (de Mater 2ème année)
devait réaliser un système d’injection pour faire fonctionner le véhicule avec du carburant
GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié). Quant à la 2ème équipe (composée de 2 étudiants de Licence)
leur travail était axé sur l’acquisition et le traitement du signal issu du capteur de position
installé sur le moteur.
3) Phases de tests:
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Sommaire :
1. L’Eco Marathon Shell : ........................................................................................ 4
1.1. Qu’est-ce que l’Eco Marathon Shell ? ....................................................................4
1.2. Historique :..............................................................................................................4
1.3. Les règles : .............................................................................................................5
2. Le moteur à explosion : ...................................................................................... 7
2.1. Généralités : ...........................................................................................................7
2.2. Le moteur 4 temps : ................................................................................................9
2.2.1. Étude thermodynamique ....................................................................... 9
2.2.2. Les soupapes...................................................................................... 11
2.2.3. La synchronisation des soupapes ....................................................... 11
2.3. La carburation : .....................................................................................................12
2.3.1. Rôle :................................................................................................... 12
2.3.2. Le dosage : ......................................................................................... 12
2.3.3. L’homogénéité :................................................................................... 13
2.3.4. L’automaticité : .................................................................................... 13
2.4. Qu’est-ce que l’injection ? .....................................................................................13
2.4.1. Qu’est-ce qu’un injecteur ? :................................................................ 13
2.5. Types d’injection : .................................................................................................14
2.5.1. Mono point : ........................................................................................ 15
2.5.2. Multipoint :........................................................................................... 16
2.5.3. En résumé :......................................................................................... 18
3. Problématique : ................................................................................................. 20
3.1. Mise au point d’un cahier des charges : ................................................................20
3.2. Définition des grandeurs d’entrée/sortie : ..............................................................20
3.3. Choix technologiques :..........................................................................................22
3.3.1. La gestion de l’injection :..................................................................... 22
3.3.2. Les capteurs :...................................................................................... 23
3.3.3. L’injecteur :.......................................................................................... 24
4. Réalisation :....................................................................................................... 24
4.1. Electronique :........................................................................................................24
4.1.1. Carte acquisition et traitement du signal capteur : .............................. 25
4.1.2. Carte microcontrôleur :........................................................................ 26
4.1.3. Alimentation de l’injecteur : ................................................................. 28
4.2. Informatique :........................................................................................................29
4.2.1. Programmation PIC :........................................................................... 29
4.2.2. Réalisation d’un soft de diagnostique moteur :.................................... 33
4.3. Mécanique : ..........................................................................................................34
5. Avancement du projet :...................................................................................... 37
5.1. Diagramme prévisionnel et effectif du projet : .......................................................38
6. Bilan et évolutions nécessaires : ....................................................................... 39
Conclusion................................................................................................................ 40
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Asservissement d’un injecteur
L’Eco Marathon Shell est une compétition automobile annuelle organisée par la
société pétrolière Shell. Cette compétition est réservée aux étudiants de tous niveaux (du
collège aux grandes écoles). Le but de cette compétition est de réaliser le plus grand
nombre de kilomètres avec 1 litre d’essence.
1.2. Historique :
Ainsi, dès la création du Shell Eco-Marathon, la société SHELL s'est impliquée dans
la recherche d'innovation en recherchant des technologies de basse consommation
d'énergie pour pallier aux problèmes de l'environnement tel que la pollution et l'économie
d'énergie. De plus, pour développer des applications commerciales des énergies
renouvelables, SHELL a créé " Shell Renewables " en 1997.
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Asservissement d’un injecteur
Pour ce faire, chaque équipe conçoit et réalise un véhicule dont les caractéristiques
dépendent d’une part de la classe dans laquelle celui-ci court mais également du type
d’énergie employé pour le faire fonctionner.
- L’essence
- Le diesel
- Le GPL
- Energies alternatives (énergies non fossiles) : hydrogène, éolien, solaire ou
biomasse
Après avoir passé le contrôle technique et celui de sécurité, le véhicule est autorisé
à faire ses essais libres et, pendant le week-end, ses 4 tentatives officielles.
Lors des tentatives qualificatives, le pilote doit effectuer 7 tours du circuit Paul
Armagnac correspondant à une distance de 25.272 km (3.636 km par tour, diminués de la
distance entre les lignes d'arrivée et de départ) en moins de 50 minutes et 34 secondes, soit
une vitesse moyenne minimale de 30km/h.
A tout moment, le stand peut communiquer avec le pilote par liaison radio (en
respectant la législation française et en ne perturbant pas les liaisons radio de l'Organisation)
pour donner des informations telles que le nombre de tours restant, la durée écoulée, ...
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Règles de conduite
Pour la course :
- Seuls les véhicules possédant les 2 autocollants remis après les contrôles
techniques et de sécurité peuvent accéder à la piste.
- Les concurrents doivent être libres de dépasser tout autre véhicule : le véhicule se
faisant dépasser doit utiliser son rétroviseur et ne pas changer de trajectoire brusquement et
le véhicule doublant doit utiliser son avertisseur sonore avant le dépassement.
- Aucun arrêt volontaire sur la piste n'est autorisé, en cas d'arrêt sur la piste le
véhicule doit être stoppé et freiné.
- Un véhicule immobile lors d'une de ses tentatives dont :
Le moteur est tournant, peut repartir dans les 30 secondes suivant son arrêt sinon
sa tentative est annulée et son véhicule est pris en charge par la sécurité et retourne aux
stands
Le moteur est calé et non tournant, se voit annuler sa tentative, est pris en charge
par la sécurité et retourne aux stands
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2. Le moteur à explosion :
2.1. Généralités :
Le terme moteur à explosion, consacré par l'usage est impropre car il ne rend pas
compte de tous les phénomènes se produisant dans ces moteurs, pour lesquels la
dénomination à combustion interne est nettement plus adéquate.
A noter qu'il a existé des moteurs sans soupapes, celles-ci étant remplacées par
des chemises mobiles dites "louvoyantes" découvrant des lumières (cf. Annexe 2 : Moteur 2
temps). Ce principe a été utilisé avec succès (excellente fiabilité, très bon rendement, silence
de fonctionnement) sur les moteurs d'avion Bristol qui furent construits sous licence par la
SNECMA jusque dans les années 70 pour l'équipent des avions de transport militaire
Noratlas.
Le moteur que nous utilisons sur le véhicule est GX31 de la marque HONDA. Il
s’agit d’un moteur monocylindre de 31cm3 à 4 temps.
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1. CAME: (Rouge)
Monté sur un arbre, cette pièce non circulaire
sert à transformer un mouvement rotatif en
mouvement de poussé.
2. SOUPAPE: (Orange)
Obturateur mobile maintenu en position fermée
par un ressort. Elle s'ouvre momentanément
sous la pression de la came.
3. BOUGIE: (Jaune)
Elle fait jaillir une étincelle qui met le feu au
mélange air/essence, créant un explosion.
4. PISTON: (Bleu)
Pièce cylindrique mobile, qui sert à comprimer
les gaz en vue d'une explosion, et qui après
l'explosion transforme un énergie thermique
en énergie mécanique.
5. BIELLE: (Turquoise)
Tige rigide, articulée à ses deux extrémités.
Elle transforme un mouvement linéaire en mouvement rotatif.
6. VILEBREQUIN: (Vert)
Arbre articulé en plusieurs paliers excentrés.
Transmet indirectement l'énergie mécanique à la boîte.
7. DISTRIBUTION: (Violet)
Mécanisme de régulation d'entré et de sortie des gaz à
travers la chambre de combustion. Créant un parfaite
coordination entre les arbre à came et le vilebrequin.
Figure 1 : Le moteur à explosion
8. CHAMBRE DE COMBUSTION: (Gris)
Chambre hermétique où est injecté le mélange air/essence
pour y être comprimé, enflammé, et créer un énergie mécanique.
9. LUBRIFICATION: (Marron)
Les pièces situées sous le piston baignent dans l'huile.
Cette huile n'est jamais en contact avec le dessus du piston.
Elle lubrifie: Vilebrequin, Bielle, Piston, et parfois c'est la même qui lubrifie la boîte de
vitesse. (A la différence des 2 temps, ou la boite est séparée du moteur.)
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Asservissement d’un injecteur
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Description :
Ce cycle est caractérisé par quatre temps ou mouvements linéaires du piston :
1) Admission
2) Compression
3) Combustion et détente
4) Échappement
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1) Le cycle commence à un Point Mort Haut, quand le piston est à son point le plus élevé
Point Mort Haut). Pendant le premier temps le piston descend (admission), un mélange d'air
et de carburant est aspiré dans le cylindre via la soupape d'admission (à une pression de
-0,1 à -0,3 bar).
3) Le mélange air-carburant est alors enflammé, habituellement par une bougie d'allumage,
aux environs du deuxième point mort haut (remontée complète du piston).L'expansion des
gaz portés à haute température (et à une pression moyenne de 40 bars) lors de la
combustion force le piston à descendre pour le troisième temps (détente). Ce mouvement
est le seul temps moteur (produisant de l'énergie directement utilisable).
4) Lors du quatrième et dernier temps (l'échappement) les gaz brulés sont évacués du
cylindre via la soupape d'échappement poussés par la remontée du piston.
Les soupapes sont actionnées par un arbre à cames. C'est un axe comportant des
bossages de forme oblongue appelés cames. L'arbre à cames entraîné par l'arbre moteur ou
vilebrequin, est relié à ce dernier par une liaison sans glissement (pignon, chaîne, courroie
dentée divisant par deux la vitesse de rotation (deux tours de l'arbre moteur = un tour d'arbre
à cames).
Les cames sont en liaison avec les soupapes qu'elles poussent par l'intermédiaire
de poussoirs ou de culbuteurs, les faisant s'ouvrir au moment opportun. Les soupapes sont
munies de ressorts qui les referment lorsque les cames les libèrent.
Les illustrations montrent un moteur avec deux arbres à cames en tête (les arbres à
cames sont au-dessus du cylindre).Une soupape est composée de 3 parties: la tête, la tige,
et le collet.
Pour la grande majorité des moteurs à quatre temps, les soupapes sont fermées par
le rappel de ressorts. À mesure que la vitesse de rotation du moteur augmente, le temps mis
par le ressort pour refermer la soupape ne peut plus être négligé, ce qui affecte la
synchronisation et les performances du moteur.
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L'inconvénient du système est sa complexité et, donc son coût accru. Un fabricant
employant ce système est Ducati, pour certains de ses moteurs de moto.
2.3. La carburation :
2.3.1. Rôle :
2.3.2. Le dosage :
En théorie: On estime qu'il faut brûler une proportion air / essence de 14,7g / 1g.
En pratique: Pour obtenir une combustion aussi complète que possible et donc une
économie de carburant, on brûle une proportion air / essence d'environ 18g / 1g.
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Mélange riche: Si on à une proportion de - 18g / 1g. Il n'y a pas assez d'air pour
brûler l'essence, les imbrûlés se traduiront par une fumée noire à l'échappement et par une
consommation excessive. A l'extrême, le moteur risque de caller.
2.3.3. L’homogénéité :
Le mélange gazeux résultant de l'air et de l'essence vaporisé doit être parfait. Son
dosage doit être le même en tous points de la veine gazeuse.
2.3.4. L’automaticité :
Elle permet une régulation du dosage quelque soit le régime. En effet, plus le
régime augmente et plus l'essence se laisse facilement aspirer par rapport à l'air. On risque
donc d'avoir un mélange trop riche. Pour remédier à cela on utilise des dispositifs
d'automaticité comme une arrivée d'air additionnel ou une régulation du débit d'essence
comme le carburateur (cf. Annexe 3 : Le carburateur) ou bien évidemment un système
d’injection.
Injecteur: Dispositif assurant l'arrivée directe du carburant dans les cylindres d'un
moteur, sans l'intermédiaire d'un carburateur.
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1) Filtre à essence
2) Connexion électrique
3) Enroulement magnétique
4) Noyau magnétique
5) Aiguille
Figure 4 : L’injecteur
De plus, une essence injectée donne un mélange carburé beaucoup plus homogène
que par un carburateur. Il en résulte donc une meilleure combustion. Donc on consomme
moins d'essence à rendement égal, où on obtient plus de performance pour un volume égal
d'essence.
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Asservissement d’un injecteur
L'injection mono point est une injection commandée électroniquement. Il n'y a qu'un
seul injecteur qui prend place dans le boîtier papillon à la place du carburateur. Ce système
d'injection est assez précis mais trop éloigné du cylindre, il tend donc à disparaître.
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2.5.2. Multipoint :
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Directe :
L'injection directe est une technologie utilisée dans les moteurs à combustion
interne. Elle consiste à diffuser le carburant directement dans la chambre de combustion
plutôt qu'en amont dans la tubulure d'admission pour les moteurs à allumage commandé, ou
dans une préchambre pour les moteurs diesel.
L'injection directe est apparue en grande série tout d'abord sur les moteurs diesel.
Elle est aujourd'hui très répandue sur ce type de motorisation.
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Indirecte :
Système qui injecte le carburant vaporisé dans la tubulure d'admission ou dans une
chambre de précombustion. Le carburant se mélange à l'air avant d'être admis dans la
chambre de combustion. On parle également de "carburation externe".
2.5.3. En résumé :
Pour conclure sur le fonctionnement global d’un moteur à injection, il est intéressant
de faire un petit récapitulatif grâce au schéma suivant (figure 10).
Chaine d’injection
minimale
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Asservissement d’un injecteur
On peut également faire un état des lieux sur le moteur dont nous disposons. Il
s’agit d’un moteur GX31 (monocylindre de 31 cm3) de marque HONDA fonctionnant en 4
temps. Nous nous baserons donc sur le principe d’une injection indirecte car l’architecture de
ce moteur ne nous permettra pas d’utiliser un autre principe sans avoir d’énormes
modifications à réaliser.
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Asservissement d’un injecteur
3. Problématique :
3.1. Mise au point d’un cahier des charges :
Lorsque j’ai pris en main ce projet, il m’a fallu dans un premier temps établir un
cahier des charges précis du système d’injection. Il a été assez compliqué de mettre en
évidence les grandeurs d’entrée et de sortie du système. L’aide des enseignants a été d’un
très grand secours pour débuter ce projet.
Pour commencer la rédaction du cahier des charges, il fallait déjà avoir une idée
précise du type de capteurs que nous allions employer ainsi que leur nombre (déterminant
donc le nombre d’entrées et le type de ces entrées).
Malheureusement, étant le seul étudiant sur ce projet très conséquent, il m’a fallu
faire des choix restrictifs. En effet, j’ai opté pour un système évolutif bas niveau. Je compte
donc réaliser le système minimal qui permettra de faire fonctionner le moteur tout en
permettant d’augmenter ou de diminuer le temps d’injection et par conséquent la richesse
manuellement. Pour l’instant, le retour d’information fournit par la sonde lambda est donc mis
entre parenthèse. Notre moteur fonctionnera alors en boucle ouverte (dans un premier
temps). Toujours dans un premier temps, l’injection se fera à chaque tour. L’allumage
commandé ne se fera également pas dans cette étude car il s’agit d’un vaste sujet à part
entière.
Mon but est donc de réaliser un boitier d’injection simple, efficace et surtout
réutilisable par mes successeurs.
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Asservissement d’un injecteur
Par la suite il a fallu identifier et isoler le système afin d’en définir les grandeurs
d’entrée et de sortie. Cette étape a été cruciale pour la suite du projet car elle a conditionné
la totalité des choix technologiques.
Sur ce diagramme (figure 13) on peut observer que la fonction principale FP1 du
boitier sera de piloter l’injecteur à partir du capteur. La fonction de contrainte numéro 1 (FC1)
imposera au système une maintenance aisée. Avec la FC2, l’injecteur et le boitier seront
obligatoirement alimentés par la batterie (les règles du Marathon Shell étant l’obligation de
n’utiliser qu’une batterie). La fonction de contrainte 3 (FC3) sera la modification du temps
d’ouverture de l’injecteur en fonction du papillon d’air.
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Pour pouvoir gérer le temps d’ouverture ainsi que le moment de l’ouverture, il y avait
plusieurs possibilités. Il aurait été envisageable d’utiliser un montage électronique
(analogique) qui aurait permit de gérer l’injection. Cependant, dans un souci de souplesse et
surtout de possibilités d’amélioration, mon choix c’est tourné vers l’utilisation d’un
microcontrôleur.
J’ai donc opté pour un PIC 18F4550 qui intègre de nombreuses fonctionnalités qui
m’ont paru très intéressantes.
La solution alternative que j’ai choisi permet d’une part une interchangeabilité très
intéressante pour ce genre d’application. Si pour quelque raison que se soit le composant
venait à « griller » il serait très simple de le changer (il suffit de le retirer et d’en placer un
nouveau).
Figure 14 : Le 18F4550
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Asservissement d’un injecteur
Le choix des capteurs a également été primordial pour la suite des événements.
J’ai choisi dans un premier temps de réutiliser le capteur inductif déjà présent sur le
véhicule. Par contre, au lieu d’utiliser les 30 dents présentes sur le volant moteur (voir figure
15 schéma de droite), j’ai opté pour n’en utiliser qu’une placée au point mort haut (voir figure
15 photo de gauche). Il serait donc possible de connaitre le régime moteur (laps de temps
entre 2 tours) ainsi que par conséquent le moment ou l’injecteur devrait s’ouvrir.
Vis détectable
par le capteur
Capteur
inductif
Pour détecter la quantité d’air absorbée par le moteur, j’ai décidé d’utiliser un
potentiomètre monté sur le papillon d’admission d’air (cf. chapitre 4.3)
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Asservissement d’un injecteur
3.3.3. L’injecteur :
Nous allons réaliser une injection mono point du type indirect (cf. 2.6.2). L’injecteur
qui a été choisi est un modèle BOSCH (figure 16) spécialement étudié pour l’Eco Marathon
Shell. Il a le grand avantage d’avoir été développé pour des moteurs de petite cylindrée
(comme le GX31 que nous utilisons). Les caractéristiques détaillées de l’injecteur se trouvent
Annexe 4.
4. Réalisation :
4.1. Electronique :
Pour mener à bien ce projet, il m’a fallu réaliser une chaine de traitement de
données. En effet, cette chaine se compose de 3 fonctions (représentées sur la figure 17) à
savoir :
La première question qui se pose est pourquoi avoir choisi de réaliser le système
d’injection sur 3 cartes différentes plutôt que sur une seule ?
Et bien la raison principale est que si le système venait à évoluer dans les
prochaines années (changement du capteur inductif par exemple), il serait très simple de
changer la carte concernée par un nouveau module. La 2ème raison (plus évidente) est que
de travailler sur plusieurs cartes différentes permet de pouvoir les « débugger » plus
aisément.
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Asservissement d’un injecteur
Comme il a été expliqué précédemment, lorsque le volant du moteur tourne, une vis
placée à la position du Point Mort Haut (cf. 2.3.1) passe devant le capteur inductif. Le signal
sortant de ce capteur n’est pas directement exploitable par le microcontrôleur. Il est donc
nécessaire de traiter et d’amplifier ce signal pour le rendre exploitable par le PIC.
Cette carte a fait l’objet d’un projet de Licence (en 2006/2007). Les étudiants ayant
travaillé sur ce sujet ont donc réalisé un schéma de cette carte. Il m’a cependant été
nécessaire de reprendre ce schéma afin d’y ajouter quelques résistances pour obtenir des
tensions bien précises. Il m’a également été nécessaire de tracer le circuit imprimé et de
réaliser la carte. Pour plus d’informations sur ce schéma (figure 18), je vous invite à
consulter le rapport des étudiants de Licence « Asservissement d’un injecteur ».
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Asservissement d’un injecteur
Comme il est expliqué dans le rapport des étudiants ayant travaillé sur ce schéma,
la tension VREF doit être comprise entre 1,12V et 1,18V. Il a donc fallu prévoir un pont
diviseur de tension permettant d’obtenir cette valeur. Les résistances R9 et R10 ont donc été
ajoutées (ci-après : les calculs de ces résistances).
V1=5V
V2=1,12V
V2 = R2 1,12 = ( R2 )
V1 R1+R2 5 1000+R2
0,224 = ( R2 )
1000+R2
R2 = 224 = 288 Ω
0,776
V2 = V1 x R2 = 5x 300 = 1,15V
R1+R2 1000+300
Cette carte électronique est le cœur du système d’injection. Pour des questions
pratiques, j’ai choisi d’y intégrer également certaines connectique qui nous permettrons par
la suite d’agir sur le système facilement. Par exemple, j’ai intégré un connecter RJ12
permettant ainsi de pouvoir brancher directement le programmateur de PIC évitant ainsi
d’avoir à enlever le microcontrôleur (ce qui évitera d’avoir à démonter les cartes du boitier et
surtout d’abimer le 4550 en l’enlevant de la carte). J’y ai également ajouté un connecteur
USB qui nous permettra de pouvoir vérifier les valeurs du temps d’injection en branchant le
boitier sur un micro ordinateur.
Comme on peut le remarquer sur la figure 19, j’ai également intégré un régulateur
de tension (LM7805) permettant d’obtenir et de distribuer du 5V (à la carte PIC et à la carte
capteur) à partir du 12V de la batterie du véhicule.
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Pour des raisons de sécurité mais aussi d’amplification du signal, j’ai choisi
d’implanter un CD4050. En effet, le signal sortant du microcontrôleur est de l’ordre de 4,2V.
Or pour que le transistor conduise, il est indispensable que la tension soit de 5V au
minimum. Le 4050 permet de sortir le signal à 5V et en cas de « remontée de courant » en
provenance de la carte de puissance de l’injecteur, il ferra office de fusible.
Tous les autres composants intégrés à cette carte ont été préconisés par le
fabricant de microcontrôleur (à savoir le quartz de 20MHz et les différentes capacités de
découplages).
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Asservissement d’un injecteur
Cette partie est primordiale pour faire fonctionner l’injecteur. Il est en effet
impossible d’ouvrir l’injecteur directement avec le signal de sortie du PIC. Ceci est dû au fait
que l’injecteur soit un dipôle (contenant une résistance interne et une bobine cf. 2.5.1) se
commandant avec une tension de 12V. Il est donc nécessaire de mettre au point une carte
électronique de puissance permettant de piloter cet injecteur. On connait dors et déjà ses
caractéristiques (cf. annexe 5 : caractéristiques de l’injecteur). On sait que sa résistance
interne est de 14,5 Ω et que son inductance est de 15mH. Pour activer son ouverture il est
donc nécessaire de passer par un transistor commandé en tension car les sorties du
microcontrôleur sont des sorties logiques (0 et 5V). Lorsque le PIC enverra un signal logique
0 (0V), le transistor restera bloqué empêchant ainsi l’injecteur de s’ouvrir. Lors d’un envoi de
signal logique 1 (5V), le transistor sera saturé et provoquera l’ouverture de l’injecteur.
Comme on peut le remarquer sur la figure 21, le transistor pilote la masse de l’injecteur.
Figure 20 : Le BUZZ11A
Injecteur
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Asservissement d’un injecteur
4.2. Informatique :
4.2.1. Programmation PIC :
Le 18F4550 a aussi une particularité non négligeable : il est capable de gérer les
connections USB (Universal Serial Bus ou Bus Série Universel en français). Cette
fonctionnalité était en effet très intéressante car je comptais réaliser un soft qui permettrait
d’afficher sur un ordinateur les différentes courbes inhérentes au moteur à savoir le régime,
le pourcentage d’ouverture du papillon d’arrivée d’air (et donc la quantité d’air admise), le
temps d’injection (temps d’ouverture de l’injecteur).
Dans un premier temps, j’ai réalisé un programme très basique. Cet algorithme avait
pour but de commander l’ouverture de l’injecteur à chaque tour et ceci pendant une durée
fixée. En effet, si l’on observe les temps du moteur que nous utilisons sur le véhicule de l’Eco
Marathon Shell (à savoir un HONDA GX 31) sur la figure 22 on s’aperçoit que sur un tour de
moteur (en phase d’admission) la soupape commence à s’ouvrir vers 10° et se referme
totalement à 210°. La soupape est donc totalement o uverte pendant 50° de 80° à 130°.
L’échappement se fait donc le tour suivant pendant 210°. L’injection devra donc se
faire idéalement lorsque la soupape d’admission sera totalement ouverte. Il a également été
nécessaire de faire des relevés de vitesses de rotation du moteur avec un tachymètre. J’ai
ainsi pu relever que le moteur démarrait à 700 tours/minute. Après d’autres relevés j’ai pu
me rendre compte que le moteur tourne 1800 trs/min au ralenti et que sa vitesse de rotation
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Asservissement d’un injecteur
maximale est de 7500 trs/min. Il est nécessaire de connaître la plage de fréquence des
impulsions envoyées au calculateur. Sachant que dans notre cas le moteur enverra une
impulsion par tour :
f= 1 = 1 = 125Hz
T 0,008
f= 1 = 1 = 11,66Hz
T 0,08576
La plage de fréquence du moteur est donc comprise entre 11,66 Hertz et 125 Hertz.
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Asservissement d’un injecteur
nous avons réduit le nombre de dents du volant à une seule dent. J’ai choisi cette solution
plus simpliste car si on augmente le nombre de dents, on augmente également le nombre
d’informations envoyées au PIC, d’autant qu’une dent peut suffire à piloter l’injecteur au bon
moment. Après de nombreuses recherches infructueuses sur les lois d’injection, nous
sommes parti du principe que les paramètres d’injection ne changeaient pas c'est-à-dire que
le temps d’injection resterait le même du au fait que nous ferrions tourner le moteur au
couple maximum c'est-à-dire entre 4000 et 5000 tours/minute. La figure 23 représente les
courbes puissance/régime et couple/régime.
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Lorsque la vis va passer devant le capteur inductif et donc que le point mort haut
sera atteint (cf. figure 25), le PIC va alors entrer dans la phase d’injection. S’en suivra la
lecture du potentiomètre de réglage du temps d’injection ainsi que l’envoi de la commande
d’ouverture sur la carte de puissance de l’injecteur (cf. figure 25) et cela pendant un temps
fixé par le potentiomètre (plage de réglage du temps d’injection comprise entre 0 et 8,5 ms).
J’ai choisi de prendre comme valeur maximale 8,5 ms car cela correspond au temps entre 2
tours à un régime de 7000 trs/min.
Après cela, il est nécessaire de refermer l’injecteur (en effet après le délai
d’injection, il faut envoyer une commande de fermeture sinon l’injecteur restera ouvert).
Après cette opération, on envoie la valeur du potentiomètre sur le port USB permettant ainsi
dans les phases de réglage de connaitre précisément les temps d’injection (le programme en
C commenté et expliqué se trouve Annexe 7).
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Lorsque j’ai débuté ce projet, j’ai pensé qu’il serait intéressant de pouvoir connecter
le boitier d’injection sur un ordinateur (via un port USB) afin de récupérer des informations
qui pourraient servir à un réglage optimal des paramètres de l’injection.
La particularité de ce port USB est que l’ordinateur le reconnait en temps que port
série (COM).
Coté logiciel, j’ai choisi d’utiliser Matlab. Le programme que j’ai réalisé permet de
choisir le nombre de points de capture de données et d’en afficher les courbes (approximées
par la méthode des splines cubiques qui permettent un « lissage » de ces courbes).
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Sur les figures 27, on peut s’apercevoir que la valeur du potentiomètre oscille entre
5350 et 5550 µs. L’erreur que cette oscillation engendre peut donc être estimée à 5%, ce qui
est assez raisonnable. Le problème qui a été assez compliqué à résoudre a été que le PIC
envoie via le port USB des codes ASCII. Il fallait donc que le logiciel ouvre le port désiré,
qu’il reçoive les données, qu’il transforme chaque caractère ASCII en chiffre, qu’il ferme le
port et qu’enfin il affiche les données sur un graphe. Vous trouverez le programme Matlab
entièrement commenté Annexe 11.
4.3. Mécanique :
Pour ce faire, il est nécessaire que l’air et l’essence puissent se mélanger. Il fallait
donc réaliser une pièce qui permettrait d’une part de supporter l’injecteur et d’autre part de
pouvoir contrôler l’arriver d’air et pourquoi pas de pouvoir quantifier l’air apporté au moteur.
J’ai donc décidé d’implanter un potentiomètre qui renverrait l’angle d’ouverture du papillon
d’arrivée d’air.
Comme on peut le voir sur la figure 28, l’injecteur est monté à 30°. Ce choix n’a pas
été fait au hasard. En effet, pour accroitre l’efficacité d’une injection il est nécessaire que le
point d’injection soit placé au plus près de l’admission tout en maintenant le « brouillard » de
carburant intact. Cela implique qu’il faut éviter que l’essence soit pulvérisée directement
contre une paroi. Le montage à 90° n’était donc pas envisageable. Un autre point important
est que l’injecteur pulvérise un « cône » de carburant de 30°.
Angle de
montage
Angle de
pulvérisation
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Pour régler le débit d’air, nous disposions sur le véhicule d’une commande par
câble. Il était donc intéressant de garder ce dispositif. J’ai donc mis au point un système de
papillon rotatif (que l’on peut voir en violet sur la figure 29). Cette pièce est en fait un cylindre
percé qui lorsqu’il sera actionné par la biellette (en vert) tournera et obturera ou ouvrira le
boisseau d’admission d’air.
Support
potentiomètre
Papillon
Potentiomètre
Biellette
Attache câble
d’accélération
Pour cette fonctionnalité, j’ai intégré un potentiomètre sur l’axe du papillon. Ainsi,
lorsque le papillon sera actionné, l’axe du potentiomètre (en liaison encastrement avec le
papillon) tournera également (voir figure 29) et enverra donc au CAN (Convertisseur
Analogique Numérique) du PIC une tension comprise entre 0 et 5V. Celui-ci ferra donc
évoluer la valeur du temps d’injection en fonction du pourcentage d’ouverture de l’air
optimisant ainsi la richesse du mélange.
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Arrivée
d’essence
Injecteur
Porte injecteur
Réglette de
maintien
Pour que le moteur ne lui transmette pas ses vibrations, l’injecteur doit
impérativement être monté « flottant » (voir figure 30). Son montage est assez compliqué
car il ne possède aucune fixation. Il faut donc qu’il soit prit « en sandwich » entre l’arrivée
d’essence et le porte injecteur (le tout monté pour pouvoir supporter la pression du carburant
qui doit être de 3 Bar). Pour relier l’arrivée d’essence et le porte injecteur, j’ai conçu 2
réglettes avec des trous oblongs permettant ainsi un réglage aisé en longueur.
Sur la figure 31, on peut voir le porte injecteur intégralement monté. Vous trouverez
les dessins de définition Annexe 12.
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
5. Avancement du projet :
Sur la figure 32 on peut observer le boitier d’injection sous sa forme définitive (photo
de gauche) avec en bas à droite la carte PIC, complètement à gauche la carte de commande
de l’injecteur et tout en haut a gauche la carte capteur. La carte qui se trouve en haut à
droite est une carte d’interface permettant de connecter toutes les fonctionnalités.
Sur la photo de droite, on peut observer la pipe d’admission et l’injecteur montés sur
le moteur.
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Réunions
Planning prévisionnel
Planning effectif
Comme on peut le remarquer sur la figure 33, j’ai passé plus de temps que prévu
sur la mise au point du cahier des charges. Il a en effet été assez difficile pour moi au début
de définir les attendus du projet. Après plusieurs réunions avec Messieurs ALIZON,
MARMOITON, DUMAS et BERRY, il a été possible de commencer concrètement le projet.
La programmation du microcontrôleur a pris également du temps. Après avoir
finalisé et testé l’électronique sur des platines d’essai, j’ai donc fait « tirer » les cartes
définitives par Mr BEAUNE. Il m’a également fallu concevoir la pipe d’admission et la faire
usiner par les techniciens de l’atelier.
On pourra noter également que je n’ai pas intégré dans ce diagramme le grand
nombre d’heures passées à l’élaboration de ce projet en dehors des créneaux attribués.
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Une autre évolution qui pourrait améliorer le rendement du moteur serait de mettre
en place un système d’allumage commandé. En effet, un tel dispositif permettrait en fonction
du régime moteur d’avancer le moment où l’étincelle se produit améliorant ainsi les
performances du moteur.
L’implantation d’une mémoire EPROM ou flash (du type carte SD par exemple)
permettrait d’enregistrer les données moteur en condition de course. Ceci permettrait donc
d’avoir un réel historique du fonctionnement du moteur et ainsi ouvrirait de nouvelles
perspectives de réglages encore plus fins.
Il pourrait également être très intéressant d’intégrer une transmission radio a notre
prototype. Il serait donc possible pendant les essais sur piste de connaitre exactement les
paramètres d’injection et pourquoi pas de les modifier à distance.
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Asservissement d’un injecteur
Conclusion
Le fait que ce projet touche de très près la compétition automobile a été d’un réel
intérêt pour moi. Il m’a également permit de comprendre réellement le fonctionnement de la
gestion électronique d’un moteur (de part les nombreuses recherches que j’ai du effectuer
pour débuter).
Il est également très important que lors de la compétition à Nogaro (qui aura lieu du
22 au 24 Mai 2008) notre équipe puisse se qualifier. Ceci permettrait à notre formation (qui
reste assez méconnue) de se faire connaitre et pourquoi pas de se faire sponsoriser par des
entreprises.
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Asservissement d’un injecteur
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Asservissement d’un injecteur
Webographie :
http://www.shell.com/home/content/eco-marathon-en/welcome_global.html
http://fr.wikipedia.org/
http://www.mecamotors.com/
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Asservissement d’un injecteur
ANNEXES
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Asservissement d’un injecteur
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Asservissement d’un injecteur
I. Le circuit de Nogaro :
a. Historique :
b. Descriptif :
Voici le plan du circuit Paul Armagnac de Nogaro. Il fait exactement 3636 m de long
avec une largeur constante de 12 m. Une succession de lignes droites et de virages allant de
30° à plus de 180° attendent les pilotes des différ ents prototypes.
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Asservissement d’un injecteur
Descriptif du circuit
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Asservissement d’un injecteur
1) Admission
2) Compression
3) Combustion et détente
4) Échappement
Nous avons aussi un cycle moteur par tour au lieu d'un tous les deux tours pour le
moteur à quatre temps.
Dans un premier temps (image n°3 : Détente), le pis ton (5) est au point mort haut.
La bougie crée l'explosion et le piston descend en comprimant en même temps le mélange
présent dans le carter, sous le piston. C'est la partie motrice du cycle, le reste du parcours
sera dû à l'inertie créée par cette détente. Cette étape est la détente. Lors de cette descente
du piston, l'entrée (6) du mélange dans le carter se ferme.
Arrivé à proximité point mort bas (image n°1 : Admi ssion et échappement), le piston
débouche les lumières d'échappement (2) et d'arrivée de mélange dans le cylindre (3) : le
mélange en pénétrant dans le cylindre chasse les gaz de l'explosion (zone 1 sur l'image). Il
s'agit de l'étape d'admission - échappement.
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Asservissement d’un injecteur
Une fois arrivé à nouveau au point mort haut, le cycle peut recommencer à partir du
premier point.
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Annexe 3 : Le carburateur
C'est en 1876 que Mr Gottlieb Daimler a mis au point le Carburateur tel qu'on le
connait aujourd'hui.
1) Circuit de ralenti.
2) Buse d'air.
3) Boisseau.
4) Aiguille.
Le carburateur
1. Circuit de ralenti Ouvert. 1. Circuit de ralenti Ouvert. 1. Circuit de ralenti Fermé. 1. Circuit de ralenti Fermé.
2. Buse d'air Inactive. 2. Buse d'air Inactive. 2. Buse d'air Ouverte. 2. Buse d'air Ouverte.
3. Boisseau au Minimum. 3. Boisseau Ouvert 1/4. 3. Boisseau Ouvert 1/4 à 3/4 3. Boisseau Ouvert au Maximum
4. Aiguille fermé. 4. Aiguille Ouverte 1/4 4. Aiguille Ouverte 1/4 à 3/4 4. Aiguille ouverte au maximum.
Fonctionnement du carburateur
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Asservissement d’un injecteur
Pour améliorer les caractéristiques des gaz d’échappement des moteurs essences,
les pots catalytiques ont été mis au point en même temps que les sondes Lambda.
c. La sonde Lambda
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Asservissement d’un injecteur
Technologie
La sonde est positionnée de telle manière dans le flux des gaz d’échappement que
l’électrode extérieure (couche platine extérieure) est immergée dans les gaz d’échappement,
alors que l’électrode intérieure est au contact de l’air ambiant.
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Asservissement d’un injecteur
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Asservissement d’un injecteur
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Asservissement d’un injecteur
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Asservissement d’un injecteur
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Projet de fin d’étude Master Mécatronique
Asservissement d’un injecteur
Couche supérieure
Couche inférieure
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Asservissement d’un injecteur
Couche supérieure
Couche inférieure
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Asservissement d’un injecteur
Couche supérieure
Couche inférieure
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Asservissement d’un injecteur
La carte capteur :
o R1 = 5,6 KΩ
o R2 = 10 KΩ
o R3 = 39 KΩ
o R4 = 3,3 KΩ
o R5 = 9,1 KΩ
o R6 = 36 KΩ
o R7, R8 = 10 KΩ
o R9 = 3,3 KΩ
o R10 = 1 KΩ
o D1, D2 = 1N4148
o C1 = 100 nF
o LM324 (AOP1)
La carte injecteur :
o R1 = 1,1 KΩ
o R2 = 22 Ω
o R3 = 1,2 KΩ
o C1 = 10 µF 63 V
o D1 = 1N4007
o BUZZ11A
La carte PIC :
o R1 = 1 KΩ
o R2 = 10 KΩ
o R3, R4, R5 = 2,2 KΩ
o D1 = 1N4148
o LED1, LED2, LED3
o C1, C5 = 100 nF
o C2, C3 = 27 pF
o C4 = 470 nF
o TL 7805
o CD4050
o PIC 18F4550
o Connecteur RJ12
o Connecteur USB-B
o Quartz 20 MHz
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Asservissement d’un injecteur
Annexe 10 : Programme C
/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
* La clock est ici définie a 48 MHZ pour l’utilisation de l’USB *
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
#fuses USBDIV,CPUDIV1,VREGEN
#use delay(clock=48000000)
#include <usb_cdc.h>
int16 pot,dti;
int8 i=0;
int8 b=0;
int1 point_haut=0;
/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
* La fonction suivante permet d’envoyer une valeur sur le port USB. Cette *
* valeur sera un code ASCII. Il est donc nécessaire que les données reçues *
* sur l’ordinateur soient converties en chiffres *
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
* La Cette fonction permet de mettre la variable point_haut à 1 lors d’une *
* interruption sur le port B0 *
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
#int_EXT
EXT_isr() //interruption sur rb0
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Asservissement d’un injecteur
{
point_haut=1;
}
void main()
{
/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
* Activation ou désactivation des fonctionnalités du PIC *-
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
setup_adc_ports( AN0_ANALOG );
setup_adc( ADC_CLOCK_INTERNAL);
set_adc_channel(0);
setup_psp(PSP_DISABLED);
setup_spi(SPI_SS_DISABLED);
setup_wdt(WDT_OFF);
setup_timer_0(RTCC_INTERNAL);
setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8);
setup_timer_2(T2_DISABLED,0,1);
ext_int_edge(L_TO_H);
enable_interrupts(INT_EXT);
enable_interrupts(GLOBAL);
setup_comparator(NC_NC_NC_NC);
setup_vref(FALSE);
usb_init();
/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
* On s’assure ici que l’injecteur est bien fermé *
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
output_low(PIN_B2);
/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
* Boucle infinie *
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
while(1)
{
usb_task();
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Asservissement d’un injecteur
/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
* Lecture du potentiomètre (via le Convertisseur Analogique *
*Numérique qui permet de convertir une tension en valeur)=> la plage du*
*potentiometre est de 1024 (de 0 à 1024). Notre temps d’injection (dti) varie quant à*
*lui de 0 à 8,2ms. *
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
* Si point_haut est détecté, on rentre dans la boucle d’injection*
* --------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
if (point_haut)
{
point_haut=0;
output_high(PIN_B2);
delay_us(dti);
output_low(PIN_B2);
/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
* Si USB connecté, on envoie la valeur de pot a la fonction write_info *
* --------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
if(usb_cdc_connected)
{
write_info(pot);
}
}
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Asservissement d’un injecteur
clear;
%Ouverture du port a.
fopen(a);
%Enregistrement du port a.
record(a);
%Fermeture du port a.
fclose(a);
%Destruction du port a.
delete(a);
figure(1);
%titre
title('Valeur du potentiomètre Temps d''injection');
%Axe X
xlabel('Nombre de points','fontsize',16);
%Axe Y
ylabel('Temps d''injection (O-8200 µs)','fontsize',12);
hold on;
x=(1:length(O))
xi=(0:.025:length(O))
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Asservissement d’un injecteur
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