Injection (moteur)

L'injection est un dispositif d'alimentation des moteurs à explosion permettant d'acheminer (directement ou un peu en amont) le carburant dans la chambre de combustion. Préférée au carburateur afin d'améliorer le rendement moteur, l'injection fut, à l'origine, exclusivement mécanique, puis améliorée par l'électronique en utilisant un calculateur électronique.

Histoire Balbutiements

Le premier moteur à combustion interne alimenté par un système d'injection est breveté en 1893 par l'ingénieur Rudolph Diesel..

Les premières applications de l'injection sur les moteurs à explosion remontent aux années 1930. En Allemagne, Mercedes-Benz et Bosch mettent au point un système d'injection directe adapté aux moteurs d'avions comme le V12 Junkers Jumo 210G équipant le Me109 en 1937. Durant la Seconde Guerre mondiale, des avions américains et russes utilisent également ce système., comme le Wright R-3350 Duplex Cyclone équipant le Boeing B-29 Superfortress et le Chvetsov ASh-82FN équipant le Petliakov Pe-8.

Après la guerre, c'est en 1949 que les premiers moteurs à combustion interne sont alimentés par injection indirecte, et notamment sur les monoplaces participant aux 500 miles d'Indianapolis. En Europe, l'un des premiers exemples, toujours du type indirect, est développé en 1953 : il s'agit du 4 cylindres Lea Francis d'une cylindrée de développant environ 150 chevaux de la Connaught-A qui participe, entre autres, au Grand Prix automobile de Grande-Bretagne 1953. Mercedes, en 1954, adopte à son tour le système à injection directe sur les 8 cylindres en ligne M196 de ses Formule 1 W196.

La première application de l'injection directe à un moteur d'automobile est faite par le Français Georges Regembeau, qui convertit une Citroën Traction Avant 15-six à cette technique au tout début des années 1950, pour sa satisfaction personnelle.. Alliée à des équipements novateurs, comme la boîte 6 vitesses Regembeau et un très bon système de freinage, cette voiture pourra atteindre des performances remarquables : et une vitesse de pointe de ..

C'est dans les années 1960 que les constructeurs s'intéressent davantage aux injections plutôt qu'aux carburateurs, d'abord pour améliorer leurs performances. En 1961, Ferrari se lance à son tour dans la voie montante de l'injection, à titre expérimental, en élaborant un système direct en coopération avec Bosch sur le V6 de la . En 1963, Ferrari étend l'application de l'injection à ses moteurs de Formule 1, p3.

La première voiture de série équipée d'une injection d'essence directe fut la Mercedes 300 SL, en 1954, dont le dispositif était entièrement mécanique, très proche du système adopté par Regembeau. En raison d'un développement trop rapide ou de la difficulté de mise au point de cette nouvelle technique, le mécanisme était peu fiable à cause des problèmes de lubrification de la pompe à injection. Mercedes développa par la suite de nouveaux modèles, comme la , équipés du système Bosch, mais de type indirect. Fort de ce succès de Mercedes, l'injection entrait irrémédiablement dans l'automobile de série ..

L'injection indirecte mécanique la plus perfectionnée reste cependant l'injection Kugelfischer, qui fut utilisée depuis le début des années 1960 jusqu'à la fin du sur les voitures de course grâce à son adaptabilité, la « programmation » de l'injection étant réalisée par une came de forme complexe surnommée « patate ». Les utilisations en grande série les plus connues furent sur Peugeot 404 et 504 coupé et cabriolet et BMW 2002 Tii jusqu'à la BMW M1 des années 1980 ainsi que sur la

Évolution

Le coût, l'efficacité et le bruit de fonctionnement engendré limitaient les premiers systèmes d'injection directe à une installation uniquement sur les poids lourds. En 1987, Fiat réussit cependant à réaliser une injection directe qui résolvait ces problèmes et implanta la nouvelle technique dans sa Fiat Croma turbo-diesel, une automobile de série qui fut ainsi la plus performante de son segment. Fort de ce succès, l'Allemand Bosch acheta la technologie pour permettre à Volkswagen de développer la gamme TDI, laquelle allait faire de lui le champion européen du Diesel et lui donner les moyens financiers d'acquérir plusieurs de ses petits concurrents (Seat, Skoda).

D'abord utilisée sur les moteurs Diesel, c'est la firme japonaise Mitsubishi qui fut la première à adapter la technique aux moteurs à essence. Son idée était que l'injection directe permet une bien plus grande précision dans la vitesse, l'orientation, la force et la pression avec laquelle le mélange air-essence entre dans la chambre de combustion. Il devenait possible de faire fonctionner le moteur en mélange pauvre. Apparue en 1997 sur la Mitsubishi Carisma GDI, cette technique autorise en effet un dosage plus précis du carburant, une augmentation du taux de compression ainsi qu'une meilleure résistance au phénomène de cliquetis..

C'est pour améliorer le rendement de ses mécaniques que le groupe VAG a beaucoup investi dans l'injection directe sur le moteur essence en le nommant FSI (de l'anglais , soit injection stratifiée de carburant), . L'injection directe est désormais associée à une électronique de contrôle octroyant une plus grande sobriété et de meilleures performances.

Injection électronique En 1967, l'injection électronique remplace l'injection mécanique dans le but d'améliorer le rendement moteur, grâce à un calculateur électronique.. Ce dernier décide de la durée de l'injection et, donc, de la quantité de carburant injectée, pour optimiser le mélange air/essence. Le rapport théorique idéal air/essence pour le moteur à explosion est de d'air pour de carburant. On parle alors de mélange stœchiométriqueLe mélange est dit pauvre si l'air est en excès par rapport à l'essence, et le mélange est riche si c'est l'essence qui est en excès. Pour obtenir une combustion idéale et permettre une économie de carburant, on brûle une proportion air/essence de :1Air et essence : un mélange explosif!, sur le site lautomobile.ca, consulté le 10 août 2013.

La gestion de l'injection se fait à l'aide d'un ECU (de l'anglais , soit unité de contrôle moteur) qui reçoit les informations des capteurs (sondes) tels que enfoncement de la pédale d'accélérateur, température du moteur, température de l'air, taux d'oxygène À partir de ces informations, il agit sur des actionneurs (injecteurs, volets d'admission d'air).

Avantages - inconvénients Consommation La consommation de carburant, avec l'utilisation de système à injection, diminue en raison de l'amélioration de la précision de la carburation et de la réduction des pertes de charge (plus de venturi).

L'injection directe essence est intéressante car elle permet d'avoir des charges beaucoup plus stratifiéesCette stratification permet d'éviter de brûler des gaz frais avec des gaz déjà consommés que dans les moteurs à essence classiques. Cette stratification peut être provoquée par un début d'injection tardive durant la phase de compression ou bien par le dessin de l'injecteur combiné à l'aérodynamique du cylindre. L'utilisation de charges stratifiées permet ainsi de réduire la quantité de carburant nécessaire à la combustion, ce qui entraîne une baisse de la consommation. Néanmoins, l'injection directe essence pose des problèmes de pollution.. En effet, le fait que l'injection de carburant soit effectuée lors de la phase de compression signifie que le mélange essence-air n'est pas homogène. Ainsi, la combustion reste imparfaite et induit une production accrue de particules fines.

Efficacité Les variations de puissance que subit le moteur sont commandées par la quantité de carburant injecté. Comme le mélange n'a pas nécessairement une richesse proche de 1, la quantité d'air injectée à chaque phase d'admission peut rester constante. Un avantage de l'injection directe apparaît ici : le papillon présent dans la tubulure d'admission et destiné à réguler la quantité d'air admise devient superflu..

L'absence de papillon réduit les pertes de charge. De plus, un moteur à charge stratifiée et sans papillon produit la même quantité d'énergie qu'un moteur classique, mais avec une plus grande masse de gaz. Cela entraîne une augmentation de température moins importante et, donc, réduit les pertes thermiques.

Pollution Les systèmes à injection permettent de réaliser un dosage plus précis et permettent de diminuer la présence de produits toxiques et polluants dans les gaz d'échappement. Les émissions de CO des moteurs essence sont généralement plus importantes que celles des moteurs Diesel de même génération. Les moteurs à injection directe produisent des particules à cause des différences de tailles des gouttelettes que contient le jet. En effet, les plus grosses gouttelettes présentes dans le cylindre n'ont pas le temps de s'évaporer et ne sont donc que partiellement brûlées. Cependant, l'injection permet d'homogénéiser le mélange, limitant ainsi l'effet cité ci-dessus.

Dans les moteurs à injection directe Diesel à rampe commune (common rail), la température locale des zones de réaction est élevée. La production de NOx y est très importante. Par conséquent, la production des oxydes d'azote des moteurs de ce type sans système de recirculation des gaz brûlés est semblable à celle des moteurs à essence classiques.

Complexité Ce type de système comporte un inconvénient majeur : sa complexité. À faible charge, les moteurs fonctionnent en injectant peu de carburant tard pendant la phase de compression et en maintenant le nuage d'essence séparé de la majorité de l'air. Le contrôle de l'écoulement de l'air dans le cylindre et l'optimisation de la forme de l'injecteur nécessitent alors une étude préalable. Lorsque la charge augmente, le début de l'injection se fait de plus en plus tôt durant la phase d'admission et le carburant se mélange de plus en plus avec l'air présent dans le cylindre jusqu'à obtenir une charge homogène à pleine charge. De nombreux problèmes découlent du fait que le nuage d'essence n'occupe ni le même volume ni la même place dans le cylindre alors que la bougie d'allumage reste fixe. Notons cependant que des constructeurs utilisent des moteurs à 2 bougies d'allumage par cylindre (Alfa Romeo/moteur Twin Spark, Smart Fortwo sur les 600 et 700 turbo d'origine Mercedes-Benz, Ducati sur un bon nombre de bicylindres en L, certaines Moto Guzzi Breva).

Principe Caractéristiques propres Diesel

Dans les moteurs Diesel, la qualité de la combustion dépendra de la pulvérisation du carburant et de l'homogénéité du mélange. Les moteurs devront être équipés de systèmes d'injection capables de réaliser le mélange air carburant ensemble et sous des pressions élevées. Le moteur Diesel fonctionne en effet par auto-allumage : l'allumage du mélange se fait spontanément en raison de la température élevée de l'air et des rapports volumétriques très élevés (de 16:1 à 22:1)..

Le diagramme de Clapeyron du cycle thermodynamique théorique du moteur Diesel prévoit une combustion à pression constante (isobare), assurée par le fait que le combustible est injecté progressivement et brûle au fur et à mesure de son introduction dans la chambre de combustion. Dans la réalité cependant, la combustion ne peut s'effectuer à pression constante, en raison du délai d'inflammationLe combustible s'allume avec retard. Le carburant s'accumule lors de son injection augmentant la pression. On peut le réduire en donnant au jet une forte capacité de pénétration et en augmentant la turbulence, p1.

Un jet puissant permet aux gouttelettes traversant l'air d'atteindre des températures suffisantes pour que l'évaporation se réalise et la turbulence évite que les gaz brûlés séjournent à proximité de l'injecteur, empêchant le mélange de l'oxygène et du carburant.

Essence