Les Moteurs Thermiques à Injection Directe

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Introduction

Longtemps accusés d'engendrer la pollution atmosphérique, les moteurs à explosion, qu'il soit à essence ou à diesel, se révèlent de plus en plus surprenants, et de moins en moins polluants. Mais en dépit d'avancées plutôt spectaculaires, la chasse aux émissions polluantes reste grandement ouverte. Si elle les met sous pression, la réglementation sur la qualité de l'air constitue également un puissant aiguillon technologique pour les constructeurs, régulièrement obligés de déployer des trésors d'inventivité pour espérer passer la prochaine norme.
Ainsi, depuis plusieurs années, les moteurs diesel bénéficient d'une technologie déjà utilisée auparavant sur les véhicules professionnels : l'injection directe. Agrément de conduite, souplesse d'utilisation, couple à bas régime, consommation, cette technologie miracle permit d'accélérer l'essor du Diesel au sein du grand public. Désormais, de plus en plus de constructeurs automobiles semblent intéressés à utiliser cette technologie mais au profit des moteurs essence.


Rappel sur les moteurs Injection indirecte

Les moteurs essence actuels, tout comme les moteurs diesel d'ancienne génération sont dit a injection indirecte : l'injection de carburant s'effectuant un peu en amont du cylindre.


Injection indirecte Diesel

Jusqu'au premier choc pétrolier (1973) et avant l'arrivée de normes antipollution assez strictes, l'automobile particulière sacrifiait volontiers une surconsommation au profit d'un silence d'utilisation. On utilisait alors dans moteurs a chambre divisée : la combustion débutant dans la première chambre (chaude d'où une inflammation plus rapide) et "fuyant" ensuite jusqu'au cylindre même ou elle finissait.




Injection indirecte Essence

Avec l'arrivée des pot catalytique, les moteurs essence ont du se doter d'injecteur afin d'obtenir une richesse la plus proche possible de l'unité. Ainsi les moteurs à essence actuels sont dit à injection indirecte : cela signifie que l'injection d'essence se produit dans la tubulure d'admission (là où passe l'air nécessaire pour assurer la combustion). C'est un mélange air-essence qui arrive dans la chambre de combustion, et qui est ensuite compressé avant d'être allumée par la bougie d'allumage.




Les Moteurs Diesel Injection Directe


Pour pallier l'absence de la préchambre il suffit de réussir à obtenir une injection de carburant capable de s'enflammer rapidement. Pour ce faire, l'injection directe a besoin d'une pression élevée et d'injecteur adaptée : en injectant la carburant sous une pression suffisante, à l'aide d'un injecteur adéquat, on peut obtenir un jet de carburant sous forme de micro gouttelettes prêtes a s'enflammer facilement. Ainsi, deux technologie ont été développées, toute deux dans le but de fournir une pression suffisamment élevée aux injecteurs : l'injecteur-pompe et la rampe commune.

Injecteur pompe :

Comme son nom l'indique, l'injecteur pompe se charge de fournir une pression élevée a l'injecteur : l'injecteur pompe permet de très hautes pressions, de l'ordre de 2000 bars. L'élément pompe implanté directement au dessus de l'injecteur est actionné par une came supplémentaire. Chaque injecteur pompe étant indépendant.


Rampe commune (Common Rail) :

Une pompe haute pression (entraînée par la courroie de distribution) alimente en carburant un accumulateur rigide (la rampe). Le carburant y est alors conservé à la pression de 1350 bars. Chaque injecteur est directement relié à la rampe (commune) et dispose ainsi chacun du carburant sous pression. Un calculateur commande l'ouverture des injecteurs en fonction de nombreux paramètres (charge moteur, régime, etc. …). Ceux-ci, permettant des injections précises et rapides (jusqu'à 200 millisecondes) autorisent même d'effectuer plusieurs injection durant un même cycle (injection-pilote avant l'injection principale qui permet de réduire les bruits, voire post injection pour diminuer la pollution).

L'injection directe permet alors une augmentation significative du couple à bas régime (+50%), ainsi qu'une diminution de l'émission de polluants :

CO2 : - 20%
CO : - 40%
HC : - 50%
Particules : - 60%


Moteurs Essence Injection Directe (IDE)


Tout comme pour le moteur Diesel, de l'injection directe essence nécessite une pression élevée. Cependant, ici, l'injection directe va permettre de réaliser un vieux rêve : faire fonctionner un moteur thermique en mélange pauvre (richesse <1) sans perte de performances.
Concrètement, les moteurs injection directe essence peuvent fonctionner suivant deux modes : soit en combustion homogène, soit en combustion dite stratifiée.


Charge homogène :

En mode homogène, le moteur fonctionne comme un moteur traditionnel : l'essence est injectée (directement) suffisamment tôt durant l'admission pour former, avec l'air, un mélange parfaitement homogène. L'injection étant suffisamment précise pour assurer la stœchiométrie, la chambre se trouve rempli d'un mélange de richesse 1. De plus, l'injection effectuée directement dans le cylindre refroidie l'air admis et permet ainsi un meilleur taux de compression. Ce mode, utilisé lors en forte charge ou à vitesse élevée, n'apporte quasiment aucun gain en comparaison des moteurs essence " traditionnels ".




Charge Stratifiée :

Comme nous l'avons vu plus haut, le moteur injection directe a pour vocation de faire fonctionner un moteur en mélange pauvre. Or l'utilisation d'un mélange pauvre pose des difficultés d'allumage. Le mélange air-essence ne peut s'allumer à l'aide d'une étincelle (donc d'une bougie) que si la richesse est comprise entre 1.2 et 0.7 (valeurs typiques) : trop de carburant, ou trop de comburant, et la combustion est "étouffée", entraînant de fortes émissions de polluants. La méthode consiste alors a créer un noyau de richesse 1 autour de la bougie, tout en maintenant le reste de la chambre à une richesse très faible ( typiquement 0.3). C'est le but de la charge stratifiée :

- La tubulure d'admission arrive quasiment à la verticale du cylindre. La tête du piston est, quant elle, incurvée de façon à créer un écoulement d'air concentré autour de la bougie : il se produit alors un mouvement de tumble : rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du piston.



Une pompe haute pression (100 bars) alimente les injecteurs : ces derniers (de forme spécifique) effectuent l'injection très tardivement (très peu de temps avant le point mort haut) en imposant au carburant un mouvement de rotation autour d'un axe parallèle à celui de l'injecteur : le swirl. C'est ce mouvement qui permettra au carburant et à l'air de se mélanger convenablement et rapidement. La pression intervient directement dans l'efficacité de cette méthode : c'est en effet elle qui permet une injection importante, en un temps très court et qui permet un meilleur mélange influençant directement sur l'effet de swirl.

Ainsi, la combustion ne s'effectue (du moins au début) que dans une toute petite partie de la chambre. On peut alors atteindre des richesses très faibles (de l'ordre de 0.3 soit 40g air pour 1 g d'essence voire 55g air/g essence avec EGR). Faculté d'autant plus appréciable que la combustion est plus stable encore que dans les moteurs injection indirecte. Ainsi, aux faibles régimes et à faible charge, l'injection directe permet un gain de couple tout en réduisant la consommation.

Gains du moteur IDE

Consommation :

L'injection directe d'essence est intéressante car elle permet d'avoir des charges beaucoup plus stratifiées 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 design de l'injecteur combiné à l'aérodynamique du cylindre.
L'utilisation de charges stratifiées permet ainsi de réduire la quantité de fuel nécessaire à la combustion ce qui entraîne une baisse de la consommation

Puissance :

Les variations de puissance que subit le moteur sont contrôlées par la quantité de fuel injecté. Comme le mélange n'a pas nécessairement une richesse proche de 1, la quantité d'air injecté 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 charges. 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. Ceci entraîne une augmentation de température moins importante et donc des pertes thermiques plus faibles.
De plus, la vaporisation de l'essence dans le piston lors de son admission est provoquée par les fortes pressions d'injection. Elle entraîne une baisse de la température de l'air dans lequel arrive le combustible. La masse volumique de l'air augmente donc et une plus grande quantité d'air peut être admise, autorisant des taux de compression avoisinant les 12 :1. Néanmoins, cet argument semble de faible importance après certaines mesures faites sur des moteurs transparents.


Limites des moteurs IDE


Comme nous l'avons vu auparavant, le principe même des moteurs à injection directe essence impose une précision élevée de chaque élément du système. Ainsi, par exemple, de très faibles écarts d'avance à l'allumage ou de phasage à l'injection génèrent des ratées incompatibles avec le niveau d'agrément de conduite.
Mais, là n'est pas la principale difficulté rencontrée durant la mise au point de ces moteurs :


La Pollution :

Les émissions de CO2 des moteurs IDE sont généralement excessives. Comme les moteurs Diesel, ces moteurs produisent des particules à cause des différences de tailles de gouttelettes que contient le spray. 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.

Dans les moteurs IDE à charge stratifiée, la température locale des zones de réaction peut être élevée. La production de NOx y est importante. Par conséquent, la production des oxydes d'azote des moteurs IDE sans système de recirculation des gaz brûlés est semblable à celle des moteurs à essence classiques.
Puisque les pots catalytiques classiques ne peuvent pas être utilisés sur les moteurs IDE à cause de leur faible charge, une autre technique doit être utilisée pour supprimer une partie des NOx. La plus largement employée est celle de recirculation des gaz brûlés (EGR). Elle consiste à prélever une partie des gaz d'échappement pour qu'ils servent de diluant, réduisant ainsi la température de combustion. La production de NOx étant fonction de la température de combustion, une baisse de cette dernière engendre une réduction de la production des ces oxydes. Néanmoins cela affecte l'efficacité thermique du moteur à cause de la plus forte présence de CO2 et de H2O. Dans un moteur IDE, la quantité d'EGR peut être plus élevée que pour les moteurs classiques car il faut simplement que la charge autour du point d'allumage soit à la stœchiométrie. Un moteur essence est donc limité à un rapport de 15% alors qu'un moteur IDE peut avoir une proportion d'EGR de l'ordre de 30%.

Enfin, pour réduire significativement les émissions en NOx, les constructeurs ont mis au point un nouveau pot capable de piéger ces composés. Ce pot, contenant des sels de baryum, stocke les oxydes d'azote sous forme de nitrate de baryum (Ba (NO3)2). Une fois le pot " rempli ", le moteur fonctionne pendant un court instant en mélange réducteur, sans oxygène. Les nitrates de baryum se décomposent alors sur le substrat et, grâce au mélange gazeux réducteur, sont "traités" par les autres métaux rares,avant d'être relâchés sous forme d'azote. Mais, là encore, ce procédé n'est pas parfait. Pour fonctionner, ces pièges à NOx nécessitent l'usage de carburants très pauvres en soufre car, au contact du baryum, ce dernier forme des sulfates qui bouchent les "trous d'éponge" réservés aux nitrates. Résultat : alors qu'en cycle normal, le moteur " vide " le pot tous les 500 à 1000km, la forte concentration de soufre oblige le moteur à effectuer ce cycle jusqu'à tous les 100km annihilant tous les gains en consommations acquis auparavant.

[PimpyS 0]

Merci pour un topic super bien fait, malgré l'heure

[W0B-µn!t€d 0]

Super ce post!

Merci Aria's!