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Definition L'injection est un dispositif d'alimentation des moteurs à combustion, 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

Introduction L'injection (moteur) est un système d'alimentation des moteurs à combustion, permettant d'acheminer le mélange air-essence dans la chambre de combustion directement ou légèrement en amont. Préféré au carburateur afin de perfectionner le rendement moteur, l'injection fut à l'origine mécanique puis perfectionnée par l'électronique en utilisant un calculateur électronique.

Mercedes 300 SL

Le premier moteur à combustion interne alimenté par un dispositif d'injection est breveté en 1893 par l'ingénieur Rudolph Diesel. C'est dans les années 60 que les constructeur s'intéressent davantage aux injections plutôt qu'aux carburateurs, à cause des problèmes soulevés par la pollution atmosphérique. Les premières applications de l'injection sur les moteurs à explosion remontent aux années 30. En Allemagne, Mercedes-Benz et Bosch mettent au point un dispositif d'injection directe adapté aux moteurs d'avions comme celui du Me109. Durant la Deuxième Guerre mondiale, les avions américains utilisent ce dispositif, sur le principe de l'injection indirecte mono point . Après la guerre, c'est en 1949 que les premiers moteurs à explosion sont alimentés par injection indirecte, et surtout sur les véhicules de sport participant à l'Indianapolis 500. En Europe, l'un des premiers exemples, toujours du type indirect, est développé en 1953 : il s'agit du 4 cylindres Connaught de formule 2 d'une cylindrée de 2 000 cm3. Mercedes, en 1954, adopte à son tour le dispositif à injection, directe par contre, pour les 8 cylindres en ligne de ses Formule 1. L'injection directe sur moteur d'automobile est une invention française, de Georges Regembeau, qui convertit une Citroën Traction Avant à cette technologie au tout début des années 50, pour sa satisfaction personnelle. Alliée à des équipements novateurs, comme la boîte 6 vitesses Regembeau et un particulièrement bon dispositif de freinage, cette voiture pourra atteindre des performances remarquables : 190 ch et une vitesse de pointe de 210 km/h[. En 1961, Ferrari se lance à son tour dans la voie montante de l'injection, à titre expérimental, en élaborant un dispositif direct en coopération avec Bosch sur le V6 de la 246 Sport. En 1963, Ferrari étend l'application de l'injection à ses moteurs de Formule 1. La première voiture de série équipée d'une injection d'essence directe fut la Mercedes 300 SL dont le système était entièrement mécanique particulièrement proche du dispositif adopté par Regembeau. En raison d'un développement trop rapide ou à la difficulté de mise au point de cette nouvelle technologie, le mécanisme était peu fiable à cause des problèmes de lubrification de la pompe à injection . Mercedes développa ensuite de nouveaux modèles, comme la 220 SE,

équipé du dispositif 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 peaufinée reste cependant l'injection Kugelfisher qui fut utilisée depuis le début des années 60 jusqu'à la fin du XXe siècle 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 80.

Évolution

Le coût, l'efficacité et le bruit de fonctionnement générés limitaient les premiers dispositifs à être installés seulement sur les poids lourds. En 1987, Fiat réussit cependant à réaliser une injection directe qui résolvait ces problème et implanta la nouvelle technologie dans sa Fiat Croma turbo-diesel, une automobile de série qui fut ainsi la plus performante du 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) . Sur les diesels en premier lieu, c'est la firme japonaise Mitsubishi qui fut la première à adapter la technologie aux moteurs essence. Son idée était que l'injection directe permettait une énormément 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 envisageable de faire fonctionner le moteur en mélange pauvre. Apparue en 1997 sur la Mitsubishi Carisma GDI, cette technologie 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 perfectionner le rendement de ses mécaniques que Volkswagen & Audi ont énormément investi dans l'injection directe sur le moteur essence, en le nommant FSI, espérant avec cela refaire le coup marketing du TDI. 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 l'objectif de perfectionner lerendement moteur, grâce à un calculateur électronique. Ce dernier décide de la durée l'injection, et par conséquent la quantité de carburant injectée, pour doser idéalement ou presque le mélange air/essence. Le rapport théorique parfait air/essence pour le moteur à explosion est de 14, 7 :1 soit 14, 7 parts d'air pour 1 part de carburant. On parle dans ce cas de mélange stœchiométrique. En pratique, pour obtenir une combustion parfaite et ainsi permettre une économie de carburant, on brûle une proportion air/essence d'environ 18 :1. La gestion de l'injection se fait avec un E. C. U. (Electronic Control Unit) qui reçoit les informations des capteurs (sondes) tels que enfoncement de la pédale d'accélérateur, température du moteur, de l'air, le taux d'oxygène, etc. A partir de ces informations, il agit sur des actionneurs (injecteurs, volets d'admission d'air...).

Consommation La consommation de carburant, avec l'utilisation de dispositif à injection, diminue à cause de le perfectionnement 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 bien plus stratifiées que dans les moteurs à essence classiques. Cette stratification peut être génèrée 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 diminuer la quantité de fuel indispensable à la combustion ce qui entraîne une baisse de la consommation. Néanmoins, l'injection directe essence pose des problèmes de pollution. Efficacité Les variations de puissance que subit le moteur sont contrôlées par la quantité de fuel injecté. Comme le mélange n'a pas obligatoirement 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 conçu pour réguler la quantité d'air admise devient superflu. L'absence de papillon diminué les pertes de charges. Qui plus est , 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 moindre et par conséquent des pertes thermiques plus faibles.

Pollution Les dispositifs 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 CO2 des moteurs essence 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 par conséquent que partiellement brûlées. L'injection permet d'homogénéiser le mélange limitant ainsi l'effet cité ci dessus. Dans les moteurs à injection directe essence, la température locale des zones de réaction est élevée. La production de NOx y est importante. Donc, la production des oxydes d'azote des moteurs de ce type sans dispositif de re-circulation des gaz brûlés est comparable à celle des moteurs à essence classiques.

Complexité Ce type de dispositif comporte un inconvénient majeur : sa complexité. A faible charge, les moteurs fonctionnent en injectant peu de fuel tard au cours de la phase de compression et en désormais le nuage d'essence scindé 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 obligation dans ce cas une étude préalable. Quand la charge augmente,

le début de l'injection se fait qui plus est en plus tôt durant la phase admission et le fuel se mélange qui plus est en plus avec l'air présent dans le cylindre jusqu'à obtenir une charge homogène à pleine charge. Le 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, pose de nombreux problèmes[11]

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 dispositifs 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 de fait spontanément à cause de la température élevée de l'air et des rapports volumétriques particulièrement élevés (de 16 :1 à 22 :1) . Le diagramme de Clapeyron d'un cycle théorique thermodynamique du moteur diesel prévoit une combustion à pression constante, 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'inflammation. Le carburant s'accumule lors de son injection augmentant la pression. On peut le diminuer en donnant au jet une forte capacité de pénétration et en augmentant la turbulence. 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 le carburant.

Essence L'allumage dans les moteur essence se fait par l'intermédiaire d'une bougie d'allumage qui provoque une étincelle et enflamme le mélange. Ce principe d'allumage nécessite par conséquent une grande homogénéité du mélange au moment où l'étincelle se produit. Le mélange avec l'air est réalisé hors de la chambre de combustion, en amont de la soupape d'admission.

Objectif Le but est de créer une zone de mélange air/essence qui soit suffisamment riche autour de la bougie pour que le mélange s'enflamme, et moins riche autour. Pour cela, donc, l'injecteur est directement placé dans le cylindre, et la chambre de combustion a une forme spéciale de façon à créer une turbulence qui amène cette portion de mélange riche autour de la bougie. Le problème est que les zones de mélange pauvre génèrent des NOx lors de la combustion, et que les pièges à NOx, s'ils existent bien, sont sensibles au soufre, encore trop présent dans le carburant pour que l'injection directe soit réellement efficace à l'heure actuelle (sauf au Japon, où l'injection directe existe depuis longtemps, voir Mitsubishi Carisma GDI)

Conclusion L'injection d'essence a désormais pratiquement remplacé la carburation dans tous les moteurs d'automobile. Depuis quelques années, le moteur à injection directe commence à s'imposer comme une façon de réaliser des gains importants en consommation et de réduire les émissions polluantes. Au cœur de cette révolution se situent les organes du système d'injection, pompes, injecteurs et calculateur, mais leur intégration efficace est couplée à des études approfondies de la chambre et des conduits d'admission et d'échappement pour créer les stratégies de formation de mélange qui rendront opérationnelles les possibilités ouvertes par les nouvelles technologies. La convergence attendue des systèmes de combustion Diesel et essence nécessite de parfaire la compréhension des mécanismes intervenant dans la formation du mélange et le développement des organes offrant de nouvelles possibilités. Ainsi, les actionneurs actuels permettant l'élévation de pression consomment trop d'énergie par rapport aux besoins réels du moteur. L'actionneur piézo-électrique permet des temps de réponse nettement inférieurs aux actuateurs électromagnétiques actuels et la force qu'il développe est aussi nettement supérieure, ce qui permettra peut être un jour d'imaginer une élévation de pression

dans l'injecteur lui-même. Dosage et mise sous pression seraient réalisés par une seule commande (injecteur-pompe). Mais l'impossibilité de déplacements suffisamment grands et les contraintes liées aux coûts limitent l'introduction de cette technologie à l'heure actuelle. Dans l'optique d'une réduction de la taille des moteurs (downsizing), des contraintes dimensionnelles et de temps de réponse importantes vont se présenter aux constructeurs d'injecteurs. Enfin, la réduction des émissions de CO2 passant par une amélioration du rendement du moteur imposera des conditions de température et de pression encore plus contraignantes. La réduction de la taille des gouttes est alors capitale pour limiter la pénétration, les dépôts et les émissions polluantes. L'augmentation de la pression d'injection peut se trouver limitée par des contraintes techniques ou économiques et ainsi des modes alternatifs d'injection et de pulvérisation pourront voir le jour.

Bibliographique Wikipedia