Capsule mécanique: injection troisième partie.

Dans mes deux précédentes capsules je vous expliquais le fonctionnement des différents systèmes d'injection d'essence. Aujourd'hui, je termine cette série d'articles avec l'injection directe contrôlée par ordinateur, qui est en train de reléguer l'injection multi-point au même stade que les carburateurs.

Configuration des injecteurs.

Contrairement à l'injection électronique multi-point séquentielle, qui est largement utilisée aujourd'hui, les injecteurs ne se trouvent pas dans les conduits d'admission, mais bien directement dans la culasse ou dans le bloc moteur. Ils injectent le carburant dans la chambre de combustion plutôt que de le faire dans chaque conduite d'admission de chaque cylindre. Cela permet un contrôle beaucoup plus aigus du temps d'injection ainsi que de la quantité de carburant injecté. De plus, on peut «sculpter» la forme de la charge de mélange air-essence ce qui a des effets bénéfiques sur la puissance ainsi que l'émission de polluants. Je vais éclaircir tout ça dans un moment, pour l'instant on va se concentrer sur l'aspect mécanique de l'injection directe.

Premièrement, les systèmes d'injection directe qu'il soit électronique ou non injecte le carburant seulement durant le temps de compression du cylindre injecté. Un système d'injection plus conventionnel est capable d'injecter l'essence durant les 4 temps moteurs puisqu'il n'est pas influencé par la pression ou la température à l'intérieur du cylindre. C'est loin d'être le cas des systèmes à injection directe. À chaque fois que l'on veut injecter de l'essence on doit se battre contre la charge d'air qui est déjà en train de se faire compresser à l'intérieur du cylindre. Pour cette raison, la pression dans les conduites d'essence est énorme. On parle d'un minimum de 10 000 psi, tandis qu'un système conventionnel ne dépasse que très rarement les 100 psi. Pour obtenir une telle pression, on a une pompe à essence conventionnel et électrique situé près du réservoir d'essence. Cette pompe amène l'essence jusqu'à une autre pompe, mécanique la plupart du temps, qui augmente grandement la pression. Ce sont ensuite les injecteurs qui libèreront cette pression dans la chambre de combustion.

Dans les systèmes à injection directe, on a deux types d'injecteurs. Le premier fonctionne de la même façon que les injecteurs conventionnels, c'est à dire qu'on a toujours notre aiguille et notre solénoïde qui retire cette dernière de l'orifice quand on veut injecter. La différence vient de la pression énorme que ces injecteurs doivent endurer. Évidemment, le corps de l'injecteur ainsi que tous les matériaux utilisés dans sa construction doivent être beaucoup plus résistant. La résistance à la chaleur est aussi importante, puisque les injecteurs sont placés dans un endroit beaucoup plus chaud qu'un système conventionnel. Donc, côté fonctionnel on a pas beaucoup de différence avec nos injecteurs multi-point, par contre, côté économique chaque injecteur est beaucoup plus dispendieux que son homologue multi-point. Avec le temps et l'adoption à grande échelle de l'injection direct le prix des injecteurs devraient être diminué.

Le deuxième type d'injecteurs est ce que l'on appel des systèmes dit «common rail» ou rail commun en français. Dans les moteurs essence, ils ne sont pas très répandue, mais dans les moteurs diesel c'est la norme depuis au moins une bonne dizaine d'années. Il s'agit en fait d'un réservoir d'accumulation de pression. Étant donné que les systèmes d'injection directe utilisent le plus souvent une pompe mécanique entraînée par le moteur, la pression que la pompe peut générer est relative aux régimes moteurs. Ce qui veut dire que à bas régime, la pression d'injection sera plus basse qu'à haut régime. Évidemment c'est loin d'être idéale. Avec le «common rail» on élimine complètement ce problème, puisque la pression qui alimente les injecteurs est celle située dans le réservoir et non seulement ce que la pompe est capable de fournir. De plus, en calibrant correctement la grosseur des soupapes chaque cylindre recevra une quantité égale de carburant à la bonne pression. Cette pression est beaucoup plus élevé quand dans un système à injecteurs puisque cette dernière atteint en moyenne la valeur de 25 000 psi.

Chambre de combustion et charge stratifiée.

Je vous expliquais plus haut qu'un des avantages de l'injection directe, c'est que l'on pouvait «sculpter» la charge de mélange air-essence qu'on envoyait dans la chambre de combustion. On pouvait déjà le faire avec les systèmes d'injection conventionnels en modifiant la forme de la chambre à combustion ainsi qu'en modifiant l'aérodynamique des lumières d'admission dans la culasse ainsi que le dos des soupapes. Par contre, on travail avec un mélange air-essence déjà établis et un gaz qui se déplace à une vélocité et une pression relativement basse. Cela rend difficile la formation d'une poche de mélange à un endroit précis dans la chambre de combustion. Avec l'injection directe, l'essence et l'air sont injecté dans la chambre de combustion séparément. Cela permet d'injecter l'essence à un moment et à un endroit précis pour former ce que l'on appel une charge stratifiée.

Une charge stratifiée est tout simplement un endroit dans la chambre de combustion où le mélange air-essence est beaucoup plus concentré que le reste du volume. Normalement, un petit réceptacle est aménagé dans le dessus du piston pour recevoir cette charge et le piston amènera la charge juste sous la bougie d'allumage. Le rapport air-essence à cet endroit est le plus souvent stœchiométrique, mais dans le reste de la chambre de combustion il est extrêmement pauvre. On parle d'un rapport air-essence globale de l'ordre de 50 à 70 :1. Cette charge stratifiée est suffisante pour faire fonctionner le moteur sous de faibles facteurs de charge, comme le ralentis ou sur autoroute à vitesse constante. Évidemment lorsque l'on demande plus du moteur ce ne sera pas suffisant. Par contre, on économise énormément de carburant puisqu'on a grosso modo, 70% moins d'essence injecté à chaque cycle d'admission.

Lorsque la charge moteur augmente, le principe de charge stratifiée disparaît et on retourne à une charge air-essence plus conventionnel où l'essence est simplement injecté dans la chambre de combustion au moment le plus opportun. Tout de même, l'injection directe est bénéfique pour les émissions de certains polluants. C'est-à-dire, qu'elle aide à diminuer leur quantité. En effet lors de la combustion de l'essence, plus la chambre de combustion sera chaude, plus la quantité d'oxydes d'azote (NOx) produite sera importante. En injectant directement de l'essence relativement plus froide que la chambre de combustion on refroidit cette dernière ce qui permet de réduire la quantité de NOx qui prennent le chemin de l'échappement et ultimement de l'atmosphère.

Quand on mets la pédale au plancher, l'injection directe devient très similaire au système d'injection multi-point conventionnel. Dans le sens, où comme ce dernier, l'ordinateur de bord se met en mode «open loop», c'est à dire qu'il ne prends plus en compte les données des différents capteurs embarqués et se fit plutôt aux tables d'injection pré-programmées par le manufacturier. L'essence et l'air entre quand même séparément dans la chambre de combustion sauf que le tout se fait dans le temps d'admission comme pour un moteur normal.

La pédale d'accélérateur et l'injection directe.

Si ce n'était pas évident depuis le début, les systèmes d'injection directe sont dans la très grande majorité contrôlés par ordinateur. Ils utilisent pour la plupart les mêmes capteurs qu'un système conventionnel. La grosse différence, dans la plupart des cas, se situe au niveau de la pédale d'accélérateur. Comme je vous le décrivais dans ma précédente capsule, un capteur nommé TPS («throttle position sensor») se charge de déterminer pour l'ordinateur la position du papillon des gaz. Dans un système à injection directe, le TPS n'est plus présent ou du moins il n'est plus relié au papillon des gaz puisque ce dernier n'existe tout simplement plus.

En effet, dans un moteur à injection directe seules les soupapes d'admission contrôle l'entrée d'air dans le moteur. La conduite d'admission est directement relié au collecteur d'admission sans aucune entrave. C'est d'autant mieux pour l'efficacité et les performances. La pédale d'accélérateur devient électronique et aucun lien mécanique ne la relie à quoi que ce soit. Le TPS existe toujours sous une forme différente directement relié à la pédale. Il s'agit toujours d'un potentiomètre, mais la plupart du temps il prend la forme d'un petit moteur électrique qui permet de moduler la pression de la pédale pour donner l'impression d'un lien mécanique. C'est exactement ce qui a fait défaut durant la fameuse saga des accélérations intempestives chez Toyota. Ce petit moteur envoyait un mauvais signal à l'ordinateur et ce dernier interprétait ceci comme une pédale au plancher. Le reste fait partie de l'histoire.

La raison pour laquelle les voitures équipées de l'injection directe fonctionnent de cette façon est fort simple. La précision des données nécessaires au bon fonctionnement du système d'injection est tout simplement trop importante pour pouvoir utiliser un papillon des gaz conventionnel. La marge d'erreur serait trop grande et les mélanges air-essence à l'intérieur des cylindres ne serait pas correct. De plus, en fonctionnant de cette façon, on élimine une variable très importante dans le mauvais fonctionnement d'un moteur. C'est-à-dire, vous le conducteur. Essayez de garder votre pied totalement immobile dans une position donnée pendant plusieurs secondes et vous comprendrez tout de suite pourquoi.

Alors c'est pas mal tout pour l'injection directe. Je n'ai pas encore décidé quel sera le prochain sujet de mes prochaines capsules, mais si vous avez des suggestions gênez-vous pas pour me laisser un commentaire. Vous pouvez aussi utiliser la boîte commentaire pour me poser des questions sur le sujet discuté aujourd'hui.