Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Système d'injection

L'injection est un dispositif d'alimentation des moteurs à combustion qui permet d'acheminer le carburant dans la chambre de combustion elle-même ou un peu en amont. Préférée au carburateur afin d'améliorer le rendement du moteur, et à l'origine exclusivement mécanique, l'injection a été ensuite améliorée par l'utilisation de calculateurs électroniques.

un injecteur

Histoire

Balbutiements

Le premier moteur à combustion interne alimenté par un système d'injection fut breveté le 23 février 1893 par l'ingénieur Rudolph Diesel. C'est dans les années 1960 que les constructeurs se sont intéressés davantage aux injections plutôt qu'aux carburateurs, en raison des problèmes soulevés par la pollution atmosphérique. Les premières applications de l'injection sur les moteurs à explosion remontent aux années 1930. En Allemagne, durant la Seconde Guerre mondiale, Mercedes-Benz et Bosch ont mis au point un système d'injection indirecte adapté aux moteurs d'avions, sur le principe de l'injection indirecte monopoint. Après la guerre, c'est en 1949 que les premiers moteurs à explosion ont été alimentés par injection indirecte. En Europe, l'un des premiers exemples, toujours du type indirect, fut développé en 1953.

Évolution

Le coût, l'efficacité et le bruit de fonctionnement ont fait que les premiers systèmes ont été installés uniquement sur les poids lourds. En 1987, Fiat réussit cependant à réaliser une injection directe qui résolvait ces problèmes. Depuis 1967, l'injection électronique a remplacé l'injection mécanique et permis d'améliorer le rendement des moteurs grâce à un calculateur. Celui-ci décide de la durée de l'injection et donc de la quantité de carburant injectée. Le rapport théorique pour le moteur à explosion est de 14,7:1 soit 14,7 parts d'air pour 1 part de carburant. On parle alors de mélange stœchiométrique. En pratique, pour obtenir une combustion idéale et ainsi permettre une économie de carburant, on brûle une proportion d'environ 18:1.

La gestion de l'injection se fait à l'aide d'un E.C.U.(Electronic Control Unit) qui reçoit les informations de divers capteurs ou sondes : enfoncement de la pédale d'accélérateur, température du moteur, de l'air, taux d'oxygène, etc. À partir de ces informations, il agit sur des actionneurs (injecteurs, volets d'admission d'air...).

Avantages - Inconvénients

Consommation

Avec l'utilisation de systèmes à injection, la consommation de carburant diminue en raison de l'amélioration de la précision de la carburation et de la réduction des pertes de charge (plus de venturi). Les variations de la puissance fournie par le moteur sont contrôlées par la quantité de carburant 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.

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 CO₂ des moteurs Diesel sont généralement excessives. Ces moteurs produisent des particules à cause des différences de taille 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. L'injection permet d'homogénéiser le mélange et de limiter ainsi l'effet de pollution de l'air. Dans les moteurs à injection directe diesel de type common-rail, la température locale des zones de réaction est élevée, ce qui entraîne une forte production de NOx très importante. Par conséquent, la production d'oxydes d'azote des moteurs de ce type sans système de re-circulation des gaz brûlés est très élevée.

Principe

Caractéristiques propres

Diesel

Dans les moteurs Diesel, la qualité de la combustion dépend de la pulvérisation du carburant et de l'homogénéité du mélange. Les moteurs doivent 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, 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 car le combustible s'allume avec un certain retard. Le carburant s'accumule lors de son injection sous l'effet de la pression. On peut réduire ce phénomène 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, tandis que la turbulence évite que les gaz brûlés séjournent à proximité de l'injecteur, empêchant le mélange de l'oxygène et du carburant.

Injections

Injection pneumatique

Schéma d'un injecteur

L'injection pneumatique, qui est utilisée notamment sur les moteurs Diesel de navires à carburant lourd est basée sur le principe de propulsion d'un carburant par l'intermédiaire d'air comprimé. L'ensemble se compose d'une pompe à combustible, qui règle le débit d'un compresseur d'air et d'un injecteur-pulvérisateur. Son fonctionnement se divise en 2 étapes : la pompe dose dans un premier temps le combustible et l'envoie à l'injecteur puis dans un second temps, l'aiguille de ce dernier se soulève, le carburant est injecté dans le cylindre et pulvérisé par l'air sous pression fourni par le compresseur.

Injection mécanique

Dans l'injection mécanique, le combustible est injecté et pulvérisé sous l'action de la pression hydraulique : une pompe fournit jusqu'à 1 000 bars de pression pour la pulvérisation. Les injecteurs peuvent être du type à buse ouverte ou à aiguille, celle-ci s'ouvrant automatiquement sous la pression du combustible. Compte tenu des fortes pressions qu'elles doivent produire, les pompes sont de type volumétrique, à pistons axiaux ou plongeants. Le dosage du combustible est obtenu par reflux, durant la phase de compression du piston, de la fraction excédentaire dans l'enceinte d'aspiration (pompes à soupape de reflux). Un autre système de dosage, largement utilisé (surtout sur les diesels rapides), prévoit une variation du reflux, obtenue par la rotation du piston, provoquée automatiquement par le régulateur.

Injection groupée

L'injection groupée : le moteur possède un ou plusieurs injecteurs qui fonctionnent tous ensemble. Il y a une injection par tour de vilebrequin. Le but est de préparer un mélange combustible dans les tubulures d'admission. Finalement, ce système fonctionne comme un carburateur (le mélange admis dans le cylindre est prêt à brûler) mais le dosage est plus précis (dosage entre air et carburant) permettant ainsi l'utilisation d'un catalyseur. La vaporisation se fait au contact des tubulures d'admission qui sont chaudes (circulation d'eau de réfrigération et/ou contact avec la culasse) quand le moteur est en fonctionnement normal. L'injecteur ou les injecteurs sont présents sur les tubulures d'admission mais éloignés de la culasse. Les tubulures d'admission sont longues étant donné que le volume contenu dans la tubulure d'un cylindre doit correspondre au volume total du cylindre.

Dosage

Quantité de combustible

Animation du fonctionnement d'un injecteur

La quantité de combustible à injecter par cycle dépend de l'angle d'ouverture du papillon et de la vitesse du moteur. À partir des années 1970, les dispositifs électroniques sont préférés aux systèmes mécaniques. Ils sont constitués par une série de circuits électroniques qui traitent les signaux provenant des dispositifs sensibles enregistrant les conditions de fonctionnement du moteur et des autres dispositifs de correction, sensibles aux conditions extérieures et aux phases transitoires de chauffage du moteur. Chaque cylindre est équipé d'un interrupteur électrique logé au voisinage de la soupape d'admission. Le testeur, qui relève le stade d'évolution de chaque cylindre du moteur afin d'obtenir que l'ouverture des différents injecteurs électroniques se produise selon une séquence déterminée, est capitale dans ce genre de système.

Régime moteur

Le régime du moteur détermine l'unité de temps pour la fréquence des injections. Cette information est donnée généralement par le capteur PMH (Point Mort Haut). Deux types de capteurs PMH sont employés.

Capteur inductif

Le capteur inductif est constitué d'une bobine enroulée autour d'un aimant. Ce capteur est placé devant une cible, placée généralement sur la couronne du volant moteur, constituée de dents et de trous. Le PMH est repéré sur cette couronne par l'absence de deux dents. Par l'effet d'induction, l'apparition de dents et de trous face à l'aimant produit dans le bobinage du capteur une tension alternative sinusoïdale. Lorsque le point de PMH de la cible passe devant l'aimant, le signal crée une vague particulière. Les avantages de ce type de capteur sont qu'il est peu coûteux et ne nécessite pas d'alimentation. Les inconvénients sont la présence de parasites importants sur le signal et le manque de précision à faible vitesse, puisque l'amplitude de la tension augmente avec le régime.

Capteur à effet Hall

Le capteur à effet Hall est plus élaboré. Il est muni d'une plaquette de Hall, d'un circuit électronique et d'un aimant permanent. Cette plaquette alimentée par le circuit est traversée perpendiculairement par le champ magnétique de l'aimant. Lorsqu'une dent se présente devant la plaquette, les électrons qui la parcourent sont déviés par la variation du champ magnétique, ce qui crée une tension de l'ordre de quelques millivolts. Le circuit amplifie et transforme ce signal en un signal carré directement exploitable par le calculateur. L'amplitude de la tension de sortie est constante à tout régime, ce qui lui permet de fonctionner avec de faibles vitesses de rotation et d'être plus précis et moins sensible aux parasites que le capteur inductif. Il est plus coûteux que le capteur inductif.

Circuit d'injection

Le circuit d'injection est un composant indispensable d'un moteur à combustion interne moderne, dont la fonction est d'introduire dans les cylindres le combustible essentiel à la combustion.

Le circuit d'alimentation

Sa fonction est d'alimenter en carburant le système à une pression prédéterminée. Les composants du circuit d'alimentation sont le réservoir, le décanteur, la pompe d'alimentation et le filtre. Le circuit d'alimentation est un circuit à basse pression.

• Le réservoir stocke le carburant liquide.
• La pompe d'alimentation alimente la pompe d'injection en combustible sous pression, elle est précédée d'une crépine incorporée au réservoir qui permet de pré-filtrer le combustible. Il existe deux types de pompe d'alimentation:
  • Pompe à piston pour une pompe d'injection en ligne (0.8 à 1.2 bar)
  • Pompe à membrane pour une pompe d'injection rotative (0.2 à 0.4 bar)
• Ces deux types de pompes sont auto-régulatrices. elles sont suivies d'un filtre permettant de fournir au système d'injection un carburant propre.

Le circuit d'injection

Sa fonction est le dosage et la distribution, en fonction de la vitesse et de la charge du moteur. Il doit aussi introduire, pulvériser et répartir le combustible dans les cylindres au meilleur moment. Les circuits d'injection peuvent se diviser en deux grandes catégories :

Injection classique

Ce circuit d'injection est un circuit à moyenne pression (100 / 250 bars) organisé comme suit :

• Pompe d'injection;
• Tuyauteries d'injection.

Injection HP rampe commune

Ce circuit d'injection est un circuit à haute pression organisé comme suit :

• Pompe à haute pression (1 600-2 000 bars);
• Tuyauteries d'injection ;
• Injecteurs commandés individuellement par un calculateur.

Injection HP injecteur pompe

• Régulateur de pression ;
• Tuyauteries d'injection ;
• Injecteurs pompes commandés individuellement par un calculateur.

Le circuit de retour

Il permet la récupération du carburant excédentaire ou des fuites des deux précédents circuits. Le combustible retourne par un tube basse pression au réservoir. Sur les injecteurs des systèmes d'injection directe Diesel, une partie du carburant est utilisée pour commander hydrauliquement la levée de l'aiguille. Lors de l'ouverture de l'injecteur, un débit de commande est donc créé, lequel est évacué dans le circuit de retour. Il ne s'agit donc pas à proprement parler d'un débit de fuite, mais d'un retour de carburant associé au fonctionnement normal de l'injecteur. Toutefois, cette circulation ayant pour effet de réchauffer le carburant et, donc réduire sa masse volumique. Il est donc nécessaire de limiter ce débit de retour, considéré comme une fuite, au minimum.

Pompes d'injection

En mécanique, les pompes d'injection sont des éléments très importants des circuits d'injection. Elles permettent la mise en pression, le dosage et la distribution du combustible vers les injecteurs.

Histoire

Tout le monde sait que les moteurs Diesel sont économiques et durent normalement un peu plus longtemps que les moteurs à essence, mais peu de gens savent que c'est Robert Bosch qui a permis l'application du Diesel à l'industrie avec la création de la pompe à injection.

En 1895, Rudolf Diesel (1858-1913) présente pour la première fois son moteur à allumage par compression. Ce moteur consomme beaucoup moins de carburant que le moteur à explosion qui, à cette époque, avait déjà fait ses preuves. Cette invention est rapidement associée aux moteurs de bateaux et aux moteurs stationnaires. À cette époque, le point faible du moteur Diesel était son alimentation en carburant. Le procédé mis en place par M. Diesel, qui consistait à envoyer du carburant dans la chambre de combustion en utilisant de l'air comprimé, n'était pas approprié aux grandes vitesses de rotation du moteur. En conclusion, pour cette "pompe à air", alimenter le moteur pour atteindre des vitesses de rotation élevées était mission impossible.

À la fin de 1922, Robert Bosch (1861-1942) a entrepris la mise au point d'un système d'injection pour les moteurs Diesel. remplaçant la "pompe à air" de M. Diesel par une "pompe à injection". Ce travail fut achevé durant l'été 1925 et les premières "pompes à injection" ont été fabriquées en série dès 1927. Le moteur Diesel peut maintenant atteindre des régimes élevés grâce à la pompe de M. Bosch.

Il existe deux types de pompes d'injection, en ligne et rotatives.

Pompe d'injection en ligne

La pompe est composée :

• d'un carter en alliage d'aluminium comportant des perçages raccordés au circuit d'alimentation et au circuit de retour,
• des éléments de pompage ; il y en a autant que de cylindres à alimenter, ils sont animés par un arbre à cames,
• des sorties hautes pressions qui permettent le raccordement des tuyauteries,
• de l'ensemble de régulation qui ajuste le débit selon la vitesse et/ou la charge.

Les éléments de pompage sont constitués :

• d'un arbre à cames et de poussoirs à galets qui assurent la mise en mouvement du piston,
• du piston et de sa chemise qui mettent le combustible en pression,
• du ressort comprimé entre deux coupelles qui maintient le piston en pression,
• d'un couple crémaillère-pignon de réglage qui permet le dosage du combustible,
• du clapet de décharge qui maintient une pression dans le circuit.

Pompe d'injection rotative

Contrairement à la pompe d'injection en ligne, elle n'est composée que d'un seul élément de pompage qui refoule le combustible dans une tête hydraulique munie d'autant de sorties que de cylindres à alimenter. Toutes les pièces d'une pompe rotative sont enfermées dans un carter étanche et sont lubrifiées par le combustible.

Injection 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 moteurs. Les systèmes d'injection directe Diesel utilisent largement l'électronique pour déterminer la quantité de carburant introduite dans la chambre de combustion. L'injection directe apporte une économie de carburant en n'injectant le carburant qu'aux endroits où la combustion aura une efficacité maximale.

En pratique, l'économie n'est obtenue que pour un moteur en charge partielle. Dans ces conditions, le carburant est injecté de façon à obtenir un mélange idéalement riche (stœchiométrique) dans un volume où l'utilité est optimale, et se trouve en mélange pauvre dans le reste du cylindre. L'obtention de la forme idéale est favorisée par une pression intérieure supérieure à la pression atmosphérique, d'où la généralisation de l'utilisation conjointe d'un système de compression de gaz à l'admission et de l'injection directe. Cette combinaison n'a pas le même succès sur les moteurs à allumage commandé, en raison du besoin de gérer en sus des émissions de NOx.

Vue de la rampe d'injection à haute pression d'un moteur de camion Volvo D7E.

Injecteur Bosh common rail.

Caractéristiques

Sa caractéristique réside dans la présence d'un unique conduit à haute pression, entre 300 et 1 700 bars à pleine charge, pour l'alimentation du combustible dans les cylindres. Dans les moteurs précédents à injection directe, une pompe à basse pression alimentait les injecteurs ou des conduits à haute pression jusqu'aux soupapes contrôlées par un arbre à cames. La troisième génération de moteurs Diesel common rail utilise des injecteurs piézoélectriques qui permettent de contrôler très précisément la quantité et la chronologie de l'injection du carburant dans chaque cylindre à une pression qui peut aller jusqu'à 2 000 bars, voire au-delà.

Les soupapes solénoïdes ou piézoélectriques permettent un contrôle électronique de la durée de l'injection ainsi que la quantité exacte de combustible à utiliser. De plus, la haute pression permet une meilleure répartition du nuage de combustible dans chaque cylindre. Pour réduire le bruit de fonctionnement du moteur, une infime quantité de combustible est injectée avant l'injection principale. Cette solution appelée pré-injection, permet au carburant de commencer à brûler en un point particulier de la chambre de combustion, à la différence des moteurs diesel traditionnels dans lesquels on avait plusieurs points d'allumage non maîtrisés. De ce fait, les moteurs équipés du système common rail sont plus silencieux et ne connaissent plus de pics de pression en obtenant une combustion beaucoup plus régulière, et permettent une nette diminution des émissions de gaz non brûlés et de la consommation d'environ 15 % avec une hausse des prestations de 12 %. Le système de pré-injection donne au common rail un aspect beaucoup plus semblable aux moteurs à allumage commandé.

Histoire du common rail

Des moteurs avec un principe antérieur au common rail ont été utilisés, dans le passé, dans les moteurs marins et ferroviaires, sur certaines locomotives. Le moteur Cooper-Bessemer GN-8 de 1942 est l'exemple type du moteur diesel common rail hydraulique le plus connu. Le principe du moteur Common rail à injection directe a été développé par des chercheurs de l'École polytechnique de Zurich à partir des années 1930, mais il n'avait jamais été essayé sur des moteurs de petite cylindrée. Une pompe, indépendamment du régime de rotation du moteur, injecte du gasoil sous forte pression à l'intérieur d'un conduit, le common rail ou collecteur, qui devient un accumulateur hydraulique c'est-à-dire un réservoir de carburant sous pression prêt à être injecté dans les cylindres du moteur.

Le développement du common rail moderne a débuté en 1981 dans le centre de recherche de Renault VI en coopération avec Renault SA, le premier véhicule de série équipé d'un common rail est le R340 de Renault VI (en 1991). La pré-industrialisation du système Common rail a débuté en 1990 dans les laboratoires communs de recherche et développement des sociétés Magneti-Marelli, Centre de recherche Fiat et Elasis. Profitant des recherches et expériences précédentes du Groupe Fiat, une licence a été cédée au mois d'avril 1994 à la société allemande Robert Bosch GmbH pour sa fabrication et sa commercialisation à grande échelle.

Description

Schéma d'un système d'injection directe diesel à rampe commune.

Un système d'injection directe diesel à rampe commune est composé :

• d'une pompe à carburant basse pression, dite de gavage, indépendante du moteur alimentée en 12 V, qui aspire le carburant dans le réservoir pour l'amener au système d'injection,
• d'une électrovanne située entre la pompe à carburant et la pompe haute pression, et qui contrôle le débit de carburant,
• d'une pompe haute pression entraînée par le moteur et qui alimente la rampe commune en carburant,
• d'un limiteur de pression à tarage mécanique ou piloté, qui contrôle la pression dans la rampe commune,
• d'un accumulateur hydraulique, appelé rampe commune, qui constitue une réserve de carburant sous haute pression pour les injecteurs,
• d'un injecteur par cylindre, jouant le rôle de valves pilotées électrohydrauliquement,

Cet ensemble est commandé par :

• un capteur de pression dans la rampe commune,
• un capteur de température de carburant,
• un calculateur électronique d'injection (communément appelé ECU pour Electronic Control Unit en anglais) pilotant les actionneurs : les injecteurs, l'électrovanne de contrôle du débit et éventuellement le tarage du limiteur de pression, à partir des informations mesurées par les capteurs.

Le calculateur d'injection utilise les informations issues des capteurs du moteur :

• position de la pédale d'accélération,
• pression d'air dans le collecteur d'admission,
• température et débit de l'air à l'admission,
• température d'eau dans la culasse,
• régime moteur et position angulaire mesurée sur l'arbre à came et/ou sur le vilebrequin,
• ainsi qu'éventuellement l'accélération mesurée sur le bloc cylindre.