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L'injection directe essence



par François Dovat

SECRET D'ETAT

Le 28 octobre 1939 un Heinkel 111 abattu près d'Edimbourg se posa avec peu de dommages. Un de ses V12 inversé Junkers Jumo 211A fut entièrement démonté cependant que l'autre passait au banc d'essai chez Rolls-Royce. Le secret de l'injection directe allemande était percé.[1] Durant toute la guerre elle permit aux avions allemands d'égaler les performances de ceux des alliés tout en consommant moins, malgré une essence à 87 d'octane contre 100-130. D'onéreuses pompes à piston analogues à celles des diesels étaient utilisées.

Les Daimler-Benz de 1939-45 utilisaient une pompe Bosch en ligne. Ce DB 601 d'un Messerschmitt 109 (ci-dessus) est exposé au Musée Suisse des Transports à Lucerne.

Mercedes reprit le système en 1954 pour les W196 de F1 et les 300 SLR ainsi que pour les 300 SL. Sur les deux premières l'injecteur était désormais logé dans la paroi du cylindre, si bien qu'il était protégé des hautes pressions par le flanc du piston. Mais dès 1952 les petites 2 temps Goliath et Gutbrod étaient déjà livrables en version injection directe.

Toutefois l'injection indirecte dans la tubulure d'admission (d'abord intermittente puis continue) prit le dessus en raison de son coût inférieur. On revient actuellement à la variante directe car la technique common-rail a diminué son prix et permet de procéder à l'injection soit pendant la course d'aspiration, soit en fin compression afin de stratifier la charge, soit en combinaison des deux méthodes. Le moteur Otto bénéficie donc à nouveau d'un système d'injection développé pour les diesels.

CHARGE STRATIFIEE

Il s'agit de confiner un mélange d'air et d'essence en proportions inflammables (~ 14,7 : 1) près de la bougie. Pour cela, on crée généralement une turbulence de l'air aspiré qui persiste durant la compression. L'essence est alors injectée de façon à obtenir un noyau de mélange entouré de strates d'air et de gaz résiduels qui limitent le transfert de chaleur aux parois. On peut de ce fait contrôler la puissance comme dans un diesel par le volume injecté plutôt qu'en étranglant l'admission, ce qui diminue les pertes par pompage. Le moteur tourne ainsi à bas régime et charge partielle en consommant jusqu'à 40% de moins au ralenti. Mais la combustion en mélange pauvre génère des températures de combustion élevées qui favorisent la formation d'oxydes d'azote (NOx). Un catalyseur 3 voies ne pourrait les réduire qu'en fonctionnement stœchiométrique homogène (14,7 :1), si bien que la dépollution des gaz devient particulièrement complexe et comprend habituellement un catalyseur de stockage. Lorsqu'il est saturé, le mélange pauvre cesse pour quelques secondes, ce qui permet la réduction des NOx stockées. D'autre part on s'efforce de réduire les émissions brutes de NOx à la source en recyclant un maximum de gaz d'échappement (EGR).

A gauche, injection en fin de compression pour stratifier la charge. A droite, injection pendant l'admission pour un fonctionnement en mode homogène. Le piston comporte une cavité spécifique (Mitsubishi).

A partir d'une certaine demande de puissance, l'essence est injectée pendant l'aspiration pour un fonctionnement en mode homogène. La vaporisation du carburant dans la chambre refroidit la charge, ce qui améliore le remplissage et permet d'adopter un taux de compression plus élevé, d'où un rendement légèrement meilleur à pleine charge aussi. De plus, aucun imbrûlé ne passe directement dans l'échappement lors du croisement de l'ouverture des soupapes, croisement que l'on peut dès lors augmenter à volonté grâce à un calage variable de l'arbre à cames d'admission pour obtenir un EGR intégré.

Le concept de Mitsubishi(GDI) partagé par PSA (HPi, ci-contre) comporte des canaux d'admission logés entre le V des soupapes afin de créer une turbulence verticale inversée de l'air aspiré.

VW (FSI 1.6) : la turbulence est crée par des séparations horizontales dans les conduits d'admission, qui sont fermées ou ouvertes par des clapets selon le mode de fonctionnement (ci-contre). La ligne d'échappement (ci-dessous) comporte 2 catalyseurs refroidis par prise d'air dynamique.

Le Renault IDE à injection directe par rampe commune (ci-dessous) ne peut pas fonctionner en charge stratifiée, ce qui simplifie, entres autres problèmes, l'épuration de ses gaz d'échappement. Pour diminuer les pertes par pompage en charge partielle, il utilise un fort taux d'EGR.

La forme tourmentée des pistons du nouvel Audi 2.0 FSI (ci-contre) dirige le jet d'essence contre la bougie. Mais elle accroît considérablement le transfert thermique, ce qui impose une segmentation adaptée.

La plupart des constructeurs ont des moteurs à injection directe en projet et un certain nombre sont déjà commercialisés, malgré les grandes difficultés rencontrées tant pour l'épuration des gaz d'échappement que pour la tenue des segments de tête. Toyota et Renault ont renoncé à la stratification de la charge si bien qu'ils ont pu conserver des pistons plus ou moins plats. Chez Alfa-Roméo, une solution intermédiaire utilise l'impulsion de vaporisation du jet d'essence pour diriger un mélange turbulent vers la bougie. Le JTS 2.0 peut ainsi fonctionner en mélange pauvre jusqu'à 1500 tr/min, contre 3000 - 3500 pour ses concurrents. L'architecture de la culasse, des pistons et de l'échappement demeure conventionnelle et le moteur atteint 82 ch/l.

L'injection directe par rampe commune sous des pressions de 50 à 130 bars, pourrait favoriser l'expansion du 2 temps, car son balayage s'effectuerait en air pur fourni par un compresseur, la lubrification étant assurée sous pression.

L'Alfa-Roméo 2.0 JTS utilise la charge stratifiée jusqu'à 1500 tr/min seulement mais l'injection directe lui procure un gain de rendement sur toute la plage d'utilisation. Un catalyseur 3 voies lui suffit.

Le nouveau 4 cylindres à compresseur Mercedes M271 DE bénéficie lui aussi de l'injection directe et de la stratification de la charge.

(© François Dovat)
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