Injection directe essence

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Bientôt un carburant unique ?
(Yves Martin, l'Argus de l'Automobile, 5.8.2004)

Pour lutter contre la pollution, les moteurs à essence et Diesel sont contraints d'évoluer. Cette transformation passe par la modification des types de combustion qui pourrait déboucher sur l'utilisation d'un carburant unique.

Depuis plus d'un siècle, le moteur à explosion n'a pas changé, et les deux systèmes, essence et Diesel, n'ont jamais été transformés dans leur principe de base. Seules les fonctions annexes ont été modifiées grâce aux progrès techniques et à grands renforts d'électronique. Mais il semblerait que l'on arrive dans une phase critique qui, sans déboucher sur une impasse, devrait chambouler les acquis.
Désormais, on parle de combustion par auto-inflammation contrôlée (CAl) pour les moteurs à essence, et de combustion homogène ou HCCI (homogeneous charge compression ignition) pour le Diesel.
Ces deux types de combustion, très proches l'un de l'autre, devraient considérablement changer la donne en matière d'environnement.
Un pas décisif vers la voiture de demain, encore plus propre et plus économique, va être franchi. En outre, la combustion homogène permet de réduire les coûts du post-traitement des gaz d'échappement.

Quinze ans de recherche.

Ces techniques font l'objet de travaux de recherche dans le monde entier, en particulier à l'institut français du pétrole (IFP), où des études sont menées depuis quinze ans. Les premières applications, pour l'instant très limitées, font d'ores et déjà leur apparition sur le marché.
Dans le domaine du Diesel, Toyota a présenté le procédé Unibus qui permet, dans certaines plages d'utilisation, de réduire significativement le niveau d'oxydes d'azote (NOx) par rapport à un Diesel conventionnel.
Une autre piste prometteuse est explorée par Fiat : une distribution variable (Uniair), à pilotage électrohydraulique, ajoutée à son système d'injection common rail multijet. Cette association se traduit par un moteur beaucoup plus flexible et plus efficace qui apparaîtra très prochainement sur le marché.
Des adaptations seront toutefois nécessaires pour introduire les stratégies de combustion homogène.
En ce qui concerne l'essence, Honda a déjà ouvert la voie en utilisant la combustion par auto-inflammation (CAI) sur les moteurs de moto à deux temps.
Pour les applications de moteur automobile (à quatre temps), l'IFP a montré que l'introduction de la CAI était liée à l'apparition de nouvelles techniques, comme l'ouverture variable des soupapes. Si le pilotage électromagnétique des soupapes se révèle être la solution (elle fonctionne déjà en compétition), cette technique ne peut toutefois pas fonctionner sans l'introduction de l'alimentation électrique sous 42 volts.

Fin de la pollution.

Toutes ces solutions pourraient contribuer à réduire les défauts des moteurs en matière de pollution.
Equipée d'une distribution variable et de la technique du CAl développée avec l'institut, une Ford 1,7 Zetec 16V peut ainsi revendiquer sur certains points de fonctionnement une diminution de 99 % des NOx, et un gain de consommation pouvant atteindre jusqu'à 30 % !
Avec des perspectives de percée très nette des procédés de combustion CAI et HCCI vers 2010, le débat de l'essence et du Diesel face aux énergies de substitution, gaz et hydrogène, pourrait être relancé.
Les premières applications en série pour l'Europe sont attendues d'ici à cinq ans.
Pierre Duret, directeur adjoint moteurs énergie de l'institut français du pétrole a rappelé que "l'IFP propose d'aider les constructeurs, équipementiers et pétroliers intéressés à accélérer la mise en oeuvre de ces nouvelles techniques, en travaillant dans le cadre de projets bilatéraux ou de consortiums internationaux."

Carburant unique.

Il reste toutefois à régler le problème des carburants, dont la qualité ne répond pas forcément aux exigences de la combustion homogène. Les experts préconisent la formulation de nouvelles versions plus adaptées à ces nouveaux procédés de combustion. Ainsi, la distinction entre les moteurs à essence et Diesel devient de moins en moins nette. Les moteurs à essence CAI et Diesel HCCI se rapprochent à la fois en termes de caractéristiques géométriques (par exemple le taux de compression) et de niveaux de rendement et d'émissions.
Si l'utilisateur ne se rendra pas forcément compte du changement intrinsèque au moteur, il le verra au niveau des pompes d'approvisionnement qui ne proposeront alors plus qu'un seul carburant.
En ce qui concerne les raffineurs et les réseaux de distribution, d'autres problèmes se poseront alors. Ce qui risque de retarder l'entrée en service de ces nouveaux moteurs.

Principe du moteur NADI

Le procédé actuellement à l'étude à l'institut français du pétrole est le moteur Nadi (narrow angle direct injection), un moteur à l'injection à angle réduit.
Ce dernier utilise un système de combustion constitué d'un injecteur dont l'angle d'injection est très fermé : 60° au lieu des 102° utilisés traditionnellement dans les moteurs actuels.
Cet angle permet d'éviter au carburant d'aller toucher les parois du cylindre - ce qu'on appelle le mouillage -, au détriment d'une bonne homogénéisation dans l'air en empêchant la dilution du carburant dans l'huile moteur.
Plusieurs contrats de développement du concept Nadi ont été conclus avec des constructeurs d'automobiles français et étrangers.
Le système est actuellement en phase d'évaluation dans plusieurs programmes européens.
Par exemple, le système HY-Space, adapté aux motorisations des poids lourds, est un projet piloté par l'institut français du pétrole.
Il bénéficie également de la participation de plusieurs constructeurs.

Injection d'essence Siemens PDI (piézo-électrique)
(Elodie Lamboley, l'Argus de l'Automobile, 6.5.2004)

Alors que l'injection directe d'essence est loin d'avoir fait ses preuves en termes d'économie de carburant, Siemens VDO Automotive présente un nouveau système, plus économique, fondé sur la technique piézo-électrique.
Frédéric Saint-Geours, patron de Peugeot, l'a confirmé lors des essais de la 407, la marque au lion a décidé d'abandonner le HPI, son moteur à injection directe d'essence. A l'origine, les constructeurs ayant opté pour ce type de motorisation promettaient une baisse de la consommation de carburant de 20 %. Toutefois, pour obtenir un tel résultat, il fallait rouler à une allure moyenne comprise entre 80 et 90 km/h... et éviter les accélérations !
Paradoxalement, l'équipementier allemand Siemens VDO Automotive vient de lever le voile sur un nouveau système d'injection direct d'essence, transposition de sa technique piézo Diesel. Ce système, dit stratifié, avait été lancé par Mitsubishi sous l'appellation GDI.
Pour sa part, Siemens a commencé par fournir Renault en 1999 avec l'injecteur XL1, première génération de SDI (solenoid direct injection). L'imperfection du système est essentiellement due aux systèmes de combustion utilisés jusqu'à présent.

L'injecteur est placé avant la soupape d'admission,
le mélange avec l'air se fait dans le collecteur d'admission.
Ici, le carburant est injecté dans la chambre de combustion
et le piston "le renvoie" vers la bougie en la mélangeant avec l'air.

Le carburant injecté sur le côté du cylindre arrive sur la bougie d'allumage en étant guidé par la paroi du cylindre et la tête du piston, de forme concave. Un nuage de mélange air et carburant remplit environ la moitié du cylindre, l'autre moitié étant de l'air. Le fonctionnement à charge stratifiée, qui consiste à disposer une petite quantité de mélange inflammable à proximité immédiate de la bougie n'est possible que dans un nombre limité de situations de conduite.
A cela s'ajoute la nature de l'actionneur lui-même, qui est un solénoïde. Il offre une pression comprise entre 100 et 120 bars.
De plus, son fonctionnement est relativement lent, de l'ordre dune milliseconde. Ce manque de rapidité tient à la technologie utilisée pour l'actionneur : le noyau du solénoïde est aspiré de façon magnétique, et sa détente provoque l'injection.
Autre écueil, la température élevée peut cuire les résidus d'essence et boucher les injecteurs dont l'ouverture est ronde. L'avantage néanmoins est que ce système n'est pas très cher.

La nouvelle architecture du système d'injection directe par Siemens VDO.
L'injecteur pulvérise le carburant très près de la bougie.
Avec la Deka VII, la pulvérisation du carburant est
très fine et précise.

L'injection directe piézo-électrique (PDI) remédie à ces problèmes du fait même de son architecture. L'injecteur est ainsi placé à la verticale du cylindre, très proche de la bougie. Pour obtenir une combustion propre, la pulvérisation du carburant doit être très fine. La pression de l'injection se monte à 200 bars, et le diamètre des gouttelettes d'essence n'est que de 15 millièmes de millimètre. En outre, la buse de l'injecteur s'ouvre vers l'extérieur. La forme de l'ouverture ressemble alors à une fente, ce qui, d'une part, évite la carbonisation et, d'autre part, assure la formation d'un nuage de mélange à proximité de la bougie.
La pression est donc plus forte qu'avec le système précédent. L'injection ne prend que 0,2 millisecondes car l'actionneur en céramique est solide et dur.
Le tout est piloté par un logiciel, qui contient un modèle du comportement moteur. Il évite les soubresauts du moteur en phase d'accélération car il ferme le papillon à moitié pendant une demi-seconde. Le mélange à l'intérieur du cylindre devient homogène. On récupère du couple et le conducteur ne subit aucune sensation désagréable.

Les tests comparatifs avec des blocs à injection indirecte montrent que la consommation de carburant peut être réduite jusqu'à 20 %.
Le PDI étant plus onéreux que le SDI, il apparaîtra en premier lieu sur les moteurs de haut de gamme. La première application est prévue pour 2006.
Selon Siemens VDO, seuls les équipementiers maîtrisant la technique piézo-électrique pourront tirer leur épingle du jeu au niveau de l'injection directe d'essence.
L'autre acteur est Bosch, avec son système DI Motronic qui prévoit une économie de carburant de 15 % et qui sera prêt pour la production en 2005.
Les deux équipementiers se partageant le marché de l'injection directe "ancienne génération", il y a de fortes chances qu'il en soit de même pour le piézo-électrique. Quoi qu'il en soit, le client sera le seul juge de l'efficacité de ces innovations.


La nouvelle génération d'injecteurs d'essence piézo-électriques Deka VII
est disponible en cinq variantes.