Vous avez peut-être lu ou entendu l’un de vos éditeurs de technologie automobile préférés parler de l’injection directe d’essence et de la façon dont c’est l’une des « grandes technologies » qui aide à maintenir en vie le moteur à combustion interne vieux de près de 200 ans jusqu’au 21e siècle. Dans le numéro de cette semaine de l’ABC de Car Tech, je vais vous expliquer ce qu’est l’injection directe d’essence et pourquoi vous devriez vous soucier de savoir si c’est dans le moteur de votre prochaine voiture ou non.
Comment l’injection de carburant a-t-elle fonctionné avant l’injection directe?
Le moteur à combustion interne à essence moderne (ICE) a besoin de trois éléments pour faire tourner son vilebrequin: de l’air oxygéné, du carburant et une étincelle pour faire exploser l’air et le carburant. L’air est aspiré à travers l’admission où il est mesuré par le capteur de débit d’air massique (CRG) de la voiture avant de passer au collecteur d’admission où le trajet d’admission unique est divisé en quatre à huit canaux d’admission, chacun menant à l’une des chambres de combustion cylindriques de votre véhicule. Quelque part le long de la ligne, la charge d’admission est mélangée avec du carburant avant que la bougie ne fasse tout exploser à l’intérieur de la chambre de combustion. C’est tout ICE 101 pour la plupart d’entre vous, j’en suis sûr.
Dans les temps anciens de la technologie des moteurs, les carburateurs et les systèmes d’injection de carburant à point unique mélangeaient l’air et le carburant de manière relativement imprécise dans ou même avant le collecteur d’admission, ajoutant à peu près la bonne quantité de carburant pour toute la batterie de cylindres. Pour la plupart, chaque chambre de combustion avait ce dont elle avait besoin. Cependant, selon la conception du collecteur d’admission, cette approximation pourrait faire en sorte que les cylindres les plus proches du carburateur ou de l’injecteur de carburant reçoivent un peu trop de carburant (fonctionnement riche) tandis que les cylindres les plus éloignés en reçoivent un peu trop (fonctionnement maigre). Un accordeur de carburateur qualifié (ou un ordinateur de moteur intelligent) pourrait empêcher les choses de devenir incontrôlables, mais même le meilleur accord était limité par la conception du collecteur d’admission.
La grande majorité des voitures modernes utilisent une configuration d’injection de carburant multipoint (MPFI) (également connue sous le nom d’injection de port). Voici comment cela fonctionne: plutôt que d’utiliser un injecteur qui pulvérise la bonne quantité de carburant, chacun des canaux d’admission individuels a son propre injecteur (ou injecteurs) qui ajoute un jet de carburant aérosol à l’air d’admission d’un injecteur sous pression. Le mélange d’air et de carburant est aspiré dans l’orifice ouvert et dans la chambre de combustion par le piston de recul. La soupape d’admission se ferme alors et la combustion explosive se produit dans le cylindre maintenant scellé.
Pour la plupart, MPFI est très bien et dandy. Il est certainement beaucoup plus efficace que les anciens systèmes carburés et SPFI grâce à sa capacité à ajuster la quantité de carburant ajoutée à l’admission pour chaque cylindre individuel, égalisant les cylindres autrefois maigres et riches aux extrémités du collecteur, améliorant la production d’énergie et réduisant le gaspillage de carburant. Alors, pourquoi réparer ce qui n’est effectivement pas cassé?
Comment l’injection directe améliore-t-elle les performances ?
Vous avez peut-être remarqué que pendant les sauts de carburation à SPFI à MPFI, le point auquel le carburant est ajouté à la charge d’admission s’est déplacé d’avant le papillon des gaz vers le collecteur d’admission et vers les coureurs d’admission individuels closer de plus en plus près de la chambre de combustion. L’injection directe fait passer cette évolution au niveau supérieur en plaçant l’injecteur à l’intérieur de la chambre de combustion. En déplaçant l’injecteur dans la chambre de combustion, l’injection directe d’essence (GDI) gagne quelques avantages par rapport aux systèmes précédemment discutés.
En plaçant l’injecteur à l’intérieur du cylindre, l’ordinateur du moteur obtient un contrôle encore plus précis de la quantité de carburant pendant la course d’admission, optimisant davantage le mélange air / carburant pour créer une explosion en combustion propre avec très peu de carburant gaspillé et une puissance accrue.
Un système GDI a également plus de flexibilité quant au moment où le carburant est ajouté dans le cycle de combustion. Les systèmes MPFI ne peuvent ajouter du carburant que pendant la course d’admission du piston, lorsque la soupape d’admission est ouverte. GDI peut ajouter du carburant chaque fois qu’il en a besoin. Par exemple, certains moteurs GDI peuvent ajuster le calage de sorte qu’une plus petite quantité de carburant soit injectée pendant la course de compression, créant une explosion contrôlée beaucoup plus petite dans le cylindre. Ce mode de combustion dit ultra lean sacrifie un peu de puissance pure et simple, mais réduit considérablement la quantité de carburant utilisée pendant les périodes où le véhicule nécessite très peu de grognement (ralenti, cabotage, décélération, etc.).
Les moteurs GDI réagissent également plus rapidement à ces changements de synchronisation et de quantité d’ajout de carburant, augmentant ainsi la maniabilité. De plus, le véhicule est capable de s’ajuster plus rapidement en fonction des entrées des capteurs situés en aval de la chambre de combustion, ce qui permet de contrôler les émissions polluantes sortant du tuyau d’échappement.
Certains constructeurs automobiles ont même expérimenté l’utilisation de GDI pour tirer une rafale supplémentaire de carburant dans le cylindre pour créer une explosion secondaire pendant le cycle de combustion, ce qui pourrait augmenter encore la puissance et l’efficacité.
Voici un fait amusant: la technologie d’injection directe n’est pas vraiment aussi nouvelle que vous le pensez. La technologie existe depuis les années 1920 pour les moteurs à essence et est en fait déjà utilisée dans la plupart des moteurs diesel.
Y a-t-il des inconvénients potentiels à GDI?
Vous demandez peut-être: « Si GDI est si génial, pourquoi n’est-ce pas dans chaque nouvelle voiture? »
Une partie de la raison est que la fabrication d’un moteur à injection directe est plus coûteuse en raison de la complexité des composants, ce qui signifie que la voiture que le moteur alimente éventuellement serait également plus chère à acheter. Par exemple, les injecteurs d’un moteur GDI doivent être plus robustes que les injecteurs à orifices afin de résister à la chaleur et à la pression de centaines (voire de milliers) de petites explosions par minute. De plus, comme un système GDI doit pouvoir injecter du carburant dans une chambre de combustion sous pression, les conduites de carburant alimentant l’essence doivent être encore plus compressées. Les systèmes de carburant GDI peuvent fonctionner à plusieurs milliers de psi contre les 40 à 60 psi des systèmes d’injection de ports.
Le prix de ces composants est en baisse, mais généralement et pour l’instant l’injection de port est moins chère et « assez bonne » pour la plupart des voitures économiques.
De plus, certains propriétaires et responsables de la maintenance de moteurs GDI (en particulier les modèles turbocompressés plus performants) ont signalé que les systèmes à injection directe constatent une accumulation accrue de carbone à l’arrière de leurs soupapes d’admission, ce qui réduit le débit d’air et les performances au fil du temps. Une recherche rapide sur Google donne page après page des rapports anecdotiques de ce problème. L’accumulation se produit parce que dans la plupart des voitures, l’air d’admission est franchement un peu sale — même avec des filtres à air en place, des systèmes modernes de recirculation des gaz d’échappement et des systèmes d’évent de carter peuvent ajouter un peu de boue à la charge d’admission — et sans injecteurs d’orifice pulvérisant de l’essence (et les détergents qu’il contient) sur les soupapes, les choses peuvent devenir assez sales au cours de plusieurs milliers de kilomètres.
L’injection directe fonctionne bien avec d’autres technologies de moteur
Les constructeurs automobiles trouvent toutes sortes de nouvelles façons d’affiner davantage le moteur à combustion interne à l’aide de la technologie d’injection directe. Par exemple, certains constructeurs automobiles (dont Ford, Audi et BMW) utilisent GDI en combinaison avec un turbocompresseur pour créer des moteurs à faible cylindrée qui obtiennent un faible rendement moteur avec une grande puissance.
Toyota propose son système d’injection de carburant D-4S depuis plusieurs années avec certains modèles de son moteur V-6 de 3,5 litres. Le D-4S utilise une combinaison d’injection directe et d’injection de port pour mélanger les meilleures caractéristiques des deux systèmes. Comme il est expliqué dans cet article de Wards Auto, le système d’injection de port gère un démarrage propre, l’injection directe gère l’accélération à pleine charge et les deux systèmes fonctionnent en tandem pour équilibrer tout le reste. Ce système D4-S est également utilisé sur le quatre cylindres boxer de 2,0 litres qui alimente la Scion FR-S et la Subaru BRZ.