Partie B5 : Injection directe d'essence (IDE)

Le concept de l'injection directe d'essence n'est pas nouveau. Les premiers brevets ont été déposés entre 1925 et 1938. Sa mise au point nécessite, en théorie, la maîtrise de l'aérodynamique du cylindre. Le but est d'amener le nuage d'essence vaporisée dans le cylindre près de la bougie au bon moment afin de réduire la quantité d'essence injectée dans le cylindre.


I. Présentation bibliographique

A. Généralités

1. Principe de fonctionnement

2. Importance de l'aérodynamique

B. Structure du spray en sortie d'injecteur

C. Dispositif d'allumage et de combustion

D. Avantages et inconvénients

1. Consommation

2. Efficacité du moteur

3. Pollution

4. Complexité du problème

II. Modélisation numérique


A. Généralités

  1. Principe de fonctionnement

Dans les moteurs à injection directe, le fuel est directement injecté dans la chambre où il est atomisé par les fortes pressions d'injection que peuvent engendrer les injecteurs (entre 50 et 100 bars). Le taux de compression de tels moteurs reste identique à celui des moteurs à essence. Le mode de combustion du mélange air-fuel est du type flamme de diffusion en écoulement turbulent. Le mélange est stratifié car certaines portions de la zone de combustion sont composées de particules de combustible alors que d'autres ont une forte proportion d'air. Le point d'allumage doit être situé à un endroit où les réactifs sont présents en quantités suffisantes pour que la réaction ait lieu. Cette position peut être partiellement contrôlée par le design de la tête du piston.

Moteur à injection directe essence (GDI) / Moteur essence classique(PFI)

 2. Importance de l'aérodynamique

Le but d'un piston de moteur à injection directe d'essence est de savoir amener le nuage de gouttelettes de fuel vers la bougie au moment de l'allumage. Il est donc nécessaire de connaître le mouvement d'air dans le cylindre afin de pouvoir contrôler la trajectoire du carburant. Deux mouvements rotatifs sont utilisés dans ce but : il s'agit du mouvement de " swirl " et du mouvement de " tumble ".

a. Swirl

Le swirl est une rotation du spray d'axe parallèle à celui du piston. Il est créé par la forme interne de l'injecteur.

Génération du mouvement de swirl

b. Tumble

Le " tumble ", est créé par le mouvement de va-et-vient du piston et fait tourner le nuage d'essence selon un axe perpendiculaire à l'axe du piston. De nombreux brevets concernant la forme de la tête du piston ont été déposés.

B. Structure du spray en sortie d'injecteur

Au début de l'injection, l'essence injectée sort sous la forme d'une langue de fluide appelée " pré-jet ". Ensuite, un cône creux formé de gouttelettes de différentes tailles apparaît. Les contours de celui-ci sont très irréguliers à cause des forts gradients de vitesse présents entre les gouttelettes et l'air environnant. Après quelques millisecondes, le pré-jet perd sa forme et un vortex commence à se développer sur les côtés extérieurs du cône. Après la phase d'injection, Le spray prend une forme de cône assez régulière.

Jets en sortie d'un injecteur et vortex créé lors d'une injection à haute pression

Trois zones distinctes ont été identifiées sur un cône creux développé. Elles sont nommées zones instable, stable et à écoulement stagnant. Dans la première région, un vortex commence à se former et remonte l'écoulement à contre-courant. Dans la zone stable, un vortex fixe est présent en-dessous de l'injecteur ce qui entraîne l'air à l'intérieur du cône creux. Ainsi les petites gouttelettes formes un cône solide à l'intérieur du cône creux car elles sont fortement influencées par l'entraînement d'air dû au vortex. Quant aux grosses gouttelettes, leur inertie les empêche de dévier de leur trajectoire et elles forment un cône solide. Le cône d'essence vaporisée comporte donc de fines gouttelettes vers l'intérieur et des gouttelettes plus grosses sur le côté.

Structure du cône creux d'essence en sortie d'un injecteur

Enfin, un second nuage d'essence a été observé après la phase d'injection très proche de l'injecteur. Sa présence est dû au fait que l'aiguille de l'injecteur rebondit lors de sa fermeture et laisse passer une petite quantité de fuel. Cette quantité de carburant arrive tard (après la phase d'injection) dans le cylindre et peut endommager l'injecteur si sa combustion se produit au voisinage de celui-ci.

 

C. Dispositif d'allumage et de combustion

Plusieurs systèmes de combustion pour l'injection directe essence ont été proposés entraînant différentes combinaisons entre le mouvement aérodynamique, la forme de la chambre de combustion, la géométrie du piston la position de l'injecteur et de la bougie. La plupart des propositions font tout de même appel à des écoulements à swirl afin de stabiliser le mélange air-carburant.

La figure suivante montre différentes configurations, toutes destinées à amener le nuage de mélange vers la bougie au moment de l'allumage. Les trois premières propositions (a) utilisent des bougies décentrées afin d'allumer le mélange au niveau de la surface du cône creux d'essence. D'autres cas font intervenir un injecteur décentré (b) pour que le nuage de mélange aille directement vers la bougie. Enfin, les trois derniers dispositifs de combustion se servent du mouvement de tumble pour ramener l'essence atomisée vers la bougie.

Dispositifs de combustion pour des moteurs IDE

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D. Avantages et inconvénients

 1. Consommation

L'injection directe d'essence est intéressante car elle permet d'avoir des charges beaucoup plus stratifiées que dans les moteurs à essence classiques. Cette stratification peut être provoquée par un début d'injection tardive durant la phase de compression ou bien par le design de l'injecteur combiné à l'aérodynamique du cylindre.

L'utilisation de charges stratifiées permet ainsi de réduire la quantité de fuel nécessaire à la combustion ce qui entraîne une baisse de la consommation. Néanmoins, l'injection directe essence pose des problèmes de pollution.

 2. Efficacité du moteur

Les variations de puissance que subit le moteur sont contrôlées par la quantité de fuel 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.

De plus, la vaporisation de l'essence dans le piston lors de son admission est provoquée par les fortes pressions d'injection. Elle entraîne une baisse de la température de l'air dans lequel arrive le combustible. La masse volumique de l'air augmente donc et une plus grande quantité d'air peut être admise, favorisant ainsi la combustion. Néanmoins, cet argument semble de faible importance après certaines mesures faites sur des moteurs transparents.

3. Pollution

Les émissions de CO2 des moteurs IDE sont généralement excessives. Comme les moteurs Diesel, ces moteurs produisent des particules à cause des différences de tailles de gouttelettes que contient le spray. 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.

Dans les moteurs IDE à charge stratifiée, la température locale des zones de réaction peut être élevée. La production de NOx y est importante. Par conséquent, la production des oxydes d'azote des moteurs IDE sans système de recirculation des gaz brûlés est semblable à celle des moteurs à essence classiques.

Puisque les pots catalytiques classiques ne peuvent pas être utilisés sur les moteurs IDE à cause de leur faible charge, une autre technique doit être utilisée pour supprimer une partie des NOx. La plus largement employée est celle de recirculation des gaz brûlés (EGR). Elle consiste à prélever une partie des gaz d'échappement pour qu'ils servent de diluant, réduisant ainsi la température de combustion. La production de NOx étant fonction de la température de combustion, une baisse de cette dernière engendre une réduction de la production des ces oxydes. Néanmoins cela affecte l'efficacité thermique du moteur à cause de la plus forte présence de CO2 et de H2O. Dans un moteur IDE, la quantité d'EGR peut être plus élevée que pour les moteurs classiques car il faut simplement que la charge autour du point d'allumage soit à la stœchiométrie. Un moteur essence est donc limité à un rapport de 15% alors qu'un moteur IDE peut avoir une proportion d'EGR de l'ordre de 30%.

 

4. Complexité du problème

A faible charge, les moteurs IDE fonctionne en injectant peu de fuel tard pendant la phase de compression et en maintenant le nuage d'essence séparé de la majorité de l'air. Ceci implique le contrôle de l'écoulement de l'air dans le cylindre et l'optimisation de la forme de l'injecteur. Lorsque la charge augmente, le début de l'injection se fait de plus en plus tôt durant la phase admission et le fuel se mélange de plus en lus avec l'air présent dans le cylindre jusqu'à obtenir une charge homogène à pleine charge. Le fait que le nuage d'essence n'occupe ni le même volume ni la même place dans le cylindre alors que la bougie reste fixe, pose des problèmes.

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