Mode de fonctionnement du moteur diesel à injection directe

  Le système d’injection d’un moteur à allumage par compression (diesel) se compose principalement d’une pompe à injection , d’ une rampe commune , d’un injecteur et de tuyaux de raccordement.
                                                           Photo: système d’injection Bosch CRS 2.2
                                                                               Source: Bosch
    Éléments constitutifs du système:
  1. pompe haute pression
  2. rampe commune
  3. injecteurs
    Un système d’injection est conçu pour remplir plusieurs fonctions:
  • mesurer la quantité de carburant par cycle en fonction du régime de fonctionnement du moteur;
  • créer une pression de carburant élevée pour rendre la pulvérisation possible;
  • assurer la répartition de la pulvérisation du carburant dans la chambre de combustion;
  • d’initier l’injection de carburant à un moment précis du cycle et d’assurer une durée d’injection donnée;
  • pour assurer un dosage de carburant égal entre plusieurs cylindres.

Bref historique de l’injection de carburant diesel pour les voitures

1897: Rudolf Diesel construit le premier prototype de moteur fonctionnel.
1908: Prosper L’Orange développe avec Deutz une pompe à injection avec injecteur
1930: La première voiture équipée d’un moteur diesel construit par Cummins
1933: Citroen Rosalie – le premier prototype de moteur diesel européen
1936: Mercedes-Benz 260D première voiture de série avec moteur diesel
1968: Peugeot présente la première 204 avec moteur diesel monté transversalement et traction avant
1986: Bosch lance EDC sur BMW 524D
1994: Bosch produit des systèmes d’injection de pompe à injection
1997: Alfa Romeo 156 – la première voiture avec système d’injection rail commun
2007: BMW lance sur les modèles courants des systèmes d’injection à rampe commune avec une pression d’injection maximale de 2000 bars
                             Photo: fabricants de systèmes d’injection de carburant pour automobiles.
                                                                Source: e-automobile.ro
    Il existe quatre grands fabricants de systèmes d’injection automobile dans le monde. Le marché est divisé par Bosch , Continental Delphi et Denso . Les voitures du groupe Fiat équipent également certains de ses moteurs de systèmes d’injection produits par Magneti Marelli .
    Les systèmes d’injection pour moteurs diesel peuvent être classés selon divers critères. Dans cet article, nous aborderons les systèmes d’injection directe et indirecte , leur évolution et leur type ainsi que le fonctionnement de chaque composant.

Types de systèmes d’injection (du point de vue de l’injection de carburant)

Injection indirecte (avec préchambre)
    Dans les moteurs diesel à injection indirecte, le carburant est injecté dans une préchambre surchauffée . L’allumage du carburant est initié dans la préchambre puis propagé dans le cylindre où a lieu la combustion proprement dite du mélange air-carburant. La préchambre représente environ 40% du volume total de la chambre de combustion.
                                                      Photo: Système d’injection indirecte diesel à préchambre
                                                                                    Source: Bosch
    Composants du système d’injection:
  1. injecteur
  2. bougie de préchauffage
  3. préchambre
  4. cylindre
  5. cylindre
    La préchambre est soigneusement conçue pour assurer un mélange correct du carburant pulvérisé avec l’air comprimé surchauffé. Cela réduit la vitesse de combustion qui a pour effet de réduire le bruit dû à la combustion ainsi que les contraintes mécaniques sur les pièces du moteur. Cependant, l’utilisation d’une préchambre présente les inconvénients des pertes de chaleur supplémentaires qui se traduisent par une efficacité moindre. De plus, la préchambre nécessite l’utilisation de bougies à incandescence pour faciliter le démarrage.
    Dans le cas d’une injection indirecte, l’air se déplace à grande vitesse améliorant ainsi l’homogénéisation du mélange air-carburant. Cet avantage simplifie la construction de l’injecteur et permet l’utilisation de moteurs de plus petite cylindrée, avec des tolérances de construction plus permissives, donc moins onéreuses et plus fiables.
    En comparaison, les systèmes d’injection directe combinent un mouvement d’air plus lent avec une injection rapide de carburant à haute pression.
    Les avantages de l’ utilisation de l’ injection indirecte sont:
  • il peut être utilisé dans les petits moteurs cylindriques
  • la pression d’injection requise est relativement faible (100-300 bar) donc le coût d’un injecteur est faible
  • La vitesse maximale du moteur peut atteindre des valeurs de 6000 tr / min en raison de la combustion partagée
   Les inconvénients de l’ utilisation d’une telle solution sont les suivants:
  • consommation spécifique élevée due aux pertes de chaleur et aux pertes de charge lors de la combustion
  • contraintes thermiques et mécaniques concentrées sur certaines parties du piston et de la chambre de combustion entraînant une limitation de la puissance maximale pouvant être obtenue du moteur
    La solution d’injection indirecte avec la préchambre est utilisée depuis les années 1920. La technologie d’injection directe était connue à l’époque mais n’était généralement utilisée que sur les camions. La raison en était le bruit et les fortes vibrations spécifiques à l’injection directe, phénomènes moins contrôlables à l’époque. Dans les moteurs diesel modernes, l’injection indirecte n’est plus utilisée principalement en raison de la consommation spécifique élevée et en deuxième lieu en raison de la limitation des performances dynamiques.
Injection directe
    N’oubliez pas que les moteurs diesel modernes sont exclusivement à injection directe ! Contrairement à l’injection indirecte, dans laquelle le carburant est injecté dans une préchambre, à l’injection directe le diesel est injecté directement dans le cylindre . Le processus d’injection se caractérise par la pulvérisation du carburant, son chauffage, son évaporation et son mélange avec de l’air. Les moteurs diesel à injection directe sont spécifiques aux pressions de carburant élevées (jusqu’à 2000 bar) et aux taux de compression élevés 
                                                                                    
                                                    Photo: système d’injection directe diesel
                                                                    Source: Bosch
    Une caractéristique spécifique des moteurs diesel à injection directe est la forme du piston. La chambre de combustion est formée principalement par la cavité à la tête du piston, qui a le plus souvent la forme de la section similaire à la lettre grecque oméga.

Systèmes d’injection pour un moteur diesel

    Les moteurs diesel se caractérisent principalement par un rendement élevé par rapport aux moteurs à essence, ce qui entraîne une consommation de carburant plus faible. L’augmentation des réglementations concernant les émissions polluantes, le bruit et la nécessité de réduire la consommation de carburant ont fait évoluer considérablement les systèmes d’injection.
    Les systèmes d’injection diesel, en particulier ceux à injection directe, nécessitent des pressions de carburant élevées . Pour cette raison, toutes les pompes d’injection doivent être du type à piston, car seule une telle pompe fournit la pression requise pour la pulvérisation.
    Dans le cas des voitures à moteur diesel, plusieurs types de systèmes d’injection sont utilisés. Les premiers types utilisés, à partir des années 1930, sont ceux à pompes d’injection à éléments de ligne . Les prochaines générations de systèmes, à partir des années 1970, sont équipées de pompes distributrices rotatives . Depuis 1997 , les systèmes d’injection Common Rail ont commencé à équiper les moteurs diesel.
    Dans le tableau ci-dessous, vous trouverez une classification des systèmes d’injection produits par Bosch.
Le type de système d’injection Pression de service maximale
[bar]
Le type de
contrôle
Injection
dans le cylindre
Nombre de cylindres
moteur
M (pompe d’élément de ligne) 550 mécanicien
électronique
indirect 4 … 6
MW (pompe d’élément de ligne) 1100 mécanique direct 4 … 8
VE (pompe avec distributeur rotatif et piston axial) 1400 mécanicien
électronique
direct indirect 3 … 6
VR (pompe avec distributeur rotatif et piston radial) 1700 électronique direct 4 … 6
UIS (pompe – injecteur) 2000 électronique direct 4 … 6
CR (rampe commune) 2000 électronique direct 3 … 16
Système d’injection avec pompe en ligne
    Les premiers types de systèmes d’injection sont ceux avec des pompes à éléments de ligne.
                                                                                    
               Photo: pompe à injection diesel Bosch avec éléments de ligne M – variante à commande mécanique
                                                                                 Source: Bosch
 Composants de la pompe:
  1. rack de contrôle
  2. arbre à cames avec cames d’entraînement
  3. connexions injecteur
    Caractéristiques principales de la pompe avec éléments en ligne:
  • pour chaque injecteur la pompe est munie d’un élément de pompage (piston)
  • les pistons sont actionnés au moyen d’un arbre à cames relié au vilebrequin du moteur
  • la quantité de carburant injectée est réglée au moyen d’une crémaillère contrôlée par la pédale d’accélérateur
  • chaque élément de pompage est relié à l’injecteur au moyen de tuyaux haute pression


                                                                           

                                    Photo: Système d’injection diesel avec pompe à élément de ligne
                                                                       Source: Bosch
    Dans la figure ci-jointe est représentée une pompe d’injection avec des éléments en ligne ainsi que le reste des pièces qui composent le système d’injection. Le carburant est aspiré du réservoir à l’aide d’une pompe de transfert, également appelée pompe basse pression, et transféré vers un filtre diesel. Après filtration, le carburant est introduit dans la pompe haute pression, avec des éléments en ligne, comprimé et transféré aux injecteurs via les tuyaux de raccordement.
                                                                        

                                     Photo: Pompe à injection diesel en ligne pour moteur 12 cylindres

                                                             Photo: Wikipedia Commons
    Ces types de pompes d’injection peuvent augmenter la pression d’injection jusqu’à 1200 bars. Les moteurs diesel modernes n’utilisent plus de pompes à injection avec des composants en ligne en raison du contrôle rudimentaire de la pression d’injection ainsi que de la quantité de carburant injectée. Un inconvénient est également que la taille de la pompe et le nombre d’éléments de pompage dépendent du nombre de cylindres du moteur. Les applications utilisées par ces pompes, à plus de 6 pistons, sont généralement des véhicules de transport, des bus, des machines agricoles ainsi que des moteurs stationnaires.
Systèmes d’injection de pompe avec distributeur rotatif
    La solution de pompe à injection avec éléments de refoulement pour chaque cylindre (la pompe à éléments en ligne ) est coûteuse car elle utilise un grand nombre de pièces identiques, de grande précision, le coût de fabrication ainsi que la maintenance étant élevés. De plus, le réglage est compliqué et la probabilité d’avoir différentes caractéristiques d’injection entre les cylindres est élevée en raison des différences possibles de géométrie.
                                                                                  
                                          Photo: Pompe d’injection diesel avec distributeur rotatif et commande électronique – Bosch VP44
                                                                             Source: Bosch
    Composants de la pompe:
  1. arbre d’entraînement
  2. le module de commande électronique de la pompe
  3. connecteur d’ordinateur d’injection
  4. soupape de commande électro-pression
  5. connexions de connexion aux injecteurs
    Une autre solution est la pompe à injection avec élément de décharge unique appelé pompe à injection avec distributeur rotatif et pistons radiaux . La particularité de la pompe à distributeur rotatif est que le système de relevage de pression est indépendant du nombre de cylindres. Ainsi, avec de petites modifications, le même type de pompe peut être utilisé pour les moteurs à quatre ou six cylindres.
Système d’injection Common Rail (CR – Common Rail)    
Un inconvénient des systèmes d’injection avec pompe en ligne ou pompe avec distributeur rotatif est dû à la dépendance de la pression sur le régime et la charge du moteur. Pour cette raison, il est assez difficile d’optimiser la combustion pour chaque point de fonctionnement du moteur.
    Les systèmes d’injection à rampe commune éliminent cet inconvénient car la pompe haute pression augmente la pression et la stocke dans une batterie appelée rampe commune . Les injecteurs ne sont plus directement connectés à la pompe mais alimentent la rampe.
    Le principal avantage du système d’injection à rampe commune est l’ indépendance de la pression de carburant au point de fonctionnement du moteur (vitesse et charge). Cette indépendance donne la possibilité d’optimiser l’injection pour augmenter les performances dynamiques et la consommation du moteur. Il est également possible de diviser l’injection de carburant en plusieurs phases: pré-injection, injection principale et post-injection.
    Dans un système d’injection à rampe commune, la montée en pression du carburant et l’injection elle-même sont complètement indépendantes. La quantité de carburant injecté est définie par le conducteur, par la position de la pédale d’accélérateur, et le début de l’injection et la durée de l’injection sont contrôlés par le calculateur moteur. Tous les systèmes d’injection à rampe commune sont contrôlés électroniquement et contiennent les éléments suivants:
    La vitesse de rotation du moteur est déterminée à l’aide du capteur de vitesse et de l’ordre d’injection (par exemple 1-3-4-2 pour un moteur à quatre cylindres) via le capteur de position d’arbre à cames. La tension électrique générée par le potentiomètre du capteur de position de pédale d’accélérateur informe le calculateur d’injection de la demande de couple du conducteur. La masse d’air mesurée est utilisée pour calculer la quantité de carburant à injecter dans le moteur afin que la combustion soit aussi complète que possible et avec un minimum d’émissions de substances polluantes. La température du moteur est utilisée pour corriger le début de l’injection et la quantité de carburant injectée.
    Ainsi, à l’aide des informations lues sur les capteurs, le calculateur d’injection contrôle le temps d’ouverture et de fermeture des injecteurs ainsi que la durée de l’injection.
    La figure ci-dessous montre un système d’injection à rampe commune Bosch, utilisé pour un moteur diesel à quatre cylindres.
                                                                                    
 
 

                                             Photo: système d’injection diesel à rampe commune Bosch

                                                                            Source: Bosch
    Composants du système d’injection Bosch:
  1. débitmètre d’air
  2. calculateur d’injection
  3. pompe haute pression
  4. rampe commune (batterie haute pression)
  5. injecteurs
  6. capteur de régime moteur
  7. capteur de température moteur
  8. filtre à carburant diesel
  9. capteur de position de pédale d’accélérateur
Rampe commune
    Les fonctions principales de la rampe commune (accumulateur de pression) sont celles de l’accumulation de carburant à haute pression ainsi que sa distribution au niveau des injecteurs. La rampe a également pour rôle de filtrer les oscillations de pression produites par la pompe à charge et les injecteurs à refoulement.

                                                                             

                                                       Photo: rampe et injecteurs communs de Delphi
                                                                              Source: Delphi

    La rampe (1) est également pourvue d’un capteur de pression (3) qui informe le calculateur d’injection du niveau de pression des injecteurs (6). Le contrôle de la pression de rampe se fait au moyen d’une électrovanne qui fait office de régulateur de pression (2). L’électrovanne est commandée par le calculateur d’injection et lorsqu’il s’ouvre, il décharge le carburant par le raccord (4). La rampe de pression de carburant est alimentée par le raccord (5) qui est connecté à la pompe haute pression. 
                                                                  

                                   Photo: Système d’injection diesel sphérique commun Delphi de Delphi
                                                                                 Source: Delphi
    Composants du système d’injection:
  1. rampe commune
  2. filtre à carburant diesel
  3. pompe haute pression
  4. injecteurs
  5. calculateur d’injection
    Il existe des systèmes d’injection dans lesquels la rampe commune n’est pas cylindrique mais sphérique . L’avantage des systèmes d’injection de rail à joint sphérique est le plus petit gabarit et le moindre coût. L’inconvénient est cependant dû au fait que les tuyaux reliant les rampes d’injection sont plus longs.
Filtre diesel

    Les impuretés de poussière peuvent endommager les composants du système d’injection: pompe, injecteur, vannes, etc. De plus, le diesel peut contenir de l’eau qui, une fois atteinte dans le système d’injection, peut entraîner un gonflement des pièces mobiles ou une corrosion prématurée. Pour ces raisons, il est nécessaire d’utiliser un filtre qui réponde aux exigences de filtration du système d’injection telles que: diamètre minimum des particules filtrées, rétention d’eau et haute fiabilité. 

                                                                                  

                                                                  Photo: filtre diesel Delphi
                                                                          Source: Delphi
   

Composants du filtre:

  1. Connexion du réservoir de carburant
  2. raccordement pompe basse / haute pression
  3. retour de carburant
  4. orifice d’évacuation de l’eau collectée

    Les exigences d’un filtre diesel se répartissent en quatre grandes catégories:

  • filtrage des impuretés
  • gestion de l’eau diesel (séparation, stockage et détection de l’eau)
  • Chauffage diesel (prévu sur les filtres des moteurs en fonctionnement et à basse température)
  • élimination du gaz (air)

    Pour ces raisons, le fonctionnement aux paramètres nominaux d’un filtre est indispensable pour un moteur diesel. Le défaut total ou partiel d’un filtre diesel peut même entraîner des dommages irréparables aux composants du système d’injection.

Injecteur à commande électrique

    Le carburant est introduit dans le cylindre par les injecteurs. Grâce à l’ouverture des injecteurs , la quantité de carburant injectée est contrôlée. Dans le cas des systèmes d’injection à rampe commune, l’injecteur est connecté à la rampe haute pression au moyen d’un raccord et d’une conduite. L’entraînement de l’injecteur est électrique et se fait sur commande du calculateur d’injection.

    Actuellement, il existe deux solutions pour actionner les injecteurs: à solénoïde (électro-aimant) ou à cristal piézoélectrique . La solution solénoïde est moins chère que la solution piézoélectrique, mais l’entraînement est moins rapide. Continental est le fabricant qui possède toute la famille des systèmes d’injection piézoélectriques. Bosch, Delphi et Denso proposent des solutions à solénoïde et piézoélectrique.

                                                                                   
                                                              Photo: injecteur Delphi à solénoïde
                                                                           Source: Delphi
    Composants de l’injecteur:
  1. corps d’injecteur
  2. raccord basse pression (retour)
  3. raccord haute pression
  4. connecteurs électriques
  5. solénoïde
  6. soupape de commande
  7. aiguille d’injecteur
  8. pulvérisation
    Comment ça marche? Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’injecteur Delphi à solénoïde, je n’ai représenté que la section contenant le solénoïde (1), la vanne de commande (5) et l’aiguille d’injecteur (3).
                                                                                  
                                             Photo: injecteur Delphi avec entraînement à solénoïde – détail
                                                                             Source: Delphi
    Composants de l’injecteur:
  1. solénoïde
  2. arc hélicoïdal
  3. aiguille d’injecteur
  4. pulvérisation
  5. soupape de commande
  6. arc hélicoïdal
    L’aiguille de l’injecteur (3) est maintenue sur le siège, obstruant les trous du pulvérisateur, du fait des forces données par le ressort hélicoïdal (2) et de la pression p1 agissant sur la surface S1. Lorsqu’une injection de carburant est souhaitée, le calculateur d’injection commande le solénoïde (1) qui ouvre la vanne (5). Du fait de l’ouverture de la vanne de régulation, la pression p1 diminue (p1 <p2) et l’aiguille de l’injecteur se déplace en comprimant le ressort (2) réalisant ainsi l’injection. Lorsque le solénoïde n’est plus alimenté par le calculateur d’injection, la vanne de commande est fermée par le ressort (6). L’équilibre de pression est atteint (p1 = p2) et l’aiguille d’injecteur revient au siège.
    Cette succession d’opérations est très rapide, la fermeture et l’ouverture des injecteurs peuvent se faire plusieurs fois par cycle (injection multiple). L’introduction de cristaux piézoélectriques Continental (anciennement Siemens VDO) a permis d’améliorer les performances du système d’injection en termes de temps de réponse de l’injecteur et de contrôle de l’injection de carburant.
                                                                                    
                                             Photo: injecteur piézo-électrique Continental (Siemens VDO)
                                                                         Source: Continental
    Injecteur Continental (Siemens VDO) avec actionneur à cristal piézoélectrique:
  1. corps d’injecteur
  2. connecteurs électriques
  3. cristal piézoélectrique
  4. soupape de commande
  5. raccord haute pression
  6. aiguille d’injecteur
  7. pulvérisation
    Les systèmes d’injection évoluent continuellement en raison des exigences de plus en plus sévères d’émissions polluantes. Les principaux fabricants de systèmes d’injection proposent une large gamme de pompes haute pression, injecteurs, etc. Un aperçu de ces systèmes fait l’objet d’un futur article.
    La connexion entre la pompe de transfert et la rampe commune est réalisée par la pompe haute pression . Le rôle de la pompe est d’assurer une pression de carburant élevée au niveau de la rampe, quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur, tout au long de la vie du moteur à combustion interne. La pompe est entraînée en l’accouplant au vilebrequin du moteur. La vitesse maximale de la pompe dépend du type de pompe. Par exemple, les pompes Bosch de première génération sont limitées à 3000 tr / min.
    Les principaux composants d’une pompe haute pression pour les systèmes d’injection à rampe commune sont illustrés dans la figure ci-dessous. La pompe présentée est la première génération Bosch à trois pistons à 120 ° C.
                                                                                      
 
                                                    Photo: pompe à injection diesel haute pression
                                                                  Bosch Source: Bosch
    Pompe haute pression Bosch de première génération – pièces détachées:
  1. arbre d’entraînement
  2. soupape de contrôle de débit
  3. excentrique
  4. pompe de transfert (intégrée dans la pompe haute pression)
  5. soupape de décharge
  6. piston
  7. soupape d’admission
   Ce que vous devez garder à l’esprit concernant les systèmes d’injection pour les moteurs diesel
  • les systèmes d’injection à rampe commune sont unanimement utilisés par tous les constructeurs automobiles
  • les pressions d’injection sont comprises entre 1300 et 2000 bar
  • les injecteurs sont à commande électrique (avec solénoïde ou cristal piézoélectrique)
  • le contrôle de l’injection se fait électroniquement via un calculateur

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