Différence entre injection directe et indirecte

FONCTIONNEMENT D'UNE AUTO

INJECTION / CIRCUIT CARBURANT

ENERGIE ET POLLUTION

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Quelle est la différence entre l'injection directe ou l'injection indirecte ? Quelles conséquences sur le fonctionnement du moteur ont chacune de ces deux techniques ?

L'injection directe

Le système d'injection directe est similaire entre un moteur diesel et un moteur essence, ce qui n'est pas le cas pour l'injection indirecte dont la conception change en partie ... L'injection directe est de plus en plus répandue (c'est même systématique maintenant) pour des raisons environnementales bien que ça amène des effets pervers probablement plus néfastes que bénéfiques (ça réduit la consommation mais ça produit des polluants bien plus toxiques).

L'injection directe n'est apparue qu'assez tard sur les moteurs essence tandis que les diesels l'ont adopté depuis longtemps.

Comment ça fonctionne ?

Ici c'est donc assez simple, le bout de l'injecteur donne directement dans la chambre de combustion (le cylindre), il va donc pulvériser le carburant directement dans cette chambre au moment voulu, plus ou moins tôt, plus ou moins souvent et avec plus ou moins de carburant.

Sur un moteur essence on injecte pendant la durée d'admission d'air, à savoir quand le piston descend vers le bas (vers le PMB : point mort bas) tandis que sur les diesel on injecte que lorsque le piston est tout en haut en phase de compression (PMH). Il y a toutefois des subtilités sur les moteurs les plus modernes, ils peuvent induire plusieurs jets à plusieurs moments ...

Notez qu'il ne s'agit pas d'une bougie mais bel et bien d'un injecteur ... Le carburant est ici envoyé sous pression directement dans la chambre de combustion. La forme du piston doit être particulièrement étudiée en terme d'aérodynamisme contrairement à ce qu'indique ce schéma conceptuel.

A quoi ça sert ?

Le rôle de l'injection directe, la plus moderne des déclinaisons, est de contrôler le plus précisément possible l'injection de carburant dans la chambre de combustion. Le but est de réduire les consommations de carburant en injectant le moins de carburant possible, mais aussi de pouvoir moduler les injections (durée d'injection et pression) selon le contexte moteur : régime, charge etc. C'est le calculateur qui dose et temporise les injections à chaque cycle, selon ce que les capteurs lui donnent comme informations : pression d'air, température, résultat de la lambda, régime moteur etc.

INJECTION DIRECTE ESSENCE

Sur les moteurs essence modernes, l'injecteur est placé tout près de la bougie, cela afin d'optimiser le mélange pauvre / charge stratifiée

Sur les moteurs essence cela permet aussi de fonctionner en mélange pauvre (qu'on appelle aussi stratifié, d'o`le S des moteurs TSI), on place alors la bougie près de l'injecteur et on injecte assez tard une petite quantité de carburant pour l'enflammer rapidement (pour ne pas que le mélange soit homogène). Cela évite de devoir remplir la chambre de combustion (plus économique) tout en pouvant ouvrir un maximum le papillon des gaz (moins de perte mécanique par pompage). On économise donc du carburant mais en contrepartie on intoxique le vivant par le biais des Nox (température de combustion élevée) et des particules fines (mélange non homogène = imbrûlés)

Une injection directe permet au passage (mais ce n'était pas son but principal) de garder plus propre l'admission puisqu'il n'y que de l'air qui y passe et non pas le mélange air + carburant (bien que le reniflard ramène des choses pas forcément très pures). La forme des injecteurs est aussi assez différente entre une injection directe et indirecte.
Malgré tout, il s'avère au final que ce soit l'inverse, les vapeurs de carburant ayant plus un effet nettoyant que salissant ... Les vapeurs d'huile (reniflard) sont donc potentiellement décrassées par les vapeurs de carburant des injections indirectes.

INJECTION DIRECTE DIESEL

Ici il n'y a qu'un injecteur en haut (à gauche c'est le préchauffage)

L'injection directe permet d'envoyer plusieurs jets au lieu d'un seul pour un même cycle, cela permet alors d'améliorer un peu le mélange entre l'air et le carburant, un défaut inhérent à ce type d'injection (plus c'est homogène plus la combustion est bonne et ne laisse pas de résidus qui sont générateurs de pollution). Les pré- et post-injection permettent aussi de jouer un rôle pour l'agrément moteur (réduire les vibrations du diesel) et la dépollution (régénération FAP).
Le préchauffage n'est ici plus aussi important pour le démarrage contrairement à une injection indirecte : plus d'infos ici. Il est toutefois toujours mieux d'avoir les bougies en forme afin d'aider à chauffer plus rapidement les chambres de combustion à froid (le préchauffage continue après démarrage du moteur sur les diesels modernes à injection directe, le but est d'accélérer la chauffe su moteur pour réduire la pollution à froid).

Phase d'injection classique

L'air arrive par l'admission et le carburant par l'injecteur directement situé dans le cylindre. Il est alors possible de moduler le moment d'injection, la richesse de manière très précise, tout comme l'homogénéité du mélange air carburant par la biais d'une multitude d'injections (d'où le nom de Multijet pour certains moteurs du groupe Fiat). En séparant l'introduction des comburants et carburant les possibilités offertes sont donc plus nombreuses.

Pollution supplémentaire ?

L'injection directe favorise la génération de particules fines car le mélange carburant / comburant est moins homogène (la combustion est moins bonne, produisant des particules toxiques), et encore plus quand il fonctionne en mode stratifié et mélange pauvre, ce qui commence à poser problème aux moteurs essence récents qui fonctionnent de plus en plus de cette manière (plus on réduit la dose de carburant dans le moteur, plus on a d'effets pervers). Mais ce mode permet aussi de réduire la consommation donc le bilan n'est pas facile à établir. Pour ma part il me semble qu'il vaut mieux générer un peu plus de CO2 et limiter les émanations de NOx et particules fines. Les moteurs plus anciens me paraissent donc plus vertueux, mais comme les normes ne se basent que sur le CO2 les constructeurs se sont engouffrés dans la brèche (la morale n'est pas le premier de leurs soucis comme vous le savez déjà).

En résumé, une injection directe induit un mélange moins homogène et donc l'apparition de particules fines (et aussi de NOx en mélange pauvre donc). Ce qui a donné lieu à l'apparition d'injection haute pression (avec rampe commune) qui permettent une vaporisation plus fine du carburant, et donc une meilleure homogénéité.

Injection indirecte

Les moteurs essence et diesel ne fonctionnant pas de la même manière, il faudra donc distinguer les deux.
Dans le cas d'une injection indirecte, le carburant est injecté dans le collecteur d'admission (et non plus directement dans les cylindres), lieu dans lequel comburant et carburant se mélangeront de manière optimale. L'essence injecté sous forme de gouttelettes se vaporise alors immédiatement (la chaleur dans le collecteur favorisant d'autant plus cette "évaporation") et brûle de manière optimale une fois arrivé dans la chambre de combustion. Car je rappelle que l'essence s'enflamme sous forme de vapeur et non pas quand elle est liquide contrairement à ce que beaucoup croient ...
L'injection indirecte nécessite une plus basse pression pour injecter le carburant dans les cylindres que pour une version directe, le coût est alors moins élevé au niveau des injecteurs (et il n'y a pas besoin de pompe haute pression et encore moins de rampe d'accumulation : common rail).

Injection indirecte sur moteur ESSENCE

Sur une injection indirecte de moteur essence, l'injecteur est placé en amont de la soupape, soit dans la tubulure d'admission. Le mélange est effectué par vaporisation avant de rentrer dans le cylindre.

Sur un moteur essence, c'est dans le conduit d'admission qu'on injecte le carburant.

Voici un cas concret sur un moteur 2.0 essence de Mazda. La soupape qui mène à la chambre de combustion est un peu plus vers la gauche, on ne la voit donc pas ici (vous pouvez tout de même apercevoir brièvement les ressorts de soupape qui permettent de les remettre en place une fois que l'arbre à cames les a ouvertes).

Injection indirecte sur moteur DIESEL

Dans le cas d'un diesel, l'injection se fait dans une petite chambre séparée (pré-chambre de combustion) qui donne sur le cylindre, et non pas dans dans le conduit d'admission. En gros, cette méthode permet d'améliorer la combustion du diesel malgré l'emploi d'une injection basse pression. Lors de la compression, l'air admis va être envoyé vers cette préchambre sous pression pour se mélanger au carburant vaporisé qui va alors commencer à s'enflammer. Les turbulences provoquées par l'aérodynamisme de la préchambre permet d'améliorer la combustion.
Notez que les bougies de préchauffage sont plus utiles dans le cas d'une injection indirecte. En effet, un moteur à injection directe démarrera plus facilement sans elles.

Une petite chambre connectée au cylindre permet à la fois d'injecter le carburant mais aussi de le mélanger à l'air de l'admission grâce à une forme spécifique en terme d'aérodynamisme.

Injecteurs différents

Voici les différences entre une version directe et une autre indirecte :

Injection directe et indirecte en même temps ?!

Et oui, il existe des moteurs bénéficiant des deux types d'injection en même temps, mais je doute que cela soit quelque chose que l'on voit vraiment se répandre en raison du surcoût induit ...
La double injection permet de profiter des avantages des deux afin de limiter les émissions de polluants, et c'est donc le calculateur qui module tout cela selon le contexte de roulage : moteur froid (indirecte favorisée), faible charge (indirecte) / pleine charge (directe principalement). Charge = sollicitation moteur / appui sur la pédale d'accélérateur / quantité de carburant admis dans les cylindres.

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