Avantages et inconvénients de l'injection directe
Devenu la norme sur les moteurs modernes, l'injection directe consiste à injecter le carburant directement dans les cylindres et non via la tubulure d'admission comme c'était le cas auparavant. Et si cette technologie semble être un détail anodin de l'architecture d'un moteur, dans la réalité elle induit finalement plus d'effets qu'on ne peut l'imaginer au premier abord ... Sur les diesels c'est un peu différent car le carburant est moins volatile (d'où la présence de canister sur essence), l'injection indirecte consistait donc à injecter dans une préchambre connectée au cylindre plutôt qu'à l'admission.
Synonyme de modernité et de sobriété, l'injection directe semble donc être incomparablement supérieure à l'injection indirecte. Voyons donc en quoi cela est vrai mais aussi en quoi l'injection directe a aussi beaucoup d'inconvénients.
Notez au passage que certains rares moteurs ont une injection directe et indirecte en même temps (injecteurs dans le collecteur + injecteurs dans les chambres) afin de combiner l'avantage des deux (mais on comprend vite que le coût de revient est problématique ...).
Injection directe diesel, à gauche le préchauffage
Injection directe essence avec la bougie située très près de l'injecteur
Avantages de l'injection directe
Commençons donc par les avantages de cette technologie.
Consommation réduite grâce à plusieurs phénomènes
Bien évidemment, le principal avantage de cette manière de faire est d'économiser du carburant dans le but premier de limiter les émissions de CO2. Comment ? Tout simplement en pouvant doser au mieux la quantité de carburant qui sera injectée et donc d'éviter tout gaspillage.
Dosage précis
Pour une dose de comburant donnée et selon le contexte (grâce aux nombreux capteurs), le calculateur injectera le carburant nécessaire sans qu'il y ait le moindre gaspillage. Avec l'injection indirecte on envoie le carburant dans l'admission (ou dans une chambre voisine du cylindre dans le cas d'un diesel) avant que le tout ne rentre dans la chambre de combustion. Cela induit des dosages plus grossiers et la perte est estimée à environ 10%.
Mais si on inclut la charge stratifiée expliquée juste après, le total serait d'à peu près 15 à 20%.
Plus de possibilités de fonctionnement
L'injection directe permet tout un tas de choses qui étaient impossibles auparavant. On peut en effet ici produire plusieurs injections sur un même cycle (ex : plusieurs "jets" lors de la descente du piston sur les essences, phase d'admission des 4 temps), d'où le nom de Multijet pour les moteurs Italiens qui ont d'ailleurs inventés la rampe commune d'injection.
Cela permet alors de jouer sur la richesse et même obtenir une stratégie très originale qu'on appelle charge stratifiée.
Bref, si l'injection indirecte fige les choses en associant de manière fixe carburant et comburant lors de leur arrivée dans les chambres de combustion, ici on amène le comburant d'un côté et on injecte le carburant de l'autre ce qui accroît les possibilités et manières de fonctionner.
Mélange pauvre / charge stratifiée
Notez aussi que l'on peut, grâce à l'injection directe donc, effectuer des charges stratifiées (plusieurs couches) appauvries qui consistent à ne pas avoir besoin de remplir la chambre de combustion entièrement par le mélange comburant (air) / carburant (sur moteur essence). En effet, l'injection fait alors en sorte que le carburant se concentre dans une zone vers le centre des cylindres afin d'envoyer moins de carburant (si je ne remplit pas la chambre entièrement il est logique d'avoir besoin de moins d'essence). Cela peut donc se faire grâce au contrôle total de l'injection qui peut alors envoyer le carburant à un moment différent (en injection indirecte le carburant arrive avec l'air point barre, ici on peut le faire en phase de compression ou d'admission) lors de cette phase de fonctionnement, il est aussi possible de faire plusieurs injections pour un même cycle (d'où le nom Multijet des diesel Fiat/Alfa Romeo). Il y a aussi moins de perte de chaleur puisque la combustion ne se fait plus "contre la paroi des cylindres" mais à l'intérieur avec une couche d'air entre point de combustion et paroi du cylindre.
A gauche une injection normale lors de la phase d'admission et à droite le mélange pauvre avec injection lors de la phase de compression, ce qui permet que le carburant ne se concentre que dans une partie du cylindre et non son entièreté (deux couches / stratification : une couche d'air et une couche qui mélange air et carburant)
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A gauche on injecte donc quand le piston descend et que la soupape (non représentée ici ...) est ouverte, à droite on injecte quand on comprime et donc que les soupapes sont fermées
Moins de perte par pompage
Cette charge pauvre permet de pouvoir ouvrir le papillon en grand et donc d'économiser l'énergie perdu par le pompage. Car un moteur essence ne fonctionne pas en excès d'air comme le diesel, et il perd une partie de ses forces à pomper comme un aspirateur (papillon ouvert pour respecter le rapport stoechiométrique).
Attention toutefois, le mode mélange pauvre qui implique des nouvelles économies ne peut se faire que quand le moteur est en charge faible (quand on ne le sollicite pas trop, donc à vitesse stabilisée à des régimes modestes).
Moins de CO2
Qui dit moins de consommation dit donc moins de CO2 émis, une obsession pour les états car c'est lui qui est responsable de l'effet de serre.
Meilleures performances
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L'adoption de l'injection directe permet d'avoir des moteur ayant une compression plus importante. En effet, la possibilité d'injecter du carburant avec beaucoup de pression permet donc de l'envoyer dans un milieu qui est déjà sous pression, donc le rendement moteur est meilleur (rapport entre le volume de la chambre entre le PMH et le PMB, points mort Haut et Bas donc).
Donc on a plus de puissance pour une même dose de carburant. Cela est permis ici par la disparition des problèmes de cliquetis (autoallumage du carburant imbrûlé par la chaleur induite par une pression) puisque l'injection peut se faire exactement quand on le veut, donc elle est produite à un moment où cela permet d'éviter tout phénomène cliquetis. Pour être plus précis, il s'agit en fait du carburant envoyé violemment contre les parois suite au déclenchement de la bougie d'allumage (le centre de la boule de feu se dilate très fort), cela le comprime fort et l'allume donc (car pression = chaleur, physique élémentaire) de manière incontrôlée.
Mais il faut quand même avouer que ce n'est pas vraiment le gain de performances qui a motivé l'injection directe mais aussi que celui-ci n'est pas franchement très important ...
Inconvénients de l'injection directe
Coûts
En ayant besoin d'une pompe haute pression (jusqu'à près de 350 bars !), d'une rampe commune (dans 99% des cas) et d'injecteurs haute pression délivrant des dosages millimétrés de carburant (Piézo-électrique ou électromagnétiques), vous devinez donc que ce sera plus cher que les mêmes organes en configuration basse pression (injection indirecte donc) ... On a donc affaire à des pièces qui sont plus précises et compliquées à fabriquées, sachant qu'elles doivent donc aussi faire face à des contraintes mécaniques plus importantes.
Bref, le coût de revient de ces éléments est logiquement supérieur.
Fiabilité
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Avec des pièces plus pointues et qui sont soumises à plus de contraintes mécaniques, il n'est pas étonnant que la fiabilité soit moindre ... Les soucis d'injection sont désormais lots courants et je suis plutôt bien placé pour le voir car je valide manuellement tous les avis du site. Pompe à injection, rampe, injecteurs et joints sont parfois rapidement épuisé. Notez que l'utilisation de carburant de mauvaise qualité accélère le phénomène car les têtes d'injecteurs sont très sensibles au impuretés et à l'eau (elles se corrodent, pas génial s'agissant d'une pièce de précision où la moindre aspérité posera problème).
Notez que parmi les moteurs essence les plus fiables on retrouve une majorité de moteurs ayant des injections indirectes ...
Le moindre pépin sur les injection indirecte pose des soucis de richesse, faire le mélange entre carburant et comburant en amont des cylindres est favorable à la tenue dans le temps (en injection directe il faut absolument que tous les capteurs fonctionnent pour assurer une richesse optimale, dans le cas contraire le moteur peut fonctionner trop pauvre [cliquetis et surchauffe] ou trop riche [encrassement], car le pilotage du mélange se fait par le calculateur uniquement et l'erreur est ici plus facile).
Notez qu'en injection directe on favorise l'encrassement des cylindres au niveau de la culasse / soupapes, le 1.2 Puretech en sait quelque chose ! Les combustions sont bien moins propres, ce qui induit le dépôt de calamine dans le haut moteur, accroissant alors le taux de compression qui produit du cliquetis dévastateur (cela va jusqu'à casser des bougies sur le Puretech ..) !
Enfin, l'admission et les sièges de soupapes peuvent potentiellement être plus vite contaminés par des impuretés (notamment vapeurs d'huile venant du reniflard) car il n'y a pas ici de vapeur de carburant qui passe par l'admission contrairement à une injection indirecte (ces vapeurs ont tendance à décrasser l'admission ..).
Pollution
En ne mélangeant plus le mélange air / carburant en amont de la chambre de combustion, c'est à dire dans l'admission (comme avec l'injection indirecte ou un bon vieux carburateur), la combustion sera moins bonne (mélange comburant / carburant moins en "osmose", moins homogène) et des polluants vont alors se former lors de la combustion qui ne sera que partielle : particules fines et NOx. Donc si on réduit un peu le CO2 d'un côté en réduisant la consommation, on envoie en revanche une fumée bien plus toxique pour le vivant ... Et c'est surtout en charge stratifiée qu'on s'intoxique le plus.
Notez aussi que le mélange pauvre facilité par l'injection directe, dans le but de réduire la consommation, a tendance à produire des combustions très chaude, ce qui induit l'apparition de NOx ...
L'apparition des vannes EGR (pour refroidir la combustion en l'étouffant : NOx), d'Adblue (catalyseur SCR ayant besoin d'avoir de l'urée pour fonctionner et réduire le NOx) a alors été favorisée mais aussi d'un FAP (particules fines) sur les moteurs essence puisqu'ils sont devenus à injection directe.
Donc entre mourir de chaud et mourir intoxiqué, les marques ont choisi de nous intoxiquer. Et cela est la faute des états qui basent tout sur le CO2 uniquement ... Ce qui est le cas des malus écologiques par exemple.
Conclusion ?
Si on veut être honnête et objectif, l'injection directe semble finalement apporter plus d'inconvénients que d'avantages ... Niveau fiabilité ce n'est pas génial (et du coup écologiquement parlant c'est négatif puisque non durable) tout comme au niveau sanitaire avec des rejets de polluants très néfastes. Et si on devait résumer, on peut dire que pour réduire de quelques pourcents la consommation on s'est doté de moteurs qui s'apparentent à des usines à gaz ...
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