Les différents systèmes d`injection diesel

Les différents systèmes
d'injection diesel
Pompe en ligne Bosch PE sur un moteur de poids lourd Volvo (les moteurs de poids lourd
actuels de ce constructeur sont dotés d'injecteurs-pompes actionnés par l'arbre à cames
en tête)
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Selon l'équipementier Bosch, en 2003 près de 44% des voitures neuves vendues en
Europe de l'Ouest étaient des diesels. En 2005, la part de marché du diesel y est estimée à
50% des voitures neuves.
Si le moteur diesel turbosuralimenté est le favori de plus en plus d'Européens, cela est
principalement dû aux développements récents, remarquables et étonnants, des
équipements d'injection de carburant. Certains types peuvent produire une pression
d'injection excédant la pression de l'eau à une profondeur de 20 000 mètres, beaucoup
plus profonde que la fosse des Mariannes où le plancher océanique est le plus bas de la
planète à 11 035 m. Les injecteurs des rampes communes et les systèmes de commande
électronique de la dernière génération peuvent aussi effectuer jusqu'à 5 injections
séparées par cycle à des intervalles de 4/10'000e de seconde.
Nous avons passé de plusieurs décennies d'apparente stagnation à une pléthore de
perfectionnements depuis l'arrivée de la régulation électronique de l'injection sur les
petits diesels de véhicules à moteur. Cependant, le développement des équipements
d'injection diesel est loin d'être terminé car il est indispensable de réduire encore plus les
émissions toxiques des moteurs diesel.
La forme de la chambre de combustion
L'injection indirecte est demeurée durant la moitié du siècle
passé la technique la plus répandue dans les diesels
rapides pour voitures.
Le terme "indirecte" vient du fait que le carburant n'est pas
injecté directement au-dessus du piston mais dans la
chambre de turbulence (ou dans la préchambre) d'une
chambre de combustion divisée en deux parties.
Les pertes dynamiques dans le conduit d'une chambre à l'autre et les pertes thermiques,
dues au transfert de chaleur relativement élevé en raison des importantes surfaces de
paroi, nuisent au rendement de ce concept. Pour cette raison les constructeurs ont
cherché à adapter le système d'injection directe, depuis fort longtemps appliqué sur les
moteurs Diesel de camions, marins et stationnaires aux petits diesels rapides
d'automobile. De longues recherches et des développements considérables ont dus être
accomplis avant de finalement réussir à obtenir une augmentation de pression
suffisamment graduelle dans des chambres de combustion ouvertes (et non divisées) sur
de petits moteurs tournant à haut régime.
Dans un diesel à injection directe, l'injecteur est
placé directement au-dessus du piston, dans
lequel la chambre de combustion est creusée. Le
principal défi technique était de limiter le gradient
d'augmentation de pression afin d'obtenir un
fonctionnement pas trop brutal et bruyant du
moteur.
La bonne répartition des jets de carburant a dû
être obtenue par des injecteurs à orifices multiples
de très faible diamètre ainsi que par des pressions
d'injection extrêmement élevées, au lieu de compter uniquement sur la turbulence de l'air
comprimé. Dès lors, des équipements d'injection capables de produire des pressions d'au
moins 700 bar ont été nécessaires.
Bref historique du moteur diesel
Les premiers diesels, à injection pneumatique, étaient fort coûteux et produits en petits
nombres d'unités stationnaires puis aussi marines. En 1927, Bosch entreprit la production
en grande série de pompes d'injection en ligne pour M.A.N., ce qui fut le début de
l'utilisation à grande échelle du moteur diesel. La Mercedes-Benz 260 D, première voiture
diesel produite en série, a été présentée au Salon de l'automobile de Berlin en 1936.
Après la guerre, la pompe d'injection distributrice inventée en 1941 aux USA par Vernon
Roosa, moins coûteuse, a permis l'expansion progressive du moteur diesel sur le marché
des véhicules légers.
30 avril 1978 : le véhicule diesel de recherches C111-III de Mercedes-Benz montre les potentialités des moteurs diesel
en battant neuf records du monde de vitesse (indépendamment du type et de la cylindrée du moteur) sur le circuit de
Nardo, en Italie méridionale. La vitesse moyenne de la voiture sur 12 heures s'établit à 315 km/h.
16 l/100 km, 3 litres de cylindrée, 230 ch, 402 Nm
Un diesel à injection directe est lancé en 1988 sur la Fiat Croma. Elle est suivie en 1989 par l'Audi 100
TDi et en 1993 par la Golf TDi. Audi et VW ont accompli un progrès significatif avec l'injection pilote
qui a permis un début de combustion plus graduel, comme nous le verrons ci-après. La pompe
d'injection Bosch à pistons axiaux et régulation électronique fournit une pression d'injection allant
jusqu'à 1000 bar alors que dans une chambre de turbulence ou préchambre une pression d'injection
comprise entre 125 et 150 bar est suffisante.
Puis, en 1997, Audi lance le 2.5 V6 TDi équipé d'une pompe à pistons radiaux, la Bosch VP 44. La
pression d'injection s'établit alors à non moins de 1600 bar. De nos jours, la rampe commune et les
injecteurs-pompes à régulation électronique remplacent les équipements mécaniques conventionnels.
Grâce à ces nouvelles technologies, les performances des moteurs Diesels ont évolué
considérablement depuis le début des années 90. Les émissions de particules ont été
réduites de plus de 80%, celles d'oxydes d'azote (Nox) et d'hydrocarbures imbrûlés (HC)
de 90% environ et celles d'oxyde de carbone (CO) de presque de 97%.
Le processus de combustion dans un moteur diesel (1/2)
Voici tout d'abord, quelques informations pour bien saisir ce qui ce passe dans les
chambres de combustion d'un moteur diesel.
Un diesel n'a pas de bougies d'allumage. Le rapport volumétrique (rapport volume du
cylindre + volume de chambre de combustion entre le PMB et le PMH) y est beaucoup
plus élevé que dans un moteur à allumage commandé, en sorte que la température en fin
de course de compression atteigne 500 à 700°C sous une pression de 50 à 60 bar.
L'injection commence en fin de compression et le carburant s'enflamme spontanément
après un délai que les ingénieurs s'efforcent de réduire à un minimum.
L'indice de cétane
L'indice de cétane, antagoniste à l'indice
Le délai d'inflammation dépend à un degré considérable des
d'octane, évalue la capacité d'un
propriétés du carburant. Cette caractéristique est définie par
carburant à s'enflammer. Le carburant
l'indice de cétane. La taille des microgouttelettes de gazole
d'un moteur diesel doit s'enflammer
dans les jets sortant de l'injecteur doit également être
spontanément le plus facilement
réduite à un minimum. De fait, les orifices des injecteurs
possible sous l'effet de la chaleur de l'air
sont de plus en plus petits ( 0.1 mm), de plus en plus
produite par sa compression.
nombreux (un seul en injection indirecte, 5 à 8 en injection
directe), la pression d'injection est la plus élevée possible, et
Le zéro de l'échelle de cet indice est
une forte turbulence est imprimée à l'air admis de façon à ce
donné par la valeur du
que le carburant y soit réparti de façon aussi homogène que
méthylnaphtalène qui a une forte
possible.
résistance à l'inflammation et la valeur
100 est donnée par le cétane qui
s'enflamme facilement.
Inflammation dans une chambre de combustion avec une buse d'injecteur à 6 orifices
(Document DaimlerChrysler)
Le processus de combustion dans un moteur diesel (2/2)
En fonction de considérations chimiques théoriques, la combustion d'un kg de gazole
nécessite 14,45 kg d'air. Cependant, et malgré des techniques d'injections perfectionnées,
les microgouttelettes de carburant ne peuvent pas être pulvérisées suffisamment
finement : une gouttelette supposée sphérique de 9 microns de diamètre contient encore
plus de 70'000 milliards de molécules ! On est dès lors contraint de prévoir un important
coefficient d'excès d'air de combustion relativement à la valeur théorique de 14,45:1 ,
ceci afin d'obtenir une consommation spécifique de carburant, des contraintes thermiques
et des émissions de particules de suie réduites au minimum.
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Une pression d'injection accrue et un diamètre des orifices de la buse d'injecteur réduit
augmentent la finesse de diffusion du carburant. Il est injecté sous forme de brouillard
dans différentes directions afin qu'il se mélange le plus intimement possible à l'air tout en
s'enflammant. Si trop de carburant est injecté par cycle, il y a émission de fumée noire et
la consommation spécifique augmente. Dans le cas inverse, la puissance est réduite.
Dans un diesel atmosphérique, et contrairement à un moteur à allumage commandé, la
masse d'air admise reste constante quelle que soit la charge (pression sur l'accélérateur).
Seul le volume de carburant injecté augmente avec la charge et par conséquent il n'y a
pas de papillon d'admission (excepté pour le recyclage des gaz d'échappement - ou EGR).
Le coefficient d'excès d'air de combustion diminue avec la charge et la valeur minimum
acceptable de ce coefficient limite la pression moyenne effective (ou PME, voir Les
paramètres fondamentaux d'un moteur d'automobile (2e partie/3) http://www.autoinnovations.com/site/dossier/puissance2.html ) et donc le couple développé.
La turbosuralimentation permet d'augmenter la masse de la charge fraîche d'air et de
brûler plus de carburant avec un coefficient d'excès d'air identique, voire supérieur. Etant
donné qu'un diesel peut conserver un rapport volumétrique suffisamment élevé malgré
une pression d'admission élevée, son rendement thermodynamique ne diminue pas en
version turbosuralimentée, contrairement au moteur à allumage commandé qui est, lui,
soumis à la limite de détonation et de cliquetis.
Délai d'inflammation
Le cognement des moteurs diesel est dû au délai d'inflammation. Pendant ce délai, du
carburant continue à être injecté et plus il y a de carburant dans la chambre au moment
de l'inflammation, plus le gradient d'augmentation de pression est élevé, autrement dit
plus le début de combustion est brutal. Le délai d'inflammation diminue avec la
température en fin de compression et c'est pourquoi les moteurs diesel fonctionnent plus
rudement et bruyamment durant leur phase de mise en température. C'est aussi l'une des
raisons de l'excellente association des diesels avec la turbosuralimentation: l'air
d'admission est préalablement réchauffé par le compresseur, ce qui diminue le délai
d'inflammation.
En injectant un volume de carburant minimum
pendant le délai d'inflammation pour amorcer la
combustion, le gradient d'augmentation de
pression est diminué, et par là les contraintes
mécaniques et le bruit. Lorsque que cette petite
quantité de carburant s'est enflammée, le
volume nécessaire en fonction de la puissance
demandée est alors injecté. On nomme cette
injection préliminaire injection pilote ou pré-injection. Elle dure 0,2 à 0,4 millisecondes et
le volume injecté est de 1 à 2 mm3 (une injection typique dans un moteur d'automobile
fonctionnant sous pleine charge est de l'ordre de 60 mm3 /cycle). L'injection pilote réduit
également les fumées blanches et bleues émises lors des départs à froid.
4 concepts différents
Aujourd'hui, les équipements d'injection diesel utilisés peuvent être classés en 4 groupes
:
Equipement divisé conventionnel avec pompe d'injection commune et tuyaux à
haute pression la reliant à chaque injecteur.
Pompes individuelles pour chaque cylindre actionnées par l'arbre à cames du
moteur, tuyaux à haute pression les reliant à leur injecteur.
Injecteurs-pompes : chaque cylindre a sa propre pompe combinée en une unité
avec l'injecteur et actionnée par l'arbre à cames du moteur. Les tuyaux de
refoulement sous haute pression sont supprimés.
Rampe commune avec pompe à haute pression et injecteurs électromagnétiques
ou piézoélectriques pilotés électroniquement.
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Équipement divisé avec pompe d'injection en ligne
Ce système répond au schéma suivant :
Une pompe d'injection au calage angulaire précisément synchronisé dose le
carburant et produit la pression d'injection qui ouvrira l'injecteur.
Les tuyaux à haute pression transfèrent le carburant vers les injecteurs qui
s'ouvrent lorsqu'ils sont mis sous pression.
Une animation montre comment une tel système fonctionne :
www.marinediesels.info/2_stroke_engine_parts/fuel_pump.htm
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Le principe de base de la pompe en ligne initiale Bosch de 1927 (ci-dessus) n'a pas
changé depuis lors.
L'image ci-dessous montre une pompe d'injection mécanique telle qu'elle a été utilisée
durant un demi siècle sur chaque moteur européen de poids lourd, ainsi que sur les
voitures diesel de Mercedes-Benz. Les pompes d'injection directe d'essence des moteurs
d'avion allemands de 1939-45 étaient très semblables. Ce type de pompe d'injection a un
élément (cylindre et piston) pour chaque cylindre du moteur. L'arbre à cames de la pompe
est entraîné à mi-régime du vilebrequin par les engrenages ou la chaîne de distribution.
Le carburant est refoulé dans les tuyaux à haute pression vers les injecteurs d'où il est
alors injecté par les buses.
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Il y a un moment optimal pour le début de la combustion et la durée d'injection doit être
la plus brève possible. Ce moment doit être parfaitement synchronisé avec le mouvement
du piston et c'est pourquoi les pompes d'injection sont dotées d'un variateur d'avance en
fonction du régime. Les tuyaux de refoulement entre la pompe d'injection et les injecteurs
ont la même longueur sur tous les cylindres afin que le carburant sous pression soit
également réparti. Un tarage exact des injecteurs est également nécessaire pour assurer
l'injection de la même quantité de gazole dans chaque cylindre.
Les pompes en ligne (ou en V) constituent des équipements mécaniques de haute
précision extrêmement fiables. Elles dosent exactement le volume de carburant fourni à
chaque cylindre à l'instant exact voulu. Un régulateur centrifuge règle avec précision les
régimes maximum et de ralenti du moteur et la pompe n'a besoin d'aucun ajustement
durant la vie entière du véhicule. En cas de panne sèche, si la pompe d'alimentation a
aspiré de l'air il est nécessaire de purger le système en ouvrant la vis prévue à ce effet sur
le filtre à gasoil et d'actionner la pompe à main jusqu'à ce que tout l'air soit évacué du
système. Jusqu'aux années 60, le niveau d'huile de lubrification dans la pompe devait être
vérifié par une jauge. De nos jours, ces pompes sont lubrifiées sous pression par le circuit
de lubrification du moteur.
Dosage du carburant (1/2)
La rotation des pistons détermine le
volume de carburant injecté par
course. Ils sont tournés par une douille
solidaire d'un segment denté engrené
sur une crémaillère, elle-même reliée à
la pédale d'accélérateur
Selon la position angulaire du piston,
son arête hélicoïdale ajuste la fin
d'injection en ouvrant l'orifice de retour
plus ou moins tard, ce qui règle ainsi le
volume injecté par cycle en fonction de
la puissance demandée.
Dosage du carburant (2/2)
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De nos jours, la crémaillère de ces pompes est ajustée par un moteur électrique et un
module électronique appelé EDC, acronyme signifiant Electronic Diesel Control. Cette
association procure un ajustement du volume injecté selon une cartographie, ce qui
permet ainsi d'aplatir sur une large plage de régimes la courbe de couple du moteur à la
valeur maximum admise par la transmission. Elle facilite également l'installation de
régulateurs et limiteurs de vitesse.
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Fonctionnement des injecteurs
L'aiguille (7) est pressée contre son siège par un ressort (17) qui prend appui dans le
porte-injecteur (3). Le carburant arrive de la pompe d'injection par le tuyau à haute
pression (10) et est dirigé à travers un dernier filtre (12) et le conduit (16) vers la
chambre de pression autour de l'aiguille (7). Lors du refoulement par la pompe, la
brusque montée en pression pousse sur le cône de l'aiguille et la soulève en s'opposant à
la force du ressort (17). Le carburant est alors pulvérisé dans la chambre de combustion
par les orifices (9) jusqu'à la fin du refoulement par la pompe. Le carburant excédentaire
est évacué par le canal (14) et les conduits de retour (13).
La buse et l'aiguille sont refroidies et lubrifiées par le carburant. La pression de tarage de
l'injecteur, dépendante de la force du ressort, détermine la pression d'ouverture de
l'aiguille et par là la pression d'injection.
Les pompes distributrices (1/2)
Pompe Bosch VE
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Les ingénieuses pompes d'injection à distributeur sont très répandues sur les
camionnettes et les automobiles. Elles ne sont pas aussi coûteuses que les pompes en
ligne car elles ne comportent, indépendamment du nombre de cylindres du moteur, qu'un
seul piston. Ce piston est animé d'un mouvement simultanément alternatif et rotatif et il
distribue le carburant pressurisé à chaque cylindre selon l'ordre d'allumage. Tous les
composants, y compris le régulateur, le variateur d'avance et la pompe d'alimentation
sont intégrés dans le carter de pompe. Ce type de pompe est aussi moins volumineux et
plus léger que les pompes en ligne; il est adapté aux moteurs de 3 à 6 cylindres
développant jusqu'à 30 kW par cylindre.
Pompe Bosch VE
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La rotation de l'arbre d'entraînement est convertie en mouvement alternatif et rotatif par
un plateau à cames tournant contre une couronne munie de galets. Le carburant est
distribué entre 3 à 6 (selon le nombre de cylindres) clapets de refoulement répartis
autour du piston dans la tête de distribution. Une douille de contrôle définit la course utile
et dose le volume injecté. L'avance à l'injection (calage) est réglée par une légère rotation
de la couronne à galets.
www.cs.rochester.edu/u/jag/vw/engine/fi/injpump.html
Les pompes distributrices (2/2)
Le piston (1) comporte autant de rainures d'admission que le
moteur a de cylindres, mais une seule rainure de refoulement (2).
La rotation du piston amène successivement chacune de ses
rainures d'admission en face de la lumière d'admission et sa
rainure de refoulement en face de la lumière du conduit à haute
pression (4) vers l'injecteur du cylindre qui se trouve en fin de
compression.
En phase de remplissage de la chambre de pression (3), le piston
est repoussé alors qu'une des rainures d'admission est en face de
la lumière d'admission. Lors du refoulement, le piston avance alors
que la lumière d'admission est fermée. Le carburant s'échappe par
le conduit axial au centre du piston et par la rainure de
refoulement vers un des injecteurs. Le coulissement axial de la
douille de contrôle (5) détermine la fin de l'injection et donc le
volume refoulé, le volume non injecté retournant dans la pompe
par le perçage transversal (6).
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Schéma du dispositif de commande et de régulation des pompes Bosch VE
en position d'injection maximum :
1 - piston,
2 - levier de contrôle,
3 - régulateur centrifuge,
4 - mécanisme à levier,
5 - douille coulissante de contrôle,
6 - perçage transversal.
Pompe distributrice à pistons radiaux
La pompe Bosch VP 44 travaille selon un principe différent : c'est
une pompe distributrice à pistons radiaux. Ses pistons opposés
sont disposés à l'intérieur de l'arbre d'entraînement et tournent
avec lui. Pendant la phase de remplissage, les pistons sont
repoussés à l'extérieur et le carburant est admis dans la chambre
de haute pression.
Variateur d'avance (image Hako)
Durant la phase de refoulement, les pistons sont forcés vers l'intérieur par les cames de
l'anneau et ils pressurisent le carburant dans la chambre à haute pression. Le calage est
défini par la position angulaire de l'anneau à cames. Cette pompe peut fournir l'énorme
pression d'injection de 1850 bars.
Une description complète (en anglais) du principe de fonctionnement de la Bosch VP 44
est en ligne à : dodgeram.org/tech/dsl/ISB/Vp44.htm
Injecteurs-pompes Detroit Diesel /Cummins
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La production en grande série d'injecteurs-pompes unitaires a démarré dès 1938 pour les
diesels 2 temps GMC 4-71 et 6-71, connus ultérieurement sous le nom de Detroit Diesel.
Le principe de fonctionnement est semblable à celui de la pompe Bosch en ligne, à
l'exception du fait que les injecteurs-pompes réunissent une pompe d'injection
individuelle et son injecteur en un élément unique, ce qui supprime les conduits de
refoulement à haute pression. Chaque unité est actionnée par l'arbre à cames du moteur
et non pas comme dans la pompe d'injection en ligne par un arbre à cames séparé et
spécifique.
Le système se purge de lui-même après une panne sèche.
Cummins a lancé en 1954 un concept légèrement
différent qui a encore été récemment amélioré en
coopération avec Scania. Dans le système
Cummins PT ("Pression-Temps") initial, le
carburant était dosé en étranglant son arrivée à
l'intérieur de la pompe d'alimentation. Un
changement de pression d'alimentation, obtenu
par la variation de section d'orifice de dosage ou
du calage changeait le volume de carburant
injecté.
L'injecteur-pompe de Cummins-Scania HPI est à
bien des égards semblable au système d'injection
mécanique STC des 6 cylindres Cummins de 14
litres, largement répandus sur les camions US.
Comme dans les unités injecteur-pompe de
Detroit Diesel (ci-contre), le carburant est
pressurisé et refoulé par un piston commandé par
l'arbre à cames du moteur.
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Injecteur-pompe Cummins-Scania HPI (1/2)
Le nouveau système HPI diffère par un contrôle plus précis du processus d'injection au
moyen d'une alimentation en carburant séparée qui ajuste à la fois le volume injecté et le
calage. La gestion est assurée par un module EDC (Electronic Diesel Control). Des
soupapes à tiroir actionnées par solénoïde contrôlent le débit de carburant de combustion
tandis que d'autres soupapes à tiroir alimentent en carburant des chambres séparées de
calage et de dosage dans chaque injecteur-pompe. Cet équipement est monté sur des
moteurs 6 cylindres et il comprend quatre soupapes à tiroir car le système est divisé en
deux groupes séparés de 3 cylindres chacun.
Le volume de carburant à injecter introduit dans les chambres de dosage est contrôlé par
le piston supérieur, commandé par l'arbre à cames et agissant sur deux pistons flottants,
au dessous.
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Injecteur-pompe Cummins-Scania HPI (2/2)
L'espace supérieur réplique le système précédent Cummins STC en ce que le dosage est
effectué en variant la durée d'ouverture, bien que du gazole soit utilisé plutôt que l'huile
moteur employée par le système STC précédent. Cette nouvelle technologie procure un
calage ajusté par commande électronique et elle permet actuellement une pression
d'injection de 1600 - 1700 bar, bien qu'elle puisse potentiellement monter jusqu'à 2350
bar.
Une particularité surprenante est que la buse reste ouverte pendant la phase de
remplissage en sorte que des gaz de combustion y pénètrent et passent jusque dans le
réservoir par les conduites de retour.
En conjonction avec le carburant circulant dans la chambre de dosage de l'injecteur, ce
flux réchauffe rapidement le gazole contenu dans le réservoir et combat la propension à
la formation de paraffine lors de températures extrêmement basses.
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1. Piston supérieur
Ce piston est poussé vers le bas par l'arbre à cames avec une force de 12 500 N.
2. Lumière d'admission du carburant de calage
Un volume strictement contrôlé de carburant est alors pompé dans l'injecteur. Il se fraie
un chemin entre le piston supérieur et le piston médian, assurant une liaison hydraulique.
C'est le volume de carburant autorisé à créer cette liaison qui détermine le calage précis
du carburant à injecter. Une quantité supérieure de carburant induit une avance, une
quantité inférieure un retard. Le volume de carburant est régulé par le système de gestion
du moteur. En faisant varier le volume, celui-ci ajuste le calage.
3. Conduite de retour du carburant de calage
Le carburant ayant servi au calage est évacué et renvoyé au réservoir.
4. Lumière d'admission du carburant à injecter
Le gazole destiné à la combustion est forcé dans la partie inférieure du corps de
l'injecteur-pompe, prêt à être introduit à travers la buse ouverte. Le volume de carburant
est régulé par le système de gestion du moteur.
5. Piston inférieur
Le carburant est injecté sous haute pression dans la chambre de combustion par le piston
inférieur.
L'injecteur-pompe Bosch
En 1998, Volkswagen a adopté sur ses moteurs diesel un équipement Bosch avec
injecteurs-pompes actionnés depuis l'arbre à cames en tête par des culbuteurs à
rouleaux.
Un injecteur-pompe Bosch pour moteurs de
camion
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Injecteur-pompe Bosch sur moteur VW
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L'ECU avec programmation cartographiée commande une électrovanne ultra rapide dans
l'injecteur-pompe. Du carburant est injecté aussi longtemps qu'elle est fermée (activée).
En d'autres termes, le point de fermeture de l'électrovanne définit le début de l'injection
et le volume de carburant injecté est déterminé par la durée pendant laquelle cette
électrovanne reste fermée.
Des pressions d'injection de 2050 bar sur les voitures de tourisme et de 1800 bar sur les
véhicules utilitaires sont possibles. La pression d'injection est dépendante du régime et
ces valeurs ne sont atteintes qu'à haut régime, avec 400 bar au ralenti.
Grâce à leur commande électronique, ces injecteurs-pompes fournissent une injection
pilote.
Le système de pompes individuelles
Pompes individuelles sur un V8 Mercedes-Benz OM 442 LA pour camions
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Un système pompe-conduit-injecteur avec pompes individuelles à commande
électronique pour chaque cylindre est monté sur les moteurs de camions et industriels de
Mercedes-Benz, sur le Renault-Mack 6 cylindres en ligne, ainsi que sur la plupart des gros
diesels lents et semi-rapides marins et stationnaires.
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Pompes individuelles actionnées par l'arbre à cames latéral sur un 6-cylindres industriel Mercedes OM 906 LA
Les pompes unitaires sont actionnées par des cames supplémentaires de l'arbre à cames
latéral ou au centre du V. La levée de came est transférée au piston de pompe par un
poussoir à rouleau.
Le principe de fonctionnement est identique à celui de l'injecteur-pompe, sauf que le
système est divisé en pompes individuelles et injecteurs conventionnels connectés par
des tuyaux de refoulement à haute pression.
Pompe individuelle et injecteur
(Mercedes-Benz)
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Pompes individuelles sur un RenaultMack 6 cylindres
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La rampe commune (common rail)
Dans le système d'injection à rampe commune (common rail) les injecteurs de tous les
cylindres sont alimentés en carburant par une pompe à haute pression qui débite dans un
accumulateur commun, appelé "rampe commune" et monté le long du bloc moteur. La
pression dans la rampe est réglée électroniquement par une combinaison de dosage sur la
pompe et de décharge par un régulateur de pression (si monté). Le système fonctionne
indépendamment de la vitesse ou de la charge de moteur, de sorte qu'une pression
d'injection élevée puisse être produite à bas régime s'il y a lieu. Une série d'injecteurs est
reliée au rail et chacun est ouvert et fermé électromagnétiquement par un solénoïde, luimême piloté par l'unité de commande électronique (ECU).
Equipement Bosch à rampe commune sur un 6 cylindres de véhicule utilitaire
Le carburant est injecté sous des pressions de 1350, 1600 et même jusqu'à 1800 bar avec
la dernière génération de rampe commune. L'injection est commandée par des injecteurs
spéciaux de haute précision dont les buses ont jusqu'à huit trous de diamètre n'excédant
parfois pas 0.09 mm. Le diamètre d'un cheveu humain est d'environ 0.05 mm.
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Cliquez pour voir le diagramme entier du système - image de Siemens
Pour plus de détails au sujet de l'injection par rampe commune, voir notre dossier
spécifique L’injection diesel par rampe commune
27 mai 2004: Bosch dévoile l'injection diesel du futur
Les ingénieurs de recherche continuent à développer des nouvelles technologies
d'injection pour moteurs diesel. Fin 2006, l'équipementier Bosch présentera la 3ème
génération d'injection à rampe commune travaillant à une pression de 1800 bars au lieu
des 1600 actuels, offrant aux motoristes de plus grandes possibilités de dépollution et de
fourniture de puissance des moteurs.
La 4ème génération est aussi planifiée: "nous développons actuellement des concepts
d'injecteurs coaxiaux variables et à augmentation interne de la pression pour la prochaine
génération d'injection à rampe commune", a expliqué Dr Ulrich Dohle, président de la
Division de systèmes Diesel de Bosch.
Injecteur pompe à buse coaxiale
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L'injecteur à buse coaxiale variable diffère de l'injecteur traditionnel par le nombre, la
position, le diamètre et la forme des canaux d'injection. Un module piézo-électrique
commande deux aiguilles placées coaxialement dans la buse et ouvre indépendamment
deux circuits d'injection. Le premier circuit à trous de petit diamètre est utilisé pour
l'injection de gazole en petite quantité dans le processus initial et fournit ainsi une
combustion douce à faible niveau sonore. Les mesures ont montré que le bruit de
combustion est sensiblement réduit et qu'il y a jusqu'à 70% de diminution d'émissions de
particules et d'oxydes d'azote. En passant en pleine charge, le deuxième circuit à trous de
grand diamètre s'ouvre. "Dans le meilleur des cas, il devrait être possible avec l'injecteur
à buse coaxiale variable de ne plus avoir recours à l'injection pilote sur une large gamme
de régimes et de charges et de réduire ainsi les émissions de particules", explique le Dr
Ulrich Dohle.
La pression de fonctionnement de ce système prévu en production pour 2007 atteindrait
1800 bars. La production du deuxième concept, l'injection "Common rail" à amplificateur
de pression actuellement étudiée par Bosch pourrait commencer en 2008. Dans ce
concept, une pompe fournit une plus faible pression, par exemple 1350 bars, dans la
rampe commune. Le carburant est ensuite orienté vers les injecteurs où la pression
d'injection est amplifiée hydrauliquement à plus de 2200 bars. En raison de cette pression
élevée, le carburant peut être pulvérisé par de plus petits orifices avec pour conséquences
une pulvérisation plus fine, un meilleur mélange avec l'air et une amélioration de la
dépollution et de la puissance délivrée.
Divers
1. Buses
Les buses d'injection doivent être soigneusement assorties aux spécificités du moteur. La
conception de la buse est décisive pour :
- le dosage de la quantité de carburant injectée
- l'exactitude des points d'ouverture et de fermeture (calage)
- la gestion du carburant (nombre et forme des jets, pulvérisation)
Il y a 2 types basiques de buses d'injecteurs :
- Buses à trou borgnes
A gauche : buse à trou borgne cylindrique
et cône de buse rond.
A droite : buse à trou borgne conique et cône de buse conique.
Après l'injection, une petite quantité de combustible reste dans le trou borgne. Lorsque ce
carburant se vaporise, les émissions d'hydrocarbures (HC) augmentent. Pour cette raison,
ce volume de carburant résiduel doit être réduit à un minimum.
- Buses sans sac (VCO = Valve Covers Orifice)
Ici, le volume du trou borgne a été réduit à tel point que les
orifices de pulvérisation se séparent près du siège de la buse.
Ceci leur permet d'être fermés en sorte qu'aucun carburant
résiduel ne puisse se vaporiser. Tant au point de vue mécanique
pur que de mécanique des fluides, les buses sans sac sont
spécialement adaptées aux diesels rapides de voitures
particulières.
La dernière génération de système à rampe commune dispose d'injecteurs piézoélectriques. Un actuateur piézo-électrique commandé électroniquement permet des
commutations cinq fois plus rapides qu'une électrovanne, autorisant ainsi une courbe
d'injection plus précisément adaptée aux besoins.
2. Pompes d'alimentation
La pompe d'alimentation force le carburant depuis le réservoir du
véhicule jusque dans la chambre de pression de la pompe à haute
pression. Il existe un certain nombre de modèles de pompes
d'alimentation disponibles selon le type et la capacité de la pompe
à haute pression utilisée.
Les pompes d'alimentation à palettes et les pompes à engrenages
fournissent un débit de carburant continu; elles sont employés
avec les pompes d'injection distributrices, les injecteurs-pompes,
les pompes individuelles et les systèmes à rail communs. Les pompes en ligne
fonctionnent avec des pompes d'alimentation simples ou à
double action qui fournissent le carburant par à coups.
3. Filtres à carburant
La contamination du carburant peut endommager les surfaces
des éléments de pompe, des soupapes et des buses d'injection.
Les particules solides peuvent aussi causer une usure
prématurée. Le gazole peut également contenir de l'eau qui, par
corrosion, raccourcit la durée de vie du système d'injection.
C'est pourquoi un, voire deux filtre(s) à gasoil entre le réservoir et la pompe à haute
pression protège(nt) l'équipement d'injection. Ces filtres comportent une cartouche
filtrante en papier et un séparateur d'eau.
4. Quelques données impressionnantes
Pression d'injection :
Une pression d'injection de 2050 bar est équivalente à la force que le poids d'une voiture
moyenne exercerait sur une surface de la taille d'un ongle.
Durée d'injection :
Le carburant est injecté dans la chambre de combustion en 1 à 2 ms (un à deux millièmes
de seconde) - aussi brièvement que la durée du flash d'un appareil photo.
Vitesse d'injection :
Les jets de carburant sortent de la buse d'injecteur à des vitesses atteignant 2350 km/h -
aussi vite qu'un avion de chasse à sa vitesse de pointe.
Fréquence d'injection :
Lorsque le vilebrequin d'un moteur 6 cylindres tourne à 4000 tr/min, le système
d'injection doit contrôler et débiter 200 cycles d'injection par seconde.
Volume injecté :
Le plus petit volume de carburant injecté est d'un millimètre cube - volume à peu près
identique à la tête d'une aiguille. La plus gros volume injecté par cycle dans un moteur
diesel d'automobile est d'environ 70 mm3.
Auteurs : Yvonnick Gazeau et François Dovat
Date de publication :janvier 2005
Illustrations : Bosch, DaimlerChrysler, Detroit Diesel, Scania, Volvo, Renault, Hako.
Liens internes :
L’injection Diesel par rampe commune
L’injecteur piézoélectrique à commande directe de Delphi
Liens externes :
www.kfztech.de/kfztechnik/motor/diesel/edc.htm
www.ac-nancy-metz.fr/enseign/..pdf
www.bosch.fr/rechange/index.asp?menu=m-16&ssmenu=s-0
www.bosch.fr/content/language1/html/734_2604.htm
www.kraftfahrzeugtechnik-heute.de/k/en/start/...
www.kraftfahrzeugtechnikheute.de/k/en/start/product.jsp?mfacKey=ds_28_einspd
www.educauto.org/Documents/Tech/ANFA-DIESEL/hdi.pdf
www.tdi-probleme.de/TDI-Probleme.htm
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