Tout savoir sur l’injection indirecte
L’injection indirecte est la technologie la plus répandue sur les moteurs quatre temps de moyennes et de grosses puissances. Principe de fonctionnement, avantages et limites du système, c’est le menu concocté par Maël Derrien, formateur référent du CQP mécanicien nautique à l’INB.
L’injection d’essence, gérée par le boîtier électronique, répond à un double enjeu. Avant l’avènement de l’injection électronique, le mélange air/essence se faisait – et se fait toujours sur les moteurs jusqu’à 25 chevaux environ – à l’intérieur du carburateur (voir MB n° 369). Le carburateur ne peut pas s’adapter aux variations de pression atmosphérique, de température extérieure et d’hygrométrie. Ces paramètres influent pourtant sur le dosage stoechiométrique du mélange air/essence (14,7 g d’air pour 1 g d’essence) et donc sur la performance du moteur. Parallèlement, les constructeurs ont dû s’adapter aux normes antipollution progressivement mises en place à partir de 1990. De ce point de vue, le carburateur fait également figure de mauvais élève, les phases délicates de démarrage à froid et d’accélération ne permettant pas une maîtrise optimale de la consommation (les moteurs deux temps à carburateur ont ainsi été interdits pour la plaisance en 2007). L’injection électronique, gérée par le boîtier électronique du moteur, permet à la fois de maintenir un dosage stoechiométrique constant à tous les régimes et dans toutes les conditions d’utilisation et de diminuer la consommation de carburant.
Deux types d’injection: indirecte et directe
L’injection directe (l’essence est vaporisée « directement » à l’intérieur du cylindre) ne concerne à ce jour que les modèles XTO de Yamaha (les deux temps à injection directe ne sont plus commercialisés). Cette technologie sera traitée à part dans un prochain article. Dans un système d’injection indirecte, l’injecteur, commandé par le boîtier électronique et positionné dans le conduit d’admission d’air, vaporise l’essence juste au-dessus de la soupape d’admission, lorsque celle-ci est encore fermée (pour le cycle du moteur quatre temps, voir MB n° 368). On compte autant d’injecteurs que de cylindres ; on parle donc d’injection électronique indirecte multipoint (l’injection monopoint, avec un injecteur unique, est désuète). Quand la soupape d’admission s’ouvre, le mélange air/essence pénètre dans la chambre de combustion grâce à l’action conjuguée de l’aspiration du piston et de la poussée de la pression atmosphérique. L’injection indirecte offre au moteur de meilleures performances qu’un carburateur (démarrage facilité et combustion mieux maîtrisée) tout en étant moins coûteuse que l’injection directe, grâce à la simplicité de la cartographie et du système d’alimentation en essence ; les injecteurs, montés sur un rail d’injection commun, sont de simples vaporisateurs et la pression d’injection est inférieure. L’injection indirecte ne permet cependant pas d’obtenir un contrôle optimal de l’homogénéité du mélange air/essence. L’essence est en effet vaporisée sur des surfaces de températures variables (le conduit d’admission est plus frais que la soupape). L’homogénéité est donc perturbée à cause du phénomène de condensation. On observe par ailleurs un effet de « rebond » de type ramjet (voir MB n° 368) : la soupape d’admission est fermée lorsque l’injecteur vaporise l’essence qui rebondit contre celle-ci. À l’ouverture de la soupape, le flux est de nouveau perturbé par le mouvement du piston (descente puis remontée), ce qui nuit également à l’homogénéité du carburant. Sans oublier que celui-ci condense également à l’intérieur de la chambre de
combustion, au contact des parois du cylindre, de la culasse, du piston, etc. À bas régime, la condensation est d’autant plus importante que le carburant circule « à basse vitesse » et a donc plus le temps de condenser. À cause de l’ensemble de ces perturbations, la richesse du mélange n’est donc pas égale en tout point de la chambre de combustion.
Le circuit d’alimentation en essence
Le circuit d’alimentation en essence d’un moteur à injection indirecte est identique à celui d’un moteur à carburateur (voir MB n° 369).
À la place du carburateur, on trouve une pompe haute pression à l’intérieur de la cuve à niveau constant. Cette dernière est également appelée, selon les motoristes, dégazeur, VST (Vapor Separator Tank) ou FSM (Fuel System Module). Selon le même principe que le carburateur, la cuve à niveau constant permet de stocker une
quantité d’essence sous forme liquide.
Elle contient un ensemble flotteur/pointeau, une pompe haute pression protégée par une filtration et un régulateur de pression d’essence. La pompe haute pression aspire le carburant et le refoule dans la ligne haute pression composée d’une filtration, d’un rail (ou rampe) d’injection et d’injecteurs. Le régulateur de pression d’essence permet de maintenir une pression constante dans le circuit à tous les régimes : la pompe haute pression ayant un débit constant, quand les injecteurs débitent moins au ralenti (temps d’ouverture inférieur), le régulateur (clapet, piston, bille, etc.) limite la pression en s’ouvrant au maximum. L’excédent de carburant non vaporisé par les injecteurs est renvoyé dans la cuve à niveau constant via le retour. Ici, le régulateur se trouve à l’intérieur de la cuve, mais il peut se situer n’importe où sur le circuit d’injection. Le rôle de la rampe de refroidissement, située sur la ligne haute pression, en amont du retour au régulateur, est de condenser l’essence qui a tendance à dégazer à cause de la chaleur du bloc-moteur et de la pression d’injection. Cette configuration est valable pour un circuit d’injection à pression constante.
Il existe d’autres systèmes à pression variable (en fonction du régime) plus complexes, sur lesquels nous ne nous attarderons pas.
L’utilité de la commande d’injection
La commande d’injection correspond au pilotage électrique de l’ouverture des injecteurs. Pour l’injection indirecte, il existe deux grands types de commande : continue et intermittente. Sur des moteurs d’ancienne génération à injection continue, l’essence est injectée sans interruption dans le conduit d’admission. La variation concerne uniquement la quantité de carburant injectée, qui augmente avec le régime moteur. L’injection intermittente est une technologie plus récente et plus évoluée qui permet de vaporiser l’essence à un moment précis, en fonction de la position du vilebrequin. Au sein de l’injection séquentielle, on distingue quatre variantes : l’injection simultanée (tous les injecteurs sont commandés en même temps), l’injection groupée ou semi-séquentielle (les injecteurs sont commandés par groupe, par exemple deux par deux), l’injection séquentielle
(les injecteurs sont commandés séparément, un par un) et l’injection séquentielle à durée variable (les injecteurs sont commandés séparément et avec des réglages indépendants). L’injection simultanée est le système le plus basique au sein de l’injection intermittente. La quantité de carburant est injectée en deux courtes salves par cycle moteur (soit deux tours de vilebrequin). L’inconvénient de ce système est que l’homogénéité du mélange air/essence n’est pas identique entre les cylindres ; pour les cylindres 1 et 4, le carburant est injecté après la fermeture des soupapes d’admission et stagne en amont de celles-ci pendant 360° (un tour moteur), ce qui favorise la condensation (perte de carburant par condensation donc mélange appauvri). Pour les cylindres 2 et 3, le moment d’injection coïncide avec l’ouverture des soupapes : l’homogénéité du mélange est meilleure. La commande groupée (ou semi-séquentielle) permet d’affiner l’injection tout en restant simple ; il n’y a plus qu’une injection par cycle avec une durée d’injection plus longue. Pour les cylindres « défavorisés » (2 et 3), le mélange reste au repos derrière les soupapes pendant 180° (un demi-tour moteur).
Avec une cartographie d’injection séquentielle, le carburant est injecté juste avant l’ouverture de la soupape d’admission pour chaque cylindre (l’homogénéité du mélange air/essence est donc identique).
Le système le plus abouti est l’injection séquentielle à durée variable qui permet de moduler la durée d’injection afin de compenser le phénomène de cliquetis. Le cliquetis désigne un bruit métallique caractéristique généré par une onde de choc qui se diffuse à l’intérieur
de la chambre de combustion. L’onde naît suite à la rencontre de plusieurs fronts de flamme ; l’augmentation brutale de la température à l’intérieur du cylindre peut causer des dommages irréversibles aux pistons, aux soupapes ou à la culasse.
Pour éviter le cliquetis, des capteurs détectent l’onde de choc, qui est toujours comprise entre 5 000 et 8 000 Hz. Ces derniers envoient l’information au boîtier électronique qui modifie la commande d’injection : la durée d’injection est augmentée (uniquement dans le cylindre concerné) pour diminuer la rapidité d’avancement du front de flamme (le front de flamme progresse moins vite lorsque le mélange est enrichi) et faire légèrement tomber la température à l’intérieur de la chambre de combustion.
La combustion la plus efficace est obtenue à la limite du cliquetis, d’où l’importance pour un moteur efficient d’être muni de capteurs anticliquetis et d’être doté d’une cartographie dite d’injection électronique indirecte multipoint à commande intermittente séquentielle à durée variable... ■