Un moteur à allumage commandé à injection directe de carburant est un type de moteur à combustion à piston qui, contrairement à un moteur à étincelle à point unique ou injection de carburant multipoint ou méthode de préparation du mélange par carburateur, ne brûle pas seulement un mélange homogène.

Le carburant est injecté directement dans le cylindre pendant la course d'admission ou de compression à l'aide des soupapes d'injection, l'atomisant et le vaporisant avant que la bougie d'allumage n'enflamme le mélange avec une étincelle.

Fonction moteur essence à injection directe

Un moteur à allumage commandé à injection directe de carburant crée un mélange de travail de carburant et d'air uniquement dans la chambre de combustion, ce qui signifie qu'il s'agit d'une création interne du mélange.

Avec ce mode de préparation du mélange, il n'y a pas de pertes de condensation causées par la condensation du carburant sur les parois de la tubulure d'admission. De plus, le moment de l'injection de carburant, ainsi que la quantité de carburant injectée, sont très précis, grâce auxquels la consommation de carburant est réduite.

En fonction de la charge, des révolutions, de la température du moteur et d'autres paramètres, le moteur à allumage commandé à injection directe fonctionne selon différents modes avec différentes compositions de mélange :

1. Mode avec mélange homogène
2. Mode avec fonctionnement homogène et mélange pauvre
3. Mode avec fonctionnement homogène et remplissage en couches
4. Mode avec fonctionnement homogène et protection contre les cognements du moteur
5. Mode mélange en couches
6. Mode avec le mélange stratifié et le chauffage du catalyseur

1. Mode avec un mélange homogène

Dans ce mode, le carburant est déjà injecté pendant la course d'admission, grâce à quoi un temps suffisant est obtenu pour créer un mélange uniformément composé. Dans ce cas, il s'agit d'un mélange stoechiométrique λ = 1, dans lequel le combustible est complètement brûlé, dans tout son volume.

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Dans ce mode de moteur à essence à injection directe, le déroulement de la combustion, la consommation de carburant, les émissions et d'autres paramètres ne sont pas très différents d'un moteur à essence à injection multipoint.

Ce mode est universel, quel que soit le régime moteur, la température ou la charge. Cependant, cela priverait le moteur des avantages du remplissage en couches, c'est pourquoi ce mode est principalement utilisé à des régimes et charges élevés du moteur.

2. Mode avec fonctionnement homogène et mélange pauvre

Dans ce mode, le moteur à essence à injection directe atteint une consommation de carburant inférieure à celle du mode avec un mélange homogène en raison d'une efficacité de remplissage plus élevée, car le papillon des gaz est plus ouvert que dans le mode avec un mélange homogène.

La composition du mélange dans ce régime est 1 < λ < 2.

3. Mode avec fonctionnement homogène et remplissage en couches

Dans ce mode, le rapport air-carburant atteint la valeur λ > 2, et le carburant est injecté deux fois. Lors de la première injection, qui a lieu pendant la course d'admission, environ un quart de la charge de carburant par cycle est délivré à la chambre de combustion, ce qui crée un mélange homogène.

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Le reste du carburant est injecté uniquement pendant la phase de compression, tandis que sa tâche est de créer un mélange plus riche et bien enflammé dans la zone de la bougie.

4. Mode avec fonctionnement homogène et protection contre les cognements du moteur

Ce mode est principalement destiné aux charges élevées à bas régime moteur lorsque des cliquetis du moteur peuvent se produire. Dans ce mode, la double injection de carburant est à nouveau utilisée comme dans le mode précédent.

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Un deuxième lot de carburant est ainsi injecté pendant la phase de compression, réduisant la température et la pression dans la chambre de combustion, empêchant ainsi la combustion par détonation.

5. Mode de mixage en couches

Dans ce mode, le carburant est injecté dans la chambre de combustion pendant la course de compression juste avant que la bougie n'enflamme le mélange avec une étincelle.

Le carburant n'a pas le temps de bien se mélanger à l'air, et le moteur fonctionne avec un mélange pauvre, où le rapport air-carburant est λ > 1, mais il y a un mélange bien inflammable dans la zone du bougie d'allumage, qui est allumée par une étincelle.

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Dans ce mode, la recirculation des gaz d'échappement des cycles précédents, assurée par la vanne EGR, est également utilisée de manière intensive.

En termes simples, il y a un mélange bien inflammable dans la zone de la bougie d'allumage, et dans d'autres parties de la chambre de combustion, il y a un mélange pauvre de gaz d'échappement des cycles précédents. Le mode de mélange en couches est plus adapté aux régimes moteur inférieurs à moyens.

6. Mode avec mélange stratifié et chauffage du catalyseur

Ce mode sert uniquement à chauffer le catalyseur à sa température de fonctionnement. Le principe de fonctionnement du moteur dans ce mode est le même que dans le mode précédent à une différence près.

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Pendant la détente, un carburant supplémentaire est injecté dans la chambre de combustion, ce qui entraîne une augmentation de la température dans le tuyau d'échappement et donc également la température du convertisseur catalytique.

Combustion du mélange stratifié

Pour assurer la qualité du processus de combustion avec un mélange stratifié, il est nécessaire d'harmoniser la forme de la chambre de combustion, le fond du piston, l'emplacement mutuel de la bougie et de l'injecteur, mais aussi la vitesse de flux d'air, la direction, la forme et le bon moment de l'injection du faisceau de combustible.

La combustion d'un mélange stratifié peut donc être divisée en :

• Combustion guidée par un faisceau de combustible - le combustible doit être injecté à proximité de la bougie d'allumage
• Combustion guidée par les parois de la chambre de combustion - le combustible est injecté dans le flux d'air , qui, grâce à la forme appropriée de la paroi des cylindres et du fond du piston, amènera le mélange de carburant et d'air à la bougie au bon moment.

Solution de construction de la préparation du mélange en couches :

1. Injection directe avec bougies et injecteurs rapprochés
2. Injection directe avec bougies et injecteurs éloignés

1. Injection directe avec bougies et injecteurs rapprochés

Dans cette solution de conception de préparation de mélange en couches, une combustion guidée par faisceau est utilisée. L'injecteur injecte donc du carburant dans la chambre de combustion, tandis que le faisceau de carburant frappe directement la zone des électrodes de la bougie d'allumage.

Avantages :

• La grande stratification du mélange due à la pulvérisation autour des bougies, grâce à laquelle le mélange autour d'elles est toujours suffisamment riche, mais dans le reste de l'espace de combustion, il y a un mélange extrêmement pauvre.

Désavantages:

• La préparation du mélange prend peu de temps, ce qui réduit sa qualité
• Dépendance de la forme du faisceau vis-à-vis de la pression de compression
• Problèmes de démarrage du moteur à froid
• Exigences élevées sur les injecteurs

2. Injection directe avec bougies et injecteurs éloignés

Dans cette solution structurelle de préparation en couches du mélange, on utilise une combustion guidée par les parois de la chambre de combustion.

Avantages :

• Temps de préparation du mélange plus long, ce qui augmente sa qualité
• Meilleur mélange du carburant et de l'air (moins de stratification)

Désavantages:

• La stratification du mélange est favorisée par la forme de la chambre de combustion
• En cas de fortes turbulences dans la chambre de combustion, la stratification requise du mélange n'est pas atteinte

Avantages du moteur essence à injection directe

• Performances moteur supérieures
• Consommation de carburant réduite (15 à 30 %)
• Dosage précis du carburant

Inconvénients du moteur essence à injection directe

• Fiabilité moindre
• Construction plus exigeante
• Plus d'oxydes d'azote et de particules solides sont produits lors de la combustion d'un mélange inhomogène.