Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 550 1Injection dessencedans les moteurs dautomobilepar Luis LE MOYNEIngnieur de lcole nationale suprieure darts et mtiers (ENSAM)Docteur en mcaniqueMatre de confrences, universit Pierre-et-Marie-Curie, Paris-6ans les moteurs combustion interne, le premier facteur de performance,une fois le cycle de fonctionnement donn, est constitu par la qualit dela raction de combustion. Cette raction na lieu quen phase gazeuse et danscertaineslimitesdeconcentrationdesractifs.Lerespectdecesconditions,phase vapeur et concentration, a pour premier effet doptimiser le dgagementde chaleur dans la chambre de combustion et de limiter la formation de produitspolluants.Comptetenudelabrivetdelaractiondecombustiondanslesmoteursalternatifs(quelquesmillisecondes),ainsiquedesniveauxdetempratureatteints(2 000 K)danslazonederaction,ilnestpasenvisagdecontrler1. Systmes dinjection............................................................................... BM 2 550 - 21.1 Formation du mlange dans les moteurs alternatifs................................ 21.2 Description des systmes ........................................................................... 31.3 Grandeurs caractristiques......................................................................... 82. Dosage du combustible.......................................................................... 82.1 Masse dair ................................................................................................... 82.2 Masse de combustible ................................................................................ 92.3 Phasage ........................................................................................................ 93. Fonction pulvrisation............................................................................ 103.1 Mcanismes de pulvrisation et de vaporisation..................................... 103.2 Paramtres principaux ................................................................................ 103.3 Caractrisation de la nesse de pulvrisation et diamtres moyens...... 113.4 Types dinjecteurs........................................................................................ 113.5 Dpts et lms paritaux............................................................................ 144. Modlisation de la formation du mlange........................................ 144.1 Pulvrisation ................................................................................................ 144.2 Corrlations exprimentales....................................................................... 164.3 Transport et vaporation des gouttes........................................................ 174.4 Pulvrisation secondaire............................................................................. 174.5 coulement des lms paritaux................................................................. 185. Injection de combustibles gazeux ou gaz liqus ....................... 206. Mthodes dobservation et mesure .................................................... 206.1 Richesse........................................................................................................ 206.2 Dbit instantan des injecteurs .................................................................. 216.3 Phase gazeuse.............................................................................................. 216.4 Phase liquide................................................................................................ 237. Conclusion et perspectives................................................................... 23Notations et symboles .................................................................................... 24Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. BM2550DINJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILE___________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 550 2 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcaniquedirectement son droulement mais de raliser des conditions initiales telles quelescaractristiquesdelaraction(vitesse,temprature,produits)soientmatrises.Laformationdumlange,quiassurelesconditionsinitialesdelaraction, conditionne ainsi la qualit de la combustion et lvacuation des gaz,en particulier des gaz brls. Le mlange est constitu de combustible et dairqui sont idalement ltat gazeux, dans des proportions qui peuvent tre st-chiomtriques ou pas selon le type de moteur. Ils sont anims de mouvementsfavorisantlecontactmolculaireoxygne/combustible.Diffrentsorganesdumoteurparticipentlaformationdumlange :lesconduitsdadmission,lessoupapesoulumires,lepistonetlaculassequiparleurformednissentlagomtrie de la chambre de combustion, et enn le dispositif dinjection.Linjection de combustible dans les moteurs a donc pour objectif premier cettedoublefonctiondemiseentatducombustibleetdedosage.Maispourqueledosageprvuparleconcepteursoitceluieffectivementralisaumomentet lendroit de la raction, lalimentation en ractifs et lvacuation des produitsdelaractiondoiventtreassursetlesystmedinjectionpeuty contribuerengnrantdesmouvementsdebrassagedontlchellecaractristiquepeuttre trs diverse.Selon le type de moteur, de combustible et les conditions de fonctionnement,limportance relative et laspect critique de ces fonctions peuvent varier. Ainsi,parexemple,pourlemoteuressenceclassique,olemlangeractifseprsentesousformestchiomtriqueethomogne,lafonctiondosagenestdevenuecritiquequpartirdelintgrationdespotscatalytiqueslchap-pement.Sanscedispositifdedpollution,lesconcentrationsenairetencombustiblepeuventvarierdansunegammeplustenduesansquelefonc-tionnement du moteur en ptisse.Danslemoteuressenceenparticulier,lemlangeprcdelacombustiondans le cycle de fonctionnement. Il peut tre ralis pendant la phase dadmis-sion ou pendant la phase de compression, lessentiel tant que le mlange soitform au moment o lallumage est dclench par ltincelle de la bougie. Aussi,lecombustiblepeuttreintroduitlextrieurdelachambredecombustion(injectionindirecte)oudirectementdanslachambrede combustion(injectiondirecte).Laspect temporel de la formation du mlange est videmment moins critiquelorsquelecombustibleestgazeux.Danscecas,laseulefonctiondusystmedinjection est de doser le combustible. En revanche, dans le cas de combustiblesliquides, la premire fonction du systme dinjection est damener le combustibleltatgazeux.Lafaondvaporerlecombustiblelaplusefcaceestdelepulvriser (ou atomiser). On cre ainsi une phase intermdiaire appele liquidedispers,constituedungrandnombredegouttesdefaiblediamtre,pourlaquelle la surface dchange globale est trs importante.1. Systmes dinjection1.1 Formation du mlangedans les moteurs alternatifsAn de raliser ses fonctions, le systme dinjection est constituschmatiquementdunrservoirdecombustible,dunlmentltrant,dunepompepermettantdedlivreruncertaindbitdecombustible une pression sufsante, dun lment doseur et dunoricedinjectionpermettant,sousleffetdelcoulementsouspression,depulvriserlecombustible(gure 1).Troisfacteurspilotentledveloppementdessystmesdinjec-tion:puissance,consommationetpollution.Laquantitdecombustible,etdonclapuissancefournieparlemoteur,estdtermineparledbitdelinjecteur,letempsdelinjection et lefcacit de la vaporisation, elle-mme lie la tailleetlavitessedesgouttescresparlinjecteur.Lat ai l l edesgout t eset sonef f et surl avapori sat i onconditionnentengrandepartielesniveauxdesmissionspolluantes.Eneffet,lavapeurentourantlagoutteisole,lorsdelacombustion,lecombustibleliquide,crantundcitdoxygnelocal.Celafavoriselapparitiondeshydrocarbures(HC)imbrls,desparticulessolides(suies)etdumonoxydedecarbone.La vaporisation du combustible se traduit par une diminution delatempraturedumilieugazeuxenvironnantlesgouttes.Lorsquelavaporisationalieupendantlaphasedadmission,cettedimi-nutiondetempraturepermet,parlaugmentationdelamassevolumique,dadmettreunemasseplusimportantedegazfraisamliorantainsileremplissagepuislapuissance.__________________________________________________________________________________INJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILEToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 550 3Dans la perspective de la rduction des missions de dioxyde decarbone, lamlioration du rendement des moteurs actuels est unecondition de survie. Dans cette perspective, le papillon des gaz doittre supprim car son fonctionnement faible charge a pour effetdedgraderfortementlerendement.Celancessitedepouvoirallumerunprmlangeair-essenceglobalementpauvre.Unesolution simple est de crer au voisinage de la bougie un mlangestchiomtriqueoulgrementricheentourdairoudegazbrls ;onaboutitunmlangestrati.Linconvnientdesmlangespauvresentermesdepolluantsestquelaformationdoxydesdazoteestfavorise.Larductiondeleurproductionpasse alors par une temprature maximale et une concentration enoxygneplusfaibles,doncparunedilutionpardesgazinertes(vapeurdeau,gazbrls).1.2 Description des systmes1.2.1 Pompes en ligne et pompes distributricesDanscessystmes,llvationdepressionetledosagetaientconslapompedoseuse.Cespompescomportaientunsys-tmedalimentationbassepression(rservoir,pompedegavage,ltre)puislesystmedinjection,constitudelapompe,desconduits haute pression et des injecteurs. La rgulation de la quan-titdecombustibletaitcomplexecarladiffrencedumoteurDiesel, le papillon et la pompe combustible devaient tre pilotssimultanmentourendusdpendantslundelautredefaonmaintenirlacorrespondancedesdbitsdairetdecombustiblencessaireslastchiomtriedumlange.Aussi,lafonctiondeHistoriqueLa ralisation de la fonction de formation du mlange dans lesmoteurs allumage command, depuis leur invention dans lesannes 1860 par Otto et Lenoir, a t domine pendant un sicleparlasolutioncarbure.Uncarburateurcraitlemlangeair-combustible partir de la dpression cre au col dun venturisur la veine dair o dbouchait lalimentation en combustible.Lesinconvnientsvidentsdecettesolution(difcultdecontrle, loignement de la chambre, ncessit dun papillon desgaz) ont fait rver les concepteurs la possibilit dintroduire lecombustible directement dans la chambre de combustion.Le premier dispositif dinjection fut appliqu par Bosch en 1937sur des moteurs davions puis dautres systmes furent dve-lopps par Gutbrod pour des moteurs dautomobiles deux tempsen 1952, puis quatre temps notamment sur la Mercedes 300SLen 1956.Entretemps, de nombreuses tentatives sans industrialisationfurentmenesaussibieneninjectiondirectequindirecte(gure 2), par les marques Jalbert, Citron, Junkers, Deckel,Simms et Bendix, Bosch et Scintilla. Mais le surcot induit par lasolution injection ntait compens par aucun argument valableselon les critres de lpoque. En effet, sans normes antipollutionet sans crise ptrolire, les contraintes de prix et de abilitlemportent.Cartouteralisationtechnologiqueefcacedinjection dessence doit tenir compte des facteurs dosage etpulvrisation. En particulier, pour la pulvrisation, les dimen-sionsdeloricedinjectiondoiventtreaussirduitesquepossible et la pression dinjection leve. Obtenir cette pressionleve est dlicat avec lessence car ce combustible a une faibleviscosit et constitue un trs mauvais lubriant. Or le principedes pompes usuelles est de refouler avec un piston un certainvolume de combustible travers un clapet maintenu par unressort exerant un effort oppos au sens de refoulement et tar la valeur de pression souhaite pour linjection. Ce systmenest efcace que si les fuites entre le piston et la chemise sontfaibles, ce qui est obtenu avec des jeux de fonctionnement trsfaibles. Sil ny a pas de lubrication, il y a risque de grippage etdperdition dnergie que lon minimise avec des tats de sur-face impeccables et des matriaux de haute duret.Ainsi, sauf dans le domaine particulier du moteur de comp-tition o les reprises rapides et le surplus de puissance donnrent linjection une voie dpanouissement, le prix et la abilittaient prohibitifs.Linjection dessence entra donc dans le domaine public par lehaut de gamme, les voitures hautes performances telles queMercedes avec les systmes Bosch en Europe et Corvette avecRochesterauxtats-Unis.Enparallle,dessystmesexoti-quesfurentbrevetsquiparfoisdonnrentlieudepetitesproductions, comme Puch en Allemagne dans les annes 1950,avec le premier systme dinjection de prmlange.Pendantlesannes1960,lessystmesdinjectionindirectemcaniquecommencrentsimplantersurlesvoituresdesrie : Kugelscher quipa les Peugeot 404IE puis 504 ainsi quela Lancia Flavia, les BMW 5201 et les Ford Capri 2600 Sport, tan-dis que Lucas dveloppait linjection des Triumph 2000 et Mase-rati 3500GT.Figure 1 Processus de formation du mlangedans les moteurs combustion interneRservoirIntroductionchappementAtmosphreFiltreRgulateurMise tempraturePompe(+ filtre)Rgulateurde pressionMise en forme(pulvrisation,prvaporisation)DpollutionCombustionMlangeAdmission directeAdmissionindirecteDilutionRecirculationINJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILE___________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 550 4 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcaniquedosageetlafonctiondlvationdepressiontaientconcentressurunseulmcanisme,lepistonplongeur,cequicompliquaitlessolutions adoptes et le dcalage du phasage dinjection tait pra-tiquementimpossible,cequiempchaitdelesenvisagereninjec-tiondirecte.Enn,louverturedelinjecteurtantpiloteparllvation de pression dans le circuit en aval de la pompe, la pres-sionpendantlinjectionntaitpasconstanteetdpendaitenplusdu rgime de rotation du moteur ; le dosage tait difcile prvoiraprioricarilfallaittenircomptedumouvementdetouteslespiceset il y avait risque de rebond de laiguille de linjecteur sursonsige louvertureoulafermeture.1.2.2 Systmes accumulationLespremiresrglementationsantipollutionsontintervenuesen 1967enCalifornie,en1971enAllemagneeten1972danslerestedelEurope.Parmitouslessystmesdalimentationdessence existants, un en particulier offrait la exibilit ncessairepoursatisfairefacilementauxnouvellesnormes,leJetronicdeBosch,djrgulation lectronique.Denombreuxconstructeursladoptrentalors,Volkswagends1967,puisMercedes,Citron,Volvo,Saab,OpeletRenault,conrmantladominationdufabri-cant Bosch dans le domaine de linjection au dtriment des autresmarquescommeLucas.Lesvingtannessuivantesnonttquunecoursecontinueentre la rglementation et les moyens dy rpondre. Les systmesinjectionmonopoint(gure 3)puismultipoint(gure 4)avecmesure du dbit dair et contrle de la richesse par sonde allaientprogressivement quiper toutes les voitures sortant dusine. Lvo-lution est domine par les systmes Bosch : K Jetronic, L Jetronic,puisMotronic.Lesrglementationsayantlimitlesmissionsadmisesendessousdecequepeutraisonnablementproduirelacombustionstchiomtrique,ladjonctionducatalyseurtrifonc-tionnelatgnraliseverslemilieudesannes1980,aveccommeconsquencelechangementdecombustible,delessenceordinaireaucarburantsansplomb.Largulationdelarichesseatdslorsobligatoirepourgarantirlefcacitducatalyseur.Danslessystmesaccumulation,lesfonctionsdlvationdepressionetdedosagesontspares.Uncircuithydrauliquerela-tivementsimplepermetdleverlapressionetdelamaintenirconstante dans une enceinte de volume important par rapport auxbesoinsdumoteur(railourampedinjection).Lesinjecteurs,actionns par une lectrovanne, ralisent la fonction de dosage parlecontrledutempsdouverturedelinjecteur.Lavaleurdelapressiondanslerailestrguleparlinterm-diaire dune vanne de dcharge actionne lectriquement ou asser-viemcaniquementlapressionducollecteurdanslecasdelinjectionindirecte.Andemaintenir,quelsquesoientlergimeetlacharge,unepressionsufsante,lescapacits(dbitetpres-sion) de la pompe doivent tre largement suprieures aux besoinsdumoteur,cequisetraduitparunepuissancedentranementaccrue et grve dautant plus le rendement du moteur que la pres-siondinjectionestleve,enparticulierdoncpourlinjectiondirecte.Lespulsationsdepressiondanslerailcresparlefonc-tionnementdelapompepeuventtrerduitesparundissipateurincorporausystmehydraulique.Figure 2 Injection indirecte et injection directe (doc. Bosch et daprs [1])Figure 3 Systme injection monopoint : Mono-Jetronic (daprs Bosch)Figure 4 Systme injection multipoint : Motronic (daprs Bosch)__________________________________________________________________________________INJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILEToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 550 5Les possibilits offertes par cette architecture en font le systmedechoixdesinjectionsmultipointsetdesmoteursinjectiondirecte (gure 5). Pour ces derniers en particulier, il est essentiel depouvoircommuterdesmlangesstratisauxmlangeshomognes selon la charge (gure 6). Celle-ci peut tre pilote parlesconsignesduconducteurentermesdepuissancemaisaussipar les contraintes de dpollution. En effet, le passage au mlangepauvre rend ncessaire, pour la rduction des NOx au niveau exigpar la rglementation, lemploi de catalyseurs de type accumula-tion(de-NOx)pourletraitementspciquedecesgaz,malabsor-bssurdelonguespriodes,etpourdesconcentrationsleves,par des catalyseurs trifonctionnels classiques. Ces catalyseurs sp-ciquesontcommeparticularitgnantedencessiterdesprio-desdefonctionnementstchiomtriquepourrgnrerlecatalyseursatur ;lesnitratesdposssurlesubstratsontalorsrduitsparlemonoxydedecarboneendiazote.Lepassagedumlange pauvre au mlange lgrement riche doit alors seffectuersans incidence sur le couple et le rgime moteur, ce qui nest pos-sible quen dissociant la consigne dacclration du conducteur delactionneurdupapillondesgaz,celui-cintantplusalorsdirectementactionnparleconducteur.Cettencessitdefonc-tionnementstchiomtriquepourlliminationdesNOxpeut trerduite par lutilisation de taux de recirculation de gaz brls (EGRsystem :exhaustgasrecirculationsystem)importants.LmissiondeNOxpeutainsitrerduitede70 %.Endehorsdesphasesdergnration du catalyseur de-NOx, le passage du mlange pauvreaumlangestchiomtrique(faiblepleinecharge)doitpouvoirsefaireaussisans-coupdecouple.Figure 5 Systme common-rail pour linjection directe dessence (daprs [2])Pompe carburanthaute pressionRgulateur de pressionDistributeurde carburantAllumageInjecteurCatalyseurNOxSonde Sonde Mesurede masse d'airavec capteur thermiqueCentrale decommandePapillonVanne EGRPompe d'alimentationCapteur depressionFigure 6 Formes du jet en injection directea faible charge b pleine chargeCompactet atomisDispersion largeet sans mouillageEn aot 1996, Mitsubishi a lanc un moteur quatre cylindresen ligne de 1 800 cm3 avec une pompe multipiston plateauinclin qui ralise linjection directe dessence. Ce moteur avecun systme lgrement amlior sera en aot 1998 le premier injection directe commercialis en srie en Europe. Les perfor-mances en consommation annonces taient spectaculaires,ainsi que celles en limitation dmissions polluantes, except leproblme des NOx. Toyota puis les constructeurs europensAudi, Peugeot, Renault et dautres introduisirent leur tour leursmoteurs injection directe avec comme voie de secours la forterecirculation de gaz dchappement.INJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILE___________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 550 6 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique1.2.3 Systmes impulsionet injection de prmlangeLarponseauxbesoinsdamliorationdelaformationdumlangepourraitvenirdesrsultatsdediffrentssystmesdveloppsenmargeducourantprincipaldelindustriecommelinjectionparimpulsiondepressionetlinjectiondeprmlange.Dj au dbut des annes 1980, les motocycles MZ et les voituresTrabantetWatburgfonctionnaientavecunsystmedinjectioncoup de blier dont les performances taient intressantes, mais lachutedumurdeBerlinlesacondamns.Plusrcemment,lapparitiondesinjectionsdeprmlange,comme le systme IAPAC (injection assiste par air comprim) quiquipecertainsmotocyclesPiaggiooulesystmeOrbitalquien 1996 quipe Mercury Marine puis le moteur Ford Zetec, a ouvertunevoiedavenirtraversunervolutiondelallumageetparconsquent du systme de formation du mlange. La convergencedesmoteursDieseletessenceverslemoteurautoallumagecontrl(CAI :controlledauto-ignition),drivdesconceptsissusdubrevetToyota,ATAC(activethermoatmospherecombustion),ToyotaSoken,HCCI(homogeneouschargecompressionignition)ouPCCI(premixedchargecompressionignition ),permetaumoteur essencedetrouverunevoiededveloppement.1.2.3.1 Systmes impulsion de pressionDanslessystmesimpulsiondepression,lapressiondinjec-tionnestcrequependantletempsquedureeffectivementlinjection. Ils se composent dune pompe basse pression, dun sys-tme dacclration et dun dispositif de blocage. Le phnomne labasedufonctionnementestceluiducoupdeblier(gure 8),consistantenlapparitiondondesdepressiondansuncircuithydraulique lors des phases transitoires dcoulement o lnergiecintiqueestdissipesousformedondesdepression.Ainsi,lorsdelafermeturedunevannedansuncircuithydraulique,desondesdepressiondontlamplitudepeuttrede15foislavaleurdelapressiondanslecircuitsontcresetsepropagentlavitesse du son dans les canalisations. Ces surpressions sont lori-ginedesbruitsdechocviolentsconstatsdanslesinstallationsdeau ou de chauffage domestique lors de la fermeture de robinets.Ellespeuventtreutilisespourprovoquerlouvertureduneaiguilledinjecteur.Ainsi, dans ces systmes dinjection, une pompe basse pressionfaitcirculerlecombustibledansuncircuitenboucleferme.Aumomentolinjectionestsouhaite,unlectroaimantouvreoufermelacommunicationaveclinjecteur,constitueduneaiguilleappuye sur son sige par un ressort tar. La fermeture ou louver-ture brutale de llectrovanne provoque la propagation dune ondede pression damplitude leve jusqu la base de laiguille. La sur-pressiongnreestalorssufsantepourprovoquerlouverturede linjecteur durant le passage de londe de pression. La dure dela surpression gnre par le passage de londe dpend de la lon-gueur des canalisations o le uide a t mis en mouvement. Il estpossible de moduler la dure de leve de laiguille de linjecteur enjouantsoitsurladuredefermeturedellectrovanne,soitsurladiffrencedepressionentreltat ouvert etltat ferm ducircuit.Dans la variante du systme Ficht (gure 9), cest le dplacementdunoyaudellectroaimantquicrelasurpression.Ladterminationdeladuredefermeturedellectrovanneoudeladiffrencedepressionpeuttreraliseparunmodlehydraulique numrique relativement simple mais doit passer sur lemoteurparunemiseaupointexhaustivedelacartographiedinjection.Cesystmeprlveunequantittrsfaibledelapuissancemoteur et permet des rgimes de fonctionnement levs. Un autreavantage majeur au regard des fonctionnements charge partielleetbasrgimeestquelapressiondinjectionetdonclaqualitdelapulvrisationsontindpendantesdurgime.Figure 7 Modes de contrle de la charge en injection directe (daprs [3])a par le jet d'injection b par les parois du piston b par l'arodynamiqueMais quel avenir y a-t-il pour un moteur qui en termes dmis-sions et de consommation est moins performant que le moteurDiesel et dont le dveloppement pourrait entraner un surcot quilliminerait de la course en Europe (encadr 1 et gure 7) ?Encadr 1 Modes de contrle de la chargeI Dans le mode contrl par le jet dinjection (gure 7a ), labougie est directement situe dans la zone de pulvrisation. Lali-mentation en air du jet est dlicate et la production dimbrlsaccrue (VW).I Dans le mode contrl par les parois du piston (gure 7b ), oncompte sur la dexion du brouillard pour acheminer le combus-tible vers la bougie, ce qui met en mouvement lair et amliorele mlange. La vaporisation sur la paroi chaude du piston permetde pallier la production de quelques gouttes de taille importante(Mitsubishi).I Dans le mode contrl par larodynamique (gure 7c ), unmouvement tourbillonnaire intense de lair dadmission coupl unebonnepulvrisationpermetdacheminerunmlangeair-combustible jusqu la bougie (Toyota).Rappelons que lallumage command est idalement adaptaux combustibles gazeux, dont on connat les avantages entermes de limitation des missions polluantes.__________________________________________________________________________________INJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILEToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 550 71.2.3.2 Injection directe de prmlangeDans les systmes dinjection de prmlange, on cherche crerun mlange air-essence proche de la stchiomtrie qui passera auvoisinagedelabougiedefaonbrlerdansdebonnesconditions et dont les gaz brls seront ensuite mlangs lair ouauxgazrsiduelscontenusdanslachambredecombustion.Onnoteraqueleprmlangeestdiffrencideladmission,cequisigniequelairdeprmlangenepeutpas,enprincipe,treaspir par la course du piston ; il faut donc prvoir un systme desuralimentation pour lair de prmlange. Dans le cas des moteursdeux temps, cela peut tre ralis par la surpression dans le carterpendantladescentedupiston.Cettesparationdelazonedemlangeetdelazonedecombustionpermetparcontredecrerdesconditionsfavorablesaumlange,enparticulierletempsdis-poniblepoursaprparationestpratiquementceluiducyclemoteur,cequirendlesperformancesdecesmoteursmoinsdpendantesdurgime.Ilsagitldunefaonrelativementsimplederaliserdesmlangesglobalementpauvresetfortementstratis.Celaestobtenuauprixdedispositifsdeprmlangespciquesquiaug-mentent la complexit du moteur et de sa mise au point, donc sonprix,maisquipeuventamliorerlaconsommationetlimiterlesniveauxdmissionspolluantesauxchargespartielles.I Systmes dosage mcaniqueDans ces systmes, une enceinte de prmlange communiquantavec la chambre de combustion par une soupape reoit de lair parlintermdiairedeconduitsrelisaucollecteurdadmission.Pen-dantlaphasedisolementdelachambredeprmlangeaveclachambredecombustion,lecombustibleestinjectdefaoncrer un mlange stchiomtrie ou riche. louverture de la sou-pape, le prmlange est incorpor au reste de la charge constituede lair frais admis travers les lumires ou soupapes dadmissionet des gaz brls rsiduels. La quantit dair est contrle de faonplus ou moins incertaine par les conditions de pression, les dimen-sionsdusystmeetlacommandedelasoupapedeprmlange.Lephasagedelintroductionduprmlangenepeutpastrecontrlsanslintroductiondundphaseuroudunautreaction-neurspcique.Le moteur de la gure 10 prsente un exemple dun tel systme.I Systmes dosage lectroniqueDanscessystmes,deuxsoupapeslectromagntiquessontmises en srie, lune pour le combustible, lautre pour le mlange.Ainsi,uninjecteurlectromagntiquebassepressionclassique(gure 11)contrlelaquantitdecombustiblequiestintroduitedansunechambrelentredelinjecteurlectromagntiqueali-mentenair.Letempsdouverturedecedeuximeinjecteurcontrledonclaquantitdemlangeair-combustibleintroduite.Lesnombreusespossibilitsoffertesparcedoublecontrleentermes de dosage et de phasage ont permis de rendre viables deschargespauvressurdesmoteursquipsdecessystmes.Ilfautnotercependantquilestncessairededisposerdairsouspres-sion,cequiestengnralralisavecuncompresseurpistonspciquesupplmentaire.Unedesprincipalescaractristiquesdecettesolutionestque,commelesinjecteursassistsenair,laqualitdelapulvrisationestexcellenteunprixrelativementfaible(gure 12).La gure 13prsenteunexempleduntelsystme.Figure 8 Systme dinjection coup de blier (daprs [2])Figure 9 Injecteur coup de blier (daprs [2])InjecteurConduit de retourAmortisseurSoupapeConduitd'acclrationCalculateurAccumulatreur de pressionRgulateur de pressionPompe basse pressionRservoir de combustibleFiltre+/--+/--ArmatureConduithautepressionSolnodeSoupape d'admissionInjecteurFigure 10 Moteur automobile deux temps trois cylindres 1 230 cm3 avec systme IAPAC (daprs [20])SoupapeClapetschappementRefroidissementBougieValved'chappementLumires detransfertCollecteurd'aird'admissionInjecteur basse pression conventionnelRservoir d'aircomprimINJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILE___________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 550 8 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique1.3 Grandeurs caractristiquesI Pulvrisation, atomisation et dptG Finesse de pulvrisation : cest le diamtre moyen des gouttescres par linjection. Elle doit tre aussi faible que possible pourgarantir lvaporation totale du combustible dans le temps impartiau mlange. Dans les applications actuelles, le diamtre moyen estde lordre de 100 m en injection indirecte et 20 m en injectiondirecte.G Pntration : cest la distance parcourue par ces mmes gouttesdans la chambre de combustion. Elle doit tre telle que tout dpt decombustible non souhait soit vit. La pntration maximale est dequelques centimtres.I DosageG Rsolution :cestlaquantitminimaledecombustiblequelesystme est capable de doser. La prcision du dosage du mlange etdonc de la concentration en combustible de la charge dpend de cefacteur. Dans un moteur dautomobile, la masse injecter est delordre de 10 mg par cylindre et par cycle et les carts de dosageadmis sont autour de 0,5 %.G Dbit maximal : pleine puissance, le moteur doit pouvoir dis-poser du maximum de combustible, ce qui impose des contraintesau temps douverture et au dbit, donc la pression, du combustibledans le systme dinjection. Il y a opposition entre la nesse de lapulvrisationetlimportancedudbitdecombustiblecarlunedpend inversement du diamtre des orices dinjection et lautredirectementdecediamtre.Laugmentationdelapressiondinjection permet, avec un orice donn, damliorer ces deuxfacteurs simultanment dans certaines plages.G Linarit : la mise au point dun moteur est fortement facilitesil y a proportionnalit entre le temps dinjection et la quantit rel-lement injecte. Cela dpend de la stabilit du dbit de combustiblependant la phase dinjection.I Tempsderponseetphasestransitoires :cestledlaientrelacommandelectriqueetlintroductioneffectivedecombustibledanslachambredecombustion.Pendantlespassagesdeltatinactifltatactifstabilisdelinjectionetrciproquement,laquantitdecombustibleinjectnestpascontrle,cequiapoureffet de rendre le dosage effectif diffrent du dosage prvu.2. Dosage du combustibleNota : un tableau des notations et symboles peut tre consult la n de larticle.Laquantitdecombustiblequidoittreintroduiteparlesys-tmedinjectionestxeparlarichessedeconsigneaupointdefonctionnement considr du moteur et par la masse dair admise.Larichessedumlangeestdniecomme :avec mc et marespectivementlesmassesdecombustibleetdair, sle pouvoir comburivore, soit le rapport dansles conditions stchiomtriques.2.1 Masse dairLe respect de la richesse de consigne lors du fonctionnement dumoteurpasseavanttoutparuneestimationcorrectedelamassedairadmise.Aussi,leproblmedelamesuredudbitdairestdevenucentraldanslefcacitglobaledudosage.Sans traiter de la mesure des dbits gazeux, qui dpasse le cadredecetarticle,rappelonsquelamesuredudbitmassiquenestpossible quavec des systmes complexes et trs onreux tels quelesdbitmtreseffetCoriolis.Engnral,onmesureledbitvolumiqueetlecoupletemprature-pressiondanslasectiondemesureandendduireledbitmassique.Ledbitvolumiquelui-mme nest mesurable quavec des organes volumtriques telsquerouesaubesoupalettes,engrenages,pistonsplongeurs,Figure 11 Injecteur Orbital (daprs [2])Figure 12 Granulomtries Orbital et haute pression standard (daprs [2])Figure 13 Systme Orbital sur Ford Zetec (daprs [2])AirCombustiblePhasage de l'injectionInjecteur decombustibleInjecteur d'airInjection directeduprmlangeDosageDegr vilebrequin ()PMH PMH 1806 msPMHPMH : point mort hautInjectiondirecte00369121510 27 8 100 1 000Combustible seul Combustible seul(haute pression)Diamtre des particules (m)(%)Fluide dual(air + combustible basse pression)Systmed'admissionInjecteurde dosageBougieInjectiondirectemcma----------s=mamc----------__________________________________________________________________________________INJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILEToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 550 9volets,quireprsententdespertesdechargeimportantesetpar-foisincompatiblesavecunremplissagecorrectdanslecasdesmoteurs.Aussi,lamesuredudbitpeuttreremplaceparunemesuredevitesse.Cette anmomtrie ne peut pas en gnral tre ralise avec desorganesdprimognes(venturi,diaphragme)carilsprovoquentdes pertes de charge mais aussi parce que les plages de fonction-nement du moteur sont en gnral bien suprieures aux plages devalidit de mesure avec ces dispositifs o un rgime dcoulementparticulierestncessairelacalibrationducoefcientdedcharge.Unesolutionrelativementonreusemaisplusprciseenprin-cipeestlanmomtrieparloulmchaud.Maisellereprsentelinconvnientdenefournirquunemesurelocaledelavitesse.Pour en dduire la vitesse dbitante puis le dbit, il faut appliquerdescoefcientscorrecteursquidpendentduproldevitessedanslasectiondemesure,quilui-mmedpenddurgime.Unecalibrationpralableetunetabulationdecescoefcientssontncessaires dans labsolu. Cette solution dabord apparue dans lesvhiculeshautdegammeatendance segnraliser.La mesure du dbit tant difcile et les solutions apportes par-foisfournissantunerponseincertainemmedesprixconsidrables, on lui prfre trs souvent une mesure indirecte dela masse dair admise travers la mesure puis la tabulation du ren-dementderemplissage r :avec mala masse dair admise, P0la pression de rfrence, T0la temprature de rfrence, Vcla cylindre, r la constante massique du mlange gazeux admis.Ainsi,lamesuredelapressionetdelatempratureladmis-sion,laconnaissancedelacylindreetdelanaturedumlange,puis la lecture dans les tables contenant les valeurs du rendementderemplissagepermettentdestimerlamasserellementadmisedans le moteur avec une relative prcision mais avec un cot net-tementinfrieurprcisiongaleparrapportdautrestechni-quesdbitmtriques.Nanmoins,ilfautincorporeraubilandecettemthodelamesuredurendementderemplissage,proprechaquemoteur,etlestimationdesdispersionsdecerendementsurunefabricationensrie.Laplupartdessystmesdinjectionsontnanmoins quipsdecettesolution.2.2 Masse de combustibleLa masse de combustible injecte mc dpend de la course effec-tivedupistonplongeurdanslecasdespompesdoseusesmcaniques et du temps douverture de linjecteur dans le cas desinjectionslectroniques :avec le dbit instantan dans linjecteur.Lorsquecedbitpeuttreconsidrconstant,lexpressiondevient :avec tile temps dinjection.Dans ce cas, la tabulation du temps dinjection en fonction de lacharge,durgime,delatempratureoudetoutautreparamtredumoteurpermetdefaonsimpledadapterlinjectionauxconsignesdefonctionnement(enrichissementpleinecharge,appauvrissementauralenti,richessegale1pouroptimiserlefonctionnementducatalyseur)etinterpolersimplementletempsdinjection entre les points de fonctionnement calibrs la mise aupointpourobtenirlarichessesouhaite.Enrevanche,siledbitinstantan nest pas constant, la mise au point du moteur ncessiteen principe ltalonnage de chaque point de fonctionnement ou dedisposerdunmodlepermettantdeprvoirlamasseinjecte.Ledbitdecombustibletraversantloricedinjectionest,ensupposantlethormedeBernoulliapplicable :avec K le coefcient de dcharge (obtenu exprimentalementproche de 0,8), dile diamtre des orices dinjection, N le nombre dorices dinjection, la masse volumique du combustible, Pila pression dinjection, Pchla pression de lenceinte (le collecteur dadmission pourladmission indirecte, le cylindre pour linjection directe).Cetteexpressiontraduitbienlefaitquepourobtenirundbitconstant pendant linjection, la diffrence de pressionPi Pch doitrester constante pendant la phase dinjection. Une faon de ralisercette stabilit de la pression pour les moteurs injection indirecteestdinstallerunrgulateurdepressiondiffrentielleentrelecir-cuitdecombustibleetlecollecteurdadmission.Pourlesmoteursinjectiondirecte,onpeutavantageusementmettreenavantlefaitquepouraugmenterlanessedelapulvrisation,onaug-mentefortementlapressiondinjection.Dslorsquelledevientlargement suprieure la pression dans le cylindre mme lorsquelonralisedesinjectionsenndecompression,onpeutassurerlaquasi-constancedudbitencontrlantuniquementlastabilitdelapressiondinjectionparrapportlatmosphre.Dans tous les cas, la stabilit du dbit ncessite la stabilit de lapression dinjection pendant la phase dinjection. Cela est dlicat obtenircarpardnition,louverturedelinjecteurconstitueunedcharge du circuit hydraulique dinjection. Aussi, il est ncessairede maintenir la pression dinjection une quantit de combustibletellequelouverturedelinjecteurreprsenteuneponctionngligeabledanslevolumedecombustibleportlapressiondinjection. Ce volume dans les systmes multipoints est constituparlarampedinjection.Lafacilitducontrledutempsdinjec-tionsetraduitlparunedperditionnergtiquepuisquelapompefournissantlapressiondinjectiondoitfairecirculerundbitlargementsuprieurauxbesoinsdelacombustion.2.3 PhasageUn aspect important des performances dun systme dinjectionconsistepouvoirmodulerlephasagedinjection,cest--direchanger le moment du cycle o linjection a lieu effectivement. Eninjectiondirecte,cettepossibilitestimprativecomptetenudesdiffrencesdanslaformationdumlangepleinechargeetchargepartielle(mlangehomogneetchargestratie).Parailleurs, les mcanismes de la combustion ont une base temporellelieauxconditionsaro-thermo-physico-chimiquestandisquelesactionneursmcaniquesontunebasetemporellelieaudegrvilebrequin, donc au rgime du moteur. La possibilit de dcouplerlinjection du rgime du moteur offre un gain non ngligeable pourlaformationdumlange,maiscelasupposedepiloterlinjectionpardesmoyenslectroniques(voirlesarticlessurlecontrledesmoteurs[BM 2 790]et[BM 2 791]).rmaP0VcrT0-------------------------------- =mcmcdt =mcmcmcti =mcK di24--------------- N 2 PiPch ( ) =INJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILE___________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 550 10 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique3. Fonction pulvrisation3.1 Mcanismes de pulvrisationet de vaporisationLapulvrisationdunliquideestobtenueparlepassagedecedernier dans un orice de dimensions rduites avant lintroductiondansunegrandeenceinte.Lavitessedepassageduliquidetra-versloriceestengnraltrsleveparrapportcelledelaphasegazeusedanslenceinte.Selonladiffrencedevitesseliquide/gaz croissante, diffrents rgimes de pulvrisation peuventapparatre(gure 14).I Rayleigh :laruptureduletliquidersultedelacroissancerapide de perturbations de surface, o la tension de surface joue unrleimportant.Certaineslongueursdondeontdesfacteursdamplication plus importants que dautres et lorsque lamplitudede la perturbation est de lordre du diamtre de lorice, il y a cas-sure du liquide. Les gouttes obtenues par ce rgime ont un diamtresuprieur celui de lorice dinjection.I Arodynamiqueprimaire(rstwindinduced ) :laruptureduliquidersulte,commedanslecasprcdent,delacroissancedondes de surface o intervient la tension supercielle, mais pourlesquelles les contraintes induites linterface liquide/gaz pilotentlamplication. Le diamtre des gouttes obtenues est de lordre decelui de lorice dinjection. Un des cas typiques du rgime de rupturepar ondes supercielles pour lequel il y a une solution analytiquedans lapproximation linaire est linstabilit de Kelvin-Helmoltz( 4.1.2.1) : modle dun cylindre liquide avanant dans un gaz nonvisqueux au repos. Dans ce cas, le diamtre des gouttes dg est prochede 2 fois le diamtre de lorice dinjection d.I Arodynamique secondaire (second wind induced) : la rupture duliquide seffectue une certaine distance de lorice dinjection. Entrelorice et le point de rupture, le liquide conserve une gomtriecylindrique apparemment sans perturbation, puis diverge ensuitelorsque la pulvrisation est enclenche. Les mcanismes loriginede la rupture sont les mmes que prcdemment mais ce sont lesfaibles longueurs donde qui sont amplies. Les contraintes turbu-lentes peuvent jouer l un rle dans la dsintgration du jet liquide.Les gouttes obtenues ont pour ce rgime des diamtres trs inf-rieurs en moyenne celui du jet liquide. Il faut nanmoins remarquerque la distribution des tailles des gouttes est, partir de ce rgime,beaucoup plus large que pour les deux cas prcdents.I Atomisation : la rupture du liquide rsulte des interactions aro-dynamiqueslinterfaceliquide/gazmaisaussidephnomnespralables au passage du liquide par la section de sortie de loricedinjection. Le cisaillement turbulent dans les conduites du circuit hautepressionetdanslinjecteur,ainsiquelacavitationdanslesrestrictionsimportantesdusigedelaiguilledelinjecteuretdesorices dinjection, provoquent une rupture du liquide avant mmela section de sortie de lorice dinjection.Indpendammentdeseffetsarodynamiques,desphnomnesthermiquespeuventtremisenjeupourlapulvrisation,quidpendentfaiblementdelavitesseliquide/gaz.Ainsienest-ildelbullition instantane (ash boiling). Il sagit de lintroduction ducombustibledansuneenceinteolapressionestinfrieurelapressiondevapeursaturantelatempratureduliquide.Ilyaalors passage brutal du liquide la vapeur par croissance de bullesdevapeurauseindujetliquide.Une fois que le liquide est en phase liquide disperse constituepar les gouttes dinjection, il est ncessaire den assurer lavapori-sation. Au premier ordre, les facteurs favorisant le changement dephasesontladiffrencedevitessegoutte/gazetlestempraturesdugazetdesgouttes.3.2 Paramtres principauxEn termes de pulvrisation, les facteurs qui intressent le moto-ristesontladuredeparcoursetladistanceparcourueparlagoutteavantvaporation(pntration).Cettepntrationestcontrle au premier ordre par la vitesse et le diamtre initiaux desgouttesetparlesconditionsarothermiquesdelaphasegazeuse(temprature, pression, vitesse et concentration) qui dterminent ledbitdvaporation.Lescaractristiquesphysico-chimiquesducombustibleinject(tension supercielle, viscosit, pression de vapeur) jouent un rleimportantdanslavaleurdecesparamtresinitiauxetdudbitdvaporation.Lavitesseinitialedesgouttesestdtermineparladiffrencede pression entre le circuit dinjection et lenceinte, ainsi que par lagomtriedeloricedinjectionvialecoefcientdedcharge :avec K le coefcient de dcharge, la masse volumique du combustible, Pila pression dinjection, Pchla pression de lenceinte (le collecteur dadmission pourladmission indirecte, le cylindre pour linjection directe).Ladirectioninitialedesgouttesestcomprisedansuncnedinjectiondesymtrieaxiale.Cecnecomprendlamajoritdesgouttesinjectesdefaondlimiterlazonedelespacedanslaquelle la probabilit de trouver du combustible liquide est leve.Langleausommetdececneestappelangledinjectionetdpend principalement de la gomtrie de lorice dinjection. Il estengnralcroissantaveclapressiondinjection,saufprsdesconditionsoilyaashboiling,etaugmenteavecunrapportdemassesvolumiquesgaz/liquidecroissant.La plage des diamtres initiaux des gouttes est dtermine direc-tement par la gomtrie de lorice dinjection et le rgime de pul-vrisation.Ilnexistemalheureusementpasdexpressionempiriqueouthoriquedonnantdefaonsatisfaisantelagammedediamtresouladistributiondesdiamtres,voiremmeledia-mtremoyen.Celaestcomprhensiblelorsquelonconsidrelagrande complexit des phnomnes aboutissant la pulvrisationetexpliquelagrandequantitdetravauxencoursdanscesens.Lenombrecaractrisantlimportancedeseffetsinertielsparrap-portauxforcesdesurfaceestlenombredeWeber :Figure 14 Mcanismes de pulvrisation avec prol de vitesse (daprs [4])Jet rentrantBulles decavitationPerturbationsde surfaceProfil de vitesseVortexLigamentsGouttesugK 2PiPch ( )----------------------------- =Wedu2------------------ =__________________________________________________________________________________INJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILEToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 550 11avec la masse volumique, d le diamtre, u la vitesse, la tension supercielle.Onpeutadmettrequunepulvrisationsufsantecorrespond We < 1.Le dbit vapor dune goutte sphrique en rgime de diffusionpeut tre exprim partir de diffrentes hypothses plus ou moinscontraignantespouruncorpspur.Lemodleleplussimpleconsidre une temprature homogne de la goutte gale celle delavapeurensurfaceetaboutit lexpressionsuivante :avec vla masse volumique de la phase gazeuse, D lecoefcientdediffusionmolculaireducombustibledans le gaz, R le rayon de la goutte, B le nombre de Spalding. lorsquil ny a pas de raction chimiqueavec h et hslenthalpie vapeur respectivement loin de la goutteet la surface de la goutte, L la chaleur latente de vaporisation.CemodleconsidrequelenombredeLewisestgallunitet prvoit une dcroissance linaire avec le temps du carr du dia-mtredelagoutte.Cedbitestcorrigdanslergimeconvectifparlexpression :o Pr est le nombre de Prandtl et Re le nombre de Reynolds de lagoutte.3.3 Caractrisation de la nessede pulvrisation et diamtres moyensLes sprays crs par les injecteurs de moteurs dautomobiles ontunedistributiondediamtredegouttetrslarge.Lesstatistiquesdespopulationsdegouttespermettentdecaractrisercessprayspourlescritresutileslaformationdumlange.Soit f (d) le nombre de gouttes de diamtre d d prs. On d-nitlesmomentsstatistiquesdordre1,2et3 : diamtre moyen :. Il caractrise la moyennedes diamtres des gouttes, qui est une donne utile pour le diamtrehydraulique(matrecouple)lilatranearodynamique ; diamtremoyendesurface :.Ilcaract-riselesgouttesselonleursurfacereprsentative,utilepourlesphnomnesd'changethermiqueetd'vaporation ; diamtremoyendevolume :.Ilcaract-rise les gouttes selon leur volume reprsentatif, utile pour quantifierl'inertiemoyennedelamasseliquide.Le rapport du diamtre reprsentatif du volume moyen des gout-tessurlediamtrereprsentatifdelasurfacedesgouttesestappeldiamtremoyendeSauter(DMS) :Ce diamtre moyen rassemble limportance relative de la masselasurfacedesgouttesetpeuttreutilispourcaractriserdefaonglobaleunepulvrisation.Ainsi,unDMSfaiblegarantitunevaporation rapide et une pntration faible, donc un mlange ef-caceetunecombustioncomplte.UnDMSimportantestsyno-nyme de pntrations importantes, de mauvaise vaporation (troplongue),doncdecombustionincomplte,voirededptssurlesparois.3.4 Types dinjecteursLesinjecteurs[5]contiennentlavannedefermetureducircuit(aiguille),parfoisappeleclapetdanslecasdesdbitspulss.Ilsont comme fonction nale de pulvriser le combustible par linter-mdiaire dun orice calibr plac lextrmit (gure 15). Celui-cipeut avoir diffrentes congurations. Les caractristiques de pulv-risationdpendentbeaucoupdelagomtriedeloriceetdelapressiondinjection(gure 16).3.4.1 Injecteurs trousLoriceestunperagecylindriquedefaiblediamtremais,enfonctiondesbesoins,ilpeutyenavoirplusieurs(gure 17)defaoncrerplusieursjets(casdesmoteursmultisoupapesouinjectiondirectehomogne).Onobtientdesgranulomtriesgrossirespouruncotmodravecdesjetsassezdirectifs.( DMS150mpourunepressi ond i nj ect i onde3bar,DMS 60 m 150 bar). Les orices trs petits sont dlicats usi-neretsensiblesauxdpts.Lagomtriedujetestdetypeconiqueplein,laxedujetcontenantbeaucoupdecombustible.3.4.2 Injecteurs ttonLorice est partiellement obstru par un obstacle central (tton)surlequelscraselejet(gure 18).Lapulvrisationestobtenueprincipalementpardsintgrationdujetsurlettonpuisparaction des forces arodynamiques. La pulvrisation peut tre assezne et les jets en gnral assez ouverts pour un cot faible car lesdiamtres percer sont plus importants que ceux des injecteurs trouspourunesectiondepassagequivalente.Enrevanche,lagomtrie de lorice dinjection peut changer au cours de louver-ture.Laformedujetestconiqueannulaire,laxedujetnecontenantpratiquementpasdecombustible.mD4vDR ln 1 B + ( ) =BhhsL--------------------- =mCmD1 0,3Pr1/3+ 2Re ( )1/2=d10df d ( )d =d20d2f d ( )d =d30d3f d ( )d3=d32d303d202----------- =Figure 15 Injecteur systme common-rail (daprs [2])Exemple : un injecteur basse pression (6 bar) pour linjectionmultipoint a un DMS suprieur 150 m tandis quun injecteurpour linjection directe Diesel peut atteindre un DMS de 15 m.Pour linjection directe dessence, des valeurs de DMS de 30 msont possibles.Gnrateurde swirlBute Bobine ArmatureINJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILE___________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 550 12 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique3.4.3 Injecteurs swirlDanscetypedinjecteur,oncherchedonneraujetunmouvement rotatif qui augmente sa turbulence et facilite la pulv-risation.Leliquidetraverseuneplaqueparplusieursoricesdesection souvent carre, dsaxs par rapport au sens dcoulementduliquide(gure 19).Onobtientunseuljetapparentbienquilyaitplusieursoricesdesortie.Linteractiondesjetsissusdecha-queoriceamliorelapulvrisation.Uneautrefaondeprocderestdefairecirculerlecombustibledansunechambrecylindriquetangentiellementauxparois.Onobtientdesgranulomtriesnes(DMS 60 mpour30 bar)avecdesjetsdecongurationsdiverses(directifsounon),maislecotdefabricationestassezlevetlamiseaupointdlicate.Pourcaractriserlefcacitdecesinjecteurs,onpeutdnirunnombredeswirlparanalogieaveclenombredeReynolds :avec u la vitesse, r le rayon du tourbillon (swirl ), la viscosit cinmatique du combustible.Cenombreadimensionnelpeutraisonnablementatteindredesvaleursdelordrede15.Aveclacrationduswirldanslinjec-teur,onpeutdiminuerfortementlatailledesgouttescrespressiondinjectiondonnedanscertainesplages,maislaccrois-sementdunombredeswirlsaccompagneengnralduneaug-mentationdelangledujet,rendantlinjecteurmoinsdirectif.Enpilotant le couple pression dinjection-nombre deswirl, il est doncpossible de gnrer avec un seul injecteur des jets disperss pourlesmlangeshomognesetdesjetsdirectifspourlesmlangesstratis,possibilittrsintressanteeninjectiondirecte.3.4.4 Injecteurs assists en airCetypedinjecteurncessiteunealimentationenairsouspression.Celui-ciestamenjusqulextrmitdelinjecteurper-pendiculairementausensdcoulementdujetliquide(gure 20).Ilenrsulteuncisaillementpuissantduliquideetunepulvrisa-tionefcace.Lagranulomtriepeuttretrsne(DMS 30 mpour2 bar)maisauprixdusystmedair.Figure 16 Effet de la pression d'injectionsur le diamtre des gouttes et la pntration (daprs [2])100 2 4 6 8 10 1220304050Pression d'injection (MPa)DMS (m)30 mm6090105laserAnglede jet :coulement stationnaire :15 cm3, P = 10 MPaEssence RON 98Dure de l'impulsion : 2,5 ms00 2 4 6 8 10 1220406080Pression d'injection (MPa)Pntration (mm)Ralenti (injection pilote)Ralenti (injection principale)Essence RON 98Angle du jet : 90Conditions de la chambre : 0,56 MPa, 296 KPleine chargeCharge partielleFigure 17 Injecteurs trous (daprs [5])Figure 18 Injecteur tton et forme des aiguilles (daprs [5])a injecteur directif b 4 trous sur plaque b double jetSRNur-------- =__________________________________________________________________________________INJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILEToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 550 133.4.5 Injecteurs impact de jetsDans ce type dinjecteur (gure 21), la pulvrisation est obtenueparlinteractiondedeuxjetscroiss.Lesgouttesobtenuessontasseznesconditiondavoirunangledincidencelev.Celasetraduit par un angle douverture important. Les caractristiques delapulvrisationsontspciqueschaquegomtriecartrsdpendantesdelangledincidencedesjets(DMS 70120 mpour3 bar),delapressiondinjectionetdeladistanceparcourueavantimpactdesjets,maislecotrestemodr.Unevariantedecesystmeestdorienterunseuljetversuneparoidelinjecteur.Lapulvrisationestassezbonnemaisilseforme des dpts sur la paroi qui diminuent la prcision du dosageetsontnuisibles laformationdumlange.3.4.6 Injecteurs vibrationDanscetypedinjecteur,unecavitcontenantleliquidevibrehaute frquence (gure 22). Une cellule pizo-lectrique ou ultra-sonsgnrelavibrationquiesttransmiseauliquide.Lemouvement oscillatoire de la surface libre du jet permet aux forcesdinertie de dsagrger le jet liquide. On peut obtenir des granulo-mtriestrsnes(DMS 30 mpour2 bar)etunefaibledisper-siondesdiamtresdegouttesmaisauprixdusystmevibratoireetdelanessedesoricesdinjection.Deplus,lesdbitsdinjec-tionsontlimitscertainesplagesparlesfrquencesdexcitation(40 80 kHz) et la vitesse initiale des gouttes est plus faible quavecdautressystmes(delordrede10 m/s).3.4.7 Injecteurs prvaporisationDanscetypedinjecteur,unecavitfortementchauffelvelatemprature du combustible (gure 23), ce qui a pour effet dam-liorerlapulvrisationetdamorcerlvaporationparcrationdebullesdevapeurdslenezdelinjecteur.Lesperformancesdepulvrisationsontexcellentesdanscertainesplagesdetempra-turemaisnergtiquementtropcoteusespourdesdbitsimpor-tants.3.4.8 Injecteurs pizo-lectriquesDans ces injecteurs, une cramique ou un cristal pizo-lectriqueestsoumisunediffrencedepotentielpendantladuredelinjection.Lallongementdellmentpizo-lectriquepermetdimaginerunrefoulementdirectducombustible traverslesori-ces dinjection tant donn les fortes contraintes applicables avecces matriaux. Dans ce cas, le dosage et la mise sous pression sontralissparllmentpizo-lectriqueuniquement,liminantlebesoin dune pompe haute pression et dun organe supplmentairededosage.Lespremiersprototypessatisfaisantsdecettetechno-logie dinjection sont tests lheure actuelle, mais des dfauts deabilitetdendurancepersistent.Figure 19 Injecteur swirl (daprs [2])Figure 20 Injecteur assist en air (daprs [5])Trou d'injectionArrives tangentiellesAiguilleCarburantOrifice de mlangeAlimentationen airAir auxilliairepouratomisationFigure 21 Injecteur impact (daprs [5])Figure 22 Injecteur vibratoire (daprs [5])ImpactageCarburantOscillateurlectriqueOrdinateurPompeInjecteurde combustibleActionneurpizo-lectriqueCarburantINJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILE___________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 550 14 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique3.5 Dpts et lms paritauxCe nest que relativement tard dans le dveloppement du moteuressence,verslandesannes1970,queleseffetsdudptdecombustibleont tmisenvidence.Le principal mfait de ces dpts est de crer un volume tampondecombustibledontladynamique(tempsdcoulementetdevaporisation) est en gnral plus lente que celle des gouttes ou delavapeur.Ainsi,oncreunlmdecombustiblequichappeaufonctionnement prvu par le concepteur et peut aboutir des dsa-daptationsimportantesdelarichesseetmmelapertedecombustible.Onaainsipuvaluerquedansunsystmecarburouinjectionmonopoint,lelmdposdanslecollecteurdadmissionpouvaitreprsenterfroid300foislamassedecombustible ncessaire par cylindre et par cycle. Dans un systmemultipoint,cechiffrechute30foislamassencessaireparcylindreetparcycle.Leprincipalfacteurintervenantdanslafor-mation du lm parital est la nesse de la pulvrisation tandis quelatempraturedeparoiestleprincipalfacteurdterminantsadynamique.Leseffetsimmdiatsdundptdecombustiblesontladimi-nutiondelarichesselacclrationetlenrichissementladclration. En effet, le remplissage du lm lors dune augmenta-tiondelaquantitdecombustibleinjectestpluslentquelaug-mentationdudbitdairlorsquelepapillondesgazsouvre.Pendantuncertaintemps(10 s),lairentrantdanslecylindrecor-respondl aquanti tsouhai tetandi squel amassedecombustible entrant dans le cylindre doit suivre lvaporation et leruissellementdulm,beaucouppluslent.Pendantcetempsdedsadaptation,ilyaundcitdecombustible.ladclration,aucontraire,lairdiminueimmdiatementaprslafermeturedupapillontandisquelelm,ensevidant,continuealimenterencombustible avec une masse suprieure celle prvue : il y a alorssurplusdecombustible.En injection directe, le dpt de combustible est en gnral vitcarlorsquelesgouttessedposentsurleschemises,lecombustiblepeutpasserdanslhuile.Cependant,certainsconstructeurs comme Mitsubishi ont mis prot la temprature etune forme particulire de la tte de piston pour dvier et vaporiserverslabougielejetdecombustibleissudelinjecteur.4. Modlisation de la formation du mlangeOn se propose ici de donner un aperu des moyens de calcul etdemodlisationdesorganesdeformationdumlangedanslescas dapplication les plus rpandus (combustible liquide pulvris).Sagissantdundomaineodesdveloppementsimportantssontencoreattendus,lesmodlesexpossici,etquenousnedtail-leronspas,nefournissentquedestendancesgnrales,etdesessaisexhaustifsdoiventtresystmatiquemententreprispourmettreaupointleschambresdecombustiondesmoteurs.4.1 PulvrisationLeletliquidesedsintgresousleffetdediffrentesforcesagissant sur lui. Latomisation induite par effet arodynamique, pareffetdeturbulenceetparcavitationsontlestroismcanismesintervenantdansleprocessus.Unefoi sl espremi resgouttesformesparcestroi smcanismes, elles peuvent tre sujettes une pulvrisation secon-dairesousleffetdufrottementarodynamiqueetdesdforma-tionsventuellesmenant lascission.4.1.1 Atomisation du noyau liquideI Atomisation induite par effet arodynamiqueDanscemodedepulvrisation,onconsidredesperturbationsensurfacedujetliquideetlontudieleuramplicationparinteractionaveclemilieugazeuxextrieur(instabilitdeKelvin-Helmoltz).Cemodedepulvrisationestcontrlparlenombre de Weber qui dtermine le taux damplication des ondesdesurfaceetlenombredOhnesorgequitientcomptedeseffetsvisqueux.I Atomisation induite par turbulenceDans ce mode, les uctuations turbulentes au sein du jet liquidemergeantdutroudelinjecteurproduisentdansunpremiertempsdesperturbationsdesurfacequisontsupposesavoirlieudefaonprdominantecertaineslongueursdondeproportion-nelleslchelleintgraledeturbulence.Ontablitunerelationentre la taille des gouttes formes et le niveau de turbulence dansletroudinjection.Lnergiecintiquedeturbulence(k )etletauxdedissipationturbulente( ),calculsparunmodlek 1Dlintrieurdestrous,sontncessairespourlecalculdeschellesde tempsdepulvrisation,latailledesgouttesinitialesetlangledujet.I Atomisation induite par cavitationDanscemode,lclatementoulimplosiondesbullesdecavi-tationlasortiedelinjecteurdsintgrelejetliquidemergeantdutroudelinjecteur.Silapressionautourdujetmergentestbeaucoup plus importante que celle lintrieur des bulles de cavi-tation,celles-ciseffondrentgraduellementpendantquellessontconvectes par la turbulence interne du jet. Ce processus cre desperturbations la surface du jet liquide qui, au moment de leffon-drementglobalouaumomentolesbullesatteignentlasurface,se traduisent par la dsintgration du jet et la formation de petitesgouttes.Leschellescaractristiquesdetempsetdelongueurdelapulvrisationsontconsidrescommefonctiondelasectionefcacedutrouestimeparlemodledcoulementdansleconduitdelinjecteur.Latailledesgouttesestalorscalculeencombinantceschellesdetempsaveclenombredecavitationdynamiqueenutilisantdesrelationsphnomnologiques.I Scission des gouttesSixdiffrentsmodesdescissiononttobservsexprimenta-lementenfonctiondunombredeWeber :G Vibratoire :lagoutteinitialeestfragmenteen24gouttesquasiidentiques.CemodeestprdominantpourdesnombresdeWeber proches du nombre de Weber critique (We < 12).Figure 23 Injecteurs prvaporisation (daprs [5])Rsistance chauffanteIsolant thermiqueWedu2------------------ =__________________________________________________________________________________INJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILEToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique BM 2 550 15G En parachute : la fragmentation de la goutte est prcde dungonement de la goutte en forme de tore. Le lm liquide se ds-intgre en une multitude de petites gouttes suivies dune fracture dunoyau liquide conduisant des gouttes beaucoup plus grosses. Cemode est observ pour des nombres de Weber lgrement sup-rieurs au nombre de Weber critique si la viscosit du liquide est faible(12 < We < 18).G En poche : ce mode est prcd de la formation dune poche enforme de ballon avec un petit let larrire. Contrairement au modeprcdent,ilalieupourdesviscositstrsvariablesetpourdesnombres de Weber plus levs (18 < We < 45). Le let se dsintgreen gnral plus tard que le ballon et les gouttes rsultantes sont dela mme taille que celles provenant de la cassure du ballon.G Chaotique : la goutte se dforme de faon dissymtrique partirdun certain moment et des laments sen dtachent dans le sensdcoulement. Au cours de la fragmentation, la goutte est suf-samment dforme pour clater dans un grand nombre de fragmentspour 45 < We < 100.G Dchirement : un lm ou des laments se dtachent de la surfacede la goutte. Comme dans le mode prcdent, un stade de dfor-mation critique, la goutte se fragmente en plusieurs units avec unedistribution bimodale caractristique de ce mode de scission qui alieu pour 100 < We < 1 000.G Catastrophique:aucunedformationnidchirementnestobserv et la goutte clate de faon abrupte en une grande quantitde petites gouttes sous leffet, par exemple, dune onde de choc. Cemode est observ pour des grands nombres de Weber : We > 1 000.I Distribution des diamtresLadistributionstatistiquedesdiamtresdesgouttesnestfour-nieparaucunmodlethorique.Diffrentesdistributionsmath-matiquesonttajustesdesrsultatsexprimentauxmaisaucunedentreellesnepeuttraduireleseffetsdetouslesmca-nismescits.Unedmarchepossiblepourobtenircettedistribu-tionestdechoisirparmilinnitdedistributionspossiblesquisatisfaitlaconservationdelamasseetauxcontraintesdenor-malisation,cellequisatisfaitaucritredentropie(ausensdeShannon)maximale.Ensedonnantlediamtremaximumdeladistributionetlediamtremoyen,ilestpossibledegnrerunefonction de probabilit qui donne la distribution des diamtres desgouttesetrendlentropiemaximale.4.1.2 Mthode de Rayleigh et modle de Taylor4.1.2.1 Diamtres thoriques initiauxLatailledesgouttesobtenuesparpulvrisationnestjamaisunique.Leplussouvent,onobtientunegammedediamtresasseztendueetirrgulire.Ilnexistelheureactuelleaucunethoriepermettantdedterminerlesdistributionsdediamtres.Dans certains cas, on peut dterminer une taille moyenne gnra-lement bien encadre par les distributions relles. Deux mthodesonttdveloppesetsappliquentlacroissancedespetitesperturbations(casdesmthodeslinaires)loriginedelapul-vrisationouauxgrandesdformationsdujet(mthodesnonlinaires)pourlemcanismedatomisationpareffetarodyna-mique.Lesmthodesnonlinairessontbasessurlaconservationdela circulation de vitesse (thorme de Kelvin) lors du dplacementduuidelinterface.Onarecoursauxmthodesnumriquespourrsoudreles quationsdumouvement.Leprincipedelathoriepourlesmthodeslinairesestdeconsidrerdesperturbationsdelasurfacelibredujetdinjectiondelaforme : = 0 exp [i (kx t )]avec la perturbation, 0son amplitude, k le nombre donde, x labscisse, la pulsation, t le temps.Onappliqueensuitelesquationsdemouvementdanschacundesmilieux(liquideetgaz),puisdesconditionsdecontinuitlinterface. On aboutit alors, en utilisant une fonction courant (dri-ve de la vitesse) au lieu de la vitesse, lquation dun rsonateur(quationdiffrentielledusecondordre).Laformedelaperturbationpermetdobtenirunequationentre k(nombredonde)et(pulsation)appelequationdedis-persion.Encherchantlemodeleplusinstable :ondterminelescaractristiquesdumodeleplusprobable.Desrelationsdeconservationpermettentalorsderemonteraudiam-tredesgouttescresparlacroissancedelaperturbation.Sionprendencomptelaviscositoulcoulementlintrieurdecha-cundesmilieux,oncompliquelexpressiondelquationdedis-persionmaisleprincipedecalculrestelemme.Les rsultats des mthodes linaires sont rappels ci-aprs. Pourle dtail de la thorie, il faut se rfrer la bibliographie (voir landelarticle).Lesrsultatscorrespondentaucasdujetliquidepulvrisdansungazdedensitngligeable,avecdesviscositsfaiblespourlesdeux uides.I Le mode de pulvrisation qui fournit la distribution de diamtresla plus uniforme est la vibration. Dans la pratique, on excite mca-niquement lorice de dcharge dun jet une frquence qui dpenddes caractristiques du uide inject. Si les vitesses du jet et du gazenvironnantnesontpastropimportantesainsiquelamassevolumique du gaz, la thorie de linstabilit de Rayleigh (cylindreimmobile dans le vide) sapplique. Elle prdit que le diamtre desgouttes est :dg = 1,89davec d le diamtre du jet (orice de linjecteur).Ladistancelaquellesecrentlesgouttesest :avec C une constante dtermine par lexprience, We le nombre de Weber.Lafrquencedexcitationu/doittretelleque3,5d < < 7d.I Le mode de pulvrisation le plus rpandu est celui de linteractionarodynamique.Lescasthoriquesapplicablesnefournissentquune taille de goutte moyenne , bien encadre par les distri-butions mesures exprimentalement.Si les effets nont lieu quen surface, cest--dire que les gouttessontarrachesaujetliquideetnersultentpasdeladsagrga-tionglobaledecelui-ci,onparleduneinstabilitdeKelvin-Hel-moltz.Onobtientparlathorielemodedepropagationleplusinstable,quicorrespond,lorsquelamassevolumiquedugazesttrsinfrieurecelleduliquide, lavaleur :Weg = 3 avec :avec ala masse volumique du gaz, u la diffrence de vitesse jet/gaz, mla longueur donde du mode le plus instable :k---------- 0 = Cd2------ We =Wegau2m---------------------------- =m2km--------- = et km2 u ( )23----------------------1------1g-------- +1=INJECTION DESSENCE DANS LES MOTEURS DAUTOMOBILE___________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.BM 2 550 16 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcaniqueLediamtredesgouttesestdonnparlarelation :dg = Bmavec B une constante proche de 1 (0,6 daprs Reitz).I Lorsquelapulvrisationrsultedeladsagrgationglobaledujet cylindrique, la longueur donde de rupture est : = 4,51det le diamtre des gouttes est :dg = 1,89dI Lorsque le jet est annulaire (injecteur tton) :avec h lpaisseur de la nappe annulaire.I Dans le cas o les masses volumiques du uide et du gaz sont dummeordre,ondoitprendreencomptelaviscositduliquide,travers le nombre de Reynolds Re. Dans ce cas, la thorie de Taylorprvoit que le diamtre des gouttes est :avec C une constante dordre 1, * une longueur donde adimensonnalise.*tendvers3/2lorsque :avec :avec la viscosit dynamique du liquide.Cesrsultatssappliquentlorsquelavitessedujetuestsuf-sammentimportante :atomisation etquelerap-portesttelque :avec k constante empirique comprise entre 6 et 12.oA = 25,1pourlesinjecteursttonetA = 23,9pourlesinjec-teurstrous.Lesdiamtresprvusparlathoriesontsouventdeuxtroisfois plus petits que ceux mesurs proximit du nez de linjecteur,maislestendancesprvuessontbienvries.4.1.2.2 Diamtres thoriques secondairesUnefoisquelesgouttesonttcreslasortiedujet,ellespeuvent encore se diviser pour donner lieu de nouvelles gouttesdontlescaractristiquespeuventtreestimesparlanalogiedeTaylor. Celle-ci considre que la goutte se comporte sous leffet dediffrentes forces comme un systme masse-ressort. Les forces duressort,dentretienetdamortissementsontanalogueslaforcearodynamiqueexercesurlagoutte,latensionsupercielleetlacontraintevisqueuserespectivement.Lquationdebilandecesforcesconduit lquation :avec y le paramtre de distorsion du diamtre (si y > 1, lagoutte casse ), r le rayon de la goutte, , et la viscosit dynamique, la tension supercielle et lamasse volumique du liquide, mla masse volumique du gaz, u la diffrence de vitesse gaz/goutte.Silagouttesedivise,ellecredesgouttesderayonidentiquer2,donnparlebilan nergtique :Les indices 1 et 2 sont relatifs la goutte avant et aprs scission.Lexprience montre que la valeur de 2r2 approche assez bien lediamtre moyen de Sauter des distributions de jets (en supposantcelles-ci du type Rosin-Rammler pour les injecteurs swirl ou khi-2pourlesautresinjecteurs).4.2 Corrlations exprimentalesHiroyasu et Kadota [6] proposent pour les jets haute pression demoteurs Diesel la corrlation suivante donnant le diamtre moyende Sauter ( m) en fonction de la diffrence de pression au nez delinjecteur p (MPa), la masse volumique de lair a (kg m3) et Vflevolumeunitairedecombustibleparcycle(mm3) :Le volume cumul V de la distribution de gouttes de diamtre dest :Cette distribution est en fait une distribution en khi-2 ajuste auxmesuresexprimentalesavecundegrdelibertde8,surdesinjecteursttonet trous.Pourlesinjecteursbassepressionutilisseninjectionindirecte,ladistributiondeNukyama-Tanasawasappliquebien :avec N le nombre de gouttes de diamtre d, lediamtrecaractristiquedelordrede100 m(injec-teur non assist) ou 50 m (injecteur assist en air), n delordrede1,9pourlesinjecteursclassiqueset3,5pour les injecteurs swirl.Lesmomentsstatistiquesdecettedistributionsont :Uneformeparticuliredecettedistribution,utilisepourlesinjecteursenautomobile(pulvrisationsnes),estcelledeRosin-Rammler :dg3,9hkm----------- =dgC2au2--------------- =a--------ReWe------------21 >Reud---------------- = et Weu2d-------------------- =a--------ReWe------------21 >a--------a--------2k