Après avoir évoqué dans notre dernière chronique certains des défis techniques liés à l’apport de carburant dans la chambre de combustion d’un moteur en quantité suffisante et au bon moment, poursuivons notre tour d’horizon du fonctionnement et de la haute technologie des systèmes d’injection directe. Dans ce numéro, nous allons explorer les deux types de mélange air-carburant possibles dans un moteur à combustion interne, car cela permettra de mieux comprendre les avantages et les inconvénients des différentes technologies d’injection directe.
Sera-t-il homogène ou hétérogène ?
Précisons d’emblée qu’il ne s’agit pas d’une discussion à caractère sexuel, mais d’un examen des différents types de mélanges pouvant être utilisés dans un moteur à combustion interne. Commençons par la variété homogène, qui est la plus familière. Comme son nom l’indique (« homo », du grec signifiant même), un mélange homogène fait référence à un mélange air-carburant qui est uniforme partout. En d’autres termes, l’air et l’essence sont mélangés uniformément dans le cylindre et la chambre de combustion. Cela signifie que les gouttelettes de carburant microscopiques sont réparties uniformément dans l’air présent dans le cylindre. Le mélange qui pénètre dans le cylindre des moteurs sans injection, qu’ils soient à carburation ou à injection, est de type homogène. Ce type de mélange brûle efficacement car les gouttelettes de carburant, de taille si petite, exposent une surface maximale aux molécules d’oxygène environnantes, assurant ainsi une réaction chimique, ou combustion, plus prévisible et complète. Comme nous le savons tous, une combustion plus efficace et complète signifie plus de puissance et moins d’émissions. Il a été démontré que ce type de charge est idéal pour des conditions de charge et des vitesses moyennes à élevées.
Si une charge homogène est un mélange uniforme, un mélange hétérogène (ou non homogène ou stratifié) est le contraire. En d’autres termes, le carburant et l’air ne sont pas parfaitement mélangés. Plus concrètement, cela signifie qu’il y a des poches de mélange dans le cylindre qui sont considérées comme pauvres, alors que d’autres zones peuvent contenir un mélange riche. Curieusement, et pour des raisons qui apparaîtront plus tard, les mélanges stratifiés peuvent parfois être souhaitables dans un moteur à combustion interne, notamment à faible vitesse ou dans des conditions de faible charge.
Les proportions idéales
Toute personne qui s’est intéressée aux moteurs ou qui s’est documentée sur le sujet a un jour rencontré le mot « stœchiométrique » ou l’expression « mélange stœchiométrique », mais qu’est-ce que cela signifie? Tout d’abord, comme nous le savons tous, la combustion du mélange dans la chambre de combustion est une réaction chimique, qui se produit lorsque des proportions fixes de composés se réunissent pour réagir et produire de nouveaux composés. Dans le cas de l’essence, un cocktail d’hydrocarbures (et d’alcool parfois), une proportion idéale d’air existe, ce qui permet de libérer l’énergie optimale que nous recherchons tous, tout en produisant le moins de déchets possible (c’est-à-dire du carburant non brûlé). Pour un moteur à essence, ce rapport idéal, ou mélange stœchiométrique, est de 14,7:1, ce qui signifie que pour chaque (un) gramme de carburant, 14,7 grammes d’air (qui contient 21 % d’oxygène) sont nécessaires. Tout mélange supérieur à 14,7:1 est considéré comme un mélange pauvre (excès d’air pour la quantité de carburant) et tout mélange inférieur à 14,7:1 est un mélange riche (excès de carburant pour la quantité d’air disponible). Bien entendu, le chiffre de 14,7:1 est théorique et il n’est pas rare que les moteurs fonctionnent de part et d’autre de cet idéal en fonction de ce qui est recherché. Il faut également tenir compte du fait que la composition réelle de l’essence (rappelez-vous que l’essence est un mélange de nombreux hydrocarbures et additifs différents) peut modifier le mélange idéal.
Dans notre prochaine chronique, nous commencerons à examiner les différentes configurations des systèmes à injection directe ainsi que les avantages et les inconvénients de chacune.
