1. Généralités

1.1. Comparaison moteur diesel et moteur à essence

La différence essentielle entre un moteur du type diesel et un moteur à essence réside dans le mode d'inflammation du carburant et de la caractéristique d'auto-inflammation de celui-ce.
Si dans une masse d'air suffisamment comprimée pour que sa température atteigne une valeur déterminée, on introduit un combustible finement pulvérisé, la combustion se déclenche par auto-inflammation.

Le phénomène d'auto-inflammation résulte lui-même :

· d'une part, d'un rapport volumétrique très élevé : 16/1 à 24/1;
· d'autre part, de la haute température engendrée par ce rapport @ 600ºC.

Tableau comparatif

Temps du cycle	Fonctions assurées dans le moteur diesel	Organes en fonctionnement	Fonctions assurées dans le moteur à essence	Organes en fonctionnement
1. Admission	Aspiration d'air	Soupapes d'admission	Aspiration d'un mélange air-essence préparé et dosé par un carburateur ou un système d'injection essence	Soupapes d'admission Carburateur ou injecteur
2. Compression	Très forte 20 à 30 bars compression de l'air d'où échauffement à 600ºC environ. Rapport volumétrique de 16/1 à 24/1		Compression du mélange 8 à 12 bars d'où échauffement à 300ºC environ. Rapport volumétrique 5/1 à 11/1
En fin de course de compression	Injection sous forte pression (100 à 300 bars) du combustible qui s'enflamme spontanément au contact de l'air surchauffé	Pompe d'injection Injecteur	Allumage du mélange par étincelle électrique à la bougie	Allumeur ou magnéto et bougies d'allumage
3. Combustion ou explosion	Combustion et détente		Combustion et détente
4. Echappement	Evacuation des gaz brûlés	Soupapes d'échappement	Evacuation des gaz brûlés	Soupapes d'échappement

1.2. Cycle diesel mixte

Ce cycle est employé principalement sur les diesel modernes à grande vitesse de rotation (1500 à 5400 tr/min). C'est une combinaison des deux cycles classiques dans lesquels une partie du combustible brûle à volume constant et l'autre partie à pression constante. Le cycle mixte se rapproche plus ou moins de l'un des deux cycles classiques selon les réglages qui déterminent l'injection. Le cycle à volume constant donne un rendement meilleur et le cycle à pression constante permet la construction de moteurs plus légers puisque la pression maximale est plus faible.

                                 Fig. 11.1. Cycle diesel mixte

1.2.1. Avantages du moteur diesel

· Meilleur rendement : grâce à l'augmentation du rapport volumétrique la combustion est plus complète et la consommation spécifique est réduite (en moyenne de 200 g/kW/h contre 330 g/kW/h pour le moteur à essence).
· Le couple moteur est plus important et il reste sensiblement constant pour les faibles vitesses.
· Le combustible employé coûte moins cher.
· Les risques d'incendie sont moindres car le point d'inflammation du gazole est plus élevé que celui de l'essence.
· Les gaz d'échappement sont moins toxiques car ils contiennent moins d'oxyde de carbone.

1.2.2. Inconvénients

· Les organes mécaniques doivent être surdimensionnés.
· Le bruit de fonctionnement est élevé.
· La température dans les chambres de combustion est élevée ce qui implique un refroidissement plus efficace.
· L'aptitude au démarrage à froid est moins bonne qu'un moteur à allumage commandé.

2. Classification des moteurs diesel

Les moteurs diesel sont classés selon le type d'injection et de chambre de combustion qui les équipent.

Deux grandes familles de types de combustion existent :

· L'injection directe, qui désigne tous les procédés ne comportant pas de fractionnement de la chambre de combustion (l'injecteur pulvérise le combustible directement dans la chambre principale du cylindre).

· L'injection indirecte, regroupant les différentes solutions de chambres de combustion divisées (l'injecteur pulvérise le combustible dans une chambre auxiliaire où a lieu le début de combustion), les gaz rejoignant ensuite la chambre de combustion principale à travers un passage ou des canaux de liaison.

2.1. Moteur à injection directe

Deux techniques de combustion sont employées :

· Par énergie des jets d'injecteur : utilisé dans les gros moteurs lents, l'injecteur central comporte de 6 à 8 trous, pulvérise le combustible (tarage de 200 à 350 bars) à la circonférence de la chambre de combustion de grand diamètre et peu profonde du piston. Le système fonctionne sans tourbillon d'air (swirl), mais exige une grande précision du positionnement de l'injecteur (à proximité de la chambre) et un excès d'air très important.

· Par mouvement tourbillonnant de l'air (swirl) : c'est le procédé le plus utilisé sur tous les moteurs modernes, le mouvement tourbillonnant de l'air est amorcé par la forme du conduit d'admission la chambre de combustion dans le piston est plus réduite, et comporte une forme variable selon le constructeur, en perpétuelle évolution en fonction de la normalisation antipollution, afin d'améliorer sans cesse l'homogénéité du mélange air-combustible.
L'injecteur utilisé est du type à trous multiples (3 à 6).

Fig. 11.3. La chambre de tourbillon d'air

                Fig.11.2. Injection directe

Le principe de fonctionnement est le suivant :

Pendant l'admission, l'air pénètre dans le cylindre par la volute d'admission. Elle lui imprime un mouvement tourbillonnant très intense, créant un cyclone qui se poursuit pendant la compression.

En fin de compression, l'injecteur introduit le combustible dans la chambre sphérique du piston. Le jet très court est dirigé sur la paroi, et s'étale sur elle en un film mince. Les fines gouttelettes qui forment un brouillard autour de ce jet s'oxydent et amorcent la combustion.

Ce début de combustion s'effectuant avec une faible quantité de combustible, le cognement est éliminé. Le reste du combustible étalé en film mince s'évapore lentement, permettant aux vapeurs de se mélanger à l'air à l'air tourbillonnant.

2.2. Moteurs à injection indirecte

2.2.1. Moteurs à chambre de précombustion
L'injecteur du type à téton est placé sur la culasse et dans une cavité non refroidie appelée "préchambre". Elle communique avec le haut du cylindre par un ou plusieurs orifices de passage restreint, et représente entre 20 et 30% du volume de compression.

La combustible injecté dans cette préchambre commence à brûler puisqu'elle contient de l'air préalablement comprimé et élévation de pression résultant de cette précombustion expulse le mélange vers le cylindre où la combustion se poursuit. Cette combustion étagée assure un fonctionnement moins bruyant car les pressions d'injection sont modérées (100 à 150 bars) et le rapport volumétrique varie de 12/1 à 15/1. Le démarrage s'opère généralement à l'aide d'une bougie de préchauffage car le taux de compression adopté ne permet pas de porter l'air ambiant à une température suffisante lorsque la culasse est froide.

 Fig.11.4. Moteur à chambre de précombustion

2.2.2. Moteurs à chambre de turbulente

Ce dispositif est une variante du précédent : la chambre de turbulence représente la presque totalité du volume de la chambre de combustion. Cette préchambre communique avec le cylindre par un orifice de large section de forme tronconique; comme dans le cas précédent, l'injecteur débouche dans la chambre. Pour ces moteurs, le rapport volumétrique est compris entre 15/1 et 18/1, et la pression d'injection est de 110 à 130 bars.

Fig.11.5. Chambre de turbulence "Ricardo"

2.2.3. Moteurs à chambre d'air
La réserve d'air communique avec le cylindre par un orifice important mais l'injecteur est placé en dehors de cette chambre et il est disposé de façon telle que le jet de combustible vient à la rencontre de l'air comprimé qui sort de la chambre.
Il en résulte une grande souplesse de fonctionnement car un brassage énergique de l'air et du combustible favorise la combustion.
Ces systèmes ont été abandonnés depuis plusieurs années.

                Fig. 11.6. Chambre Saurer                                        Fig.11.7. Système "Lanova"

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1. Introduction

Dans un moteur diesel, le processus complexe du déroulement de la combustion est lié aux caractéristiques principales suivantes :

· combustible utilisé,
· pression d'injection, qualité de la pulvérisation (modèle d'injecteur),
· point d'injection et taux d'introduction,
· pression de compression dans le cylindre moteur (lié au rapport volumétrique),
· température de l'air et quantité d'oxygène au moment de l'injection,
· type de chambre de combustion (injection directe, préchambre, chambre de turbulence, ...) et homogénéité du mélange,
· vitesse de rotation et température du moteur.

2. Combustibles utilisés

2.1. Généralités

Les combustibles qu'il est possible d'injecter dans les cylindres des moteurs diesel sont en général :

- le gazole et le fioul (fuel) léger (applications routières ou agricoles),
- les fiouls lourds, les huiles de goudron (qui proviennent des goudrons de lignite et de charbon bitumeux) uniquement utilisées pour les gros moteurs fixes, marine ou industrie,
- biocarburants (à base d'huiles végétales diverses, colza, palme, ...).

2.2. Caractéristiques de gazole

Le gazole est un des produits de la distillation ou du cracking des pétroles bruts. Son emploi est obligatoire dans les moteurs diesel routiers. Il représente un mélange complexe de nombreux hydrocarbures.
Les indications qui suivent précisent les caractéristiques usuelles du gazole. En outre, elles soulignent leur importance en ce qui concerne l'utilisation de ce carburant dans les moteurs diesel.

· Masse volumique : Elle est variable suivant l'origine du pétrole brut et le mode de traitement subi (en moyenne, de 0.850 Kg/dm3 à 15ºC) et elle diminue de 0.0007 pour chaque degré d'élévation de température.
· Pouvoir calorifique : Il est légèrement inférieur à celui de l'essence; sa valeur moyenne est de 10 800 Cal/Kg.
· Volatilité : Pratiquement, la distillation du gazole commence vers 200ºC et se termine aux environs de 370ºC.
Les spécifications légales indiquent :
o limite inférieure à 250ºC (point d'ébullition initiale),
o limite supérieure 350ºC (point de fin distillation).

· Viscosité : environ 9.5 mm2/s à 20ºC.
· Indice ou nombre de cétane (C16H34) : (Aptitude à l'inflammation)
On appelle "indice de cétane" du combustible à étudier, le pourcentage de cétane contenu dans un mélange qui produit le même délai d'allumage que le combustible essayé.
Les combustibles commerciaux pour moteurs diesel ont un nombre de cétane compris entre 45 et 55 (pour le gazole moteur, l'indice doit être au moins égal à 48).

3. Processus de combustion

Dans un moteur diesel, le mélange air-combustible n'est jamais homogène car le combustible n'est injecté que vers la fin du temps de compression.
Le combustible ne peut pas s'enflammer dès que commence son introduction dans le cylindre puisqu'il doit, au préalable, emprunter à l'air comprimé dans la chambre et aux parois la chaleur qui lui est nécessaire pour atteindre sa température d'auto-inflammation.
Théoriquement il faut 20 à 22 g d'air pour brûler 1 g de gazole; en pratique, on utilise 25 à 30 g d'air, en moyenne, pour brûler 1 g de gazole.

Un excès d'air est toujours nécessaire car il permet :
- de mieux brasser l'air et le combustible,
- d'enflammer les gouttelettes non mélangées à l'air au moment de l'injection.

3.1. Compression de l'air

Le volume d'air présent dans le cylindre après le temps "aspiration" (avec un début de mouvement "tourbillonnant" selon la forme du conduit d'admission ou la présence d'un déflecteur sur la soupape d'admission) est comprimé par la montée du piston vers le PMH. Cette compression engendre une montée rapide en température, qui doit atteindre au minimum 500ºC pour assurer l'inflammation spontanée du mélange au moment d'injection

3.2. Analyse de la combustion

A partir du début de l'injection, quatre phases successives se déroulent :

• Le délai d'inflammation (Points A-B, fig.12.1.)
  C'est la phase (très courte) préparatoire à la combustion, qui sépare le début de l'injection du début de l'inflammation du combustible. Ce délai, lié à la nature du combustible (indice de cétane) et à certains phénomènes physiques et chimiques se décompose en :
  
  - Délai physique : c'est le temps pendant lequel les fines gouttelettes de gazole s'échauffent au contact de l'air jusqu'à leur "vaporisation" (variable selon la température de l'air, la vitesse, la dimension des gouttelettes et la viscosité de combustible, ...).

- Délai chimique : Pendant le temps qui procède l'inflammation, se réalise "oxydation" du combustible. La durée est comprise entre 0.001 et 0.002 seconde, une montée constante de la pression de compression a lieu pendant cette phase, proportionnelle à l'angle de rotation du vilebrequin (10 à 20º).

A-B Délai d'inflammation B-C Combustion rapide (phase incontrôlée) C-D Combustion principale (phase contrôlée) D-E Post combustion ou phase par diffusion A     Début d'injection D     Fin d'injection ------ Courbe sans injection

    Fig.12.1. Chronologie de la combustion

• Propagation de la flamme (points B-C, fig.12.1.)
  Le mélange carburant c'est formé, et le processus d'inflammation s'amorce en une multitude de points, à une vitesse extrêmement grande (présence d'un excès important d'oxygène et d'une masse de combustible pulvérisé durant le délai d'inflammation).
  La vitesse de combustion (1000 à 1200 m/s) définit la montée en pression dans le cylindre et le bruit résultant de cette phase (combustion rapide ou phase incontrôlée).

• Combustion principale (points C-D, fig.12.1.)
  L'injection se poursuit, le combustible continue à brûler progressivement, la vitesse de combustion diminue, tandis que la pression et la température continuent à s'élever. C'est la phase de combustion "contrôlée" (en fonction du volume de combustible injecté par degré de rotation du vilebrequin).
  C'est lors de cette phase, qu'une scission des molécules du combustible (cracking) s'effectue et donne naissance à :
  - des produits gazeux et légers qui brûlent,
  - des produits plus lourds (goudronneux) plus difficiles à brûler.

• Post combustion ou combustion diffusante (points D-E, fig.12.1.)
  La fin d'injection (fermeture de l'injecteur) se produit au point "D", mais le mélange carburant restant continu à brûler.
  Les conditions sont de plus en plus défavorables :
  - raréfaction de l'oxygène,
  - volume croissant de la chambre de combustion (pression et température en baisse rapide, descente du piston vers le PMB),
  - hydrocarbures restants difficiles à brûler.

La durée de cette dernière phase est liée aux deux précédentes (une qualité de pulvérisation médiocre ou une mauvaise combustion principale vont augmenter la post combustion). La phase de post combustion doit être la plus courte possible, toute durée supplémentaire se traduit par une augmentation de la température des gaz d'échappement et une baisse de rendement.

4. La suralimentation

Une augmentation de la puissance du moteur à une même vitesse de rotation est possible en favorisant le taux de remplissage en air des cylindres, par divers procédés.

• Amélioration du remplissage au temps "aspiration" :

- multiplication du nombre des soupapes (3 ou 4 par cylindre, dont 2 d'admission),
- montage d'une distribution "variable",
- études et modifications des conduits d'admission d'air afin d'obtenir une alimentation par "oscillations" ou par "résonance";

• Précompression de l'air ou "suralimentation" : elle consiste à introduire de l'air dans les cylindres à une pression supérieure à la pression atmosphérique.

Ce principe connaît actuellement un engouement extraordinaire.

4.1. Compresseurs de suralimentation

Trois types sont particulièrement utilisés et tendent vers un même but malgré des conceptions différentes :

- Appareils du type volumétrique entraînés mécaniquement,
- Appareils du type centrifuge qui comportent une turbine entraînée par les gaz d'échappement et accouplée directement à un compresseur (turbocompresseur),
- Appareils à "ondes de pression" (différence de pression entre l'admission et l'échappement appelé également "échangeur de pression").

4.1.1. Compresseurs volumétriques
Ces appareils entraînés par le moteur, permettent l'obtention d'une pression dès le début de l'accélération du moteur (couple important à bas régime), mais la puissance absorbée à régime élevé est importante, par rapport à un débit d'air limité.

• Compresseurs à vis
  Deux rotors à vis, entraînés par le moteur, tournent en sens inverse, à l'intérieur d'un boîtier où ils obligent l'air à circuler en se comprimant côté sorti.

a, b, c, d Entrée d'air – Remplissage e, f, g Phases refoulement

                              Fig.12.2. Compresseurs à vis

• Compresseurs à lobes

Fonctionnement analogue à celui du système ci-dessus, à l'aide de deux lobes tournant en sens inverse.

           Fig.12.3. Compresseurs à lobes

• Compresseurs à pistons rotatifs
  Le rotor intérieur, entraîné par courroie, tourne de façon excentrée dans le rotor extérieur.

Fig.12.4. Compresseurs à pistons rotatifs (Système Wankel)

Position	Chambres
	1	2	3
a	Aspiration	Début remplissage	Début détente
b	Remplie	Remplissage	Détente
c	Compression	Fin remplissage	Fin détente
d	Début détente	Aspiration	Début remplissage

4.1.2. Compresseurs centrifuges (turbocompresseurs)
L'intérêt de cet appareil réside dans son encombrement réduit et, par suite, son poids plus faible.
Cependant, le principal avantage se situe au niveau de l'utilisation de l'énergie cinétique des gaz d'échappement pour son entraînement.

De ce fait, la suralimentation du moteur est réalisée sans aucun prélèvement de puissance.
Constitution :
Le turbocompresseur est un appareil centrifuge dont le rotor (équilibré de façon rigoureuse en usine) tourne à grande vitesse (80 000 à 150 000 tr/min), celle-ci étant proportionnelle à l'énergie des gaz de combustion (pour un turbocompresseur non régulé), et qui comprend des parties distinctes :

- Le carter central ou support, comprenant les paliers, le rotor complet équilibré, le système de graissage et de refroidissement.
- L'étage turbine où les gaz de combustion en provenance des cylindres du moteur sont canalisés vers une roue axiale. Ces gaz se détendent et mettent en rotation la roue de turbine, avant d'être rejetés vers la tuyauterie d'échappement. Cette partie du turbocompresseur est soumise à des températures élevées (> à 650ºC), ce qui nécessite l'emploi de matériaux spéciaux (fonte GS pour le carter et acier allié au nickel ou maintenant céramique pour la turbine) et d'un refroidissement efficace par circulation d'huile et quelque fois d'eau.
- L'étage compresseur : l'air pénètre axialement dans le compresseur, est mis en vitesse par la roue de compresseur, puis dévié de 90º vers le diffuseur qui transforme l'énergie cinétique acquise en pression d'air, dirigée vers le collecteur d'admission. Les températures de cet étage étant beaucoup plus faibles que le côté turbine (80ºC à 150ºC), les pièces (roue, carter) sont en alliage d'aluminium.
- Ensemble tournant : l'ensemble turbine-arbre est dénommé "rotor". L'ensemble rotor-roue de compresseur constitue "l'ensemble tournant" et demande un équilibrage parfait. Cet ensemble tourne sur film d'huile sans frottement, les coussinets lisses montés flottants dans le carter central servent de guides.

Fig.12.5. Vue éclatée d'un turbocompresseur HOLSET

4.1.3. Suralimentation par ondes de pression (système Comprex)
Le procédé "comprex"utilise l'onde de pression générée par un bref contact entre les gaz d'échappement et l'air d'admission (différente de pression) dans les cellules du rotor.
Ce système procure un temps de réponse à bas régime très inférieur à un turbocompresseur classique, tout en gardant des performances comparables à hauts régimes.

Fig.12.6. Suralimentation par ondes de pression

4.2. Circuit de suralimentation

Les variantes sont nombreuses, allant du circuit simple à un ou deux turbocompresseurs, quelquefois refroidis par eau, avec échangeur de température (air/air ou air/eau), muni ou non d'une régulation de la pression maximum d'admission (haute pression > à 3 bars).

 

1. Circuits d'alimentation

Les circuits d'alimentation permettent d'amener à la pompe d'injection une quantité de combustible suffisante, parfaitement filtrée, sans émulsion ni présence d'eau et sous une pression déterminée.
Ils participent également à la stabilisation de la température de la pompe d'injection et à l'écrêtage des pointes de pression en fin d'injection.

Fig.13.1. Circuit d'alimentation avec pompe en ligne

1.1. Circuit en "aspiration"

Le circuit est compris du plongeur dans le réservoir, en passant par le préfiltre, jusqu'au raccord d'aspiration de la pompe d'alimentation.
C'est uniquement sur cette partie du circuit que l'on peut rencontrer la panne appelée "prise d'air" (raccord mal serré, joint défectueux, canalisation percée, ...).

1.2. Circuit en "basse pression"

Du côté "refoulement" de la pompe d'alimentation, en passant par le filtre principal, jusqu'à la galerie d'alimentation dans la pompe d'injection.
Sur cette partie, tout manque d'étanchéité se traduit par une "fuite".

1.3. Circuit à haute pression

De la sortie de la pompe d'injection aux injecteurs, il comprend :

· les tuyauteries HP et leurs raccords,
· les porte-injecteurs,
· les injecteurs.

1.4. Les pompes d'alimentation

La pression d'alimentation en combustible d'une pompe en ligne classique varie entre 1 bar et 2.5 bars selon le tarage de la soupape de décharge, pour assurer le remplissage optimal des éléments de pompage, avec un débit égal au moins 1.5 à 2 fois le débit de la pompe d'injection au régime nominal de pleine charge.
Ceci après avoir aspiré le combustible dans le réservoir, en passant par le préfiltre, et refoulé celui-ci à travers le (ou les) éléments filtrants (pompe à piston ou à engrenages).

1.4.1. Pompes à membrane
Elles sont à commande mécanique comme les pompes à essence, avec généralement une cuve de préfiltrage.
Le tarage du ressort de membrane est légèrement supérieur à celui des pompes à essence (0.3 à 0.6 bars).

Fig.13.2. Pompe à membrane AC avec préfiltré

1.4.2. Pompes à piston
Ce système est le plus fréquent. Elles sont directement montées sur les pompes d'injection et commandées par l'arbre à came de celle-ci. Elles sont auto-régulatrices grâce à la valeur de tarage du ressort de piston 2.5 à 4 bars.

• Pompe d'alimentation à simple effet (Bosch classique)

  Course intermédiaire (fig.13.3.a)
  L'arbre à cames de la pompe d'injection commande le poussoir à galet. Le piston principal (6), sous la poussée de la tige de pression (1), envoie le liquide contenu dans la chambre A vers la chambre B, en ouvrant le clapet (7). Un volume correspondant à celui déplacé par la tige de pression (1) est envoyé vers le refoulement.
  
  Course refoulement-aspiration (fig.13.3.b)
  Le sommet de la came étant dépassé, le ressort principal (3) repousse le piston (6) et la tige de pression (1) :

  - le combustible de la chambre B est refoulé vers le filtre principal,
  - la dépression créée dans la chambre A permet l'ouverture du clapet (5) et l'aspiration du combustible venant du réservoir.

  Auto-régulation (fig.13.3.c)
  Si en B, la pression de gazole est inférieure à celle qu'exerce le ressort (3), le piston demeure au contact de la tige-poussoir (1) et la course est complète.
  Si, au contraire, la pression de gazole en B atteint celle exercée par le ressort, le piston se sépare de la tige-poussoir et sa course n'est que partielle. Il s'agit là d'une auto-régulation.

Fig.13.3. Pompe Bosch classique

• Pompe d'alimentation Bosch à double effet

  Sous l'action de l'excentrique de commande, le déplacement du piston de pompe vers le bas comprime le ressort provoquant l'ouverture des clapets A1 et R1 ainsi que le refoulement du combustible vers la pompe d'injection.
  Lorsque l'excentrique s'efface, le piston se déplace vers le haut sous l'action du ressort provoquant l'ouverture des clapets A2 et R2 et le refoulement vers la pompe d'injection.
  Pour chaque déplacement du piston, on obtient une aspiration et un refoulement simultanés du combustible; la pompe d'alimentation est à double effet.

Fig.13.4. Pompe Bosch à double effet

 

2. Systèmes d'injection

2.1. Rôle

La pompe d'injection doit refouler sous pression vers chaque injecteur un volume précis de combustible, à l'instant prévu, et pendant une durée déterminée, à travers un circuit hydraulique comprenant soupape de refoulement, raccord et conduite haute pression.

2.2. Condition à remplir

· Le dosage doit correspondre très exactement aux besoins du moteur (suivant la charge),
· Il doit être rigoureusement égal pour chaque cylindre du moteur,
· L'injection doit s'effectuer à un instant très précis,
· L'injection doit se produire pendant un laps de temps très court et sans égouttement ultérieur,
· La précision dans l'usinage de la pompe, notamment des pistons et des cylindres, doit être très poussée :

- la pression instantanée atteinte une valeur très élevée : 1000 bars,
- la quantité de combustible à refouler par coup de piston est très variable suivant les types de moteurs.

2.3. Pompe d'injection Bosch taille "A"

2.3.1. Généralités
Ce type de pompe est commandé par l'arbre à cames et par l'intermédiaire des poussoirs à galets, les pistons ou éléments de pompage possèdent une course de levée constante.
Cette course est en fonction de la taille de la pompe. Par exemple : taille A  7 mm; taille MW 10 mm.

Les pistons sont ramenés vers le PMB par des ressorts dont le tarage est fonction de la vitesse maximale de la pompe, qui tourne à la demi-vitesse du moteur.
Le dosage du combustible est assuré par le déplacement en "rotation" des pistons, à l'aide de douilles, reliées à des secteurs dentés réglables en liaison avec la tige de réglage, appelée aussi "crémaillère".

Fig.13.5. Pompe Bosch taille A avec graissage moteur

2.3.2. Eléments de pompage (pistons)
Fonctionnement

a) Admission du combustible (remplissage)
Au PMB, le piston découvre les orifices 0 et 01 d'arrivée du combustible. Celui-ci pénètre dans la chambre V et par la rainure verticale, dans la chambre X, poussé par la pression d'alimentation.

b) Précourse
C'est la course parcourue par le piston entre le PMB et le début de refoulement.

c) Début de refoulement
Le piston ayant effectué la précourse, obture les orifices d'arrivée 0 et 01. C'est le début de refoulement et le combustible comprimé soulève le clapet de refoulement, parcourant ainsi la course de détente.

d) Course utile
C'est la course comprise entre l'ouverture de la soupape de refoulement et la fin de refoulement (libération de l'orifice de décharge par la partie inférieure de la rampe du piston).

e) Fin de refoulement (décharge)
Dès que l'arête inférieure de la rampe hélicoïdale découvre l'orifice 01, la pression chute brusquement et le clapet de refoulement retombe sur son siège. Le combustible dans les chambres V et X est remis à la pression d'alimentation.

Le piston continue ensuite sa course jusqu'au PMH (course de la came).

Fig.13.6. Pompe d'injection Bosch taille A

Fig.13.7. Mécanisme de commande de rotation du piston

Fig.13.8. Position de piston dans le cylindre

La quantité de combustible refoulée dépend du temps pendant lequel le piston couvre l'orifice de décharge 01; c'est la course utile. Ce temps est modifié par la rotation du piston. Elle fait varier l'instant de la fin du refoulement déterminé par la rampe hélicoïdale. Les figures 13.8.a, b, c montrent les positions de plein débit, de débit moyen et de ralenti. Dans la figure 13.8.d, la rainure verticale est en ligne avec l'orifice 01, aucun refoulement n'est possible, c'est la position d'arrête ou stop. Pour obtenir la position désirée de la rampe hélicoïdale, on fait tourner le piston au moyen d'un mécanisme de commande.

2.3.3. Soupape de refoulement
Leur rôle est de détendre rapidement, après chaque injection, la pression dans les tuyauteries HP, afin d'obtenir une fermeture franche de l'injecteur, tout en maintenant une pression résiduelle déterminée.

Soupape à réaspiration
Début de refoulement : le piston de pompe comprime le combustible, la pression d'injection P devient supérieure à la pression P' (charge du ressort + pression résiduelle) et soulève la soupape. Le combustible s'écoule au moment où le piston de détente dégage l'orifice.

Fin de refoulement : le refoulement du combustible cesse lorsque la pression P devient inférieure à la pression P'. la fermeture de la soupape s'effectue alors en deux phases :
· l'arête inférieure du piston de détente vient en contact avec la partie rectifiée du siège et la communication est interrompue.
· la soupape continue sa retombée jusqu'à la fermeture complète en réaspirant dans la tuyauterie un volume :

V - volume de réaspiration S - surface du piston de détente h - hauteur de retombée

Fig.13.9. Soupape à réaspiration Bosch

Clapets à billes

Ils sont constitués de deux corps superposés comportant chacun une bille. En fin d'injection, la bille du corps inférieur retombe la première sur son siège et il en résulte une chute de pression dans le corps supérieur. Le combustible contenu dans la tuyauterie de refoulement se détend et entraîne la fermeture de la seconde bille.

            Fig.13.10. Clapets à billes

3. Injecteurs et porte-injecteurs

3.1. Rôle et fonctionnement de l'injecteur

L'injecteur ou pulvérisateur est fixé et positionné dans un support dénommé porte-injecteur.
C'est un organe de haute précision qui assure la pulvérisation correcte et la répartition du combustible refoulé par la pompe d'injection, dans la chambre (ou la préchambre selon le cas) de combustion du moteur.

Fonctionnement : L'aiguille est appliquée, au repos sur son siège S, par un ressort qui prend l'appui dans le porte-injecteur. Le gazole arrive par le porte-injecteur dans une gorge circulaire "g" puis est dirigé vers la chambre de pression "V", par le canal "t". Au moment du refoulement de combustible par la pompe d'injection, une montée en pression très rapide s'effectue dans la chambre de pression V, jusqu'à l'instant ou l'aiguille se soulève (c'est le début d'injection), exercent alors une force plus importante que la pré-charge du ressort de pression "R". Le combustible est pulvérisé finement, jusqu'à la fin du refoulement de la pompe d'injection, l'aiguille d'injecteur retombe alors sur son siège, plaquée par la force du ressort de pression "R" et obture le ou les orifices de la buse d'injecteur (étanchéité parfaite indispensable).

Fig.13.11. Porte-injecteur Lucas-Diesel avec injecteur
                   à téton type DN

3.2. Différents types d'injecteurs

3.2.1. Injecteurs à trous
Ce type d'injecteur est utilisé en général sur les moteurs à injection directe car son rôle est essentiellement de répartir le combustible.
L'extrémité de la buse est percée d'un trou central ou de plusieurs trous capillaires dont le diamètre minimal est de 0.2 mm (nombre de trous = 1 à 12, angles de jets = 0 à 180º).

Injecteurs à trous courts type DL

Ce modèle d'injecteur destine aux moteurs à injection directe a été remplacé sur les moteurs modernes par le modèle long (DLL), moins encombrant et moins exposé aux températures élevées de la combustion.

          Fig.13.12. Injecteur Bosch type DL

Injecteurs à aiguille allongée

Fig.13.13. Injecteur à trous Bosch type DLL avec protecteur de chaleur

Ces injecteurs sont les plus utilisés sur les moteurs à injection directe et le gain de place est important (par exemple lors du montage de l'injecteur entre les soupapes). Dans certains cas, on cherche à diminuer la surface offerte à l'action des gaz brûlants, afin de réduire l'échauffement de l'injecteur; on monte alors un fourreau "protecteur de chaleur".

3.2.2. Injecteurs à tétons
Ils sont utilisés sur les moteurs à turbulence, car la préparation du mélange combustible est assurée principalement par le tourbillonnement de l'air et facilitée par la forme étudiée du jet d'injection.
La buse est percée d'un trou central de diamètre relativement important d =0.8 à 3 mm et l'aiguille présente un téton de diamètre légèrement inférieur.
Avec ce dispositif, on obtient un jet conique dont l'angle de dispersion a dépend de la forme du téton de l'aiguille. En outre, le téton empêche tout dépôt de calamine sur le trou d'injection.

Fig.13.14. Injecteurs à téton à extrémité cylindrique             Fig.13.15. Injecteurs à téton à extrémité conique

3.2.3. Injecteurs à étranglement
Dans ce type d'injecteur, la forme particulière du téton de l'aiguille et un ressort spécial dans le porte-injecteur permettent d'obtenir une "préinjection".
Au moment de l'ouverture, l'aiguille découvre en premier lieu un étroit passage annulaire qui laisse pénétrer très peu de combustible (effet de l'étranglement).
Au fur et à mesure que le mouvement d'ouverture progresse (accroissement de la pression), le passage s'élargit et ce n'est que vers la fin de la course de l'aiguille que le débit maximal de combustible est injecté.
C'est actuellement le type le plus employé sur les moteurs rapides de faible cylindrée, à injection indirecte.

Fig.13.16. Injecteurs à étranglement type DN Bosch à téton conique

3.2.4. Injecteurs à trous pilote

Fig.13.17. Injecteur à trou pilote

C'est un injecteur à téton à grand recouvrement "R", dont la buse est percée d'un trou capillaire oblique "P" qui débouche sous le siège de l'aiguille "S". Il est utilisé sur des culasses à préchambres.

Fonctionnement :
Aux faibles régimes du moteur et surtout à la vitesse d'entraînement du démarreur, l'injecteur se lève lentement et d'une valeur souvent inférieure à sa levée maximale : la plus grande partie du débit a le temps d'être évacuée par le trou pilote, le téton étant encore étanche sur son recouvrement. L'injecteur fonctionne comme un injecteur à trou. Cet injecteur comporte un trait repère qui doit être positionné face au raccord d'arrivée sur le porte-injecteur

4. Injecteurs-pompes et systèmes électroniques

4.1. Injecteurs-pompes
4.1.1. Injecteurs-pompes mécaniques
Ces injecteurs sont connus et utilisés depuis bien longtemps par certains constructeurs américains (GM Détroit Diesel, Caterpillar). Ce type d'injection, commandé par l'arbre à cames du moteur demande donc une adaptation particulière des culasses, mais comporte un argument important : la pression d'injection peut s'élever au-dessus de 1200 bars.

1. Vis de réglage 2. Culbuteur 3. Bride de fixation 4. Tige de poussée 5. Crémaillère 6. Elément de refoulement 7. Poussoir à galet 8. Arbre à cames 9. Injecteur     Fig.13.18. Système d'injecteur-pompe 3500 Caterpillar

4.1.2. Injecteurs-pompes à commande électronique

La recherche de puissance, liée aux impératifs de dépollution des moteurs diesel nouveaux, demande des pressions d'injection de plus en plus élevées et favorise le développement de ce produit, avec bien entendu non plus un dosage à commande mécanique, mais en pilotant une électrovanne à l'aide d'un système électronique (début, fin, durée, moment d'injection variables à commande unitaire).

Fig.13.19. Système d'injecteur-pompe à commande électronique

4.2. Nouveaux systèmes d'injection Diesel

Les systèmes d'injection traditionnels, assistés désormais par l'électronique, sont bien implantés chez les différents constructeurs de moteurs. Pourtant, l'évolution future est déjà en marche et quelques systèmes "haute pression" tout à fait nouveaux (sans pompe d'injection) sont en cours d'essais, fonctionnant à plus de 1000 bars, avec des injecteurs électromagnétiques pilotés unitairement et électroniquement, permettant d'obtenir une loi d'injection variable.

Fig.13.20. Fonctionnement d'un injecteur électromagnétique

Fig.13.21. Système haute pression Nippondenso

 

1. Dispositifs d'avance à l'injection

Nous avons remarqué que l'inflammation du combustible pulvérisé n'est pas immédiate, mais demande un "délai minimal", lui-même variable en fonction de divers paramètres.
Par rapport au déplacement du piston moteur, il se produit donc un retard à l'inflammation dont la valeur augmente, en degré vilebrequin, avec la vitesse de rotation.
Pour compenser ce retard, il est nécessaire de déplacer le point d'injection vers l'avance, au fur et à mesure de la montée en régime du moteur diesel.

On définit deux types d'avance à l'injection :

· Avance initiale : calage statique angulaire de la pompe d'injection,
· Avance automatique proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur.

1.1. Avance en fonction du régime de rotation

C'est la version la plus rencontrée, soit à commande hydraulique, intercalée entre l'entraînement moteur et l'arbre à cames de la pompe d'injection en ligne, soit à commande mécanique (force centrifuge agissant sur des masses ou à pression d'huile).

1.1.1. Variateur d'avance à masselottes

L'avance centrifuge se compose essentiellement d'un plateau porte-masselottes dont le débattement, sous l'effet de la force centrifuge, est limité par un boisseau d'avance lié directement au moyeu. Le fonctionnement du dispositif est classique. Sous l'effet de la force centrifuge, les deux masselottes s'écartent progressivement. Le déplacement du galet de masselottes est communiqué au boisseau d'avance dont la position angulaire par rapport au plateau porte-masselottes varie et provoque l'avance à l'injection désirée.

Fig.14.1. Variateur d'avance à masselottes

1.1.2. Variateur à excentriques
Ce variateur, de conception mécanique peu différente du modèle à masselottes, fonctionne sur le même principe.
Les paires d'excentriques sont emboîtées dans le sabot d'avance et guidées par les bossages du boîtier.
Les masselottes comportent des pivots venant se loger dans les alésages des excentriques d'avance et reçoivent des ressorts par paire.
La force centrifuge écarte les masselottes vers l'extérieur et provoque la rotation des excentriques. La position du moyeu est ainsi modifiée par rapport au boîtier.

Fig. 14.2. Variateur à excentriques Bosch

1.2. Avance en fonction de la charge et du régime

Il est de plus en plus fréquent de rencontrer cette combinaison sur les nouveaux équipements avec pompes en ligne, l'assistance de l'électronique permettant l'optimisation instantanée du point d'injection.
Le schéma ci-dessous nous présente un système de commande de l'avance hydraulique à pilotage électronique :

Fig.14.3. Système de commande de l'avance à pilotage électronique

 

2. Régulation

2.1. Fonctions assurées par le régulateur

Les moteurs diesel fonctionnent généralement avec un excès d'air (sauf en pleine charge).
En cas de modification de la charge appliquée à ces moteurs, il est nécessaire de faire varier également la quantité de combustible injecté, afin que la vitesse de rotation ne varie pas en dehors des limites fixées par le constructeur.
Le régulateur doit adapter le dosage du carburant refoulé par la pompe d'injection suivant différents paramètres :

- la position du levier de commande (accélérateur),
- la constitution du régulateur,
- la vitesse de rotation du moteur,
- la valeur du débit maximal de plein charge,
- la valeur du débit de démarrage, en fonction de la température moteur,
- la correction du débit en fonction de la vitesse,
- la pression de suralimentation,
- la pression atmosphérique,
- les températures d'air et de combustible.

2.2. Principaux types de régulateurs

On distingue les régulateurs :
· à commande mécanique par masselottes ou billes (régulateurs centrifuges),
· à commande pneumatique, à dépression,
· à commande hydraulique par pompes à engrenages,
· à assistance électronique (pour groupes électrogènes et certains véhicules routiers).

2.2.1. Régulateurs centrifuge mini-maxi
Ils ont pour fonction de limiter la vitesse maximale du moteur et de stabiliser le régime de ralenti avec une plage non régulée entre ces deux vitesses.

1. Tige de réglage 2. Levier de réglage 3. Levier de commande 4. Coulisseau 5. Axe d'acticulation 6. Masselotte 7. Axe 8. Guide 9. Chape de liaison

     Fig.14.4. Régulateur Bosch mini-maxi, type RQ

Principe :

• Ralenti ou Mini :
  Il maintient le régime moteur pour lequel il a été prévu en faisant varier de quelques cm3 le débit de la pompe d'injection (lorsque aucune charge n'est appliquée à ce moteur) et empêche le moteur de caler lorsque l'on relâche l'accélérateur.
• Maxi :
  Il coupe le débit de la pompe d'injection en ramenant la tige de réglage à zéro. Il empêche donc le moteur de tourner au-delà de la vitesse maximale prévue par le constructeur.
• Entre ces deux vitesses :
  C'est la plage "non régulée", la commande de la pédale d'accélérateur agit directement sur le débit de la pompe en actionnant la tige de réglage, mais sans toutefois pouvoir dépasser le réglage maxi du débit.

Fig.14.5. Les différentes positions des masselottes

1. Cuvette de ressort intérieur 2. Cuvette de ressort extérieur 3. Ecrou de réglage 4. Ressort de ralenti 5. Ressort de vitesse maximale 6. masselotte 7. Course de ralenti 8. Course de régulation de vitesse maximale

Fonctionnement :

• Mise en marche du moteur :
  Il faut placer la tige de réglage (1) en position de démarrage. Les masses (6) étant au repos, manœuvrer le levier de commande extérieur (3) vers la position maxi. Le coulisseau (4) descend alors en basculant le levier (2) vers le débit maxi.
  Le ressort de la butée élastique, étant plus faible que les ressorts dans les masses, s'écrase et permet ainsi à la tige de réglage d'aller en position "débit de démarrage".
• Régulation au ralenti :
  Dès que le moteur est démarré, amener le levier de commande (3) en position "ralenti" (butée réglable (7) à adapter sur le véhicule). Le conducteur doit régler cette butée afin d'obtenir une vitesse de rotation au ralenti compatible avec le régulateur. Celui-ci agit alors pour maintenir le moteur à la vitesse correspondante.
  La course des masses (6) au ralenti est de 6 mm (A) qui correspond à 8 mm environ de déplacement de la tige de réglage (rapport 1/1.35).

Fig.14.6. Position des masses au ralenti

• Régime d'utilisation en charge (plage non régulée) :
  Le conducteur déplace le levier de commande (3) vers la butée maxi, le coulisseau (4) descend et bascule le levier (2), poussant ainsi la tige de réglage (1) vers le débit. Le moteur s'accélère et les masses viennent en butée sur les coupelles inférieures des ressorts de vitesse.
  Ces ressorts ayant une tension préalable calculée pour résister à la force des masses jusqu'à la coupure, celles-ci restent fixes. Tout déplacement du levier de commande (3) agit donc directement sur la tige de réglage (1).
• Limitation de la vitesse maxi :
  Lorsque la force des masses (6) devient prépondérante par rapport au tarage des ressorts de vitesse (plus le ressort de ralenti), les masses s'écartent et parcourent la course de régulation maxi "B" = 5 mm. La pièce d'articulation (5) est tirée vers l'avant, emmenant le bras de levier (2) qui pivote sur l'axe du coulisseau (4). La tige de réglage (1) est alors tirée vers l'arrière, soit vers le débit nul.

Fig.14.7. Position des masses à la vitesse maxi

2.2.2. Régulateurs pneumatiques
Principe :
Le déplacement de la crémaillère est lié à celui d'un diaphragme, et celui du diaphragme dépend de la dépression créée par le passage de l'air dans un venturi situé à la sortie du filtre à air.

Ce régulateur comprend : -une chambre à diaphragme (membrane), -un ressort taré qui s'oppose au déplacement du diaphragme, -un stabilisateur de ralenti, réglable, -un levier de stop commandé de l'extérieur et agissant sur une tige de réglage pour arrêter le moteur, -une butée de pleine charge et de surcharge, -un ensemble venturi avec papillon anti-retour.

       Fig.14.8. Régulateur pneumatique

Fonctionnement :
La dépression dans la chambre étanche dépend :

- de la vitesse de l'air dans le venturi,
- de la vitesse de rotation du moteur,
- de l'ouverture du papillon anti-retour.

Pour une position de ce papillon, à une certaine vitesse du moteur, correspond une dépression donnée dans la chambre étanche du régulateur. Si le régime du moteur croît, la dépression augmente et le déséquilibre de pression sur le diaphragme est rétabli par le ressort. Le diaphragme se déplace alors vers la droite et entraîne avec lui la tige de réglage vers la diminution de débit.
Si le moteur ralentit, la dépression diminue jusqu'à ce que la membrane soit à nouveau en équilibre.

2.2.3. Régulateur combiné (pneumatique + mécanique)
Cette variante permet de garantir une vitesse maximale du moteur correcte, en cas d'incident prévisible sur le régulateur pneumatique par manque d'étanchéité du circuit en dépression (membrane percée, fuites aux raccords ou tuyauteries, ...).
Le régulateur mécanique à masselottes comporte un ressort dont la tension initiale est ajustée à l'aide d'une butée. Ce régulateur mécanique est un limiteur de régime maximum.

Fig.14.9. Régulateur combiné type RBD

2.2.4. Régulation électronique
Aucun dispositif d'entraînement et aucune source de pression ne sont nécessaires pour le fonctionnement de ces ensembles, mais simplement une source d'alimentation de 10 à 35 volts (courant continu).
Un capteur magnétique (C), fixé sur le carter volant moteur, transmet un signal électrique (vitesse moteur) variable, en fonction du défilement de la couronne dentée du volant devant ce capteur.
Le boîtier électronique compare ce signal (fréquence variable) à une fréquence fixe, déterminée selon le réglage du potentiomètre de vitesse et de la position de l'interrupteur (ralenti ou vitesse maxi).
Après prise en compte des réglages demandés (statisme, débit, ...) et éventuellement des signaux additionnels (possibilités de sécurités, température de l'eau, survitesse, autre groupe en parallèle, ...), un amplificateur de puissance transmet à l'actuateur la position mécanique que celui-ci doit prendre (position de la tige de réglage de la pompe d'injection).

Fig.14.10. Système de régulation électronique