Modélisation de la formation du mélange
Injection d’essence dans les moteurs d’automobile

Dans les moteurs à combustion interne, le premier facteur de performance, une fois le cycle de fonctionnement donné, est constitué par la qualité de la réaction de combustion. Cette réaction n’a lieu qu’en phase gazeuse et dans certaines limites de concentration des réactifs. Le respect de ces conditions, phase vapeur et concentration, a pour premier effet d’optimiser le dégagement de chaleur dans la chambre de combustion et de limiter la formation de produits polluants.

Compte tenu de la brièveté de la réaction de combustion dans les moteurs alternatifs (quelques millisecondes), ainsi que des niveaux de température atteints (2 000 K) dans la zone de réaction, il n’est pas envisagé de contrôler directement son déroulement mais de réaliser des conditions initiales telles que les caractéristiques de la réaction (vitesse, température, produits) soient maîtrisées. La formation du mélange, qui assure les conditions initiales de la réaction, conditionne ainsi la qualité de la combustion et l’évacuation des gaz, en particulier des gaz brûlés. Le mélange est constitué de combustible et d’air qui sont idéalement à l’état gazeux, dans des proportions qui peuvent être stœchiométriques ou pas selon le type de moteur. Ils sont animés de mouvements favorisant le contact moléculaire oxygène/combustible. Différents organes du moteur participent à la formation du mélange : les conduits d’admission, les soupapes ou lumières, le piston et la culasse qui par leur forme définissent la géométrie de la chambre de combustion, et enfin le dispositif d’injection.

L’injection de combustible dans les moteurs a donc pour objectif premier cette double fonction de mise en état du combustible et de dosage. Mais pour que le dosage prévu par le concepteur soit celui effectivement réalisé au moment et à l’endroit de la réaction, l’alimentation en réactifs et l’évacuation des produits de la réaction doivent être assurés et le système d’injection peut y contribuer en générant des mouvements de brassage dont l’échelle caractéristique peut être très diverse.

Selon le type de moteur, de combustible et les conditions de fonctionnement, l’importance relative et l’aspect critique de ces fonctions peuvent varier. Ainsi, par exemple, pour le moteur à essence classique, où le mélange réactif se présente sous forme stœchiométrique et homogène, la fonction dosage n’est devenue critique qu’à partir de l’intégration des pots catalytiques à l’échappement. Sans ce dispositif de dépollution, les concentrations en air et en combustible peuvent varier dans une gamme plus étendue sans que le fonctionnement du moteur en pâtisse.

Dans le moteur à essence en particulier, le mélange précède la combustion dans le cycle de fonctionnement. Il peut être réalisé pendant la phase d’admission ou pendant la phase de compression, l’essentiel étant que le mélange soit formé au moment où l’allumage est déclenché par l’étincelle de la bougie. Aussi, le combustible peut être introduit à l’extérieur de la chambre de combustion (injection indirecte) ou directement dans la chambre de combustion (injection directe).

L’aspect temporel de la formation du mélange est évidemment moins critique lorsque le combustible est gazeux. Dans ce cas, la seule fonction du système d’injection est de doser le combustible. En revanche, dans le cas de combustibles liquides, la première fonction du système d’injection est d’amener le combustible à l’état gazeux. La façon d’évaporer le combustible la plus efficace est de le pulvériser (ou atomiser). On crée ainsi une phase intermédiaire appelée liquide dispersé, constituée d’un grand nombre de gouttes de faible diamètre, pour laquelle la surface d’échange globale est très importante.