Injecteurs de carburant et jets d’injection

Principe de fonctionnement des injecteurs de carburant 

Dans les injecteurs diesel récents, la commande électrique permet l’entrée du carburant dans l’injecteur et la pression d’injection du carburant soulève l’aiguille permettant ainsi l’injection du carburant. Lorsque le carburant sort de l’orifice de l’injecteur, l’interaction entre le jet de carburant à haute vélocité (due à la forte pression d’injection) et l’air amène un éclatement spontané et donc à l’atomisation en fines gouttelettes du jet (Lefebvre & McDonell, 2017). Les injecteurs électroniques peuvent reposer sur le principe d’action directe ou indirecte, ce qui définit le lien entre l’actionneur électrique et la valve pointeau-aiguille qui permet l’introduction du carburant dans la chambre de combustion. Une valve à action directe permet de contrôler la levée de l’aiguille directement via l’actionneur électrique.

Les injecteurs à action indirecte diffèrent des injecteurs à action directe par leur système de couplage hydraulique entre l’actionneur électrique et la valve principale. Le système à action indirecte nécessite moins de force de la part de l’actionneur électrique pour activer la levée de l’aiguille mais entraine un délai plus important entre le début de la commande électrique et le début effectif de l’injection. Dans le cas d’un injecteur à action indirecte, la valve pointeauaiguille est maintenue fermée par une force résultante de la pression exercée par le carburant sur deux épaulements d’une tige ainsi que d’un ressort en compression. Afin d’actionner l’injecteur, l’une des deux surfaces de l’épaulement est reliée directement à une chambre remplie de carburant pressurisé tandis que la seconde surface est reliée à une chambre de modulation pressurisée via un canal offrant une restriction à l’écoulement. L’actionneur électrique permet de créer un débit de fuite de la chambre de modulation via l’ouverture d’une valve pilote vers la conduite de drain de l’injecteur, causant une chute de pression sur la seconde surface de piston de l’aiguille. Cette chute de pression permettra une levée de l’aiguille de la valve principale de l’injecteur via un débalancement de la pression entre les deux surfaces de pression de l’aiguille.

Les injecteurs à action piézoélectrique se distinguent des injecteurs à action par solénoïde par un délais d’ouverture plus court, un taux d’augmentation plus important du débit massique et de la vitesse de jet en phase d’ouverture (Payri et al., 2011). Le principe de fonctionnement des injecteurs à action piézoélectrique est légèrement différent aux injecteurs à action par solénoïde puisqu’il fait intervenir un amplificateur hydraulique entre l’actionneur piézoélectrique et la valve pilote qui permet d’amplifier le faible déplacement de l’actionneur piézoélectrique.

Comme mentionné précédemment, une commande électrique d’injection entraîne la levée de l’aiguille de la valve principale via l’action d’une valve pilote après un certain délai. La réponse temporelle de l’aiguille à une commande d’injection a été étudiée expérimentalement par (Kastengren et al. 2009) à l’aide d’une technique de visualisation par rayon X permettant de visualiser l’aiguille à l’intérieur de l’injecteur sans besoin de modifier celui-ci.

Dans leur étude expérimentale (Kastengren et al., 2009) étudient l’effet de la durée d’injection, de la pression d’injection et de la géométrie de l’injecteur sur les déplacements de l’aiguille par rapport à son siège en trois dimensions. Parmis les géométries d’injecteurs étudiées, ils étudient des injecteurs monotrous à sac ainsi que des injecteurs à orifices bloqués par l’aiguille (sans sac) de différents diamètres d’orifices. Cette étude expérimentale leur permet d’observer les phénomènes suivants :
• La levée de l’aiguille se fait à vitesse relativement constante jusqu’à l’atteinte de la levée maximale.
• La descente de l’aiguille se fait également à vitesse relativement constante jusqu’à l’atteinte de la fermeture complète.
• La position à levée maximale de l’aiguille croît linéairement avec la pression d’injection.
• La vitesse de levée d’aiguille et la vitesse de descente de l’aiguille croissent avec la pression d’injection, cependant la vitesse de levée croît à un taux plus élevé.
• Ils observent également un mouvement latéral d’oscillations de l’aiguille.

Morphologie d’un jet de carburant 

Plusieurs auteurs se sont intéressés à la morphologie des jets de carburant issus d’un injecteur diesel à orifice circulaire. Puisqu’un jet est composé de milliers de gouttelettes de diamètres différents entourées d’un gaz porteur accéléré par les gouttelettes et de vapeur de carburant, obtenir une formulation exacte du jet demeure un problème complexe. Afin de bien décrire un jet de carburant avec une quantité restreinte d’informations, il est courant de lui définir une frontière géométrique dans un plan généralement définie par observation directe par photographie ou par d’autres méthodes optiques telles que la visualisation « Schlieren » permettant de visualiser des gradients d’indices de réfraction. Cette enveloppe géométrique est couramment décrite en faisant intervenir des propriétés géométriques approximatives telles que la longueur de pénétration (Lefebvre & McDonell, 2017), l’angle du cône (Lefebvre & McDonell, 2017) et la surface occupée. Le jet peut par la suite être caractérisé davantage de différentes façons en le découpant en plusieurs régions ayant des caractéristiques particulières et en introduisant des propriétés microscopiques telles que des distributions de tailles de gouttes. L’une de ces régions caractéristiques est la longueur du jet liquide non atomisé observé à la sortie de l’injecteur. Cette région domine le jet durant les premières microsecondes d’une injection puis atteint une longueur relativement constante couramment caractérisée comme longueur liquide du jet. Une diminution de cette longueur de noyau liquide est observée expérimentalement par (Kook, Pickett & Musculus., 2009) après la fin de la commande de l’injection avec une tête qui remonte vers l’injecteur.

La morphologie du jet peut être subdivisée davantage en sous-régions quasi stationnaires et en région transitoire comme observé par (Desantes et al., 2006). La transition de la région quasistationnaire vers la zone transitoire est estimée à environ 70 % de la longueur de pénétration du jet et les différences se situe dans la nature hautement transitoire de la tête du jet qui est affecté par des structures tourbillonnaires présentes en bout de spray (Desantes et al. , 2006).

Longueur de pénétration du jet de carburant 

La longueur de pénétration de jet est certainement la caractéristique d’un jet de carburant ayant été la plus étudiée (Dent, 1971), (Roisman, et al. 2007), (Payri et al.,2017). La longueur de pénétration est mesurée en relevant la distance axiale maximale atteinte par le jet apparent à un instant donné. Physiquement, la longueur de pénétration du jet est affectée par la vitesse de sortie du jet de carburant et par la traînée aérodynamique que l’air ambiant exerce sur les gouttes (Lefebvre & McDonell, 2017).

Au fil des ans, de nombreuses études faisant intervenir différents paramètres de contrôle ont permis de découvrir que la longueur de pénétration d’un jet dépend d’une multitude de paramètres et de proposer de nombreux modèles prédictifs. L’intérêt scientifique d’une bonne prédiction de la longueur de pénétration du jet de carburant provient du fait que pour une combustion efficace, les jets de carburants doivent bien utiliser l’espace, et donc l’air, disponible dans la chambre de combustion tout en ne touchant pas la paroi du piston, condition pouvant entraîner une augmentation significative des émissions polluantes (Heywood, 1988). De nombreuses études expérimentales sur les jets de carburants ont mené à la proposition de modèles empiriques permettant de prédire le comportement des jets de carburants.

Comportement en régime transitoire 

Lors de l’étude de stratégies d’injection multiples, le comportement en régime transitoire des injecteurs prend une grande importance puisqu’une plus grande proportion de la masse injectée provient des périodes transitoires d’ouverture et de fermeture de l’injecteur. L’amélioration des délais d’ouverture et des vitesses d’ouverture fait d’ailleurs partie des principaux objectifs de développement des nouvelles générations d’injecteurs. D’ailleurs la dernière génération d’injecteur chez Bosch peut atteindre jusqu’à 9 injections par cycle moteur (Robert Bosch GmbH, 2015). Les études présentées jusqu’à maintenant sont restreintes aux comportements en en régime permanent lorsque le débit d’injection est stabilisé. Tel que discuté précédemment, il a été observé numériquement que le débit nominal de l’injecteur est atteint avant d’atteindre la pleine levée d’aiguille de l’injecteur. Une augmentation de la levée de l’aiguille passé ce seuil aura également pour effet d’augmenter le délai de fermeture de l’injecteur puisque qu’elle nécessitera plus de temps afin de retourner à sa position initiale (Plamondon, 2015). Ceci aura pour effet d’introduire un délai variable de fermeture d’injecteur en fonction de la durée de l’injection.

Un deuxième phénomène observé expérimentalement sur des injecteurs diesel lors de la phase de fermeture de l’injecteur consiste à l’émission de grosses gouttes à la toute fin de l’injection de carburant. Ce phénomène est communément appelé «spitting» ou «dribble» dans la littérature. (Moon et al., 2016) ont étudié le phénomène d’émission de gouttes durant la période de fermeture de l’injecteur à l’aide de radiographies à rayon-X sur des injecteurs multi-orifices lors de la période de fermeture. Ainsi, ils ont observé expérimentalement que l’émission de gouttes pouvait se faire avec ou sans ingestion d’air de la part de l’injecteur. Les gouttes émises lors de ce phénomène sont beaucoup plus grosses que les gouttelettes émises lorsque le jet est pleinenement développé et ont été expérimentalement observées comme étant du même ordre de grandeur que le diamètre de l’orifice de l’injecteur par (Kastengren et Powell,2010). L’émission de ces gouttes de forte taille à la fin du processus d’injection cause la formation de poches localement riches en carburant pouvant amener la formation de suies et une combustion incomplète pouvant contribuer aux émissions de carburant imbrûlé à l’échappement (Moon et al., 2016) .

Finalement, un dernier phénomène transitoire décrit dans la littérature consiste en une augmentation du taux de mélange lors de la période transitoire de fermeture de l’injecteur causant l’apparition d’une zone localement pauvre qui se propage de la pointe de l’injecteur vers le bout du jet. Ce phénomène est typiquement identifié comme étant un sur-mélange lors de la phase transitoire de fermeture de l’injecteur. Un premier modèle analytique basé sur la solution de l’équation de conservation de la quantité de mouvement pour un jet incompressible pulsé est proposé par (Musculus, 2009). Dans ces travaux, Musculus introduit le concept d’une onde d’entrainement émise à la pointe de l’injecteur et se propagent vers le bout de jet à une vitesse correspondant au double de la vitesse initiale de propagation de jet. (Kastengren et Powell,2010) ont comparé des résultats obtenus à l’aide de ce modèle à des résultats expérimentaux obtenus par radiographie à rayon X et observent que la vitesse de propagation du modèle de (Musculus, 2009) semble fidèle aux résultats expérimentaux. Ce phénomène de sur-mélange pourrait avoir comme impact potentiel une contribution l’émission de carburant imbrûlé causé par l’atteinte de conditions locales pouvant causer une extinction de flamme (Musculus et al., 2007). L’entraînement des gaz frais par une onde d’entraînement pourrait potentiellement servir de mécanisme de couplage entre les injections dans un cadre de stratégies d’injections multiples.