Ouvrez le capot de presque n’importe quelle voiture vendue aujourd’hui, essence ou diesel, et le système d’alimentation en dessous fonctionne selon le même principe de base : une pompe haute pression alimente un tube métallique commun — la rampe commune (common rail) — maintenu en permanence sous pression, d’où des injecteurs électroniques pulvérisent le carburant directement dans chaque cylindre, plusieurs fois par phase de combustion, avec un timing mesuré en fractions de milliseconde. Ce système a remplacé l’injection indirecte sur les moteurs essence et les systèmes mécaniques à pompe par cylindre sur les diesels en un peu plus d’une décennie, car il a résolu plusieurs problèmes à la fois — puissance, efficacité, raffinement. Il en a aussi créé un nouveau, les émissions de particules, qu’il a fallu près d’une décennie au propre programme de recherche automobile de l’UE pour comprendre et résoudre entièrement.
Injection directe : le carburant pulvérisé dans le cylindre, pas dans le collecteur d’admission
L’ancien système d’injection indirecte (ou “multipoint”) pulvérise l’essence dans le collecteur d’admission, juste avant le cylindre, où elle se mélange à l’air entrant avant l’ouverture de la soupape d’admission — simple, économique, mais avec un carburant qui reste un moment sur les parois chaudes du conduit avant la combustion, ce qui limite le contrôle. L’injection directe déplace l’injecteur directement dans la chambre de combustion, pulvérisant le carburant sur la calotte du piston à des pressions qui, sur les systèmes essence les plus récents, atteignent 350 à 500 bars, contre environ 3 à 6 bars pour un moteur à injection indirecte. Ce saut de pression fait deux choses : il atomise le carburant en un brouillard beaucoup plus fin, qui brûle de façon plus complète et prévisible, et il permet au moteur de refroidir le mélange air-carburant par évaporation directement à l’intérieur du cylindre, ce qui autorise un taux de compression plus élevé sans cliquetis — l’une des principales raisons pour lesquelles un moteur turbo à injection directe moderne de petite cylindrée peut égaler les performances d’un moteur bien plus gros d’autrefois, la même logique de downsizing derrière l’essor de la suralimentation ces quinze dernières années.
Common rail : la même idée côté diesel, et d’où vient le nom
Le “common rail” (rampe commune) est techniquement la version diesel de l’histoire, et la plus ancienne des deux : avant son arrivée commerciale en 1997 (Fiat/Bosch, montée pour la première fois sur l’Alfa Romeo 156 JTD), les moteurs diesel utilisaient des pompes d’injection mécaniques qui généraient la pression séparément pour chaque cylindre, dans une impulsion directement liée au régime moteur — efficaces, mais rigides, bruyantes, et impossibles à régler finement. Le common rail a dissocié la génération de pression de l’injection : une seule pompe haute pression charge une rampe unique, maintenue à pression constante (jusqu’à environ 2 500-2 700 bars sur les systèmes actuels) indépendamment du régime moteur, et chaque injecteur est commandé indépendamment par le calculateur. Cette séparation est ce qui a rendu possible la pré-injection pilote — une petite giclée de carburant juste avant l’injection principale, qui préchauffe la chambre de combustion et adoucit le pic de pression brutal qui fait “cliqueter” un vieux diesel — et c’est la raison numéro un pour laquelle un diesel common rail moderne est nettement plus silencieux et plus souple qu’un modèle des années 1990, tout en consommant sensiblement moins au kilomètre.
Plusieurs injections par cycle, pas une seule giclée
Aucun des deux systèmes ne pulvérise le carburant une seule fois par cycle. Un calculateur moderne peut commander jusqu’à cinq événements d’injection distincts ou plus au sein d’une seule phase de combustion — une petite injection pilote pour préparer la chambre, l’injection principale qui fait l’essentiel du travail, et une ou plusieurs post-injections programmées pour achever de brûler la suie ou aider un catalyseur à atteindre sa température de fonctionnement plus vite au démarrage à froid. Décider comment répartir ce carburant, et exactement quand déclencher chaque impulsion, est l’une des tâches les plus exigeantes en calcul qu’un calculateur moteur effectue en temps réel, ajustée en continu selon la charge, le régime, la température du liquide de refroidissement et le signal du capteur de cliquetis.
Le prix de la pression plus élevée : un problème de nanoparticules que personne n’avait jamais mesuré
Les gains d’efficacité de l’injection directe sont arrivés avec un effet secondaire qui a pris l’industrie de court : parce que le carburant est pulvérisé directement sur la calotte du piston et la paroi du cylindre, relativement froides, plutôt que prémélangé à l’air dans le conduit d’admission, une partie brûle localement en excès de carburant, produisant des particules de suie — un problème que les diesels avaient toujours eu et maîtrisé grâce aux filtres à particules, mais que les moteurs essence à injection directe (GDI) se sont soudainement mis à partager aussi, dans une plage de taille que les régulateurs n’avaient encore jamais eu à mesurer : des particules sous les 23 nanomètres, assez petites pour pénétrer profondément dans le tissu pulmonaire mais, jusqu’à il y a quelques années seulement, trop petites pour que les instruments d’homologation standards puissent les compter de façon fiable.
La réponse de la recherche européenne : des moteurs repensés et de nouvelles règles de mesure
Entre 2016 et 2019, l’UE a financé un groupe de projets Horizon 2020, tous relevant du même appel “Green Vehicles”, pour attaquer exactement ce problème des deux côtés à la fois. Côté moteur, PaREGEn (“Particle Reduced, Efficient Gasoline Engines”, coordonné par Ricardo au Royaume-Uni, 9,95 M€ de contribution CE, 2016-2019) a développé des stratégies de combustion et d’injection pour réduire la formation de particules à la source dans les moteurs essence de gamme moyenne à premium, exactement le segment où les petits moteurs turbo-GDI étaient devenus la norme. Côté diesel, DiePeR (“Diesel efficiency improvement with Particulates and emission Reduction”, coordonné par AVL List en Autriche, 7,21 M€ de contribution CE, 2016-2019) a poussé encore plus loin la pression d’injection et le contrôle de la combustion, pour réduire à la fois le CO2 et les particules plus fines et plus difficiles à filtrer que cette pression d’injection plus élevée contribuait elle-même à créer. Un projet jumeau du même groupe, DownToTen, a passé les mêmes trois années à développer la méthodologie de mesure elle-même — instruments et protocoles d’essai capables de compter de façon fiable les particules jusqu’à 10 nanomètres, sur des moteurs essence comme diesel à injection directe, en conditions de conduite réelle et pas seulement sur cycle de laboratoire. Ensemble, ces trois projets ont donné aux régulateurs européens à la fois la technologie et la “règle graduée” nécessaires pour écrire les limites sur le nombre de particules sous 23 nm aujourd’hui en vigueur pour les nouvelles voitures homologuées.
Vers où cela va, à mesure que l’électrification avance
L’injection directe et le common rail ne disparaîtront pas tant que des moteurs à combustion seront vendus : même une hybride légère ou une hybride rechargeable a toujours besoin que son moteur brûle le carburant aussi proprement et efficacement que possible pendant le temps où il fonctionne réellement, et les pressions d’injection ainsi que le nombre d’événements d’injection sur les systèmes les plus récents continuent d’augmenter, pas de stagner. Ce qui change, c’est le contexte autour : la même pression vers l’efficacité qui a poussé la technologie d’injection aussi loin est aujourd’hui aussi la raison pour laquelle les ingénieurs cherchent à récupérer de l’énergie ailleurs dans la chaîne cinématique, plutôt que d’extraire une fraction de point de pourcentage supplémentaire de la seule combustion.
Photo : © Car-Shooters