Département technique : explication des injecteurs de carburant piézoélectriques

Jun 12, 2023

Si vous avez déjà vu les étincelles créées par quelqu'un mangeant des Wint-O-Green Life Savers dans une pièce sombre, vous aurez été témoin de ce phénomène : certains matériaux cristallins, comme le sucre, produisent d'infimes quantités d'électricité lorsque vous les pressez. Il existe même un mot pour cela : « piézoélectrique », qui décrit l'électricité résultant d'une pression. Mais le processus est également réversible, dans la mesure où ces mêmes matériaux se dilatent légèrement lorsqu’on leur applique de l’électricité. Il existe de nombreux endroits dans une voiture où l’expansion piézoélectrique peut s’avérer utile.

Prenons, par exemple, le dosage précis nécessaire à la livraison de carburant d’aujourd’hui. Bosch, Continental et Delphi, entre autres, ont exploité cette propriété particulière du matériau piézo en expansion (plutôt que l'électro-aimant habituel) pour ouvrir la buse de l'injecteur de carburant et pulvériser avec précision le carburant dans les moteurs à essence et diesel. Faire fonctionner ces appareils n’est cependant pas facile.

L’une des raisons est que l’expansion des cristaux piézoélectriques est minuscule. Une tranche de matériau piézoélectrique de deux centièmes de pouce d'épaisseur ne se dilate que d'environ 0,00002 pouce lorsqu'elle est frappée par environ 140 volts d'électricité. Ces deux cent millièmes de pouce ne suffisent pas pour déplacer le pivot d'un injecteur, qui est la partie qui ferme la buse et doit s'ouvrir pour injecter du carburant.

L'injecteur Continental comporte des centaines de petites tranches piézo empilées les unes sur les autres afin que l'expansion combinée augmente le mouvement total. La pile produit un mouvement de 0,004 pouce, suffisant pour déplacer le pivot suffisamment loin pour injecter du carburant. Mais comme ce mouvement est dans la mauvaise direction – vers le bas et non vers le haut – l’ajout de deux minuscules leviers permet à l’expansion de la pile piézo-électrique de soulever le pivot et de commencer la pulvérisation de carburant. Une fois l'injection terminée, la tension est coupée, l'empilement piézo-électrique se rétrécit et un ressort ferme le pivot.

Les injecteurs piézo-électriques présentent quelques avantages clés qui justifient tous ces problèmes. D’une part, ils s’ouvrent et se ferment beaucoup plus rapidement que les injecteurs conventionnels. Cela permet un contrôle plus précis de l’intervalle d’injection, qui détermine la quantité de carburant pulvérisée dans le moteur. Les unités piézoélectriques fournissent également un retour d'information en produisant d'infimes fluctuations de l'électricité utilisée pour les activer. Par exemple, si l'ordinateur de contrôle du moteur demande un temps d'ouverture de l'injecteur de 0,5 seconde et que la réponse de l'injecteur indique qu'il s'est ouvert pendant seulement 0,496 seconde, l'ordinateur peut ajouter un tout petit peu de temps au cycle d'injection suivant pour compenser. Un dosage de carburant aussi précis permet d'améliorer la combustion, ce qui entraîne une meilleure économie de carburant et une réduction des émissions.

Non seulement les injecteurs piézoélectriques sont plus précis que les injecteurs solides conventionnels, mais ils peuvent également réaliser des tours qui dépassent complètement les capacités de leurs prédécesseurs. D'une part, en appliquant un peu moins d'électricité, les cristaux piézoélectriques se dilatent moins, ce qui permet aux injecteurs de s'ouvrir partiellement. Une ouverture plus petite signifie un temps d'injection plus long, ce qui est bénéfique lorsque l'on essaie d'injecter avec précision une infime quantité de carburant, par exemple lorsqu'une voiture est presque en roue libre. Parce qu'ils agissent si rapidement, les piézo-injecteurs peuvent également injecter plusieurs fois (jusqu'à sept sur certains moteurs diesel) au cours d'un seul cycle de combustion. Cette flexibilité peut réduire les émissions de tous les moteurs ainsi que limiter les suies dans les moteurs diesel.

Ces avantages ont permis aux injecteurs piézoélectriques de trouver leur place dans la plupart des derniers moteurs diesel et essence à injection directe. Et Continental, pour sa part, affirme que ses unités piézoélectriques ne coûtent pas plus cher que leurs équivalents conventionnels moins performants. Les injecteurs piézoélectriques sont l’un des dispositifs clés qui permettront aux combustions internes de rester compétitives face à ces satanés nouveaux arrivants électriques pour les années à venir.

Csaba Csere a rejoint Car and Driver en 1980 et ne l'a jamais vraiment quitté. Après avoir été rédacteur technique et directeur, il a été rédacteur en chef de 1993 jusqu'à sa retraite du service actif en 2008. Il continue de se lancer dans le journalisme automobile et les courses de Citrons, tout en s'occupant de sa Jaguar E-type 1965, 2017. Porsche 911 et trio de motos, lorsqu'il ne skie pas ou ne fait pas de randonnée près de chez lui dans le Colorado.