subaru brz

Subaru BRZ – Système d’injection directe et indirecte

Bienvenue dans ce nouvel article « Gros plan dans ma sportive » où je détaille en profondeur un système ou une technologie innovante qui améliore la performance d’une auto que tu peux posséder.

Dans cet article nous évoquons une amélioration technologique qui concerne la manière dont est injecté le carburant dans un moteur thermique. Différents modèles de voiture sont déjà équipés de cette technologie, nous regarderons le système de double injection et son application dans la Subaru BRZ.

Ton injection tu la veux directe ou indirecte ?

Tout moteur thermique fonctionne grâce à un mélange combustible d’air et de carburant. Il est injecté dans les cylindres, compressé et explose par l’étincelle de la bougie (pour un moteur essence). Il existe deux types d’injection, l’injection directe et l’injection indirecte.

injection directeinjection indirecte
A gauche, l’injection directe. A droite la version injection indirecte.

Tout d’abord, un système d’injection directe veut dire qu’est injecté le carburant directement dans le cylindre à l’endroit et au moment exact où l’explosion à lieu. Toutefois, on l’oppose au système classique de l‘injection indirecte où le carburant est injecté avant le cylindre. Puis mélangé avec l’air et envoyé dans le cylindre via la soupape d’admission.

La fonction principale de ce système est une amélioration de la puissance moteur et une baisse de consommation de carburant. L’injection directe de carburant dans le cylindre permet d’avoir une température plus faible du mélange air/carburant et une combustion plus optimale. En d’autres termes, le moteur a besoin de moins de carburant pour réaliser la même puissance. Si l’on veut développer un nouveau moteur de même puissance que son aîné, ce dernier pourra alors être plus petit et moins consommer.

S’il n’y avait que des atouts…

L’injection directe engendre toutefois un nouveau problème. Pour être plus précis, l’injection de carburant au niveau de la soupape d’admission permettait de « nettoyer » la surface de la soupape. Au cours du cycle moteur, des dépôts d’huile et de carbone s’accumulent. Avec l’injection directe, un dépôt se crée sur la surface des soupapes d’admission. Résultat : le moteur ne fonctionne plus à son optimum (ratés d’allumage, explosion trop rapide du mélange, perte de volume dans le cylindre).

Un système d’injection 2 en 1

Plusieurs constructeurs ont alors créés un moteur reprenant l’avantage de l’injection directe et de l’injection indirecte. Il combine meilleure puissance et baisse de consommation qu’en injection indirecte seule avec un nettoyage des soupapes d’admission. Pour cela, le moteur comprend deux lieux d’injection par cylindre. L’une en amont de la soupape d’admission et l’autre directement dans la chambre du cylindre.

double injection
En jaune sont représentés les deux injecteurs pour le cylindre.

Ford commercialise en 2017 sa technologie de double injection sur des moteurs 4, 6 et 8 cylindres. Une forte sollicitation moteur déclenche le fonctionnement de l’injection directe. À ce moment, l’injection directe permet d’obtenir une plus grande puissance. Et magie de cette technologie, elle réduit la température du moteur quand celui-ci fonctionne à haut régime.
A l’inverse, en fonctionnement normal, conduite cool à faible régime, l’injection indirecte est utilisée et permet de nettoyer les soupapes d’admission. Il est possible que les deux systèmes d’injection fonctionnent de paire sur les sollicitations faibles et moyennes.

subaru brz transmission
Subaru BRZ avec alignement moteur/transmission

Double injection dans la BRZ donc double coût pour Subaru ?

On constate que la combinaison des deux systèmes d’injection permet de garder les avantages des deux systèmes en diminuant leurs points négatifs. En revanche, cela crée un coût supplémentaire au regard de la complexité du système.

La double injection nécessite d’utiliser deux injecteurs et un système d’approvisionnement de carburant sous pression encore plus perfectionné. Une plus forte pression contraint les injecteurs qui projettent le carburant directement dans le cylindre. Elle peut atteindre 50 fois celle qui règne en amont des soupapes d’admission.
Le carburant doit alors être injecté avec une grande pression quand l’injection directe fonctionne. Bien souvent, les injecteurs de la tubulure d’admission sont alimentés par le débit de retour de la pompe haute pression du circuit d’injection directe.

Subaru (BRZ) et Toyota pour un moteur à double injection

C’est au cours de l’année 2005 que Toyota développe un moteur qui utilise la double injection du nom de D-4S (Direct Injection 4-stroke petrol Superior version). Elle apparaît pour la première fois sur les modèles Lexus GS et IS. Il permet au constructeur de parfaire le réglage de l’injection directe en optimisant le ratio air/carburant (économie de carburant). Et compte sur l’injection indirecte pour obtenir un grand volume d’air/carburant (gain de puissance).

moteur boxer subaru
Moteur BOXER de SUBARU équipé de la technologie D-4S

Toyota a travaillé avec Subaru pour développer un moteur 4 cylindres à plat utilisant la double injection. Ce moteur à double injection équipe la Subaru BRZ ainsi que la Toyota GT86 sa jumelle.

L’usine de Subaru au Japon produit la Subaru BRZ depuis 2012. Cette voiture est une petite propulsion équipée du moteur à plat Boxer de 2.0 l développant 200 ch. Ce petit coupé sportif a pour but de créer du plaisir de conduite une fois à bord grâce à son poids contenu (1239 kg à vide). Ainsi propulsée, cela lui permet de réaliser de belles accélérations et d’être très à l’aise sur les routes sinueuses et dans les virages.

Il faut ajouter que l’intégration de ce moteur permet à la BRZ d’avoir un centre de gravité très bas, placé à seulement 46 cm du sol. De plus, la répartition des masses avantage l’avant avec 53% du poids et 47% à l’arrière.

moteur subaru position
Le moteur est placé au plus bas de la voiture

La double injection fait battre plus fort le cœur de la Subaru BRZ

Le moteur de la BRZ développé par Toyota et Subaru utilise, comme décrit plus haut, la technologie combinée d’injection directe et indirecte. Les lignes qui suivent décrivent avec précision ce qui se passe au cœur de la Subaru BRZ dans les différents usages de conduite.

Lors d’un démarrage à froid, le système D-4S est en mode stratifié. C’est l’injection indirecte qui fonctionne pendant le temps d’admission et l’injection directe pendant la compression. La première injection est un mélange assez pauvre (peu de carburant pour la quantité d’air) mais bien homogène car injectée en amont de la soupape. La seconde correspond au mode stratifié avec un mélange riche uniquement autour de la bougie. Le rapport air/carburant n’est en fait que très légèrement pauvre : de 15 à 15,5:1 (15 fois plus d’air que de carburant).
Le moteur de la Subaru BRZ est en fonctionnement stratifié uniquement lors de la montée en température.

Quel mode de conduite pour quel résultat ?

Lors du ralenti, le moteur tourne uniquement en mode injection directe. Le mélange est ici stœchiométrique et permet un rendement supérieur. Il évite la liquéfaction de l’essence sur les parois de la tubulure.

Quand le moteur tourne à faible ou moyenne charge, les deux systèmes pulvérisent le carburant pendant le temps d’admission. L’utilisation de l’injection indirecte permet un mélange plus homogène qu’avec l’injection directe. Cela permet d’avoir une combustion plus stable et réduit la consommation et les émissions de polluants

injection directe indirect courbe
Les deux injections sont combinées en mode de conduite normal. Lors des grandes sollicitations moteur, seule l’injection directe fonctionne.

Et quand le moteur de la Subaru BRZ tourne sous forte charge, celui-ci utilise le système d’injection directe. Alors, l’injection de carburant directement dans la chambre de combustion permet un refroidissement à l’admission, ce qui réduit la tendance à l’auto-allumage et à la détonation. Le système permet donc un taux de compression élevé (11,8:1) pendant le temps d’admission.

Une injection digne des jets d’eau de Las Vegas

Les injecteurs placés dans la tubulure présentent 12 orifices et sont alimentés à une pression maximale de 4 bars. Ceux du circuit d’injection directe ont une fente rectangulaire double de 0,52 x 0,13 mm. Le carburant est donc injecté en créant une double pulvérisation en éventail sous une pression de 130 bars.

Enfin, le timing de l’injection directe doit par ailleurs avoir une grande précision. Alors, il faut que le mélange riche soit positionné pile poil autour de la bougie avant l’allumage.

Les bénéfices en chiffre pour la Subaru BRZ

Ainsi, la gestion moteur est parfaitement équilibrée et cela garanti une utilisation optimisée du carburant dans toutes les plages de fonctionnement. La Subaru BRZ intègre donc une technologie très intéressante et performante car elle permet de sortir 100 ch par litre de cylindrée. On peut ajouter que la technologie D-4S risque de se faire damer le pion par d’autres technologies innovantes comme celle de modélisation et de commande piézo-électriques.

Selon le constructeur, l’utilisation de la technologie ci-dessus permet :
– Un gain de couple de 7,5% sur toute la plage de régime moteur
– Une consommation de carburant réduite de 7%
– Une réduction d’émission de polluants (oxydes d’azote et hydrocarbures)
– Une réduction des acyclismes moteur (variations de vitesse ou accélération)

subaru brz route
Allez hop, manque plus qu’une virée en BRZ pour tester tout ça !

Pour plus d’articles de ce type, rendez-vous sur la page Gros plan dans ma sportive.

Plus d’infos pour les curieux :

Fiche Wikipédia de la SUBARU BRZ
Fonctionnement de l’injection directe (anglais)
Sujet sur l’accumulation de carbone sur les soupapes (anglais)
Le pourquoi de la création des moteurs à double injection (anglais)
La technologie de double injection (anglais)
Technologie D-4S de Toyota (anglais)
Pourquoi passer à la double injection (anglais)
Système double injection Toyota
Détails sur la Subaru BRZ double injection

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