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L'injection d'eau dans les moteurs suralimentés

Comme nous avons le vent en poupe ces derniers temps avec le volume de posts techniques, nous n'allons pas abandonner cette bonne habitude et nous allons expliquer aujourd'hui comment ces systèmes fonctionnent, et quels secrets se cachent derrière cette possible amélioration des performances.

Ford, par le biais de M-Sport et de Cosworth, a été le pionnier de cette technologie dans la Focus WRC.

Comme nous vous l'avons dit l'autre jour, la clé de tout moteur à combustion interne est de travailler avec le taux de compression le plus élevé possible. La compression effective dans un moteur suralimenté est la combinaison de la compression obtenue par le turbo et de la compression délivrée par le piston lors de la course de compression... course de compression, redondance oblige.


Augmenter la compression permet d'obtenir plus de puissance, plus de couple et une meilleure économie de carburant. Mais augmenter la compression a aussi ses risques. Comme nous l'avons expliqué l'autre jour, lorsque vous atteignez des chiffres très élevés, le mélange air-carburant devient si chaud qu'il peut s'enflammer de lui-même avant que le point d'allumage idéal de l'étincelle de la bougie ne soit atteint, ce qui est fatal pour le moteur. S'agissant d'une combustion non contrôlée, celle-ci n'est pas gérée de manière homogène, peut provoquer des trous dans le piston, des bielles cassées, ne tire pas parti de toute l'énergie du carburant et produit un fonctionnement erratique du propulseur.

Pour ces raisons, lorsque l'on travaille avec certains degrés de compression, le point d'allumage de la bougie doit être avancé. En d'autres termes, le mélange doit être allumé volontairement avant le point "idéal", pour éviter la détonation.

Dans ce processus d'avancement de l'allumage, il y a perte de puissance et d'efficacité.


Mais les gars de M-Sport, alliés à Cosworth pour le développement des moteurs de la Focus WRC, ont eu une idée : injecter de l'eau dans le collecteur d'admission.

Schéma du système d'injection d'eau utilisé par Cosworth

Qu'obtient-on en pulvérisant de l'eau dans le collecteur d'admission ? Il abaisse la température de travail effective à l'intérieur du cylindre. Ainsi, lors de la phase de compression, une partie de l'énergie accumulée est dispersée dans la vaporisation de l'eau, ce qui réduit l'énergie disponible pour chauffer le mélange total à l'intérieur du cylindre. Cela rend la détonation incontrôlée beaucoup moins probable.

Sans risque de détonation incontrôlée, le point d'allumage de l'étincelle peut être retardé jusqu'à six degrés du vilebrequin. Résultat direct ? Un gain allant jusqu'à 10 chevaux, soit environ 3 % de la puissance totale d'un moteur WRC de deux litres de l'ère Focus (nous vous parlerons un autre jour de la puissance réelle des voitures WRC de ces années-là, qui dépassait largement les 300 ch réglementaires...). Et ce n'est pas tout, vous pouvez également travailler avec une pression effective plus élevée dans le turbocompresseur sur toute la plage de régime sans craindre le hachage "imminent", ce qui permet de "mieux remplir" la courbe de couple.

Le rapport entre l'injection d'eau et l'injection d'essence atteignait 0,2 litre d'eau pour 0,7 litre de carburant consommé. Les réservoirs d'eau devaient donc être pris en compte dans la conception de la voiture, car elle ne gaspillait pas grand-chose.

Mais qu'en est-il du problème du système ?

Dans le championnat du monde des rallyes, le système d'injection d'eau n'est plus utilisé pour la simple raison que la FIA l'a interdit pour éviter de rendre les moteurs plus chers.


Mais l'appliquer aux voitures de route en tant qu'option de rechange ? Eh bien, ici, nous pouvons parler de deux problèmes fondamentaux.

Comme nous vous l'avons dit, l'injection d'eau est "bonne" pour le moteur, à condition qu'elle soit en quantité adéquate et avec un injecteur approprié, qui la pulvérise parfaitement, créant des gouttes presque microscopiques. Mais profiter des avantages de l'injection d'eau n'est pas si simple.

L'ECU, le cerveau électronique de votre moteur, n'est pas conçu pour fonctionner avec l'injection d'eau. Il faut donc créer un "cerveau externe et auxiliaire" pour faire fonctionner l'injecteur d'eau de manière synchronisée avec l'injection d'essence. De plus, comme votre unité de commande ignore totalement que de l'eau est injectée, elle ne peut pas "comprendre" qu'elle peut retarder le point d'allumage, et vous ne bénéficierez donc pas immédiatement des avantages de l'injection d'eau.

Vous n'aurez donc pas d'autre choix que de procéder à une reprogrammation complète de l'ECU, destinée à fonctionner avec l'injection d'eau. Le problème est que cela ajoute "une quatrième dimension" à la cartographie du moteur, car il faut jouer avec un paramètre de plus pour décider du point d'allumage et de la quantité de carburant à injecter pour le calculateur. Cette quatrième dimension est le fonctionnement de l'injection d'eau. Très probablement, à cause de cela, vous devrez vous passer de l'ECU conventionnel de votre moteur, et ajouter un Motec ou un autre programmable similaire, qui à son tour, en plus d'être stratosphériquement cher, supprimera les fonctions de sécurité de votre voiture (ESP, ABS, système de catalyseur contrôlé, et un millier d'autres choses), et deviendra illégal et inapplicable pour une voiture de rue "conventionnelle".


Et puis il y a l'autre facteur problématique. Même si vous êtes en mesure d'installer et de programmer un système complet, l'un des moments les plus critiques est celui où ces injecteurs d'eau tombent en panne. Et c'est souvent le cas dans le monde de la course, où ils sont testés à nouveau. La principale défaillance survient lorsqu'il n'y a plus d'eau dans le réservoir, ou lorsque l'alimentation est accidentellement coupée. Cela fait presque immédiatement plonger le moteur qui, travaillant à des taux de compression très élevés, détruit les pistons et les bielles en quelques tours.

Pour s'en prémunir, il faut disposer d'un système d'injection d'eau "sans faille", avec un capteur de niveau qui modifie la programmation du calculateur en termes d'allumage et de pression du turbocompresseur dès que l'on s'aperçoit que l'on va manquer d'eau ou que le système a eu une panne d'injection.

Idéalement, le constructeur travaillerait sur un système standard, avec un ECU paramétré à cet effet, et avec un capteur de niveau d'eau dans le réservoir du système pour, en cas de défaillance dans l'injection de celui-ci, soit par défaillance de l'injecteur, soit par manque de fluide dans le réservoir, réduire instantanément la pression de suralimentation pour éviter le phénomène de hachage.

La morale de l'histoire ?

Bien que pour la course et la compétition le système d'injection d'eau soit une grande invention qui permet de travailler avec des points d'allumage optimaux malgré les énormes pressions dans la chambre de combustion, ce n'est pas, à ce jour, un système recommandé pour les voitures à "usage civil".

Curieusement, dans les années soixante, et encore aujourd'hui, dans certains moteurs de grosse cylindrée à usage industriel, le système d'injection d'eau atomisée a été introduit "de série". De même, de l'autre côté de l'Atlantique, les préparations ont tendance à s'équiper de systèmes qui injectent un mélange de méthanol et d'eau avec le même objectif que l'injection d'eau "pure", en incorporant un système "fail-safe" pour protéger le moteur d'éventuelles catastrophes. Mais introduire le méthanol dans l'équation, c'est compliquer à l'excès le système pour une voiture de route, surtout si l'on sait que dans la vieille Europe, ces systèmes ne peuvent pas être homologués pour un usage civil, ni être utilisés dans des compétitions réglementées.

Et avec la FIA qui a interdit l'idée, ce n'est pas comme si nous allions le voir dans les moteurs de course de sitôt...

Article initialement publié en 2013, récupéré pour Pistonudos.
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