Comment fonctionne un injecteur piézoélectrique?

Actuellement, les fabricants utilisent beaucoup de moyens pour la mise en oeuvre de nouvelles technologies pour les systèmes d’injection diesel (EDC) permettant d’améliorer la préparation du carburant. Ceci est dû à l’obligation de respecter strictement les valeurs indiquées par les normes Euro afin de rester influent au sein de la concurrence du marché automobile.

Au cours des années, les systèmes d’injection ont évolué de la façon suivante: tout d’abord les pompes en ligne puis les pompes rotatives et enfin le système Common Rail et les injecteurs-pompes. 

De nos jours, le système le plus utilisé est l’injection Common Rail.

On peut trouver des systèmes d’injection Common Rail de différentes marques ou de différents types comme par exemple Bosch EDC 15, EDC 16 et EDC 17, Delphi, Siemens 

Ce post se concentrera sur les injecteurs piézoélectriques utilisés dans le système Common Rail, aussi bien sur le principe de fonctionnement de l’élément piézoélectrique que sur le fonctionnement de l’injecteur.

Injecteur

On peut rencontrer ces injecteurs à partir des motorisations à système Common Rail de 3ème génération produites depuis 05-2003 et respectant la norme Euro 4.

Un des premiers injecteurs piézoélectriques a été conçu par Siemens et installé sur le moteur diesel 1.4 HDI du groupe PSA.

Quel est le principe du fonctionnement piézoélectrique?

Le principe de fonctionnement de l’injecteur est basé sur l’effet piézoélectrique inverse. Celui-ci consiste à appliquer une tension électrique à un ensemble de plaques cristallines (élément piézoélectrique en quartz ou tourmaline) pour provoquer une dilatation de celui-ci. En se dilatant, il provoque le processus hydraulique dans l’injecteur.

On trouve deux types de principe de fonctionnement:

Principe piézoélectrique

Si le cristal (quartz ou tourmaline) est comprimé, on observe ou on génère une tension à ses limites.

Si le matériau s’étire, on aura une tension dans le sens inverse.

On trouve ce principe sur les capteurs de pression par exemple.

Principe piézoélectrique inverse

Si l’on applique une tension polarisée au cristal (quartz ou tourmaline), il se produit un étirement de celui-ci.

Si la tension appliquée sur le matériau est de sens inverse, il se produit une compression du cristal.

À l’application d’une tension, les plaques cristallines réalisent une course de 0,03 mm. 

L’actuateur piézoélectrique est excité par l’unité de commande par une tension continue de 70 à 140 Volts en fonction du système et commence ainsi le processus hydraulique dans l’injecteur.

Comment fonctionne un injecteur piézoélectrique?

Injecteur fermé – Début d’injection

Quand il n’est pas excité, l’actuateur piézoélectrique se trouve en position de repos et l’injecteur est fermé. Pour commencer l’injection, l’unité alimente l’actuateur en positif et négatif. Quand il reçoit la tension et par effet piézoélectrique inverse, l’actuateur se dilate et ouvre l’injecteur. 

Injecteur ouvert - Injection

Une fois ouvert, il n’est plus excité. L’actuateur fonctionne comme un condensateur, retenant la charge électrique et restant dilaté avec l’injecteur ouvert. 

Pour cette raison, il ne faut pas déconnecter un injecteur piézoélectrique moteur en marche. Il pourrait rester ouvert et causer ainsi des dommages importants au moteur.

Injecteur fermé – Fin d’injection

Pour fermer l’injecteur, l’unité agit comme un consommateur en déchargeant la tension accumulée dans l’actuateur. 

*En réalisant la décharge, l’intensité est inversée comme on peut observer sur le graphique. Une fois l’actuateur déchargé, l’élément piézoélectrique retrouve sa position de repos fermant ainsi l’injecteur.

Avec les injecteurs piézoélectriques, il est possible de contrôler de façon plus flexible et plus exacte les phases d’injection et les quantités injectées. De cette manière, le déroulement du cycle d’injection est adapté aux exigences posées par les différentes conditions de fonctionnement du moteur en permettant également de respecter les normes antipollution imposées.

Quels sont les avantages d’un injecteur piézoélectrique?

- Pression d’injection élevée (jusqu’à 2000 bars).

- Temps de commutation très courts (0,2 milliseconde seulement au maximum).

- Plusieurs injections sont possibles pour chaque cycle de travail.

- Dosage exact des quantités injectées.

Quels sont les inconvénients d’un injecteur piézoélectrique?

- En cas de défaut de l’actuateur piézoélectrique, l’injecteur peut rester ouvert pouvant ainsi provoquer des dommages importants au moteur.

- Bruits internes de l’injecteur dus à la forte concentration de chaleur au niveau de l’actuateur piézoélectrique.

- Manipulation impossible lorsqu’il est en fonctionnement.

De nos jours, les fabricants optent pour équiper leurs systèmes d’injection d’injecteurs électromagnétiques (avec bobine) en raison des problèmes rencontrés (fragilité et rendement non effectif à 100%) sur les injecteurs piézoélectriques.