Moteur GDI : Des performances accrues et une consommation maîtrisée

Sommaire

• Le moteur GDI, une innovation dans l’industrie automobile

• Les composants d’un système GDI

• Le fonctionnement de l’injection directe

• Moteur GDI : avantages et inconvénients

• Conclusion

Le moteur GDI, une innovation dans l’industrie automobile

Encore appelé moteur à injection directe d’essence, le moteur GDI (Gasoline Direct Injection) est un moteur à combustion interne qui injecte le carburant à haute pression dans les cylindres plutôt que dans le collecteur d’admission. Concrètement, la particularité de la technologie GDI est d’injecter le carburant directement dans la chambre de combustion plutôt que dans l’orifice d’admission.

Ce fonctionnement permet un contrôle plus précis du ratio air-carburant, offrant ainsi une meilleure efficacité énergétique, de faibles émissions et de meilleures performances. En fait, les performances élevées du moteur GDI sont liées au fait que l’injection directe favorise l’utilisation de taux de compression plus élevés que la normale, ce qui augmente la puissance du couple moteur.

En pratique, il existe de nombreuses variantes de ce processus d’injection directe, avec des constructeurs automobiles préférant leur propre abréviation du système GDI. Ainsi, le moteur GDI est désignée par l’abréviation :

• FSI (Combustible stratifié injection) chez Audi ;

• IDE (Injection Directe d’Essence) chez Renault ;

• CGI (Injection d’essence mise en accusation) chez Mercedes ;

• IEH (High Precision Injection) chez BMW ;

• SCI chez Ford ;

• Ecotec chez General Motors.

Apparus sur le marché en 2007 et 2008, les moteurs GDI équipaient 2,3% des véhicules légers à l’époque. Dix ans après leur apparition, les systèmes GDI équipaient environ la moitié des véhicules légers produits. En 2020, les installations de moteur GDI ont continué d’augmenter à travers le monde, atteignant le niveau record de 55,3%. D’ici à l’horizon 2025, on estime que le marché compterait environ 40 millions de moteurs à injection directe d’essence.

Les composants d’un système GDI

Un moteur GDI se compose de plusieurs éléments. Si ces composants semblent similaires à ceux utilisés dans les systèmes MPI, ils sont différents dans leur fonctionnement. Quels sont donc ces composants du système GDI et comment fonctionnent-ils ?

Composants du moteur GDI : les pompes à essence

Les moteurs à injection directe d’essence sont dotés de deux pompes à carburant : une pompe basse pression qui alimente une pompe haute pression. Fonctionnant en boucle fermée, cette dernière est entraînée par un lobe dédié situé sur l’arbre à cames du moteur et alimente la rampe d’injection. De là, elle est distribuée à chaque injecteur de carburant du système.

La pompe haute pression d’un moteur GDI est contrôlée par l’ordinateur de bord du véhicule et configurée pour offrir des performances optimales selon les paramètres du moteur. En plus de surveiller la pression du carburant, l’ordinateur de bord contrôle la vanne de régulation de pression du carburant au niveau de la pompe haute pression pour faire fluctuer la pression du carburant.

L’ordinateur de bord

En dehors du contrôle de régulation de pression, l’ordinateur de bord sélectionne le mode de fonctionnement le plus adapté au moteur GDI, en passant d’un mode à un autre pendant que le véhicule est en marche. En effet, le système GDI dispose de plusieurs modes de fonctionnement, lesquels sont fonction des paramètres du moteur et de la demande du conducteur.

Ces modes sont pensés pour augmenter l’économie de carburant, optimiser les performances moteur et maintenir des niveaux d’émissions très bas. Ils se déclinent comme suit :

• Le mode pauvre ou économie : Il est utilisé lorsque le moteur GDI est peu mis à contribution, généralement en absence d’accélération ou en présence d’une faible accélération. En mode pauvre, le carburant est injecté juste avant l’allumage, vers la fin de la course de compression. Ce mode réduit les émissions nocives et la consommation de carburant.

• Le mode stratifié ou Protection contre les cognements : Il est activé lorsque le moteur fonctionne à haute vitesse. Ici, deux injections sont utilisées : une sur la course d’admission et une autre sur la course de compression. En mode stratifié, une partie du carburant n’est délivrée qu’ultérieurement dans le processus de combustion, ce qui réduit le cognement du moteur.

• Le mode chauffage du catalyseur stratifié qui utilise deux injections : l’une pendant la course de compression et l’autre après le point mort élevé de la course de compression. Ce mode augmente la température des gaz d’échappement, ce qui réchauffe le convertisseur et réduit les émissions.

Les injecteurs de carburant, d’autres composants du système GDI

A l’instar des systèmes MPI, le moteur GDI embarque également des injecteurs de carburant. Seulement, les injecteurs GDI fonctionnement à des pressions nettement plus élevées, pouvant atteindre les 2.900 psi. De même, les injecteurs GDI ont la particularité d’être robustes, étant donné que leurs pointes sont exposées à des températures et pressions de combustion très élevées.

Ces injecteurs fonctionnent également à des vitesses très rapides. De fait, avec un moteur GDI, le carburant est injecté directement dans la chambre de combustion. L’injection doit donc être effectuée rapidement, dans le bon timing, pendant la course d’admission ou de compression. Grâce à leur vitesse élevée, les injecteurs GDI favorisent ce processus. Alors que le temps de fonctionnement d’un injecteur classique est de 3 à 20 millisecondes, il faut entre 400 microsecondes et 5 millisecondes à un injecteur GDI pour fonctionner.

La charge air/carburant

Dans les systèmes GDI, la forme et le mélange de la charge air/carburant dans la chambre de combustion sont fondamentales. Il existe trois méthodes pour les développer :

• La méthode de Wall Guided qui se base sur la géométrie du piston et de la paroi du cylindre pour former la charge air/carburant appropriée au fonctionnement du moteur GDI.

• La méthode par jet guidé ou par pulvérisation qui s’appuie exclusivement sur le motif de pulvérisation de l’injecteur pour définir la géométrie du tandem air/carburant.

• La méthode de guidage de l’air de charge qui repose sur la charge d’air entrant pour développer la distribution air/carburant nécessaire.

Le fonctionnement de l’injection directe

Le fonctionnement de la technologie GDI est assez simple. La pompe basse pression du moteur envoie du carburant du réservoir à la pompe haute pression, ceci depuis le filtre à carburant. L’arbre à cames du moteur entraîne la pompe haute pression, créant une pression de carburant très élevée.

Ce carburant circule maintenant à travers les rampes d’injection et directement dans les cylindres via les injecteurs de carburant spécialement conçus à cette fin. Lorsque le moteur fonctionne normalement, la pression au niveau des cylindres est particulièrement élevée. La pompe haute pression surmonte cette pression, favorisant le passage du carburant finement atomisé.

Moteur GDI : avantages et inconvénients

Comme toutes les technologies, le système GDI a des atouts et des limites. Quels sont-ils ?

Les avantages du moteur GDI

L’injection directe du carburant dans la chambre réduit le processus d’alimentation en carburant, ce qui augmente par la même occasion le couple de sortie, et donc la puissance du moteur GDI. Sur les moteurs turbocompressés, l’injection directe réduit le temps de démarrage du turbo. Dans les deux cas, le moteur GDI augmente la puissance du véhicule.

Un autre avantage des moteurs GDI est qu’ils facilitent les démarrages à froid et réduisent les émissions d’hydrocarbures jusqu’à 25% en moins comparé à un système classique. De même, on associe au moteur GDI une baisse de la consommation de carburant de l’ordre de 15%. Conçu avec des matériaux de haute qualité et intégrant des technologies avancées, le moteur GDI se distingue par sa fiabilité et sa longévité, même avec des conditions de conduite exigeantes.

Le système à injection directe d’essence est aussi apprécié pour :

• Sa compatibilité avec le carburant E85 ;

• Un meilleur contrôle du cliquetis ;

• Une grande efficacité énergétique ;

• La limitation des pièces nécessaires au fonctionnement du moteur ;

• La réduction du risque de cognement.

Qu’en est-il des limites des systèmes GDI ?

Malgré ses multiples avantages, le moteur GDI revêt quelques inconvénients. Le premier est sans aucun doute son coût de production élevé. En effet, comparé à un système traditionnel, il faut 10 à 15% plus de ressources financières pour développer un système GDI.

A cause du processus d’injection directe du GDI, le carburant n’atteint et ne nettoie plus les vannes, ce qui favorise l’accumulation de carbone et affecte par conséquent les injecteurs et les soupapes d’admission. Il s’agit là d’une autre limite du moteur GDI. Il est tout de même possible de remédier à cette accumulation de carbone en faisant un entretien professionnel et régulier du véhicule. Le nettoyage par ultrasons est aussi une solution face au problème d’accumulation de carbone du moteur GDI.

Conclusion

Apprécié pour ses performances accrues, son gain de carburant et sa puissance remarquable, le moteur GDI est l’une des meilleures technologies moteurs disponibles sur le marché aujourd’hui. Il équipe plus de la moitié des véhicules à travers le monde et peut prendre des appellations différentes selon les constructeurs. Bien que son coût de développement soit élevé, le moteur GDI devrait voir sa popularité grandir dans les prochaines années.