Le Dernier Souffle du Carburateur : La Naissance de l'Injection de Carburant

Le passage du carburateur à l'injection électronique de carburant est la révolution technique la plus discrète mais la plus déterminante du siècle d'histoire du moteur à combustion interne : l'injection de carburant est apparue sur les voitures de tourisme au début des années 1950, la famille Jetronic de Bosch a renversé le carburateur entre 1960 et 1980, et au début des années 2000 il avait complètement disparu des voitures neuves. Cette page raconte comment cette transition s'est déroulée, avec quels chiffres elle a été gagnée et ce qu'elle a changé dans l'ingénierie.

Depuis environ 125 ans, le principe de fonctionnement du moteur à essence quatre temps n'a pas changé : air, carburant, compression, allumage. Ce qui a changé, c'est la précision du dosage avec lequel ce couple est fourni au moteur. Le carburateur a accompli cette tâche pendant un siècle avec une intelligence mécanique, en s'appuyant sur la force d'aspiration du flux d'admission. L'injection électronique de carburant (EFI), elle, a appris à faire le même travail en mesurant, en calculant et séparément pour chaque cylindre. La différence s'est avérée déterminante non seulement dans les tableaux d'efficacité, mais aussi dans la direction de l'histoire du moteur.

Pourquoi le carburateur a-t-il tenu un siècle ?

La force du carburateur résidait dans sa simplicité. Pour mélanger le carburant au flux d'air du collecteur d'admission, une membrane mobile, quelques gicleurs et une cuve à flotteur suffisaient ; l'installation était facile, l'entretien se faisait avec des outils à main et le coût était faible. Pendant un siècle, cette simplicité a fait du carburateur la solution d'alimentation de facto du moteur à essence quatre temps.

Mais la limite structurelle du carburateur était également là : il n'était pas précis dans la distribution du carburant. Le rapport air/carburant est mesuré en poids ; 15:1 signifie 15 livres d'air pour 1 livre d'essence. En volume, ce ratio correspond approximativement à 9.000 gallons d'air pour 1 gallon d'essence - il s'attend à ce que le carburateur maintienne cet équilibre à chaque régime, à chaque charge et à chaque température ; c'est un tour d'ingénierie, pas une mesure garantie. Les moteurs à essence quatre temps peuvent fonctionner avec des rapports allant du plus riche 8:1 au plus pauvre 18,5:1-19:1 ; la bande idéale pour la puissance maximale est de 12:1-13,5:1, et pour la meilleure économie de carburant de 15:1-16:1. Le carburateur devait naviguer entre ces bandes et, à l'ère des émissions, il n'a pas pu le faire avec une précision suffisante.

Comment l'injection de carburant est-elle née ? Du sport automobile à la production de série

Les racines de l'idée de l'injection remontent à 1925, avec l'ingénieur suédois Jonas Hesselman ; mais il a fallu attendre plus de quarante ans pour que la technologie se généralise. Quant à la première injection de carburant sur un moteur à essence, elle est arrivée de manière inattendue : la Goliath GP700 - 1952, alors presque inconnue, qui embarquait un système diesel réaménagé. Ensuite, Mercedes-Benz a présenté le premier moteur à essence à injection directe dans la légendaire voiture de sport 300SL Gullwing.

Le véritable laboratoire, c'était la piste. Le système d'injection mécanique développé par Stu Hilborn sur les lacs de sel de Bonneville est apparu sur les moteurs Meyer-Drake Offy aux 500 miles d'Indianapolis 1949 ; les injecteurs Hilborn ont remporté plus de 34 victoires à l'Indy 500 entre les années 1950 et 1970. Sur terre, dans les rues aussi, il y a eu des exemples précoces : la Chevrolet Corvette de 1957 utilisait le système Rochester Ramjet Fuel Injection et est devenue l'un des rares exemples injectés de l'ère des véhicules classiques.

Bendix Electrojector : La première tentative électronique

Le premier système d'injection de carburant électronique produit en série fut le Bendix Electrojector. Chrysler a proposé ce système brièvement pour l' année modèle 1958 ; la même année, l'Electrojector équipait les modèles Chrysler 300D, DeSoto Adventurer, Dodge D-500 et Plymouth Fury. Ce sont les premières automobiles connues à utiliser l'injection électronique de carburant. Une grande partie du travail d'ingénierie original du système avait été réalisée aux États-Unis chez Bendix Corp. dans les années 1950 - la famille Jetronic de Bosch est en réalité l'héritière de ce précurseur américain.

La famille Bosch Jetronic : Les systèmes qui ont renversé le carburateur

Bosch a posé le point de départ de la famille Jetronic avec un schéma de système d'injection d'essence électronique daté de 1959. Développé au début des années 1960, le D-Jetronic fut le premier système d'injection électronique de carburant produit en série par l'entreprise, présenté comme le premier système d'injection électronique à succès remplaçant le carburateur au milieu des années 1960. Le D-Jetronic est apparu pour la première fois en 1967 sur la VW 1600 TL ; sur certains marchés, le premier utilisateur est enregistré comme la VW Type 3 de l'année modèle 1968. Mercedes-Benz, quant à elle, a utilisé le D-Jetronic à partir de 1967 sur ses moteurs six cylindres en ligne et V8, jusqu'en 1976. La plage de production donnée par Wikipédia est claire : 1967-1979.

La logique de fonctionnement du D-Jetronic correspond, dans la terminologie actuelle, à l'approche "speed-density" (vitesse-densité) : la pression de l'air dans le collecteur d'admission (capteur MAP) et le régime moteur sont mesurés, et le carburant est calculé à partir de ces deux données. Plutôt que de peser directement l'air entrant réellement dans le moteur, on l'estimait à partir de deux variables mesurables - telle était précisément la logique du premier pas de l'injection électronique.

La voie mécanique : Le K-Jetronic

Bosch a développé le K-Jetronic comme équivalent mécanique du D-Jetronic électronique. Le membre suivant de la même famille, L-Jetronic (L pour « Luft », c'est-à-dire air en allemand), a été introduit au milieu des années 1970 : il mesurait le volume d'air au moyen d'un volet mobile situé au-dessus du papillon des gaz et a été adopté par Ford ainsi que par de nombreux constructeurs asiatiques et européens. En 1974, le D-Jetronic a cédé sa place au K-Jetronic et au L-Jetronic ; bien que certains véhicules - par exemple la Volvo 164 - aient continué d'utiliser le D-Jetronic. Dans les années 1970, Bosch et BMW ont été les pionniers de ces premiers systèmes ; tandis que Ford a introduit son premier système numérique en 1980.

Pourquoi le passage aux normes d'émission s'est-il accéléré ?

Ce n'étaient pas seulement la performance ou la consommation qui ont condamné le carburateur ; le véritable moteur du changement, ce furent les normes d'émission de plus en plus strictes aux États-Unis et dans le monde. Le carburateur ne parvenait pas à maintenir le mélange air-carburant dans l'étroite fenêtre exigée par le convertisseur catalytique et la législation durcie. L'injection offrait un contrôle plus fin du mélange, permettant une combustion plus propre et des émissions plus faibles - dans les moteurs modernes, l'objectif est le rapport stœchiométrique de 14,7:1 qui établit l'équilibre entre émissions et puissance/économie, et ce rapport ne pouvait être atteint qu'avec la précision qu'une injection à commande informatisée seule pouvait garantir.

Le vecteur de la transition était lui aussi intéressant : les systèmes TBI (injection sur corps de papillon) étaient en fait comme un « carburateur électronique » - on démontait la cuve à niveau et le gicleur pour les remplacer par un ou deux injecteurs à solénoïde. C'était une solution de transition économique et efficace, mais comme elle partageait les faiblesses du carburateur, elle a largement disparu de la production au début des années 1990. Le véritable bond est survenu au milieu et à la fin des années 1980, avec l'augmentation de la vitesse de traitement des calculateurs moteur : l'injection séquentielle, c'est-à-dire l'injection de carburant synchronisée sur le cycle d'admission de chaque cylindre, est devenue possible. Les révisions de la Clean Air Act du début des années 1990 et les exigences OBD-II ont rendu le contrôle du carburant à chaque soupape d'admission pratiquement obligatoire. À partir de ce moment, le débat était clos : le contrôle numérique par ordinateur a rendu standard la précision de dosage du carburant que le carburateur n'aurait jamais pu offrir.

Injection ou carburateur ? Comparaison en chiffres

Résumer les différences entre les deux systèmes en un seul tableau, c'est la manière la plus claire de voir l'équilibre d'ingénierie :

Comme on peut le lire dans le tableau, ce sur quoi le carburateur a perdu face à l'injection, c'est la précision du dosage ; ce sur quoi il a continué de gagner, c'est la simplicité. Il ne faut pas non plus ignorer les faiblesses de l'EFI des débuts : Au milieu des années 1980, les injecteurs de port encrassés par des carburants sans détergents et les dépôts sur les soupapes d'admission étaient des problèmes connus des premiers systèmes à injection de port - surmontés grâce aux additifs de carburant et aux corrections du positionnement des injecteurs. Si les systèmes basés sur le débitmètre d'air (MAF) offraient le contrôle du carburant le plus précis, leur complexité électronique les a longtemps fait figurer parmi les systèmes les plus problématiques. En bref, l'EFI n'a pas été parfait du jour au lendemain ; il a mûri.

Le rythme de la transition : Tout le marché en dix ans

Les constructeurs américains ont généralisé l'EFI sur les voitures de production courante au début des années 1980 : Ford en 1983, GM et Chrysler en 1983-84. Les constructeurs japonais ont également emprunté la même voie à la fin des années 1970 et au début des années 1980. Aujourd'hui, l'EFI est la norme universelle pour presque toutes les voitures et tous les véhicules utilitaires légers dans le monde ; le carburateur, lui, a complètement disparu des voitures de tourisme neuves au début des années 2000.

La même transition s'est produite sur les motos, où le processus a été documenté de manière très visible : Harley-Davidson a expérimenté l'EFI sur ses modèles de police dans les années 1980 ; les modèles de routière FLH de 1995 ont été les premières Harley équipées d'un EFI d'usine ; le système s'est standardisé dans la gamme Touring en 2002 et, en 2007, tous les modèles sont arrivés avec l'EFI - les motos à carburateur ont officiellement disparu de la gamme. Les traditionalistes défendent toujours la simplicité du carburateur et sa flexibilité de réglage mécanique ; mais le fait qu'un moteur à carburateur doive être réglé à chaque changement d'altitude reste un inconvénient pratique face à l'adaptation automatique de l'EFI.

L'héritage d'une révolution silencieuse

Le passage du carburateur à l'injection électronique de carburant n'a pas été la transformation d'une pièce en une autre ; c'était le changement de la conception même de la « gestion » du moteur. Le carburateur faisait confiance au comportement spontané du moteur ; l'EFI a mis en place une architecture informatique qui mesurait ce que faisait le moteur et décidait en conséquence. Cet ordinateur a évolué au fil du temps vers l'unité de contrôle moteur, et toute la technologie moteur actuelle, de la gestion du turbocompresseur aux stratégies de détection du cliquetis, s'est élevée sur cette infrastructure.

Pour résumer en chiffres : L'injection électronique, expérimentée en 1958 sur quelques centaines de modèles Chrysler haut de gamme, est devenue légitime en 1967 sur une banale voiture familiale avec la VW 1600 TL, est devenue en 1983-84 un article standard de transition pour tous les grands constructeurs, et s'est achevée au début des années 2000 en effaçant le carburateur des chaînes de production. Le chemin qui mène de l'idée d'Emil Hesselman en 1925 à l'EFI moderne a duré environ 75 ans ; mais sa dernière décennie - la vraie transformation - n'a même pas pris dix ans. C'est l'un des exemples les plus parlants montrant que ce qui tue réellement une technologie dans l'histoire de l'ingénierie, c'est la maturation d'un meilleur substitut.

Sources

• Mastering the Basics: Electronic Fuel Injection | MOTOR
• A backbone of Automotive Electronics - Bosch Stories
• Fuel injection - Wikipédia
• Electrojector et D-Jetronic : les débuts de l'injection électronique de carburant - Ate Up With Motor
• Systèmes d'injection de carburant Bosch D-Jetronic, K-Jetronic & KE-Jetronic - Hemmings
• Le long et sinueux chemin vers l'injection électronique - Hagerty
• Un chant d'air et de carburant : comment l'injection de carburant est entrée dans les voitures - Škoda Motorsport
• D-Jetronic chapitre 1 : Histoire - jetronic.org
• La transition des carburateurs à l'injection de carburant chez Harley-Davidson - Caliente Harley
• Pourquoi les voitures modernes n'utilisent-elles plus de carburateurs ? - Inmon Auto