Moteur Diesel - Définition

Maquette scolaire d'un moteur Diesel

Fruit des travaux menés par l'ingénieur allemand Rudolf Diesel entre 1893 et 1897, le moteur Diesel est un moteur à combustion interne dont l'allumage n'est pas commandé mais spontané, par phénomène d'autoallumage. Il n'a donc pas besoin de bougies d'allumage. Cela est possible grâce à un très fort taux de compression (rapport volumétrique) d'environ 18 à 22:1, permettant d'obtenir une température de 600 °C. Des bougies de préchauffage sont souvent utilisées pour permettre le démarrage du moteur à froid en augmentant la température de la chambre de combustion, mais leur présence n'est pas systématique.

Les moteurs Diesel fonctionnent habituellement au gazole, au fuel lourd ou aux huiles végétales. Ils peuvent aussi bien être à deux temps qu'à quatre temps. Ce type de moteur à taux de compression élevé a connu une expansion rapide en automobile à partir de la fin des années 1980.

Principe

Maquette scolaire d'un moteur d'automobile avec sa boite de vitesse

Comme le moteur thermique à essence, le moteur Diesel est constitué de pistons coulissants dans des cylindres, fermés par une culasse reliant les cylindres aux collecteurs d'admission et d'échappement et munie de soupapes commandées par un arbre à cames.

Son fonctionnement repose sur l'autocombustion du gazole, fioul lourd ou encore huile végétale brute dans de l'air comprimé à 1:20 du volume du cylindre (environ 35 bar), et dont la température est portée de 600 °C à 1500 °C environ. Sitôt le carburant injecté (pulvérisé), celui-ci s'enflamme presque instantanément, sans qu'il ne soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie. En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression dans le cylindre (60 à 100 bars), repoussant le piston qui fournit une force de travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin (ou arbre manivelle faisant office d'axe moteur).

Le cycle Diesel à quatre temps comporte :

1. admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la descente du piston ;
2. compression de l'air par remontée du piston, la soupape d'admission étant fermée ;
3. injection - combustion - détente : peu avant le point mort haut on introduit, par un injecteur, le carburant qui se mêle à l'air comprimé. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur, les gaz chauds repoussent le piston, libérant une partie de leur énergie. Celle-ci peut être mesurée par la courbe de puissance moteur ;
4. échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement, poussés par la remontée du piston.

Vitesse et puissance

Les vitesses de rotation des moteurs diesels sont très différentes d'un moteur à un autre. En effet plus le moteur est gros, plus le diamètre du piston est grand, et plus le moteur est lent. Trois classes de moteurs sont ainsi définies :

• moteur lent : moins de 200 tr/min
• moteur semi-rapide : entre 400 et 1000 tr/min
• moteur rapide : 1000 tr/min et plus

La société SEMT Pielstick fabrique à Saint Nazaire des moteurs Diesel 4 temps destinés aux applications marines, ferroviaires et de production d'électricité dont la puissance s'étend de 1500 à 24 000 ch. Certains moteurs Diesel lent, moteurs de type à 2 temps, atteignent 100 000 ch.(voir le porte-conteneurs Emma Mærsk équipé d'un moteur Wärtsilä-Sulzer de 108 920 ch.).

Usage

On utilise le moteur Diesel lorsque l'on a un besoin d'un couple important ou d'un bon rendement (locomotives, bateaux, camions), tracteurs agricoles, les groupes électrogènes, engins de travaux publics ou sur les automobiles.

C'est la marine de guerre qui s'intéressa en premier aux moteurs diesel, et avant tout pour les sous-marins. L'ingénieur français Maxime Laubeuf en équipa son sous-marin l'Aigrette (1901) car les moteurs à explosion ne développaient alors pas assez de puissance et les moteurs à vapeur dégageaient trop de fumée. Durant l'entre deux guerres, le diesel connaît une importante progression dans la marine marchande, mais la chauffe (charbon et mazout) reste encore prépondérante. Quant aux premiers véhicules terrestres équipés de moteurs diesel, il faut attendre le début des années 1920.

En revanche, il est rarement utilisé sur les motos et les avions, notamment pour une question de masse embarquée. Toutefois, l'utilisation aéronautique de moteurs Diesel commence à se développer : moteurs spécifiques (SMA) ou dérivés de l'automobile (Centurion sur base Mercedes du motoriste allemand Thielert) ; avions de tourisme DA-40 et DA-42 de l'autrichien Diamond, Ecoflyer du français APEX aircraft (ex-DR 400 de Robin) équipés du Thielert Centurion 1.7, avions de construction amateur Dieselis et Gaz'aile 2.

Le gazole ayant un pouvoir calorifique volumique plus important que l'essence et bénéficiant d'une taxation légèrement plus favorable en France, les moteurs Diesel semblent plus économiques à l'usage bien que plus chers à l'achat.

Avantages

Les raisons du succès du moteur Diesel dans l'automobile, au-delà d'avantages fiscaux qui relèvent de choix politiques et non techniques, tiennent essentiellement à son rendement, supérieur à celui du moteur à essence. Ce rendement peut être encore amélioré par l'utilisation d'un turbocompresseur (les plus récents modèles sont " à géométrie variable " (TGV), technologie qui leur permet d'être plus performants à bas régime) et l'injection directe à haute pression. NB: Il existe deux sorte de compresseur: le compresseur mecanique ( entrainé par une couroie) et le turbocompresseur entrainé par une autre turbine qui tourne grâce a la force des gaz déchapement rejeté.

• Il faut noter que si l'injection directe existe depuis les débuts du moteur Diesel, elle n'était pas utilisée en automobile pour des raisons techniques (fumées et bruit supérieurs), mais seulement sur les moteurs lents (industriels, poids-lourds et marins).
• Avec les nouveaux injecteurs-pompe, rampe commune et piézo-électrique, la pression atteint jusqu'à 2 500 bars (contre 900) ce qui assure une pulvérisation du gazole turbulente, continue, constante et bien répartie, essentielle pour une bonne combustion ; cette technologie porte le nom de HDi (chez le constructeur automobile PSA) pour High-pressure Direct Injection, ou encore DCI (Direct Common rail Injection) chez d'autres constructeurs. Cette injection haute pression a été inventée par la société Elasis, filiale de Fiat, et a été utilisée pour la première fois sur l' Alfa-Roméo 156. Ce moteur prit le nom de 1.9 JTD (1910 cm3) et développait 105 chevaux pour 26 mkg de couple.
• La suralimentation fait appel à un compresseur pour augmenter la quantité d'air (donc d'oxygène) introduite dans le moteur, ce qui est particulièrement appréciable en altitude (et donc en aviation). Ce principe permet d'augmenter la puissance sans augmenter le régime et la cylindrée du moteur. Le compresseur chargé de comprimer l'air admission est entraîné par une turbine (ou turbo) qui récupère une partie de l'énergie des gaz d'échappement, environ 25 % de l'énergie fournie par le carburant. La suralimentation permet d'accroître le rendement du moteur : la puissance et le couple augmentent sans effet substantiel sur la consommation de carburant, ce qui n'est pas le cas sur un moteur à essence.
• Pour faciliter le départ à froid en élevant la température des parois de la chambre de combustion et de l'air admis, les moteurs diesel (notamment les moteurs de poids-lourds) sont équipés de systèmes de préchauffage (parfois appelés bougies), de réchauffage d'air, ou encore d'un système de surcharge à la pompe d'injection.
• À l'origine considéré comme un moteur " sale " du fait de son carburant moins raffiné et du bruit important de fonctionnement (claquements), le Diesel est aujourd'hui plus performant en termes de pollution aussi bien atmosphérique que sonore. À puissance égale, les moteurs Diesel produisent, du fait de leur rendement supérieur, moins de CO₂ que leurs équivalents à essence. Les problèmes dûs à l'émission de fines particules imbrûlées sont en passe d'être résolus, grâce à la mise au point par les constructeurs de filtres à particules.
• La teneur en soufre des carburants (gazole, fioul) est progressivement diminuée dans l'ensemble des pays, afin de réduire la quantité de dérivés soufrés émis à l'échappement.
• Ce moteur peut, dans certaines conditions, brûler de l'huile végétale à la place du gazole issu du pétrole. Il est toutefois préférable d'utiliser un carburant transformé et raffiné (Diester), afin d'en améliorer les caractéristiques et notamment la fluidité (incompatibilité des carburants trop denses avec les rampes haute pression).

Inconvénients

Les inconvénients des premiers moteurs Diesel qui avaient tendance à être plus lourds, plus bruyants et moins puissants que leurs homologues à essence n'existent plus sur les véhicules modernes grâce, en particulier, au turbocompresseur à géométrie variable et aux rampes d'admission communes ou injecteur-pompe. Néanmoins, certains problèmes subsistent. En particulier, ils émettent des particules polluantes, même si ces dernières sont mieux gérées et mieux contenues grâce à une gestion plus efficace du moteur et aux filtres à particules.

Des solutions pour l'amélioration de ce moteur au niveau du bruit (claquements notamment à froid), de l'émission de particules et d'oxydes d'azote sont aujourd'hui proposées.

• La réduction du niveau sonore dépend beaucoup de la gestion de l'injection et bien entendu des dispositions d'insonorisation ;
• La réduction de la quantité de particules émises dépend de la qualité du carburant et de la conception du moteur (amélioration de l'injection, dispositifs à injections multiples...). Pour certaines particules difficilement combustibles un filtre à particules (FAP) assez coûteux est nécessaire. Cette technologie se généralise toutefois depuis l'adoption des normes antipollution européennes EURO IV. Cependant certains FAP laissent encore passer les particules les plus fines et les plus cancérigènes ;
• Le problème des oxydes d'azote (NOx) sera sans doute plus difficile à résoudre car ils sont générés en présence d'oxygène aux températures élevées, par ailleurs nécessaires à un bon rendement. Les émissions de particules et de NOx sont un équilibre entre une combustion efficace, une émission de NOx faible et un niveau de particules émises faible. Le dispositif le plus courant est l'utilisation de la recirculation des gaz d'échappement (EGR : Exhaust Gas Recirculation).
  Il semble par conséquent difficile de diminuer les NOx sans diminuer le rendement des moteurs ; or ce dernier détermine directement l'émission de dioxyde de carbone (CO₂), un des gaz responsable de l'effet de serre.
• La voie de la catalyse des NOx semble assez délicate car ils sont relativement stables et ne se dégradent qu'en quatre heures sous l'effet des ultraviolets, pour se transformer en ozone (O₃), gaz très irritant, toxique donc nuisible en basse atmosphère bien qu'indispensable en haute altitude. Toutefois, Toyota s'y est essayé avec un système de catalyse des NOx sur son dernier moteur 2.2 D-4D dans sa version développant 177 ch.
• les moteurs Diesel produisent en moyenne une tonne de CO₂ pour 250 litres de gazole.

L'utilisation des moteurs Diesel permet de réduire les émissions de CO₂, au détriment des émissions de particules. Il existe des carburants de synthèse (Fischer-Tropsch) dénués de soufre, qui permettent de réduire les émissions de particules à des niveaux très faibles. Ces carburants, le di-méthyl éther notamment, peuvent être synthétisés à partir d'hydrocarbures. Cependant, toute synthèse (ou transformation chimique) induit elle-même une consommation et une émission de CO₂ : il est donc nécessaire de comptabiliser l'ensemble de la dépense énergétique, et pas uniquement ce que le consommateur final est à même de percevoir et de concevoir.

Dénominations commerciales

Voici la liste des différents noms donnés aux moteurs diesels modernes (injecteurs pompes ou rampe commune) selon les marques qui les commercialisent:

• HDi : Peugeot, Citroën
• dCi : Renault, Nissan, Dacia
• CDI : Mercedes, Smart
• CRD : Jeep
• Td(x), TDV(x) : Land rover (ex:Td4 ou TDV8)
• d : BMW (ex:530d)
• TDI : Audi, Seat, Skoda, Volkswagen
• D-4D : Toyota
• d : Lexus (ex:IS 220 d)
• JTD : Fiat, Alfa roméo, Lancia
• CDTI : Opel (les DTI sont des moteurs à injection directe sans rampe commune)
• VDi : ancienne dénomination de Nissan, aujourd'hui remplacée par dCi
• DI-D : mitsubitschi
• D : Volvo (ex:2.4D ou D5), Jaguar (ex:2.7D)
• TDCi : Ford
• MZR-CD : Mazda
• i-CTDi : Honda
• CRDi : Hyundai
• CRDI : Kia
• TCDi, VCDi : Chevrolet

Compétition

PSA va engager une Peugeot, dénommée 908, équipée d'un moteur Diesel V12 de 5.5L aux 24 heures du Mans 2007. Ce moteur sera équipé de deux filtres à particules pour une puissance annoncée de 700 ch.

En 2006, le groupe Volkswagen a conçu l'Audi R10 avec un moteur V12 TDI (Turbo Diesel à Injection directe). Elle a gagné les 12 heures de Sebring, puis les 24 heures du Mans en juin 2006 et sera confrontée à la Peugeot 908 pour les 24 heures du Mans 2007.

Combustion

Réaction chimique dans laquelle l'oxydation vive du carburant par l'oxygène de l'air dégage de la chaleur plus des résidus de combustion (dioxyde de carbone, eau et autres non désirés). Équation parfaite de la combustion diesel : gazole + air (oxygène + azote) = dioxyde de carbone + eau + azote

C16 H34  +  49/2 ( O2 + 4 N2 )   =    16 CO2   +  17 H2O  +  98 N2

En pratique on considère qu'il faut prévoir 30 g d'air pour brûler 1 g de combustible.