Fruit des travaux menés par l'ingénieur allemand Rudolf Diesel entre 1893 et 1897, le moteur Diesel est un moteur à combustion interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) dont l'allumage (Pour s'enflammer, le mélange air-essence, un gaz contenu dans le cylindre doit subir une...) n'est pas commandé mais spontané, par phénomène d'auto-inflammation. Il n'a donc pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) de bougies d'allumage. Cela est possible grâce à un très fort taux de compression (Le taux de compression est une mesure de la performance d'un algorithme de compression de données...) (rapport volumétrique) d'environ 14:1 à 25:1, permettant d'obtenir une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de 700 à 900 °C. Des bougies de préchauffage sont souvent utilisées pour permettre un meilleur démarrage du moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) à froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.), en augmentant la température de la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et...).
Le moteur Diesel (Fruit des travaux menés par l'ingénieur allemand Rudolf Diesel entre 1893 et 1897, le...) a été conçu au départ pour fonctionner au charbon pulvérisé, cependant, suite aux problèmes d'usure dus aux résidus de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...), Rudolf Diesel (Rudolf Christian Karl Diesel est un ingénieur allemand, né le 18 mars 1858 à Paris...) est passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...) aux carburants liquides, comme le fioul (Le fioul (terme recommandé en France par la DGLFLF) ou mazout (terme recommandé par...) ou les huiles végétales. Finalement, le fioul a été préféré car moins coûteux et se pulvérisant mieux du fait d'une viscosité (La viscosité (du latin viscum, gui) peut être définie comme la résistance...) inférieure.
C'est le Français Lucien-Eugène Inchauspé (1867-1930) qui, en 1924, en inventant la pompe à injection (En automobile, les pompes d'injection sont un élément très important du circuit d'injection....), en fit un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) performant.
Les moteurs Diesel fonctionnent habituellement au gazole (Le gazole (terme recommandé en France par la DGLFLF), ou gas-oil, ou encore gasoil, ou diesel...), au fioul lourd ou aux huiles végétales ou minérales. Ils peuvent aussi bien être à deux temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) (surtout sur les diesel de navire (Un navire est un bateau destiné à la navigation maritime, c'est-à-dire prévu...), avec suralimentation (Le but de la suralimentation est d'augmenter la puissance d'un moteur atmosphérique à essence ou...) par compresseur et injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) pneumatique) qu'à quatre temps. Ce type de moteur à taux de compression élevé a connu une expansion rapide en automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...) à partir de la fin des années 1980 lorsque la suralimentation par turbocompresseur en a notablement amélioré les performances.
Comme le moteur thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) 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 (Un arbre à cames est un dispositif mécanique permettant de transformer un mouvement rotatif en...).
Son fonctionnement repose sur l'auto-inflammation du gazole, fioul lourd ou encore huile végétale brute (L'huile végétale carburant (HVC) est aussi connue sous les noms d'huile végétale pure (HVP) ou...) dans de l'air comprimé (L'air comprimé est de l'air ambiant, mis sous pression avec un compresseur, le plus souvent aux...) à 1:20 du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) du cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...) (environ 35 bar), et dont la température est portée de 600 °C à 1 500 °C environ. Sitôt le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...) injecté (pulvérisé), celui-ci s'enflamme presque instantanément, sans qu'il soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie (La bougie est un objet servant en général à éclairer, composé d'un corps...). En brûlant, le mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) augmente fortement la température et la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) dans le cylindre (60 à 100 bars), repoussant le piston qui fournit une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin (ou arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...) manivelle faisant office d'axe moteur, voir système bielle-manivelle).
Les quatre temps du cycle Diesel sont :
Les vitesses de rotation des moteurs diesel sont très différentes d'un moteur à un autre. En effet, plus le moteur est gros, plus la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) du piston est grande, et plus le moteur est lent. Trois classes de moteurs sont ainsi définies :
La limite maximale du régime de rotation d'un moteur est déterminée par la vitesse de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) du piston dans le cylindre. Elle est exprimée en m/s.
Les constructeurs motoristes, suivant l'utilisation du moteur et la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée...) qui leur est demandée, ont fixé des plages limites (résultat d'essais d'usure) suivantes :
Ces limites déterminent la durée de vie (La vie est le nom donné :) du moteur et sa puissance en chevaux, ou kW, par litre (Le litre (du grec λίτρα lítra, ancienne mesure de capacité...) de cylindrée (La cylindrée est le volume balayé par le déplacement d'une pièce mobile dans une chambre...). La mise en survitesse du moteur risque de conduire à des chocs pistons-soupapes qui se traduisent souvent par le flambage (Le flambage est la tendance qu'a un matériau soumis à une force de compression longitudinale à...) des queues de soupapes ou de leurs tiges de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un...).
Schématiquement, plus le piston est gros, plus sa course est importante. Pour exemple : moteur DW10 ATED de PSA, cylindrée 1 997 cm³, alésage 85 mm, course 88 mm, régime de puissance maximale 4 000 tr/min.
Pour ce moteur, la vitesse linéaire du piston dans le cylindre à 4 000 tr/min est de : 88 x 2 (deux courses par tour moteur) = 176 mm ou, en mètres, 0,176 × 4 000, soit 704 m/min ou 704/60 m/s = 11,7 m/s
La vitesse de rotation d'un moteur est directement liée à la course du piston (donc à la cylindrée) et à son usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.).
Suivant la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) ci-dessus : moteur lent, moteur semi rapide ou rapide, un moteur défini comme semi rapide à 1 000 tr/min peut avoir une course de 450 mm pour une vitesse linéaire de piston supposée de 9 m/s.
Si l'on suppose ce moteur comme carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...) (pour simplifier) soit course 450 mm et alésage 450 mm, la cylindrée unitaire est de 71,6 litres.
Pour le moteur cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la...) ci-dessous (alésage 960 mm et course 2 500 mm), le piston se déplace de 5 mètres par tour. Pour une vitesse de rotation de 102 tr/min, la vitesse linéaire du piston est de 8,5 m/s. Au régime de puissance maximale développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...), à 92 tr/min, celle-ci sera de 7,6 m/s.
Certains moteurs Diesel lents de type à 2 temps, atteignent 100 000 ch (voir le porte-conteneurs () Emma Mærsk), comme le Wärtsilä RT-flex96C 14 cylindres, moteur à 2 temps lent (92/102 tours/min). Les cylindres ont un alésage de 96 cm et le piston une course de 2,5 m. Ce moteur a une hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) d'environ 13 mètres et une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) de 26 mètres pour un poids de 2 300 tonnes.
Réaction chimique (Une réaction chimique est une transformation de la matière au cours de laquelle les...) dans laquelle la combustion du carburant (oxydation vive de l'hexadécane) par le dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...) présent dans l'air dégage de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) plus des résidus de combustion : dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un...) et eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...).
Équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) parfaite de la combustion diesel du gazole : hexadécane + dioxygène = dioxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) + eau :
2 C16H34 + 49 O2 → 32 CO2 + 34 H2O
En pratique on considère qu'il faut prévoir 30 g d'air pour brûler 1 g de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...).
Le moteur Diesel est de préférence utilisé lorsqu'il y a besoin d'un couple important ou d'un bon rendement : locomotives, bateaux, camions (Le camion est un véhicule automobile à roues destiné à transporter des marchandises. Le routier...), tracteurs agricoles, groupes électrogènes, engins de travaux publics ou automobiles.
D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) historique, c'est la marine de guerre qui s'intéresse en premier aux moteurs Diesel. Compte tenu des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) des premiers moteurs Diesel, il semblerait naturel que les ingénieurs et architectes navals se soient, avant tous les autres, intéressés à ce nouveau moteur qu'ils avaient la place d'accueillir. C'est cependant un navire marchand danois, le Selandia, qui en fut équipé le premier en 1912.C'est à modérer par d'autres considérations, puisque ce sont avant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) les sous-marins qui en furent équipés. Ainsi, l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature...) français Maxime Laubeuf équipa d'un Diesel son sous-marin (Un sous-marin est un navire capable de se déplacer dans les trois dimensions, sous la surface de...) l'Aigrette (1901) car les moteurs à explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) ne développaient alors pas assez de puissance et les moteurs à vapeur (), dégageant trop de fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules...), auraient été contreproductifs, le souci étant précisément de mettre au point un bâtiment discret. Par ailleurs, même si le moteur Diesel connaît une importante progression durant l'entre-deux-guerres, la vapeur reste prépondérante (la chauffe au charbon étant progressivement délaissée au profit de la chauffe au mazout). C'est par exemple le cas du paquebot (Un paquebot est un navire spécialisé dans le transport de passagers. Le nom vient de...) Normandie ou des cuirassés géants de la Deuxième Guerre mondiale (Yamato, Bismarck...).
Il faudra attendre la deuxième moitié du XXe siècle pour voir le moteur Diesel se répandre dans les moyens de transport maritime (Le transport maritime est le mode de transport le plus important pour le transport de marchandises...) (armés ou non) au point de devenir au XXie siècle un standard de motorisation que n'a pas réussi à concurrencer la propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant....) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) (plus chère par différents aspects). Les premiers véhicules terrestres équipés de moteurs Diesel sont apparus au début des années 1920 (Benz et Daimler). D'abord destiné aux moyens de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) « lourds » (camions, notamment), le moteur Diesel a fini par se tailler une place dans l'automobile individuelle ou familiale, même si la motorisation « essence » y reste majoritaire.
En effet, le gazole ayant un pouvoir calorifique (Le pouvoir calorifique ou chaleur de combustion (noté ΔcH0, en anglais Heating Value)...) volumique plus important que l'essence et bénéficiant d'une taxation légèrement plus favorable en France, les moteurs Diesel se révèlent plus économiques à la pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) bien que plus chers à l'achat et à l'entretien. Par ailleurs, les progrès accomplis dans ce domaine ont très largement rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie)...) caduque la vieille dichotomie entre le moteur à essence « vroum-vroum » et le « Diesel à papa ». Les performances ayant ainsi tendance à s'équilibrer, le gasoil a su se montrer plus sportif et nerveux, séduisant ces dernières années une clientèle jadis acquise à l'essence. Cela étant, l'équilibrage en termes de performances se traduit aussi par un équilibrage en termes de coût. Les nouvelles technologies mises en œuvre engendrent un surcoût chez le garagiste qui est de moins en moins compensé à la pompe, compte tenu de la hausse globale du prix des hydrocarbures... Il convient néanmoins de faire une distinction géographique : si, en France par exemple, le moteur Diesel se démocratise, aux États-Unis, les particuliers optent encore très majoritairement pour l'essence.
En revanche, la motorisation Diesel est rarement utilisée sur les motocyclettes et les avions, notamment pour une question de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) embarquée, à l'exception des avions Clerget qui se distinguaient par un rapport poids-puissance comparable à celui d'un moteur à essence, mais la Seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) Guerre mondiale en a stoppé le développement. Toutefois, l'utilisation de moteurs Diesel sur avions légers, apparue dans les années 1980, commence à se développer : Cessna (La Cessna Aircraft Company est une entreprise américaine de construction aéronautique, dont le...) L19 équipé d'un moteur Diesel de Renault 25 (La Renault 25 est un modèle d'automobile conçu et produit (de 1984 à 1992) par le constructeur...) poussé à 135 ch en 1988, avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale...) de construction amateur Dieselis équipé d'un Isuzu (Isuzu Jid?sha Kabushiki Gaisha (??????) est un constructeur automobile japonais spécialisé...) (Opel) 70 ch en 1998. Il existe au XXIe siècle des moteurs spécifiques (SMA) ou dérivés de l'automobile (Centurion sur base Mercedes du motoriste allemand Thielert) ; avions de tourisme (Le tourisme est le fait de quitter son domicile, pour des raisons personnelles, pour une durée...) 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, avion amateur Gaz'aile 2et Dieselis.
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 (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) variable » (TGV), technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) qui leur permet d'être plus performants à bas régime) et le Common rail (Un rail (ou lisse en québécois) est une barre d’acier profilée. Deux files...) (injection directe à haute pression) inventé par Fiat (Fiat (acronyme de Fabbrica Italiana Automobili Torino, fabrique italienne automobiles Turin), est...) et Magneti-Marelli.
Il existe deux sortes de compresseur : le compresseur mécanique (Un compresseur mécanique est un organe mécanique destiné à augmenter par un procédé...) (entraîné par une courroie) et le turbocompresseur entraîné par une autre turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) actionnée par les gaz d'échappement rejetés.
Les premiers moteurs Diesel étaient beaucoup plus lourds, bruyants et bien moins puissants que leurs homologues à essence. Ces inconvénients ont été partiellement éliminés sur les véhicules modernes grâce, en particulier, au turbocompresseur à géométrie variable (La voilure à géométrie variable est une voilure dont la forme peut être...), aux rampes d'injection communes ou injecteur-pompe très haute pression.
La réduction du niveau sonore dépend beaucoup de la gestion de l'injection et des dispositifs d'insonorisation. De par leur conception, à puissance égale, ces moteurs restent plus lourds que leurs homologues à essence.
Outre que le diésel incite aussi à encore prélever et émettre du carbone fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement...), ses impacts spécifiques sur la santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste...) environnementale et sur la pollution de l'air restent préoccupants ;