Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Introduction

Diesel-alternateur sur un pétrolier

Roadster

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Museum

Fruit des travaux menés par l'ingénieur franco-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'auto-inflammation. 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 Diesel

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'auto-inflammation du gazole, fuel 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).(voir système bielle-manivelle)

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 diesel sont très différentes d'un moteur à un autre. En effet, plus le moteur est gros, plus la course du piston est grande, 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 1 000 tr/min
• moteur rapide : 1 000 tr/min et plus

La limite maximale du régime de rotation d'un moteur est déterminée par la vitesse de déplacement du piston dans le cylindre. Elle est exprimée en mètre/seconde.

Les constructeurs motoristes, suivant l'utilisation du moteur et la fiabilité qui leur est demandée, ont fixé des plages limites (résultat d'essais d'usure) suivantes :

1. moteur fixe (groupe électrogène, gros moteur de bateau) : 6 à 8 m/s
2. moteur de poids lourds : 8 à 9 m/s.
3. moteur d'automobile : 12 à 13 m/s.
4. moteur de compétition : au-delà de 15 m/s.

Ces limites déterminent la durée de vie du moteur et sa puissance en chevaux ou kW par litre de cylindrée.

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 (2 courses par tour moteur)= 176 mm ou, en mètre, 0,176 X 4000 = 704 m/min ou 704/60 seconde = 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.

Suivant la définition 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 (pour simplifier) soit course 450 mm et alésage 450 mm, la cylindrée unitaire est de 5,5 litres.

Pour le moteur cité ci-dessous (alésage 960 mm et course 2 500 mm), le piston se déplace, par tour, de 5 mètres, pour une vitesse de rotation de 102 tr/min, la vitesse linéaire du piston est de 8,5 m/s en puissance maximale développée, à 92 tr/min, celle-ci sera de 7,6.

Il est à noter que la mise en survitesse du moteur risque de conduire à des chocs pistons-soupapes qui se traduisent souvent par le flambage des queues de soupapes ou de leurs tiges de commande.

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 2 temps lent (92/102 tours/min). Les cylindres ont un alésage de 960 mm et le piston une course de 2 500 mm.. Ce moteur a une hauteur d'environ 13 m et une longueur de 26 m pour un poids de 2 300 tonnes.

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 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 de moteurs Diesel sur avions légers qui est apparue il y a 20 ans commence à se développer : Cessna L19 équipé d'un diesel de Renault 25 poussé à 135 ch en 1988, avion de construction amateur Dieselis équipé d'un Isuzu (Opel) 70 ch en 1998. Il existe maintenant des 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, avion amateur 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 le Common rail (injection directe à haute pression) inventé par Fiat et Magneti-Marelli. NB: Il existe deux sortes de compresseur: le compresseur mécanique (entraîné par une courroie) et le turbocompresseur entraîné par une autre turbine qui tourne grâce a la force des gaz d'échappement rejetés.

• 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, gradient de pression trop élevé obligeant une utilisation de pistons très solides et très lourds, qui empêchait de tourner trop vite), 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 RENAULT. Cette injection haute pression a été inventée par la société Elasis S.C.p.A., 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 s'est aujourd'hui amélioré en termes de pollution aussi bien atmosphérique que sonore. Du point de vue de la pollution, l'avantage principal des moteurs Diesel est de produire, à puissance égale, du fait de leur rendement supérieur, moins de $CO_{2}$ que leurs équivalents à essence, typiquement 20% de moins. Ils produisent également moins de monoxyde de carbone (qui s'oxyde rapidement en dioxyde de carbone dans l'atmosphère) et d'hydrocarbures imbrûlés que les moteurs à essence , notamment avant que le catalyseur de ces derniers ne monte en température . Le traitement récent des problèmes dûs à l'émission de fines particules imbrûlées par les filtres à particules, ainsi que la question des oxydes d'azote sont discutés dans la section inconvénients.
• 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 visqueux avec les rampes haute pression).

Inconvénients

Certains inconvénients des premiers moteurs Diesel, qui étaient plus lourds, plus bruyants et bien moins puissants que leurs homologues à essence, sont en partie éliminés sur les véhicules modernes grâce, en particulier, au turbocompresseur à géométrie variable, aux rampes d'admission communes ou injecteur-pompe très haute pression. La réduction du niveau sonore dépend beaucoup de la gestion de l'injection et bien entendu des dispositions d'insonorisation. Ces moteurs sont cependant toujours plus lourds de par leur conception, que leurs homologues à essence.

Les inconvénients principaux du moteur Diesel concernent la pollution  : ce sont l'émission de particules de suie, qui sont cancérigènes et de leurs précurseurs, les hydrocarbures aromatiques polycycliques, ainsi que l'émission d'oxydes d'azote, qui génèrent en période de canicule la pollution à l'ozone.

Des solutions pour l'amélioration de ce moteur au niveau de l'émission de particules et d'oxydes d'azote sont aujourd'hui proposées.

• 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) très coûteux est nécessaire. Cette technologie se généralisera à partir de 2009, lors de l'adoption des normes antipollution européennes EURO V. Toutefois, les FAP laissent encore passer les particules les plus fines (PM 10) et les plus cancérigènes ;
• Le problème des oxydes d'azote (NOx) sera sans doute encore 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).
  
• 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.
• Mais l'inconvénient majeur du pot catalytique réside dans le fait que son efficacité n'intervient qu'après une plus ou moins longue période de chauffe (suivant la température ambiante extérieure). Ce phénomène rend la motorisation diesel inadaptée à la circulation urbaine qui se caractérise par des trajets plutôt courts, souvent insuffisants pour permettre au dispositif catalytique d' atteindre la température qui est la condition de son efficacité.
• Les moteurs Diesel produisent en moyenne une tonne de CO₂ pour 250 litres de gazole. L'utilisation des moteurs Diesel permet donc 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 :

• JTD : Fiat, Alfa Romeo, Lancia - inventeur du système common rail 1^re génération,
• MJtd : Fiat, Alfa Romeo, Lancia, Iveco - inventeur et distributeur du système common rail 2^e et 3^e génération,
• HDi : Peugeot, Citroën
• dCi (Direct Common rail Injection) : Renault, Nissan, Dacia
• CDI (Common rail Direct Injection) : Mercedes-Benz, Smart
• CRD : Jeep
• Td(x), TDV(x) : Land rover (ex : Td4 ou TDV8)
• d : BMW (ex : 530d)
• TDI (Turbo Direct Injection) : Audi, Seat, Skoda, Volkswagen
• D-4D : Toyota
• d : Lexus (ex:IS 220 d)
• 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 : Mitsubishi
• 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
• TID : Saab

Compétition

Audi a remporté deux fois consécutivement les 24 Heures du Mans en 2006 et 2007 grâce à l'Audi R10 équipée d'un moteur V12 TDi (Turbo Diesel à Injection directe).

Lors de l'édition 2007, Peugeot a engagé à son tour un véhicule équipé d'un moteur Diesel, la Peugeot 908. Elle est équipée d'un moteur V12 HDi développant environ 700 chevaux. L'une des deux Peugeot 908 au départ s'est classée en seconde position.

La domination de ces moteurs Diesel durant les 24h du Mans a fait l'objet de nombreuses controverses, avec pour argument principal le fait que celle-ci était surtout due à des arrêts aux stand moins fréquents en raison d'une consommation inférieure à celle des moteurs essence.

L'utilisation de motorisations Diesel en compétition de vitesse pose de nombreux problèmes dont le manque de vivacité des moteurs et le besoin de les maintenir "en régime" afin de limiter les pertes de temps à la relance, en sortie de virage par exemple.

Les tentatives d'insertion des motorisations Diesel en compétition font écho aux chiffres de vente de ces motorisation face aux motorisations essence en Europe. Les constructeurs automobiles cherchent à promouvoir l'image d'un Diesel plus intéressant économiquement que l'essence, sous l'influence très marquée des incitations gouvernementales (taxes moindres sur les carburants Diesels, primes écologiques à l'achat, etc..).

Combustion

Réaction chimique dans laquelle la combustion du carburant (oxydation vive de l'hexadécane) par le dioxygène présent dans l'air dégage de la chaleur plus des résidus de combustion : dioxyde de carbone et eau. Équation parfaite de la combustion diesel du gazole : hexadécane + dioxygène = dioxyde de carbone + 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.

Records

• 1973 - Virgil Snyder décroche le record de vitesse sur véhicule diesel à 379,56 km/h
• 23 août 2006 - Bonneville Salt Flats (Utah, États-Unis) - Le pilote anglais Andy Green (détient aussi le record de vitesse terrestre) décroche le nouveau record de vitesse sur véhicule Diesel à bord du JCB Dieselmax, véhicule de 7 mètres équipé de 2 moteurs. Le record est établi à 563,18 km/h.

Voir aussi

• HDi

Liens externes

• Manuels d'entretien et de réparation tracteurs - Revue Technique Tracteur Agricole