Moteur Diesel - Définition

Introduction

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'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 14:1 à 25:1, permettant d'obtenir une température de 700 à 900 °C. Des bougies de préchauffage sont souvent utilisées pour permettre un meilleur démarrage du moteur à froid, en augmentant la température de la chambre de combustion.

Le moteur Diesel a été conçu au départ pour fonctionner au charbon pulvérisé, cependant, suite aux problèmes d'usure dus aux résidus de combustion, Rudolf Diesel est passé aux carburants liquides, comme le fioul ou les huiles végétales. Finalement, le fioul a été préféré car moins coûteux et se pulvérisant mieux du fait d'une viscosité inférieure.

C'est le Français Lucien-Eugène Inchauspé (1867-1930) qui, en 1924, en inventant la pompe à injection, en fit un moteur performant.

Les moteurs Diesel fonctionnent habituellement au gazole, au fioul lourd ou aux huiles végétales ou minérales. Ils peuvent aussi bien être à deux temps (surtout sur les diesel de navire, avec suralimentation par compresseur et injection pneumatique) qu'à quatre temps. Ce type de moteur à taux de compression élevé a connu une expansion rapide en automobile en Europe à partir de la fin des années 1980 lorsque la suralimentation par turbocompresseur en a notablement amélioré les performances.

Description

Principe

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, 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 1 500 °C environ. Sitôt le carburant injecté (pulvérisé), celui-ci s'enflamme presque instantanément, sans qu'il 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).

Les quatre temps du cycle Diesel sont :

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 m/s.

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. 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.

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.

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 71,6 litres.

Pour le moteur cité 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, 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 d'environ 13 mètres et une longueur de 26 mètres pour un poids de 2 300 tonnes.

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.

Usage

Le moteur Diesel est de préférence utilisé lorsqu'il y a besoin d'un couple important ou d'un bon rendement : locomotives, bateaux, camions, tracteurs agricoles, groupes électrogènes, engins de travaux publics ou automobiles.

D'un point de vue historique, c'est la marine de guerre qui s'intéresse en premier aux moteurs Diesel. Compte tenu des dimensions 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 les sous-marins qui en furent équipés. Ainsi, l'ingénieur français Maxime Laubeuf équipa d'un Diesel son sous-marin l'Aigrette (1901) car les moteurs à explosion ne développaient alors pas assez de puissance et les moteurs à vapeur, dégageant trop de fumée, 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 Normandie ou des cuirassés géants de la Deuxième Guerre mondiale (Yamato, Bismarck...).

Il faudra attendre la deuxième moitié du XX^e siècle pour voir le moteur Diesel se répandre dans les moyens de transport maritime (armés ou non) au point de devenir au XXi^e siècle un standard de motorisation que n'a pas réussi à concurrencer la propulsion nucléaire (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 « 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 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 bien que plus chers à l'achat et à l'entretien. Par ailleurs, les progrès accomplis dans ce domaine ont très largement rendu 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 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 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 L19 équipé d'un moteur 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 au XXI^e siècle 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 2et Dieselis.

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.

Il existe deux sortes de compresseur : le compresseur mécanique (entraîné par une courroie) et le turbocompresseur entraîné par une autre turbine actionnée par les gaz d'échappement rejetés.

• 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 1 400 pour la première rampe commune et moins de 1 000 pour un moteur à injection indirecte) 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 la Fiat Chroma en 1988. Ce moteur prit le nom de TDid.
• 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 peut également être le cas sur un moteur à essence, pour peu qu'il soit turbocompressé; ce qui est néanmoins beaucoup plus rare.
• 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 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 dus à l'émission de fines particules imbrûlées par les filtres à particules, ainsi que la question des oxydes d'azote (irritants) 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 brûler de l’huile végétale à la place du gazole issu du pétrole. Pour un usage quotidien sur des véhicules automobiles de tourisme, il est cependant nécessaire de modifier quelque peu le circuit d’alimentation, en raison de la plus grande viscosité de l’huile végétale brute, comparée au gazole. On peut aussi utiliser un carburant à base végétale transformée et raffinée (diester), mais qui, en raison de l’énergie dépensée pour le fabriquer perd beaucoup de son intérêt écologique, notamment comparé à des huiles végétales brutes recyclées.
• Un autre avantage du moteur diesel réside dans ses carburants utilisés, qu’il s’agisse du gazole ou des huiles végétales, dans lesquels on n’utilise pas de benzène, contrairement aux essences et supercarburants sans plomb. Or le benzène est très cancérogène et très volatil.

Inconvénients

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, 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.

Pollution et toxicité des gaz d'échappement

Outre que le diésel incite aussi à encore prélever et émettre du carbone fossile, ses impacts spécifiques sur la santé environnementale et sur la pollution de l'air restent préoccupants ;

• Les suies et micro ou nanoparticules sont considérées comme «cancérogènes probables» par le Centre international de recherche sur le cancer (Circ, et peut-être reprotoxiques). Ils sont aussi par exemple facteur d'aggravation de l'asthme et d'un risque accru de décès chez les cheminots.
  Les lieux les plus exposés sont les tunnels routiers ou ferroviaires, certains lieux industriels dont lieux de travail confinés (garages, docks) ou souterrains, miniers en particulier. Rien qu'aux États-Unis, ce sont environ 1,4 million de travailleurs qui étaient chroniquement exposés aux particules-diesel de 1981 à 1983 ; et 3 millions dans l’Europe des 15, de 1990 à 1993.
• Les benzopyrènes et les benzoanthracènes, hydrocarbures aromatiques polycycliques reconnus cancérigènes.
• Le formaldéhyde cancérigène de catégorie 1 (CIRC), est présent dans les gaz d'échappement, à une concentration similaire à celle des moteurs à essence ( 100 à 300 ppm ).
• Les oxydes d'azote sont des précurseurs de la pollution à l'ozone, surtout par temps ensoleillé et notamment lors de canicules. Les règlements Euro VI (véhicules lourds) et Euro 6 (véhicules légers) imposeront aux constructeurs des moteurs émettant moins de NO2, mais ;
  • la norme Euro 5 prévoyait qu'on puisse ensuite adopter une valeur limite, ce que la norme Euro 6 n'a pas fait.
  • les normes n'entreront en vigueur qu'en 2014
  • les normes présentes (jusqu'en 2009) visaient à diminuer les particules émises par les diésels, et n'ont eu aucun effet significatif sur les taux émis de NO2.