Comment Fonctionnent les moteurs Diesels

L’histoire de Diesel commence en fait avec l’invention du moteur à essence. Nikolaus August Otto avait déjà inventé et breveté le moteur à essence en 1876. Cette invention utilisait le principe de la combustion à quatre temps, également connu sous le nom de « cycle d’Otto », et c’est la base de la plupart des moteurs de voiture d’aujourd’hui.

À ses débuts, le moteur à essence n’était pas très efficace, et d’autres moyens de transport importants, comme la machine à vapeur, n’étaient pas non plus très performants. Seuls 10 % environ du carburant utilisé dans ces types de moteurs permettaient de déplacer un véhicule. Le reste du carburant ne faisait que produire de la chaleur inutile.

En 1878, Rudolf Diesel fréquentait le lycée polytechnique d’Allemagne (l’équivalent d’une école d’ingénieurs) lorsqu’il a appris le faible rendement des moteurs à essence et à vapeur. Cette information dérangeante l’a incité à créer un moteur à plus haut rendement, et il a consacré une grande partie de son temps au développement d’un « moteur à combustion ». En 1892, Diesel avait obtenu un brevet pour ce que nous appelons aujourd’hui le moteur diesel.

Si vous ne l’avez pas encore fait, vous voudrez probablement lire d’abord Comment fonctionnent les moteurs de voiture, pour vous familiariser avec les bases de la combustion interne. Mais revenez vite : dans cet article, nous vous dévoilons les secrets du moteur diesel et nous vous présentons quelques nouvelles avancées.

Moteurs diesel contre moteurs à essence

En théorie, les moteurs diesel et les moteurs à essence sont assez semblables. Ce sont tous deux des moteurs à combustion interne conçus pour convertir l’énergie chimique disponible dans le carburant en énergie mécanique. Cette énergie mécanique fait monter et descendre les pistons à l’intérieur des cylindres. Les pistons sont reliés à un vilebrequin, et le mouvement ascendant et descendant des pistons, appelé mouvement linéaire, crée le mouvement rotatif nécessaire pour faire tourner les roues d’une voiture vers l’avant.

Les moteurs diesel et les moteurs à essence convertissent le carburant en énergie par une série de petites explosions ou combustions. La principale différence entre le diesel et l’essence réside dans la façon dont ces explosions se produisent. Dans un moteur à essence, le carburant est mélangé à de l’air, comprimé par des pistons et allumé par les étincelles des bougies d’allumage. Dans un moteur diesel, en revanche, l’air est d’abord comprimé, puis le carburant est injecté. Comme l’air se réchauffe lorsqu’il est comprimé, le carburant s’enflamme.

L’animation suivante montre le cycle du diesel en action. Vous pouvez la comparer à l’animation du moteur à essence pour voir les différences.

Le moteur diesel utilise un cycle de combustion à quatre temps, tout comme un moteur à essence. Les quatre temps sont :

1. Course d’admission – La soupape d’admission s’ouvre, laissant entrer l’air et déplaçant le piston vers le bas.
2. Course de compression – Le piston remonte et comprime l’air.
3. Course de combustion – Lorsque le piston atteint le sommet, le carburant est injecté au bon moment et s’enflamme, forçant le piston à redescendre.
4. Course d’échappement – Le piston revient vers le haut, repoussant l’échappement créé par la combustion hors de la soupape d’échappement.

Rappelez-vous que le moteur diesel n’a pas de bougie, qu’il aspire de l’air et le comprime, puis qu’il injecte le carburant directement dans la chambre de combustion (injection directe). C’est la chaleur de l’air comprimé qui allume le carburant dans un moteur diesel. Dans la prochaine section, nous examinerons le processus d’injection du diesel.

COMPRESSION

En travaillant sur ses calculs, Rudolf Diesel a théorisé qu’une compression plus élevée entraîne un meilleur rendement et plus de puissance. Cela se produit parce que lorsque le piston comprime l’air avec le cylindre, l’air se concentre. Le carburant diesel a un contenu énergétique élevé, donc la probabilité que le diesel réagisse avec l’air concentré est plus grande.

Une autre façon de voir les choses est que lorsque les molécules d’air sont si proches les unes des autres, le carburant a plus de chances de réagir avec le plus grand nombre possible de molécules d’oxygène. Rudolf avait raison : un moteur à essence se comprime dans un rapport de 8:1 à 12:1, tandis qu’un moteur diesel se comprime dans un rapport de 14:1 à 25:1.

Injection de carburant diesel

Une grande différence entre un moteur diesel et un moteur à gaz réside dans le processus d’injection. La plupart des moteurs de voiture utilisent l’injection à orifice ou un carburateur. Un système d’injection à orifice injecte le carburant juste avant la course d’admission (à l’extérieur du cylindre). Un carburateur mélange l’air et le carburant bien avant que l’air n’entre dans le cylindre.

Dans un moteur de voiture, tout le carburant est donc chargé dans le cylindre pendant la course d’admission, puis comprimé. La compression du mélange carburant/air limite le taux de compression du moteur : s’il comprime trop l’air, le mélange carburant/air s’enflamme spontanément et provoque un cognement. Parce qu’il provoque une chaleur excessive, le cognement peut endommager le moteur.

Les moteurs diesel utilisent l’injection directe de carburant

L’injecteur d’un moteur diesel est son composant le plus complexe et a fait l’objet de nombreuses expérimentations — dans tout moteur particulier, il peut être situé à différents endroits. L’injecteur doit être capable de supporter la température et la pression à l’intérieur du cylindre tout en délivrant le carburant dans un fin brouillard.

Faire circuler le brouillard dans le cylindre de manière à ce qu’il soit distribué uniformément est également un problème, c’est pourquoi certains moteurs diesel utilisent des soupapes d’admission spéciales, des chambres de précombustion ou d’autres dispositifs pour faire tourbillonner l’air dans la chambre de combustion ou améliorer d’une autre manière le processus d’allumage et de combustion.

Certains moteurs diesel sont équipés d’une bougie de préchauffage. Lorsqu’un moteur diesel est froid, le processus de compression peut ne pas élever l’air à une température suffisamment élevée pour enflammer le carburant. La bougie de préchauffage est un fil électrique (pensez aux fils chauds que vous voyez dans un grille-pain) qui chauffe les chambres de combustion et augmente la température de l’air lorsque le moteur est froid afin que le moteur puisse démarrer. Selon Cley Brotherton, un technicien de l’équipement lourd de Journeyman :

« Toutes les fonctions d’un moteur moderne sont contrôlées par l’ECM qui communique avec un ensemble élaboré de capteurs mesurant tout, du régime moteur aux températures du liquide de refroidissement et de l’huile du moteur et même la position du moteur (c’est-à-dire le T.D.C.). Les bougies de préchauffage sont rarement utilisées aujourd’hui sur les gros moteurs.

L’ECM détecte la température de l’air ambiant et retarde le calage du moteur par temps froid, de sorte que l’injecteur pulvérise le carburant plus tard. L’air dans le cylindre est davantage comprimé, créant ainsi plus de chaleur, ce qui facilite le démarrage. »

Les petits moteurs et les moteurs qui ne disposent pas d’un contrôle informatique aussi avancé utilisent des bougies de préchauffage pour résoudre le problème du démarrage à froid.

Bien sûr, la mécanique n’est pas la seule différence entre les moteurs diesel et les moteurs à essence. Il y a aussi la question du carburant lui-même.

Carburant diesel

Le carburant pétrolier est à l’origine du pétrole brut que l’on trouve naturellement sur Terre. Lorsque le pétrole brut est traité dans les raffineries, il peut être séparé en plusieurs types de combustibles différents, dont l’essence, le carburéacteur, le kérosène et, bien sûr, le diesel.

Si vous avez déjà comparé le diesel et l’essence, vous savez qu’ils sont différents. Ils ont certainement une odeur différente. Le gazole est plus lourd et plus huileux. Il s’évapore beaucoup plus lentement que l’essence – son point d’ébullition est en fait plus élevé que celui de l’eau. Vous entendrez souvent parler de « gazole » parce qu’il est très huileux et qu’il s’évapore plus lentement parce qu’il est plus lourd.

Il contient plus d’atomes de carbone dans des chaînes plus longues que l’essence (l’essence est généralement C9H20, tandis que le diesel est généralement C14H30). Il faut moins de raffinage pour créer du carburant diesel, c’est pourquoi il était autrefois moins cher que l’essence. Depuis 2004, cependant, la demande de diesel a augmenté pour plusieurs raisons, notamment l’industrialisation et la construction accrues en Chine et aux États-Unis [source : Energy Information Administration].

Le diesel a une densité énergétique plus élevée que l’essence. En moyenne, un gallon (3,8 L) de diesel contient environ 155×106 joules (147 000 BTU), tandis qu’un gallon d’essence contient 132×106 joules (125 000 BTU). Ceci, combiné à l’efficacité améliorée des moteurs diesel, explique pourquoi les moteurs diesel affichent un meilleur kilométrage que les moteurs à essence équivalents.

Le carburant diesel est utilisé pour alimenter une grande variété de véhicules et d’opérations. Il alimente bien sûr les camions diesel que vous voyez sur l’autoroute, mais il sert aussi à déplacer les bateaux, les autobus scolaires, les autobus urbains, les trains, les grues, le matériel agricole et divers véhicules d’intervention d’urgence et groupes électrogènes.

Pensez à l’importance du diesel pour l’économie : sans son efficacité élevée, le secteur de la construction et les entreprises agricoles souffriraient énormément des investissements dans des carburants à faible puissance et à faible efficacité. Environ 94 % du fret, qu’il soit transporté par camion, par train ou par bateau, dépend du diesel.

En termes d’environnement, le diesel présente des avantages et des inconvénients. Les avantages : le diesel émet de très petites quantités de monoxyde de carbone, d’hydrocarbures et de dioxyde de carbone, des émissions qui conduisent au réchauffement de la planète. Les inconvénients : la combustion du diesel libère de grandes quantités de composés azotés et de particules (suie), ce qui entraîne des pluies acides, du smog et de mauvaises conditions sanitaires.

Améliorations du diesel et biodiesel

Pendant la grande crise pétrolière des années 1970, les constructeurs automobiles européens ont commencé à faire de la publicité pour les moteurs diesel à usage commercial comme alternative à l’essence. Ceux qui l’ont essayé ont été un peu déçus : les moteurs étaient très bruyants, et ils arrivaient chez eux pour trouver leurs voitures couvertes de suie noire de l’avant à l’arrière

Au cours des 30 à 40 dernières années, cependant, de vastes améliorations ont été apportées aux performances des moteurs et à la propreté du carburant. Les dispositifs d’injection directe sont maintenant contrôlés par des ordinateurs perfectionnés qui surveillent la combustion du carburant, augmentant ainsi l’efficacité et réduisant les émissions.

Des carburants diesel mieux raffinés, comme le diesel à très faible teneur en soufre (ULSD), permettent de réduire la quantité d’émissions nocives et la mise à niveau des moteurs pour les rendre compatibles avec un carburant plus propre devient un processus plus simple. D’autres technologies telles que les filtres à particules à tube cathodique et les convertisseurs catalytiques brûlent la suie et réduisent les particules, le monoxyde de carbone et les hydrocarbures jusqu’à 90 %.

L’amélioration constante des normes de l’Union européenne en matière de carburants plus propres incitera également les industries automobiles à redoubler d’efforts pour réduire les émissions. D’ici septembre 2009, l’UE espère faire passer les émissions de particules de 25 mg/kilomètre à 5 mg/kilomètre [source: EUROPA]

Vous avez peut-être aussi entendu parler de ce qu’on appelle le biodiesel. Est-ce la même chose que le diesel ? Le biodiesel est une alternative ou un additif au carburant diesel qui peut être utilisé dans les moteurs diesel avec peu ou pas de modifications aux moteurs eux-mêmes. Il n’est pas fabriqué à partir du pétrole, mais à partir d’huiles végétales ou de graisses animales qui ont été modifiées chimiquement.

Fait intéressant : Rudolf Diesel avait initialement envisagé l’huile de graines végétales comme carburant pour son invention. Le biodiesel peut être soit combiné avec du diesel ordinaire, soit utilisé seul. Vous pouvez en savoir plus sur le biodiesel dans la rubrique Comment fonctionne le biodiesel.