Les moteurs diesel font bouger le monde depuis plus de 100 ans. Ils sont économiques en consommation et durables. Vous découvrirez dans cet article comment fonctionne un moteur diesel et ce que l’avenir lui réserve.
Légende
Comment fonctionne un moteur diesel ?
Comme un moteur à essence, le diesel est un moteur alternatif. Le mouvement coulissant des pistons à l’intérieur des cylindres est transformé en un mouvement de rotation par les bielles et le vilebrequin. Lorsque les pistons remontent, l’air contenu dans le cylindre est fortement comprimé. La compression chauffe l’air à une température de 700 à 900 degrés Celsius, suffisante pour enflammer le combustible injecté.
La pression de l’explosion pousse le piston vers le bas, entraînant la rotation du vilebrequin. Ce principe est appelé allumage par compression. Les moteurs diesel n’ont pas besoin de bougies d’allumage pour enflammer le mélange air-carburant. On parle de moteurs à allumage spontané. Les moteurs diesel sont fabriqués en tant que moteurs à deux temps et à quatre temps. En pratique cependant, seuls les moteurs diesel à quatre temps sont utilisés dans les véhicules à moteur. Rudolf Diesel (1858 – 1913) a donné son nom à ces moteurs. Bien que cet ingénieur allemand ne soit pas l’inventeur du principe du moteur diesel, il fut le premier à construire un moteur à allumage spontané opérationnel.
Le moteur diesel devient mobile grâce à la préchambre
Les premiers moteurs diesel utilisaient un ventilateur pour insuffler l’air dans les cylindres. En raison de cette conception, les moteurs diesel étaient volumineux et avec un rapport poids/puissance de 250 kg/ch, très lourds. Ils n’étaient pas adaptés à une utilisation dans les véhicules.
Dans un moteur à préchambre, la chambre de combustion se compose d’un cylindre et d’une préchambre. Celle-ci occupe environ un tiers du volume de l’ensemble de la chambre de combustion. Le carburant est injecté dans la préchambre et y est mélangé à l’air de combustion grâce à une conception particulière. Le jet de carburant est dirigé au plus loin vers le canal de transfert entre le cylindre et la préchambre. Ainsi, seule une partie du carburant brûle dans la préchambre. En raison de la dilatation durant la combustion, le mélange air-carburant est distribué dans le cylindre via le canal de transfert. La majeure partie de la combustion du mélange air-carburant a alors lieu dans le cylindre.
Jusqu’à la fin des années 1980, ce type de moteur est le plus répandu dans les voitures particulières. Ce n’est que dans les années 1990 que les premiers véhicules particuliers sont équipés de moteurs diesel à injection directe. Ceux-ci sont aujourd’hui utilisés pratiquement exclusivement. En 1924 déjà, MAN développe et produit en série le premier moteur diesel à injection directe pour camions.
Moteurs diesel à injection directe – Plus de puissance et moins de consommation
Les moteurs diesel à injection directe n’ont pas de préchambre. Le carburant est injecté directement dans la chambre de combustion. La technologie la plus connue est l’alimentation par rampe commune appelée souvent « common-rail ». Les diesels à rampe commune sont équipés d’une pompe haute pression qui pendant le fonctionnement maintient en permanence le carburant sous une pression élevée pouvant atteindre les 3000 bars dans un système de tuyaux. Le système de tuyaux sert de réservoir de pression pour compenser les fluctuations de pression causées par la pompe hydraulique. Tous les injecteurs appelés valves d’injection sont connectés à ce système de tuyaux et donc les uns aux autres. La pression est la même dans tout le système. La haute pression permet d’injecter le carburant directement dans le cylindre et de le répartir avec précision. Cela réduit la consommation de carburant et les émissions polluantes.
Encore plus de puissance grâce au turbocompresseur
La puissance d’un moteur diesel dépend de la quantité de carburant injecté. En principe, un moteur diesel n’a donc pas besoin d’un boîtier papillon pour moduler l’arrivée d’air. Les diesels modernes bénéficient toutefois de boîtiers papillon car ils permettent un contrôle précis du moteur. La puissance d’un diesel est limitée par la quantité d’air dans le cylindre. Cela signifie qu’on ne peut brûler qu’autant de combustible qu’il y a d’oxygène disponible comme partenaire de réaction. L’utilisation d’un turbocompresseur permet d’augmenter la quantité d’air et donc d’oxygène dans le cylindre et d’injecter davantage de carburant pour plus de puissance.
Moins de CO2 mais plus d’oxydes d’azote – Avantages et inconvénients du moteur diesel
L’un des avantages du moteur diesel par rapport au moteur à essence est la réduction des émissions de CO2. Bien que le carburant diesel ait une teneur en carbone plus élevée, les températures de combustion élevées font que les émissions de CO2 d’un moteur diesel sont plus faibles. En revanche, des températures de combustion plus élevées entraînent des émissions plus importantes d’oxydes d’azote (NOx) comparé à un moteur à essence. Les oxydes d’azote irritent les voies respiratoires et sont considérés comme responsables de plusieurs milliers de décès prématurés en Allemagne. Ce conflit où les émissions de NOx augmentent alors que les émissions de CO2 sont faibles, ne peut pas être résolu par des modifications techniques du moteur. Afin de réduire les émissions de NOx, il est nécessaire de dépolluer les gaz d’échappement de moteur diesel.
Catalyseurs à injection d’urée et catalyseurs piège à Nox pour des diesel propres
Afin de dépolluer les émissions des moteurs diesel, les constructeurs automobiles utilisent notamment des catalyseurs piège à Nox (ou LNT de l’anglais Lean NOx trap) ou la technologie de réduction catalytique sélective (RCS). Dans la technologie RCS, une solution aqueuse d’urée, appelée AdBlue, est injectée dans le flux de gaz d’échappement. La solution d’urée lie les oxydes d’azote contenus dans les gaz d’échappement et les transforme en vapeur d’eau et en azote inoffensif. Grâce à ces technologies, les gaz d’échappement des moteurs diesel sont relativement propres. À condition que personne ne manipule leur système antipollution.
Le scandale du diesel – Est-ce le début de la fin du moteur diesel ?
Le scandale du diesel ou des gaz d’échappement est déclenché par la découverte en 2015 aux Etats-Unis de manipulations illégales du système de contrôle des émissions des moteurs diesel. La fraude est alors mise en lumière par l’Agence américaine de protection de l’environnement. Celle-ci constate alors que les véhicules diesel de Volkswagen AG ne peuvent atteindre les faibles valeurs de gaz d’échappement indiquées par le constructeur que sur le banc de test. En circulation réelle, les valeurs des émissions polluantes étaient parfois jusqu’à 30 fois supérieures aux valeurs autorisées. La raison en était la désactivation illégale du système de dépollution des gaz d’échappement.
Plus tard, de nombreux autres constructeurs automobiles sont reconnus coupables de fraude. Pour Volkswagen, ce scandale coûte cher et s’avère très embarrassant. VW avait fait la promotion de ses moteurs diesel et les vendait aux États-Unis sous l’appellation « Clean Diesel », comme étant particulièrement propres. Finalement, le « Dieselgate » amène de plus en plus de constructeurs automobiles à réfléchir à des carburants alternatifs pour leurs moteurs diesel, comme le biodiesel et le diesel de synthèse, afin de prolonger la durée de vie de cette technologie.
Biodiesel et diesel de synthèse – Est-ce l’avenir du moteur diesel ?
Il y a quelques années, le biodiesel était considéré comme la solution aux émissions polluantes des moteurs diesel. Le biodiesel est à la base une huile végétale transformée. Le biocarburant a pour avantage notamment que sa combustion ne libère que la quantité de CO2 extraite de l’air par les plantes pour produire l’huile. L’utilisation du biocarburant suscite toutefois le débat quant à son impact sur la sécurité alimentaire.
Le diesel synthétique est produit à partir d’hydrogène et de CO2. L’hydrogène est disponible en quantité illimitée, mais doit être obtenu par électrolyse, c’est-à-dire par la décomposition de l’eau en hydrogène et en oxygène. Ce processus est très gourmand en énergie. Le CO2 peut être filtré de l’air. La combustion de diesel de synthèse ne produit que la quantité de CO2 extraite de l’air pour sa production. Le diesel synthétique serait alors neutre en termes de CO2. Mais il l’est réellement seulement si l’électricité nécessaire à l’électrolyse provient d’énergies renouvelables. Les experts estiment que la production d’électricité à partir de sources d’énergie renouvelables exclusivement ne pourrait pas suffire, à l’avenir non plus, à couvrir les besoins en carburants synthétiques.
Le diesel a-t-il un avenir ?
Probablement pas. L’UE stipule que d’ici 2035, les émissions polluantes des véhicules à moteur doivent être réduites de 100 %. Cela signifie que seuls les véhicules à émission zéro pourront alors être immatriculés. Le ministre allemand des transports Andreas Scheuer vise à n’autoriser, à partir de 2035, que les véhicules à moteur à combustion fonctionnant aux carburants de synthèse. La plupart des constructeurs automobiles ont désormais annoncé la date à laquelle le dernier véhicule équipé d’un moteur à combustion sortira de leurs chaînes de production.
De plus en plus d’associations environnementales demandent également l’interdiction des moteurs à combustion qui nécessitent des combustibles fossiles. Lors de la Conférence des Nations Unies sur le changement climatique tenue à Paris en 2015, l’alliance internationale pour les véhicules zéro-émission ZEV (Zero Emission Vehicle) a déjà validé un projet concret visant à bannir complètement les moteurs thermiques. L’Alliance ZEV regroupe la Norvège, les Pays-Bas, l’Allemagne, la Grande-Bretagne et plusieurs États américains. Son objectif est d’éliminer progressivement, d’ici 2050, les moteurs à combustion interne fonctionnant avec des carburants fossiles. Cela permettrait de réduire les émissions mondiales de CO2 de 40 % d’ici 2050. L’avenir du diesel n’est donc pas vraiment rose.
