Moteur Diesel

Fruit des travaux de l'ingénieur allemand Rudolf Diesel de 1893 à 1897, le moteur Diesel est un moteur à combustion interne dont l'allumage est spontané lors de l'injection du carburant, par phénomène d'auto-inflammation lié aux températures élevées dans la chambre de combustion. Celles-ci sont atteintes grâce à un fort taux de compression (rapport volumétrique de 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, temporairement, la température d'un point de la chambre de combustion.

Le moteur peut être à deux temps (surtout sur les navires, avec suralimentation par compresseur et injection pneumatique) ou à quatre temps.

Histoire

Dans le premier moteur, le carburant devait être du charbon pulvérisé, mais ses résidus de combustion usaient prématurément le moteur, poussant Rudolf Diesel à lui préférer un carburant liquide ; le gazole a été préféré car moins coûteux et se pulvérisant mieux grâce à une moindre viscosité, mais du fioul lourd, des huiles végétales ou minérales sont parfois utilisés.

Rudolf Diesel développe son moteur dans la fabrique de machines d'Augsbourg (Maschinenfabrik Augsburg), entreprise prédécesseur de MAN^[1].

En 1924, en inventant la pompe à injection, le Français Lucien-Eugène Inchauspé (1867-1930) en fait un moteur performant.

Le moteur Diesel 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, avec comme conséquence une contribution importante à la pollution de l'air par les transports, le moteur Diesel émettant des aérosols^[2] (particules de carbone) cancérigènes^[3].

La part de la motorisation Diesel dans les ventes de voitures neuves en France baisse d'année en année : 65 % au 1^er trimestre 2014 contre 69 % sur la même période de 2013, 73 % en 2012 et 77 % en 2008. La France reste cependant l'un des premier pays européens préférant la motorisation Diesel, derrière le Luxembourg, l'Irlande et le Portugal, mais devant l'Espagne (66,3%), et nettement au-dessus de la moyenne ouest-européenne (53,3% en 2013)^[4].

Description

Principe de fonctionnement

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 (Biodiesel ou autres) dans de l'air comprimé à 20:1 (environ 35 bar), et dont la température est portée de 600 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. temps moteur : peu avant le point mort haut on introduit, par une injection, 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.

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 kilowatts, 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 que le cylindre de ce moteur est de type carré (course égale à l'alésage) soit course 450 mm et alésage 450 mm, la cylindrée unitaire est de 91,225 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 2-temps, atteignent 100 000 ch (voir le porte-conteneurs Emma Mærsk), comme le Wärtsilä RT-flex96C 14 cylindres^[5], moteur à 2 temps lent (92/102 tr/min). Les cylindres ont un alésage de 96 cm et le piston une course de 2,5 m^[5]. Ce moteur a une hauteur d'environ 13 mètres et une longueur de 26 mètres pour un poids de 2 300 tonnes.

Combustion

Dans les cylindres du moteur Diesel s'opère la combustion du carburant, qui consiste en l'oxydation vive de celui-ci par le dioxygène présent dans l'air. Les produits de cette réaction se résumeraient au dioxyde de carbone et à l'eau si le carburant ne contenait que des hydrocarbures et si la combustion était complète et non accompagnée de réactions secondaires. La combustion est exothermique, c'est-à-dire qu'elle dégage de la chaleur.

Si on suppose le carburant entièrement constitué d'hexadécane, la réaction de combustion interne du moteur Diesel peut être décrite, en première approximation, par l'équation de la combustion complète de l'hexadécane :

hexadécane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau  soit :

2 C₁₆H₃₄ + 49 O₂ → 32 CO₂ + 34 H₂O

la chaleur dégagée étant d'environ 9 951 kJ (PCI) par mole d'hexadécane brûlée.

Dans les conditions stœchiométriques de la combustion "neutre" (sans excès d'oxygène), il faut 3,46 g de dioxygène pour brûler 1 g d'hexadécane, soit, pour une combustion à l'air, 14,96 g d'air (supposé sec) par g d'hexadécane. Cette combustion neutre dégagera, pour chaque gramme d'hexadécane brulé :

• 15,96 g de gaz, contenant 11,30 g de diazote, 0,19 g d'argon, 3,12 g de dioxyde de carbone (dont 3,11 g provenant de la combustion de l'hexadécane)
• 1,35 g de vapeur d'eau.

En pratique, le ratio utilisé dans les moteurs Diesel est plutôt de 30 g d'air par gramme de gazole. Les gaz résiduaires de la combustion Diesel réelle comportent donc principalement du diazote, du dioxygène, du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau et de l'argon ; viennent s'y ajouter divers polluants résultant du caractère imparfait de la combustion principale et de l'existence de diverses réactions secondaires.

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 essence 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 gazole a su se montrer plus sportif et nerveux, séduisant ces dernières années une clientèle jadis acquise à l'essence. Cela étant, l'équilibrage sur le plan des performances se traduit aussi par un équilibrage sur le plan du coût. Les nouvelles techniques 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 voitures et les camions fonctionnent encore très majoritairement à l'essence, qui reste moins chère que le Diesel^[6]. Au Japon, en raison des normes anti-pollution très sévères (au niveau des particules et du dioxyde d'azote^[7]), les Diesel sans filtre à particules (FAP) ont été éliminés.

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^[8]. 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 2 et Dieselis^[8]. Les motocyclettes à motorisation Diesel ont connu quelques essais sporadiques, mais la production reste soit amateur, soit très intimiste par de petites entreprises, soit par l'armée mais maintenant abandonnée.

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 la mise en œuvre de technologies novatrices :

• 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 du moteur sans augmenter sa cylindrée, ni son régime. Il permet aussi d'accroître le rendement  : la puissance et le couple augmentent plus que la consommation de carburant^{[réf. nécessaire]}. Il existe plusieurs solutions pour comprimer l'air d'admission :
  • L'échangeur de pression rotatif type « Comprex », brevet Brown-Boveri.
  • Le compresseur volumétrique entraîné par le moteur.
  • Le turbocompresseur, (ou turbo) entraîné par une turbine activée par les gaz d'échappement d'un moteur thermique, dont on récupère ainsi partiellement l'énergie (environ 25 % de l'énergie fournie par le carburant). Les modèles les plus récents sont « à géométrie variable » (TGV), technologie qui leur permet d'être plus performants à bas régime.

Si l'injection directe existe depuis les débuts du moteur Diesel, elle n'était pas utilisée en automobile, mais seulement sur les moteurs lents (industriels, poids-lourds et marins). Des raisons techniques^{[N 1]} contraignaient à utiliser des pistons très solides et très lourds, incompatibles avec des vitesses élevées. Le premier moteur Diesel à injection directe installé sur un véhicule particulier a été installé en 1986 dans le Toyota Land Cruiser (le HJ61 et son fameux moteur 12HT)^[9], suivi en en 1988 par la Fiat Croma (moteur TDid^{[N 2]}. Avec les nouveaux dispositifs d’injection directe, injecteurs-pompe, rampe commune et injecteurs piézo-électriques, la pression atteint jusqu'à 2 500 bar (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^{[N 3]}.

Pour faciliter le départ à froid on crée un « point chaud » à l’intérieur de la chambre de combustion voire un réchauffage de l'air admis. Les moteurs Diesel sont souvent équipés de systèmes de préchauffage (parfois appelés « bougies ») de réchauffage d'air, ou encore d'un système de surcharge à la pompe d'injection.

Les autres avantages du moteur Diesel par rapport aux moteurs à essence sont les suivants :

• À l'origine considéré comme un moteur « sale » du fait de son carburant moins raffiné, de la fumée qu'il produisait couramment et du bruit important de fonctionnement (claquements), le Diesel s'est aujourd'hui notablement amélioré sur le plan de la pollution atmosphérique. L'avantage principal des moteurs Diesel est de produire à puissance égale, du fait de leur rendement supérieur, moins de CO² 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 abordés dans la section inconvénients.
• Ce moteur peut brûler de l’huile végétale à la place du gazole issu du pétrole. Ainsi, les sous-marins Français réfugiés en Afrique de l'Ouest durant la Seconde Guerre mondiale, brûlaient de l'huile d'arachide, faute de pétrole. Pour un usage quotidien sur des véhicules automobiles de tourisme, il est cependant nécessaire d'adapter le circuit d’alimentation, en raison de la plus grande viscosité de l’huile végétale brute, comparée au gazole^{[N 4]}. On peut aussi utiliser des carburants à base végétale transformés et raffinés (diester ou NExBTL) mais qui, comparés à des huiles végétales brutes recyclées, perdent de leur intérêt écologique en raison de l'énergie dépensée pour les fabriquer.
• Les carburants de moteurs Diesel (gazole ou huiles végétales) ne contiennent pas de benzène, contrairement aux essences et supercarburants. Or, le benzène, volatil, est également cancérogène avéré.

Une des raisons du succès du moteur Diesel 2 temps dans les bateaux de plaisance est le plus faible droit annuel de francisation et de navigation (DAFN, précédemment taxe de francisation) : la taxe est calculée à partir de la puissance fiscale (CV) calculée à partir du nombre de cylindres, de l'alésage et de la course, avec un abattement de 30 % pour les moteurs Diesel ; et pour la même puissance mécanique, la puissance fiscale d'un moteur Diesel 2 temps est aussi plus faible... Et ce moteur 2 Diesel temps pollue plus que le 4 temps.

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 à l'injection très haute pression ;
• La réduction du niveau sonore dépend beaucoup de la gestion de l'injection et des dispositifs d'insonorisation, néanmoins, des progrès sont encore à faire, les moteurs Diesel étant toujours plus bruyants que ceux à essence ;
• À puissance égale, ces moteurs restent plus lourds que leurs homologues à essence ;
• La plage de fonctionnement en vitesse de rotation du moteur Diesel est plus petite que celle du moteur à essence, il est donc moins « souple » que son homologue à essence et a besoin de plus de rapports de vitesse.

Pollution, toxicité et écotoxicité des gaz d'échappement

Le caractère toxique ou cancérigène de la fumée de diesel a été longuement débattu ;
Outre que le carburant pour moteurs Diesel incite aussi à encore prélever du carbone fossile et émettre des gaz à effet de serre, ses impacts spécifiques sur la santé environnementale ont été suspectés et évoqués dès les années 1900^[10]. Ses impacts sur la pollution de l'air sont également préoccupants du fait de la quantité de particules émises.

Plus tard (seconde moitié du XX^e siècle essentiellement), de nombreuses études scientifiques, sanitaires et/ou épidémiologiques ont porté sur les liens éventuels entre cancers du poumon et trois catégories de personnes jugées plus exposés que la moyenne aux fumées de moteurs Diesel en raison de leur profession : les conducteurs de locomotives à moteurs Diesel et mécaniciens d'entretien, les conducteurs de poids lourds, d'autobus, chauffeurs de taxi et les mécaniciens d’entretien de ces véhicules, ainsi que conducteurs d’engins lourds.
Les méta-analyses scientifiques et synthèses bibliographiques confirment toutes que la majorité des études qu'elles incluent ont estimé qu'il existait le plus souvent un risque accru - statistiquement significatif - de cancer associé à l'exposition aux fumées de moteurs Diesel (odds ratio (OR) supérieurs à 1)^[11].

Plusieurs études confirment le risque de cancer lié aux fumées du moteur Diesel :

• En France, une expertise du CNRS basée sur 22 études pour 25 associations évaluées a conclu à un risque significatif ;
• Une méta-analyse de Bathia (basée sur 23 études épidémiologiques)^[11] ;
• Sur la base de 30 études Lipsett et Campleman aboutissaient à la même conclusion^[11] ;
• « l'OMS considère que les gaz d'échappement des moteurs Diesel sont cancérigènes^[12]. »

La durée d’exposition (considérée dans 10 des 22 études incluses dans le document d’expertise du CNRS) semble également être un facteur important (« association entre risque augmenté de cancer et temps d'exposition retenu par une quinzaine d’études et quel que soit le type d’emploi exposant, salariés des chemins de fer, conducteurs de camions, conducteurs d’engins lourds, et dockers ») bien que nuancé selon les études ; le tabagisme est accusé d'être un facteur de confusion par les détracteurs de ces études, mais Bathia et al. (1998), tout comme l’expertise CNRS (1998) montrent que si l’on ne retient que des études ayant pris en compte le tabac, la relation significative entre l’exposition aux fumées de moteurs Diesel et le risque de cancer du poumon persiste^[11]. L'exposition à l’amiante souvent présente dans les anciennes chaudières au fioul peut aussi être un facteur de confusion, mais le mésothéliome induit par l'amiante est assez caractéristique pour limiter le risque de confusion. En 1999, Lipsett et Campleman produisent une méta-analyse avec ajustement sur le tabac. Et Garschik et coll. (1988) travaillent sur une cohorte historique de 55 395 employés des chemins de fer aux États-Unis, en intégrant un recueil de données complémentaires sur la consommation de tabac, montrant que la prise en compte du tabac conforte même l’hypothèse d’une relation causale entre fumées de moteurs Diesel et risque de cancer du poumon (Larkin et coll., 2000). Le lien est significatif, mais la force de l’association reste assez modeste (en moyenne, tous métiers confondus, les risques relatifs se situen autour de 1,5)^[11].
La plupart des études n'ont pas pu mesurer le niveau d'exposition des personnes, et leur ont substitué un temps d'exposition, plus facile à mesurer^[11].

Récemment^[Quand ?] l'EPA note que :

1. La plupart de ces études ont uniquement porté sur le cancer du poumon, mais un risque d'augmentation d'autres types de cancers pourraient aussi exister^[13] (la suie est par exemple un facteur de cancer du testicule démontré chez les ramoneurs de cheminées).
2. Le modèle animal pose question et renseigne mal sur les conséquence d'une exposition à long terme note l'EPA, car si un lien de causalité entre fumées de moteurs Diesel et plusieurs types de cancers, dont celui du poumon est indiscutable chez le hamster, il est moins significatif chez la souris et le rat, voire non-détecté dans quelques études. Il est en outre possible que le cancer n'ait pas le temps de s'exprimer chez ces animaux qui ont une aussi courte durée de vie autant que chez les humains^[11].

À partir des données disponibles, l'EPA conclut que « les études épidémiologiques sur le risque de cancer du poumon associé à l’exposition aux fumées diesel montrent des évidences cohérentes avec un lien causal. L’association observée est peu vraisemblablement le résultat de la chance ou de biais. Beaucoup d’études n’avaient pas d’informations sur le tabac, mais il est peu probable que le tabac soit à l’origine de ces résultats en particulier parce que les populations comparées dans ces études ont des caractéristiques socioéconomiques proches. La force de l’association (entre 1,2 et 2,6) est relativement modeste par rapport aux standards épidémiologiques, et une relation dose-effet a été observée dans plusieurs études. Enfin, le fait que les fumées diesel augmentent le risque de cancer du poumon chez l’homme est très plausible sur le plan biologique » et l'INSERM estime ces conclusions crédibles^[11],[14].

Le problème des particules

La génération de particules est quasi-congénitale au principe du moteur Diesel. Dans les motorisations essence, on introduit dans le cylindre un mélange gazeux air/essence quasiment homogène, de composition invariable (et explosive), qu'on amène à la pression souhaitée, puis dont on provoque l'explosion par ignition en un point au moyen d'une étincelle commandée et déplacement d'un front de flamme dans le mélange ; on évite l'auto-inflammation du mélange, qui provoquerait le cliquetis (et à terme des dégâts matériels plus graves). Dans les moteurs Diesel, on la recherche ; le débit d'air y est constant, mais la proportion de carburant qui y est injecté, sous forme d'un brouillard de fines gouttelettes, est variable ; c'est la compression, qui, par augmentation simultanée de la pression et de la température, va provoquer l'auto-inflammation du mélange en un ou plusieurs points de la chambre de combustion, où sont simultanément réunies les bonnes conditions de concentration, de pression et de température. Ailleurs, elles ne le sont pas, ce qui a plusieurs conséquences : certaines heureuses, à savoir qu'il n'y a pas auto-inflammation de l'ensemble du contenu du cylindre, comme cela se produit dans le cas du cliquetis des moteurs à essence, et donc pas de stress mécanique exagéré ; d'autres qui le sont moins : en dehors des points où se produit l'auto-inflammation, la combustion n'est pas optimale ; ceci est en grande partie compensé par le fort excès d'air et le fort taux de compression des moteurs Diesel, qui favorisent l'efficacité de la combustion, mais il y a forcément des zones à grand excès d'air, qui provoqueront la formation d'oxydes d'azote et des zones trop riches en carburant, qui génèreront des imbrûlés^[15].

La nature des carburants usuels pour moteurs Diesel : des hydrocarbures relativement lourds, avec un ratio carbone/hydrogène élevé, une fraction aromatique importante et un taux d'aromatiques polycycliques (HAP) non négligeable, fait que parmi ces imbrûlés, il y a des suies, des dépôts de coke mêlé à des HAP, qui forment des plaquettes de type graphitique, puis des sphérules carbonées, sur lesquelles viennent s'adsorber d'autres polluants (oxydes de soufre, hydrocarbures). La taille moyenne de ces particules serait de 100 nm en nombre, de 250 nm en volume^[16],[17]. Non seulement on a affaire à des particules fines, mais elles comportent une grande part de nanoparticules^[18].

La composition et la granulométrie des particules émises par les moteurs Diesel en font leur principal problème sanitaire et environnemental : le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC/IARC) avait dans un premier temps (1998) classé leurs gaz d'échappement « cancérogènes probables »^[19], et peut-être reprotoxiques^[20]. Puis, le 12 juin 2012^[3], les experts du CIRC, après une réunion d'une semaine tenue en son siège de Lyon, ont décidé de les reclasser comme cancérogène pour l'Homme (Cf. Groupe 1).

• Ce sont aussi des facteurs 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^[19],[21].

• Aux États-Unis, environ 1,4 million de travailleurs étaient chroniquement exposés aux particules-diesel de 1981 à 1983 ; et 3 millions dans l’Europe des quinze, de 1990 à 1993^[19]. Sur ce point, le lobby minier Américain Mining Awareness Resource Groupe (MARG) veut s'opposer à la publication d'études sur les effets sur la santé des mineurs des gaz d'échappement des moteurs diesel^[22]. Les normes européennes d'émission ont pris en compte la réduction des taux de particules émis par les moteurs Diesel. Actuellement la limite est de 0,02 g/kWh pour les camions (Euro V) et 0,005 g/km pour les voitures particulières (Euro 5).

Les systèmes d'injection directe haute pression, qui permettent d'homogénéiser la composition du mélange, et la sur-alimentation par turbo-compression à géométrie variable, qui augmente la pression partielle d'oxygène, sont supposés améliorer la qualité de la combustion et donc, d'une part augmenter le rendement, d'autre part, diminuer la quantité de particules, mais ce dernier fait est controversé en ce qui concerne les systèmes d'injection.
La diminution de la teneur du carburant en naphténiques et en aromatiques et, particulièrement, en aromatiques polycycliques, son additivation en composés oxygénés diminuent la production de particules. En revanche, le rapport entre indice de cétane et émission de particules est extrêmement controversé, certains affirmant que son élévation s'accompagne de l'augmentation du nombre de particules émises, d'autres assurant le contraire.

D'autres imbrûlés cancérigènes

Sont également présents dans les gaz d'échappement :

• Les benzopyrènes et les benzoanthracènes, hydrocarbures aromatiques polycycliques reconnus cancérigènes.

• Le formaldéhyde, cancérigène de catégorie 1 (CIRC) (catégorie 3 au niveau européen, 1 ou 2, pour le code du travail français^[23]), à une concentration similaire à celle des moteurs à essence (100 à 300 ppm).

Les oxydes d'azote

Les oxydes d'azote - NOx sont des précurseurs de la pollution à l'ozone, surtout par temps ensoleillé et notamment lors de canicules. Les normes européennes d'émission ont pris en compte de manière limitée la réduction des oxydes d'azote - NOx émis par les moteurs Diesel. Actuellement la limite est de 2 g/kWh pour les camions (Euro V) et 0,18 g/km pour les voitures particulières (Euro 5).

Le cas particulier du NO₂

On distingue le NO₂ des autres oxydes d'azote (NO_x). Le NO₂ se combine avec l'humidité des muqueuses nasales, de la sphère ORL et des poumons en donnant de l'acide nitrique. Il cause des troubles respiratoires (asthme notamment) ou il les aggrave, avec des symptômes souvent chroniques chez certains automobilistes et chez les habitants ou travailleurs des zones où la circulation est dense.

La part de NO₂ est plus importante pour les véhicules à moteurs Diesel que pour ceux utilisant l'essence de norme Euro équivalente. Le dioxyde d’azote n’est pas pris en compte en tant que tel dans ces normes d’émission^[24], qui fixent des seuils pour l'ensemble des NOx.

Aux États-Unis, l'EPA a proposé^[25] en juin 2009 de durcir la réglementation (éventuellement avant janvier 2010) sur les émissions de NO₂ par les véhicules ; l'agence a proposé sur des bases scientifiques récentes :

• une valeur limite horaire en NO₂ qui n'existait pas aux États-Unis, et pourrait être comprise entre 80 et 100 parties par milliard (ppb)^[25]:
• le maintien d'une concentration moyenne annuelle ne devant pas dépasser 53 ppb (norme en vigueur depuis 1971^[25]).
• une surveillance obligatoire des taux de NO₂ dans une bande de 50 mètres autour des principaux axes routiers urbains dans les villes de 350 000 habitants (jusqu'en 2009, un tel contrôle n'était dans ce pays pratiqué que dans quelques villes de plus d’un million d’habitants)^[25].

En France, en 2009, constatant que les émissions de NO₂ par les moteurs Diesel n'ont pas diminué depuis plus de dix ans (des années 1995 à 2009), l'AFSSET^[26] a appelé - sans attendre les futures normes annoncées par l'Europe – à réduire les émissions de NO₂ des moteurs Diesel^[26].

Les pots catalytiques se développent et on voit se généraliser, depuis 2009, la présence de filtre à particules (FAP) sur les nouveaux moteurs Diesel. Or, les catalyseurs mais aussi certains FAP (FAP dits « catalysés » et non les FAP dits « additivés »), s'ils permettent la « combustion » de suies fines dans le filtre ou le pot catalytique ont pour effet paradoxal d'encore accroître les émissions de NO₂^[26]. L'addition de platine, notamment dans le Diesel oxydation catalyst (DOC) positionné en amont du filtre à particules (FAP), génère du NO₂^[26] qui va contribuer à la régénération dite « passive » des filtres à particules.

L'AFSSET alerte sur le fait que si au moins 30 % des filtres installés dans les années à venir sont de type « non polluants », alors les taux de NO₂ émis par les véhicules légers devraient diminuer entre 2009 et 2014, mais si moins de 30 % des filtres posés le sont, le NO₂ augmentera encore^[26].

L’Afsset a recommandé mi 2009^[26]

• que les flottes captives (bus, utilitaires, taxis) soient équipés de filtres moins polluants en NO₂ (c'est aussi une des propositions du Plan national santé environnement, PNSE II) ;
• de faire du NO₂ un critère obligatoire dans toutes les nouvelles réglementations sur les émissions des véhicules, au lieu de ne se baser que sur la somme des oxydes d’azote (NO_x) ;
• de créer un outil d’évaluation de l’efficacité des techniques de contrôle des émissions Diesel ;
• de faire des recherches en toxicologie sur l'impact des émissions Diesel.

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'au 31 décembre 2013 ;
• les normes présentes (jusqu'en 2009) visaient principalement à diminuer les particules émises par les Diesel, la réduction des taux de NO_x n'était prise en compte que de manière marginale, et n'ont eu aucun effet significatif sur les taux émis de NO₂.

Une étude publiée en mai 2015 révèle que les systèmes de dépollution installés par les constructeurs sur les voitures de dernière génération, obéissant à la norme Euro 6, ne fonctionnent pas au plein de leur capacité, les industriels ayant choisi d'en limiter l'efficacité au seul respect des tests d'homologation européens. Cette étude, réalisée par l'association d'industriels AECC, qui regroupe des fabricants de système de dépollution, se base sur les tests d'une grande routière, équipée d'un système de dépollution SCR, système le plus avancé adopté par BMW, Mercedes, PSA ou Volkswagen, tests réalisés sur une distance de 107 km à une vitesse moyenne de 57 km/h, avec une méthodologie de test embarqué qui sera appliquée en 2017 en Europe sous le nom de RDE, configuration plus réaliste que le cycle officiel (NEDC) qui teste la voiture sur 11 km à peine, à 33 km/h. Ce test montre que, alors que la voiture émet en théorie, selon NEDC, 70 mg/km de NOx, le score réel est de 272 mg/km, soit 3,4 fois plus que la norme Euro 6 ; or les auteurs de l'étude ont obtenu une émission de 111 mg/km seulement, en programmant une injection plus fréquente d'Ad Blue, liquide à base d'urée qui permet de convertir les NOx en eau et en azote ; mais cela nécessite de remplir le réservoir d'Ad Blue tous les 7000 à 8 000 km. Les constructeurs ont préféré se limiter au simple respect de la norme Euro 6 afin que les clients n'aient à faire remplir ce réservoir que tous les 20 000 km^[27].

Odeurs

Les odeurs caractéristiques des gaz d'échappement des moteurs Diesel sont dues à un ensemble complexe de composés organiques tels que les indoles, furanes et phénols.

Pistes d’améliorations potentielles

Des améliorations des moteurs 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) est nécessaire. Cette technologie s'est généralisée à partir de 2009, lors de la mise en place de la Norme européenne d'émission EURO V (camion). Cependant, les particules les plus fines ne sont pas filtrées et ces dernières sont les plus cancérigènes, car leur petite taille les fait s'infiltrer plus profondément dans les alvéoles pulmonaires.

• Le problème des oxydes d'azote (NO_x) est plus difficile à résoudre car ils sont générés par la présence simultanée d'oxygène et d'azote dans l'air, aux températures élevées nécessaires à un bon rendement et ce d'autant plus que, revers de son bon rendement et donc de sa plus faible production de CO₂, le moteur Diesel fonctionne en mélange dit « pauvre » (c'est-à-dire avec beaucoup d’air par rapport aux hydrocarbures). Les émissions de particules et de NO_x sont un équilibre entre une combustion efficace, une émission de NO_x faible et un niveau de particules émises faible. Le dispositif le plus courant à ce jour est l'utilisation de la recirculation des gaz d'échappement (EGR : Exhaust Gas Recirculation). On peut aussi utiliser des systèmes recourant à un additif à base d’urée que l’on injecte dans le pot catalytique, ce sont les systèmes Selective Catalytic Reduction (SCR). Ce qui est très efficace puisque le groupe Volkswagen a réussi en fin 2008 à homologuer aux États-Unis divers modèles (Q7, Jetta, A4…) satisfaisant aux très sévères normes Tier2 Bin5 et à la californienne LEV 2 (NB : les versions européennes, soumises à des normes nettement moins strictes, ne bénéficient pas du même niveau de dépollution)^[28]. Ces systèmes de traitement SCR sont en cours de généralisation sur les camions soumis au niveau d'émission Euro V depuis 2008. L'additif à base d'urée est commercialisé dans de plus en plus de stations service sous le nom AdBlue en Europe, Diesel Emission Fluid (DEF) aux États-Unis. Pour les véhicules particuliers, les choix technologiques ne sont pas encore figés. Il est encore possible de voir émerger des choix alternatifs de dosage d'ammoniac (solide SCR ou metal ammine).
• La voie de la catalyse des NO_x semble assez délicate car ils sont relativement stables et ne se dégradent à la lumière du jour qu'en quatre heures sous l'effet des ultraviolets, en produisant de l'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 NO_x sur son dernier moteur 2.2 D-CAT (Clean Advanced Technology) développant 177 ch. Les versions 136 et 150 ch de ce même moteur ne sont pas équipées de ce système de catalyse des NO_x.
• L'inconvénient majeur du pot catalytique réside dans le fait que, comme sur un moteur à allumage commandé (moteur à essence), son efficacité n'intervient qu'après une plus ou moins longue période de chauffe (suivant la température ambiante extérieure). Ce phénomène pose le problème de l’adaptation des motorisations thermiques à la circulation urbaine qui se caractérise par des trajets plutôt courts, souvent insuffisants pour permettre au dispositif catalytique d'atteindre la température nécessaire à son efficacité. Certains pots catalytiques sont d’ailleurs équipés de systèmes favorisant leur montée en température.
• Des filtres à particules d'échappement plus performants sont à l'étude et de nouvelles technologies d'échappement permettent de modifier les taux de particules et leur nature^[29], pouvant faire chuter le taux de particule jusqu'à 90 % par rapport aux anciens systèmes.

Évolution des carburants

Une première amélioration des carburants destinés aux moteurs Diesel (gazole, fiouls) a consisté en l'abaissement progressif, dans tous les pays, de leur teneur en soufre, ce qui a réduit l'émission de dérivés soufrés acides et polluants. Aujourd'hui, la réglementation européenne exige que le gazole, routier ou non routier, contienne moins de 10 mg/kg de soufre. Toutefois, cette amélioration a un coût énergétique et environnemental : la désulfuration du gazole requiert un traitement à l'hydrogène et la production d'hydrogène est elle-même une source importante d'émissions de CO₂ à l'atmosphère^[30],[31].

Le lien entre la présence dans le carburant d'hydrocarbures naphténiques et aromatiques et particulièrement, d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et la formation de particules étant avérée, la réglementation a limité à 8,0 % masse la teneur en composés aromatiques polycycliques du gazole. On sait aussi que l'ajout de composés oxygénés, qui améliorent la qualité de la combustion, diminue la production de particules ; il est prévu d'incorporer des méthyl-esters d'acides gras (EMHV) au gazole, mais à hauteur maximale de 7,0 % vol., sans qu'une teneur minimale soit fixée.

Certains^[Qui ?] imaginent une limitation plus stricte de la teneur en composés aromatiques ou l'obligation d'introduire une certaine proportion de composés oxygénés. Toutefois, de fortes difficultés se font jour : éliminer les aromatiques par extraction serait bien plus difficile dans le gazole que dans l'essence ; les hydrogéner par hydrotraitement consommerait énormément d'hydrogène, pour les transformer en naphténiques qui ne valent guère mieux. Une bonne façon de limiter la teneur en aromatiques (en même temps que d'élever l'indice de cétane et d'améliorer la tenue au froid) serait de davantage recourir à l'hydrocraquage pour l'obtention de gazole, mais ceci requiert des investissements élevés. Par ailleurs, les pétroliers demeurent hostiles à l'incorporation de produits oxygénés dans les carburants.

À plus longue échéance, si les procédés gas to liquids se développent, le gazole issu du procédé Fischer-Tropsch suivi d'hydroisomérisation fournirait un gazole totalement paraffinique, donc à très haut indice de cétane, le degré d'isomérisation permettant de contrôler la tenue au froid. Une telle composition réduirait fortement les émissions de particules. Il est également envisagé d'utiliser le méthoxyméthane, plus connu sous la désignation de diméthyl-éther (DME), comme carburant pour moteurs Dieseldu fait de son indice de cétane élevé (55, à comparer à celui du gazole, de 51 au minimum). Sa formule semi-développée CH₃OCH₃ met en évidence qu'il s'agit d'un produit léger, à chaîne carbonée courte et dépourvue de cycle aromatique, et de surcroît oxygéné. La qualité de la combustion serait toute autre, qu'il s'agisse des particules et imbrûlés de toutes sortes ou des NO_x.

Ces carburants synthétiques sont pour l'instant principalement produits à partir de combustibles fossiles et leur synthèse induit elle-même une consommation énergétique et une émission de CO₂ : un bilan global implique de comptabiliser l'ensemble de la dépense énergétique et des émissions de la filière, et pas uniquement ce que le consommateur final est à même de percevoir et de concevoir. Mais on peut envisager de générer le gaz de synthèse alimentant le procédé Fischer-Tropsch à partir de biomasse et le DME fait partie des possibles biocarburants de seconde génération, qui pourraient se contenter de lignocellulose comme matière première.

Dénominations commerciales des moteurs Diesel de voiture

Voici la liste des différents noms donnés aux moteurs Diesel modernes (injecteurs pompes ou rampe commune) selon les marques qui les commercialisent :

Compétition automobile

Audi a remporté cinq fois les 24 Heures du Mans en 2006, 2007, 2008, 2010 et 2011 grâce à l'Audi R10 équipée d'un moteur V12 TDI (Turbo Diesel à injection directe), l'Audi R15+ équipée du V10 TDI et l'Audi R18.

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.

Sur la lancée victorieuse des motorisations Diesel de son concurrent direct Audi, le constructeur Peugeot réalise un doublé devant Audi avec ses 908 Diesel à l'édition du Mans 2009 et gagne le Petit Le Mans aux États-Unis.

Cette Peugeot 908, malgré sa débâcle aux 24 Heures du Mans 2010^{[réf. nécessaire]}, remporte les 12 Heures de Sebring et Petit Le Mans 2010. Elle se permet aussi de remporter les 12 Heures de Sebring (s'agissant toujours de la 908 HDi FAP datant de 2010 et engagée par Oreca, car Peugeot se bat avec une nouvelle version, appelée « 908 » tout court et disposant d'un V8 de 3,7 L de cylindrée développant 550 chevaux (puissances revues à la baisse par le règlement)) et Petit Le Mans en 2011.

La domination de ces moteurs Diesel durant les 24 Heures du Mans a fait l'objet de nombreuses controverses. Explicitement celle-ci était surtout due à des arrêts aux stands moins fréquents en raison d'une consommation inférieure à celle des moteurs à essence, mais aussi au couple énorme que génèrent ces moteurs (un V12 TDI dont la puissance maximale est atteinte à 4 100 tr/min (430 rad/s) environ, avec une puissance de 474 kW (650 ch), on en déduit un couple de (C=P/omega) 474 000/430 = 1 100 N·m), (ces calculs sont approximatifs mais démontrent parfaitement le phénomène autour de ces moteurs), qui permet des accélérations supérieures aux essences. Mais implicitement, leur domination est aussi due à leur valorisation, par rapport aux moteurs essence, de la part de l'Automobile Club de l'Ouest (ACO), l'organisateur des 24 Heures du Mans. Ces problèmes d'équivalence essence/Diesel au niveau des règlements techniques sont remis à plat par l'ACO et la FIA pour la saison 2012^[33] qui verra notamment la renaissance d'un Championnat du monde d’endurance FIA.

Les usines Audi et Peugeot envisagent à l'avenir de mêler la motorisation Diesel à une motorisation électrique, créant ainsi un bolide de compétition hybride.

Les tentatives d'insertion des motorisations Diesel en compétition font écho aux chiffres de vente de ces motorisations face aux motorisations à 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 Diesel, primes écologiques à l'achat, etc.).

Records

• 1973 - Virgil Snyder décroche le record de vitesse sur véhicule Diesel à Bonneville à bord du Thermo King Streamliner avec la vitesse de 379,412 km/h.^{[réf. nécessaire]}
• 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 (en), véhicule de sept mètres équipé de deux moteurs. Le record est établi à 563,18 km/h.^{[réf. nécessaire]}

Notes et références

Notes

Références

Annexes

Article connexe

• HDi

Liens externes

• Manuels d'entretien et de réparation tracteurs, revue Technique Tracteur Agricole
• Diesel incidences du moteur Diesel et santé publique
• RecordKilometrage.fr communauté automobile Les records de kilométrage de moteurs Diesel

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