Moteur Diesel Final [PDF]

Zitiervorschau

REPUBLIQUE TOGOLAISE

ECOLE NATIONAL SUPERIEUR DES INGENIEURS

UNIVERSITE DE LOME

CONSTRUCTION DE MACHINES : LE MOTEUR DIESEL

Présenté par : -

Sous la supervision du Dr DROVOU

DOUHADJI Kodjo Jules SAMATI Ablam Jean Paul MIBANBA Matiéyendou WEMEOUDA Sébastien

Anne universitaire : 2021 – 2022

UL-ENSI - MASTER PRO GM S 3

MOTEUR DIESEL

Table des matières Introduction .......................................................................................................................... 5 1. Historique.......................................................................................................................... 5 2. Moteurs Diesel .................................................................................................................. 6 3. Principaux composants d’un moteur diesel ....................................................................... 7 3.1. Le bloc-cylindres ......................................................................................................... 7 3.2. Chemise de cylindre ou alésage .................................................................................. 8 3.3. Piston et bielle .......................................................................................................... 10 3.4. Bielle .........................................................................................................................11 3.5. Vilebrequin ................................................................................................................11 3.6. Volant d’inertie ..........................................................................................................13 3.7. Culasses et soupapes .................................................................................................13 3.8. Pignons de synchronisation, arbre à cames, et mécanisme de soupape ....................15 3.9. Le Turbocompresseur............................................................................................... 16 3.10. Refroidissement du moteur ..................................................................................... 17 3.11. Lubrification du moteur ........................................................................................... 17 3.12. Système carburant ................................................................................................. 18 3.13. Système d’admission d’air ...................................................................................... 19 3.14. Turbocompression .................................................................................................. 20 3.15. Suralimentation ...................................................................................................... 21 3.16. Système d’échappement ........................................................................................ 21 3.17 Filtre à particules de suie .......................................................................................... 22 4. Terminologie opérationnelle ........................................................................................... 22 4.1. Alésage et course ..................................................................................................... 22 4.2. Cylindrée .................................................................................................................. 23 4.3. Le taux de compression et le volume d’espace mort ................................................ 23 4.4. Le degré de rotation du vilebrequin ......................................................................... 24 4.5. Ordre d’allumage ..................................................................................................... 24 4.6. Puissance et vitesse.................................................................................................. 25 5. Les cycles de base Diesel ................................................................................................. 27 5.1. Cycle ......................................................................................................................... 28

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5.2. Le cycle à quatre temps ............................................................................................ 28 Epure de distribution ................................................................................................... 29 5.2.1. Admission .............................................................................................................. 29 5.2.2. Injection de carburant ........................................................................................... 29 5.2.3. Puissance ou le temps moteur ............................................................................... 30 5.2.4. Échappement ........................................................................................................ 30 5.3. Contrôle du moteur .................................................................................................. 30 5.8. Injecteurs de carburant..............................................................................................31 5.9. Injection électronique hydraulique ............................................................................31 5.10. Circuits de démarrage..............................................................................................33 5.11

BILAN ENERGETIQUE : moteur DIESEL .................................................................. 34

5.11.1.

Rappel principe moteur diesel ........................................................................... 34

5.11.2. Flux thermique dégagée par la combustion / Rendement de combustion comb 34 5.11.3.

Puissance théorique / Rendement théorique (ou thermodynamique) th...........35

5.11.4. Rendement de forme f ..................................................................................... 37 5.11.5. Rendement mécanique m ................................................................................. 37 6. Protection du moteur ....................................................................................................... 37 6.1. Les moteurs refroidis par l’eau peuvent surchauffer ................................................. 38 6.2. Échappement ........................................................................................................... 38 6.3. Lubrification à basse pression .................................................................................. 38 6.4. Pression élevée du carter ......................................................................................... 39 7. les usages du moteur diesel ............................................................................................ 39 8. Les technologies associées au moteur diesel ................................................................. 40 8.1. Suralimentation ....................................................................................................... 40 8.2. Injection directe ...................................................................................................... 40 8.3. Préchauffage .......................................................................................................... 41 8.4. Filtre à particules.................................................................................................... 41 8.5. Recirculation du gaz d’échappement ...................................................................... 42 8.6. Reduction catalytique sélective .............................................................................. 42 8.7. Diagnostic embarqué ............................................................................................. 42 9. Carburant du moteur Diesel ........................................................................................ 42 9. 1. Carburant et son évolution ...................................................................................... 43

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9. 1. Principales caractéristiques des carburants Diesel ................................................... 44 9. 1. 1. Viscosité ............................................................................................................... 44 9. 1. 2.Indice de CONRADSON ....................................................................................... 44 9. 1. 3.Indice de cétane (NC) ........................................................................................... 44 9. 1. 3.Le point éclairé ..................................................................................................... 44 9. 1. 4.Pouvoir Calorifique ............................................................................................... 45 10.le graissage des moteurs Diesel ..................................................................................... 45 10. 1. But du graissage .................................................................................................... 45 10. 2. Le graissage général .............................................................................................. 46 11. réfrigération des moteurs Diesel industriels ................................................................. 47 11. 1. Nécessité de la réfrigération .................................................................................. 47 11. 2. Les fluides utiles pour la réfrigération .................................................................... 47 11. Comparaison entre moteur diesel et un moteur à essence (Otto) .............................. 48 12. Dénomination du moteur Diesel ................................................................................... 49 13.

Avantage et inconvénient du moteur diesel ...............................................................51

13.1. Avantages ................................................................................................................51 13.1.1. Le rendement ........................................................................................................51 13.1.2. La robustesse ........................................................................................................51 13.1.3. Progrès en dépollution ......................................................................................... 52 13.1.4. Avantages liés au carburant pour moteur diesel .................................................. 52 13.1.5. Meilleure efficacité du moteur diesel ...................................................................53 13.1.6. Ne nécessite pas de système électrique pour fonctionner ....................................53 13.2. Inconvénient .......................................................................................................... 54 13.2.1. Poids ................................................................................................................... 54 13.2.1. Souplesse ........................................................................................................... 54 13.2.3. Prix d’achat élevé ................................................................................................ 54 14. Pollution et toxicité du moteur Diesel (impact environnemental) ................................ 55 Conclusion .......................................................................................................................... 56

Introduction Le moteur à combustion et explosion désigne tout type de moteur à combustion interne à pistons alternatifs ou rotatifs, Diesel, semi-Diesel ou à allumage commandé dans lesquels les gaz brûlent avec un front de flamme dont la vitesse est, normalement, inférieure à celle du son. Le premier moteur à combustion à un cylindre a été réalisé par Eugenio Barsanti et Felice Matteucci en 1854. Le moteur à combustion à deux temps est réalisé par Étienne Lenoir en 1859. Le moteur à combustion à quatre temps est inventé par Beau de Rochas en 1862, développé par Nikolaus Otto en 1867, puis perfectionné par Gottlieb Daimler et Wilhelm Maybach en 1886, suivi par le Moteur à boule chaude en 1891 puis le moteur Diesel en 1893.

1. Historique Le moteur diesel moderne est le résultat des principes de la combustion interne d’abord proposé par Sadi Carnot au début du 19ème siècle. Le Dr Rudolf Diesel a appliqué les principes de Sadi Carnot dans un cycle ou méthode de combustion breveté qui fut connu sous le nom de cycle de « diesel «. Son moteur breveté fonctionnait lorsque la chaleur générée pendant la compression de la charge d’air et du carburant entrainait l’allumage du mélange, qui ensuite s’étirait à une pression constante dès que le moteur avait atteint sa pleine puissance.

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Le premier moteur du Dr. Diesel fonctionnait à la poussière de charbon et utilisait une pression de compression de 1500 psi pour accroître son efficience théorique. Ce premier moteur n’était également pas prévu pour accueillir un quelconque système de refroidissement. Par conséquent, entre la pression extrême et l’absence de refroidissement, le moteur finit par exploser, tuant presque son inventeur. S’étant remis de ses blessures, Diesel essaya à nouveau d’utiliser du pétrole comme carburant, ajoutant une chemise d’eau autour du cylindre, et réduisant la pression de compression à approximativement 550 psi. Cette combinaison se révéla plus efficace. Les droits de production du moteur furent vendus à Adolphus Bush, qui construisit les premiers moteurs diesel à usage commercial, les installant dans sa distillerie de St. Louis pour actionner diverses pompes.

2. Moteurs Diesel Le moteur diesel est similaire au moteur à essence utilisé dans la plupart des voitures. Les deux moteurs sont des moteurs à combustion, ce qui signifie qu’ils brulent le mélange carburant-oxygène à l’intérieur des cylindres. Ce sont tous les deux des moteurs alternatifs, entraînés par les pistons en mouvement latéral dans deux directions. La majorité de leurs pièces détachées sont similaires. Bien qu’un moteur diesel et un moteur à essence fonctionnent avec des composants similaires, lorsque le moteur diesel est comparé au moteur carburant de puissance équivalente, il est plus lourd en raison des matériaux plus solides utilisés pour supporter des forces dynamiques plus importantes. La pression de combustion plus importante est le résultat du taux de compression plus élevé utilisé par les moteurs diesel. Le taux de compression mesure à quel point le moteur comprime les gaz dans le cylindre du moteur. Dans un moteur à essence, le taux de compression (qui contrôle la température de compression) est limité par le mélange air-essence pénétrant dans les cylindres. La température d’allumage plus basse du carburant allumera le moteur (bruler) à un taux de compression inférieur à 10,1. Le taux de compression d’une voiture moyenne est de 7,1. Dans un moteur diesel, les taux de compression sont généralement compris entre 14,1 et 24,1. Les taux de compression élevés sont possibles car seul l’air est comprimé et ensuite le carburant est injecté. C’est l’un des facteurs qui permet au moteur diesel d’être aussi efficace. Le taux de compression sera abordé plus en détail à la fin de cette section. La vitesse de rotation (RPM) du moteur diesel est limitée par la quantité de carburant injectée dans les cylindres du moteur. Par conséquent, le moteur aura toujours assez d’oxygène à bruler et le moteur essaiera d’accélérer pour respecter le nouveau taux d’injection du carburant. C’est pour cette raison qu’une régulation manuelle du carburant n’est pas possible, car ces moteurs peuvent accélérer au taux de plus de 2000 tours par 6|Page

seconde à vide. Les moteurs diesel exigent un limiteur de vitesse, communément appelé le régulateur, pour contrôler la quantité de carburant injectée dans le moteur. Contrairement au moteur à essence, un moteur diesel ne nécessite pas de système d’allumage. En effet, dans un moteur diesel, le carburant est injecté dans le cylindre lorsque le piston arrive au maximum de sa course de compression. Lorsque le carburant est injecté, il s’évapore et s’enflamme en raison de la chaleur créée par la compression de l’air dans le cylindre.

3. Principaux composants d’un moteur diesel Pour comprendre comment un moteur diesel fonctionne, il est nécessaire de comprendre le fonctionnement des principaux composants ainsi que leur relation les uns aux autres. 3.1. Le bloc-cylindres Le bloc-cylindres est fabriqué en un seul bloc en fonte. Dans un moteur diesel à refroidissement par liquide de refroidissement, le bloc procure aussi la structure et le cadre rigide des cylindres du moteur, des conduits du liquide de refroidissement et de l’huile.

Culasse Piston Soupape L‘arbre à cames

Distribution

Bielle

Bloc moteur

Pompe d’alimentation

Vilebrequin

Coussinets de bielles 7|Page

Bloc-moteur

Carter inférieur (carter d’huile)

Le carter est généralement situé au fond du bloc-cylindres. Le carter est défini comme la zone autour du carter et du palier de vilebrequin. Cette zone comprend le vilebrequin et les contrepoids du vilebrequin et renvoie l’huile dans le carter inférieur. La cuve à huile est située au fond du carter. La cuve recueille et permet l’alimentation en huile du moteur. Dans les très gros moteurs diesel, la cuve à huile est divisée en plusieurs cuves séparées.

3.2. Chemise de cylindre ou alésage Les moteurs diesel utilisent un ou deux types de cylindres. Dans le premier, chaque cylindre est simplement installé dans le carter du bloc, faisant partie intégrante avec les cylindres. Dans le deuxième, une gaine en acier est enfoncée dans le carter du bloc pour former le cylindre. Avec chacune des méthodes, la chemise du cylindre (ou alésage) procure au moteur une structure cylindrique nécessaire pour confiner les gaz de combustion et guider les pistons du moteur.

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Dans les moteurs équipés de chemises, il peut y avoir deux types de chemises : sèches ou mouillées. Une chemise sèche est entourée par le métal du bloc et n’est pas en contact direct avec l’eau de refroidissement du moteur. Une chemise mouillée est en contact direct avec le liquide de refroidissement du moteur. Le volume quand le piston est au PMH dans la chemise s’appelle la chambre de combustion et c’est à cet endroit que le carburant est brulé.

Dans chaque type de cylindre, chemisé ou alésé, le diamètre du cylindre s’appelle l’alésage du moteur. La plupart des moteurs diesel sont des moteurs multicylindres et sont généralement dotés de cylindres disposés d’une ou de deux façons : en ligne ou en forme de «V», mais il existe d’autres combinaisons. Dans un moteur monté en ligne, comme son nom l’indique, tous les cylindres dont disposés en rangée. Dans un moteur monté en forme de «V», les cylindres sont disposés en deux rangées de cylindres en angle les uns par rapport aux autres qui s’alignent sur un segment commun du vilebrequin.

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3.3. Piston et bielle Le piston transforme l’énergie des gaz en développement en une énergie mécanique.

Le piston parcoure la chemise du cylindre. Habituellement sur les engins, les pistons sont en fonte. Pour empêcher les gaz de combustion de contourner le piston et pour maintenir le frottement au minimum, chaque piston est équipé de plusieurs anneaux métalliques appelés segments.

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Ces segments servent de joint entre le piston et la paroi du cylindre et réduit aussi le frottement en minimisant la zone de contact entre le piston et la paroi du cylindre. Les segments sont généralement en fonte et recouverts de chrome ou de molybdène. La plupart des pistons des moteurs diesel sont dotés de plusieurs segments, habituellement entre 2 et 5, et chaque segment a une fonction bien distincte. Le/les segment(s) supérieur(s) agit(ssent) principalement comme des joints d’étanchéité. Le/les segment(s) intermédiaires agit(ssent) comme des joints racleurs pour retirer et contrôler la quantité de film lubrifiant sur les parois du cylindre. Le/les segment(s) inférieur(s) agit(ssent) comme des segments graisseurs et garantit(ssent) qu’une quantité d’huile lubrifiante est uniformément déposée sur les parois du cylindre.

3.4. Bielle La bielle relie le piston au vilebrequin. Les bielles sont en métal matricé et traité thermiquement pour procurer la force nécessaire. Chaque extrémité de la bielle est percée, et l’orifice supérieur est connecté à l’axe du piston. La grande extrémité de l’orifice de la bielle est divisée en deux et verrouillée pour pouvoir attacher la bielle au vilebrequin. Certaines bielles des moteurs diesel sont percées au centre pour permettre à l’huile de se déplacer vers le haut du vilebrequin, dans l’axe du piston et dans le piston pour la lubrification.

Une variation trouvée dans les moteurs en forme de V qui impacte les bielles est de positionner les cylindres sur les côtés gauche et droit directement en face les uns des autres au lieu de les étaler (configuration la plus commune). Cette disposition nécessite que les bielles de deux cylindres opposés partagent le même palier d’essieu principal sur le vilebrequin.

3.5. Vilebrequin Le vilebrequin transforme le mouvement linéaire des pistons en un mouvement rotatif qui est transmis à la charge. Les vilebrequins sont composés d’acier forgé. Le vilebrequin en acier forgé est usiné pour obtenir le palier de vilebrequin et les surfaces du palier de bielle. Les paliers de bielle sont excentriques ou compensés à partir du centre du vilebrequin comme illustré ci-dessous. 11 | P a g e

Cette compensation transforme le mouvement alternatif (monter et descente) du piston en mouvement rotatif du vilebrequin. La quantité de compensation détermine la course (distance de déplacement du piston) du moteur. Le vilebrequin ne roule pas directement sur les supports du bloc du vilebrequin, mais sur des paliers en matériaux spéciaux.

Les bielles sont aussi équipées de coussinets insérés entre le vilebrequin et les bielles. Le matériau du coussinet est un alliage tendre de métaux qui procure une surface d’usure remplaçable et empêche le grippage entre deux métaux similaires (à savoir le vilebrequin et la bielle). Chaque coussinet est divisé en deux pour permettre l’assemblage du moteur. Le vilebrequin est pourvu de conduits d’huile qui permettent au moteur de transporter l’huile à chacun des coussinets du vilebrequin et de la bielle et en haut vers la bielle. Le vilebrequin est composé de grosses masses appelées contre poids qui équilibrent le mouvement des bielles. Ces poids garantissent un équilibrage au cours de la rotation des pièces mobiles.

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3.6. Volant d’inertie Un volant d’inertie est un dispositif mécanique rotatif utilisé pour emmagasiner l’énergie de rotation. Les volants d’inertie ont une inertie appelée le moment d’inertie et par conséquent résistent aux changements de la vitesse de rotation. La quantité d’énergie emmagasinée dans un volant d’inertie est proportionnelle au carré de sa vitesse de rotation. Le volant d’inertie est situé à une extrémité du vilebrequin et a trois fonctions. Premièrement, en raison de son inertie, il réduit la vibration en ralentissant la course de puissance au fur et à mesure que chaque cylindre est en phase de combustion. Deuxièmement, c’est la surface de montage utilisée pour accoupler le moteur à sa charge. Troisièmement sur certains moteurs diesel, le volant d’inertie est doté de dents d’engrenage autour de son périmètre qui permettent aux démarreurs d’engager et de faire tourner le moteur au démarrage.

3.7. Culasses et soupapes La culasse d’un moteur diesel a plusieurs fonctions. Premièrement, elle constitue le couvercle supérieur pour les chemises des cylindres. Deuxièmement, elle constitue la structure de soutien des soupapes d’échappement (et des soupapes d’admission le cas échéant), l’injecteur de carburant et les liaisons nécessaires.

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Les culasses de moteur diesel sont fabriquées d’une ou de deux façons. Dans la première méthode, chaque cylindre a sa propre tête qui est verrouillée au bloc. Cette méthode est principalement utilisée sur les gros moteurs diesel. Dans la deuxième méthode, qui est utilisée sur les moteurs plus petits, la culasse est une seule et même pièce (tête multicylindres).

Les soupapes sont situées dans la culasse du moteur. L’endroit où la soupape est scellée contre la culasse est appelé le siège de soupape. Un joint est fixé pour sceller la tête au blocmoteur. Les joints de culasse sont composés de matériaux spéciaux qui résistent aux hautes températures et aux pressions élevées. Le composite traditionnel du joint de culasse est un joint compressible plat. Il consiste en une feuille de support métallique sur laquelle le matériau composite est déposé de chaque côté, à savoir le bloc et la culasse.

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Les bagues métalliques (anneaux de feu) scellent la chambre de combustion et protègent le matériau composite sensible à la chaleur. La surface du matériau est imprégnée pour empêcher le joint de gonfler dès qu’il entre en contact avec un liquide, tel que l’huile, l’eau ou le liquide de refroidissement. Les éléments appelés Viton composés de matériaux élastomères permettent une augmentation partielle de la pression de surface de montage aux alentours des conduits de pression d’huile.

3.8. Pignons de synchronisation, arbre à cames, et mécanisme de soupape Pour qu’un moteur diesel fonctionne, tous ses composants doivent effectuer leurs fonctions à intervalles précis en ce qui concerne le mouvement du piston. Pour cela, un composant appelé arbre à cames est utilisé.

Un arbre à cames est une longue barre dotée de lobes excentriques en forme d’œufs, un lobe pour chaque soupape. Chaque came a un échangeur. Lors de la rotation de l’arbre à cames, l’échangeur est poussé vers le haut ou le bas au fur et à mesure qu’il suit le profil du bossage de came. Les échangeurs sont connectés aux soupapes du moteur à travers divers type de liaisons appelés poussoirs et culbuteurs. Les poussoirs et culbuteurs transfèrent le mouvement alternatif généré par les cames de l’arbre à came vers les soupapes et les injecteurs les ouvrant ou en les fermant lorsque c’est nécessaire. Les soupapes sont maintenues fermées par les ressorts. Lorsque la soupape est ouverte par l’arbre à came, il comprime le ressort de la soupape. L’énergie emmagasinée dans le ressort 15 | P a g e

de la soupape est ensuite utilisée pour fermer la soupape au fur et à mesure que la came de l’arbre à came est écartée par rotation sous le suiveur. En raison des fortes variations de température subies par le moteur, ses composants doivent être conçus pour permettre la dilatation thermique. Par conséquent, les soupapes, les culbuteurs de soupape et les tiges de culbuteurs doivent pouvoir permettre cette dilatation. Ceci est accompli par l’utilisation de jeu de soupape (jeu de soupape ou jeu de culbuteur). Le jeu de soupape est le terme donné au « débordement » ou « abandon » dans le train de commande des soupapes avant que la came ne commence à ouvrir la soupape. L’arbre à cames est dirigé par le vilebrequin du moteur à travers une série de pignons appelés pignons intermédiaires et pignons de synchronisation.

Certains petits moteurs utilisent une courroie de distribution pour commander l’arbre à cames. Les pignons permettent la rotation de l’arbre à cames pour correspondre ou se synchroniser avec la rotation du vilebrequin et permettant ainsi l’ouverture de la soupape, la fermeture de la soupape, et la planification de l’injection du carburant à intervalles précis au cours du déplacement du piston. Pour augmenter la flexibilité de synchronisation de l’ouverture de la soupape, la fermeture de la soupape et l’injection de carburant et pour augmenter la puissance ou réduire les coûts, un moteur peut avoir plus d’un arbre à cames. Habituellement, dans les moteurs de type V de taille moyenne/grande, chaque côté aura un ou plusieurs arbres à cames par tête. Dans les plus gros moteurs, les soupapes d’admission, les soupapes d’échappement et les injecteurs de carburant peuvent partager un arbre à cames commun ou avoir des arbres à cames indépendants. L’emplacement de l’arbre à cames varie en fonction du type et de la marque du moteur, Le/les arbre(s) à cames dans un moteur en ligne est habituellement situé sur la tête du moteur.

3.9. Le Turbocompresseur Le turbo du moteur diesel fait partie du système d’admission d’air et sert à comprimer l’air frais entrant pour le distribuer aux cylindres pour améliorer la combustion. Le turbo peut faire partie d’un système d’admission d’air turbocompressé ou suralimenté. Plus d’informations sur ces types de turbos sont données en fin de module. 16 | P a g e

3.10. Refroidissement du moteur Presque tous les moteurs diesel sont dotés d’un système de refroidissement pour extraire la chaleur perdue du bloc et des pièces internes. Le système de refroidissement consiste en une boucle fermée similaire à celle d’un moteur de voiture et contient les composants principaux suivants : pompe à eau, radiateur ou échangeur de température, chemise d’eau (qui consiste en conduits dans le bloc et la culasse) et un thermostat.

3.11. Lubrification du moteur Un moteur à combustion interne fonctionnerait même pendant quelques minutes si les pièces mobiles étaient autorisées à établir un contact métallique. La chaleur générée par l’énorme quantité de frottement ferait fondre le métal et détruirait le moteur. Pour empêcher cela, toutes les pièces mobiles fonctionnent sur un film d’huile fin qui est appliqué entre toutes les pièces mobiles du moteur.

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Une fois entre les pièces mobiles, l’huile a deux fonctions : L’une est de lubrifier les surfaces de support. L’autre est de refroidir les supports en absorbant la chaleur générée par le frottement. L’écoulement de l’huile vers les pièces mobiles s’effectue grâce au système de lubrification interne du moteur. L’huile s’accumule et est emmagasinée dans le carter inférieur du moteur où une ou plusieurs pompes aspirent et pompent l’huile vers un ou plusieurs filtres à huile. Les filtres nettoient l’huile et retirent toute trace de métal que l’huile aurait pu récupérer en raison de l’usure. L’huile nettoyée s’écoule ensuite dans les conduits d’huile du moteur. Une soupape de décharge maintient la pression de l’huile dans les conduits et renvoie l’huile vers le carter dès que la pression augmente. Les conduits d’huile distribuent l’huile sur toutes les surfaces de support du moteur. Une fois que l’huile a lubrifié et a refroidi les surfaces de support, elle s’écoule en dehors du coussinet et grâce à la gravité retourne vers le carter à huile. Dans les moteurs diesel moyens/ et gros, l’huile est aussi refroidie avant d’être distribuée dans le bloc.

3.12. Système carburant Il est nécessaire d’avoir un système pour emmagasiner et distribuer le carburant au moteur dans tous les moteurs diesel. Les moteurs diesel dépendent des injecteurs, qui sont des composants de précision avec des niveaux de tolérance très serrés et de très petits orifices d’injection ; le carburant distribué au moteur doit donc être extrêmement propre et exempt de polluants.

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Le système de carburant doit donc distribuer le carburant mais aussi s’assurer de sa propreté. Cela s’effectue habituellement grâce à une série de filtres en ligne. Le carburant sera filtré une fois qu’il sera sorti du réservoir. Le carburant passera ensuite dans au moins un filtre, souvent situé dans la ligne de carburant. Dans un moteur diesel, le système de carburant est beaucoup plus complexe que le système de carburant d’un simple moteur à essence car le carburant a deux fonctions : Une des fonctions est évidemment de distribuer le carburant pour faire tourner le moteur, l’autre est d’agir comme un liquide de refroidissement pour les injecteurs. Plus ou moins 60 % du carburant envoyé vers les injecteurs retourne vers le réservoir du carburant après avoir absorber la chaleur des injecteurs. Pour remplir sa fonction de liquide de refroidissement, le diesel s’écoule en permanence autour du système du carburant du moteur à un taux beaucoup plus élevé que celui exigé pour faire tourner un moteur. En fonction de l’application, l’excédent de carburant est renvoyé vers la pompe à carburant ou vers le réservoir de carburant. Ne laissez jamais votre moteur tourner avec seulement 10 litres (ou moins) de diesel dans le réservoir, car le temps de refroidissement du diesel sera moins court et la température du carburant augmentera. Les injecteurs sont très sensibles et ont besoin d’un refroidissement correct.

3.13. Système d’admission d’air Un moteur diesel nécessite un bon système d’admission d’air frais pour atteindre son rapport de compression, et parce que la plupart des moteurs diesel sont soit turbocompressés soit suralimentés, l’air entrant dans le moteur doit être propre, sans débris et aussi froid que possible. D’autre part, pour améliorer l’efficacité d’un moteur turbocompressé ou 19 | P a g e

suralimenté, l’air comprimé doit être refroidi après avoir été comprimé. Le système d’admission d’air est conçu pour effectuer ces tâches. En plus de nettoyer l’air, le système d’admission est habituellement conçu pour récupérer l’air frais aussi loin que possible du moteur, souvent en dehors de la structure ou du bloc moteur. Cela fourni au moteur de l’air qui n’a pas été chauffé par la propre chaleur perdue du moteur. La raison pour garantir que l’air distribué au moteur est aussi frais que possible est que l’air frais est plus dense que l’air chaud. Cela signifie que, par volume d’unité, l’air frais contient plus d’oxygène que l’air chaud. Ainsi, l’air frais procure plus d’oxygène par remplissage de cylindre que moins d’air chaud et dense. Plus d’oxygène signifie une consommation de carburant moindre et plus de puissance. Après avoir été filtré, l’air est routé par le système d’admission dans le collecteur d’admission ou le boîtier d’air du moteur. Le collecteur d’admission est le composant qui dirige l’air frais vers chaque soupape ou orifice d’admission. Si le moteur est turbocompressé ou suralimenté, l’air frais sera comprimé avec un turbocompresseur et probablement refroidi après avoir pénétré dans le collecteur d’admission ou boîtier d’air. Le système d’admission sert aussi à réduire le bruit d’écoulement de l’air.

3.14. Turbocompression La turbocompression dans un moteur survient lorsque les gaz d’échappement du moteur actionnent une turbine (pompe) qui tourne et est solidaire à une seconde pompe située dans le système d’admission d’air frais. La pompe du système d’admission comprime l’air frais.

L’air comprimé a deux fonctions. Premièrement, il augmente la puissance disponible du moteur en augmentant la quantité maximum d’air (oxygène) qui est poussée dans chaque cylindre. Ainsi, une quantité plus importante de carburant peut être injectée et plus de puissance est produite par le moteur. La seconde fonction est d’augmenter la pression d’admission. 20 | P a g e

Cela améliore le balayage de l’air des gaz d’échappement hors du cylindre. La turbo compression est habituellement disponible dans les moteurs à quatre temps puissants. Elle peut également être utilisée dans les moteurs à deux temps, où l’augmentation de la pression d’admission générée par le turbocompresseur est requise pour forcer l’air frais dans le cylindre et aider à forcer les gaz d’échappement hors du cylindre, et ce afin de permettre au moteur de fonctionner.

3.15. Suralimentation La suralimentation d’un moteur a la même fonction que la turbo compression d’un moteur. La différence est la source d’énergie utilisée pour entrainer le dispositif qui comprime l’air frais entrant. Dans un moteur suralimenté, l’air est habituellement comprimé dans un appareil appelé compresseur. Il est entrainé à partir du vilebrequin du moteur. Le type le plus commun de compresseur utilise deux rotors tournant pour comprimer l’air. La suralimentation est plus communément trouvée dans les moteurs à deux temps, où la pression supérieure qu’un surcompresseur est capable de générer est requise.

3.16. Système d’échappement Le système d’échappement libère les gaz d’échappement produits par le moteur dans l’atmosphère. Ce système remplit les fonctions suivantes : • Il améliore l’efficience du moteur en améliorant l’efficience de l’émission des gaz d’échappement de l’engin. • Il nettoie les gaz d’échappement en filtrant les éléments nocifs. • Il diminue le bruit de l’explosion créée par les gaz d’échappement.

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3.17 Filtre à particules de suie

Afin de respecter les lois et règlements environnementaux, les nouveaux systèmes d’échappement sont équipés de filtres à particules de suie. Un système de régénération garantira que la température dans le filtre sera suffisamment chaude pour bruler les particules de suie d’échappement. Les gaz d’échappement d’un moteur diesel sont une source majeure de pollution de l’air et contiennent des oxydes d’azote (NOx) et de la suie. Afin de respecter les règles et régulations environnementales, les systèmes d’échappement sont équipés de technologies diverses. Le niveau de traitement requis pour être en accord avec les standards applicables au sein d’une juridiction varie et, par conséquent, la technologie incorporée n’est pas standardisée sur l’ensemble des marches.

4. Terminologie opérationnelle Avant d’expliquer le fonctionnement détaillé d’un moteur diesel, plusieurs termes doivent être définis.

4.1. Alésage et course Alésage et course sont des termes utilisés pour définir la taille d’un moteur. Comme indiqué précédemment, l’alésage se réfère au diamètre de cylindre du moteur, et la course se réfère à la distance que traverse le piston à partir de la partie supérieure du cylindre vers le bas. Le point culminant du déplacement par le piston est appelé le point mort haut (PMH), et le point de déplacement le plus bas est appelé point mort bas (PMB). Il y a 180° de déplacement entre le PMH et la PMB, ou une course.

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4.2. Cylindrée La cylindrée est l’un des termes utilisés pour comparer un moteur à un autre. La cylindrée se réfère au volume total déplacé par tous les pistons durant une course. La cylindrée est généralement donnée en litres. Pour calculer la cylindrée d’un moteur, le volume d’un cylindre doit être déterminé (volume d’un cylindre = ( r 2) x h où h = la course). Le volume d’un cylindre est multiplié par le nombre de cylindres pour obtenir la cylindrée totale du moteur.

4.3. Le taux de compression et le volume d’espace mort Le volume d’espace mort est le volume restant dans le cylindre lorsque le piston est au PMH. En raison de la forme irrégulière de la chambre de combustion (volume dans la tête) le volume d’espace mort est calculé empiriquement par remplissage de la chambre avec une 23 | P a g e

quantité mesurée de liquide alors que le piston est au PMH. Ce volume est ensuite ajouté au volume de la cylindrée dans le cylindre jusqu’à obtenir le volume total des cylindres. Le taux de compression du moteur est déterminé en prenant le volume du cylindre avec le piston est au point mort bas PMB et en divisant le volume du cylindre lorsque le piston est au PMH. Il peut être calculé en utilisant la formule suivante : Taux de compression = Volume cyl. PMB + Vol. de la chambre de combustion Volume cyl. PMH

4.4. Le degré de rotation du vilebrequin Tous les événements qui se produisent dans un moteur sont liés à l’emplacement du piston. Parce que le piston est relié au vilebrequin, tout emplacement du piston correspond directement à un nombre spécifique de degrés de rotation du vilebrequin. L’emplacement de la bielle peut ensuite être indiqué comme quelques degrés avant ou quelques degrés après le point mort haut ou bas.

4.5. Ordre d’allumage L’ordre d’allumage correspond à l’ordre dans lequel chacun des cylindres dans un moteur à cylindres multiples s’allument (course d’alimentation). Par exemple, l’ordre d’allumage d’un moteur quatre cylindres pourrait être 1-3-4-2. 0

Cylindre 1

60

120 180o

P

360o

E

540o

I

720o

C

24 | P a g e

Cylindre 2

E

Cylindre 3

C

Cylindre 4

I

I

C

P

P

E

I

C

P

E

A = admission C = Compression CD = Combustion Détente E = Échappement

Cela signifie que le cylindre numéro 1 s’allume, puis le cylindre numéro 3 s’allume, puis le cylindre numéro 4 s’allume, puis le cylindre numéro 2 s’allume et ainsi de suite. Les moteurs sont conçus de telle sorte que les courses d’alimentation sont aussi uniformes que possible, c’est-à-dire que de la même façon qu’un vilebrequin tourne d’un certain nombre de degrés, l’un des cylindres enclenchera une course d’alimentation. Cela réduit les vibrations et permet à la puissance produite par le moteur d’être appliquée à la charge de manière plus harmonieuse que s’ils s’allumaient tous en même temps ou en multiples impairs.

4.6. Puissance et vitesse La puissance correspond à la quantité de travail effectuée par unité de temps ou le taux d’exécution du travail. Pour un moteur diesel, la puissance est évaluée en unités de puissance (ou kilowatts). La puissance (« cheval-vapeur ») indiquée est la puissance transmise aux pistons par les gaz dans les cylindres et est calculée mathématiquement. La puissance aux freins fait référence à la quantité de puissance utilisable fournie par le moteur au vilebrequin. La puissance indiquée peut être jusqu’à 15% plus élevée que la puissance aux freins. Cette différence est due à la friction interne du moteur, à des déficiences dans la combustion, et à des pertes dites « parasitaires », par exemple au niveau de la pompe à gasoil, du turbocompresseur, de la pompe à eau, etc.

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L’efficacité mécanique d’un moteur diesel à quatre temps est d’environ 82 à 90 %. C’est légèrement inférieur à l’efficacité d’un moteur à deux temps. L’efficacité mécanique inférieure est due à la perte de frottement supplémentaire et de la puissance nécessaire pour enfoncer le piston durant les 2 courses supplémentaires.

Les moteurs sont non seulement évalués par leur puissance mais aussi par le couple qu’ils produisent. Le couple (1) est une mesure de la capacité du moteur à utiliser la puissance qu’il génère. Le couple est communément donné en unités de Newton (2)par mètre (3). 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-aride : entre 400 et 1 000 tr/min ; Moteur rapide : 1 000 tr/min et plus. 26 | P a g e

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 les plages limites (résultat d'essais d'usure) suivantes : • • • •

Moteur fixe (groupe électrogène, gros moteur de bateau) : 6 à 8 m/s ; Moteur de poids lourds : 8 à 9 m/s ; Moteur d'automobile : 12 à 13 m/s ; 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 pistonssoupapes qui se traduisent souvent par le flambage des queues de soupapes ou de leurs tiges de commande. La vitesse de rotation d'un moteur est directement liée à la course du piston (donc à la cylindrée) et à son usage. En effet, schématiquement, plus le piston est gros, plus sa course est importante. Par exemple, le moteur DW10 ATED de PSA, d'une cylindrée totale de 1 997 cm3 (quatre cylindres), se caractérise par un alésage de 85 mm, une course de 88 mm et un régime de puissance maximale de 4 000 tr/min ; pour ce moteur, la distance parcourue par le piston dans le cylindre est donc de 2 × 88 mm (une course aller et une course retour) par tour de moteur, soit 176 mm ; à 4 000 tr/min la vitesse moyenne de déplacement linéaire est donc 0,176 × 4 000 m/min, soit 11,7 m/s. Certains moteurs Diesel lents de type deux-temps dépassent 100 000 ch. Le porteconteneurs Emma Mærsk est ainsi équipé d'un moteur Wärtsilä RT-flex96C 14-cylindres, moteur à deux temps lent de 108 800 ch à 92−102 tr/min. Les cylindres ont un alésage de 96 cm et les pistons 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. À chaque tour, le piston se déplace de 5 m (une course aller et une course retour). Au régime maxi de 92 tr/min, la vitesse linéaire moyenne est alors de 8,5 m/s.

5. Les cycles de base Diesel Un moteur diesel est un type de moteur thermique qui utilise le processus de combustion interne pour convertir l’énergie stockée dans les liaisons chimiques du carburant en énergie mécanique utile. Cela se produit en deux étapes. Tout d’abord, le carburant réagit chimiquement (brûle) et libère l’énergie sous forme de chaleur. Deuxièmement, la chaleur entraîne l’expansion des gaz brulés dans le cylindre (détente), et les gaz en expansion, confinés dans le cylindre, doivent déplacer le piston pour se détendre. Le mouvement alternatif des pistons est ensuite converti en un mouvement de rotation grâce au vilebrequin. Pour convertir l’énergie chimique du carburant diesel en énergie mécanique utile tous les moteurs à combustion interne doivent passer par quatre étapes : admission, compression, 27 | P a g e

combustion détente et échappement. Comment ces événements sont synchronisés et comment ils se produisent différencient les différents types de moteurs. Tous les moteurs diesel se répartissent en deux catégories, les moteurs à deux temps et à quatre temps. Le mot cycle se réfère à toute opération ou série d’événements qui se répètent. Dans le cas d’un moteur à quatre temps, le moteur nécessite quatre mouvements du piston (admission, compression, combustion détente).

Par conséquent, il nécessite deux tours de vilebrequin, ou 720° de rotation du vilebrequin (360° x 2) pour terminer un cycle. Dans un moteur à deux temps les événements (admission, compression, combustion détente et échappement) se produisent en une seule rotation du vilebrequin, ou 360°.

5.1. Cycle Dans la discussion suivante du cycle diesel, il est important de garder à l’esprit le délai d’exécution de chacune des actions. Il faut du temps pour déplacer le gaz d’échappement hors du cylindre et l’air frais dans les cylindres, pour comprimer l’air, pour injecter le carburant, et pour brûler le carburant. Si un moteur à quatre temps tourne à une constante de 2100 tours par minute (tr/min), le vilebrequin serait en rotation de 35 tours, soit 12 600 degrés par seconde. Une course est complète en approximativement 0.01429 secondes.

5.2. Le cycle à quatre temps Dans un moteur à quatre temps l’arbre à cames est conçu pour tourner à la moitié de la vitesse du vilebrequin (rapport = 1 : 2). Cela signifie que le vilebrequin doit faire deux tours complets tandis que l’arbre à cames ne fait qu’un tour. La section suivante décrit un moteur diesel à quatre temps, le moteur diesel ayant les deux soupapes d’admission et d’échappement dotées d’un alésage de 3,5 pouces et une course de 4 pouces avec un rapport de compression de 16 :1, lorsqu’il complète un cycle complet. Nous commencerons avec la course d’admission. Tous les repères de calage donnés sont donnés à titre d’exemple et varieront d’un moteur à l’autre. 28 | P a g e

Epure de distribution

5.2.1. Admission Au fur et à mesure que le piston monte et se rapproche de 28° avant le point mort haut (PMH) tel que mesuré par la rotation du vilebrequin, le lobe de l’arbre à came commence à soulever le poussoir de l’arbre. Cela déplace la tige poussoir vers le haut et pivote le culbuteur sur l’axe du culbuteur. Au fur et à mesure que le jeu de soupape est pris, le culbuteur pousse la soupape d’admission vers le bas et la soupape commence à s’ouvrir. La course d’admission démarre (24o PMH) tandis que la soupape d’échappement est toujours ouverte. L’écoulement des gaz d’échappement aura créé une basse pression à l’intérieur du cylindre et aidera à tirer la charge d’air frais.

Le piston continue de se déplacer vers le haut à travers le point mort haut (PMH) tandis que l’air frais pénètre et les gaz d’échappement sortent. A près de 12° après le point mort haut (PMH) le lobe d’échappement de l’arbre à came tourne de sorte que la soupape d’échappement commence à se fermer. La soupape d’échappement est totalement fermée à 16° après PMH. Ceci survient à travers le ressort de la soupape qui a été comprimé lorsque la soupape était ouverte, forçant le culbuteur et le poussoir de l’arbre contre le lobe de la came alors qu’il tourne. La période temps au cours de laquelle les soupapes d’admission et d’échappement sont ouvertes est appelée le croisement des soupapes (40° de croisement dans cet exemple) et il est nécessaire pour permettre à l’air frais de balayer (retirer) les gaz d’échappement usés et refroidir le cylindre. Alors que le piston arrive au PMH et commence son déplacement vers la chemise du cylindre, le mouvement du piston créé une succion et introduit l’air frais dans le cylindre.

5.2.2. Injection de carburant Le carburant liquide est injecté dans le cylindre à un moment et un taux précis pour garantir que la pression de combustion est poussée vers le piston en temps voulu. 29 | P a g e

Le carburant pénètre dans le cylindre où l’air comprimé réchauffé est présent. Toutefois il ne brulera qu’à l’état vaporisé (état obtenu grâce à l’addition de chaleur pour entraîner la vaporisation) et intimement mélangé à l’oxygène. Les premières minuscules gouttelettes de carburant pénètreront dans la chambre de combustion et seront rapidement vaporisées. La vaporisation du carburant refroidit l’air autour du carburant. Il faut du temps pour que l’air se réchauffe suffisamment pour enflammer le carburant vaporisé. Mais une fois que la combustion a démarrée, la chaleur supplémentaire dégagée grâce à la combustion entraîne la vaporisation supplémentaire du nouveau carburant qui pénètre dans la chambre, et ce tant que l’oxygène est présent.

5.2.3. Puissance ou le temps moteur Les deux soupapes sont fermées et la charge d’air frais a été comprimée. Le carburant a été injecté et commence à bruler. Une fois que le piston est passé au PMH, la chaleur est rapidement libérée par la combustion du carburant entrainant une augmentation de la pression du cylindre. Les températures de combustion sont très élevées. Cette augmentation de pression pousse le piston vers le bas et augmente la force sur le vilebrequin pour entraîner la course de puissance.

5.2.4. Échappement Lorsque le piston se rapproche de 52°PMB la came du lobe d’échappement commence à pousser le poussoir vers le haut, entrainant ainsi la soupape d’échappement à soulever son siège. Les gaz d’échappement commencent à s’écouler hors de la soupape d’échappement en raison de la pression du cylindre et dans le collecteur d’échappement. Après avoir dépassé le PMB, le piston monte et accélère à sa vitesse maximum de 63°PMB C’est à partir de ce moment-là que le piston ralentit. Au fur et à mesure que le piston ralentit, la rapidité à laquelle les gaz s’écoulent hors du cylindre créé une pression légèrement plus basse que la pression atmosphérique. À 28°avant le PMB, la soupape d’admission s’ouvre et le cycle recommence.

5.3. Contrôle du moteur Le contrôle d’un moteur diesel s’accomplit à l’aide de plusieurs composants. En raison de la demande constante pour plus de moteurs diesel écologiques, les régulateurs pneumatiques et mécaniques ont été remplacés par des systèmes à injection diesel contrôlés électroniquement. Les régulateurs mécaniques ont été remplacés par des électrovannes, capteurs, etc. L’injection par rampe commune est un exemple de ces moteurs diesel contrôlés électroniquement. La synchronisation variable de l’arbre à cames et la pression extrême du carburant pendant l’injection sont deux exemples de système à injection de carburant plus propre et plus efficace. 30 | P a g e

5.8. Injecteurs de carburant Chaque cylindre est doté d’un injecteur à carburant conçu pour mesurer et injecter le carburant dans le cylindre au bon moment. Pour cela, les injecteurs sont actionnés par l’arbre à cames du moteur ou hydrauliquement. Les injecteurs mesurent la quantité de carburant injectée dans le cylindre à chaque course. La quantité de carburant injectée par chaque injecteur est contrôlée par le calculateur est activée par une vanne de carburant électromagnétique. La synchronisation et la durée de l’injection sont contrôlées par le Calculateur Électronique de Régulation. La pédale d’accélérateur électronique, les capteurs du vilebrequin et de l’arbre à cames (etc.) envoient les informations au Calculateur en continu. C’est en fonction de ces informations que la quantité exacte de carburant est envoyée au moteur.

5.9. Injection électronique hydraulique Les injecteurs-pompes sont la combinaison d’élément de la pompe à carburant et de la buse d’injection. La pression de l’huile agissant sur le piston augmentera la pression du carburant nécessaire pour soulever la buse de son siège. La soupape électronique permettra à l’huile sous pression de passer la soupape et d’agir à la suite du piston de la pompe.

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Les usines telles que Caterpillar, Cummins, Bosch etc. ont développé leurs propres systèmes d’injection diesel. Des adaptations régulières sont effectuées par le calculateur pour garantir une injection du carburant la plus efficace possible. Un portable équipé du logiciel nécessaire est utilisé pour résoudre les problèmes du système.

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5.10. Circuits de démarrage Les moteurs diesel sont composés d’autant de types différents de circuits de démarrage qu’il existe de types, tailles, et fabricants de moteurs diesel. Habituellement, les circuits de démarrage peuvent utiliser les moteurs à air, les moteurs électriques, les moteurs hydrauliques et les moteurs manuels. Le circuit de démarrage peut être un simple bouton de démarrage manuel, ou un circuit d’auto démarrage complexe. Mais dans la plupart des cas, les évènements suivants doivent se produire pour que le moteur démarre. 1. Le signal de démarrage est envoyé au moteur. Le moteur à air, électrique ou hydraulique déclenchera le volant d’inertie du moteur. 2. Le moteur de démarrage lancera le moteur. Le moteur de démarrage fera tourner le moteur à un régime assez élevé pour permettre à la compression du moteur d’allumer le carburant et de démarrer le moteur. 3. Le moteur accélèrera ensuite pour atteindre une vitesse de ralenti. Lorsque le moteur de démarrage est saturé par le moteur en fonctionnement il débloquera le volant d’inertie. Parce qu’un moteur diesel a besoin de la chaleur de compression pour allumer le carburant, un moteur froid peut récupérer assez de chaleur des gaz pour que l’air comprimé descende en dessous de la température d’allumage du carburant. Pour surmonter ce problème, certains moteurs (souvent les moteurs plus petits) sont dotés de bougie de préchauffage. Les bougies de préchauffage sont situées dans la culasse de la chambre de combustion et utilisent l’électricité pour réchauffer l’électrode qui se situe en haut de la bougie de préchauffage. La chaleur apportée par la bougie de préchauffage est suffisante pour allumer le carburant du moteur froid. Une fois que le moteur tourne, les bougies de préchauffage s’éteignent et la chaleur de la combustion est suffisante pour chauffer le bloc et maintenir le moteur en marche. En général, les plus gros moteurs chauffent le bloc et/ou ont des moteurs de démarrage assez puissant pour faire démarrer le moteur assez longtemps pour permettre à la chaleur de compression d’allumer le moteur. Certains gros moteurs utilisent des collecteurs d’air de démarrage qui injectent l’air comprimé dans les cylindres qui font tourner le moteur pendant la séquence de démarrage.

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5.11 BILAN ENERGETIQUE : MOTEUR DIESEL

5.11.1. Rappel principe moteur diesel La puissance d’un moteur diesel n’est pas réglée par le contrôle précis de la masse d’air qui pénètre dans le cylindre mais par la quantité de gazole injecté à la fin du temps compression. De plus pour limiter les fumées, le rapport masse de carburant / masse d’air est au maximum de 0,6. Ainsi pour pouvoir exploiter au mieux la cylindrée du moteur, il est nécessaire d’augmenter la masse d’air admise si l’on veut augmenter la masse de gazole injectée et donc la puissance délivrée. Sur les VL, les moteurs diesels actuels sont suralimentés par turbo compresseur.

5.11.2. Flux thermique dégagée par la combustion / Rendement de combustion comb Les relations sont les mêmes que pour le moteur essence. Quantité de chaleur théorique fournie par la combustion Qcal th = mess . pci Qcal th : quantité de chaleur dégagée en J/cycle mess : masse d’essence brûlée par cycle en kg / cycle. pci : pouvoir calorifique inférieur du carburant en J.kg-1

Puissance calorifique théorique ou flux thermique théorique Pcal th = qmess . pci Pcomb th : flux thermique en J.s-1 ou watt qmess : débit masse de carburant en kg.s-1

Pour le gazole la valeur de pci est de 42.106 J.kg-1. Le pci du gazole est plus faible que celui de l’essence. Cependant la masse volumique du gazole est plus élevée que celle de l’essence (850 kg.m-3 au lieu de 750 kg.m-3). Ainsi si l’on brûle : 1 litre de gazole la combustion dégage : Qcal th gazole = 1 * 0.85 * 42.106 = 35.7 106 J Pour 1 litre d’essence, Qcal th essence = 1 * 0.75 * 44.106 = 33 106 J Ici encore la combustion n’est jamais totale et pour tenir compte des imbrûlés il faut faire apparaître le rendement de combustion :

Qcomb = comb . mess . pci

Pcomb = comb .qmess . pci

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5.11.3. Puissance théorique / Rendement théorique (ou thermodynamique) th Pour le moteur diesel également, le rendement théorique ou thermodynamique est limité par la nécessité d’évacuer une partie importante de la chaleur dégagée par la combustion à l’extérieur pour produire du travail mécanique. Cependant le moteur diesel peut fonctionner avec un rapport volumétrique plus élevé le risque de combustion détonante (cliquetis) n’existe pas. Pour décrire au mieux les transformations subies par le fluide, le cycle utilisé est le cycle mixte (de Sabathé). Diagramme PV du cycle de Sabathé :

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Rappelle de la Description du cycle : 0 à 1 : admission à pression constante : Isobare : p = constante. 1 à 2 : compression : adiabatique réversible ou isentropique : p.V = constante. Le piston comprime de l’air pur (différence avec le moteur essence). 2 à 3 : combustion à volume constant : Isochore : V = constante. Une partie de la quantité de gazole pour le cycle est injectée et la combustion est instantanée et le volume ne varie pas; il s’ensuit une brutale augmentation de pression. 3 à 4 : combustion à pression constante : Isobare : P = constante. Le reste du carburant est injecté et la combustion compense l’augmentation de volume maintenant ainsi la pression constante dans le cylindre pendant une partie de la course. 4 à 5 : détente : adiabatique réversible ou isentropique : p.V = constante 5 à 1 : début échappement : isochore V = constante 1 à 0 : échappement à pression constante : Isobare : p = constante Pour ce type de cycle, on pose : Le rapport volumétrique de compression (comme pour le moteur essence) :

Le rapport des pressions pour la combustion isochore :

 = V1/ V2

 = p3 / p2

Compris entre 15 et 22 pour un moteur diesel. Compris entre 1.5 et 3

Le rapport des volumes pour la combustion isobare :  = V4 / V3

Généralement entre 1.5 et 2.5.

compris

Pour ce type de cycle, l’étude des différentes transformations fait apparaître le rendement thermodynamique suivant :

th = 1 -

δ∗𝜀𝛾 −1

Avec  = 17, 2:

=2

On obtient

th = 0.64

𝜌𝛾−1 ∗(𝛿−1+ 𝛾∗𝛿∗(𝜀−1)

et

=

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5.11.4. Rendement de forme f Rappel : ce rendement représente donc le rapport entre le travail fourni au piston par la pression réelle des gaz et le travail de la pression théorique calculée. Comme pour le cycle essence, ce rendement est l’image de l’imperfection du cycle théorique (pertes de chaleur dans le circuit de refroidissement, fuites au niveau des segments, pertes par pompage). Cependant, l’absence de papillon des gaz pour contrôler la puissance améliore le rendement de forme des moteurs diesel.

f =

Windiqué W théorique

f =

Pindiquée P théorique

5.11.5. Rendement mécanique m Rappel : Le travail indiqué est diminué par les frottements divers et l’entrainement des accessoires. Pour le moteur diesel, il faut entraîner la pompe HP. De plus les pressions étant plus élevées (que dans celles du moteur essence), les frottements sont plus importants. Ainsi le rendement mécanique du moteur diesel est moins bon (de l’ordre de 0.85).

6. Protection du moteur Un moteur diesel est conçu avec des systèmes de protection afin d’alerter les opérateurs en cas de conditions anormales et pour empêcher le moteur de se détruire. Un dispositif de contrôle de vitesse, souvent des pièces mécaniques très légères, sera utiliser pour arrêter l’écoulement du carburant dans le moteur et pour déclencher une alarme lorsque le moteur aura atteint un régime prédéfini. Pour se faire, il faut isoler le régulateur de son approvisionnement en huile, ce qui le pousse à revenir en position « pas de carburant «, ou bien il peut contourner le régulateur et décrocher directement la crémaillère d’injection à la position « pas de carburant «. Les moteurs équipés de contrôles de moteur électroniques sont aussi équipés de capteurs contrôlant la pression d’huile du moteur, la température, etc. Toute anomalie sera signalée au CR et une action sera effectuée (par les déclencheurs électriques) 37 | P a g e

Certains moteurs sont équipés d’un système start-stop pour réduire la pollution de l’air. Utiliser la pédale d’embrayage démarrera le moteur sans voir à démarrer (contacteur à clef en position de démarrage).

6.1. Les moteurs refroidis par l’eau peuvent surchauffer Les moteurs refroidis par l’eau peuvent surchauffer si le système de refroidissement à eau n’arrive pas à éliminer la chaleur perdue. L’élimination de la chaleur perdue empêche le moteur de se gripper en raison d’une expansion excessive des composants lorsque la température est trop élevée. L’enveloppe à eau de refroidissement se situe normalement au même endroit que le capteur du système de refroidissement à eau. Les capteurs de température de l’enveloppe à eau envoient une alerte rapide lorsque la température du moteur atteint un niveau anormal. La valeur de consigne est telle que si le problème est corrigé en temps et en heure, le moteur ne subira pas de dommages importants. Mais si le moteur continue de tourner à une température trop élevée, le moteur subira des dommages.

6.2. Échappement Dans un moteur diesel, les températures d’échappement sont très importantes et donnent beaucoup d’informations sur l’utilisation du moteur. Une température d’échappement élevée peut indiquer une surcharge du moteur ou une performance médiocre en raison du balayage inadéquat (effet de refroidissement) dans le moteur. Si le moteur continue de tourner alors que les températures d’échappement sont élevées, cela peut entraîner des dommages sur les soupapes d’échappement, les pistons et les cylindres. La température d’échappement ne procure généralement qu’une fonction d’alarme.

6.3. Lubrification à basse pression Une basse pression d’huile ou une perte de pression d’huile peut rapidement détruire un moteur. Par conséquent, la plupart des moteurs moyens et gros s’arrêtent de tourner dès que la pression d’huile baisse ou disparaît. La perte de pression d’huile peut entrainer un grippage du moteur en raison du manque de lubrification. Les moteurs disposant de régulateurs hydrauliques-mécaniques s’arrêteront aussi en raison du manque d’huile dans le régulateur. Généralement, le capteur de pression d’huile arrête le moteur. Les capteurs de pression d’huile sur les plus gros moteurs ont généralement deux valeurs de consigne de basse pression. Une valeur de consigne déclenche une alarme rapide de la pression anormale 38 | P a g e

d’huile. La deuxième valeur de consigne peut déclencher l’arrêt du moteur pour éviter tout dommage permanent au moteur.

6.4. Pression élevée du carter Une pression élevée du carter est généralement causée par une ventilation des gaz excessive (pression du gaz dans le cylindre ventilé par les segments de piston et dans le vilebrequin). Ce problème de haute pression indique que le moteur est en mauvais état. La pression élevée du carter est généralement utilisée comme une alarme.

7. les usages du moteur diesel A cause de certaines de ses caractéristiques tels que sa robustesse sa longue durée de vie sa capacité à développer une importante force de traction, le fait qu’il soit plus économique que les moteurs à essence. Les moteurs diesel équipent généralement les bateaux, locomotives, camions, tracteurs agricoles et engins de travaux publics. Ils sont aussi utilisés pour les groupes électrogènes de forte puissance et certaines automobiles. Bien que les principaux usages correspondent en pratique à des moteurs développant un couple important, un moteur Diesel n'a pas, a priori, plus de couple qu'un moteur à allumage commandé, sauf dans le cas de la suralimentation, du fait du carburant utilisé et de la nécessité d'éviter la détonation ; le moment des architectures Diesel et essence en automobile plafonne actuellement aux environs de 200 N m/L de cylindrée. Nous rappelons que la motorisation Diesel est rarement utilisée sur les motocyclettes et les avions, notamment pour une question de masse embarquée

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8. Les technologies associées au moteur diesel Pour optimiser le fonctionnement du moteur diesel, les constructeurs ont dû développer des technologies nouvelles, en particulier dans les domaines de la combustion et de la dépollution dont nous citerons : Suralimentation, injection directe, Préchauffage, Filtre à particules, Recirculation des gaz d'échappement, Réduction catalytique sélective, Diagnostic embarqué

8.1. Suralimentation La suralimentation est une technique permettant d'améliorer le rendement du moteur. Elle consiste à augmenter le taux de compression de l'air aspiré pour accroître celui du mélange. On utilise pour cela un compresseur, qui augmente la quantité d'air introduite dans le moteur pour une même quantité de gazole. Cet apport supplémentaire en oxygène lutte contre la formation de gaz chauds non propices à la combustion, permettant ainsi d'augmenter le taux de détente des gaz, et donc la puissance engendrée, sans pour autant injecter plus de carburant • le compresseur mécanique, entraîné par le vilebrequin du moteur, au prix d'un rendement diminué ; • le turbocompresseur (ou turbo), entraîné par une turbine mise en mouvement par le passage des gaz d'échappement, au prix d'un écoulement gêné. Les modèles les plus récents sont « à géométrie variable » (TGV), technologie qui leur permet d'être plus performants à bas régime • ; l'échangeur de pression « Comprex » de la marque ABB, où le vilebrequin entraîne un rotor muni de cellules, qui permettent aux gaz d'admission et d'échappement d'échanger alternativement leurs pressions.

8.2. Injection directe Cette technique consiste à injecter le carburant directement dans la chambre, et non plus en amont comme dans les systèmes à injection indirecte. Elle permet de contrôler précisément la zone où on injecte le gazole, et d'ainsi optimiser la combustion du mélange. 40 | P a g e

De nouveaux dispositifs sont apparus dernièrement pour contrôler plus finement encore la qualité d'injection. Certains moteurs sont ainsi équipés d'injecteurs-pompe, qui régulent la pression d'injection individuellement dans chaque cylindre. D'autres utilisent une rampe commune, où, à l'inverse, la pression est régulée dans un rail, duquel partent tous les injecteurs. Celle-ci est de plus en plus souvent combinée à des injecteurs piézo-électriques, dont le pilotage par impulsions électriques permet une gestion plus fine du vilebrequin

8.3. Préchauffage Il consiste à créer par l'entremise d'une bougie en métal placée à l'intérieur de la chambre de combustion, un « point chaud » duquel part l'inflammation du mélange. Une alternative consiste à réchauffer l'air admis, à l'aide de systèmes qui agissent en amont de la chambre. En l'absence ou en complément de ces dispositifs, les constructeurs peuvent enfin réguler les injecteurs pour opérer une surcharge d'injection au démarrage. Pour les moteurs de bateaux à huile lourde, on préchauffe le combustible à une température élevée avant d'entamer la procédure de démarrage

8.4. Filtre à particules Certains moteurs diesels émettent d’importantes quantités de particules dans l’air. Afin de préserver la qualité de l’air, un filtre à particules (FAP) peut s'avérer nécessaire. Cette technologie s'est généralisée à partir de 2009, lors de la mise en place de la Norme européenne d'émission Euro V camions. Elle ne peut cependant pas filtrer les particules les plus fines. Le FAP est donc généralement combiné à des catalyseurs le précédent dans la chaîne d'échappement, de manière à ne plus avoir, en théorie, qu'à bloquer les particules les plus grosses et les imbrûlés

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8.5. Recirculation du gaz d’échappement Il consiste à réintroduire une partie des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, après les avoir refroidis pour éviter une température trop élevée dans la chambre de combustion. Ce système a pour but d’éliminer le plus de particules fines possible.

8.6. Reduction catalytique sélective Une autre technologie très répandue est la réduction catalytique sélective (ou SCR, en anglais : selective catalytic reduction), qui recourt à une solution uréique injectée dans le flux d'échappement. Il a pour rôle la décomposition des gaz d’échappement réduisant ainsi la pollution du moteur diesel

8.7. Diagnostic embarqué Les progrès techniques en matière d'optimisation et de dépollution du moteur ne doivent pas faire oublier qu'avec le temps, les systèmes employés s'usent et perdent en efficacité. Il est donc nécessaire de suivre leur état, afin de les faire contrôler, voire remplacer si nécessaire. Cette situation a conduit les constructeurs à mettre en place une surveillance continue du véhicule, puis d'élargir petit à petit leur champ d'action. Le système de diagnostic embarqué vérifie en permanence le fonctionnement des différents dispositifs : sondes, capteurs, actionneurs, système d'injection, catalyseur, etc. Si une anomalie risquant d'augmenter les émissions est détectée, il affiche une alerte (un indicateur lumineux d'anomalie (en)) au niveau du tableau de bord, de manière à pousser le conducteur à faire vérifier son véhicule. Cela permet en théorie de maintenir les systèmes à un état optimal, et donc d'en limiter les pertes de performances en matière d’émissions.

9. Carburant du moteur Diesel

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9. 1. Carburant et son évolution 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 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 %, en masse, la teneur en composés aromatiques polycycliques du gazole. On sait aussi que l'ajout de composés oxygénés améliorent la qualité de la combustion et 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 %, en volume, sans qu'une teneur minimale soit fixée. Certains 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 diméthyle-éther (DME), comme carburant pour moteurs Diesel, du 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 NOx. 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

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des possibles biocarburants de seconde génération, qui pourraient se contenter de lignocellulose comme matière première. Des études sont faites au XXIe siècle par les constructeurs, pour adapter les gros moteurs des navires de transport maritime en vue d'utiliser de l'ammoniac au lieu d'hydrocarbures ; l'avantage attendu est l'absence de carbone dans les gaz d'échappement puisqu'il n'y a en a pas dans ce carburant

9. 1. Principales caractéristiques des carburants Diesel 9. 1. 1. Viscosité Elle caractérise la résistance d’un fluide a l’écoulement uniforme et sans turbulence. Plus la température d’un combustible est élevée, plus la viscosité est faible et inversement. La viscosité cinématique s’exprime en m2/s.

9. 1. 2.Indice de CONRADSON Lorsqu’on combustible est fortement chauffe à l’abri de l’air, il se décompose en produits volatiles et en un résidu de carbone. Le pourcentage en masse des résidus par rapport à la qualité de combustible décomposée donne l’indice de CONRADSON encore appelle indice de cokéfaction. Un indice élevé favorise l’écrasement du moteur.

9. 1. 3.Indice de cétane (NC) il caractérise l’aptitude d’un carburant Diesel à donner un faible délai d’inflammation. Ce dernier diminue lorsque l’indice augmente. Le délai d’inflammation est le temps qui s’écoule entre le début d’introduction du combustible dans le cylindre et le début de la combustion. Pour la plupart des carburants Diesels 30 ≤ 𝑁𝐶 ≤ 60 .Pour un démarrage par temps froids. On utilise souvent un carburant de 85 ≤ 𝑁𝐶 ≤ 95 On emploi aussi l’indice de cétène. Ce dernier corps remplace le cétane dans le mélange avec l’alpha-méthyle -naphtalène on a le rapport : 𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 88 𝑐𝑒𝑡𝑎𝑛𝑒 = 𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 100 𝑐é𝑡𝑒𝑛𝑒

9. 1. 3.Le point éclairé 44 | P a g e

C’est la température minimale à laquelle un combustible chauffe met des vapeurs qui s’enflamment en présence d’une flamme .il doit être de 65 0C minimum pour des considérations de sécurité.

9. 1. 4.Pouvoir Calorifique c’est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de 1 kg de combustible .il est exprimé en KJ/Kg. On distingue : Le pouvoir calorifique supérieur (Pcs) qui représente la quantité de chaleur dégagée par tous les produits de la combustion ramené à 00C,la vapeur d’eau forme étant condensée. Le pouvoir calorifique Inferieurs (Pci) : qui correspond à la même mesure ; mais ne tient pas compte de la chaleur de condensation de la vapeur d’eau produite lors de la combustion. C’est ce qui intéresse les constructeurs car la vapeur d’eau n’est jamais condensée dans le cylindre d’un moteur Diesel. Le Pci des combustible Diesel varie entre 40000 et 42000 KJ/Kg

10.le graissage des moteurs Diesel 10. 1. But du graissage Limiter l’usure et s’opposer à la corrosion des organes du moteur - Augmenter le rendement mécanique en diminuant le frottement - Participer à l’équilibre thermique en évacuant la chaleur du frottement résiduel et de conduction - Améliorer l’étanchéité des segments et des presse-étoupes - Eliminer les impuretés provenant de la combustion ou de l’altération de l’huile, en les dispersant (huile détergente) et en les entrainant vers les filtres et les séparateurs centrifuges Sur les moteurs 4T, le graissage des cylindres se fait généralement par barbotage. Sur les 2T suralimentés à crosse, les cylindres étant séparés du carter par les presses étoupes des tiges de piston, le graissage des cylindres se fait grâce à un circuit spécial appelé circuit de graissage intérieur.

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Ce graissage concerne les organes en communication avec la chambre à combustion (piston, segment, chemise). Sur les 4T, il est assuré par les protections d’huile du carter. Sur tous les 2T suralimentés et sur quelques 4T, le graissage des cylindres est réalisé par des graisseurs mécaniques appelés oléopolymetre, qui refoulent de l’huile gouttes à gouttes vers des buses spéciales (6 à 8) disposées sur la périphérie de la chemise. La quantité d’huile injectée se règle automatiquement en fonction de la vitesse de rotation et en plus, sur les 2T sulzer en fonction de la charge du moteur, chaque point de graissage sur la périphérie de la chemise d’un cylindre dispose d’un circuit particulier comprenant : une pompe, un contrôleur de débit et une buse de graissage. Sur les sulzer type RTA, les pompes de graissage sont disposées en ligne et entrainées par un moteur hydraulique. Le graissage des soupapes d’échappement à ressort pneumatique qui équipent ces moteurs est assuré par une pompe spéciale du même type que celle des cylindres, mais possédant un débit plus faible

10. 2. Le graissage général Les articulations principales du moteur (bielles, paliers du vilebrequin, arbre à cames, engrenages ou chaines de distribution) sont lubrifiées par une circulation d’huile sous pression. Le circuit d’huile de graissage comprend : - Une caisse de retour d’huile placée sous le moteur pour permettre l’écoulement de l’huile provenant du carter. Sur les moteurs de faible puissance, c’est le carter qui joue ce rôle. - Deux pompes à huile volumétriques (à vis ou à engrenage) entrainées par moteurs électriques. Sur les petits moteurs, la pompe à huile est souvent attelée - Deux filtres à huile à nettoyage manuel ou automatique, avec manomètre différentiel - Deux réfrigérants dont un seul en service à la foi, évacuant la chaleur absorbée par l’huile. - Une vanne thermostatique règle la température d’huile à l’entrée du moteur à 40°C - Un circuit d’épuration comprenant un séparateur centrifuge, disposé en clarificateur, et dont le débit est réglé au1/3 de son débit normal.

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Le circuit comporte respectivement, une caisse à huile neuve, polluée, et épuré. Une pompe de transfert (non représentée) permet la vidange de la caisse à huile épurée ou de la caisse d’huile neuve

11. réfrigération des moteurs Diesel industriels 11. 1. Nécessité de la réfrigération La réfrigération est une nécessité évidente pour deux raisons : - Maintenir la résistance des matériaux, qui diminue lorsque la température augmente. - Assurer la fonction graissage, en maintenant une viscosité suffisante et en évitant la décomposition de l’huile en contact avec les parois de la chambre de combustion. L’huile du circuit de graissage participe également à la réfrigération des pieces en mouvement et la quantité de chaleur évacué par l’huile est importante, en particulier si les pistons sont réfrigérés par l’huile (les 4T et les 2T MAN-B &W)

11. 2. Les fluides utiles pour la réfrigération Les fluides réfrigérants doivent : - Être incongelable aux températures les plus basse d’utilisation. - Avoir un point d’ébullition le plus élevé, donc une faible volatilité aux températures d’utilisation pour éviter les pertes. - Avoir une chaleur massique et un coefficient de conductibilité aussi élevé que possible - Avoir une faible viscosité en toutes températures. - Avoir une stabilité parfaite aux températures d’utilisation (pas de dépôt) - Etre neutre et inactif en ce qui concerne la corrosion des joints et des métas Les principaux fluides utilisés sont : ▪ L’eau de mer : utilisée pour le refroidissement des autres fluides (Tmaxi= 50°) 47 | P a g e

▪ L’eau douce : elle permet un réglage de la réfrigération des cylindres à 75 – 80°C, ce qui améliore la combustion, diminue les fatigues thermiques et évite la formation de produits sulfureux acides, elle est neutre après traitement (pH≈8,5). ▪ L’huile : elle est souvent utilisée pour refroidir les fonds de pistons, Pour éviter son craquage et la formation de dépôts, il ne faut pas dépasser 60 à 80°C à la sortie des pistons. ▪ Le combustible (DO) : certains constructeurs l’utilisent pour réfrigérer les injecteurs, ce qui évite des incidents en cas de fuites.

11. Comparaison entre moteur diesel et un moteur à essence (Otto) Moteur à essence

Moteur diesel

Taux de compression

10 :1

20 :1

Admission

Air et carburant

Air

Régime moteur

Elevé

Moins élevé

Efficacité énergétique

Environ 30%

Environ 40%

Allumage

Ne doit pas s’allumer seul

Doit s’allumer seul

Elevé

Moins élevé

Formation du mélange

Externe (95%)

Interne

Couple

Faible à bas régime

Elevé à bas régime

Pression de combustion

40 bars

60 bars

Prix

Moins cher

Plus cher

Température d’échappement

Environ 800°C

Environ 600°C

Carburant

Essence

Diesel

Température allumage

d’auto-

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Robustesse

Moins robuste

Plus robuste

12. Dénomination du moteur Diesel Tous les fabricants de moteurs turbo-diesel ont choisi en fonction de la technologie utilisée de la conception de leurs moteurs, différents abréviations ou acronymes qui leurs permettent de distinguer leurs véhicules sur le marché. Ces acronymes jouent plutôt un rôle marketing car la plupart du temps, les technologies ‘’ turbo-diesel ’’ utilisées par les uns et les autres ont de nombreux points en commun.

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Abréviation

Définition

Constructeur auto

CDI

Common rail Direct Injection

Mercedez-Benz

CRD

Common Rail Diesel

Chrysler et Jeep

CRDi

Common Rail Diesel Injection

Hundai et Kia

CTDi, i-CTDi

Common rail Turbo Diesel Injection, intelligent Common rail Turbo Diesel Injection

Honda

D et TD

Diesel et Turbo Diesel

Utilisé par la plupart des constructeurs auto

D-4D

Direct Injection Turbo Diesel à 04 vannes

Toyota

D5

Diesel à 05 cylindres

Volvo

DI

Direct Injection

Nissan et Opel

DI-D

Direct Injection Diesel

Mitsubishi

DITD

Direct Injection Turbo Diesel

Mazda

DTI

Diesel Turbo Injection

Isuzu

dTi, dCi

Direct Turbo Injection, Direct Common rail Turbo Injection

Renault et Nissan

HDI

High pressure Direct Injection

Citroen et peugeot

JTD

Jet Turbo Diesel

Fiat, Lancia, Romeo

SDI,TDI

Suction Diesel Injection, Turbo Diesel Injection

Seat et Skoda

TD4,TD5,TD6

Turbo Diesel suivi du nombres de cylindres

Land Rover

TDCI

Turbo Diesel Common Rail Injection

Ford

TDI

Turbocharged Direct Injection

Wolkswagen, Audi et Opel

TiD

Turbo Injection Diesel

Saab

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Alpha

13. Avantage et inconvénient du moteur diesel Le moteur diesel est plus avantageux pour les automobilistes parcourant plus de 15 à 20 000 km par an, car c’est au-delà de ce seuil que cette motorisation devient rentable en matière de consommation de carburant. Autre aspect à prendre en compte : les différentes pièces et éléments liés à la réduction de la pollution, qui nécessitent parfois d’être décrassées sur de longs trajets pour fonctionner de façon optimale. Là encore, un diesel qui ne roule pas beaucoup risque de se colmater, ce qui nous amène à la conception plus complexe (mais aussi plus lourde donc plus robuste) faisant appel à davantage d’éléments que sur une motorisation essence de puissance équivalente. Plus cher à l’achat, le diesel l’est donc aussi à l’entretien et lors des réparations. En matière d’agrément de conduite, en ville comme sur voies rapides, le diesel présente l’avantage d’une conduite coupleuse même à bas régime, ce qui rend les déplacements à faible allure plus confortables et réactifs. Côté pollution, il faut également savoir qu’un moteur diesel ne pollue pas spécialement plus qu’un moteur essence : le premier rejette beaucoup de particules fines, là où le second émet beaucoup de CO2.

13.1. Avantages 13.1.1. Le rendement Le rendement du moteur Diesel profite encore de l'apport de technologies comme la suralimentation ou l'injection directe, combinées à une pulvérisation plus fine et mieux contrôlée du gazole dans la chambre de combustion, et à une gestion plus précise des ouvertures et fermetures des soupapes

13.1.2. La robustesse Le moteur Diesel peut brûler de l'huile végétale à la place du gazole. Pendant la Seconde Guerre mondiale, devant la pénurie de pétrole, des recherches ont d'abord été menées pour développer l'huile végétale en tant que carburant alternatif, mais elles finiront par être abandonnées face à la concurrence du bois et au réapprovisionnement progressif en pétrole36. Il est aujourd'hui possible de faire usage d'un tel carburant dans une automobile de tourisme, à condition d'adapter son circuit d'alimentation et de surveiller son entretien, l'huile végétale présentant par rapport au gazole une plus grande viscosité, un indice de cétane plus bas et des impuretés spécifiques37. De nouveaux carburants à base végétale transformés et raffinés sont par ailleurs en cours d'étude, comme le diester et le NExBTL, mais ils restent encore coûteux à mettre en œuvre comparés aux huiles végétales brutes recyclées 51 | P a g e

Les poids lourdsh peuvent également recourir à une émulsion d'eau dans le gazole (de l'ordre de 10 à 15 % du mélange[réf. nécessaire]). D'une part, les gouttes de carburant injectées dans la chambre de combustion voient leur taille diminuer, ce qui conduit à une meilleure combustion, et donc moins de particules rejetées. De l'autre, la présence d'eau dans la chambre réduit sa température, limitant ainsi l'émission de NOx.

13.1.3. Progrès en dépollution De même que les autres systèmes de motorisation, le moteur Diesel a connu des améliorations au cours des dernières décennies. L'avantage principal de ce type de moteur est de produire à consommation égale, du fait de son rendement supérieur, des émissions de CO2 de l'ordre de 10 % plus faibles que son équivalent essence40. Il engendre 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. L'arrivée progressive des filtres à particules et des systèmes SCR et EGR a contribué en outre à limiter les émissions de NOx et de particules fines, même si celles-ci restent beaucoup plus élevées que sur les moteurs à essence

13.1.4. Avantages liés au carburant pour moteur diesel Le carburant du moteur diesel a une densité énergétique plus élevée et un plus petit volume de carburant est nécessaire pour effectuer une quantité de travail spécifique. Les moteurs diesel injectent du carburant directement dans la chambre de combustion, n'ont aucune restriction d'admission d'air autre que les filtres à air et les tuyaux d'admission, et n'ont pas de vide dans le collecteur d'admission pour ajouter une charge parasite et des pertes de pompe lors de la poussée des pistons contre le vide du système d'admission. Le remplissage de la bouteille en air atmosphérique est assisté et le rendement volumétrique est augmenté pour la même raison. Les carburants pour moteurs diesel plus lourds, tels que le carburant diesel, ont des indices de cétane plus élevés et des indices d'octane plus faibles, ce qui entraîne une plus grande tendance à s'enflammer spontanément et à brûler complètement dans les cylindres lorsqu'ils sont injectés. Des taux de compression accrus créent des températures plus élevées dans la chambre de combustion pour enflammer le carburant injecté. Des taux de compression plus élevés augmentent les pertes de pompage car plus de travail est nécessaire pour comprimer l'air d'admission à un volume inférieur, mais les augmentations des pertes de pompage sont compensées par une puissance et une efficacité plus élevées. Des taux de compression accrus dans les moteurs à allumage commandé nécessitent des carburants à indice d'octane plus élevé que les moteurs diesel. Les moteurs Otto sont plus difficiles à démarrer et à brûler complètement et/ou un calage d'allumage avancé pour éviter 52 | P a g e

le pré-allumage, le cliquetis et les pertes de performances qui en résultent et les dommages au moteur. Le carburant des moteurs à allumage par compression est distillé directement à partir du pétrole Bien que le carburant diesel soit brûlé à l'extérieur avec une mèche, il ne dégagera pas une grande quantité de vapeur inflammable qui pourrait provoquer une explosion. La faible pression de vapeur du diesel est particulièrement avantageuse dans les applications marines, où l'accumulation de mélanges air-carburant explosifs est un danger particulier. Pour la même raison, les moteurs diesel sont immunisés contre le blocage de vapeur. Pour une charge partielle donnée, le rendement énergétique (masse brûlée par énergie produite) d'un moteur diesel reste presque constant

13.1.5. Meilleure efficacité du moteur diesel En raison des différences ci-dessus entre les carburants diesel et l'essence et les autres carburants à allumage commandé, les moteurs diesel ont un rendement thermodynamique plus élevé, avec un rendement thermique de 45 %

13.1.6. Ne nécessite pas de système électrique pour fonctionner Les moteurs diesel n'ont pas de système d'allumage électrique ou de bougie d'allumage haute tension, ce qui se traduit par une fiabilité élevée et une adaptation facile aux environnements humides. L'absence de bobines, de fils de bougies, etc., élimine également une source d'émissions de radiofréquences pouvant interférer avec les équipements de navigation et de communication, ce qui est particulièrement important dans les applications marines et aéronautiques, et pour éviter les interférences avec les radiotélescopes. L'absence de système d'allumage électrique dans le moteur à allumage par compression réduit également la charge parasite sur le moteur, car le moteur n'a pas à produire l'électricité nécessaire pour enflammer le carburant. Une quantité importante d'électricité est requise par un système d'allumage positif, et à mesure que les vitesses et les charges du moteur augmentent, le système d'allumage consomme proportionnellement plus d'électricité, tout en devenant moins efficace. Une pression de cylindre plus élevée nécessite une étincelle "plus chaude" avec plus de courant pour surmonter la pression et combler l'écart entre l'électrode et l'électrode sur la bougie. L'augmentation des régimes et des charges du moteur nécessite également que l'étincelle se produise plus rapidement, ce qui entraîne des charges et des demandes supplémentaires sur le système électrique et une augmentation de la puissance du moteur pour y répondre. 53 | P a g e

À mesure que les vitesses et les charges du moteur diesel augmentent, des températures de cylindre plus élevées après la compression de la charge d'admission entraînent une augmentation de l'efficacité de l'injection et de l'allumage en raison d'une atomisation accrue du carburant. Quelle que soit la conception du système de carburant, un système d'injection de carburant mécanique et une augmentation rapide de la pression et du débit de carburant permettront d'atteindre la pression d'ouverture de la buse d'injection plus rapidement et également plus tôt dans le cycle de carburant. Une énergie supplémentaire est nécessaire pour faire fonctionner le système d'injection à mesure que les régimes et les charges du moteur augmentent, mais l'augmentation est plus compensée que dans les moteurs à allumage commandé. Les moteurs diesel modernes dotés de systèmes d'injection électroniques utilisent une grande quantité d'électricité pour l'injection.

13.2. Inconvénient 13.2.1. Poids 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, à l'injection directe à rampe commune ou à l'injection très haute pression. Cependant, à puissance égale, ces moteurs restent plus lourds que leurs homologues à essence du fait des contraintes mécaniques et thermiques plus élevées

13.2.1. Souplesse La plage de vitesse de rotation du moteur Diesel étant plus réduite que celle d'un moteur à essence, il a besoin pour une utilisation automobile de plus de rapports dans la boite de vitesse. De plus le meilleur rendement ainsi que sa pollution au CO2 minimale est généralement obtenu dans une fourchette assez étroite de vitesses de rotation et de température, le cantonnant théoriquement à une utilisation continue à vitesse constante ou à une utilisation statique.

13.2.3. Prix d’achat élevé Les voitures diesel ne coûtent généralement plus cher qu'un véhicule standard. Effectivement la fabrication des moteurs diesel est plus onéreuse. C'est d'ailleurs en partie la qualité des matériaux composant le moteur diesel qui le rende si solide.

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14. Pollution et toxicité du moteur Diesel (impact environnemental) Certes, les véhicules Diesel entraînent une émission moindre du CO 2 dans l’atmosphère, un gaz à effet de serre notable. Cependant, on ne peut pas dire que les véhicules Diesel permettent de moins accentuer le réchauffement climatique puisqu’ils émettent plus de Nox (oxydes d’azote) entrainant indirectement une hausse de gaz à effets de serre via l’ozone, un gaz à effet de serre puissant mais très réactif donc l’accumulation reste très localisée aux zones d’émission. Le bilan du Diesel d’un point de vue environnemental semble donc plus ou moins nul. Cependant, le principal problème est un problème sanitaire : l’émission abondante par les moteurs Diesel de particules fines. Des études toxicologiques ont été menées pour l’évaluation des effets biologiques des particules issues de la combustion du Diesel en utilisant différentes approches in vitro (cultures cellulaires), in vivo (chez l’animal) et chez l’homme exposé à des échappements. Les particules Diesel sont des particules respirables avec des propriétés mutagènes et carcinogènes. Comme toutes les particules fines, les effets sont néfastes sur les appareils respiratoires et cardio-vasculaires. La toxicité des émissions des moteurs, résultant de la combustion des hydrocarbures, est d’autant plus complexe que les produits qui les composent sont multiples. La toxicité des émissions des moteurs Diesel est liée aux particules faites de carbone (carbone libre ou produits solides très riches en carbone) et à la phase gazeuse (constituée principalement de monoxyde de carbone, d’oxydes d’azote, d’anhydre sulfureux et ses dérivés, et d’hydrocarbures polycycliques aromatiques). Cependant seules les émissions abondantes de particules sont une caractéristique propre aux moteurs Diesel. En juin 2012, le CIRC (Centre International de Recherche du Cancer) a réexaminé les gaz d’échappement des moteurs Diesel et les a reclassés comme étant « Cancérogènes pour l’Homme ». Deux études ont été faites à partir de données épidémiologiques concernant l’exposition de travailleurs de mines aux États-Unis et en France, chez des cheminots exposés aux émissions Diesel et des transporteurs routiers exposés régulièrement aux pots d’échappement. Bien que ces études concernent des populations diverses exposées à différents niveaux de concentrations de Diesel en fonction de leur environnement de travail, elles ont toutes mis en évidence une corrélation entre l’exposition professionnelle et l’incidence et la mortalité de cancer du poumon. De plus, un risque accru de cancer du col de l’utérus, de la vessie, de l’ovaire, de l’œsophage, de l’estomac, et 55 | P a g e

du rein est à mettre en relation avec l’exposition professionnelle aux particules Diesel. L’interprétation du niveau de risque des émissions diesel vis-à-vis du cancer en population générale reste toutefois complexe, car les études qui ont permis d’objectiver le lien de causalité entre particules diesel et cancer chez l’homme portent exclusivement sur des expositions professionnelles, et dans des conditions detravail qui ne devraient plus persister actuellement. Malgré le fait qu’aucune étude épidémiologique ne permet aujourd’hui clairement de prouver l’implication de l’exposition aux particules Diesel dans le développement de cancer, les études in vitro, confirment le caractère cancérigène. Ainsi, les gaz d’échappement du moteur Diesel ont été classés cancérigènes certains par l'OMS. Loin de n’induire que des cancers, l’exposition aux particules fines induit à court terme des risques allergiques, des complications respiratoires et circulatoires. La pollution atmosphérique se diffuse dans l'atmosphère sans tenir compte des frontières nationales : c'est un problème transnational, et c'est pourquoi l'Union Européenne définit des normes qui s'appliquent à tous. Les normes européennes d'émission, sont appelées normes Euro. Les normes Euro fixent les limites maximales d’émission de polluants pour les véhicules neufs. La première norme Euro a été mise en place en 1992 depuis cinq autres se sont succédées, la dernière (Euro VI) est entrée enseptembre 2015 en application En définitive les effets nocifs du diesel sont de mieux en mieux documentés scientifiquement.

Conclusion Le moteur Diesel comme tout moteur thermique a ses inconvénients et ses avantages. Les moteurs diesel moderne sont économiques et puissants Malgré les stéréotypes ils sont ecologiques et silencieux.

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Bibliographie -

Support de cours machines thermique Moteurs à Combustion Interne, Combustion et Eléments de Carburation. Dr. Mohamed BENCHERIF EQUILIBRAGE DU MOTEUR DIESEL QUATRE TEMPS QUATRE CYLINDRES. Bekhti Mohamed Amine Wikipédia. Moteur Diesel

Sources : Ouvrages et publications ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie) : Emissions de particules et de NOx par les véhicules routiers, avis de l'ADEME (2014) AFSSET : Émissions de dioxyde d’azote de véhicules diesel : impact des techniques de posttraitement sur les émissions de dioxyde d’azote de véhicules diesel et aspects sanitaires associés, avis et rapport de l’Agence française de sécurité sanitaire de l'environnement et du travail daté d'août 2009, faisant suite à une interrogation (d'août 2006) par les ministères chargés de l’écologie, de la santé et du travail Association Motor Vehicle Statistics of Japan, Japan Automobile Manufacturers (2014)

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