Comment fonctionne un moteur diesel ? Il comprime l’air dans le cylindre si fortement que celui-ci atteint plusieurs centaines de degrés Celsius, puis pulvérise du carburant dans cet air chaud, où il s’enflamme spontanément. C’est ce que l’on appelle l’allumage par compression : il n’y a pas de bougie d’allumage, et la puissance est commandée par la quantité de carburant injectée plutôt que par l’étranglement de l’admission d’air. Comme les diesels fonctionnent avec des rapports volumétriques d’environ 14:1 à 22:1, ils convertissent une plus grande part de l’énergie du carburant en travail que les moteurs à essence, ce qui explique leur utilisation dans les camions, les navires, les groupes électrogènes et les engins de chantier.
Points essentiels
- Un moteur diesel enflamme le carburant grâce à la chaleur de l’air comprimé, et non à une étincelle ; les rapports volumétriques typiques sont d’environ 14:1 à 22:1, contre environ 8:1 à 12:1 pour les moteurs à essence.
- La plupart des diesels fonctionnent selon un cycle à quatre temps (admission, compression, détente, échappement) ; les très grands moteurs de navires et certaines conceptions anciennes utilisent un cycle à deux temps.
- Les moteurs diesel n’ont pas de bougies d’allumage ; beaucoup possèdent des bougies de préchauffage ou un réchauffeur d’air d’admission qui servent uniquement à faciliter le démarrage à froid.
- Le brevet de Rudolf Diesel a été accordé en Allemagne en 1893, et son premier moteur opérationnel a été présenté à Augsbourg en 1897 avec un rendement d’environ 26 pour cent.
- Les moteurs diesel modernes à usage intensif atteignent des rendements thermiques au frein situés au milieu de la tranche des 40 %, et les grands moteurs diesel marins à bas régime dépassent 50 %.
Comment fonctionne un moteur diesel, étape par étape ?
Un diesel à quatre temps accomplit un cycle moteur en deux tours de vilebrequin. Chaque piston effectue quatre courses, et le système d’alimentation synchronise l’injection avec la fin du temps de compression.
- Temps d’admission. Le piston descend avec la soupape d’admission ouverte et aspire uniquement de l’air. Sur un moteur turbocompressé, l’air arrive sous pression, ce qui introduit davantage d’oxygène dans le cylindre.
- Temps de compression. Les deux soupapes se ferment et le piston remonte, comprimant l’air jusqu’à une fraction de son volume initial. La compression élève la température de l’air bien au-dessus du point d’auto-inflammation du gazole.
- Temps moteur. Près du point haut de la course, l’injecteur pulvérise du carburant finement atomisé dans l’air chaud. Le carburant s’enflamme après un très court délai, les gaz se détendent et la pression pousse le piston vers le bas, faisant tourner le vilebrequin.
- Temps d’échappement. La soupape d’échappement s’ouvre et le piston qui remonte expulse les gaz brûlés, préparant l’admission suivante.
Voilà, en résumé, comment un moteur diesel fonctionne à chaque cycle. La différence essentielle avec un moteur à essence se situe aux étapes 1 et 3. Un moteur à essence aspire un mélange d’air et de carburant et l’enflamme à l’aide d’une étincelle, tandis qu’un diesel aspire uniquement de l’air et règle sa puissance exclusivement par la quantité de carburant injectée.
Les moteurs diesel ont-ils des bougies d’allumage ?
Non. Les moteurs diesel n’utilisent pas de bougies d’allumage, car le carburant s’enflamme sous l’effet de la chaleur de compression. En revanche, de nombreux diesels possèdent une aide au démarrage à froid : des bougies de préchauffage qui chauffent la chambre de combustion, ou une grille chauffante qui réchauffe l’air d’admission.
Ces aides sont particulièrement utiles par temps froid et sur les petits moteurs, dont les parois des cylindres absorbent davantage de chaleur pendant la compression. Une fois le moteur en marche, la chaleur de combustion suffit et les bougies de préchauffage s’arrêtent, bien que certains moteurs modernes les maintiennent brièvement actives après le démarrage pour réduire la fumée blanche et le bruit.
Comment un moteur diesel démarre-t-il ?
Un diesel démarre lorsque le démarreur entraîne le vilebrequin suffisamment vite pour que la compression chauffe l’air au-dessus de la température d’inflammation. Le système de commande ou la pompe d’injection fournit alors le carburant, les premières combustions se produisent dans les cylindres et le moteur prend de la vitesse par lui-même.
Les grands moteurs peuvent utiliser un démarrage à l’air comprimé au lieu d’un démarreur électrique. Un démarrage difficile indique généralement l’une des causes suivantes : vitesse de lancement insuffisante due à une batterie faible, air dans le circuit de carburant, injecteurs usés, faible compression due à l’usure des segments ou des soupapes, ou défaillance d’une aide au démarrage à froid. Après chaque remplacement du filtre à carburant, le circuit doit être purgé ou réamorcé pour que le moteur démarre de manière fiable ; le guide de remplacement des filtres à gazole explique cette étape.
Quels sont les principaux composants d’un moteur diesel ?
Un moteur diesel partage l’architecture de base de tout moteur à pistons, mais sa construction est plus robuste pour résister à des pressions plus élevées dans les cylindres. Le tableau décrit simplement les éléments d’un moteur diesel, comme le ferait un schéma.
| Composant | Fonction | Particularités du diesel |
|---|---|---|
| Bloc-cylindres et chemises | Abritent les cylindres et les passages de liquide de refroidissement | Utilisent souvent des chemises humides ou sèches remplaçables sur les moteurs lourds |
| Culasse | Porte les soupapes, les injecteurs et les conduits | Conçue pour résister à des pressions maximales élevées ; peut comporter des bougies de préchauffage |
| Pistons et segments | Assurent l’étanchéité de la chambre de combustion et transmettent l’effort | Comportent souvent une cuvette de combustion usinée dans la tête du piston |
| Bielles et vilebrequin | Transforment le mouvement des pistons en rotation | Plus lourds que dans un moteur à essence de même taille |
| Arbre à cames et distribution | Ouvrent et ferment les soupapes d’admission et d’échappement | Même principe que sur les moteurs à essence |
| Système d’injection de carburant | Dose et injecte le carburant à haute pression | Pompe mécanique ou rampe commune à commande électronique |
| Turbocompresseur et refroidisseur d’air de suralimentation | Introduisent davantage d’air dans les cylindres | Équipent la plupart des diesels modernes, à l’exception des plus petits |
| Système de refroidissement | Évacue la chaleur par le liquide de refroidissement ou l’air | Le refroidissement liquide est le plus courant ; les petits moteurs peuvent être refroidis par air |
| Post-traitement | Épure les gaz d’échappement | DPF, SCR à l’urée (DEF) et catalyseurs d’oxydation sur les moteurs routiers et non routiers modernes |
Quels systèmes d’injection de carburant les diesels utilisent-ils ?
L’injection diesel a évolué des pompes purement mécaniques vers des systèmes haute pression à commande électronique. Les deux types restent en service, notamment dans les applications industrielles et marines.
- Les pompes mécaniques en ligne ou rotatives dosent le carburant à l’aide de cames et de pistons de pompe, puis l’envoient à chaque injecteur au moment voulu. Elles sont simples et se prêtent aux réparations sur le terrain, ce qui maintient leur popularité sur les moteurs de groupes électrogènes et de bateaux de travail, tels que le six-cylindres de type 6BT.
- Les injecteurs-pompes réunissent l’élément de pompe et l’injecteur dans un seul corps pour chaque cylindre.
- L’injection à rampe commune stocke le carburant à très haute pression dans une rampe partagée, et les injecteurs à commande électronique peuvent effectuer plusieurs injections par cycle. Cela permet une combustion plus silencieuse, des émissions réduites et une consommation moindre, mais exige un carburant propre et des outils de diagnostic.
Les moteurs se distinguent également par l’endroit où le carburant est injecté. La plupart des diesels modernes utilisent l’injection directe dans une cuvette située dans la tête du piston. Certains moteurs anciens et de petite taille utilisent l’injection indirecte dans une préchambre, plus silencieuse mais moins efficace et nécessitant généralement des bougies de préchauffage.
Pourquoi les moteurs diesel ont-ils un rendement si élevé ?
Le rendement du diesel repose sur trois facteurs : une forte compression, une combustion en mélange pauvre et l’absence de pertes par étranglement. Un rapport de compression et de détente plus élevé permet de tirer davantage de travail d’une même quantité de chaleur, et comme un diesel n’étrangle pas son admission d’air, il évite les pertes par pompage que subit un moteur à essence à charge partielle.
Le gazole contient également davantage d’énergie par gallon. L’US Energy Information Administration indique environ 137381 Btu par gallon pour le gazole, contre environ 120214 Btu pour l’essence automobile, soit environ 14 pour cent de plus. Le site du gouvernement américain consacré aux économies de carburant indique que les véhicules diesel offrent généralement une efficacité énergétique supérieure d’environ 30 à 35 pour cent à celle de véhicules à essence comparables.
| Type de moteur | Rendement thermique effectif maximal typique |
|---|---|
| Petits moteurs à essence | Environ 25–35% |
| Moteurs diesel automobiles modernes | Environ 35–42% |
| Moteurs diesel de poids lourds et industriels | Environ 40–46% |
| Grands moteurs diesel marins à deux temps et à bas régime | Supérieur à 50% |
Ces chiffres sont des valeurs maximales indicatives ; le rendement réel dépend de la charge, du régime et de l’entretien. Pour une comparaison directe des deux types de moteurs, consultez moteurs diesel et moteurs à essence.
Qui a inventé le moteur diesel, et quand ?
Le moteur diesel a été inventé par l’ingénieur allemand Rudolf Diesel. Il a déposé sa demande de brevet en 1892, le brevet lui a été accordé en 1893 et, après des années de développement dans les ateliers de Maschinenfabrik Augsburg (devenu ensuite MAN), le premier moteur exploitable a fonctionné en 1897, avec un rendement d’environ 26 pour cent, très supérieur à celui des machines à vapeur de l’époque.
Diesel envisageait initialement de faire fonctionner des moteurs avec divers combustibles, notamment de la poussière de charbon et de l’huile végétale. En quelques décennies, les diesels se sont répandus dans les navires, les sous-marins, les locomotives et les centrales fixes, puis dans les camions et les tracteurs agricoles.
Quels sont les différents types de moteurs diesel ?
Les moteurs diesel sont généralement classés selon leur cycle, leur régime et leur application. Le régime constitue la distinction la plus utile pour les acheteurs, car il est lié aux dimensions, au poids et à la durabilité.
- Les diesels à haut régime (au-dessus d’environ 1000 rpm) équipent les camions, les groupes électrogènes, les engins de chantier et les bateaux de petite à moyenne taille.
- Les diesels à régime moyen (environ 300 à 1000 rpm) équipent les grands navires, les locomotives et les centrales électriques.
- Les diesels à bas régime (en dessous d’environ 300 rpm), presque toujours à deux temps, entraînent directement les hélices des grands navires marchands.
Les systèmes diesel-électriques associent un diesel à une génératrice et à des moteurs électriques, comme dans les locomotives et de nombreux ferries et navires offshore. Pour les familles de moteurs utilisées dans l’industrie, consultez le guide des moteurs diesel industriels et, pour les petits modèles refroidis par air ou par liquide, le guide des petits moteurs diesel.
Les moteurs diesel sont-ils plus fiables ?
Dans les applications intensives, les diesels durent généralement plus longtemps que les moteurs à essence de puissance comparable. Ils sont construits avec des blocs, des vilebrequins et des paliers plus résistants pour supporter la pression élevée dans les cylindres, fonctionnent à plus bas régime et n’ont pas de système d’allumage susceptible de tomber en panne.
La fiabilité dépend néanmoins de la qualité du carburant, de la filtration de l’air, du refroidissement et du respect des vidanges d’huile. Les diesels modernes équipés de dispositifs antipollution comportent des composants supplémentaires, tels que les filtres à particules et les systèmes SCR, qui nécessitent leur propre entretien. Shanghai Mars Industrial (MARS) fournit des moteurs diesel pour les applications marines, les groupes électrogènes, les camions et les machines, et chaque moteur peut faire l’objet d’un essai de fonctionnement avant expédition, accompagné d’un rapport écrit et d’une vidéo ; demandez les caractéristiques pour une application précise.
Questions fréquentes
Les moteurs diesel ont-ils des bougies d’allumage ?
Non. Le gazole s’enflamme sous l’effet de la chaleur de l’air comprimé ; il n’y a donc pas de bougie d’allumage. De nombreux diesels possèdent des bougies de préchauffage ou un réchauffeur d’admission qui servent uniquement à faciliter le démarrage à froid.
Quel est le rapport volumétrique d’un moteur diesel ?
La plupart des diesels modernes fonctionnent avec un rapport d’environ 14:1 à 22:1, tandis que certaines conceptions anciennes à injection indirecte atteignent environ 23:1 ou davantage. Les moteurs à essence fonctionnent généralement avec un rapport d’environ 8:1 à 12:1.
Un moteur diesel peut-il fonctionner à l’essence ?
Non. L’essence a un indice de cétane très faible et ne s’auto-enflamme pas correctement dans un diesel ; elle ne possède pas non plus le pouvoir lubrifiant nécessaire au système d’injection. Mettre de l’essence dans un réservoir de diesel peut endommager les pompes et les injecteurs ; le circuit de carburant doit donc être vidangé avant le démarrage.
Qu’est-ce que la propulsion diesel-électrique ?
Il s’agit d’un système dans lequel un moteur diesel entraîne une génératrice, et des moteurs électriques entraînent les roues ou les hélices. Il est utilisé dans les locomotives ainsi que dans de nombreux ferries, navires offshore et navires de croisière, car il permet une implantation souple des moteurs et un fonctionnement efficace à charge partielle.
Pourquoi les moteurs diesel produisent-ils davantage de couple ?
Les diesels ont généralement de longues courses de piston, des pressions élevées dans les cylindres et une suralimentation par turbocompresseur, ce qui produit un couple important à bas régime. Ils sont ainsi bien adaptés aux fortes charges, au remorquage et à l’entraînement des hélices.
