Le moteur diesel

Sur TontonGreg.fr, j’ai remarqué que je traite énormément des sujets relatifs aux moteurs essence. Mais qu’en est-il des diesel? je me pose cette question surtout par rapport aux derniers BMW M550d, X5 50d et X6 50d: un mazout en commun mais quelle puissance!!! Je vais donc commencer mes articles « diesel » en parlant de généralités sur notre bon vieux poêle à mazout 😉

L’histoire

Fruit des travaux menés par l’ingénieur franco-allemand Rudolf Diesel entre 1893 et 1897, le moteur Diesel est un moteur à combustion interne dont l’allumage n’est pas commandé mais spontané, par phénomène d’auto-inflammation. Il n’a donc pas besoin de bougies d’allumage. Cela est possible grâce à un très fort taux de compression (rapport volumétrique) d’environ 14:1 à 25:1, permettant d’obtenir une température de 700 à 900 °C. Des bougies de préchauffage sont souvent utilisées pour permettre un meilleur démarrage du moteur à froid, en augmentant, temporairement, la température d’un point de la chambre de combustion.

Le moteur Diesel a été conçu au départ pour fonctionner au charbon pulvérisé, cependant, suite aux problèmes d’usure dus aux résidus de combustion, Rudolf Diesel est passé aux carburants liquides, comme le fioul ou les huiles végétales. Finalement, le fioul a été préféré car moins coûteux et se pulvérisant mieux du fait d’une viscosité inférieure.

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

Les moteurs Diesel fonctionnent habituellement au gazole, au fioul lourd ou aux huiles végétales ou minérales. Ils peuvent aussi bien être à deux temps (surtout sur les Diesel de navire, avec suralimentation par compresseur et injection pneumatique) qu’à quatre temps. Ce type de moteur à taux de compression élevé a connu une expansion rapide en automobile en Europe à partir de la fin des années 1980, lorsque la suralimentation, par turbocompresseur, en a notablement amélioré les performances.

Le principe

Comme le moteur thermique à essence, le moteur Diesel est constitué de pistons coulissants dans des cylindres, fermés par une culasse reliant les cylindres aux collecteurs d’admission et d’échappement et munie de soupapes commandées par un arbre à cames.

Son fonctionnement repose sur l’auto-inflammation du gazole, fioul lourd ou encore huile végétale brute dans de l’air comprimé à 1:20 du volume du cylindre (environ 35 bar), et dont la température est portée de 600 °C à 1 500 °C environ. Sitôt le carburant injecté (pulvérisé), celui-ci s’enflamme presque instantanément, sans qu’il soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie. En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression dans le cylindre (60 à 100 bars), repoussant le piston qui fournit une force de travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin.

Vitesse et puissance

Les vitesses de rotation des moteurs Diesel sont très différentes d’un moteur à un autre. En effet, plus le moteur est gros, plus la course du piston est grande, et plus le moteur est lent. Trois classes de moteurs sont ainsi définies :
– moteur lent : moins de 200 tr/min
– moteur semi-rapide : entre 400 et 1 000 tr/min
– moteur rapide : 1 000 tr/min et plus

La limite maximale du régime de rotation d’un moteur est déterminée par la vitesse de déplacement du piston dans le cylindre. Elle est exprimée en m/s.

Les constructeurs motoristes, suivant l’utilisation du moteur et la fiabilité qui leur est demandée, ont fixé des plages limites (résultat d’essais d’usure) suivantes :

– 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 kW, par litre de cylindrée. La mise en survitesse du moteur risque de conduire à des chocs pistons-soupapes qui se traduisent souvent par le flambage des queues de soupapes ou de leurs tiges de commande.

Schématiquement, plus le piston est gros, plus sa course est importante. Pour exemple : moteur DW10 ATED de PSA, cylindrée 1 997 cm³, alésage 85 mm, course 88 mm, régime de puissance maximale 4 000 tr/min.

Pour ce moteur, la vitesse linéaire du piston dans le cylindre à 4 000 tr/min est de : 88 x 2 (deux courses par tour moteur) = 176 mm ou, en mètres, 0,176 × 4 000, soit 704 m/min ou 704/60 m/s = 11,7 m/s

La vitesse de rotation d’un moteur est directement liée à la course du piston (donc à la cylindrée) et à son usage.

Suivant la définition ci-dessus : moteur lent, moteur semi rapide ou rapide, un moteur défini comme semi rapide à 1 000 tr/min peut avoir une course de 450 mm pour une vitesse linéaire de piston supposée de 9 m/s.

Si l’on suppose que le cylindre de ce moteur est de type carré (course égale à l’alésage) soit course 450mm et alésage 450mm, la cylindrée unitaire est de 91,225 litres.

Pour le moteur cité ci-dessous (alésage 960 mm et course 2 500 mm), le piston se déplace de 5 mètres par tour. Pour une vitesse de rotation de 102 tr/min, la vitesse linéaire du piston est de 8,5 m/s. Au régime de puissance maximale développée, à 92 tr/min, celle-ci sera de 7,6 m/s.

Certains moteurs Diesel lents de type 2-temps, atteignent 100 000 ch (voir le porte-conteneurs Emma Mærsk), comme le Wärtsilä RT-flex96C 14 cylindres, moteur à 2 temps lent (92/102 tr/min). Les cylindres ont un alésage de 96 cm et le piston une course de 2,5 m. Ce moteur a une hauteur d’environ 13 mètres et une longueur de 26 mètres pour un poids de 2 300 tonnes, oui, ce n’est pas un moteur de gonzesses 😉

Oui, il y a bien un être humain à côté de cet arbre…ce dernier moteur est le plus gros moteur diesel au monde.

Combustion

Réaction chimique dans laquelle la combustion du carburant (oxydation vive de l’hexadécane) par le dioxygène présent dans l’air dégage de la chaleur plus des résidus de combustion : dioxyde de carbone et eau.

Équation parfaite de la combustion Diesel du gazole : hexadécane + dioxygène = dioxyde de carbone + eau :

2 C16H34 + 49 O2 → 32 CO2 + 34 H2O

En pratique on considère qu’il faut prévoir 30g d’air pour brûler 1g de combustible.

Usage

Le moteur Diesel est de préférence utilisé lorsqu’il y a besoin d’un couple important ou d’un bon rendement: locomotives, bateaux, camions, tracteurs agricoles, groupes électrogènes, engins de travaux publics ou automobiles.

En effet, le gazole ayant un pouvoir calorifique volumique plus important que l’essence et bénéficiant d’une taxation légèrement plus favorable en France, les moteurs Diesel se révèlent plus économiques à la pompe bien que plus chers à l’achat et à l’entretien. Par ailleurs, les progrès accomplis dans ce domaine ont très largement rendu caduque la vieille dichotomie entre le moteur à essence « vroum-vroum » et le « Diesel à papa ». Les performances ayant ainsi tendance à s’équilibrer, le gasoil a su se montrer plus sportif et nerveux, séduisant ces dernières années une clientèle jadis acquise à l’essence. Cela étant, l’équilibrage en termes de performances se traduit aussi par un équilibrage en termes de coût. Les nouvelles technologies mises en œuvre engendrent un surcoût chez le garagiste qui est de moins en moins compensé à la pompe, compte tenu de la hausse globale du prix des hydrocarbures… Il convient néanmoins de faire une distinction géographique : si, en France par exemple, le moteur Diesel se démocratise, aux États-Unis, les voitures et les camions fonctionnent encore très majoritairement à l’essence, qui reste moins cher que le Diesel.

Avantages

Les raisons du succès du moteur Diesel dans l’automobile, au-delà d’avantages fiscaux qui relèvent de choix politiques et non techniques, tiennent essentiellement à son rendement, supérieur à celui du moteur à essence. Ce rendement peut être encore amélioré par l’utilisation d’un turbocompresseur (les modèles plus récents sont « à géométrie variable », technologie qui leur permet d’être plus performants à bas régime) et par l’injection directe à haute pression.

Si l’injection directe existe depuis les débuts du moteur Diesel, elle n’était pas utilisée en automobile pour des raisons techniques (fumées et bruit supérieurs, gradient de pression trop élevé obligeant une utilisation de pistons très solides et très lourds, qui empêchait de tourner trop vite), mais seulement sur les moteurs lents (industriels, poids-lourds et marins).

Avec les nouveaux dispositifs d’injection directe, injecteurs-pompe, rampe commune et injecteurs piézo-électrique, la pression atteint jusqu’à 2 500 bars (contre 1 400 pour la première rampe commune et moins de 1 000 pour un moteur à injection indirecte) ce qui assure une pulvérisation du gazole turbulente, continue, constante et bien répartie, essentielle pour une bonne combustion. Cette injection haute pression a été inventée par la société Elasis S.C.p.A., filiale de Fiat, et a été utilisée pour la première fois sur la Fiat Croma en 1988. Ce moteur prit le nom de TDid.

La suralimentation fait appel à un compresseur pour augmenter la quantité d’air (donc d’oxygène) introduite dans le moteur, ce qui est particulièrement appréciable en altitude (et donc en aviation). Ce principe permet d’augmenter la puissance sans augmenter le régime et la cylindrée du moteur. Le compresseur chargé de comprimer l’air admission est entraîné généralement par une turbine (ou turbo) qui récupère une partie de l’énergie des gaz d’échappement, environ 25 % de l’énergie fournie par le carburant. La suralimentation permet d’accroître le rendement du moteur : la puissance et le couple augmentent plus que la consommation de carburant.

Pour faciliter le départ à froid en élevant la température des parois de la chambre de combustion et de l’air admis, les moteurs Diesel (notamment les moteurs de poids-lourds) sont équipés de systèmes de préchauffage (parfois appelés « bougies »), de réchauffage d’air, ou encore d’un système de surcharge à la pompe d’injection.

À l’origine considéré comme un moteur « sale » du fait de son carburant moins raffiné et du bruit important de fonctionnement (claquements), le Diesel s’est aujourd’hui amélioré en termes de pollution aussi bien atmosphérique que sonore. Du point de vue de la pollution, l’avantage principal des moteurs Diesel est de produire, à puissance égale, du fait de leur rendement supérieur, moins de CO2 que leurs équivalents à essence, typiquement 20 % de moins. Cependant les nouvelles normes de production qui imposent une désulfuration du gazole rejettent beaucoup de CO2. Le gazole doit être traité avec de l’hydrogène pour capter les molécules de souffre. La production d’hydrogène est elle-même une source importante d’émissions de CO2 dans l’atmosphère. A l’heure d’aujourd’hui le moteur en lui même rejette effectivement moins de CO2, mais en tenant compte de la fabrication du carburant aux normes qui lui convient, cet argument est diminué. Ils produisent également moins de monoxyde de carbone (qui s’oxyde rapidement en dioxyde de carbone dans l’atmosphère) et d’hydrocarbures imbrûlés que les moteurs à essence, notamment avant que le catalyseur de ces derniers ne monte en température. Le traitement récent des problèmes dus à l’émission de fines particules imbrûlées par les filtres à particules, ainsi que la question des oxydes d’azote (irritants) sont discutés dans la section inconvénients.

La teneur en soufre des carburants (gazole, fioul) est progressivement diminuée dans l’ensemble des pays, afin de réduire la quantité de dérivés soufrés émis à l’échappement.

Ce moteur peut brûler de l’huile végétale à la place du gazole issu du pétrole. Il faut ainsi se souvenir que les sous-marins Français refugiés en Afrique de l’ouest durant la deuxième guerre mondiale, brûlaient de l’huile d’arachide, faute de pétrole. Pour un usage quotidien sur des véhicules automobiles de tourisme, il est cependant nécessaire de modifier quelque peu le circuit d’alimentation, en raison de la plus grande viscosité de l’huile végétale brute, comparée au gazole8. On peut aussi utiliser des carburants à base végétale transformés et raffinés (diester ou NExBTL) mais qui, comparés à des huiles végétales brutes recyclées, perdent de leur intérêt écologique en raison de l’énergie dépensée pour les fabriquer.

Un autre avantage du moteur Diesel réside dans les carburants utilisés, qu’il s’agisse du gazole ou des huiles végétales, dans lesquels on n’utilise pas de benzène, contrairement aux essences et supercarburants sans plomb. Or, le benzène est très cancérogène et très volatil.

Inconvénients

Les premiers moteurs Diesel étaient beaucoup plus lourds, bruyants (comme Renault Laguna ou Safrane) et bien moins puissants que leurs homologues à essence. Ces inconvénients ont été partiellement éliminés sur les véhicules modernes grâce, en particulier, au turbocompresseur à géométrie variable, aux rampes d’injection communes ou à l’injection très haute pression.

La réduction du niveau sonore dépend beaucoup de la gestion de l’injection et des dispositifs d’insonorisation. De par leur conception, à puissance égale, ces moteurs restent plus lourds que leurs homologues à essence. Un moteur Diesel est moins « lisse » qu’un moteur Essence, et fonctionne mieux à bas régime, il a donc moins d’allonge que son homologue à essence.

Pollution et toxicité des gaz d’échappement

Outre que le Diesel incite aussi à encore prélever et émettre du carbone fossile, ses impacts spécifiques sur la santé environnementale et sur la pollution de l’air restent préoccupants :
– les suies et micro ou nanoparticules sont considérées comme « cancérogènes probables » par le Centre international de recherche sur le cancer.
– les benzopyrènes et les benzoanthracènes, hydrocarbures aromatiques polycycliques reconnus cancérigènes.
– le formaldéhyde cancérigène de catégorie 1 (CIRC) est présent dans les gaz d’échappement, à une concentration similaire à celle des moteurs à essence (100 à 300 ppm).
– les oxydes d’azote – NOx sont des précurseurs de la pollution à l’ozone, surtout par temps ensoleillé et notamment lors de canicules.

Les normes européennes d’émission ont pris en compte de manière limitée la réduction des oxydes d’azote – NOx émis par les moteurs Diesel. Actuellement la limite est de 2 g/kWh pour les camions (Euro V) et 0,18 g/km pour les voitures particulières (Euro 5).

Pour en savoir plus sur la pollution automobile, lisez cet article où je parle notamment du NOx.

Le diesel chez BMW

La  grande réputation du moteur diesel chez BMW est son rapport performances/sobriété. Et leurs blocs sont en moyenne plus silencieux que la concurrence.

Depuis de nombreuses années BMW propose des motorisations diesels de grande qualité et sur tout de puissance généreuse contrairement à des nombreux concurrents. Seuls Audi et Mercedes ont toujours pu apporter des équivalents. Nous commencerons l’analyse à partir des moteurs les plus récents soit après l’existence des 25 tds (325 tds et 525 tds) qui sont techniquement moins avancés.

Actuellement le plus petit moteur distribué est le 16d disponible sur série 1 et 3 sous les noms de 116d et 316d (vous savez bien que le premier chiffre désigne le modèle et le reste le moteur). Cependant le 16d n’est pas un 1.6 litres comme on pourrait le croire mais bien un 2 litres tout comme les 18d et 20d. Pour résumer l’ensemble de ces motorisations diesel voici les puissances correspondantes :
– 16d 115 ch (dernier diesel sorti sur les série 1 et 3)
– 18d 122ch et 143 ch, 20d de130 ch – 150 ch – 163 ch – 177 et 184 ch.

Le 20d est celui qui a été le plus diffusé et l’évolution de sa puissance a toujours été revue à la hausse avec 130 et 150 ch pour la série 3 E46 (1998 – 2004). Sur la version E90 de la série 3 i la débuté à 163 pour ensuite monter à 177 et enfin en 2011 à 184 ch, le schéma est exactement le même pour la série 1 et la série 5 E60 avec des puissances équivalentes.

Le 23 d est un 2.0 litres qui n’équipe que la série 1. Il développe 204 chevaux et représente donc la version la plus puissante du 2.0 litres de BMW.

Ensuite viennent les très convoités 3.0 litres 6 cylindres qui se sont eux aussi déclinés en plusieurs plages de puissance :
– 25d : mettons à part la 525d des années 2000 qui fut contrairement aux autres des 2.5 litres qui développaient 163 chevaux. Depuis l’avènement de ce moteur à la sortie de la E60 en 2003 (série 5) le moteur 25d devient en 2007 un 3.0 litres (le même qu’une 30d). La 525d avait une puissance de 177 ch à l’origine pour être augmentée à 197 ch puis 204 chevaux plus tard (toute petite évolution de moins de 10 ch). Idem pour la série 3 E90 qui a subi exactement la même évolution mais à partir de la version 197 ch car la série 3 E90 est sortie un peu après la série 5 E60 et le moteur 25d avait déjà subi la mise à jour. N’oublions pas la 725tds qui a reçu le 6 cylindres M51, entre ’96 et ’98.
– 30d Disponible sur un grand nombre de modèles allant de la série 3 jusqu’au X6 et série 7. Il a débuté sa carrière à la fin des années 90 sur les séries 3, 5 et 7 avec une puissance de 183 ch sur la E46 et 193 ch pour les série 5 et 7. Il a fini à 204 ch sur la E46 puis a débuté sa carrière à 231 chevaux sur la BMW série 3 E90 et 218 ch sur la 530d E60. Après le restylage de cette dernière il a été augmenté à 258 ch. Précisons au passage que la police d’autoroute anglaise utilise des 330d de 245 ch pour intercepter les contrevenants, vous comprendrez que ce moteur n’est pas un fainéant et que les 245 ch ne sont pas que théoriques …
– 35d : il s’agit ici d’un 3.0 litres diesel à double turbo. On peut donc dire qu’il s’agit d’un 30d bi turbo et non pas un 3.5 litres. Il a commencé sa carrière sur la Série 5 E60 avec une puissance développant 272 ch. Ensuite il a été upgradé à 286 chevaux et a été distribué sur la série 3 E90 grâce à la grande générosité de BMW ! En effet, à part les 3 grandes marques de luxes allemandes, qui propose des moteurs aussi puissants ?

Sa dernière évolution atteint cette fois ci 313 ch ! Quand on sait que la M3 E36 faisait 286ch on se dit que l’évolution de la puissance des moteurs de la marque est fulgurante.

Les plus gros diesels BMW sont les 40d dont les puissances s’échelonnent de 245 à 306 ch. Il s’agit de gros 6 cylindres (type N57) peu appréciés des écologistes mais fortement appréciés des amateurs de mécaniques. Il n’est disponible que sur les X5, X6 et Série 7. La Série 5 en a aussi maintenant le droit avec le M57. Dans le même registre, on a vu des V8 diesel (type M67) sur les 740d et 745d entre 2000 et 2008.

Et aujourd’hui, BMW, avec sa série M Performance, nous a sorti un bloc 3.0l diesel de 380ch et 740Nm…de quoi tracter un avion! mais jusqu’où vont-ils aller???

Les diesels sur nos BMW, seulement par BMW ?

Et bien si jusqu’à présent BMW s’équipe de ses propres moteurs les choses tendent à évoluer puisque la série 1 deuxième génération s’équipe du 1.6 HDI du Groupe PSA. Rappelons que BMW et PSA (Peugeot/Citroën) travaillent ensemble depuis plusieurs années sur leurs moteurs (Prince) afin d’échanger leur expérience. Ce partenariat fini par déboucher sur des « prêts » de moteur comme on vient de le dire. A noter que le Mini Countryman (Mini appartenant à BMW) propose en diesel un 1.6 HDI (nommé 1.6 d sur le Countryman) et en même temps un  2.0 litres BMW de 143 ch (qui équipe les BMW 118d, 318d, X 18d).

Sources Wikipedia et fiches-auto.fr