Moteurs Diesel d'automobile - Conception

La difficulté principale rencontrée lors de la mise au point d'un moteur Diesel réside dans le très bref laps de temps disponible pour vaporiser le carburant injecté et le mélanger à l'air. Or une combustion dans un milieu hétérogène comportant des zones riches en carburant produit inévitablement des fumées et un ralentissement de la combustion néfaste au rendement.

Les diéselistes se sont donc, de tout temps, efforcés d'accélérer la vitesse de mélange entre le carburant et l'air. Le moyen le plus efficace est d'augmenter la pression d'injection, d'où la création de très fines gouttelettes de carburant (diamètres de l'ordre de 10 à 15 μm) projetées à grande vitesse (plus de 400 m/s) dans la chambre. On améliore encore le mélange en créant dans cette dernière un mouvement de rotation de l'air dans le cylindre, baptisé « swirl » en anglais, grâce à une forme appropriée des pipes d'admission.

En injection directe, le carburant est injecté radialement dans le « bol » creusé dans le piston à partir d'un nez d'injecteur placé vers le centre de ce bol, par plusieurs jets, dont le nombre est couramment compris entre 5 et 8.

Cette disposition a été développée sur de gros moteurs industriels, mais s'est heurtée à des difficultés dans le cas de petits moteurs d'automobiles. Sur ceux-ci, du fait des faibles dimensions de la chambre, les jets de carburant percutaient les parois de la chambre et se recouvraient les uns les autres, créant des zones riches qui brûlaient mal.

Les motoristes se sont alors orientés vers un autre principe de mélange entre le carburant et l'air : l'injection indirecte, dans laquelle le carburant est injecté dans une préchambre reliée au cylindre par un canal de transfert (chambre de turbulence Ricardo) ou plusieurs orifices de communication (chambre de précombustion Mercedes). Cela crée une aérodynamique puissante qui active le mélange air-carburant sur une large plage de régimes, avec un injecteur à un seul trou (injecteur à têton), sans nécessiter de très hautes pressions d'injection (400 à 500 bar).

Mais cette aérodynamique puissante présentait aussi des défauts liés pour beaucoup à l'accroissement du coefficient d'échange thermique aux parois :

• difficultés de démarrage à froid ;

• rendement moins bon ;

• nécessité d'un radiateur de refroidissement plus volumineux ;

• limitation des performances spécifiques, à cause de l'accroissement des contraintes thermomécaniques dans les matériaux des pistons et de la culasse.

Les progrès dans les systèmes d'injection ont permis, dans les années 1990, de développer des moteurs Diesel à injection directe pour l'automobile, avec des pressions supérieures à 1 300 bar, et jusqu'à 1 600 bar en 2007. Les performances spécifiques, qui étaient limitées à environ 45 kW/L avec les moteurs à préchambre, dépassent 65 kW/L en injection directe. Une puissance spécifique élevée permet de faire ce que l'on appelle du « downsizing » : un niveau de performances donné est réalisable avec un moteur de cylindrée plus faible ayant moins de frottements internes, d'où une consommation plus faible. Les moteurs Diesel actuels, pratiquement tous suralimentés par turbocompresseurs, ont d'autre part des couples à bas régime très élevés (180 N.m/L, contre seulement 100 N.m/L sur les moteurs à allumage commandé atmosphériques) qui autorisent l'utilisation de rapports de boîtes de vitesses plus longs : le moteur tourne moins vite et consomme moins.

Le gain de rendement est ainsi de plus de 25 % par rapport à un moteur à allumage commandé. Comme un litre de gazole contient environ 10 % de plus d'énergie qu'un litre de supercarburant, le gain de consommation en L/100 km ressort finalement à plus de 35 %, pour des véhicules de même masse et de performances similaires.

Dans la zone (régime, charge) de meilleur rendement, ce dernier est légèrement supérieur à 40 % pour les moteurs Diesel, contre 32 % pour les moteurs à allumage commandé.

Cela explique le succès de ce type de motorisation en Europe.

Si la consommation constitue un avantage indéniable du moteur Diesel, ce dernier a longtemps été handicapé par le bruit et la difficulté de dépollution en oxydes d'azote et en particules. Les progrès dans ces domaines sont tels que l'on peut maintenant penser à un développement dans des pays qui jusqu'alors ne montraient que peu d'intérêt pour les moteurs Diesel, et qui, crise du pétrole aidant, ne peuvent plus rester insensibles à l'attrait d'une faible consommation en carburant.