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Comment ça marche :
le moteur diesel
Le moteur Diesel était considéré, jusqu'à une époque
récente, comme un moteur bruyant, polluant et lourd, réservé
en principe aux camions, camionnettes et taxis. Mais,
avec l'avènement des Diesel légers, rapides et
puissants et le raffinement de leurs systèmes
d'injection, la situation a changé dans les années
1980. Le Diesel a acquis ses lettres de noblesse. On le
présente même parfois comme le moteur du futur.
L'avantage principal du moteur Diesel par rapport au
moteur à explosion est son faible coût d'utilisation.
Ce résultat est dû en partie au meilleur rendement du
Diesel - résultant du fait qu'il fonctionne avec un
taux de compression élevé - en partie au prix inférieur
du carburant par rapport à celui de l'essence, bien que
cette différence s'amoindrit à chaque nouvelle hausse
tarifaire.
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1
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Injecteur |
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2
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Arbre à cames |
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3
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Soupape |
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4
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Piston |
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5
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Bielle |
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6
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Vilebrequin |
Le principe
Un moteur Diesel fonctionne différemment
d'un moteur à essence. Même si leurs principaux
organes sont semblables et s'ils respectent le même
cycle à quatre temps, un moteur Diesel et un moteur à
explosion présentent des différences sensibles, en
particulier dans la façon dont le mélange carburé y
est enflammé et dans la manière dont la puissance délivrée
y est régulée. Dans un moteur à essence, le mélange
carburé est enflammé par une étincelle électrique.
Dans un moteur Diesel, l'allumage est obtenu par une
auto-inflammation du carburant à la suite de l'échauffement
de l'air sous l'effet de la compression.
Un rapport volumétrique normal est de
l'ordre de 20 à 1 pour un moteur Diesel (alors qu'il
est de 9 à 1 pour un moteur à essence). Un tel taux de
compression porte la température de l'air dans le
cylindre à plus de 450 °C. Cette température étant
celle de l'auto-inflammation du gazole, celui-ci
s'enflamme spontanément au contact de l'air, sans qu'il
y ait besoin d'une étincelle, et, par conséquent, sans
système d'allumage. Un moteur à essence admet une
masse de mélange carburé variable d'un cycle à
l'autre en fonction de l'ouverture du papillon des gaz.
Un moteur Diesel, au contraire, aspire toujours la même
masse d'air (à régime égal) par un conduit de section
constante dans lequel seule s'interpose la soupape
d'admission (il n'y a ni carburateur, ni papillon).
A la fin de la phase d'admission, la
soupape d'admission se ferme, puis le piston, soumis à
l'inertie de l'ensemble vilebrequin-volant moteur,
remonte vers le haut du cylindre en comprimant l'air
dans environ 1/20 de son volume initial. C'est à la fin
de cette phase de compression qu'une quantité précisément
dosée de carburant (gazole) est injectée dans la
chambre de combustion. En raison de la température élevée
de l'air comprimé, ce carburant s'enflamme immédiatement
et les gaz chauds, en se dilatant, repoussent le piston
avec force. Quand le piston remonte dans le cylindre,
lors de la phase d'échappement, la soupape d'échappement
s'ouvre pour laisser les gaz brûlés et dilatés s'évacuer
dans le système d'échappement. A la fin de la phase d'échappement,
le cylindre est prêt à admettre une nouvelle charge
d'air frais afin que le cycle complet recommence.
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L
'architecture des moteurs Diesel
Les organes principaux d'un
moteur Diesel sont semblables à
ceux des moteurs à essence et
remplissent les mêmes
fonctions. Cependant, le Diesel
doit comporter des pièces plus
résistantes que leurs
homologues équipant les moteurs
à essence car, le taux de
compression y étant nettement
supérieur, les contraintes mécaniques
y sont nettement plus
importantes.
Les parois d'un Diesel sont
en général beaucoup plus épaisses
que celles d'un moteur à
essence et portent davantage de
nervures et de renforts pour
mieux résister aux contraintes
mécaniques et thermiques. Les
pistons, les bielles, le
vilebrequin et doivent être
plus résistants que les mêmes
organes montés sur un moteur à
essence. La conception de la
culasse doit être très différente
en raison de la présence des
injecteurs de gazole et de la
forme spéciale des chambres de
précombustion et de combustion.
L'injection
indirecte
Pour qu'un moteur à
combustion interne fonctionne
avec régularité et ait un bon
rendement, le carburant et l'air
doivent être correctement mélangés.
Les problèmes posés par le mélange
air-carburant sont particulièrement
ardus dans un Diesel, car ces
composants y sont introduits
dans les cylindres à des
moments différents du cycle.
Il existe deux types
d'injection : l'injection
directe et l'injection
indirecte.
Traditionnellement, c'est la
solution de l'injection
indirecte qui a été employée,
car elle constitue le moyen le
plus simple de créer une
turbulence qui assure un mélange
intime de la dose de carburant
avec l'air déjà fortement
comprimé dans la chambre de
combustion. Aussi, dans un
moteur à injection indirecte,
le carburant n'est-il pas injecté
directement dans la chambre de
combustion principale, mais il
est envoyé dans une petite
chambre de turbulence en spirale
(appelée aussi chambre de précombustion)
où s'amorce en réalité la
combustion. L'inconvénient de
ce système réside dans le fait
que la chambre de turbulence est
en fin de compte une annexe de
la chambre de combustion, avec
laquelle elle constitue un
ensemble de forme peu propice à
l'obtention d'une combustion réellement
totale et régulière.
L'injection
directe
Un moteur Diesel à injection
directe ne possède pas de
chambre de turbulence dans
laquelle le carburant est injecté.
Le gazole est envoyé
directement dans la chambre de
combustion. Les concepteurs
doivent porter une attention
particulière au dessin de la
chambre de combustion aménagée
dans la tête du piston afin
qu'elle engendre une turbulence
suffisante.
Le Common
Rail, ou rampe commune
Le système d'injection haute
pression à rampe commune
consiste à alimenter, via une
pompe haute pression pilotée électroniquement,
une rampe commune (soit common
rail en anglais) qui assure
la fonction d'accumulateur du
carburant. Cette rampe est
connectée à des injecteurs qui
assurent une pulvérisation très
fine directement dans la chambre
de combustion grâce à une
pression comprise entre 1350 et
1400 bars (contre 900 bars pour
une pompe d'injection normale).
Cette pulvérisation très fine
permet d'améliorer la
combustion. La consommation et
les émissions polluantes sont réduites.
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1
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Came
spéciale |
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2
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Piston |
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3
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Injecteur |
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4
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Arbre à
cames traditionnel |
L'injecteur-pompe
Le système des
injecteurs-pompes est propre à
Volkswagen. Comme la rampe
commune, l'efficacité du système
est basée sur la haute
pression. Celle-ci est provoquée
mécaniquement sous la poussée
d'une came spécifique placée
sur l'arbre à cames
traditionnel. Cette came
actionne à l'aide d'un poussoir
un petit piston qui augmente la
pression dans l'injecteur afin
de rendre plus fine la pulvérisation.
Les
bougies de préchauffage
Pour faciliter
le départ à froid en élevant
la température des parois de la
chambre de combustion et de
l'air admis, les Diesel sont équipés
de bougies de préchauffage. Ces
organes, qui ressemblent à des
bougies d'allumage mais qui sont
plus courts et plus épais, sont
connectés à l'alimentation électrique
du véhicule; ils comprennent
une résistance intérieure qui
s'échauffe très rapidement dès
qu'elle est mise sous tension.
Les bougies de préchauffage
sont mises en fonction par la clé
de contact-démarrage-antivol.
Sur les moteurs les plus récents,
elles sont mises automatiquement
hors circuit dès que le moteur
est lancé et accéléré
au-dessus de son régime de
ralenti.
Le
contrôle du régime
Un moteur Diesel
n'est pas régulé comme un
moteur à essence, car la masse
d'air aspirée à chaque cycle y
est toujours la même quel que
soit l'effort qui lui est demandé.
Le régime du moteur est
uniquement régulé par. la
quantité de carburant pulvérisé
dans la chambre de combustion
une quantité supérieure de
gazole injecté donne une
combustion plus vive et produit
une force plus importante. La pédale
d'accélération est reliée au
dispositif de dosage (le régulateur)
du système d'injection et non
pas, comme dans un moteur à
essence, à un papillon
d'admission d'air. Si l'arrêt
d'un Diesel s'obtient maintenant
par la manoeuvre d'une clé
semblable à une clé de "
contact ", il s'agit de
couper non pas un circuit
assurant la production d'étincelles,
mais un circuit assurant
l'alimentation électrique d'une
électrovanne qui contrôle
l'arrivée de carburant à la
pompe d'injection du système de
dosage et de distribution.
Le
démarrage d'un moteur Diesel
Comme les
moteurs à essence, les moteurs
Diesel sont lancés par un
moteur électrique (démarreur)
qui amorce le cycle
compression-inflammation. A
froid, cependant, les Diesel
sont difficiles à démarrer,
cela pour au moins deux raisons.
D'une part, ils opposent, du
fait de leur taux de compression
élevé, une forte résistance
à l'entraînement. D'autre
part, la seule compression de
l'air froid ne permet pas
d'atteindre une température
suffisamment élevée pour que
le carburant s'enflamme spontanément.
Pour pallier à cet inconvénient,
les constructeurs ont adopté
pour leur moteurs des bougies de
préchauffage. Il s'agit de
petits éléments dans lesquels
est incorporée une résistance
électrique chauffante. Ils sont
alimentés par l'accumulateur du
véhicule et mis sous tension
pendant quelques secondes avant
le lancement du moteur par le démarreur.
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