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Comment fonctionnent les moteurs diesel ?

Le V-8 Duramax de 4,5 litres améliore l'efficacité de 25% par rapport aux moteurs à essence, tout en réduisant les polluants et les émissions.  Voir plus d'images de moteur diesel.

L'un des articles les plus populaires Pieces auto market qui explique les principes de base de la combustion interne, traite du cycle à quatre temps et de tous les sous-systèmes qui aident le moteur de votre voiture à fonctionner. Longtemps après la publication de cet article, l’une des questions les plus fréquemment posées (et l’une des suggestions les plus fréquemment formulées dans la boîte à suggestions) était la suivante: "Quelle est la différence entre un moteur à essence et un moteur diesel?"


L'histoire de Diesel commence en fait avec l'invention du moteur à essence . Nikolaus August Otto avait inventé et breveté le moteur à essence en 1876. Cette invention utilisait le principe de combustion à quatre temps, également appelé "cycle Otto", et constitue le principe de base de la plupart des moteurs de voiture. À ses débuts, le moteur à essence n'était pas très efficace et d'autres moyens de transport majeurs tels que le moteur à vapeur se sont également révélés médiocres. Environ 10% seulement du carburant utilisé dans ces types de moteurs a réellement été utilisé pour déplacer un véhicule. Le reste du carburant produisait simplement une chaleur inutile.


En 1878, Rudolf Diesel fréquenta le lycée polytechnique d'Allemagne (l'équivalent d'une école d'ingénieurs) lorsqu'il découvrit le faible rendement des moteurs à essence et à vapeur. Ces informations troublantes l’ont incité à créer un moteur plus efficace et il a consacré une grande partie de son temps à développer un "moteur à combustion". En 1892, Diesel avait obtenu un brevet pour ce que nous appelons maintenant le moteur diesel.


Si les moteurs diesel sont si efficaces, pourquoi ne les utilisons-nous pas plus souvent? Vous verrez peut-être les mots «moteur diesel» et penserez à de gros camions de transport lourds qui crachent de la fumée noire et suintante et créent un bruit de cliquetis puissant. Cette image négative des camions et des moteurs diesel a rendu le diesel moins attrayant pour les conducteurs occasionnels aux États-Unis - bien que le diesel soit idéal pour transporter de lourdes cargaisons sur de longues distances, ce n’est pas le meilleur choix pour les navetteurs quotidiens. Cela commence toutefois à changer, alors que les gens améliorent le moteur diesel pour le rendre plus propre et moins bruyant.


Si vous ne l'avez pas déjà fait, vous aurez probablement envie de lire en premier comment les moteurs de voitures fonctionnent , afin de vous familiariser avec les bases de la combustion interne. Mais dépêchez-vous - dans cet article, nous dévoilons les secrets du moteur diesel et découvrons de nouvelles avancées.


Moteurs diesel et moteurs à essence


En théorie, les moteurs diesel et les moteurs à essence sont assez similaires. Ce sont tous deux des moteurs à combustion interne conçus pour convertir l'énergie chimique disponible dans le carburant en énergie mécanique. Cette énergie mécanique déplace les pistons de haut en bas dans les cylindres. Les pistons sont connectés à un vilebrequin et le mouvement de va-et-vient des pistons, appelé mouvement linéaire, crée le mouvement de rotation nécessaire pour faire tourner les roues d'une voiture.


Les moteurs diesel et les moteurs à essence convertissent le carburant en énergie par une série de petites explosions ou combustions. La principale différence entre le diesel et l'essence réside dans la manière dont ces explosions se produisent. Dans un moteur à essence, le carburant est mélangé à l'air, comprimé par des pistons et enflammé par des étincelles provenant de bougies d'allumage. Dans un moteur diesel, cependant, l'air est d'abord comprimé, puis le carburant est injecté. Parce que l'air se réchauffe lorsqu'il est comprimé, le carburant s'enflamme.


L'animation suivante montre le cycle diesel en action. Vous pouvez le comparer à l'animation du moteur à essence pour voir les différences.


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Le moteur diesel utilise un cycle de combustion à quatre temps, tout comme un moteur à essence. Les quatre coups sont:


Course d'admission - La soupape d'admission s'ouvre, laissant passer l'air et abaissant le piston.

Course de compression - Le piston remonte et compresse l’air.

Course de combustion - Lorsque le piston atteint le sommet, le carburant est injecté au bon moment et s'enflamme, ce qui force le piston à redescendre.

Course d'échappement - Le piston revient en haut, repoussant les gaz d'échappement créés par la combustion hors de la soupape d'échappement.

N'oubliez pas que le moteur diesel n'a pas de bougie d'allumage, qu'il prend de l'air et le comprime, puis qu'il injecte le carburant directement dans la chambre de combustion (injection directe). C'est la chaleur de l'air comprimé qui allume le carburant dans un moteur diesel. Dans la section suivante, nous examinerons le processus d'injection de diesel.

COMPRESSION


Dans ses calculs, Rudolf Diesel a émis l’hypothèse selon laquelle une compression plus élevée conduit à une efficacité accrue et à une puissance accrue. Cela se produit car lorsque le piston serre l’air avec le cylindre, l’air se concentre. Le carburant diesel ayant un contenu énergétique élevé, la probabilité que le diesel réagisse avec l'air concentré est plus grande. Une autre façon de penser est que, lorsque les molécules d'air sont si serrées, le carburant a plus de chances de réagir avec le plus grand nombre de molécules d'oxygène possible. Rudolf s’est révélé être juste: un moteur à essence compresse dans un rapport de 8:1 à 12:1, tandis qu'un moteur diesel compresse dans un rapport de 14:1 à 25:1.


Injection de carburant diesel


Une grande différence entre un moteur diesel et un moteur à essence réside dans le processus d'injection. La plupart des moteurs de voiture utilisent l'injection bâbord ou un carburateur. Un système d'injection à port injecte le carburant juste avant la course d'admission (à l'extérieur du cylindre). Un carburateur mélange l'air et le carburant bien avant que l'air entre dans le cylindre. Par conséquent, dans un moteur de voiture, tout le carburant est chargé dans le cylindre pendant la course d'admission, puis comprimé. La compression du mélange carburant / air limite le taux de compression du moteur. S'il comprime trop l'air, le mélange carburant / air s'enflamme spontanément et produit des chocs . Le fait de cogner peut endommager le moteur car il provoque une chaleur excessive.


Les moteurs diesel utilisent l'injection directe de carburant - le carburant diesel est injecté directement dans le cylindre.


L'injecteur d'un moteur diesel est son composant le plus complexe et a fait l'objet de nombreuses expérimentations - dans un moteur particulier, il peut être situé à divers endroits. L'injecteur doit pouvoir résister à la température et à la pression à l'intérieur du cylindre tout en délivrant le carburant dans un brouillard fin. Il est également difficile de faire circuler le brouillard dans le cylindre de manière à ce qu'il soit uniformément réparti. Certains moteurs diesel utilisent donc des vannes à induction, des chambres de précombustion ou d'autres dispositifs spéciaux pour faire tourner l'air dans la chambre de combustion ou améliorer le processus d'allumage et de combustion.


Certains moteurs diesel contiennent une bougie de préchauffage . Lorsqu'un moteur diesel est froid, le processus de compression peut ne pas amener l'air à une température suffisamment élevée pour enflammer le carburant. La bougie de préchauffage est un fil chauffé électriquement (pensez aux fils chauds que vous voyez dans un grille - pain ) qui chauffe les chambres de combustion et augmente la température de l'air lorsque le moteur est froid afin qu'il puisse démarrer. Selon Cley Brotherton, un technicien en équipement lourd de compagnon:


Toutes les fonctions d’un moteur moderne sont contrôlées par l’ECM qui communique avec un ensemble complexe de capteurs qui mesurent tout, de la vitesse de rotation du moteur à la température du liquide de refroidissement du moteur et de l’huile, en passant par la position du moteur (TDC). Les bougies de préchauffage sont rarement utilisées de nos jours sur les gros moteurs. L'ECM détecte la température de l'air ambiant et retarde le calage du moteur par temps froid afin que l'injecteur pulvérise le carburant ultérieurement. L'air dans le cylindre est davantage comprimé, ce qui crée plus de chaleur, ce qui facilite le démarrage.


Les moteurs plus petits et ceux qui ne disposent pas d'un tel contrôle informatique avancé utilisent des bougies de préchauffage pour résoudre le problème du démarrage à froid.


Bien entendu, la mécanique n’est pas la seule différence entre les moteurs diesel et les moteurs à essence . Il y a aussi la question du carburant lui-même.


Gasoil


Le carburant de pétrole commence sous forme de pétrole brut que l'on trouve naturellement sur la Terre . Lorsque le pétrole brut est traité dans les raffineries, il peut être divisé en plusieurs types de carburants, notamment l’essence, le carburéacteur, le kérosène et, bien sûr, le diesel.


Si vous avez déjà comparé le carburant diesel et l' essence , vous savez qu'ils sont différents. Ils sentent certainement différent. Le carburant diesel est plus lourd et plus gras. Il s'évapore beaucoup plus lentement que l'essence - son point d'ébullition est en réalité supérieur au point d'ébullition de l'eau. Vous entendrez souvent du carburant diesel appelé "huile diesel" car il est très gras.


Le gazole s'évapore plus lentement car il est plus lourd. Il contient plus d'atomes de carbone dans les chaînes plus longues que l'essence (l'essence est typiquement de C9H20, tandis que le carburant diesel est typiquement de C14H30). Il faut moins de raffinage pour créer du carburant diesel, raison pour laquelle il était moins cher que l’essence. Depuis 2004, toutefois, la demande de diesel a augmenté pour plusieurs raisons, notamment l'industrialisation accrue et la construction en Chine et aux États-Unis [source: Energy Information Administration ].


Le carburant diesel a une densité d'énergie supérieure à celle de l'essence. En moyenne, 1 gallon (3,8 L) de carburant diesel contient environ 155 x 10 6 joules (147 000 BTU), tandis que 1 gallon d'essence contient 132 x 10 6 joules (125 000 BTU). Ceci, combiné à l'efficacité améliorée des moteurs diesel, explique pourquoi les moteurs diesel ont un kilométrage supérieur à celui des moteurs à essence équivalents.


Le carburant diesel est utilisé pour alimenter une grande variété de véhicules et d'opérations. Bien sûr, il alimente les camions diesel que vous voyez sur l'autoroute, mais il aide également à déplacer des bateaux, des autobus scolaires, des autobus urbains, des trains, des grues, du matériel agricole et divers véhicules d'intervention d'urgence et groupes électrogènes. Réfléchissez à l’importance du diesel pour l’économie - sans son efficacité élevée, les secteurs de la construction et de l’agriculture souffriraient énormément des investissements dans des carburants à faible consommation énergétique et à faible rendement. Environ 94% du fret - qu'il soit transporté par camions, trains ou bateaux - repose sur le diesel.


En ce qui concerne l'environnement, le diesel a des avantages et des inconvénients. Le pros-diesel émet de très petites quantités de monoxyde de carbone, d'hydrocarbures et de dioxyde de carbone, qui entraînent le réchauffement de la planète . Les inconvénients - des quantités élevées de composés azotés et de particules (suie) sont libérés lors de la combustion de carburant diesel, ce qui entraîne des pluies acides , du smog et de mauvaises conditions sanitaires. À la page suivante, nous examinerons quelques améliorations apportées récemment dans ces domaines.


Améliorations du diesel et du biodiesel


Au cours de la grande crise pétrolière des années 1970, les constructeurs automobiles européens ont commencé à faire de la publicité pour les moteurs diesel destinés à un usage commercial, à la place de l' essence . Ceux qui ont essayé ont été un peu déçus - les moteurs étaient très bruyants et ils rentraient chez eux pour retrouver leurs voitures couvertes de suie noire - la même suie responsable du smog dans les grandes villes.


Au cours des 30 à 40 dernières années, toutefois, de grandes améliorations ont été apportées en termes de performances des moteurs et de propreté du carburant. Les dispositifs à injection directe sont maintenant contrôlés par des ordinateurs avancés qui surveillent la combustion du carburant, ce qui augmente l'efficacité et réduit les émissions. Des carburants diesel mieux raffinés, tels que le diesel à très faible teneur en soufre (DSUL), réduiront la quantité d'émissions nocives et moderniser les moteurs pour les rendre compatibles avec un carburant plus propre devient un processus plus simple. D'autres technologies, telles que les filtres à particules CRT et les convertisseurs catalytiques, brûlent la suie et réduisent jusqu'à 90% les particules, le monoxyde de carbone et les hydrocarbures. [source: Forum sur la technologie diesel]. L'amélioration constante des normes de l'Union européenne en matière de carburants moins polluants poussera également les industries automobiles à redoubler d'efforts pour réduire leurs émissions - d'ici septembre 2009, l'UE espère pouvoir réduire ses émissions de particules de 25 mg / km à 5 mg / km [source: EUROPA ].


Vous avez peut-être aussi entendu parler de quelque chose appelé biodiesel . Est-ce la même chose que le diesel? Le biodiesel est une alternative ou un additif au carburant diesel qui peut être utilisé dans les moteurs diesel avec peu ou pas de modification des moteurs eux-mêmes. Il n'est pas fabriqué à partir de pétrole, mais à base d'huiles végétales ou de graisses animales modifiées chimiquement. (Fait intéressant: Rudolf Diesel avait initialement envisagé l’huile de graines végétales comme carburant pour son invention.) Le biodiesel peut être combiné avec du diesel ordinaire ou utilisé complètement seul. Pour en savoir plus sur le biodiesel, consultez Comment fonctionne le biodiésel.


Pour plus d'informations sur les moteurs diesel et des sujets connexes, consultez les liens ci-dessous.


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