« Achète un Diesel, ça consomme moins ! »

Petit nouveau sur BlogAutomobile, je vous propose une série d’articles sur la technique des moteurs à combustion interne utilisés dans l’automobile. Il ne s’agit pas de faire un cours mais plutôt de donner des explications les plus simples possibles sur un produit de haute technologie.



Un petit rappel (ou non) pour les quatre cycles d’un moteur et les différences entre un moteur à allumage commandé (moteur essence) et un moteur à allumage par compression (moteur Diesel) :

  1. Admission : le cylindre descend et vient « aspirer » l’air via les soupapes d’admission
  2. Compression : les soupapes d’échappement sont fermées. Le piston remonte et comprime les gaz frais (air + carburant dans le cas d’un moteur essence, seulement de l’air pour un moteur Diesel)
  3. Combustion / détente : c’est la phase moteur. Pour un moteur essence, les gaz frais comprimés sont allumés par l’étincelle de la bougie et une flamme se propage. Pour un moteur Diesel, le carburant est injecté et, vu les conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion (pression et température), s’enflamme directement. Dans les deux cas, cette combustion provoque une augmentation de la pression et de la température et pousse le piston vers le bas.
  4. Echappement : en remontant, le piston vient « pousser » les gaz brûlés par les soupapes d’échappement

 

L’industrie automobile est en train de vivre une véritable course à la réduction des émissions de CO2. Comme le CO2 est directement lié à la quantité de carburant consommé, on recherche à diminuer au maximum cette dernière.  Outre certains avantages, ce sont des choix politiques qui font que le moteur Diesel équipe aujourd’hui plus des 2/3 des véhicules immatriculés. En tant que fervents défenseurs de l’environnement (ou de votre porte-monnaie), vous n’êtes pas sans savoir que le moteur Diesel présente un avantage non négligeable sur son homologue à essence : la consommation.  Pourquoi, diantre, un moteur Diesel consomme moins qu’un moteur essence ?

1. Tout d’abord le rendement global d’un moteur Diesel est supérieur à celui d’un moteur à allumage commandé. Plusieurs raisons à cela :

– Le rapport volumétrique d’un moteur Diesel est plus élevé que celui d’un moteur essence. En effet, on a pu voir précédemment que la principale spécificité d’un moteur Diesel résidait dans le fait que l’allumage du carburant dépend des conditions thermodynamiques qui règnent dans le moteur (pression, température). Plus le rapport volumétrique est élevé, plus le rendement est élevé.

– La chambre de combustion a également un rôle à jouer. Comme vous pouvez le remarquer sur ces deux vues en coupe, les deux pistons ont des formes totalement différentes. Le piston du bas (moteur Diesel) a une forme particulière, un bol, dans laquelle va se dérouler la combustion. Le piston du moteur Essence est quant à lui plus plat et la combustion se déroule plus au contact de la chemise.

Piston moteur essence


Piston moteur Diesel

Dans un moteur, un tiers seulement de l’énergie contenue dans le carburant va être utile, c’est à dire qu’elle va servir à faire tourner le vilebrequin. Un autre tiers va être dissipé en chaleur dans le liquide de refroidissement. Le dernier tiers se retrouve dans les gaz d’échappement. Lorsque la combustion a lieu dans le bol (pour le moteur Diesel), on réduit les échanges thermiques avec le cylindre et donc avec le liquide de refroidissement. On gagne donc en énergie utile !

– Dans un moteur essence, une vanne (appelée papillon) peut s’ouvrir et se fermer et permet ainsi de faire chuter la pression et d’introduire la masse d’air nécessaire à la combustion de toute la masse de carburant introduite (mélange stœchiométrique, richesse =1). Ce papillon introduit ce qu’on appelle une perte de charge à l’admission (on bouche en quelque sorte l’entrée et le piston qui descend vient aspirer l’air). Le moteur a donc « du mal » à se remplir et impacte directement sur le rendement. Le moteur Diesel, quant à lui, fonctionne toujours en mélange pauvre (richesse <1, c’est à dire que le cylindre contient plus d’air qu’il ne faut pour brûler une quantité de carburant donnée). On n’a donc pas besoin de réguler la masse d’air présente dans le cylindre d’où l’absence de papillon et de la perte de charge qu’il engendre.

Papillon

2. Comme on vient de le voir,  le moteur Diesel fonctionne en mélange pauvre. Les moteurs essence actuels, quant à eux, fonctionnent quasiment (même si cela est en train de changer) tous en mélange stœchiométrique. En effet ils sont équipés d’un système de dépollution des gaz d’échappement – le fameux catalyseur – qui ne traite les polluants que lorsque le moteur fonctionne en mélange stœchiométrique . Comme la consommation est optimale pour une richesse légèrement inférieure à 1, le moteur Diesel est encore avantagé.

 

3. Le Gasoil a une énergie volumique plus élevé.

On appelle PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) l’énergie dégagée par un kilogramme carburant lors de sa réaction avec l’oxygène. Le PCI de l’essence est de 47,3 MJ/kg et celui du gazole est de 44,8. On voit ici que la combustion d’1 kg d’essence dégage plus d’énergie qu’1 kg de gazole. Mais la masse volumique du Gazole est d’environ 850 kg/m3 et celle de l’essence est de 750 kg/m3.

En résumé, lorsque vous mettez 1l de Gazole dans votre voiture, vous disposez d’une énergie de 38 MJ et seulement de 35,5 MJ dans le cas de l’essence.

Moyennant la chaîne de rendement que l’on peut trouver dans le moteur et la transmission, pour une même puissance à fournir, la consommation volumique de carburant est plus faible dans le cas d’un moteur Diesel qu’un moteur à allumage commandé.

4. Au départ, les premiers moteurs Diesel n’étaient pas réputés pour leur puissance mais plutôt pour leurs belles fumées noires. Sans rentrer dans les détails, les moteurs Diesel ont été très vite munis d’une injection directe. Pour que la combustion se déroule correctement, il est nécessaire de créer des turbulences dans la chambre de combustion. Ces turbulences sont obtenues par l’intermédiaire des conduits d’admission, qui ont une forme particulière. Cette forme permet de donner un mouvement à l’air mais entraine également une perte de charge (comme le papillon). Pour remplir correctement le moteur d’air et ainsi obtenir des performances correctes, les moteurs Diesel ont été équipés de système de suralimentation qui permettent de faire entrer une masse d’air plus importante dans le cylindre. Pour un régime de rotation donné, on peut donc brûler une quantité de carburant plus importante avec un moteur suralimenté qu’avec un moteur atmosphérique.

Nous arrivons donc à une tendance apparue il y a quelques années : le down-sizing. Les moteurs utilisés sont d’une cylindrée plus faible mais équipée d’un système de suralimentation (turbocompresseur, compresseur, …). On se retrouve donc avec des « petits » moteurs dans des « grosses voitures » (exemple la future classe S avec un 4 cylindres). Le moteur est sollicité à des charges (charge = couple moteur / couple maxi disponible à ce régime) plus élevées : ça tombe bien puisque c’est ici que la consommation spécifique (consommation de carburant/puissance délivrée) est la plus faible (la zone verte sur le graphique ci-dessous. Ce graphique correspond à un moteur essence mais il est uniquement là pour noter la présence de différentes zones)

Pour résumer (et si vous m’avez bien suivi !), le moteur Diesel consomme moins car :

  • son rapport volumétrique est plus élevé
  • la combustion est plus « confinée »
  • il n’a pas de papillon
  • il fonctionne en mélange pauvre
  • le Gasoil a une énergie volumique plus élevée
  • ils sont toujours équipés de système de suralimentation

J’espère que ces explications ont pu vous éclairer. Comme il s’agit d’un sujet complexe, il est possible qu’il persiste certaines zones d’ombre ; je serai heureux de répondre à vos question dans la mesure de mes connaissances 😉

N’hésitez pas à poster des commentaires, je suis ouvert à toutes remarques qui permettront d’améliorer mes futurs articles.

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Crédits images : astuces-pratiques.fr, BMW, Mahle, Wikipedia, Philippe Boursin