Projet d`études:Les moteurs DIESEL 1975-2010

SOMMAIRE
1. ABSTRACT………………………………………………………………………..3
2.ARCHITECTURE GENENERALE DES MOTEURS DIESEL……………….6
2.1. Principe de fonctionnement…………………………………………….6
2.1.1. Fonctionnement pratique………………………………………..6
2.1.2. le cycle diesel théorique………………………………………….7
2.2. Architecture générale des moteurs diesel……………………………...9
2.2.1. l’injection et les injecteurs……………………………………….9
2.2.2. la soupape………………………………………………………..10
2.2.3. le piston………………………………………………………… 13
2.2.4. les chambres de combustion…………………………………….15
2.2.5. le vilebrequin…………………………………………………….17
2.2.5.1. description…………………………………………………...17
2.2.5.2. procédé de fabrication ……………………………………..19
2.2.5.3. durée de vie du vilebrequin ………………………………..20
2.2.6. équilibrage…………………………………………………….....20
2.2.7. le coussinet……………………………………………………….21
2.2.8. les bougies de préchauffage …………………………………….23
2.2.9. le contrôle du régime ……………………………………………23
2.2.10. le démarrage du moteur diesel………………………………….24
3. CLASSIFICATION DES MOTEURS DIESEL………………………………...26
3.1. les moteurs à injection indirecte………………………………………..26
3.2. les moteurs à injection directe………………………………………….27
3.2.1. l’injection directe classique……………………………………...28
3.2.2. les moteurs à injection haute pression à rampe commune…….28
3.2.2.1. le circuit d’alimentation basse pression……………………29
3.2.2.2. le circuit d’alimentation haute pression……………………29
3.2.3. l’injecteur pompe………………………………………………...31
4. EVOLUTION TECHNIQUE ET PERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENT 34
4.1. évolution technique et commerciale…………………………………….34
4.1.1. évolution du marché……………………………………………...34
4.1.2. développer grâce au numérique…………………………………34
4.1.3. évolution des normes anti-pollution …………………………….35
4.1.4. développement du filtre à particules ……………………………35
4.1.5. perspectives d’évolution des systèmes d’injection………………38
4.1.6. gestion électronique du système………………………………….39
4.2. autre perspective de développement : le marché aéronautique……….40
4.2.1. pourquoi un moteur diesel pour l’aviation ……………………...40
4.2.2. particularité de fonctionnement des moteurs diesel destinés à
l’aviation …………………………………………………………..41
5. SOMMAIRE DES ANNEXES……………………………………………………..44
6. BIBLIOGRAPHIE………………………………………………………………….55
7.GLOSSAIRE………………………………………………………………………...56
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1. ABSTRACT
Since it has been created, diesel engine really evolved: its life time is more than two
times longer, the yields have been improved and specific consumption have been reduced
by more than 40% in many applications.
These performances can be explained by the searches and developments made by
engine’s constructors and component’s makers. For example, pistons where the number
of piston rings has been reduced and the shape of the head is studied for an optimal
boisterousness in the combustion chamber, the material used for the crankshaft is studied
for an higher resistance, the valves, its head and opening system have been improved. In
the same time, combustion chamber have been made to reduce and provide diesel knock,
a better balancing of engine component reduce wear and, optimise functioning and a
better bearing reduce the effect of rubbing.
Until few years, diesel engine used to be with divided chambers (indirect
injection) : combustion doesn’t start above the piston but in an ancillary chamber : the
pre-chamber or the boisterousness chamber. In these two cases, combustion is done in
two chambers: the first one receives the fuel injection and where start the combustion, the
second, where the combustion finishes. This arrangement limits the engine yield. That’s
the reason why new engines use direct injection.
Nowadays, three technologies are used: Classical injection, common rail and unit
injector
For the classical injection, the feeding circuit follows this diagram: the injection
pump create the injection pressure for the opening of the injector and pipes drive the gasoil under pressure to the injectors which will be open each time they receive the pressure.
The first interest of the Common Rail system is reducing injection noise thanks to
a pilot injection. The Common rail allows consuming less and reducing NOx emissions
too.
To have a bigger pressure, with the unit injector system, the unit injector itself is
directly fixed on the cylinder head. There is one unit injector for a cylinder .The main
advantage: the pressure reaches 2 050 bars. Thanks to its electronic control, the unit
injector maintains the pilot injection function too.
Many innovations are planed for the next years.
The objective of motorists is to create engines respecting the EURO4 standards.
The current blocs are prepared to take account of these new requirement and also lower
consumption. Motorists have now to offer the best compromise.
The integration of new components nearly always incorporate direct injection in
the basis definition of the new engine, , with the aim to manage the new lean mixture
concepts which are frequently derived from an advanced numerical analysis as efficiently
as possible.
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La seconde moitié du XIXe siècle- le siècle de la vapeur a vu naître et grandir cette
magnifique invention qui est le moteur thermique .Oeuvre collective, fruit du travail
acharné de nombreux chercheurs, ce nouveau mode de force motrice déchaîna bien des
passions, déclencha bien des drames, suscita beaucoup de conflits. Avec le recul des ans
et l’apaisement de toutes les passions provoquées par sa vulgarisation, le moteur
thermique est présentement considéré comme l’un des merveilleux instruments de, notre
vie moderne qui permet, en dehors des autres applications industrielles, à l’homme de se
déplacer, de transporter et de multiplier son activité sur la terre…en attendant d’autres
exploits.
C’est en 1882 que le français Beau de Rochas publie une brochure autographiée
qui résumait ses travaux : « nouvelles recherches sur les conditions pratiques de la plus
grande utilisation de la chaleur et en général de la force motrice ». Cette brochure devait
donner naissance au brevet 52.593 établi le 16 janvier 1862, attestant l’antériorité
incontestable des recherches de Beau de Rochas sur le cycle à 4 temps. Dans cette
brochure on peut lire la phase suivante : « on pourra pousser la compression entre 5.5 et
5.6 atm. On pourrai même la pousser jusqu’au point d’auto-allumage… »
Non seulement, Beau de Rochas a imaginé la compression préalable mais aussi, il
a le premier, estimer possible l’auto-allumage d’un mélange gazeux inflammable.
Dix ans plus tard, en 1872, l’américain Brayton construit le premier moteur à
combustion fonctionnant au pétrole lourd. Son moteur assura la propulsion de petits
bateaux et équipa l’un des premiers sous-marins en Europe, quelques années plus tard.
Si Beau de Rochas est l’inventeur incontournable du cycle a 4 temps, l’allemand
Nicolas Otto a le mérite d’avoir le premier réussi à faire fonctionner un moteur thermique
suivant ce cycle.
C’est en 1876, avec l’aide d’Eugène Langue qu’Otto réalisa son moteur dans le
cadre de la société que les deux hommes avaient fondé en 1872 à Deutz dans la banlieue
de Cologne. Cette usine devait par la suite en 1912 sortir un moteur à combustion conçu
suivant le brevet de Diesel, à injection directe, mais sans compresseur
En 1890-1891, le français Emile Capitaine construisit en Allemagne un moteur
qui fonctionnait au pétrole lampant. L’air était directement comprimé dans le cylindre et
le combustible injecté par un jet d’air comprimé à une pression supérieure à celle de la
compression. L’air n’atteignant pas la température du combustible qu’il fallait
« allumer », le système sera repris plus tard dans les moteurs « semi diesel » dits à
« boule chaude ».
Les travaux préliminaires de Rudolf Diesel durèrent plus de dix ans, avant qu’il ne
dépose son premier brevet en 1892. Actuellement, Diesel est devenu nom commun ou
adjectif pour designer ou qualifier les anciens moteurs a « huile lourde ».
Le moteur Diesel qui équipe les automobiles que nous connaissons à ce jour est le fruit
d'une évolution constante.
Cette évolution a subi des accélérations en fonction de circonstances telles que le premier
choc pétrolier et l'apparition des normes antipollution.
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1897 Le premier moteur conçu par un ingénieur thermicien, Rudolf DIESEL, fonctionne
en Allemagne. Il résulte de travaux théoriques destinés à améliorer le rendement
thermodynamique. Ce moteur, qui a un rendement de 26,2 % (à rapporter aux 20 % du
moteur à essence de l'époque), développe une puissance de 27 kW pour une cylindrée
d'environ 20 litres ;
1936 Mercedes produit en petite série la première voiture à moteur Diesel, la 260D ;
1938 Peugeot réalise une série d'un millier de modèle 402 ; après la seconde guerre
mondiale, ce type de véhicule est toujours produit ;
1973 la crise pétrolière favorise la généralisation des voitures à moteur Diesel ;
1988 Fiat produit la première voiture de série équipée d'un moteur à injection directe ;
1989 Audi présente la première voiture équipée d'un moteur à injection directe à
régulation électronique ;
1998 premières applications de l'injection directe à rampe commune réalisées par Bosch
sur des véhicules de série ;
2000 plusieurs constructeurs européens produisent une version de leur véhicule de
prestige équipé d'un moteur V8 Diesel à injection directe à rampe commune.
Si le moteur diesel est le choix de plus en plus d'européens, cela est principalement dû à
l'extraordinaire développement de sa technologie. Et les innovations des systèmes
d'injection sont pour une grande part dans ce succès.
Il faut dire que nous sommes passés d'un système assez figé depuis 20 ans à une
avalanche de bouleversements depuis l’arrivée de l'injection directe et de l'électronique.
Et ce n'est pas fini…
Il conviendra dans un premier temps d’expliciter l’architecture des moteurs Diesel en
prenant soin de décrire les différents organes le composant ainsi que leur fonction au sein
du moteur. Dans une deuxième partie, seront présentés les différents types de moteur
Diesel et leur fonctionnement. Enfin nous verrons les perspectives d’évolutions
techniques et commerciales à venir dans les dix prochaines années ainsi que les futures
applications de la motorisation diesel.
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2. ARCHITECTURE GENERALE DES MOTEURS DIESEL
Le moteur diesel était considéré, jusqu'à une époque récente, comme un moteur
bruyant, polluant et lourd, réservé en principe au camions, camionnettes et taxis. Mais
avec l’avènement des diesels 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 noblesses. 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 du 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 a celui de l’essence, bien que cette différence s’amoindrit à chaque
nouvelle hausse tarifaire.
Les moteurs Diesel, sont préférés pour les unités de forte puissance (plus de 3 000 ch)
: c'est pourquoi ils sont utilisés pour la propulsion des navires. Dans ce cas, il s'agit de
moteurs à simple effet fonctionnant selon le cycle a deux temps à des régimes très lents
(120 a 180 tr/ mn). Ils développent des puissances allant jusqu'à 45 000 ch et sont
capables de brûler dans de bonnes conditions (faible consommation spécifique) des
combustibles de qualité inférieure (huiles lourdes). Par rapport aux groupes à essence, ces
gros moteurs permettent une réduction du tiers de la consommation. De tout temps, les
diesels furent destinés aux véhicules industriels à cause de leur fiabilité. L'inconvénient
caractéristique du poids et de l'encombrement leur a longtemps interdit l'application
automobile.
Voici exposé dans cette partie le fonctionnement et la description d’un moteur diesel.
2.1. Principe de fonctionnement
2.1.1. Fonctionnement pratique
Un moteur diesel fonctionne différemment d’un moteur essence. Même si leurs
principaux organes sont semblables et s’il respecte le même cycle a quatre temps, un
moteur diesel et un moteur à explosion présentent des différences sensibles, en particulier
dans la façon dont le mélange 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 gazole 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 le
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 an contact de l’air,
6
sans qu’il y ait besoin d’une étincelle, et, par conséquent, sans système d’allumage. Un
moteur diesel 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 adonc ni
carburateur ni papillon.
A la fin de la phase d’admission, la soupape d’admission se ferme, puis le piston,
soumis a 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 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 pison remonte dans le cylindre, lors de la phase
d’échappement, les gaz brûlés sorte par la soupape. 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.
1er temps
2ème temps
3ème temps
4ème temps
2.1.2. Le cycle Diesel théorique
C'est le cycle de fonctionnement des moteurs à allumage par compression. Le cycle
théorique se compose d'une détente isobare, d'une détente adiabatique et d'une
transformation isochore).
Dans les débuts, le cycle de fonctionnement comportait une phase théorique de
combustion à pression constante, comme Rudolf Diesel en avait eu l'idée. Pour un
fonctionnement à quatre temps du moteur, c'est-à-dire pour un cycle se déroulant pendant
deux tours de vilebrequin et quatre courses du piston, les opérations à réaliser étaient les
suivantes :
- Introduction de l'air dans le cylindre (par aspiration naturelle ou mécanique au
moyen d'un compresseur)
- compression de la charge d'air et, à partir d'environ 9/10 de la course de
compression, injection d'huile combustible finement pulvérisée par insufflation
d'air comprimé à 60 et 80 atmosphères et allumage spontané de ce combustible
7
- combustion du mélange à pression presque constante (la pression atteinte à la
fin de la course de compression était d'environ 32 atmosphères) pendant 1/10 de
la course de détente, suivie de la détente proprement dite des gaz brûlés, avec
production de travail
- Expulsion mécanique des produits de la combustion par l'action de poussée du
piston pendant sa remontée. Le rendement thermique était caractérisé par les
valeurs de deux rapports caractéristiques
-Le rapport volumétrique ρ =
Vi
Vf
Volume à la fin de la compression
-Le rapport δ =
Vc
Vf
qui est le rapport du Volume initial au
du volume Vc en fin de combustion au volume en fin de
compression.
Ce fait joint à la limitation imposée à la
vitesse de rotation du moteur par le processus de
combustion à pression constante, aurait dû faire
penser immédiatement à s'orienter vers la
réalisation d'un cycle de fonctionnement tendant
vers un processus théorique de combustion à
volume constant - suivant le cycle Beau de
Rochas- adopté par Otto pour les moteurs à
essence , ou tout au moins vers un cycle de
fonctionnement avec un processus théorique de
combustion pour une grande partie à volume constant et pour une petite partie à pression
constante (cycle Sabathé). L'allure du diagramme pression-volume du cycle de
fonctionnement réel des moteurs Diesel rapides pour automobiles, se rapproche du cycle
Sabathé ).
Si au cours de l'évolution historique des moteurs Diesel, l'orientation vers des cycles
de fonctionnement analogues aux cycles actuels ne s'est manifestée qu'au bout de
plusieurs dizaines d'années après l'introduction du nouveau type de moteur, ce fut en
partie à cause de l'obstination de Rudolf Diesel, qui insistait sur la conception du cycle à
pression constante autant pour les moteurs à quatre temps que pour ceux à deux temps.
8
2.2. 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 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. Voici la description le
rôle et le fonctionnement des différentes pièces et organes permettant le déroulement du
cycle à quatre temps dans le moteur diesel
2.2.1. L'injection et les injecteurs
cf. annexe 1.1
Dans les moteurs Diesel, fonctionnant au gas-oil (combustible beaucoup moins volatil
que l'essence), la qualité de la combustion dépendra de la pulvérisation du carburant et de
l'homogénéité du mélange.
Tous ces moteurs devront être équipés de systèmes d'injection, seuls capables de
réaliser le mélange air carburant même en présence de pressions élevées. L'allumage du
mélange dans un diesel est provoqué spontanément par la température atteinte par l'air
(plus de 500 °C) grâce à des rapports volumétriques très élevés (de 16 à 22:1).
Leur cycle théorique de fonctionnement prévoit une combustion à pression constante,
assurée par le fait que le combustible est injecté progressivement et brûle au fur et à
mesure de son introduction dans la chambre. Mais en pratique la combustion ne s'effectue
jamais à pression constante, puisque le combustible s'allume avec retard (délai
d'inflammation). Il se produit donc au début une accumulation de mélange provoquant
une augmentation inévitable de pression, surtout aux régimes élevés. Le retard à
l'allumage dépend du type de combustible (indice de cétane) et de la qualité de la
pulvérisation.
On peut le réduire en donnant au jet une forte capacité de pénétration et en
augmentant la turbulence. La première mesure a pour effet de permettre aux gouttelettes
qui traversent l'air comprimé d'atteindre des températures suffisantes pour que
l'évaporation se réalise; la seconde (turbulence), en réalisant l'agitation de l'air frais, évite
que les gaz brûlés séjournent à proximité de l'injecteur, entravant ainsi le contact entre les
9
nouvelles particules injectées et l'oxygène, contact indispensable pour la combustion. Les
systèmes employés pour réaliser l'injection dans les moteurs Diesel sont de type
pneumatique ou mécanique.
L'injection pneumatique, aujourd'hui complètement abandonnée, est fondée sur
l'emploi de l'air comprimé pour la propulsion du combustible. L'ensemble se compose
d'une pompe à combustible, qui règle le débit d'un compresseur d'air et d'un injecteurpulvérisateur. L'alimentation s'effectue en deux phases : dans la première, la pompe dose
le combustible et l'envoie à l'injecteur ; dans la seconde, l'aiguille de ce dernier se
soulève, le carburant est injecté dans le cylindre et entraîné par le courant d'air à haute
pression fourni par le compresseur.
Dans l'injection mécanique, le combustible est injecté et pulvérisé sous l'action d'une
très haute pression hydraulique, l'énergie nécessaire à la pulvérisation est fournie par une
pompe qui travaille à des pressions pouvant atteindre 1000 kg/cm2. Les injecteurs
peuvent être du type à buse ouverte ou à aiguille, celle-ci s'ouvrant automatiquement sous
la pression du combustible.
Les pompes, compte tenu des fortes pressions qu'elles doivent supporter, sont de type
volumétrique, à pistons axiaux ou plongeants; leur cylindrée est toujours plus importante
que ne l'exigent les prestations maximales. On obtient en effet le dosage du combustible
en faisant refluer, durant la phase de compression du piston, la fraction excédentaire dans
l'enceinte d'aspiration (pompes à soupape de reflux). Un autre système de dosage,
largement utilisé (surtout sur les diesels rapides), prévoit une variation du reflux, obtenue
par la rotation du piston, provoquée automatiquement par le régulateur.
2.2.2. La soupape
cf. annexe 1.2
La soupape, dans un moteur à combustion interne, est l'organe qui règle l'entrée et la
sortie des gaz dans la chambre de combustion. Les soupapes ont une forme qui est
maintenant normalisée depuis la fin du dernier siècle: elles ressemblent à un champignon
dont la tète qui constitue l'élément obturateur (en tenant en butée contre le siège ménagé
sur la culasse, est soutenue et guidée par la tige cylindrique. Les soupapes sont animées
d'un mouvement alternatif et s'ouvrent vers l'intérieur de la chambre de combustion, si
10
bien que l'étanchéité est favorisée par la pression des gaz. Cet organe est apparemment
très simple, mais il travaille dans des conditions critiques (spécialement à l'échappement)
aussi, l'établissement d'un projet de soupape exige des études soignées pour la définition
des dimensions et des matériaux
Les soupapes en forme de champignon ont été utilisées tout d'abord dans les moteurs
à vapeur et ont subi, dans cette application, une longue évolution, en passant par la forme
à double siége, imaginée pour équilibrer la pression de la vapeur entre la chaudière et les
cylindres sans avoir à vaincre des efforts trop grands sur la distribution.
D'autres sortes de soupapes, comme celles à tiroir ou celles qui utilisent le piston
comme soupape découvrant les lumières découpées dans la chemise, ont été utilisées et le
sont encore en partie dans des moteurs à combustion interne (deux-temps de
motocyclettes ou diesels lents). Au début de l'automobile, les moteurs possédaient des
soupapes automatiques constituées par des disques obturateurs rappelés par des ressorts.
Leur ouverture s'obtenait grâce à la dépression créée dans le cylindre à l'admission.
Cette solution simple entraînait un retard qui augmentait en même temps que le nombre
de tours et diminuait le remplissage des cylindres, si bien que le moteur ne pouvait pas
dépasser des régimes supérieurs à 1000 - 1300 tr/mn. Le retard était moindre si on
allégeait les obturateurs et si on affaiblissait les ressorts, mais cela diminuait d'autant la
fiabilité du système. Aujourd'hui- les soupapes automatiques ne sont plus guère utilisées
que sur certains moteurs de marine à deux temps, pour l'admission, dans les compresseurs
et dans les pompes mécaniques à essence.
Dans les moteurs d'automobile modernes, les conditions de travail des soupapes
demandent que chaque cote, chaque raccordement et chaque tolérance soient la
conséquence des exigences rigoureuses du fonctionnement. La tête peut avoir trois
formes : convexe, plate ou concave. La première donne des obturateurs plus rigides, plus
massifs et plus solides, mais plus lourds, avec des sièges sensibles aux effets de la
température, et on l'utilise principalement pour des soupapes d'échappement- Les
soupapes à tête concave ont la propriété de conserver la forme conique du siège même
sous de très fortes déformations thermiques et on les retrouve, la plupart du temps,
comme soupapes d'admission dans des moteurs de compétition ou de sport (Ferrari
Dino), La maison Opel les emploie également dans des moteurs de tourisme.
A l'heure actuelle, les constructeurs équipent les moteurs avec des soupapes à tête
plate, car elles ne demandent pas d'usinage mécanique : les soupapes à tète concave ou
convexe sont destinées uniquement à des applications spéciales. Les portées, qu'il s'agisse
de la portée mobile de la soupape ou de la portée fixe du siège dans la culasse, possèdent
une forme tronconique avec un demi-angle au sommet qui est généralement de 45°. Dans
certains cas, spécialement avec les moteurs Diesel suralimentés où l'on atteint des
pressions élevées dans la chambre de combustion, cet angle passe à 60° afin d'obtenir un
siège moins sensible à l'usure et à la déformation.
11
La tête est raccordée à la tige par un congé de grand rayon, de manière à réduire
l'effet d'entaille dû au changement de section et à faciliter l'écoulement de la chaleur vers
la tige. Le diamètre de la tige représente environ le quart du diamètre maximal de la tête.
En l'augmentant, on favorise l'évacuation de la chaleur par le guide de soupape, mais on
rend la soupape plus lourde. La longueur de la partie guidée est fixée sur la base du
critère de minimisation de l'usure sur la longueur de contact soumise au frottement, ceci
dans la mesure compatible avec la hauteur de la culasse du moteur; la longueur du guide
correspond en général à six fois le diamètre de la tige. Le jeu minimal entre la tige et le
guide est maintenu en général aux environs de : 0,025 mm pour de l'acier ferrique ; 0,03
mm pour de l'acier austénitique, et sa valeur maximale est de 0,07 mm. Ce jeu, nécessaire
pour le graissage, ne doit cependant pas être trop important, afin d'éviter les fuites d'huile.
Des éléments d'étanchéité (petits anneaux de caoutchouc) pour limiter l'entrée d'huile
par les guides ont été étudiés, mais ils sont parfois si efficaces qu'ils peuvent provoquer
des grippages par manque de graissage, aussi leur adoption exige une mise au point
laborieuse. La partie cylindrique terminale de la tige comporte une ou plusieurs gorges de
section, le plus souvent semi-circulaires, pour loger les demi-cônes qui transmettent à la
soupape la tension du ressort de rappel.
La tranche terminale de la tige est plane et durcie, ou même réalisée avec un matériau
rapporté, car c'est elle qui supporte la poussée lors de l'ouverture. La longueur de la
soupape doit être telle qu'elle laisse à froid un jeu axial, afin que les diverses dilatations
de la tige, des éléments de la distribution et de la soupape ne la fassent pas talonner, c'està-dire ne provoquent une fermeture imparfaite pendant les phases de compression par
suite d'un contact avec le culbuteur.
Ce jeu varie entre 0,2 et 0,6 mm, les valeurs les plus faibles étant généralement
adoptées pour des moteurs à tiges et culbuteurs, tandis que les valeurs les plus élevées
sont utilisées avec la commande directe des soupapes par arbre à cames en tête.
Dans tous les cas, le jeu dépend des coefficients de dilatation de la soupape et de
toute la chaîne cinématique de la distribution. Le dimensionnement des soupapes s'étudie
sur la base de deux critères : l'un aérodynamique, qui détermine la section de passage et
la vitesse du mélange en fonction du remplissage et de l'échappement les plus opportuns
dans les diverses conditions de fonctionnement ; l'autre mécanique, qui fixe les vitesses
d'impact admissibles sur la base des caractéristiques mécaniques et thermiques du
matériau.
Ces critères conduisent à la détermination du diamètre, de la levée et du poids de la
soupape. Le premier critère s'applique en évaluant le volume de mélange qui passe à
travers la soupape au volume balayé par le piston, et il est valable en première
approximation, en supposant le fluide incompressible.
12
2.2.3. Le piston
cf. annexe 1.3
On peut distinguer quatre parties : la tête, qui reçoit la poussée et la chaleur des gaz
de combustion ; la partie supérieure du fût qui, au moyen des segments, assure
l'étanchéité aux gaz et à l'huile de graissage et dissipe en même temps une partie de la
chaleur reçue ; les bossages recevant l'axe par lequel le piston est attelé à la bielle ; et
enfin la jupe qui guide le piston dans son mouvement et cède encore de la chaleur au
fluide de refroidissement (air ou eau).
Les dimensions d'un piston sont définies par les cotes suivantes :
•
•
•
•
A = alésage ;
L = hauteur totale ;
B = cote de compression ;
D = diamètre de l'axe.
La cote dite de compression, qui détermine la position du plan de la tête au point mort
haut et, par conséquent, le volume utile de la chambre de combustion, joue directement
sur le rapport volumétrique (quotient de la cylindrée augmentée du volume de la chambre
de combustion par le volume de cette dernière). Le nombre des segments était autrefois
assez élevé ; on pouvait compter jusqu'à cinq gorges dans le piston.
Ce nombre est réduit aujourd'hui à trois sur les pistons des moteurs à essence
(tourisme) et à quatre sur les pistons des moteurs Diesel. Dans ces derniers, on trouvera
quelquefois une cinquième gorge à la partie inférieure de la jupe, pour un segment racleur
supplémentaire ; mais il s'agit là d'une caractéristique en voie de disparition. La première
gorge à partir de la tête reçoit le segment d'étanchéité dit coup de feu, la seconde reçoit un
segment racleur; la troisième encore un segment d'étanchéité ; la quatrième est percée de
trous destinés à récupérer une certaine partie de l'huile projetée sur les parois du cylindre.
Dans sa course descendante, le segment racleur n'arrête qu'une partie de l'huile ;
l'autre partie s'échappe et servira à améliorer les conditions de frottement des autres
segments.
Le segment coup de feu bloque la partie résiduelle de l'huile qui arrive jusqu'à lui. Au
sujet du graissage, il faut signaler que le dernier champ cylindrique (celui qui est compris
entre les deux derniers segments) a un diamètre inférieur d'environ 1 mm à celui des
autres champs cylindriques, cela dans le but de créer un espace tampon dans lequel se
formera un anneau de liquide qui, ralentissant la progression de l'huile vers la culasse,
donnera un supplément d'étanchéité.
La zone des bossages, correspondant au point d'attache du piston à la bielle, est très
délicate, étant donné les forces en jeu. Un attelage mal réalisé entraîne des conséquences
catastrophiques (rupture des bossages, grippage et détérioration complète du cylindre).
13
L'alésage du logement d'axe est usiné avec des outils au diamant avec des tolérances
d'usinage de 4 à 7 microns. De façon analogue, l'axe (en acier traité avec une surface
extérieure cémentée) est rectifié avec des tolérances de 5 à 7 microns. En général, on
utilise trois types d'articulations :
•
•
•
Axe fixe par rapport à la bielle et flottant dans les bossages ;
Axe fixe par rapport au piston et libre par rapport à la bielle ;
Axe libre à la fois dans les bossages et dans la bielle "full-floating"
Lorsque l'axe est monté libre dans les bossages, on l'empêche de coulisser en
disposant des joncs d'arrêt. Les alliages d'aluminium communément utilisés pour la
fabrication des pistons peuvent se classer en trois catégories :
•
•
•
aluminium-cuivre ;
aluminium-cuivre-nickel (ou fer) ;
aluminium- silicium.
Cette dernière catégorie est la plus utilisée parce qu'elle offre d'excellentes
caractéristiques de résistance mécanique, un faible coefficient de dilatation et des
coefficients de conduction thermique élevés.
Il existe aussi des alliages d'aluminium au cuivre, au silicium et au magnésium qui
convient pour des pistons matricés à la presse, de résistance mécanique élevée.
Ces alliages concernent surtout les pistons pour moteurs de compétition et pour
moteurs d'aviation. Dans toute machine à combustion interne, le piston doit satisfaire aux
conditions suivantes :
· transmettre au vilebrequin par l'intermédiaire de la bielle, les efforts dus aux
gaz de combustion ;
· assurer l'étanchéité aux gaz et à l'huile de graissage et céder aux cylindres la
chaleur reçue des gaz.
La première fonction est essentiellement liée à la résistance mécanique du piston
(dimensionnement des épaisseurs et choix de la matière).
L'étanchéité aux gaz permet l'utilisation de toute l'énergie produite lors de la
combustion et évite que les gaz, en fuyant dans le carter, ne brûlent l'huile et ne
provoquent le grippage ou le gommage des segments.
Aujourd'hui, cette technique est couramment appliquée pour des pistons
particulièrement sollicités.
La dissipation de la chaleur venant de la tête s'obtient soit par profilage de l'intérieur
du piston, surtout dans la zone de raccordement à la jupe, soit en refroidissant par des jets
14
d'huile la partie intérieure de la tête (appelée communément fond du piston), soit encore
en ménageant dans le corps de la tête, ou tout autour de la chambre de combustion, des
cavités annulaires ou formant un serpentin, dans lesquelles circulera de l'huile de
refroidissement.
La partie supérieure de ces pistons, directement exposée aux effets de la combustion,
constitue la première barrière qui arrête les gaz dans leur détente. Un jeu trop grand
favorise la formation de dépôts charbonneux.
Si le jeu est trop petit, le segment de la première gorge travaille dans des conditions
voisines du grippage. Ce segment, en effet, de par sa position, est particulièrement
exposé, raison pour laquelle il est recommandé de le disposer le plus bas possible.
En général, la hauteur optimale du premier champ cylindrique est de 1/5 de l'alésage.
Pour les moteurs supportant une charge thermique élevée, on incorpore dans la zone de la
première gorge une pièce de fonte (noyée au coulage), présentant une résistance à l'usure
élevée, dans laquelle sera usinée la gorge du segment.
Cette solution, aujourd'hui courante, ne s'est pas montrée toujours efficace parce que
la pièce rapportée se séparait facilement, conduisant à la rupture du piston. Grâce aux
procédés de coulée modernes, ces difficultés ne se rencontrent plus et cette pratique est
courante.
2.2.4. Les chambres de combustion
cf.annexe1.4
Les études de chambres de combustion sont extrêmement soignées pour éviter le
cognement (diesel knock) et les bruits excessifs qui caractérisaient les premiers diesels
rapides.
La première condition à réaliser est d'assurer le contact de chaque particule injectée
avec l'air comprimé dans la chambre pour limiter le délai d'inflammation. La seconde
consiste à éviter un fonctionnement trop brutal et une pression maximale trop élevée.
Il existe deux solutions :
-Imprimer au combustible, grâce à une pression d'injection très élevée, une
vitesse telle que les gouttelettes puissent atteindre toutes les parties de la chambre
de combustion ;
-Créer une turbulence de l'air qui lui fera rencontrer les gouttelettes de
combustible.
Avec le premier procédé, tout mouvement de rotation de l'air ne sera qu'un
complément avantageux (citons le masquage partiel de la soupape d'admission d'air par
un écran, système Hesselman en 1930).
15
Le second procédé oblige à concevoir des chambres de combustion à haute
turbulence ou bien des préchambres d'allumage dans lesquelles s'amorcera la
combustion.
Les études et recherches expérimentales du physicien Harry Ricardo ont attribué la
brusque augmentation de pression constatée peu avant le point mort haut à trois facteurs
:
- Le délai d'allumage
- L'allumage du mélange dans un temps très bref, déterminant une élévation très
rapide de la pression (transformation presque à volume constant) ;
- Une période de combustion plus lente à la
fin de laquelle on enregistre la pression maximale.
Ces phases ne sont pas toujours nettement identifiables. Enfin, on ne peut exercer
une action régulatrice que sur la dernière, en contrôlant l'injection du gas-oil. Le délai
d'inflammation de l'huile dépend principalement :
- Des caractéristiques des gas-oils et huiles
pour diesels :
- Des températures atteintes dans la chambre
de combustion et des pressions finales de compression ;
- Des caractéristiques techniques du système d'injection ;
- De la forme et des dimensions de la chambre de combustion.
16
Début de la compression
Début de l'injection
L'air aspiré est animé d'un
mouvement
tourbillonnaire
microscopique créé par les
effets de l'aspiration et les
formes du piston et de la
chambre
La compression subdivise
le tourbillon principal en
une multitude de
tourbillons (turbulences)
mais le combustible ne
s'allume pas
immédiatement.
Combustion
La combustion se propage
instantanément grâce à la
turbulence mais elle
continue pendant un certain
temps car le combustible
est injecté progressivement
2.2.5. Le vilebrequin
2.2.5.1. Description
Le vilebrequin est l'élément principal du système bielle-manivelle. Il permet la
transformation du mouvement rectiligne alternatif du piston, en un mouvement de
rotation.
Chaque manivelle est formée de deux bras appelés " bras de manivelle", ou flasques, et
du maneton, ou portée de bielle, qui tourne dans le coussinet de la tête de bielle. Les
portées sur l'axe de rotation de l'arbre sont appelées portées, ou tourillons de ligne d'arbre.
Dans les moteurs en ligne, le vilebrequin comporte autant de manivelles qu'il y a de
cylindres. Dans les moteurs à cylindres opposés (boxer), le nombre de manivelles peut
être égal au nombre de cylindres ou à la moitié.
Dans les moteurs en V, en général, le nombre des manivelles est la moitié du nombre
de cylindres. Le nombre des paliers de ligne d'arbre, en revanche, peut varier
considérablement. Ainsi, par exemple, un moteur à quatre cylindres peut comporter un
vilebrequin porté par deux paliers seulement, ou par trois, quatre ou cinq. Le choix
dépend de considérations techniques et économiques. Un moteur à deux paliers est de
17
fabrication plus économique, mais ne permet pas d'atteindre des régimes très élevés ni de
grosses puissances spécifiques.
En effet, pour éviter des flexions du vilebrequin et les vibrations qui en résultent, le
diamètre des manetons doit être très important et il convient de donner aux bras de
manivelle une section en rapport, ce qui donne un vilebrequin et des têtes de bielle
lourds. Les masses tournantes engendrent alors des forces d'inertie considérables,
incompatibles avec des régimes très élevés. Les vibrations de flexion du vilebrequin sont,
en outre, une cause de bruit (battement dans les coussinets de ligne d'arbre).
Toutes ces raisons font que pour les 4 cylindres la solution du vilebrequin à deux
paliers n'est plus utilisée. Beaucoup de moteurs à quatre cylindres sont donc à trois
paliers, mais pour les plus modernes, surtout
ceux de cylindrée élevée, on a préfère la
solution à cinq paliers, plus coûteuse mais
permettant d'atteindre des puissances
spécifiques élevées et de réduire en même temps
le poids total du moteur. Pour cette même
raison, d'une façon générale, les moteurs 6
cylindres en ligne disposent de sept paliers, les 6
cylindres en V de quatre paliers, les V 8 de cinq
paliers.
Le vilebrequin porte, à l'extrémité destinée à
transmettre la puissance, une bride pour
l'attaque du volant ; celui-ci à son tour portera
l'embrayage. A l'autre extrémité, une forme
adéquate permet d'assurer le calage de
l'engrenage de commande de la distribution et
des poulies pour l'entraînement par courroies
des organes auxiliaires (pompe à eau, générateur électrique, ventilateur, etc.).
La forme des manivelles est variable et dépend du nombre des cylindres, du nombre des
paliers de ligne d'arbre, du système de fabrication, mais surtout de la présence éventuelle
de contrepoids. Les vilebrequins des moteurs d'automobiles sont normalement portés sur
paliers lisses et construits en une seule pièce.
Les roulements à billes ou à rouleaux ne sont utilisés que dans des moteurs dérivés de
moteurs de motocyclettes et, quelquefois, dans les moteurs de véhicules industriels. Ils
furent utilisés autrefois en compétition. Dans les moteurs polycylindriques, pour
régulariser le couple moteur qui pour chaque cylindre varie au cours du cycle et passe par
sa valeur maximale tous les deux tours (moteurs à quatre temps), et pour rendre plus
uniforme la rotation du vilebrequin, on fait en sorte que les combustions dans les divers
cylindres se succèdent à intervalles égaux.
A cet effet, on dispose les manivelles de façon que celles qui correspondent à deux cycles
consécutifs se trouvent décalées, l'une par rapport à l'autre, d'un angle égal à 180 h/n
degrés, h étant le nombre de temps et n celui des cylindres. Cela s'applique aux moteurs
18
en ligne et aux moteurs en V, quand l'angle du V est égal à l'angle calculé par la formule
indiquée ci- dessus,
Il existe cependant des moteurs, surtout des bicylindres en V, où les diverses phases
ne sont pas équidistantes entre elles.
En augmentant le nombre des cylindres et, par conséquent, celui des manivelles, on
diminuera le degré d'irrégularité du couple moteur.
2.2.5.2. Procédés de fabrication
Le matériau normalement utilisé pour la construction du vilebrequin est l'acier au
carbone. Pour les fortes sollicitations, on utilise des aciers au nickel-chrome ou au
chrome-molybdène-vanadium.
Aujourd'hui, on construit en alliage cuproplomb, dit "métal rose", duralumin, etc., on
durcira superficiellement les portées du vilebrequin par cémentation, par trempe
superficielle ou par nitruration. Pour la trempe superficielle, très utilisée dans la
fabrication en série, on fait le plus souvent appel au procédé Tocco : le durcissement
s'effectue par un chauffage superficiel obtenu par induction électrique, suivi d'un
refroidissement à l'eau.
Ce procédé présente l'avantage d'être très rapide. Un autre durcissement de ce genre
correspond à la «trempe au chalumeau», dans lequel le chauffage est obtenu par la
flamme du chalumeau. Lorsque les problèmes économiques passent au second plan, on
peut choisir un acier spécial à haute résistance avec un durcissement par nitruration. Dans
les débuts, le vilebrequin était usiné dans un cylindre d'acier. Les bras de manivelle
circulaires étaient allégés en enlevant les parties latérales, ce qui leur donnait une forme
rectangulaire (en effet, à cette époque, on n'utilisait généralement pas de contrepoids).
On construisit ensuite des vilebrequins en les forgeant par des opérations successives de
matriçage à chaud. La technique du matriçage permet aujourd'hui de modeler les bras de
manivelle de façon à inclure les contrepoids. Ceux- ci sont donc forgés avec le
vilebrequin, sauf pour les cas spéciaux et les moteurs de véhicules industriels où ils sont
alors rapportés. L'ébavurage, le tournage des portées et manetons sont effectués sur
machine. Ils sont suivis d'une rectification à la meule, et d'un équilibrage statique et
dynamique par enlèvement de matériau.
Dans la fabrication en série, ces opérations sont faites sur machines semi-automatiques
ou automatiques. Pour réduire les temps d'usinage on a tendance à diminuer les quantités
de matière à enlever sous forme de copeaux. C'est là une des raisons pour lesquelles on a
commencé à fabriquer des vilebrequins en fonte nodulaire: les vilebrequins moulés sont,
à l'état brut, plus précis que les vilebrequins forgés et ils ont de moindres surépaisseurs de
métal, qui peuvent par conséquent être enlevées plus rapidement par usinage.
19
2.2.5.3. La durée de vie du vilebrequin
De toutes les pièces en mouvement du véhicule, le vilebrequin est celle qui tourne le plus
vite et pèse le plus lourd; il est néanmoins prévu pour durer sans intervention toute la vie
de l'automobile.
Les techniques modernes de fabrication, les jeux de montage contrôlés avec précision et
les progrès en matière de graissage lui assurent une ample marge de sécurité et une très
bonne fiabilité. Il n'est cependant encore pas rare d'enregistrer des avaries, mais elles sont
presque toujours imputables au conducteur. Les plus connues sont la rupture par fatigue
et le grippage des portées. La première provient de vibrations de torsion ou de
sollicitations anormales à bas régime, d'une combustion avec détonation, d'un allumage
irrégulier dans un cylindre ou, enfin, d'un équilibrage incorrect.
Des jeux excessifs dans les coussinets, spécialement des paliers de ligne d'arbre, causent
ensuite des vibrations de flexion qui peuvent d'une façon analogue conduire à la rupture.
La deuxième, c'est-à-dire le grippage des portées, dépend de la lubrification et de la
filtration de l'huile ; cela peut se produire de très différentes façons : par exemple, en
accélérant le moteur à froid, quand l'huile n'est pas encore en circulation.
2.2.6. Équilibrage
On l'obtient en montant des contrepoids sur les manivelles. Les buts de l'équilibrage
sont, d'une part, la réduction des vibrations du moteur, causées par les forces et moments
produits par la pression des gaz dans les cylindres et par les pièces en mouvement
alternatif et de rotation (pistons, bielles, vilebrequin) et, d'autre part, la diminution des
charges exercées sur les coussinets de la ligne d'arbre.
- Forces centrifuges
Le vilebrequin est équilibré statiquement lorsque la résultante des forces centrifuges
est nulle, c'est-à-dire quand le centre de gravité se trouve sur l'axe de rotation.
Un vilebrequin équilibré statiquement n'est pas nécessairement équilibré
dynamiquement, c'est-à-dire qu'il peut donner lieu, lorsqu'il est en rotation, à un moment
de flexion dû aux forces centrifuges situées dans des plans différents. Il se peut, parfois,
que dans les moteurs polycylindriques le moment résultant par rapport à un point
quelconque de l'axe soit nul.
La chose se conçoit plus clairement en se référant au cas du vilebrequin à deux
manivelles d'un moteur quatre temps à deux cylindres opposés. Les forces centrifuges
s'exercent ici dans des plans différents, séparés par une distance égale à la distance des
20
axes des cylindres. Le moment résultant est égal au produit de la force centrifuge par
cette distance. Il peut être équilibré par un moment égal et opposé, au moyen de
contrepoids.
Dans les vilebrequins possédant un nombre de manivelles supérieur à deux, celles-ci
ont une disposition angulaire telle que les combustions se produisent à distances égales
les unes des autres, de manière à obtenir ainsi une régularité maximale du couple moteur
et, dans ces conditions, dans la majeure partie des cas, la disposition des manivelles est
telle que la condition d'équilibre statique se trouve automatiquement satisfaite sans
l'adjonction de contrepoids, puisque le vilebrequin admet un plan de symétrie passant
par son axe.
En ce qui concerne l'équilibre dynamique, ces vilebrequins se trouvent
automatiquement équilibrés si, étant déjà équilibrés statiquement, ils admettent un plan
de symétrie perpendiculaire à l'axe de rotation, par rapport auquel les manivelles sont
symétriques en nombre, position et dimensions. Tous les autres types de vilebrequins ne
peuvent être équilibrés que par l'adjonction de contrepoids. Toutefois, beaucoup de
vilebrequins tout en étant équilibrés dynamiquement dans leur ensemble, même sans
contrepoids, ont leurs manivelles équilibrées individuellement par des contrepoids.
Ce type d'équilibrage complémentaire sert à réduire la charge appliquée aux
coussinets des paliers. En effet, en munissant de contrepoids chacune des manivelles, on
réduit ou annule les moments de flexion individuels qui, en agissant sur les diverses
parties du vilebrequin, tendraient à le faire fléchir, ce qui en appliquant des charges
supplémentaires sur les paliers de la ligne d'arbre compromettrait leur graissage.
2.2.7. Les coussinets
cf. annexe 1.5
Les coussinets sont des pièces recouvertes de métal antifriction servant à guider et à
supporter des organes tournants.
La fonction des coussinets est de réduire les frottements, donc de diminuer les
résistances au mouvement et d'éviter l'usure ou encore le grippage des pièces. Les
coussinets se composent généralement de deux éléments appelés coquilles, mais ils
peuvent être également d'une seule pièce, dans ce cas, on parlera plutôt de bagues. Les
matériaux généralement employés pour leur fabrication sont des alliages de bronze avec
de l'antimoine ou du plomb.
Les coussinets sont montés généralement sur les paliers de l'arbre moteur, sur les
maneions, les paliers de l'arbre à cames, certains arbres de la boite de vitesses, etc.
Dans les premiers moteurs, la lubrification s'effectuait par "barbotage", mais on
adopta vite la lubrification forcée, surtout pour les pièces soumises à des contraintes
sévères, comme les coussinets de vilebrequin. Aux débuts de l'automobile, les coussinets
21
étaient constitués habituellement d'une coquille fondue en bronze et grossièrement
usinée, sur laquelle on déposait par coulage le matériau antifriction.
Celui-ci était ensuite soumis à des opérations de rectification et de finition à la
machine. Parfois, à l'occasion de réparations, les coussinets étaient même polis à la main.
Actuellement, les procédés de fabrication bénéficient d"une automatisation poussée et on
atteint un degré élevé de finition et de précision. Les procédés les plus courants, dits "à
ruban", comportent le dépôt de l'alliage antifriction par fusion ou par frittage sur un ruban
continu d'acier, soigneusement préparé (acide ou polissage), de manière à assurer une
adhérence parfaite du revêtement.
Ce ruban est ensuite divisé en éléments rectangulaires, soumis à différentes
opérations jusqu'à l'alésage final, suivi éventuellement du dépôt électrolytique d'une
couche (généralement : étain-plomb) destinée à assurer une protection antirouille pour la
coquille en acier et le coussinet lui-même durant la période de rodage.
On utilise de plus en plus rarement les coussinets à coquilles en bronze, qui trouvent
leur emploi dans les moteurs de grandes dimensions. Les coussinets doivent posséder
quelques propriétés caractéristiques. La première est la compatibilité entre le matériau du
coussinet et l'organe en mouvement; cette condition est pratiquement toujours remplie : il
suffit en effet que les matériaux en contact ne soient pas semblables (par exemple acier
sur acier).
La deuxième caractéristique fondamentale est l'aptitude à supporter des pressions
spécifiques et des vitesses de frottement élevées.
Dans le calcul des coussinets, on vérifie que la pression spécifique moyenne ne
dépasse pas les valeurs pour lesquelles se réalise le contact direct entre le coussinet et
l'axe. Ainsi, dans les conditions normales de fonctionnement, on a un frottement humide
grâce au mince film d'huile interposé entre le coussinet et l'arbre ou, au maximum, un
frottement mixte (c'est-à-dire en partie direct et en partie indirect).
La température de fonctionnement est aussi une notion importante : en effet, si elle
est trop élevée, la viscosité de l'huile diminue. Il y a alors contact direct entre le coussinet
et l'arbre, ce qui se terminera par le grippage et la fusion de la pièce.
L'échauffement est fonction du coefficient de frottement du matériau composant le
coussinet du régime de rotation, du type de la possibilité de refroidissement de la quantité
d'huile en circulation.
Les coussinets doivent posséder des particularités spécifiques. La première est de
permettre l'incorporation dans le métal antifriction des impuretés solides entraînées par
l'huile, sinon, ces particules endommageraient rapidement l'arbre ; pour la même raison,
le revêtement doit être homogène (sans composants durs, susceptibles de rayer l'arbre).
22
Un des signes les plus évidents d'usure des coussinets est la baisse de pression du
circuit de lubrification (indiquée par le manomètre et - seulement dans des conditions
extrêmes - par la lampe-témoin). Cette perte de pression est due à l'huile qui s'échappe
entre l'arbre et le coussinet. La seule chute de pression n'est pas un symptôme direct et
infaillible, elle peut être due à d'autres causes ; enfin, dans certains cas, l'usure d'un
coussinet entraînera la fermeture des conduits de lubrification et, par conséquent, une
augmentation de la pression du circuit.
Une série de coups dont la fréquence s'accroît avec le régime du moteur est aussi un
signe d'usure excessive. Le bruit est sourd et grave, nettement perceptible lorsque le
moteur fonctionne à plein régime (accélérateur à fond), ou sous contrainte à bas régime.
Lorsqu'il s'agit des coussinets de tête de bielle, le bruit est au contraire plus métallique et
plus aigu, et on le perçoit plus nettement lorsque le moteur n'est pas soumis à un effort
excessif.
Pour détecter le mauvais état des coussinets de tête de bielle, on peut supprimer
l'allumage successivement aux différents cylindres du moteur. On notera une
augmentation du bruit lorsque cette opération intéressera le piston dont la bielle présente
un jeu excessif sur le maneton ou sur l'axe de piston. L'usure des coussinets de l'arbre à
cames est plus difficile à déceler au son ; la fréquence des chocs sera déterminante (la
vitesse de rotation est deux fois plus faible que celle du vilebrequin dans les moteurs à
quatre temps).
La vérification directe des coussinets de bielle, disposés dans l'ordre du premier au
dernier cylindre, permet en général de déterminer l'origine de l'usure. Les causes sont, par
ordre d'importance, la présence d'impuretés dans l'huile, une lubrification insuffisante soit
par manque d'huile, soit par décomposition de celle-ci ; un montage ou un alignement
défectueux des paliers ou des arbres, une surcharge ou encore la corrosion.
2.2.8. 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.
2.2.9. 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
23
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.
2.2.10. Le démarrage du 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 leurs moteurs des bougies de
préchauffage.
CONCLUSION
En définitive, on peut dire qu'un diesel présente les avantages suivants :
- Un rendement thermique élevé (40,5 % contre 33 % pour un moteur à essence)
;
- Consommation spécifique de combustible réduite
- Pollution réduite à l'échappement (moindre consommation et combustion
complète). Les inconvénients sont :
- Le poids nettement plus élevé de l'ensemble pour des puissances identiques ;
- Le bruit et l'entretien, qui est généralement coûteux (système d'injection).
On considère généralement que le diesel est avantageux tant sur le plan économique
qu'écologique pour les taxis, affectation très répandue en Allemagne et étendue même
aux services publics et aux transports en ville. Tous ces véhicules parcourant des milliers
de kilomètres, l'investissement important de l'achat peut se trouver amorti en quelques
années.
24
Quelques firmes se sont intéressées au diesel, mais le développement de ce moteur
furent surtout l'apanage des deux maisons : Mercedes et Peugeot.
Les avantages économiques apportés par un diesel dépendant, pour leur majeure partie,
de la taxation inférieure affectant le gas-oil, il faut s'attendre, dans les années à venir, à
une extension de son application à l'automobile.
Dans le cadre d'une utilisation touristique, on peut considérer, par rapport à un moteur à
essence, les inconvénients suivants :
- La vitesse, les reprises et les accélérations sont plus faibles ;
- Le départ est plus laborieux ;
- Le bruit à froid est relativement élevé ;
- L'entretien est plus onéreux (pompe d'injection) ;
- Le moteur est lourd (pression moyenne plus élevée), ce qui oblige à monter des
pneus plus larges (le même modèle Mercedes-Diesel pèse - 150 kg de plus) et à
reconsidérer le freinage et la direction.
Les avantages concernent :
- Le prix du carburant (d'autre part, les pouvoirs calorifiques essence et gas-oil
sont sensiblement équivalents : 10 500 cal/kg contre 10000 cal/kg) :
- La robustesse générale.
25
3. CLASSIFICATION DES MOTEURS DIESEL
Depuis le premier moteur diesel de nombreux systèmes d’injection ont vu le jour ;
voici les principaux d’entre eux :
3.1. Les moteurs à injection indirecte
Cf. annexe 2.1
L’application du moteur Diesel privilégie souvent le silence de fonctionnement au
détriment d’une légère surconsommation.
Pour satisfaire à ces conditions, les moteurs Diesel montés sur les voitures par
exemple étaient, jusqu’à un passé récent, de type à chambre divisée (injection indirecte).
Le terme d'indirecte vient donc du fait que la combustion ne s'amorce pas au-dessus du
piston mais dans une chambre annexe.
Deux principes sont utilisés : les préchambres (1) et les chambres de turbulence (2).
(1)
(2)
Dans ces deux cas, la combustion se déroule dans deux volumes séparés : une
chambre, représentant 30 à 60% du volume total, qui reçoit l’injection du carburant et où
s’amorce la combustion, et une chambre principale dans laquelle elle s’achève.
L’injection du carburant dans ce petit volume relativement chaud permet de
réduire le délai d’allumage du combustible. Seule la quantité minimum de combustible
nécessaire à l’amorçage de la combustion s’enflamme, le reste se trouve chassé de la
26
préchambre par l’augmentation de pression et la combustion se poursuit dans la chambre
principale.
Les moteurs à injection indirecte remplissent les conditions requises pour son
application à l’automobile, à savoir un relatif silence de fonctionnement et un faible taux
d’émissions de NOx.
Cependant la perte de pression dans le passage de la préchambre à la chambre de
combustion limite son rendement. C'est cela, le second choc pétrolier en 1973 et les
normes de dépollution toujours plus sévères qui ont amené les constructeurs à repenser le
moteur Diesel en termes d’économie et de faible pollution et ont provoqués le passage
des nouveaux moteurs l'injection directe.
3.2. Les moteurs à injection directe
Le claquement des moteurs diesel provient du délai d'auto-inflammation du gasoil. Lors d'une injection, le gas-oil ne s'enflamme pas dès son entrée dans le cylindre,
mais après un délai dépendant de divers facteurs comme la température du carburant et de
l'air, de la pression en fin de compression ou de la finesse de l'injection. S'il n'y a qu'une
seule injection, une grosse quantité sera déjà injectée quand le gas-oil s'enflammera, d'où
un bruit élevé particulièrement lorsque le moteur est froid.
La solution est alors de créer une première injection d'une infime quantité de
carburant pour amorcer la combustion, ce qui ne va générer qu'un faible bruit. Ensuite, la
quantité nécessaire est injectée pour que le moteur délivre la puissance. Cette première
injection est appelée injection pilote. Elle dure quelques dizaines de micro secondes et la
quantité injectée est de l'ordre de 1 à 2 mm3 (une injection moyenne est de 30 mm3).
Aujourd'hui, trois technologies sont utilisées :
· La première, l'injection classique, est celle utilisée depuis le début du moteur diesel.
· Les deux suivantes, le Common rail et l'injecteur pompe, sont des technologies qui
remplacent progressivement l'injection classique.
Il est à noter que le moteur à injection directe s’impose pour son rendement
supérieur à ceux des moteurs à injection indirecte.
En effet, le rapport entre la surface et le volume de la chambre de combustion est
nettement plus faible pour un moteur à chambre à espace mort unique (injection directe)
que pour un moteur à préchambre (injection indirecte) ; de plus, la durée de la
combustion est plus courte dans un moteur à injection directe.
Ces deux paramètres diminuent les échanges thermiques entre la chambre de combustion
et le système de refroidissement, facteurs de perte de rendement.
Les problèmes liés à l’injection directe sont de deux ordres : bruits de combustion et
émission d’oxyde d’azote (NOx).
27
3.2.1. L’injection directe classique
Le circuit d'alimentation a le schéma suivant :
· La pompe d'injection génère la pression d'injection qui ouvrira l'injecteur,
· des tuyaux conduisent le gas-oil sous pression vers les injecteurs, et les injecteurs
s'ouvrent à chaque fois qu'ils reçoivent de la pression.
Injection directe
La conception des pompes d'injection utilisées dans l'automobile était au début à pistons
en ligne. Cette conception est encore utilisée dans le poids lourd.
Depuis un peu plus de 15 ans, ce type de pompe a été remplacé par la pompe
rotative, moins volumineuse.
La pression des dernières pompes, telle que la VP 44 à pistons radiaux de Bosch, montent
à 1800 bars au niveau de la pompe et de près de 2 000 bars au niveau des injecteurs.
L’apparition de la régulation électronique dans les systèmes d’injection a permis de
stabiliser et d’affiner les réglages de base, tant au niveau du moment d’injection que du
débit de combustible.
Ces différents systèmes d’injection mécaniques par pompe distributrice, régulés ou non
de manière électronique, présentent comme caractéristique commune la variation de la
pression d’injection en fonction de la vitesse de rotation du moteur.
Cette variation de pression d’injection rend difficile une maîtrise totale de la combustion.
Le système d’injection à rampe commune s’affranchit de cette contrainte.
Il convient alors de s’étendre sur ce système aussi appelé Common Rail car représentatif
des innovations actuellement présentes sur nos moteurs Diesel.
3.2.2. Les moteurs à injection haute pression à rampe commune
Cf annexe 2.2
Contrairement aux systèmes à pompe distributrice, le système d’injection haute
pression à rampe commune permet, avec sa rampe d’accumulation, de maintenir
constante la pression quels que soient la vitesse du moteur et la quantité de carburant
injectée.
28
Cette fois, la pompe injecte le carburant dans une rampe commune à tous les
injecteurs. La quantité de combustible injecté peut être fractionnée pour réaliser une préinjection, ce qui permet de réduire les bruits de combustion et la formation de NOx. Cette
faible quantité de carburant (1 à 4 mm3) permet de préparer, par une augmentation de la
température et de la pression dans la chambre de combustion, l’inflammation du
combustible lors de l’injection principale Sur chaque injecteur il y a une électrovanne
contrôlée par le boîtier électronique qui commande le temps d'ouverture de celui-ci.
La pression dans la rampe atteint 1350 bars, quelque soit le régime moteur.
Grâce à ce système, le moteur devient plus souple et surtout pollue moins : plus la
pression est forte, plus l'injecteur vaporise le carburant et meilleur est le rendement. Le
diesel est ainsi pulvérisé sous forme de très fines gouttelettes. Après l'explosion, il ne
reste que très peu d'impuretés imbrûlées. De plus, il est possible de contrôler une postcombustion qui permet de brûler les particules qui n'ont pas brûlées lors de l'explosion.
3.2.2.1 Le circuit d’alimentation basse pression
Le circuit d’alimentation basse pression permet d’alimenter en quantité suffisante
et à pression constante le circuit haute pression. Son principal élément est la pompe
d’alimentation
La pompe d’alimentation refoule le carburant du réservoir vers la pompe haute
pression (environ 2,5 bars avec un débit de 200 l/h).Il existe 2 types de pompes : la
pompe mécanique à engrenages (implantée directement sur le moteur) de type
volumétrique dont le débit fourni dépend de sa vitesse de rotation donc de celle du
moteur ; la pompe électrique ( implantée à l’extérieur du réservoir ou bien immergée dans
celui-ci) de type multicellulaire à rouleaux et entraînée par un moteur électrique à courant
continu ; elle fonctionne en général dès la mise sous contact et à une vitesse constante.
3.2.2.2 Le circuit d’alimentation haute pression
À une pression inférieure à 0,8 bars, le clapet de sécurité est fermé. Le carburant
passe au travers d’un ajutage afin de permettre la lubrification et le refroidissement de la
pompe. À une pression supérieure à 0,8 bars, le clapet décolle de sa portée et permet
l’alimentation en carburant des éléments de pompage.
29
Lors de l’alimentation haute pression, la régulation joue un rôle prépondérant notamment
par le biais du régulateur. Ce dernier contrôle la pression dans la rampe haute pression ; il
est commandé par un RCO (rapport cyclique d’ouverture) fourni par le calculateur.
La pression d’injection dépend essentiellement des paramètres de charge et de
régime du moteur.
Une valeur consignée fixée par l’unité centrale est validée par l’information du capteur de
pression fixé sur la rampe. En cas d’écart entre la valeur de consigne fixée par le
calculateur et la valeur mesurée par le capteur, le signal de commande envoyé au
régulateur de pression est modifié de nouveau.
La boucle de régulation
La simple analyse des circuits d’alimentation haute et basse pression surligne
bien la place importante qu’ont pris l’électronique et l’ automatique au sein des nouveau
moteur Diesel notamment par le rôle joué par le régulateur et le calculateur dans la
boucle de régulation de l’injection
Un autre élément primordial du circuit d’alimentation haute pression est
l’injecteur.
L’injecteur permet la pulvérisation du carburant dans la chambre de pression en dosant
avec précision le débit et le point d’avance.
Il est composé de deux parties :Cf Annexe
-la partie inférieure : c’est un injecteur à trous multiples, semblable aux injecteurs
classiques montés sur les moteurs à injection directe ;
-la partie supérieure : c’est un dispositif à commande électrique qui permet la
commande de l’aiguille.
30
Le temps de commande du solénoïde de l'injecteur varie de 200 à 1 200 ms environ.
Ce temps comprend les phases d'appel et de maintien.
Le courant de commande
Bosch fut le premier à commercialiser le common rail. Depuis peu de temps, deux
autres équipementiers sont arrivés sur le marché avec, bien sûr, une surenchère de
technologie : Delphi avec un système d'auto-calibration et Siemens, encore plus
innovateur, avec une commande piézo-électrique.
Des systèmes voisins du Common Rail ont rapidement vu le jour comme celui de
la sphère commune : La rampe d'alimentation des injecteurs est remplacée par une
sphère. L'avantage, selon Delphi, serait une meilleure répartition de la pression
dynamique. A noter que la pression maxi monte à 1600 bars au lieu des 1350 bars du
système Bosch actuel.
3.2.3. L’injecteur pompe
Cf. annexe 2.3
Cette technique est née du Docteur Karl Heinz Neumann, responsable de la
division développement des organes mécaniques de Volkswagen. L'injecteur pompe,
présenté par VW, constitue la troisième évolution de l’injection Directe haute pression.
C’est, bien entendu, avec l’aide de l'équipementier Bosch que cette solution a été
développée, comme d’ailleurs la majorité des techniques « Common-rail » puisque Bosch
détient quasi tout le marché de cette technique aujourd’hui.
L'injecteur pompe, comme son appellation l'indique, assure au sein du corps
d’injection les fonctions de pompe et d'injecteur. Cet élément est donc autonome et est
indépendant pour chaque cylindre.
La partie pompe est placée au dessus de l'injecteur qui se situe dans la culasse.
31
Les tuyauteries sont de ce fait supprimées et la haute pression est produite uniquement
dans un très petit volume.
L'injecteur pompe permet de très hautes pressions, de l'ordre de 2000 bars. L'élément
pompe implanté directement au dessus de l'injecteur est actionné par une came
supplémentaire rapportée sur l'arbre à cames par l'intermédiaire d’un "culbuteur" à galet
tourillonnant sur un axe spécifique. Ce culbuteur agit sur un petit piston (dit "plongeur").
Lorsque qu'il descend, la haute pression est obtenue à une vitesse extrêmement rapide de
par la forme particulière de sa came de commande afin de fournir la haute pression
maximum désirée. Un ressort de "rappel" ramène le piston à sa position initiale.
L’injecteur pompe comporte une électrovanne intégrée qui pilote la courbe d'injection.
C'est ainsi que la montée en pression dans la chambre sous le piston est contrôlée par
cette électrovanne, elle ne peut en effet se constituer dans la chambre que si
l'électrovanne est fermée électriquement. Son ouverture quasi instantanée provoque la
coupure nette de l'injection favorisant une combustion complète et propre.
Principal avantage, la pression d'injection atteint 2050 bars. Cette haute pression
permet d'injecter plus finement les gouttelettes de gas-oil et donc d'améliorer la
combustion. Il est à noter que cette pression n'est atteinte qu'au régime le plus élevé et
qu'elle n'est malheureusement que de 400 bars à faible régime.
Cette technologie, si elle est plus bruyante que le système common rail, semble
donner de meilleurs résultats en terme de consommation.
32
En matière de pollution les spécialistes sont unanimes : c'est le moteur Diesel qui
possède le plus grand potentiel au niveau du rendement et de la réduction de pollution.
Cependant, l’injection sous haute pression est nécessaire afin de réduire cette
pollution et la consommation des véhicules. Ainsi il a fallu passer de l’injection
indirecte passé à l’injection directe moins polluante et entraînant un meilleur rendement.
Depuis l’apparition chez Audi de l’injection Directe, les performances et les technologies
ont rapidement évoluées : à l’injection directe classique a succédé la rampe commune,
système d’injection haute pression à gestion électronique, offrant un rendement supérieur
à tous les autres moteurs thermiques. Grâce à sa relative simplicité d’adaptation sur les
moteurs existants, le système d’injection Diesel haute pression à rampe commune
constitue la solution actuelle la plus facilement industrialisable.
L’injecteur pompe solution proposé par le groupe Volkswagen depuis 1998 surprend et
se présente comme une solution très intéressante.
33
4. EVOLUTIONS TECHNIQUES ET PERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENT
Respect des normes EURO IV et baisse de la consommation sont désormais les
objectifs exigences, mais aussi de développer la future génération de propulseurs
capables d’offrir le meilleur compromis possible. Les concepteurs de moteurs n’hésitent
alors pas à tirer partie de l’arrivée de nouveaux composants afin d’offrir la synthèse
technico-économique la plus performante. Cette synthèse intègre la plupart du temps
l’injection directe dans la définition de base du nouveau moteur, dans le souci de gérer au
mieux les nouveaux concepts de mélange pauvre, eux-mêmes souvent issus d’une analyse
numérique pointue. Les performances croissantes combinées à un coût d’exploitation
plus faible que celui de ses concurrents peuvent alors ouvrir au moteur diesel de
nouvelles perspectives et de nouvelles applications. Il s’agit de déterminer le meilleur
compromis pour d’une part obtenir de faibles émissions mais aussi d’autre part pour
répondre à l’ensemble des attentes exprimées par le client : disposer d’un couple élevé
dès les bas régimes, consommer moins de carburant, supporter un bruit réduit, bénéficier
d’un confort de conduite et d’une puissance accrus. Les évolutions des moteurs diesel
prennent donc en compte ces objectifs. Ainsi, parallèlement à la réduction notable des
émissions sur les dix dernières années, la puissance spécifique a augmenté de près de
90% pour atteindre en niveau de 50 kW par litre de cylindrée.
4.1. EVOLUTIONS TECHNIQUES ET COMMERCIALES
4.1.1. Evolution du marché
Sur la période 1994-2006, on prévoit un accroissement de la production mondiale de
véhicules d’au moins 25%. Cette croissance devrait se traduire par une augmentation de
20% de la production de véhicules à essence et de près de 50% pour les véhicules à
motorisation diesel. La proportion de véhicules à diesel devrait ainsi passer au niveau
mondial de 17 à 20% sur la même période. Cette évolution est encore plus marquée en
Europe occidentale pour les véhicules particuliers.
Parallèlement, la technique d’injection directe s’est imposée pour les véhicules
particuliers et les utilitaires dits légers. Son introduction a permis une réduction de 15%
de la consommation de carburant par rapport à une motorisation à injection indirecte, ce
qui représente un gain de 30% de consommation en comparaison d’un moteur à essence.
La généralisation de l’injection directe a ainsi joué un rôle clef dans la réduction de la
consommation.
4.1.2. Développer grâce au numérique
Qualité-coûts-délais : cette tierce gagnante en matière d’ingénierie passe de plus en
plus par le recours aux moyens d’étude et de mise au point numériques. Le
raccourcissement des délais ne peut plus s’envisager sans un recours massif à une aide
numérique, qui permet aussi de faire tomber les barrières entre conception et production,
grâce à l’arrivée des centres d’usinage flexibles. L’adjonction rapide d’une déclinaison de
34
moteurs devient ainsi possible techniquement mais aussi financièrement parlant, et peut
s’appuyer sur les moyens de simulation d’usinage et de programmation hors-ligne pour
réduire significativement les contraintes de mise en production. Le coût d’une démarche
purement empirique serait en effet bien trop élevé et les délais probablement dépassés si
une équipe de développement souhaitait mettre à jour un concept, à priori valable, sans
s’appuyer sur ces outils numériques permettant de balayer rapidement et globalement
l’ensemble des contraintes. Le nombre de ces dernières à prendre en compte est en effet
devenu trop importante pour que les spécialistes de bancs puissent distinguer rapidement
des orientations suffisamment robustes pour justifier une démarche approfondie.
4.1.3. Evolution des normes anti-pollution
L’abaissement par voie législative des niveaux d’émission de particules,
d’hydrocarbures, de monoxydes d’azote (NOx) et de carbone est une constante de la
décennie précédente et de l’actuelle.
Les effets sont incontestables : les émissions de NOx et de particules d’un moteur
diesel ont été ainsi réduites de 85% en 10 ans. Cette réduction concernant les particules
de toutes tailles. En fait, les moteurs diesel se sont enrichis de différents composants et
techniques pendant cette période, qui leur permettent d’être plus respectueux de
l’environnement.
L’introduction de la recirculation des gaz d’échappement, du turbocompresseur a
contribué au passage des normes EURO I, ainsi que l’utilisation de l’injecteur à double
ressort. La généralisation du contrôle moteur électronique et des catalyseurs d’oxydation,
a facilité le passage aux normes EURO II. Les moteurs de la génération EURO III font
appel aux hautes pressions d’injection et à la technologie des multisoupapes. Désormais,
la recirculation refroidie des gaz d’échappement, les systèmes de traitement post
catalytiques, dont le filtre à particules, font partie des voies considérées pour la
génération des normes EURO IV.
La masse des véhicules et l’optimisation de la combustion du moteur sont également
des facteurs clefs pris en compte dans la recherche de la solution optimale pour respecter
les normes EURO IV.
Emission maximale
Euro 1
Euro 2
Euro 3
Euro 4
(en g/km)
(01/01/93)
(01/01/96)
(01/01/00)
(01/01/06)
CO
3 .16
1
0.64
0.5
NOx
0.5
0.25
HC + NOx
1.13
0.7 (0.9)
0.56
0.3
Particules
0.16
0.08 (0.1)
0.05
0.025
Evolution de la norme européenne (les chiffres entre parenthèses sont spécifiques aux
moteurs à injection directe)
4.1.4. Développement du filtre à particules
Même si les dernières technologies utilisées pour le diesel (common-rail) ont permis
de réduire très fortement les polluants (sans parler d'un agrément de conduite se
35
rapprochant des moteurs essence), les particules restent un paramètre difficile à résoudre
au niveau de la combustion. Il faut donc traiter en aval, c'est-à-dire lors du parcours des
gaz rejetés dans la ligne d'échappement.
Le principe du traitement de ces particules est en soi très simple : il suffit de mettre un
filtre fin pour retenir les particules d'un diamètre supérieure à 50 nm et laissant passer les
gaz (les technologies céramique, à base de carbure de silicium permettent de réaliser de
tel filtre). Mais, tout comme le filtre à café qu'il faut changer régulièrement, un filtre à
particules se chargera, et se bouchera, finissant par bloquer la circulation des gaz,
entraînant divers soucis (une surpression dans la ligne d'échappement peut perturber le
fonctionnement du moteur)… La démarche actuelle étant de réduire au minimum les
interventions mécaniques sur un véhicule, il est impensable de faire procéder à un
changement régulier du filtre. D'où la nécessité de pouvoir nettoyer ce filtre, de le
« régénérer », pour qu'il ne nécessite aucune intervention (au moins entre 2 grosses
révisions).
Pour nettoyer ces particules, il convient de leur appliquer un traitement de choc :
puisque la température n'a pas été assez élevée lors de la combustion, on va provoquer
une forte hausse de température autour des particules « accrochées » au filtre, permettant
leur combustion, ce qui va réduire leur taille jusqu'à être suffisamment petite pour passer
au travers du filtre. A cette taille, les particules n'en sont plus vraiment, car elles sont non
mesurables, autrement dit suffisamment petites pour être considérées comme
insignifiantes. La vie d'un filtre à particules peut donc se résumer à deux phases, en
boucle :
1. le filtre est propre, et les particules sont interceptées sur leur parcours
2. le filtre est « sale » et on procède à une élévation de température pour le
nettoyer.
La faisabilité d'un filtre adapté aux particules n'est pas un problème, la phase de
régénération est autrement plus compliquée à mettre en oeuvre. Mais avant de nous s'y
intéresser, voyons comment mesurer le degré de saturation du filtre, pour lancer la
régénération « au bon moment ».
Pour cela, on mesure la pression en amont et en aval du filtre, pour mesurer la
différence de pression qui, avec l'utilisation de d'autres paramètres, permettent de
déterminer le niveau de charge du filtre, et de déterminer le moment où le filtre est
« plein ». Plus le filtre sera chargé, plus le parcours des gaz sera contrarié, et on a une
légère surpression à l'entrée du filtre, une pression moindre en sortie du filtre.
36
Revenons à la phase de régénération du filtre, la température dans le filtre doit
atteindre 550 °C, bien loin des 200°C habituels des gaz d'échappement diesel. C'est bien
sûr là que toute la difficulté du filtre à particules.
Les solutions possibles pour atteindre cette température sont :
1. Chauffer le filtre : une solution toute simple, mais malheureusement impossible à
mettre en pratique. Pour chauffer le filtre, il faudrait incorporer des dispositifs de
chauffage dans tout le filtre. Celui-ci étant composé de très nombreux minuscules canaux,
il serait très difficile d'obtenir un chauffage uniforme du filtre. Si on crée des points
chauds dans le filtre, on a des risques de casse importants.
2. Augmenter la température des gaz d'échappement : après l'abandon de la première
solution, c'est la seule possibilité. Inutile d'envisager un chauffage juste avant le filtre, le
débit des gaz est trop important pour permettre au gaz d'emmagasiner assez d'énergie
thermique. Il faut donc espérer un gain au niveau de la température à l'issue de la
combustion. Là interviennent les systèmes common-rail, car en permettant des injections
décalées par rapport au cycle normal, on peut rejeter des gaz d'échappement plus chaud.
Suffisamment pour atteindre les 550°C nécessaires à la combustion des particules ?
Faudra-t-il faire appel aux bougies de préchauffage, normalement utilisées seulement lors
du démarrage ? ou utiliser d'autres composants moteur ?
3. Abaisser la température de combustion des particules : par l'utilisation d'additifs
spécifiques, on peut atteindre un gain de 100°C pour la combustion des particules. De
quoi augmenter la marge de manœuvre.
Au jour d'aujourd'hui, seul un système a été mis en production : celui utilisé par PSA.
Il fait appel aux deux dernières techniques : en utilisant un additif, la température
nécessaire est plus basse, et en jouant sur l'injection, les gaz d'échappement peuvent
atteindre les 450°C devenus suffisants. Ce système a malgré tout des inconvénients, dont
un majeur : il nécessite de faire le plein d'additif tous les 80 000 km, accompagné d'un
changement de filtre. Il demande donc un suivi continu, ce qui n'est pas forcément une
attente des conducteurs. De plus, pour fonctionner, ce système demande de nombreux
composants (exemple ; détecteur d'ouverture du bouchon essence, pour contrôler la
diffusion de l'additif pendant le plein à la station), une complexité et un coût difficilement
37
compatibles avec les véhicules de grande série. Les autres constructeurs ont déjà prévu
d'installer un tel système sur leurs moteurs diesel, et sans doute, de part la concurrence
acharnée qu'ils se livrent, les prochaines générations des filtres à particules ne feront plus
appel à un additif, et dureront toute la vie du véhicule (plus de 300 000 Km).
4.1.5. Perspective d’évolution des systèmes d’injection
Le système d’injection, au cœur du moteur diesel, a dû s’adapter à cette nouvelle
donne : des normes plus sévères et les exigences accrues des clients.
On attend donc aujourd’hui d’un système d’injection diesel une plus grande précision
dans la détermination de la quantité injectée, une pression d’injection optimale pour des
émissions de particules réduites, peu de fumées et une combustion du carburant plus
efficace.
Un début d’injection précis et flexible est également une exigence clef posée à un
système d’injection diesel, car préalable à une maîtrise de la consommation de carburant
et à des émissions d’hydrocarbures et de Nox faibles. L’introduction du carburant au bon
moment est en effet décisive dans la qualité du processus de combustion, déterminant les
performances obtenues en bruit, émission de polluants mais aussi consommation et
puissance.
Pour répondre à ce cahier des charges, l’injection diesel est amenée à travailler dans
des échelles de plus en plus petites, associées à des contraintes très élevées.
Les tolérances, en particulier dans la fabrication de l’injecteur, sont de l’ordre du
micron, soit inférieure au diamètre d’un cheveu. L’ensemble est amené à fonctionner
8000 fois par minute, dans le cas d’un moteur à 4 cylindres. Ceci exige répétitivité et
fiabilité. Grâce aux nouvelles techniques mises en œuvre, les nouveaux systèmes
d’injection peuvent offrir la flexibilité et la précision attendues, dans la détermination de
la quantité injectée et du début de l’injection.
Le recours à de très hautes pressions d’injection permet une pulvérisation du
carburant plus fine et donc un meilleur mélange à l’air, ce qui se traduit par une
combustion d’autant plus complète, favorable à des émissions réduites. Une pression
élevée permet également une réduction du diamètre des trous d’injecteur, ce qui
contribue à une meilleure préparation du carburant pour la combustion. Des stratégies de
contrôle moteur peuvent ainsi être mises en œuvre, pour atteindre les objectifs fixés par le
concepteur.
Les systèmes d’injection récents permettent également des pré-injections de quantité
de carburant extrêmement faible (jusqu’à 1 mm3 par coup), ce qui contribue à la
réduction du bruit. Le carburant pré-injecté est introduit dans la chambre de combustion à
un intervalle de temps pré-défini par rapport à l’injection de carburant principale. Cette
pré-introduction permet ainsi un échauffement préalable de la chambre de combustion,
réduisant le temps nécessaire à la combustion de la quantité principale. L’augmentation
de température et de pression s’effectue alors de manière plus progressive : on observe
une diminution résultante du niveau de bruit, mais aussi des émissions de Nox.
38
4.1.6. Gestion électronique du système
Différents capteurs implantés dans le véhicule mesurent en temps réel les conditions
de son fonctionnement et de son exploitation. Le calculateur traite les informations puis
optimise les performances du moteur et du véhicule. Ce système offre également au
conducteur la possibilité d’intervenir sur certains paramètres depuis le poste de pilotage.
Par rapport aux autres systèmes alimentés par pompe distributrice ou par pompe en
ligne, le calculateur détermine indépendamment le débit injecté et l’avance à l’injection.
La quantité de carburant injectée est déterminée par le calculateur en fonction de des
valeurs mesurées par les capteurs. Pour adapter cette quantité à injecter, le calculateur
peut agir indépendamment sur la pression dans la rampe ainsi que sur la durée
d’alimentation des électrovannes des injecteurs.
Il est possible avec ce système d’assurer plusieurs injections pendant le même cycle
moteur, c’est à dire :
une pré-injection ;
une injection principale ;
une post-injection.
-la pré-injection
Le principe fondamental du moteur Diesel est la combustion par auto-allumage. Cet
auto-allumage comporte un délai d’allumage, c’est à dire un temps mis par le
combustible pour atteindre son point d’auto inflammation.
Avec les pompes d’injection distributrices, la quantité injectée pendant ce délai est
trop importante, notamment à froid, d’où un bruit caractéristique de « cognement ».
Avec le système à rampe commune, la pré-injection de quelques millimètres cube de
combustible, avant le point mort haut, permet de préparer l’amorçage de la combustion
avant l’injection du débit principal. La pré-injection est activée à faible charge et aux
phases transitoires jusqu’à un régime moteur déterminé.
-l’injection principale
Le débit injecté dans le cylindre est variable selon la pression dans la rampe et le
temps d’ouverture de l’aiguille d’injecteur.
La pression dans la rampe fait varier notamment la quantité de combustible injectée
par degrés de rotation du vilebrequin, le taux d’introduction et la finesse de pulvérisation.
Le temps d’ouverture de l’aiguille fait varier la durée angulaire d’injection. On peut
noter que la levée d’aiguille ainsi que le diamètre et le nombre de trous dans la buse font
partie de données essentielles pour l’élaboration d’un débit.
-la post-injection
Elle succède à l’injection principale pendant la détente des gaz. Un produit additif
mélangé avec le combustible peut alors permettre le nettoyage du filtre à particules.
39
4.2. AUTRE PERSPECTIVE DE DEVELOPPEMENT : LE MARCHE
AERONAUTIQUE
Si l’on ne s’intéresse qu’à l’aviation légère, le parc actuel des avions équipés de
moteurs à pistons dont la puissance est comprise entre 180 ch. et 310 ch. est de 220'000
appareils, dont 28% de bimoteurs.
Aujourd’hui, 2 constructeurs américains de moteurs se partagent 98% du marché :
Continental et Lycoming. Il s’agit de moteurs 4 ou 6 cylindres dont certaines versions
sont suralimentées par un turbocompresseur. Ces moteurs de conception ancienne ( 40
ans ) et utilisent un carburant spécifique –AVGAS- d’indice de cétane 100 avec une forte
teneur en plomb. Carburant régulièrement remis en cause à la fois par les pétroliers qui
souhaitent arrêter sa production et par les instances réglementaires car fortement additivé
en plomb.
4.2.1. Pourquoi un moteur diesel pour l’aviation ?
Les attendus des propriétaires, exploitants et pilotes d’avions
- une réduction des coûts de l’heure de vol : ils sont constitués en
majeure partie par : la consommation de carburant, le prix à la pompe, les
frais de maintenance et le potentiel avant une révision complète
- une amélioration des performances : il s ‘agit d’augmenter les
performances des avions lors du décollage ( poids total en charge plus
élevé, distance de décollage plus courte ) et en croisière ( vitesse par
rapport au sol, plafond de vol…)
- une autonomie augmentée : une escale technique pour
ravitaillement coûte cher en temps et en exploitation. Un gain important
en consommation peut permettre d’envisager certains vols sans escale de
ravitaillement.
- un pilotage simplifié : il s’agit d’aider le pilote à optimiser le bon
fonctionnement du moteur quels que soient son plan de vol et les
conditions de navigation.
- une fiabilité plus grande plus grande.
- une technologie moderne.
- un carburant disponible partout.
40
4.2.2. Particularité de fonctionnement des moteurs diesel destinés à l’aviation
Les moteurs d’aviation diesel se caractérisent donc par le fait qu’ils ont été conçus
pour utiliser du carburéacteur plutôt que le diesel routier normal. Le carburéacteur se
classe comme un kérosène, c’est à dire qu’il se situe entre les fractions essence d’aviation
et diesel lors de la distillation du pétrole. On obtient ainsi un carburant plus léger que le
diesel mais moins volatile que l’essence. L’avantage par rapport au diesel pour
l’aviation, outre sa disponibilité sur les aérodromes, est qu’il présente un point de
congélation beaucoup plus bas que le diesel : -47°C contre environ 0°C pour le diesel
non-traité. Ainsi, le carburant n’est pas affecté par l’altitude, alors que la température
atmosphérique peut être bien inférieure à 0°C. Du point de vue de la gestion du produit,
le kérosène présente une plus grande sécurité que le diesel routier dans la mesure où la
réglementation concernant les carburants d’aviation impose des procédures de
manutention, de contrôle et d’essai bien plus strictes que pour le diesel, en conséquence,
sa qualité au point de distribution est beaucoup plus contrôlée.
Les tableaux ci-joints illustrent les effets d’un long retard. Ce sont exactement ces
éléments dont il convient de tenir compte si l’on décide d’utiliser du kérosène dans un
moteur diesel, le taux de cétane du kérosène pouvant être de moitié inférieur à celui du
diesel. Il existe plusieurs méthodes différentes pour tenter de réduire la période de retard
du carburant. On peut, par exemple, l’injecter sur une surface chaude, comme la tête du
piston ou bien encourager l’air à tourbillonner rapidement pour favoriser le mélange aircarburant…
Pour cette raison, les moteurs diesel sont souvent équipés d’une « bougie
incandescente » au sommet du cylindre pour faciliter le démarrage : elle agit comme une
surface chaude et contribue à réduire le retard d’allumage lorsque les pièces internes du
moteur sont encore froides.
Une autre technique, plus sophistiquée, est employée sur les moteurs diesel : le
contrôle informatique de l’injection du carburant en vue d’optimiser la performance. On
s’y réfère parfois sous le nom de concept à « manette unique », car, avec ce système, on
ne trouve qu’une seule manette dans le cockpit, l’ordinateur se chargeant de contrôler le
carburant, le moteur, la vitesse de l’hélice, le réglage de puissance, l’avance de
l’allumage, etc.…
41
CONCLUSION
Le moteur diesel présente une efficience globale bien supérieure à la plupart des
développements alternatifs de motorisation de véhicules.
Les progrès considérables réalisés au cours des dix dernières années ont conforté cette
position, en particulier face au moteur à essence à injection directe. Les nouveaux
développements, en particulier l’introduction du filtre à particules, ont réduit les niveaux
d’émission de polluants.
Le marché du véhicule particulier diesel va continuer à croître au cours des
prochaines années : cette croissance sera tirée par les réductions sévères posées par les
normes d’émission de polluants, et fondée sur les améliorations en confort, puissance et
couple enregistrée au cours de la décennie écoulée.
Le challenge des motoristes est donc d’offrir un moteur diesel encore plus
respectueux de l’environnement et qui réponde aux exigences du marché, pour
accompagner le développement de cette motorisation, particulièrement économique et
prometteuse pour notre cadre de vie.
42
CONCLUSION
Depuis trente ans, le moteur diesel n’a cessé d’évoluer. Les constructeurs se rendant
compte que le diesel n’avait pas d’applications que dans l’industrie ou pour les utilitaires,
son développement, même s’il fût lent, trouve de la rentabilité dans les automobiles de
tourisme. Que se soit dans les matériaux utilisés, dans les techniques de fabrication ou
dans le développement de l’électronique embarquée, la technologie est devenue l’alliée la
plus fidèle des motoristes dans le souci d’une meilleure qualité tant au niveau du confort,
de la puissance que du coût d’utilisation. Ces efforts sont aussi les effets de normes antipollution de plus en plus strictes et bientôt draconienne en Europe.
Malgré cela près de 60% des voitures neuves vendus en France sont des Diesel. La
raison principale de ce succès et l’injection directe haute pression qui facilite le mélange,
ce qui améliore la combustion, réduit les émissions de particule de 20% et diminue la
consommation. Dans cette course aux performances, les constructeurs et les
équipementiers investissent des million d’Euro comme par exemple Peugeot-Citröen,
Mercedes et volkswagen qui consacre 40% de leur budget recherche a ce type de moteur.
Bientôt de nouvelle génération de moteur a rampe commune comme Fiat qui dès 2003
disposera d’un moteur turbo diesel common rail innovant grâce a deux caractéristique
principale : des dimensions extrêmement compacte et la technologie multijet. La
technologie multijet remplace le principe de la double injection, pilote et principale, par
plusieurs petites injections principales. Ceci permet de réduire le bruit de la combustion,
les émissions a l’échappement ainsi que l’amélioration des performances. La
généralisation des filtres a particules, existant déjà sur certain modèles Peugeot, est a
prévoir. Toyota annonce la commercialisation de sa technologie D-CAT sur la futur
AVENSIS fin 2003 mais de nouveau problème se pose car cette technologie ne sera pas
disponible en France en raison du taux trop élevé du souffre dans le gasoil.
L’électronique, déjà omniprésente sera l’outil principal des nouvelles innovations et
des procédés existant pour une technologie qui demande une extrême précision et qui doit
répondre a de nouvelles contrainte telle que la réduction de la taille(downsizing) et les
nouvelles norme anti-pollution.
43
5. SOMMAIRE DES ANNEXES
ANNEXE 1.1 : Les injections et l’injecteur
ANNEXE 1.2 : Les soupapes
ANNEXE 1.3 : Le piston
ANNEXE 1.4 : Chambre de combustion
ANNEXE 1.5 : Les coussinets
ANNEXE 2.1 : Injection directe injection indirecte
ANNEXE 2.2 : L’injection directe Diesel à Rampe commune
ANNEXE 2. 3 :L’injecteur pompe
44
ANNEXES 1.1
Les injections et l’injecteur
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ANNEXES 1.2
Les soupapes
[A] : Arbre à cames
[B] : Coupelle de pression
[C] : Ressort de fermeture
[D] : Guide de soupape
[E] : Soupape d'échappement
[F] : Soupape d'admission
La tête [A]: sa forme permet d'assurer l'étanchéité requise.
la tête des soupapes d'admission sont de plus gros diamètre que
celles d'échappements.
La tige [B]: coulissant dans les guides de soupape (eux
même fixés sur la culasse) elle permet de guider la soupape lors de
son mouvement alternatif d'ouverture et de fermeture.
La queue [C]: partie finale de la tige. Dispose d'une gorge
qui permet de relier la soupape avec le dispositif qui déclenché la
fermeture de la soupape.
Le collet [D]: c'est le renfort entre la tête et la tige.
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ANNEXES 1.3
Le piston
Tête de piston à usinage particulier
47
ANNEXES 1.4
Chambre de combustion
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ANNEXES 1.5
Les coussinets
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ANNEXE 2.1
Injection directe injection indirecte
comparatif des injections directe et indirecte
Injection indirecte
Injection directe
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ANNEXE 2.2
L’injection directe Diesel à Rampe commune
Système d’injection haute pression à rampe commune
La rampe commune haute pression
1 : sorties haute pression ;
2 : rampe ;
3 : sonde de température de carburant
pression ;
4 : capteur de pression.
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L’injecteur
La partie supérieure de l’injecteur
1 : raccord d’entrée de pompe ;
2 : raccord de retour au réservoir ;
3 : filtre tige ;
4 : aiguille d’injecteur ;
5 : chambre de pression ;
6 : ressort d’injecteur ;
7 : tige de liaison ;
8 : chambre de commande ;
Le raccord d’entrée de pompe
9 : ajutage du circuit d’alimentation ;
10 : ajutage du circuit de retour ;
11 : noyau de commande ;
12 : bobine ;
13 : ressort de rappel ;
14 : connecteur ;
15 : écrou.
52
Circuit d’injection du Common Rail Siemens
53
ANNEXE 2. 3
L’injecteur pompe
Vue de l'implantation de l'injecteur pompe dans la culasse.
1 Injecteur pompe.
2 Basculeur à linguet de commande de l'élément pompe.
3 Électrovanne.
4 Axe des Basculeurs.
5 Arbre à cames.
6 Cames de commande des soupapes.
7 Came de commande de l'injecteur pompe.
8 Poussoir de soupape.
9 Bougie de préchauffage
54
6. BIBLIOGRAPHIE
•
Science et technique du moteur diesel industriel et de transport, tome 1 (1981)
de Raymond Brun
•
Thermo- And Fluid-Dynamic Processes in Diesel Engines: Selected Papers from
the Thiesel 2000 Conference Held in Valencia, Spain, September 14-15, 2000
de F. Payri, J. H. W. Whitelaw, James H. Whitelaw
•
Diesel Mechanics
de Erich J. Schulz, Ben L. Evridge
•
Ingénieur de l’automobile-Juin-Juillet 2000
Ingénieur de l’automobile-Novembre-Decembre 200
•
Diesel de tourisme [Texte imprimé] : voitures et utilitaires légers / par Michel
Philippe
Publication : Boulogne-Billancourt : " Revue technique automobile ", 1985
•
Moteurs diesel [Texte imprimé]
9e éd. actualisée / sous la dir. de Bernard Adam,...
Publication : Boulogne-Billancourt : ÉTAI, 1990
•
Le Moteur diesel expliqué par questions et réponses [Texte imprimé] / R Darman
Publication : Paris : Chiron, 1987
•
Diesel piloté par électronique [Ressource électronique] : injection directe
Edition : Version 6.1.2000
Type de ressource électronique : Données textuelles et iconographiques
55
7. GLOSSAIRE
COMMON RAIL (RAMPE COMMUNE):
Aussi connu sous son nom francophone " Rampe commune ", c'est le système d'injection
le plus moderne pour les moteurs diesel. Les injecteurs sont à commande électrique et
alimentés par une rampe commune de gas-oil. L'intérêt du common rail est de réduire le
bruit d'injection grâce à une bonne maîtrise de l'injection pilote.
Les systèmes les plus récents sont capables de 5 injections par cycle (injections pilotes et
principales et post-injection), réduisant ainsi la consommation et les émissions de gaz
polluants.
Anglais : common rail.
COMPOSES ORGANIQUES VOLATILES :
Les COV sont le résultat de l'évaporation du carburant et d'émission de polluant.
Ils contribuent à la formation d'ozone.
CONSOMMATION SPECIFIQUE :
Quantité de carburant nécessaire au moteur (en gramme) pour délivrer une puissance de 1
kW pendant 1 heure.
La consommation spécifique est souvent représentée sous forme de zones sur un graphe
de puissance ou de couple.
L'unité est le g/kWh.
Anglais : specific fuel consumption.
COUPLE :
Indique la force à la sortie du moteur.
Pour plus de précision, c'est la force à l'extrémité d'une barre de 1 mètre de long fixée
perpendiculairement à la sortie du vilebrequin.
Exprimé en Newton mètre ou mètre kilogramme (1 mkg = 9,81 Nm).
Anglais : torque.
CYLINDREE :
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Volume balayé par le piston. Volume entre la position la plus basse et la position la plus
haute du piston dans le cas d'un moteur à pistons alternatifs.
De la cylindrée dépend la capacité du moteur à aspirer une quantité d'air, et donc sa
capacité à délivrer de la puissance.
La cylindrée Cy (en cm3) dépend du diamètre D (en cm) et de la course C (en cm) du
piston et du nombre de cylindre N.
D
Cy = ( ) 2 × π × C × N
4
Anglais : swept volume ou displacement.
DIOXYDE DE CARBONE (CO2) :
Appelé aussi gaz carbonique, ce gaz est l'un des principaux responsables de l'effet de
serre. Les véhicules actuels en émettent environ 140 à 280 grammes par kilomètre.
Le niveau de CO2 sera limité à 140 g/km à partir de 2008 (et peut être 120 g/km pour
2012).
Conséquence sur l'homme : manque d'oxygénation des systèmes nerveux et circulatoire
(le CO2 se fixe sur l'hémoglobine du sang à la place d l'oxygène).
Formule chimique : CO2.
Anglais : carbon dioxide. Dioxyde de
DIOXYDE DE SOUFFRE :
Gaz produit lors de la combustion du souffre. Avec l'humidité, il peut contribuer à la
formation de pluies acides.
Conséquence sur l'homme : toux et gène respiratoire.
Formule chimique : SO2.
Anglais : sulphur dioxide.
DOWNSIZING :
Le downsizing d'un moteur est la réduction de sa cylindrée, tout en gardant son niveau de
puissance, dans le but de réduire la consommation et les émissions de gaz polluants.
L'objectif est atteint grâce à la diminution des pertes par frottement, à une utilisation plus
optimale du moteur à pleine charge et sur une plus grande plage de régime et à la
réduction de son poids.
Le downsizing fait souvent appel à la suralimentation.
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FILTRE A PARTICULES :
FAP : Filtre A Particules. Filtre développé par Peugeot pour brûler les particules émises
par les moteurs diesel. Ces particules sont à l'origine des dépôts noirs dans nos villes et,
même si cela n'a pas été prouvé, sont accusées d'être cancérigène.
Anglais : particles filter (PF).
HCCI :
Homogeneous Charge Compression Ignition.
Moteur diesel à auto-inflammation.
Le gas-oil est mélangé à une forte proportion d'air dans le cylindre (mélange pauvre),
puis auto-enflammés par la montée du piston.
Prévu pour 2010. Le moteur essence pourrait aussi être concerné.
HYDROCARBONE :
Formule chimique : HC.
Gaz composé organique résultant d'une combustion incomplète de carburant pétrolier. Ce
gaz forme un brouillard dans l'atmosphère en réagissant avec les oxydes d'azote sous le
soleil.
INDICE DE CETANE :
L'indice de cétane évalue la capacité d'un carburant à s'enflammer. Cette caractéristique
est particulièrement importante pour le gas-oil où le carburant doit ''s'auto enflammer''
sous l'effet de la compression de l'air enfermé dans le cylindre.
Le zéro de l'échelle de cet indice est donné par la valeur du méthylnaphtalène qui a une
forte résistance à l'inflammation et la valeur 100 est donnée par le cétane qui s'enflamme
facilement.
Anglais : cetane rating (ou : cetane number).
INJECTEUR POMPE :
Système d'injection des moteurs diesel.
Chaque injecteur mécanique est directement équipé d'une pompe.
Ce montage permet de se passer des tuyaux d'injecteurs et, de par ce fait, de monter à des
pressions très élevées (plus de 2000 bars) pour une meilleure combustion.
Anglais : unit injector.
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INJECTION DIRECTE :
L'injection de gasoil se fait directement au-dessus du piston au lieu de l'intérieur d'une
pré-chambre de combustion. L'avantage est une meilleure combustion, donc plus faible
consommation et pollution.
INJECTION PILOTE :
Le claquement des moteurs diesel provient du délai d'auto inflammation du gas-oil.
L'injection pilote permet de créer une première injection d'une infime quantité de
carburant pour amorcer la combustion, ce qui ne va générer qu'un faible bruit. Ensuite, la
quantité nécessaire est injectée pour que le moteur délivre la puissance. Elle dure
quelques dizaines de micro secondes et la quantité injectée est de l'ordre de 1 à 2 mm3
(une injection moyenne est de 30 mm3).
Anglais : pilot injection.
MONOXYDE DE CARBONE :
Ce gaz, incolore et inodore, contribue à l'effet de serre. Les véhicules actuels en émettent
environ de 1 à pratiquement 0 gramme par kilomètre.
Conséquence sur l'homme : manque d'oxygénation des systèmes nerveux et circulatoire
(le CO se fixe sur l'hémoglobine du sang à la place d l'oxygène).
Formule chimique : CO.
Anglais : carbon monoxide.
PARTICULES :
Les moteurs diesel émettent des particules par le pot d'échappement. Elles sont dues à
une combustion imparfaite du carburant et sont d'une dimension inférieure à 10 microns.
Ces particules sont à l'origine des dépôts noirs dans nos villes et, même si cela n'a pas été
prouvé, sont accusées d'être cancérigène.
Anglais : particle.
PUISSANCE :
La puissance permet de comparer la performance de deux moteurs ayant des
caractéristiques différentes.
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Par exemple, un petit moteur tournant à haut régime et un gros moteur lent mais ayant un
couple (force) élevé peuvent tous les deux entraîner un véhicule à 200 km/h et donc avoir
la même puissance.
La puissance dépend du couple C (la force du moteur) et du régime R (la vitesse du
moteur).
L'unité est le cheval vapeur (ch.) ou le Kilowatt (kW).
1 Ch = 736 W, 1 kW = 1.36 Ch.
P = C x R / 9549 ; avec P en KW, C en Nm et R en tr/mn
P = C x R / 7028 ; avec P en ch., C en Nm et R en tr/mn
P = C x R / 716,2 ; avec P en ch., C en Mkg et R en tr/mn
Anglais : horse power (metric).
SPHERE COMMUNE :
Variante du système "common rail".
La rampe d'alimentation des injecteurs est remplacée par une sphère. L'avantage serait
une meilleure répartition de la pression dynamique.
Anglais : common sphere.
SWIRL :
Mouvement tourbillonnaire de l'air d'admission à l'entrée du cylindre provoqué par la
forme de la tubulure.
L'air tourne axialement dans le cylindre.
Ce mouvement a pour objectif d'améliorer le mélange avec le carburant.
TUMBLE :
Mouvement tourbillonnaire de l'air d'admission à l'entré du cylindre provoqué par la
forme de la tubulure.
L'air tourne perpendiculairement à l'axe du cylindre.
Ce mouvement a pour objectif d'améliorer le mélange avec le carburant.
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