Éclaté didactique d'un moteur Diesel avec saboîte de vitesses (côté droit).Éclaté didactique d'un moteur Diesel avec sa boîte de vitesses (côté gauche).
Après laPremière Guerre mondiale, le moteur Diesel se répand à tout le secteur maritime, puis équipe deslocomotives et des véhicules automobiles.Peugeot teste en 1921 un prototype entreParis etBordeaux. L'année suivante, Benz met sur le marché un deuxcylindres pourtracteurs agricoles, puis c'estDaimler qui, en 1923, expose des camions à moteurs Diesel au Salon deBerlin, et effectue un trajet Berlin-Stuttgart-Berlin à bord d'un autre. Les optimisations apportées parRobert Bosch au cours des années qui suivent achèvent d'ouvrir les voies de la démocratisation[8]. Depuis 1928,Peugeot fabrique dans son usine de moteurs CLM (Compagnie Lilloise de Moteurs) àLille desmoteurs Diesel destinés aux bateaux, autorails et tracteurs agricoles[12].Citroën commercialise en 1933 uneRosalie 11UD[13] de manière assez confidentielle, première voiture particulière de série équipée d'un moteur Diesel au monde, d'une cylindrée de 1 766 cm3[14].Mercedes remporte en 1935 un contrat pour équiper une flotte de taxis allemands de moteurs Diesel. La marque sort l'année suivante un modèle pour le grand public, la260 D, avant que Peugeot ne l'imite en 1938 avec sa402.
Stoppé par laSeconde Guerre mondiale, le mouvement reprend en 1949 avec laMercedes 170 D, puis en 1959 laPeugeot 403 D et son moteurIndenor, très appréciés destaxis parisiens[15],[16]. Le développement du réseau routier et l'essor du taxi dans les métropoles favorisent en effet l'expansion du moteur Diesel, plus cher à l'achat mais dont le carburant, legazole, a un coût moins élevé que l'essence[8].
Mercedes W123 300 TD US doté du moteur turbo-diesel OM 617A.
Comme lemoteur thermique à essence, le moteur Diesel est constitué d'un ensemble depistons coulissant dans descylindres, reliés par desbielles auvilebrequin[c]. L'ensemble est recouvert d'uneculasse, où dessoupapes, actionnées par unarbre à cames lui-même synchronisé au vilebrequin, ouvrent et ferment alternativement leschambres de combustion, reliées aux collecteurs d'admission et d'échappement. Dans les systèmes modernes à injection directe, de l'air est aspiré dans la chambre de combustion (le volume libéré par la descente du piston dans le cylindre). En remontant, le piston comprime et chauffe l'air admis précédemment. Légèrement après lepoint mort haut, du carburant est à son tour injecté. Le mélange ainsi formé entre encombustion rapide repoussant le piston en un temps moteur, puis les gaz brûlés sont évacués par la remontée du piston dans l'échappement.
Admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la descente du piston ;
Compression de l'air par remontée du piston, la soupape d'admission étant fermée ;
Temps moteur : peu après lepoint mort haut on introduit, par uneinjection, lecarburant qui se mêle à l'air comprimé. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur : les gaz chauds repoussent le piston, libérant une partie de leurénergie. Celle-ci peut être mesurée par lacourbe de puissance moteur ;
Échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement, poussés par la remontée du piston.
Schéma animé du fonctionnement d'un moteur diesel à quatre temps.
La spécificité du moteur Diesel tient à son auto-inflammation dans la chambre.
Dans un moteur àessence : on fait monter en pression un mélange gazeux air/carburant quasiment homogène (richesse autour de 14,7:1, c'est-à-dire unmélange stœchiométrique), puis on provoque son inflammation à l'aide d'une étincelle commandée : un front de flamme se répand à partir de ce point d'ignition, puis atteint progressivement tout le mélange. On évite précisément les situations d'auto-allumage, car elles provoquent un phénomène decliquetis, et à terme des dégâts matériels qui peuvent être graves.
Dans un moteur Diesel : on profite des propriétés du carburant en présence d'air pour rechercher cette auto-inflammation. On ajuste la proportion de carburant injecté à débit d'air entrant constant, et la compression elle-même qui fait monter le mélange en pression et en température. La combustion n'est en fait idéale qu'aux endroits de la chambre qui sont en présence des bonnes conditions, à la fois de concentration, de pression et de température. Pour compenser ce problème, on augmente la compression du mélange, notamment par un excès d'air admis[18]. Cette méthode permet de limiter l'émission de gaz imbrûlés, mais conduit à d'autres inconvénients, comme la formation d'oxydes d'azote (NOx) et le besoin d'avoir recours à des pièces beaucoup plus résistantes[19].
La combustion qui s'opère dans les cylindres d'un moteur Diesel consiste en l'oxydation vive du carburant par le dioxygène présent dans l'air. Les produits de cette réaction se résumeraient audioxyde de carbone et à l'eau si le carburant ne contenait que deshydrocarbures, l'air uniquement de l'oxygène, et si la combustion était complète et non accompagnée de réactions secondaires[e]. La combustion estexothermique, c'est-à-dire qu'elle dégage de la chaleur.
Si on suppose le carburant entièrement constitué d'hexadécane, la réaction de combustion interne du moteur Diesel peut être décrite, en première approximation, par l'équation de la combustion complète de l'hexadécane :
hexadécane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau, soit :
2 C16H34 + 49 O2 → 32 CO2 + 34 H2O
la chaleur dégagée étant d'environ 9 951 kJ (PCI) par mole d'hexadécane brûlée.
Les vitesses de rotation des moteurs Diesel sont très différentes d'un moteur à un autre. En effet, plus le moteur est gros, plus la course du piston est grande, et plus le moteur est lent. Trois classes de moteurs sont ainsi définies[réf. souhaitée] :
La limite maximale du régime de rotation d'un moteur est déterminée par la vitesse de déplacement du piston dans le cylindre. Les constructeurs motoristes, suivant l'utilisation du moteur et la fiabilité qui leur est demandée, ont fixé les plages limites (résultat d'essais d'usure) suivantes[réf. souhaitée] :
Ces limites déterminent la durée de vie du moteur et sa puissance, enchevaux oukilowatts, par litre de cylindrée. La mise en survitesse du moteur risque de conduire à des chocspistons-soupapes qui se traduisent souvent par leflambage des queues desoupapes ou de leurs tiges de commande.
Le moteur Diesel est de préférence utilisé lorsque le rendement énergétique ou la longévité du moteur sont des facteurs importants :bateaux,locomotives,camions,tracteurs agricoles et engins de travaux publics. Ils sont aussi utilisés pour lesgroupes électrogènes de forte puissance et certainesautomobiles. Bien que les principaux usages correspondent en pratique à des moteurs développant uncouple important,un moteur Diesel n'a pas, a priori, plus de couple qu'un moteur à allumage commandé, sauf dans le cas de la suralimentation, du fait du carburant utilisé et de la nécessité d'éviter la détonation[réf. nécessaire] ; lemoment des architectures Diesel et essence en automobile plafonne actuellement aux environs de 200 N m/L de cylindrée.
Les premiers véhicules terrestres équipés de moteurs Diesel sont apparus au début des années 1920 (Benz etDaimler). D'abord destiné aux moyens de transport « lourds » (camions, notamment), le moteur Diesel a fini par se tailler une place dans l'automobile individuelle ou familiale, même si la motorisation « essence » y reste majoritaire[réf. souhaitée].
Lepouvoir calorifique dugazole (en MJ/kg) est légèrement plus faible que celui de l'essence. Mais, sa masse spécifique étant plus grande, un litre de gazole contient plus d'énergie qu'un litre d'essence : pour des véhicules de même taille, un même volume de réservoir permet de parcourir une distance plus grande avec un moteur Diesel qu'avec son équivalent essence.
Pour les véhicules, unetaxation légèrement plus favorable en France et unrendement supérieur des moteurs Diesel font que ceux-ci se révèlent plus économiques à la pompe. Les véhicules équipés de moteurs Diesel sont toutefois plus chers à l'achat et à l'entretien, et ce d'autant plus pour les modèles récents, car les coûts de production ont été accrus afin d'améliorer certaines caractéristiques de ces véhicules, comme la capacité d'accélération, initialement moindre pour les moteurs Diesel que pour leurs homologues à essence. Si les moteurs Diesel sont répandus en France, aux États-Unis, en revanche, les voitures et les camions fonctionnent encore très majoritairement à l'essence, qui reste moins chère que le gazole[20]. Au Japon, en raison de normes anti-pollution plus sévères (au niveau des particules et du dioxyde d'azote[21]), les moteurs Diesel sansfiltre à particules (FAP) ont été éliminés.
En revanche, la motorisation Diesel est rarement utilisée sur lesmotocyclettes et lesavions, notamment pour une question de masse embarquée, à l'exception des avionsClerget qui se distinguaient par unrapport poids-puissance comparable à celui d'un moteur à essence, mais son développement a été abandonné après laSeconde Guerre mondiale (1947). L'utilisation de moteurs Diesel est réapparue, sur avions légers, dans les années 1980 :Cessna L19 équipé d'un moteur Diesel deRenault 25 poussé à135ch en 1988[réf. souhaitée], avion de construction amateur Dieselis équipé d'unIsuzu (Opel)70ch en 1998[22]. Il existe auXXIe siècle des moteurs spécifiques (SMA) ou dérivés de l'automobile (Centurion sur base Mercedes du motoriste allemandThielert) utilisés sur plusieurs modèles d'avions :Diamond DA40 etDA42 de l'autrichienDiamond Aircraft ; Ecoflyer du français APEX aircraft (ex-DR 400 de Robin); avion amateurGaz'aile 2 et Dieselis[22]. Lesmotocyclettes à motorisation Diesel ont connu quelques essais sporadiques, mais la production reste soit amateur, soit très intimiste par de petites entreprises, soit par l'armée mais maintenant abandonnée[réf. souhaitée].
Vue en coupe du Junker Jumo 205 : moteur Diesel à deux temps, six cylindres et douze pistons en opposition (années 1930).
L'optimisation des moteurs Diesel a conduit au développement de technologies nouvelles, en particulier dans les domaines de lacombustion et de ladépollution. Ce sont elles qui permettent aux constructeurs de respecter les normes toujours plus contraignantes en vigueur. Le groupeVolkswagen a ainsi pu homologuer, fin 2008, différents modèles (Q7, Jetta, A4…) aux États-Unis, pourtant soumis aux très sévères normes Tier2, Bin5, etLEV 2 en Californie[f],[23] (mais il est apparu en 2015, lors de l'affaire Volkswagen, que ces normes n'étaient pas toujours respectées). Ces techniques se sont également généralisées aux camions, soumis aux normes d'émissionEuro 6 depuis le.
La suralimentation est une technique permettant d'améliorer lerendement du moteur. Elle consiste à augmenter le taux de compression de l'air aspiré pour accroître celui du mélange. On utilise pour cela un compresseur, qui augmente la quantité d'air introduite dans le moteur pour une même quantité de carburant. Cet apport supplémentaire enoxygène lutte contre la formation de gaz chauds non propices à la combustion, permettant ainsi d'augmenter le taux de détente des gaz, et donc la puissance engendrée, sans pour autant injecter plus de carburant[24]. La technique a d'abord fait ses preuves dans l'aviation, où l'altitude induit une réduction de la densité de l'air entrant (donc de sa teneur en oxygène), mais s'est ensuite répandue à tous les moteurs thermiques.
Il existe un grand nombre de solutions pourcomprimer l'air d'admission. On peut citer notamment[25] :
leturbocompresseur (ou turbo), entraîné par uneturbine mise en mouvement par le passage des gaz d'échappement, au prix d'un écoulement gêné. Les modèles les plus récents sont « à géométrie variable » (TGV), technologie qui leur permet d'être plus performants à bas régime ;
l'échangeur de pression « Comprex » de la marqueABB, où le vilebrequin entraîne un rotor muni de cellules, qui permettent aux gaz d'admission et d'échappement d'échanger alternativement leurs pressions.
Cette technique consiste à injecter le carburant directement dans lachambre, et non plus en amont comme dans les systèmes à injection indirecte. Elle permet de contrôler précisément la zone où on injecte le gazole, et d'ainsi optimiser la combustion du mélange.
Si l'injection directe existe depuis les débuts du moteur Diesel, elle a longtemps été réservée aux moteurs lents utilisés dans l'industrie, lanavale ou les poids lourds. Des raisons techniques (fumées et bruit supérieurs, gradient de pression trop élevé) contraignaient à utiliser des pistons très solides et très lourds, incompatibles avec des encombrements réduits et des vitesses d'utilisation élevées. Il faut attendre 1986 et leToyota Land Cruiser HJ61 pour voir le premier moteur Diesel à injection directe (le célèbre 12HT) installé sur un véhicule particulier[26]. Il sera suivi deux ans plus tard par celui de laFiat Croma TDid[g].
D'autres dispositifs sont ensuite apparus, permettant de contrôler plus finement encore la qualité d'injection. Certains moteurs sont ainsi équipés d'injecteurs-pompe, qui régulent la pression d'injection individuellement dans chaque cylindre[27]. D'autres utilisent unerampe commune, où, à l'inverse, la pression est régulée dans un seul rail alimentant tous les injecteurs. Cette rampe est souvent combinée avec des injecteurspiézo-électriques, dont le pilotage par impulsions électriques permet une gestion plus fine et décorrélée de la vitesse de rotation duvilebrequin[28].
Les moteurs des années 2010 offrent une pression d'injection pouvant aller jusqu'à2 500 bars, contre environ 1 400 pour les premières rampes communes, et moins de 1 000 pour les moteurs des années 1980. Associée à un pilotage précis des injecteurs, elle assure une pulvérisation du gazole continue, constante et bien répartie, essentielle pour une bonne combustion[h],[29].
Le moteur Diesel fonctionnant par auto-allumage à partir d'une certaine température, le démarrage à froid est impossible sans l'aide d'un apport de chaleur extérieur. On crée donc, par l'entremise d'une bougie en métal placée à l'intérieur de lachambre, un « point chaud » duquel part l'inflammation du mélange.
Une alternative consiste à réchauffer l'air admis, à l'aide de systèmes qui agissent en amont de la chambre[30]. En l'absence ou en complément de ces dispositifs, les constructeurs peuvent enfin réguler les injecteurs pour opérer une surcharge d'injection au démarrage.
Pour les moteurs de bateaux à huile lourde, on préchauffe le combustible à une température élevée avant d'entamer la procédure de démarrage.
Le problème majeur d'un FAP est qu'il voit progressivement les particules retenues s'amasser ensuies, au risque de bloquer l'élément filtrant. Il faut donc procéder régulièrement à sa régénération en brûlant ces suies. Si la régénération du FAP peut avoir lieu toute seule, à vitesse élevée, elle s'opère généralement par une injection de plus dans lachambre en fin de combustion, quand le moteur détecte un excédent de pression sur le FAP. La technique engendre toutefois des émissions supplémentaires de NOx (du fait de l'injection complémentaire), et d'HC etCO (dus à la combustion proprement dite des suies). De nouveaux FAP sont à l'étude pour pallier ce problème, notamment par le biais de nouveaux additifs, de technologies de filtrage plus pointues et du perfectionnement des diagnostics embarqués.
En 2005, l'analyse des rejets occasionnés sur deux ans par une flotte de taxis (desPeugeot 607 2.2HDi équipées de FAP et entretenues selon les recommandations du constructeur), sur cycleMVEG et en situation réelle, montre des niveaux d'émission relativement stables si on ne tient pas compte des phases de régénérations. Celles-ci entraînent, en revanche, une augmentation de plus de 20 % de la consommation, 50 % de NOx émis en plus, et surtout neuf fois plus de CO. Une analyse des FAP à l'issue des tests montre une faible quantité de métaux piégés dans le filtre, avec une très forte prédominance desulfate et desoufre. Globalement, l'ADEME estime que, malgré les régénérations impliquées, la présence du FAP aura permis de réduire respectivement de 90 et 95 % la masse et la quantité de particules émises à l'échappement. L'organisme remarque en outre que lecérium, utilisé comme additif sur les FAPPSA, reste à 95 % retenu par le filtre[B 1][réf. non conforme].
Plusieurs systèmes coexistent pour lutter contre la formation de NOx et de particules fines. Le plus courantà ce jour[Quand ?] est larecirculation des gaz d'échappement (EGR). Il consiste à réintroduire une partie des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, après les avoir refroidis dans unéchangeur thermique pour éviter une température trop élevée dans lachambre de combustion. La production d'oxydes d'azote dépendant notamment de la température et de la présence d'oxygène pendant la combustion, l'introduction de gaz brûlés agit sur ces deux paramètres. L'influence de la température sur la production d'oxydes d'azote est modélisée par le mécanisme de Zeldovich[32][réf. incomplète] en 1939[33].
Ce mécanisme permet de ralentir la vitesse de combustion via la diminution de la proportion d'oxygène dans les gaz et d'augmenter lacapacité thermique des gaz en diminuant leur température de combustion. Le paradoxe est que pour améliorer le rendement des moteurs et réduire la consommation de carburant, les constructeurs font le maximum pour augmenter la température combustion, ce qui a pour effet d'augmenter la production de NOx si la température de combustion dépasse1 300 °C. Afin de pallier cette augmentation degaz toxiques, la vanne ou soupape EGR réduit la température de combustion, ce qui abaisse le rendement et augmente la consommation. La gestion de ce paradoxe conduit les constructeurs a doser finement le taux de recirculation des gaz d’échappement pour minimiser les deux paramètres simultanément quelles que soient les circonstances.
Collecteur d'admission encrassé par des suies dues à la recirculation des gaz.
L'augmentation de la production desuies lors de la combustion induit une salissure plus prononcée de l'huile du moteur et d'une partie de l'admission, du circuit d'échappement du moteur ainsi que le besoin éventuel d'un filtre à particules selon le niveau d'exigence des normes. Lavanne EGR, qui pilote la portion dérivée du collecteur d'échappement, peut alors s'encrasser, notamment à bas régime moteur. Pour contrer cet inconvénient, on peut recourir à unadditif ou faire monter le régime moteur, par exemple en circulant sur autoroute[34],[35].
Une autre technologie très répandue est laréduction catalytique sélective (ou SCR, enanglais :selective catalytic reduction), qui recourt à une solutionuréique injectée dans le flux d'échappement. Ce liquide est commercialisé dans de plus en plus de stations-service sous les noms « AdBlue » (marque déposée) en Europe et « Diesel Emission Fluid » (DEF) aux États-Unis.
Le bilan réactionnel des NOx avec l'urée conduit à la formation d'azote, d'eau et deCO2 :
Lacatalyse des NOx est assez délicate, car ils sont relativement stables et peuvent prendre plusieurs heures à se désagréger sous lesultraviolets de la lumière du jour. Ils produisent alors de l'ozone (O3), gaz très irritant, toxique, donc nuisible en basse atmosphère bien qu'indispensable en haute altitude[36]. De plus, ce système requiert une température élevée pour être efficace, nécessitant une plus ou moins longue période de chauffe selon les conditions extérieures. Ce phénomène pose le problème de l'adaptation des motorisations thermiques à la circulation urbaine, caractérisée par des trajets plutôt courts. C'est pourquoi certainspots catalytiques sont équipés de dispositifs favorisant leur montée en température. Pour les véhicules particuliers, les choix technologiques ne sont pas encore figés en 2013. Il est encore possible de voir émerger des choix alternatifs de dosage d'ammoniac (solide SCR oumetal ammine)[37].
Les progrès techniques en matière d'optimisation et de dépollution du moteur ne doivent pas faire oublier qu'avec le temps, les systèmes employés s'usent et perdent en efficacité. Il est donc nécessaire de suivre leur état afin de les faire contrôler, voire remplacer si nécessaire. Cette situation a conduit les constructeurs à mettre en place une surveillance continue du véhicule, puis d'élargir petit à petit leur champ d'action. Le système dediagnostic embarqué vérifie en permanence le fonctionnement des différents dispositifs : sondes,capteurs,actionneurs, système d'injection, catalyseur, etc. Si une anomalie risquant d'augmenter les émissions est détectée, il affiche une alerte (unindicateur lumineux d'anomalie(en)) au niveau du tableau de bord de manière à pousser le conducteur à faire vérifier son véhicule. Cela permet en théorie de maintenir les systèmes à un état optimal et, donc, d'en limiter les pertes de performances en matière d'émissions[38].
Les raisons du succès du moteur Diesel dans l'automobile, au-delà d'avantagesfiscaux accordés au gazole dans certains pays (par exempleen France), tiennent essentiellement à sonrendement supérieur à celui du moteur à essence. En résulte une consommation de carburant plus faible que dans unmoteur essence.
Fleurs dejatropha curcas, dont l'huile extraite des graines peut remplacer le gazole.
Le moteur Diesel peut s'accommoder de différents carburants, parfois de qualité ou de coût inférieurs à ceux nécessaires aux moteurs à essence. Ainsi, par exemple, le moteur Diesel peut brûler de l'huile végétale à la place du gazole. Pendant laSeconde Guerre mondiale, devant la pénurie de pétrole, des recherches ont d'abord été menées pour développer l'huile végétale en tant que carburant alternatif, mais elles finiront par être abandonnées face à la concurrence du bois et au réapprovisionnement progressif en pétrole[39].
Il est aujourd'hui possible de faire usage d'un tel carburant dans une automobile de tourisme, à condition d'adapter son circuit d'alimentation et de surveiller son entretien, l'huile végétale présentant par rapport au gazole une plus grande viscosité, unindice de cétane plus bas et des impuretés spécifiques[40]. De nouveaux carburants à base végétale transformés et raffinés sont par ailleurs en cours d'étude, comme lediester et le NExBTL, mais ils restent encore coûteux à mettre en œuvre comparés aux huiles végétales brutes recyclées[41].
L'utilisation d'huile végétale pure en guise de carburant est tolérée dans de nombreux pays, notamment en Allemagne, mais resteà ce jour[Quand ?] interdite en France[42].
Les poids lourds[i]peuvent également recourir à uneémulsion d'eau dans le gazole (de l'ordre de 10 à 15 % du mélange[réf. nécessaire]).D'une part, les gouttes de carburant injectées dans lachambre de combustion voient leur taille diminuer, ce qui conduit à une meilleure combustion, et donc moins de particules rejetées[réf. nécessaire]. De l'autre, la présence d'eau dans la chambre réduit sa température, limitant ainsi l'émission de NOx. La technique impose toutefois un moteur suffisamment robuste (matériaux résistant à l'oxydation générée par l'eau, système d'injection adapté) et entraîne une augmentation de la consommation[B 1][réf. non conforme].
Les premiers moteurs Diesel étaient beaucoup plus lourds, bruyants et bien moins puissants que leurs homologues à essence. Ces inconvénients ont été partiellement éliminés sur les véhicules modernes grâce, en particulier, auturbocompresseur à géométrie variable, à l'injection directe à rampe commune ou à l'injection très haute pression. Cependant, à puissance égale, ces moteurs restent plus lourds que leurs homologues à essence du fait des contraintes mécaniques et thermiques plus élevées.
La plage de vitesse de rotation du moteur Diesel étant plus réduite que celle d'un moteur à essence, il a besoin pour une utilisation automobile de plus de rapports dans la boite de vitesses[réf. nécessaire]. De plus, le meilleur rendement ainsi que sa pollution au CO2 minimale sont généralement obtenus dans une fourchette assez étroite de vitesses de rotation et de température, le cantonnant théoriquement à une utilisation continue à vitesse constante ou à une utilisation statique.
De même que les autres systèmes de motorisation, le moteur Diesel a connu des améliorations au cours des dernières décennies. L'avantage principal de ce type de moteur est de produire à consommation égale, du fait de son rendement supérieur, des émissions de CO2 de l'ordre de 10 % plus faibles que sonéquivalent essence[43]. Il engendre également moins demonoxyde de carbone (qui s'oxyde rapidement en dioxyde de carbone dans l'atmosphère) et d'hydrocarbures imbrûlés que les moteurs à essence. L'arrivée progressive desfiltres à particules et des systèmesSCR etEGR a contribué en outre à limiter les émissions de NOx et de particules fines, même si celles-ci restent beaucoup plus élevées que sur les moteurs à essence[44].
Roger O. McClellan[45], Thomas W. Hesterberg[45],[46] et John C. Wall[47], chercheurs travaillant ou ayant travaillé pour l'industrie du Diesel[48], mettent en avant les progrès réalisés par cette technologie pour demander une réévaluation des risques qu'elle fait peser sur la santé des populations[49].
Du fait de son principe même, qui impose, pour un rendement optimal, une forte présence d'air dans lachambre et de hautes pressions et températures, le moteur Diesel induit un certain nombre deréactions chimiques indésirables qui conduisent à l'apparition et au rejet de particules et de gaz nocifs. D'une part, la réaction entre l'oxygène et l'azote présents dans l'air engendre l'apparition d'oxydes d'azote (NOx). De l'autre, les noyaux decarbone engendrés par la combustion se combinent à l'oxygène et aux diverses impuretés contenues dans le gazole pour former des particules, tels leshydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et des composés oxygénés comme lesaldéhydes. Ces phénomènes sont d'autant plus importants que la concentration en air et la température de la chambre sont élevés[réf. nécessaire]. S'ajoute encore dans les gaz d'échappement la présence de métaux et d'hydrocarbures imbrûlés.
Une étude de 2005 menée par l'ADEME a tenté de dresser la liste et la composition des émissions dues à des véhicules équipés de moteurs Diesel. Le premier constat est que le nombre et le volume de particules émises suivent chacun uneloi normale fonction de leur diamètre, centrée sur une moyenne respectivement de 100 et 250 nm. Certaines peuvent aller jusqu'à la taille denanoparticules, mais ce sont les plus grosses qui ressortent par leur teneur non négligeable en douze types de métaux, et cinq des 17 HAP classés comme polluants prioritaires par l'EPA, dont dubenzanthracène, considéré par l'agence américaine comme à fort risque cancérogène[j]. Certains de ces rejets sont dus à la combustion, d'autres à l'usure du moteur. Certains, enfin, comme lezinc ou lemanganèse, se retrouvent aussi dans les particules plus fines en raison de leur présence dans les additifs du carburant et des lubrifiants. Plus généralement, de nombreux facteurs concernant la qualité du gazole peuvent accroître la présence de particules :densité,compressibilité,viscosité,indice de cétane, teneur enpolyaromatiques et en composésnaphténiques. À l'inverse, une quantité importante de composés oxygénés limite l'émission de particules. L'étude remarque en outre l'impact positif notable qu'offrent les systèmes de dépollution, comme lescatalyseurs ou lesFAP[B 3][réf. non conforme].
Une analyse complémentaire de l'ADEME rapporte que les hydrocarbures rejetés se composent essentiellement d'éthane, d'éthylène et d'hydrocarbures légers. Elle établit également que les aldéhydes émis sont en majorité duformaldéhyde, classé commecancérigène avéré par leCIRC. L'agence ne fournit cependant pas les quantités mesurées et, surtout, précise que l'utilisation du FAP en réduit la quasi-totalité émise (les restantes provenant pour l'essentiel des phases de démarrage à froid)[B 1][réf. non conforme].
On distingue leNO2 des autresoxydes d'azote (NOx). Sur lesmuqueuses nasales, de la sphèreORL et despoumons, il se combine avec l'humidité et y forme de l'acide nitrique. La part de NO2 est plus importante pour les véhicules à moteurs Diesel que pour ceux utilisant l'essence de norme Euro équivalente. Le dioxyde d'azote n'est pas pris en compte en tant que tel dans ces normes d'émission[52], qui fixent des seuils pour l'ensemble des NOx.
une surveillance obligatoire des taux de NO2 dans une bande de 50 mètres autour des principaux axes routiers urbains dans les villes de 350 000 habitants (jusqu'en 2009, ce contrôle n'était, dans ce pays, pratiqué que dans quelques villes de plus d'un million d'habitants).
Lespots catalytiques se développent, de même depuis 2009 que lefiltre à particules (FAP) sur les nouveaux moteurs Diesel. Or, les catalyseurs mais aussi certains FAP (FAP dits « catalysés » et non les FAP dits « additivés »), s'ils permettent la « combustion » de suies fines dans le filtre ou le pot catalytique, ont pour effet paradoxal d'encore accroître les émissions de NO2[54]. L'addition deplatine, notamment dans leDiesel oxydation catalyst (DOC) positionné en amont du filtre à particules (FAP), génère du NO2[54] qui va contribuer à la régénération dite « passive » des filtres à particules, mais pollue.
L'AFSSET alerte sur le fait que si au moins 30 % des filtres installés dans les années à venir sont de type « non polluants », alors les taux de NO2 émis par les véhicules légers devraient diminuer entre 2009 et 2014, mais si moins de 30 % des filtres posés le sont, le NO2 augmentera encore[54].
que les flottes captives (bus, utilitaires, taxis) soient équipées de filtres moins polluants en NO2 (ce que proposait aussi lePlan national santé-environnement, PNSE II) ;
de faire du NO2 un critère obligatoire des nouvelles réglementations sur les émissions des véhicules, au lieu de ne se baser que sur la somme des oxydes d'azote (NOx) ;
de créer un outil d'évaluation de l'efficacité des techniques de contrôle des émissions Diesel ;
de faire des recherches en toxicologie sur l'impact des émissions Diesel.
Les oxydes d'azote sont des précurseurs de la pollution à l'ozone, surtout par temps ensoleillé et lors decanicules[56] et par temps brumeux (comme lors du smog de à Pékin[57]). Ils contribuent à la production de sulfates quand l'activité photochimique est réduite[57].
Les émanations gazeuses (CO, CO2, NO2, toluène[58], benzène[59],[60], divers autres COV[61] et HAP[62], ainsi que des NOx[63]) et particulaires des moteurs Diesel sont nocives pour la santé.
Les particulesen suspension émises par les pots d'échappement de moteurs Diesel peuvent être inhalées et se déposer dans les voies respiratoires, plus ou moins profondément selon leur taille. Le risque de toxicité varie selon le sujet touché et le type de particule inhalées, mais reste réel même en présence de faibles concentrations. Les particules les plus fines sont considérées comme les plus dangereuses car leur petite taille leur permet de pénétrer plus profondément, jusque dans lesalvéoles pulmonaires. L'impact sanitaire associé va de complications respiratoires tel l'asthme à un risque accru d'apparition decancers[B 2][réf. non conforme].
Le pneumologue Michel Aubier était intervenu dans les médias en minimisant la nocivité des émissions du Diesel, et avait été auditionné en tant qu'expert, le, par une commission d'enquête du Sénat sur le coût de la pollution atmosphérique en déclarant « n'avoir aucun lien d'intérêt avec les acteurs économiques ». Il a reconnu, le, devant la même commission, avoir reçu du pétrolierTotal cinquante mille à soixante mille euros par an depuis la fin des années 1990.Libération etLe Canard enchaîné avaient révélé, la veille, que le professeur exerçait depuis 1997 les fonctions de médecin-conseil pour Total, chargé de conseiller les cadres dirigeants du groupe en cas de problèmes de santé[70].
Une étude de la revueNature publiée en estime que 38 000 décès prématurés en 2015 dans le monde ont été causés par le dépassement des normes en vigueur dans chaque pays par les véhicules Diesel, principalement dans les pays de l'Union européenne, en Chine et en Inde[71].
EnAllemagne, en, leTribunal administratif fédéral a ouvert la voie aux interdictions des vieux véhicules à moteur Diesel dans les grandes villes. Excepté les véhicules répondant à laEuro 6, plus de neuf millions de véhicules Diesel aux normes plus anciennes,Euro 4 etEuro 5 notamment, sont concernés. Plusieurs grandes villes avaient décidé d'interdire ces véhicules anciens, mais le lobby de l'automobile avait demandé l'annulation de ces interdictions. L'association de protection de l'environnement Deutsche Umwelthilfe (DUH) est à l'origine de ces interdictions, soulignant que les niveaux de particules enregistrés n'étaient pas conformes aux normes européennes d'émissions d'oxyde d'azote (NOx). L'arrêt de la cour autorise les grandes villes à prononcer de telles interdictions mais impose une mise en œuvre progressive et prévoit des exceptions pour les artisans[72],[73].
Le caractère toxique et surtout cancérigène des émissions du moteur Diesel était depuis longtemps débattu. Les moteurs d'avant les années 1980 ont progressivement inquiété du fait de leur impact visuel (fumées opaques et noires) et leur potentiel risque sanitaire pour l'homme. Les recherches se sont intensifiées, prouvant que les particules qu'ils dégageaient s'avéraient souventmutagènes, et donc possiblementcancérigènes.
L'INSERM a réalisé, en 2008, une synthèse de la quarantaine d'études ayant analysé l'effet cancérigène du Diesel depuis les années 1980. Toutes portent sur des sujets exposés professionnellement aux fumées du gazole : conducteurs de bus, taxis, poids lourds ou locomotives, et mécaniciens associés. Les résultats concluent à des risques accrus, souvent de manière significative, d'apparition de cancers du poumon. Une relation semble également se révéler entre ces risques et la durée d'exposition aux émissions. L'institut met toutefois en garde sur les probables perturbations induites par la consommation de tabac et l'exposition à l'amiante. Si un débatépidémiologique est en cours pour mesurer l'impact de ces deux éléments, l'INSERM estime malgré tout qu'il ne peut suffire à changer drastiquement les conclusions. Reprenant les termes de l'EPA, co-responsable de l'étude, il conclut que« le fait que les fumées Diesel augmentent le risque de cancer du poumon chez l'homme est très plausible sur le plan biologique »[74].
En 2012, le CIRC, qui classait depuis 1988 les émissions Diesel parmi les cancérigènes probables pour l'homme (groupe 2A), a modifié son évaluation et les classe désormais dans la catégorie des cancérigènes certains (groupe 1). Selon l'agence pour le cancer de l'OMS,« les preuves scientifiques sont irréfutables (...) : les émanations des moteurs Diesel causent descancers du poumon ». L'agence s'inquiète aussi d'une association possible avec lecancer de la vessie[75].
Les oxydes d'azote sont des gaz très toxiques, notamment le NO2. Ils pénètrent dans les poumons, irritent les bronches et réduisent la capacité du sang à oxygéner les cellules. Ils sont particulièrement nocifs pour les enfants et les asthmatiques[76],[77].
Les particules fines, outre leur effet sur le risque de cancer, peuvent être à l'origine d'autres maladies, comme l'asthme et labronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO)[78].
L'ozone produit par transformation des oxydes d'azote par temps chaud sous l'effet des rayonsultraviolets du soleil est aussi un gaz irritant pour les bronches, le nez, la gorge et les yeux[79].
Le Diesel cause un risque accru de décès chez lescheminots. Les lieux les plus exposés sont lestunnels routiers ou ferroviaires, certains lieux industriels dont lieux de travail confinés (garages, docks) ou souterrains,miniers en particulier[80],[81]. Il cause des troubles respiratoires ou il les aggrave, avec des symptômes souvent chroniques chez certains automobilistes et chez les habitants ou travailleurs des zones où la circulation est dense.
AuxÉtats-Unis, environ 1,4 million de travailleurs étaient chroniquement exposés aux particules des moteurs Diesel de 1981 à 1983 ; et 3 millions dans l'Europe des quinze, de 1990 à 1993[80]. En 2012, le lobby minier AméricainMining Awareness Resource Groupe s'est opposé à la publication d'études sur les effets sur la santé des mineurs des gaz d'échappement des moteurs Diesel[82].
En 2015 dans le monde, 47 % des 385 000 morts prématurées étaient dus à lapollution de l'air par les véhicules à moteur Diesel (individuels, publics, industriels, fluviaux ou engins agricoles ou industriels, hors transport maritime), selon une étude récente (2019) faite par deux universités américaines et l'ICCT (ONG qui a révélé le "dieselgate")[83],[84]. Le coût (supplémentaire) de ces années de vies perdues a été estimé à environ mille milliards de dollars pour la société[85].
La France, l’Allemagne, l’Italie et l'Inde en étaient les premières victimes, avec 66 % des décès prématurés induits par les transports. Ce taux est de 36 % au Royaume-Uni et de 32 % au Japon. Si on ajoute les effets de l’ozone et des PM2,5, les transports causent 11 % des 3,4 millions de morts prématurées dues à la pollution induite, soit 114 000 morts prématurées en Chine et 74 000 en Inde[85]. Ce chiffre est de 13 000 pour l'Allemagne, 6 400 pour la France et 22 000 pour les États-Unis, soit respectivement 31 %, 32 % et 19 % des décès attribués au total à la pollution de l'air. L’Allemagne paye le plus lourd tribut avec 17 morts prématurées pour 100 000 habitants, soit le triple de la moyenne mondiale. Pour ce qui est des villes, Milan, Turin, Stuttgart, Kiev, Cologne, Berlin et Londres sont parmi les plus touchées en nombre d’années de vies perdues[85]. Pour ce qui est du nombre de morts, Guangzhou est la plus touchée en Asie et Milan, Cologne, Paris et Londres en Europe[86]. Ces chiffres sont sous-estimés en matière desanté publique, notent les auteurs de l’étude car, pour des raisons méthodologiques, plusieurs types d'émissions polluantes ne sont pas pris en compte (diesels marins, par exemple, alors que 80 % des tonnes transportées le sont par le transport maritime), ni certaines maladies potentiellement associées à la pollution[85]. Uneffet pervers des décisions prises après le scandale Volkswagen, décisions encourageant l'achat de véhicules non Diesel, est que de nombreuses voitures Diesel de plus de 5 ans ont été brutalement exportées, entre autres par l'Allemagne, et vendues dans lespays de l'Est ou en Afrique (à titre d'exemple : selon Hristo Hristov de l'Association bulgare des importateurs de véhicules, en 2017 ce sont 280 000 voitures au Diesel allemandes qui ont été revendues d'occasion en Bulgarie, Diesel pour plus de 40 %)[87]. Elles y auront potentiellement une longue durée de vie, et à leur arrivée dans les pays de l'Est, elles sont souvent délestées du contenu de leurspots catalytiques (métaux précieux pouvant être revendus)[87]. Elles sont alors encore plus durablement et gravement polluantes - localement et pour la troposphère bien au-delà des frontières de ces pays)[87].
Le fonctionnement de moteur Diesel a différentes conséquences sur l'environnement :
Réchauffement climatique, pluies acidesLesoxydes d'azote sont des précurseurs de l'ozone, un gaz àeffet de serre qui contribue auréchauffement climatique. Par ailleurs, le NO2 réagit au contact de l'eau pour former de l'acide nitrique, conduisant à un phénomène d'eutrophisation des lacs et cours d'eau et à la formation depluies acides[88]. Les rejets soufrés des moteurs Diesel étaient précédemment un facteur important de la formation de pluies acides, mais la règlementation limite désormais la quantité de soufre dans le gazole.
BruitLa réduction du niveau sonore de fonctionnement dépend beaucoup de la gestion de l'injection et des dispositifs d'insonorisation, néanmoins, des progrès sont encore à faire, les moteurs Diesel étant toujours plus bruyants que ceux à essence du fait des taux de compression élevés qui génèrent des contraintes mécaniques importantes.
OdeursLesodeurs caractéristiques des gaz d'échappement des moteurs Diesel sont dues à un ensemble complexe de composés organiques tels que lesindoles,furanes etphénols.
Une première amélioration des carburants destinés aux moteurs Diesel (gazole, fiouls) a consisté en l'abaissement progressif, dans tous les pays, de leur teneur ensoufre, ce qui a réduit l'émission de dérivés soufrés acides et polluants. Aujourd'hui, la réglementation européenne exige que le gazole, routier ou non routier, contienne moins de 10 mg/kg de soufre. Toutefois, cette amélioration a un coût énergétique et environnemental : ladésulfuration du gazole requiert un traitement à l'hydrogène et la production d'hydrogène est elle-même une source importante d'émissions de CO2 dans l'atmosphère[89],[90].
Le lien entre la présence dans le carburant d'hydrocarbures naphténiques et aromatiques, et particulièrement d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), et la formation de particules étant avéré, la réglementation a limité à 8,0 %, en masse, la teneur en composés aromatiques polycycliques du gazole. On sait aussi que l'ajout de composés oxygénés améliore la qualité de la combustion et diminue la production de particules ; il est prévu d'incorporer desméthyl-esters d'acides gras (EMHV) au gazole, mais à hauteur maximale de 7,0 %, en volume, sans qu'une teneur minimale soit fixée.
Certains[Qui ?] imaginent une limitation plus stricte de la teneur en composés aromatiques ou l'obligation d'introduire une certaine proportion de composés oxygénés. Toutefois, de fortes difficultés se font jour : éliminer les aromatiques parextraction serait bien plus difficile dans le gazole que dans l'essence ; les hydrogéner parhydrotraitement consommerait énormément d'hydrogène, pour les transformer ennaphténiques qui ne valent guère mieux. Une bonne façon de limiter la teneur en aromatiques (en même temps que d'élever l'indice de cétane et d'améliorer la tenue au froid) serait de davantage recourir à l'hydrocraquage pour l'obtention de gazole, mais ceci requiert des investissements élevés. Par ailleurs, les pétroliers demeurent hostiles à l'incorporation de produits oxygénés dans les carburants.
À plus longue échéance, si les procédésgas to liquids se développent, le gazole issu duprocédé Fischer-Tropsch suivi d'hydroisomérisation fournirait un gazole totalement paraffinique, donc à très haut indice de cétane, le degré d'isomérisation permettant de contrôler la tenue au froid. Une telle composition réduirait fortement les émissions de particules. Il est également envisagé d'utiliser leméthoxyméthane, plus connu sous la désignation de diméthyl-éther (DME), comme carburant pour moteurs Diesel, du fait de son indice de cétane élevé (55, à comparer à celui du gazole, de 51 au minimum). Sa formule semi-développée CH3OCH3 met en évidence qu'il s'agit d'un produit léger, à chaîne carbonée courte et dépourvue de cycle aromatique, et de surcroît oxygéné. La qualité de la combustion serait tout autre, qu'il s'agisse des particules et imbrûlés de toutes sortes ou des NOx.
Ces carburants synthétiques sont pour l'instant principalement produits à partir de combustibles fossiles et leur synthèse induit elle-même une consommation énergétique et une émission de CO2 : un bilan global implique de comptabiliser l'ensemble de la dépense énergétique et des émissions de la filière, et pas uniquement ce que le consommateur final est à même de percevoir et de concevoir. Mais on peut envisager de générer legaz de synthèse alimentant le procédé Fischer-Tropsch à partir debiomasse et le DME fait partie des possiblesbiocarburants de seconde génération, qui pourraient se contenter delignocellulose comme matière première[91].
Voici la liste des différentes appellations données aux moteurs Diesel modernes (injecteurs pompes ou rampe commune) selon les marques qui les commercialisent :
Lors de l'édition des 24 Heures du Mans 2007,Peugeot a engagé à son tour un véhicule équipé d'un moteur Diesel, laPeugeot 908 HDi FAP. Elle est équipée d'un moteurV12HDi développant environ 700 chevaux. L'une des deux Peugeot au départ s'est classée en seconde position.
Sur la lancée victorieuse des motorisations Diesel de son concurrent direct Audi, le constructeur Peugeot réalise un doublé devant Audi avec ses908 Diesel à l'édition des24 Heures du Mans 2009 et gagne lePetit Le Mans auxÉtats-Unis.
La domination de ces moteurs Diesel durant les 24 Heures du Mans a fait l'objet de nombreuses controverses. Explicitement, celle-ci était surtout due à des arrêts aux stands moins fréquents en raison d'une consommation inférieure à celle des moteurs à essence, ainsi qu'au couple élevé que génèrent ces moteurs (unV12TDI dont la puissance maximale est atteinte à4 100tr/min (soit unevitesse angulaire de 429 rad/s) environ, avec unepuissanceP de 474 kW (644ch), fournit un coupleC =P / = 474 000/429 = ~1 100 N m) (ce calcul de couple est approximatif mais démontre le phénomène autour de ces moteurs), qui permet des accélérations supérieures aux essence. Mais implicitement, leur domination est aussi due à leur valorisation, par rapport aux moteurs essence, de la part de l'Automobile Club de l'Ouest (ACO), l'organisateur des24 Heures du Mans. Ces problèmes d'équivalence essence/Diesel au niveau des règlements techniques sont remis à plat par l'ACO et laFIA pour la saison 2012[98] qui verra notamment la renaissance d'unChampionnat du monde d'endurance FIA.
À partir de la saison 2012, Audi et Peugeot envisagent de mêler la motorisation Diesel à une motorisation électrique, créant ainsi un bolide de compétition hybride.
Les tentatives d'insertion des motorisations Diesel en compétition font écho aux chiffres de ventes de ces motorisations face aux motorisations à essence en Europe. Les constructeurs automobiles cherchent à promouvoir l'image d'un Diesel plus intéressant économiquement que l'essence, sous l'influence très marquée des incitations gouvernementales (taxes moindres sur les carburants Diesel…).
: l'Américain Virgil Snyder décroche le record de vitesse sur véhicule Diesel à bord duThermo King Streamliner, sur la plaine salée deBonneville dans l'Utah, à une vitesse de379,413km/h.
↑La différence essentielle est que la combustion est déclenchée par l'injection de carburant dans un cylindre où l'air a été surchauffé par la forte compression, non par une bougie d’allumage.
↑Ces réactions secondaires sont dues, entre autres, aux températures de combustion élevées et a la présence dediazote dans l'air. Voir l'articleOxyde d'azote.
↑Les versions européennes, soumises à des normes nettement moins strictes, ne bénéficient pas du même niveau de dépollution.
↑Rover, quelques mois avant Fiat, avait aussi commercialisé un véhicule léger équipé d'un moteur Diesel à injection directe, mis au point en collaboration avecPerkins, mais il s'agissait d'une version utilitaire de laMontego. La version berline ne suivant que plus tard, Fiat revendique à raison l'antériorité pour les véhicules particuliers.
↑Cette technologie porte le nom deHDi (High-pressure Direct Injection) chez le constructeur automobilePSA, et dCi (Direct Common rail Injection) chezRenault.
↑Paul Naegel, Jean-Michel Althuser,Les débuts du moteur Diesel en France : nouveaux éléments historiques, Connaissance de la Meuse, 2008, p. 2-7. ffhalshs-00441182
↑Musée de l'Aventure Peugeot. The exhibit label (2012) states: «Peugeot commence à fabriquer des moteurs Diesel à partir de 1928, à la « Compagnie Lilloise des Moteurs », filiale d’Automobiles Peugeot, notamment pour les tracteurs agricoles ou ferroviaires, les bateaux, etc.
↑Joël Blin, Sylvie Mouras, Sayon Sidibe, Philippe Girard, Gilles Vaitilingom et Bruno Pechine,Guide technique pour l'utilisation d'huile végétale carburant dans les moteurs Diesel stationnaires, Sud Sciences et Technologies,(ISBN978-2-677-92161-1,lire en ligne),p. 11 à 17 et p.57-58
↑abcde etf« Émissions de dioxyde d'azote de véhicules Diesel : impact des techniques de post-traitement sur les émissions de dioxyde d'azote de véhicules Diesel et aspects sanitaires associés », avis et rapport de l'Agence française de sécurité sanitaire de l'environnement et du travail (AFSSET) ; daté d'août 2009 et publié le, faisant suite à une interrogation (d'août 2006) par les ministères chargés de l'écologie, de la santé et du travail
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