AUBERT Maxime SUP B Professeur accompagnateur : DELOFFRE Maximilien SUP B Mr Françcois BOIS PAGES Simon SUP E Groupe n Réduction de la pollution d un moteur diesel
Introduction L Allemand Rudolf Diesel construisit en 1893 le premier prototype du moteur qui porte son nom. Il s agissait d un moteur à 4-temps dont le combustible est injecté directement à forte pression dans la chambre de combustion. Ce type de moteur avec un taux de compression élevé a connu une expansion rapide en automobile à partir de 1990. Malheureusement la forte pollution produite par les moteurs diesel et les problèmes environnementaux grandissant ces dernières années ont contraint les grands constructeurs automobiles à trouver des solutions pour réduire cette pollution de manière notable et ainsi à respecter les normes qui à mesure que les années passent deviennent de plus en plus exigeantes. 1. Le moteur diesel : 1.1 Fonctionnement, avantages, inconvénients : Le moteur diesel fonctionne grâce au principe d auto-inflammation du carburant, selon les 4 étapes suivantes : - Admission de l air dans la chambre de combustion. - Compression de l air puis injection du carburant. - Combustion par auto-inflammation du mélange puis détente. -Echappement des gaz brûlés. Le cycle thermodynamique théorique se décompose de la manière suivante : - Compression adiabatique (entropie constante, de 1 à 2) - Détente isobare (de 2 à 3) puis détente adiabatique (entropie constante, de 3 à 4) - Détente isochore (de 4 à 1) Caractéristiques générales des moteurs diesel : Eléments du moteur diesel Valeurs moyennes Taux de compression V1/V2 16 à 28 Température de l air en fin de compression 500 a 600 C Pression d injection aux injecteurs 120 à 2000 bar Durée de l injection 1 à 4 ms Dosage combustible/air à pleine charge 1/24 à 1/30 Vitesse de rotation maximale 4000 à 5400 tr/min
1.2 Comparaison avec le moteur essence : Une des principales différences entre le moteur diesel et le moteur essence se trouve au niveau de la compression qui est très forte pour le diesel, 20 a 35 bar contre 8 à 12 bar pour l essence, et de la température, 600 C contre 300 C. L injection et la combustion se font de manière très différentes : injection sous forte pression provoquant l auto-inflammation pour le diesel alors qu une étincelle électrique se charge d enflammer le mélange air/essence. Avantages du diesel : - Le rendement est meilleur : une proportion plus grande du transfert thermique (chaleur) est convertie en travail. - Le carburant employé est moins cher. - La consommation moyenne est moins élevée que le moteur essence. Inconvénients du diesel : - De fortes contraintes thermiques et mécaniques sont exercées sur les organes du moteur. - Graissage délicat et refroidissement suffisant du moteur. - L étanchéité entre le cylindre et le piston est plus difficile a réaliser. - Le moteur est plus bruyant. 1.3 Principaux polluants : La combustion du carburant génere un certain nombre de polluants parmis lesquels : - Le dioxyde de carbone CO 2. - L oxyde d azote NOx. - Les hydrocarbures HC. - Les fines particules. - Le dioxyde de soufre SO 2. Les particules sont actuellement les polluants les plus combattus à l aide du filtre à particule. Elles se forment lors d une combustion incomplète par manque d oxygène. Il existe d autres formes de pollution comme le bruit du moteur et l odeur des gaz d échappement. 2. Les principales innovations pour réduire la pollution : 2.1 Le common rail : Principe de fonctionnement : une pompe haute pression (de 1300 à plus de 1800 bar) entraînée par le moteur alimente en permanence une réserve de gazole sous haute pression appelé rail ou rampe d alimentation. La rampe est reliée par des tubes à tous les injecteurs. L ouverture de chaque injecteur est commandée électroniquement par une vanne.
Un calculateur électronique gère en fonction des paramètres moteur : - La pression dans la rampe. - Le débit de la pompe. - Le temps d ouverture de chaque injecteur. De plus, le système à rampe commune permet, pour chaque injecteur, plusieurs injections sur un cycle moteur : une pré-injection, une injection principale et une post-injection. Il présente également une facilité d adaptation sur le moteur. La réduction de la pollution au niveau du rail commun se fait essentiellement grâce à la diminution de la consommation et à une meilleure combustion. La pulvérisation fine du carburant entraîne une bonne qualité du mélange ce qui a pour conséquence une combustion quasi-complète. Il y a alors moins de résidus imbrûlés, qui sont sources de pollution. Ce système apporte une diminution de la consommation de 20% par rapport a la génération précédente, tout en améliorant l agrément de conduite grâce à un couple supérieur de 50% à bas régime et 25% de puissance en plus, avec une réduction significative des vibrations et des bruits. 2.2 Filtres à particules : Les particules sont un polluant spécifique aux moteurs diesel. Le filtre à particule agit lors du parcours des gaz rejetés lors du circuit d échappement. C est un filtre fin qui retient les particules mais laisse passer les gaz d échappement. Il est constitué de carbure de silicium et possède une structure en nid d abeille. Néanmoins, le filtre nécessite d être nettoyé afin d éviter son encrassement, c est le principe de régénération. Cette régénération est commandée par le calculateur du rail commun, qui déclenche une élévation de la température suffisante pour brûler les particules du filtre. Le filtre à particules agit en complément du rail commun : il réduit fortement les émissions d hydrocarbures imbrûlés et de suies, appelées fumées noires.
3. Les innovations secondaires : 3.1 Evolution des carburants : Il existe différents types de carburants permettant de réduire la pollution : - Les biocarburants : ils proviennent d une réaction entre une huile végétale et du méthanol pour former l ester méthylique d huile végétale (EMHV) ou avec de l éthanol pour former un ester éthylique d huile végétale (EEHV). - Les BTL (Biomass To Liquid) : ils sont issus de la transformation de la biomasse (résidus céréaliers, forestiers, déchets organiques ) en gaz puis en gazole. Encore en développement, les carburants constitués par une émulsion d eau dans le gazole, permettraient d accroître le taux de compression et la puissance spécifique, l élimination des dépôts, et permettraient la réduction des émissions de NOx et de suies. 3.2 Evolutions mécaniques : Les moteurs hybrides développés sont composés d un moteur thermique traditionnel couplé à un moteur électrique. Ce dernier intervient lorsque le couple du moteur diesel n est pas optimal, par exemple lors du redémarrage. Quand la voiture prend de l allure, le moteur diesel vient alors relayer le moteur électrique, il fournit la puissance nécessaire au fonctionnement normal de la voiture tout en distribuant de l énergie à la batterie qui se recharge. Le couplage d un moteur diesel et d un moteur électrique permet un réel gain de puissance à cylindrée équivalente mais également une réduction significative de la consommation : jusqu'à 25% de carburant économisé. Conclusion : Les dernières évolution, en particulier le filtre à particules, ont permis au diesel de devenir un moteur propre et un moteur d avenir, mais il reste encore beaucoup d efforts à fournir, en particulier au niveau de le circulation urbaine où le moteur hybride serait le bienvenu. Mais les coûts de production sont un frein à la mise en place de tels moteurs, et les fournisseurs pétroliers s opposent aussi à une telle concurrence sur le marché automobile. Bibliographie : Sites Internet : www.motorlegend.com ; http://fr.wikipedia.org ;www.ifp.fr ; www.psapeugeot-citroen.com ; http://cybermecanique.free.fr ; www.auto-innovations.com ; www.citroen.com ; www.industrie.gouv.fr ; www.biocarburant.com. Ouvrages : «Le moteur diesel» Contacts : Mr. LEROUX Damien, mécanicien dans la gendarmerie à Thulle.