BAC PRO Conducteur Routier
Transport de Marchandises
POLE TRANSPORT Louis Armand Chambéry (73)
SÉANCE 3 :
LE MOTEUR DIESEL
Les 4 temps
Objectif de cette séance : développer les connaissances permettant de conduire rationnellement et en sécurité le véhicule, et d'en exploiter les caractéristiques techniques.
Le conducteur doit être capable d'exploiter les caractéristiques techniques du véhicule en toutes circonstances, et d'identifier les principaux composants et le fonctionnement du moteur Diesel.
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1 - Le moteur Diesel ?
Bien que l’invention de ce type de motorisation date de 1824, il faudra attendre près de 60 ans et de nombreux travaux de recherche pour que Rudolf Diesel crée le premier moteur diesel de l’histoire.
Déjà à l’époque, les spécificités des moteurs diesel avaient été mises en avant pour leur caractère particulièrement innovant. Par la suite, de nombreux projets ont été menés afin d’optimiser les performances de cette motorisation alternative. Aujourd’hui, les véhicules dotés d’un moteur diesel représentent encore une part importante du parc automobile français. A ce jour, les véhicules lourds de transport de marchandises sont en très grande majorité des véhicules à moteur Diesel.
Le fonctionnement des moteurs diesel
Le fonctionnement des moteurs diesel se décompose en 4 temps. Ce cycle de fonctionnement comprend 4 étapes très distinctes : l’admission, la compression, la combustion et l’échappement. C’est précisément lors de chacune de ces étapes que le vilebrequin relié au piston par une bielle joue un rôle déterminant, afin d’entraîner le mouvement du moteur.
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Quels sont les avantages liés au diesel ?
Les spécificités des moteurs diesel offrent de nombreux avantages. En premier lieu, ils consomment beaucoup moins de carburant qu’un véhicule essence pour parcourir un même trajet. En second lieu, ils offrent de meilleures performances de conduite, notamment au niveau de la reprise. Ils éprouvent aussi moins de difficultés à démarrer grâce aux actions combinées des bougies de préchauffage et des injecteurs chauffants. Enfin, leur durée de vie est généralement deux fois plus importante que celle des moteurs à essence.
RAPPEL : comme tout moteur, le moteur Diesel transforme l’énergie calorifique en énergie mécanique :
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Un mélange d’air et de carburant ( gasoil ) est brûlé à l’intérieur du (des) cylindre(s), c’est l’énergie calorifique ( « chaleur »).
Cette combustion/explosion contribue à son tour à la mise en mouvement des pièces mobiles du moteur, développant l’énergie mécanique (motrice).
2 - Les " 4 temps " du moteur Diesel :
2.1 Temps n°1 : Admission
Admission = remplissage en air du cylindre.
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L’air est aspiré à l’intérieur du cylindre :
- La soupape d’admission est ouverte ( et la soupape d'échappement est fermée )
- Le piston descend à l’intérieur du cylindre, il aspire l’air en attente dans le collecteur d’admission
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L'arbre à cames exerce une pression sur la soupape d'admission qui s'ouvre. Mais la soupape d'échappement est fermée.
Au même moment, le vilebrequin tire l'ensemble bielle/piston vers le bas du cylindre
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Sous l'effet du mouvement du piston, et par l'ouverture de la soupape d'admission, de l'air est aspiré à l'intérieur du cylindre.
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Lorsque le piston arrive à son point-mort bas, la chambre de combustion est remplie d'air. Le phénomène d'aspiration d'air venant de l'extérieur du véhicule fait que la température et la pression à l'intérieur du cylindre sont faibles.
​
Il n'y pas de création ou d'apport d'énergie mécanique sur le vilebrequin, au contraire, l' ensemble bielle/Piston a besoin de la "force" du vilebrequin pour descendre dans le cylindre et créer ce mouvement d'aspiration.
2.2 Temps n°2 : Compression
Compression = compression de l'air dans le cylindre.
L' air contenu ( et emprisonné ) à l'intérieur du cylindre est comprimé.
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L'arbre à cames n'exerce aucune pression sur les soupapes d'admission et d'échappement qui sont donc fermées.
Au même moment, le vilebrequin pousse l'ensemble bielle/piston vers le haut du cylindre.
Le volume de la chambre de combustion est fortement réduit.
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Sous l'effet de la réduction du volume de la chambre de combustion, et grâce à une parfaite étanchéité, l'air contenu dans la chambre de combustion, se trouve comprimé dans la partie supérieure du cylindre.
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Lorsque le piston arrive à son point-mort haut, la chambre de combustion est remplie d'air sous très haute pression : la pression obtenue peut s'élever de 50 à 60 bars.
​L’air a été aspiré à l’intérieur du cylindre :
- La soupape d’admission et la soupape d'échappement sont fermées : l'air est emprisonné à l'intérieur du cylindre dans la chambre de combustion.
- Le piston remonte à l’intérieur du cylindre, il comprime l’air contenu dans la chambre de combustion ( par réduction du volume disponible )
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L'air, enfermé dans le cylindre va être comprimé ( mis sous très haute pression ) et chauffé
( par réaction physico-chimique qui résulte de la compression )
Ainsi « comprimé », la température de l'air peut approcher de 600 à 700° C
2.3 Injection du carburant
L'injection du carburant n'est pas à proprement parler un temps moteur. C'est l'étape du cycle du moteur, se déroule en toute fin de compression et provoque le 3eme temps moteur : la détente.
Injection du carburant :
​L'arbre à cames n'exerçant toujours aucune pression sur les soupapes d'admission et d'échappement, celles-ci restent fermées.
Au moment où le piston parvient à son point mort haut, du gazole est injecté dans la chambre de combustion.
Pour que la gasoil soit pulvérisé à l'intérieur du cylindre, il lui faut avoir une pression plus forte que celle exercée par l'air à l'intérieur du cylindre.
C'est le rôle du dispositif d'injection qui pousse le carburant dans le cylindre sous une pression qui peut s'élever aux alentours de 2000 bars.
​​De plus, l'injecteur pulvérise le gasoil sous la forme d'un brouillard de micro-goutellettes.
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Sur certains moteur à injection, c'est l'arbre à cames qui commande l'ouverture de l'injecteur. Sur les moteurs les plus récents ce sont des commandes électroniques.
2.4 Temps n°3 : Combustion - détente
Combustion du carburant :
L'arbre à cames n'exerçant toujours aucune pression sur les soupapes d'admission et d'échappement, celles-ci sont maintenues fermées.
Au moment où le piston parvenait à son point mort haut, du gazole a été injecté dans la chambre de combustion.
Ce gasoil pulvérisé en un brouillard de micro-goutellettes et sous ultra haute pression par le dispositif d'injection, s’enflamme spontanément sous l'effet de la pression et de la température à l'intérieur de la chambre de combustion.
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Si le gasoil n'est pas un carburant aussi inflammable que l'essence, il a la particularité d'un pouvoir d'auto-inflammation à partir de 220°. Autrement dit, le gasoil s’enflamme tout seul, sans avoir besoin d'une étincelle ou d'un autre moyen de
" déclenchement ".
Le brouillard de gasoil injecté s'enflamme immédiatement et brule très rapidement : on parle de combustion spontanée.
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Sous les effets conjugués d'une forte pression de l'air à la fin de la compression, de l'ultra haute pression du gasoil à l'injection, et de la combustion spontanée et brutale du gasoil qui vient d'être injecté, une poussée énorme à la surface du piston va le repousser vers son point mort bas : c'est la détente.
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La détente :
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Le piston est chassé très violemment vers son point mort bas pendant toute la durée de la combustion du gasoil.
Les spécialistes ont parfois tendance à s'opposer à cette idée et pourtant, le piston est repoussé par un évènement tout à fait comparable à une explosion !
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La pression qui s'exerce sur le piston approche les 150 bars et la température monte entre 1800 et 2000° C.
L'ensemble piston-bielle va être alors repoussé violemment, c'est lui qui entraine le mouvement du vilebrequin c'est à cette étape que le moteur produit de l’énergie.
En fonction de considérations chimiques théoriques, la combustion d'un gramme de gazole nécessite 14,4 gr d'air. Cependant, et malgré des techniques d'injections perfectionnées, les micro-gouttelettes de carburant ne peuvent être pulvérisées suffisamment finement : une gouttelette supposée sphérique de 9 microns de diamètre englobe plus de 70000 milliards de molécules !
On est donc contraint d'adopter une combustion sous un important excès d'air par rapport à la valeur théorique de 14.4 / 1, ceci afin d'obtenir une consommation, des contraintes thermiques et des émissions de fumée à l'échappement acceptables.
2.5 Temps n°4 : Echappement
Évacuation des gaz brûles vers le dispositif d'échappement :
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L'arbre à cames exerce une pression sur la soupape d'échappement. Celle-ci s'ouvre et libère la pression contenue à l'intérieure du cylindre.
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Au moment où le piston parvient à son point mort bas, l'ensemble piston-bielle est entrainé par le vilebrequin à remonter vers le point mort haut.
Les gaz brûlés issus du la combustion du mélange air-gasoil sont poussés à l'extérieur du cylindre vers le dispositif dit d'échappement.
Les gaz issus de la combustion du gasoil sont évacués vers le pot d’échappement à une température de 450 à 600°C.
2.6 Reprise du cycle
Reprise du cycle :
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A la fin du 4ème temps, lorsque l'ensemble piston/bielle arrive au point mort haut, l'arbre à cames relâche son action sur la soupape d'échappement qui se referme aussitôt.
Immédiatement, l'arbre à cames exerce une pression sur la soupape d'admission qui s'ouvre.
De l'air peut entrer dans le cylindre. L' ensemble piston/bielle est alors tiré vers le bas du cylindre par le vilebrequin. Dans son mouvement descendant, l'ensemble piston-bielle crée un aspiration : le cylindre se remplit à nouveau d'air : c'est une nouvelle étape d'admission qui commence...
​Le tableau de bord de cette voiture indique qu'elle circule à une vitesse de 90 km/h. Le compte-tours indique une vitesse de rotation du vilebrequin d'environ 2 x 1000 tr/mn = 2000 tours ( rotations ) en 1 minute.
Nous venons de voir que le vilebrequin effectue 2 rotations pour réaliser un cycle moteur à 4 temps :
- 1er tour de vilebrequin = admission et compression
- 2ème tour de vilebrequin = détente et échappement
Donc à 90 km/h, le moteur de cette voiture produit environ 1000 cycles moteur à 4 temps par minute soit entre 33 et 34 cycles à la seconde !
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Lorsque le moteur d'une voiture tourne au " ralenti ", le compte-tours indique déjà une vitesse de rotation proche de 1000 tr/mn soit 1000 rotations du vilebrequin toutes les 60 secondes. Au " ralenti moteur", on compte déjà près de 500 cycles 4 temps par 1 minute ( une "explosion" du mélange air/carburant toutes les 0.12 secondes ).
L'ensemble des composants du moteur sont des pièces très sollicitées et, impérativement, une parfaite coordination des mouvements de l'ensemble de ces composants est nécessaire ( exemple : la distribution est en charge de l'ouverture des soupapes en coordination avec le mouvement du vilebrequin et donc de l'ensemble bielle /piston ... )
Vidéo : Les 4 temps d'un moteur Diesel
3 - Comparaison du fonctionnement moteur Diesel / moteur essence :
L’une des principales différences entre l’essence et le diesel réside dans leur composition. Si ces deux carburants sont tous deux d’origine fossile, leur composition chimique les distingue toutefois l’un de l’autre :
• L’essence se compose d’un mélange d’hydrocarbures légers constitués entre 5 et 11 atomes de carbone ;
• Le diesel se constitue d’hydrocarbures plus lourds constitués entre 12 et 25 atomes de carbone.
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Un type de moteur pour un type de carburant
L’essence et le diesel se différencient également lors de l’étape de combustion du mélange air/carburant du cycle moteur, mais aussi sur leur façon de brûler et donc, de produire de l’énergie. Ainsi, chaque carburant ne peut être utilisé que dans un type de moteur en particulier :
• L’essence : le mélange air/carburant est enflammé par bougie d’allumage ;
• Le diesel est à utiliser dans les moteurs où la compression de l’air est très élevée. Le taux de compression génère alors de hautes températures, ce qui suffit à l’auto-allumage du carburant. Il n’y a donc pas de bougie d’allumage dans un moteur diesel.
Dans les deux cas, les gaz brûlés sont chassés vers la soupape d’échappement par la remontée des pistons du moteur.
Essence et diesel : des performances en fonction de l’usage
Le rendement d’un moteur Diesel est meilleur que celui du moteur essence. Au niveau de la consommation de carburant, le diesel est donc généralement plus économe. Par ailleurs, le moteur essence est recommandé pour tous ceux qui roulent peu et de préférence en ville. Le moteur est plus adapté dans cet usage car il n’a pas besoin d’autant de temps que le moteur diesel pour monter en température.
Un impact environnemental différent
Qu’un véhicule roule à l’essence ou au diesel, il émet des polluants : les gaz carboniques (CO), les oxydes d’azote (NOx) et les particules fines. Les constructeurs œuvrent pour réduire ces émissions en équipant les véhicules de systèmes de post traitement très efficaces (efficacité supérieure à 90%).
DIESEL
ESSENCE
Admission sur un moteur diesel =
remplissage du cylindre en air uniquement
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ADMISSION
Admission sur un moteur essence =
remplissage du cylindre en air et en carburant.
​
L’air et l'essence sont admis au même moment.
Sur les anciennes voitures, le mélange air / essence était préparé à l'avance dans un carburateur.
Aujourd'hui l'essence est injecté pendant que l'air est aspiré dans le cylindre ( comme pour le moteur diesel )
DIESEL
ESSENCE
COMPRESSION
Compression sur un moteur diesel =
compression de l' air uniquement
Rapport de compression de 15/1 à 23/1
Pression : 30 à 40 bars
L’air s’échauffe jusqu’à environ 600°
Compression sur un moteur essence =
compression du mélange air / carburant.
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Rapport de compression de 8/1 à 10/1
Pression : 10 à 20 bars
Le mélange gazeux s’échauffe jusqu’à environ 380°
DIESEL
ESSENCE
Fin de la compression sur un moteur diesel =
Injection du carburant
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Fin de la compression sur un moteur essence =
La bougie d'allumage produit une étincelle
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​
DIESEL
ESSENCE
EXPLOSION / DÉTENTE
Temps " moteur " sur un moteur diesel =
Combustion spontanée du mélange air / gasoil et détente de l'ensemble piston / bielle
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Température : 1800 à 2000°
Pression sur le piston : de 80 à + de120 bars
Temps "moteur" sur un moteur essence =
explosion du mélange air / essence sous l'effet de l'étincelle et détente de l'ensemble piston / bielle
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Température : 2000 à 2500°
Pression sur le piston : de 30 à 60 bars
DIESEL
ESSENCE
ÉCHAPPEMENT
Échappement sur un moteur diesel =
évacuation des gaz brûlés vers le dispositif d'échappement
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Échappement sur un moteur essence =
évacuation des gaz brûlés vers le dispositif d'échappement
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4 - Particularité des moteurs avec plusieurs cylindres :
Détermination d'un ordre d'allumage :
Sur les moteurs multi-cylindres ( 3, 4 ou 6 cylindres... ), pour que le vilebrequin reçoive en permanence de l’énergie mécanique, les cylindres vont fonctionner en décalage ( ex : ils ne font pas tous leur admission en même temps )
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On ne va pas « mettre en route » les 4 ou 6 cylindres en même temps, Ils vont respecter un ordre d’allumage chronologique.
Ordre d’allumage chronologique d’un moteur 4 cylindres est « 1-3-4-2 »,
L’ ordre d’allumage sur les moteurs à 6 cylindres est 1-5-3-6-2-4.
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Le principe de décaler l’ordre d’allumage des différents cylindres est commun à toutes les architectures de moteurs à plusieurs cylindres
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Ordre d’allumage chronologique d’un moteur 4 cylindres est « 1-3-4-2 »,
Lorsque le cylindre n°1 sera à son 4ème temps ( échappement ), le cylindre n°3, avec son léger décalage sera à son 3ème temps ( combustion/détente), le cylindre n°4, lui, ne sera à son 2ème temps (compression) quant au cylindre n°2, il ne sera qu’au commencement de son 1er temps ( admission )…
Vidéo : Le moteur 4 cylindres en ligne
Vidéo : Le moteur V6 3.2l AUDI
5 - Maintenance sur moteur Diesel :
5.1 la page du conducteur
Rôles du conducteur :
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​- Démarrage : ne pas emballer le moteur froid car il ,’est pas encore correctement lubrifié,
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- Utilisation : Il faut respecter les plages d’utilisation du compte tour (régimes moteur), ne jamais pénétrer dans la zone rouge et utiliser en général la plage verte,
- Arrêt : Laisser tourner quelques secondes le moteur sans accélérer avant de couper l’injection ( en particulier si le moteur est équipé d'un turbo )
5.2 Maintenance qui incombe au conducteur
Tout conducteur doit être capable de réaliser des opérations de maintenance simples visant à contrôler et/ou entretenir les éléments du moteur,
Pour un bon fonctionnement du moteur : vérifier les niveaux d’huile et de liquide de refroidissement
Si besoin, mettre un complément avec une huile adaptée ( ex : huile 5W30 pour moteur diesel )
Vérification du niveau de liquide de refroidissement et si besoin, faire le complément, mais exclusivement avec un moteur « froid » !
Vérification de l’absence de fuites ( tâches ) sous le moteur.
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Pendant la conduite, être vigilent aux indications du tableau de bord : aux voyants d’alerte, aux manomètres de pression d’huile et de température moteur…
Pendant la conduite, être vigilent aux fumées opaques ou colorées ainsi qu’aux bruits anormaux…
Présence d'huile Mauvaise combustion Présence d'eau
dans les cylindres ? du gasoil ? dans les cylindres ?
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Avec l’aide du carnet d’entretien et de la notice du véhicule, le conducteur veille au respect de la périodicité des contrôles et entretiens.
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