Le moteur TDI - Pierrick Calvet
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Le moteur TDI - Pierrick Calvet
Calvet Pierrick Labella Florent Département GE&II 2 G1 Le moteur Turbo Diesel à Injection Directe Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe Sommaire Introduction ................................................................................................................................... 1 Partie I : Techniques du moteur Diesel 1.1 Fonctionnement du moteur Diesel .................................................................................... 2 1.2 Systèmes d'injection 1.2.1 Injection directe ....................................................................................................... 4 1.2.2 Common Rail .......................................................................................................... 4 1.2.3 Injecteurs pompes .................................................................................................... 5 1.3 Fonctionnement du Turbocompresseur ............................................................................. 6 1.4 Évolution du moteur en lui même ..................................................................................... 6 Partie II : Une technologie au service du client 2.1 Avantages .......................................................................................................................... 7 2.2 Inconvénients résiduels ..................................................................................................... 8 2.3 Pollution ............................................................................................................................ 8 2.4 Modèle de chaque constructeur ......................................................................................... 9 2.5 Projet industriel risqué ..................................................................................................... 10 2.6 Évolution des mentalités .................................................................................................. 10 Conclusion .................................................................................................................................... 11 Bibliographie ............................................................................................................................... 12 Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe Cela fait quelques années déjà que l'on entend parler du moteur Turbo Diesel à Injection Directe (TDI) dans la presse ou dans les émissions de télévision. Nous avons donc voulu voir l'évolution entre le modèle inventé par Rudolf Diesel en 1893 et le moteur actuel. L'étude a donc été faite sur deux grands axes principaux : L'aspect technique où nous détaillerons le fonctionnement du moteur TDI et l'aspect commercial où nous aborderons ce qui intéresse plus particulièrement le grand public. Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 1/12 PARTIE I Techniques du Moteur Diesel Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe Partie I : Techniques du moteur Diesel 1.1 Fonctionnement du moteur Diesel Tous les moteurs thermiques fonctionnent sur le même principe : l'explosion d'un mélange inflammable et c'est pourquoi on parle aussi de moteur à explosion. La maîtrise de cette explosion permet de mettre en mouvement des pièces mécaniques, qui au final, mettent en rotation un axe. La différence majeure entre un moteur diesel et un moteur essence réside dans le principe d'auto-allumage. En effet, le diesel nommé aussi gasoil, s'enflamme spontanément lorsqu'il est injecté dans de l'air surchauffé (environ 800°C), dû à la forte compression, à la différence du moteur à essence, appelé aussi moteur à allumage commandé, dont le mélange air/essence doit être enflammé par une bougie d'allumage. Le fonctionnement du moteur se décompose en 4 temps : 1 L'Admission : La soupape d'échappement se ferme,celle d'admission s'ouvre et l'air est introduit dans la chambre de combustion, soit par la dépression que crée le piston en descendant, soit par insufflation dans le cas d'un moteur équipé d'un Turbo-Compresseur. Dès que le piston est descendu jusqu'en bas, la soupape d'admission se ferme. 2 Compression : Le piston remonte, l'air se comprime et sa température augmente. De plus, en se comprimant et grâce à la forme du piston et de la chambre de combustion, l'air aspiré est animé d'un mouvement tourbillonnaire. C'est ces turbulences qui vont mélanger les particules de gasoil quasi-uniformément dans toute la chambre de combustion et ainsi produire une bonne combustion du mélange. Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 2/12 Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe 3 Explosion : Le piston arrive en bout de course, la pression et la température sont au maximum : Le gasoil est injecté dans la chambre de combustion par différents procédés et s'enflamme spontanément. La combustion dilate les gaz dans la chambre de combustion et le piston redescend : c'est la phase de "détente" des gaz brûlés et c'est durant cette même phase que le moteur fournit un travail. La transformation de l'énergie est dite isobare c'est à dire que la pression reste constante. 4 Échappement : Le piston descend en bout de course inférieur puis dès le début de la remonté, les soupapes d'échappements s'ouvrent et les gaz brûlés sont expulsés de la chambre de combustion durant toute la remontée. Le piston termine sa course et le cycle recommence. Remarque : Le moteur est dit actif durant les étapes de la compression et de l'explosion c'est à dire qu'il fournit un travail alors que les étapes d'admission et d'échappement sont des étapes passives. Le diagramme ci-dessous représente le cycle imaginé par Rudolph Diesel et qui représente la pression dans la chambre de combustion en fonction du volume de celle-ci. 1 : Aspiration de l'air ⇒ Transformation isobare (pression constante) 2 : Compression de l'air élevé à la température de 800°C ⇒ Transformation adiabatique (sans échange de chaleur avec le milieu extérieur) 3 : Injection du gazole qui s'enflamme spontanément (combustion) grâce à la chaleur dégagée lors de la compression ⇒ Transformation isobare 4 : Détente fournissant un travail moteur ⇒ Transformation adiabatique 5 : Diminution de la pression ⇒ Transformation isochore (volume constant) 6 : Échappement des gaz brûlés ⇒ Transformation isobare On peut voir sur les courbes ci-contre la différence entre le cycle théorique et le cycle réel. La zone orangée représente les phases où le moteur travail. Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 3/12 Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe 1.2 Systèmes d'injection 1.2.1 Injection Directe Pour que la combustion du mélange soit complète et qu'elle se fasse le plus rapidement possible, il faut que chaque particule de gasoil soit en contact avec l'air compressé de la chambre de combustion. Il faut pour cela injecter le gasoil avec une forte pression et dans de l'air en pleine turbulence. En effet, si on augmente la pression, la vitesse des particules de gasoil augmente et donc il se répartit plus vite dans l'ensemble de la chambre de combustion. De plus le mouvement rotatif de l'air accentue le brassage du mélange. Il existe diverses façons d'injecter le gasoil : • Par chambre d'accumulation • Par chambre de précombustion • Par insufflation ou préchambre à turbulences élevées • L'injection directe Les 3 premiers procédés ne permettaient pas une bonne combustion, d'où les célèbres volutes noires, et coûtent plus cher en raison de la forme de la culasse. L'injection directe fût inventée dans les années 1910-1911. L'injecteur est placé directement dans la chambre de combustion et injecte le gasoil avec une très forte pression. Ce système, associé à la forme de la chambre de combustion ainsi qu'à d'autres techniques comme le Common Rail et l'injecteur pompe, permet une pulvérisation très fine du carburant donc de produire une combustion plus complète et donc un meilleur rendement du moteur. La technique de l'Injection Pilote qui consiste à envoyer une infime quantité de carburant avant l'injection principale permet de produire une combustion plus progressive et donc de réduire le bruit et les vibrations générés par le moteur. 1.2.2 Common Rail Le système Common Rail à été élaboré par la société BOSCH. Sur le système Common Rail, une pompe à haute pression comprime le carburant et le refoule vers l'accumulateur de haute pression, la rampe ("Rail"). La quantité exactes de carburant est injectée dans les chambres de combustion par des injecteurs pilotés par des électrovalves. La pression est appliquée constamment sur les injecteurs et est mesurée en Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 4/12 Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe permanence par un capteur de pression. Le Common Rail est le seul système d'injection dans lequel la mise sous pression est indépendante de l'injection, de sorte que la pression d'injection peut être choisie en fonction de la cartographie moteur c'est à dire entre 250 bars et 1350 bars. Grâce à de nouvelles pompes haute pression et des modules de commande encore plus efficaces, la dernière génération de Common Rail rend les moteurs diesel encore plus économiques, plus propres, plus silencieux et plus puissants. 1.2.3 Injecteur Pompes On doit l'injecteur pompe au Docteur Karl Heinz Neumann, responsable de la division développement des organes mécaniques de Volkswagen. Comme pour le Common Rail, l'efficacité du système est basée sur la haute pression. L'injecteur pompe, comme son nom l'indique, assure à la fois les fonctions de pompe et d'injecteur. Plus besoin donc de pompe distributrice pour acheminer le carburant. La pression créée par l'injecteur pompe est de l'ordre de 2000 bars. L'élément pompe implanté sur le dessus de l'injecteur (voir schéma) est actionné par un culbuteur, lui même actionné par une came supplémentaire commandée par l'arbre à cames. Ce culbuteur agit sur un "plongeur" qui en descendant, compresse le carburant très fortement et ceci à une vitesse très rapide. Un ressort de "rappel" ramène le piston à sa position initiale. La pré-injection et l'injection principale sont pilotées par une électrovanne intégrée. Son ouverture quasi instantanée provoque la coupure nette de l'injection favorisant une combustion complète et propre. Enfin, l'alimentation du carburant de l'injecteur pompe s'effectue sans tuyauterie externe, directement au travers d'alésages usinés dans la culasse. Il est refoulé par une pompe mécanique basse pression montée sur la culasse. Comparaison de 2 moteurs 1.9L TDI (cf. données VW) : Injecteur Pompe Puissance : 115 ch Couple : Pompe distributrice 110 ch 28.5 daNm à 1900 tr/min 24 daNm à 1900 tr/min Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 5/12 Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe 1.3 Fonctionnement du Turbocompresseur Le Turbo ou Turbo Compresseur fait partie intégrante des nouveaux moteur diesel. Le principe du Turbo consiste à suralimenter le moteur en air afin d'en augmenter considérablement la puissance. Les premiers Turbo Compresseur étaient entraînés par le moteur mais ce système abaissait d'environ 7% le rendement du moteur. Voici le schéma d'un TurboCompresseur actuel : Les gaz d'échappement (en rouge) sont expulsés du cylindre avec une certaine force. Cette force est utilisée pour faire tourner la turbine (2) entraînant par l'intermédiaire de l'axe (5) la turbine (3) qui va propulser l'air frais dans le cylindre. Le problème de ce système est qu'il chauffe énormément : 800 °C et il tourne très vite : 110 000 tr/min. L'air en sortie du Turbo est chaud donc très dilaté ce qui produit l'effet inverse de celui souhaité. Pour y remédier on utilise souvent des échangeurs ( Intercooler ) afin de refroidir l'air entre le Turbo et le cylindre. Enfin, un régulateur de pression (6+7+8) régule l'arrivée des gaz d'échappement dans la turbine afin de contrôler la pression d'admission. En effet, plus la pression est grande et plus le moteur est puissant et a du couple mais plus les forces encaissées par le moteur sont importantes. 1.4 Évolution du moteur en lui même Afin de résister aux très fortes pressions qui s'exercent dans le moteur diesel, les pièces qui le constituent étaient auparavant très lourdes (le moteur en lui-même est en fonte). De plus le taux de frottement était aussi très important. Les constructeurs ont donc fait énormément de recherche afin de diminuer les frottements et le poids des pièces, surtout en ce qui concerne les pièces en mouvement comme les pistons et les bielles mais sans en réduire la résistance aux contraintes mécaniques. Notons par exemple Peugeot qui, sur son moteur HDI, à réduit le poids de son moteur de 12% ainsi que les frottements de 6%. Cette diminution de poids influe directement sur le rendement du moteur donc sur la puissance et la consommation ainsi que sur le bruit. Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 6/12 PARTIE II Une technologie au service du client Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe Partie II : Une technologie au service du client 2.1 Avantages Les avantages d'un tel moteur sont nombreux. En effet il reprend ceux d'un moteur diesel classique en les améliorant et en supprimant une bonne partie de ses inconvénients. • • • • • • • • Consommation réduite (environ 15% moins qu'un moteur essence). Prix du gazole inférieur au prix de l'essence. Robustesse du moteur accrue ce qui entraîne des entretiens mois rapprochés : entretiens tous les 5 à 10 000 Km pour un véhicule essence et 15 à 20 000 Km pour un véhicule diesel. Performances accrues et parfois supérieures aux véhicules essence. Prenons par exemple la dernière génération des Golf TDI : les chronos obtenus peuvent être annoncés fièrement. Ils rappellent les performances affichées par les GTI d'il y a quelques années. Plus d'agrément de conduite. Le couple est bien supérieur à celui d'un moteur essence. Le bruit et les vibrations générés par ce moteur sont inférieurs à ceux générés par les moteurs diesels classiques. Les émissions de particules et de CO2 sont réduites à la source et le filtre à particules équipant certains modèles haut de gamme les rendent quasi-nulles en sortie du pot d'échappement. Pour ce faire une idée, comparons deux moteurs de puissance équivalente équipant le dernier véhicule du constructeur Fiat, la Stilo : Puissance max. : Couple max. : Accélération (0 à 100 km/h) : 1.2 16V 1.9 JTD 80 ch 80 ch à 5000 tr/min 80 ch à 4000 tr/min 114 Nm à 4000 tr/min 196 Nm à 1500 tr/min 13,4 s 12,9 s * Urbaine : 7,9 7,0 * Extra Urbaine : 5,3 4,5 * Mixte : 6,3 5,4 Émission de CO2 : 152 g/km 144 g/km Prix : 13 500 € 15 400 € Consommations (litres/100 km) On remarque que pour une puissance équivalente, le 1.9 JTD dépasse en tous points le 1.2 16V sauf pour le prix. Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 7/12 Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe 2.2 Inconvénients résiduels Malgré toutes les dernières innovations, le moteur diesel comporte encore quelques inconvénients : • Temps de préchauffage : En effet le gazole doit toujours être préchauffé ce qui implique des démarrages à froid plus longs que pour un véhicule essence. • Le coût d'entretien d'un moteur diesel reste encore plus élevé que pour un moteur essence. En effet, bien que la fréquence des révisions soit moins importante, le prix des pièces d'un moteur diesel est supérieur à celui d'un moteur essence. • Un véhicule diesel coûte plus cher à l'achat, environ 10% de plus que son équivalent en essence. • Utilisé exclusivement pour des petits trajets, un petit moteur diesel s'use plus vite qu'un petit moteur à essence. • Enfin, bien que d'énormes progrès aient été fais sur la conception du moteur ainsi que sur le système d'injection, un moteur diesel de dernière génération est encore plus bruyant que son équivalent en essence. 2.3 Pollution Sous l'effet des normes imposées par l'Union européenne, les constructeurs ne cessent de réduire les émissions polluantes de leurs véhicules standards. Entre 1995 et 2001, la moyenne pondérée des émissions d'oxydes de carbone (CO2) des constructeurs européens est passée de 186 à 168 grammes par kilomètre (contre 275 grammes aux États-Unis). Les membres de l'ACEA (Association des Constructeurs Européens d'Automobiles) se sont engagés à atteindre, d'ici à 2008, une moyenne pondérée (c'est-à-dire prenant en compte la diffusion de chaque modèle de la gamme) de 140 grammes. Les constructeurs communiquent surtout sur la réduction des émissions d'oxydes de carbone, proportionnelles au niveau de consommation et agissant directement sur l'effet de serre. Moins souvent évoqués, les rejets d'oxydes d'azote (NOx) et de particules fines, émises surtout par les moteurs diesel, doivent également être pris en compte. Les normes Européennes : ces normes définissent des limites de pollution qui sont imposées aux constructeurs : ESSENCE DIESEL Normes CO HC NOx HC+NOx CO NOx HC+NOx Part. Euro I (93) 2.72 - - 0.97 2.72 - 0.97 0.140 Euro II (96) 2.20 - - 0.50 1.00 - 0.90 0.100 Euro III (2000) 2.30 0.20 0.15 - 0.64 0.50 0.56 0.050 Euro IV (2005) 1.00 0.10 0.08 - 0.50 0.25 0.30 0.025 Les diagrammes page suivante (documents PSA) font un comparatif entre les anciens moteurs essences et diesels et les nouveaux développés par PSA. Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 8/12 Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe • • • • • CO2 (Dioxyde de carbone) : Avantage DIESEL. Un moteur diesel en émet moins qu'un moteur essence, un moteur à injection directe en émet encore moins ! CO (Oxyde de carbone) : Avantage DIESEL. Net avantage du diesel sur l'essence, à cause de son mode de fonctionnement (meilleur rendement). HC (Hydrocarbures imbrûlés) : Avantage DIESEL. Net avantage du diesel sur l'essence à nouveau (même explication). Particules : Avantage ESSENCE. Net avantage de l'essence sur le diesel, toutefois, la nouvelle génération de moteur diesel améliore nettement la situation. NOx (Oxyde d'azote) : Avantage ESSENCE. Petit avantage des moteurs essence sur les moteurs diesel : il est difficile d'éliminer cette pollution à cause de la très haute température nécessaire pour le faire. 2.4 Modèle de chaque constructeur Chaque constructeur à développé son propre moteur bien qu'ils restent tous basés sur les mêmes principes. Voici un récapitulatif des nouveaux moteurs diesels montés sur des voitures pour particuliers : Constructeurs Appellations Particularités commerciales Cylindrées - puissances (ch DIN) Groupe Fiat JTD Common Rail 1.9L : 80 et 115 Ford TDCI Common Rail 1.4L : 60 - 1.8L : 75, 90 et 115 - 2.0L : 130 Opel DTI PSA HDI Renault DTI DCI - 1.7L : 75 - 2.0L : 100 - 2.2L : 125 Common Rail 1.4L : 70 - 2.0L : 90 et 110 - 1.5L : 60 - 1.9L : 80 Common Rail 1.5L : 80 - 1.9L : 120 - 2.2L : 150 Groupe Volkswagen Audi TDI Injecteur Pompes Saab TiD - 2.2L : 120 D4-D - 2.0L : 116 Toyota 1.2L : 60 - 1.4L : 75 - 1.9L : 100, 115, 130 et 150 Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 9/12 Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe 2.5 Un Projet industriel risqué La conception d'une nouvelle technologie et la mise en oeuvre de la production de ce nouveau moteur fut au départ un pari risqué. Bien que certaines techniques comme par exemple le TurboCompresseur étaient connues des constructeurs, la conception du moteur en lui-même à coûté énormément de temps et d'argent aux constructeurs. De plus, il a fallu créer de nouvelles chaînes de montages pour ce nouveau type de moteur. Prenons le cas de PSA qui a investi 3 années de recherche et de développement ainsi que 460 milles euros sur son moteur HDI. 2.6 Évolution des mentalités Le diesel n'a jamais eu bonne réputation. Synonyme de bruit, de fumées noires et de puissance faible, il avait l'avantage d'être plus résistant et plus économique. Pour beaucoup le diesel n'était réservé qu'aux poids lourds et aux voitures qui effectuaient beaucoup de route. L'arrivée du "nouveau diesel" va faire évoluer ces idées. Si on regarde les chiffres des ventes de voitures, on s'aperçoit que les véhicules diesels représentent 56.2 % des ventes en 2001 alors qu'ils ne représentaient que 49 % des ventes en 2000 et 1.8% en 1970. L'année 2001 fut historique car c'est la première fois en France que les ventes de véhicule diesel dépassent celles de véhicule essence. (Source CCFA : Comité des Constructeurs Français d'Automobile) Cette année, Jean Louis Schlesser a engagé sur le Dakar un Kangoo DCI. Il avait en effet décidé de prendre le volant d'un véhicule utilisant un carburant moins puissant que l'essence mais dont la moindre consommation lui permettait de transporter un réservoir plus léger. Il a malheureusement du abandonner, son véhicule ayant pris feu. La cause étant une fuite du système d'injection sur le collecteur d'échappement mais cela n'est pas du à la spécificité de son moteur diesel. Enfin, si l'on regarde le catalogue du constructeur Volkswagen, on peut noter que le moteur TDI est présent même dans les véhicules haut de gamme de la marque, ce qui était impensable voir même un blasphème pour certains il y a quelques années. Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 10/12 Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe Adopté très vite dans les domaines où le couple et la consommation étaient primordiales, le diesel fût longtemps resté à l'écart de l'automobile lui préférant l'essence. Son utilisation dans l'automobile était principalement limitée aux transports de marchandises et aux véhicules effectuant beaucoup de kilométrage. Le moteur Turbo Diesel à injection directe a fait s'imposer le moteur diesel au même rang que les moteurs essence. Ses débuts sont très prometteurs et espérons que cela continue encore. Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 11/12 Le Moteur Turbo Diesel à Injection Directe Bibliographie • • Documentations constructeurs : Fiat, Volkswagen, Peugeot, Renault. Le moteur Automobile - H.M.Cholet Sites Internet • Le moteur HDI : www.psa.fr/HDI/fhdisomm.html • Site très complet sur l'automobile : www.motorlegend.com • Nouvelle technologie Automobile : www.auto-innovations.com/fr/ • Site amateur mais très complet : cybermecanique.free.fr • Site officiel de Bosch : www.bosch.fr • Site de l'émission Turbo : www.turbo.fr • Site traitant du Turbocompresseur : www.tuningclub.ch • Caradisiac.com : www.caradisiac.com • Animation représentant le cycle diesel : www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/ gtulloue/Thermo/Machines/Diesel.html Pierrick Calvet et Labella Florent - G1 - 17 mai 2002 Page 12/12