Le moteur diesel doit son nom à l’ingénieur allemand Rudolf Diesel qui le mit au point à la fin du XIXème siècle. Il est le fruit d’une lente maturation, les premiers brevets sur l’autoallumage ayant été déposés au début du XIXème siècle. Mécaniquement, le moteur diesel utilise le même assemblage de pistons, chemises, bielles et vilebrequin que le moteur à essence classique. Le moteur diesel fonctionne avec du gazole, un dérivé du pétrole composé de 75% d’alcanes (n entre 10 et 16) et de paraffines (n entre 18 et 32) et de 25% d’hydrocarbures aromatiques.

Nota : le symbole n représente le nombre d’atomes de carbone de l’alcane.

Le cycle de fonctionnement du moteur diesel est le suivant :

• admission de l’air dans le cylindre mis en dépression par la remontée du piston (soupape ouverte),
• compression de l’air qui s’échauffe lorsque le piston redescend, entraîné par le vilebrequin (soupape fermée),
• injection du carburant sous forme de fines gouttelettes dans l’air comprimé et chaud,
• combustion quasi immédiate par autoallumage,
• le piston repoussé par les gaz chauds transmet une partie de son énergie à l’arbre,
• échappement des gaz brûlés par la soupape lors de la remontée du piston.

L’auto inflammation du mélange résulte principalement du taux de compression élevé (entre 14:1 et 20:1) et du type de carburant utilisé. Pour mémoire, le taux de compression d’un moteur à essence est plus faible et l’allumage est réalisé par une étincelle produite par des bougies (ou par un boîtier d’allumage électronique sur les moteurs récents). L’essence quant à elle contient un forte proportion d’iso-octane C₈H₁₈.

Du fait de son taux de compression plus élevé, le moteur diesel a un meilleur rendement que le moteur à essence et produit moins de CO₂ (10% de moins environ). Prenons par exemple l’hexadécane, la réaction de combustion théorique est la suivante :

Elle dégage 9951 kJ par mole d’hexadécane. En pratique et dans les conditions stœchiométriques la combustion de 1 g d’hexadécane demande 14,96 g d’air (soit 3,46 g de O₂) et dégage 3,12 g de dioxyde de carbone CO₂, 11,3 g de diazote (N₂, présent naturellement dans l’air) et 1,35 g de vapeur d’eau.

Oxydes d’azote

Malheureusement, en raison de la forte pression et de la température dans le cylindre, l’azote se combine à l’oxygène et produit des oxydes d’azote NOx (beaucoup plus que le moteur à essence). Par ailleurs, certains noyaux de carbone libérés par la combustion se combinent pour former des particules à base d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ou des aldéhydes. Les particules qui se forment à l’échappement sont chargées en métaux provenant de l’usure du moteur, des additifs ou des lubrifiants. La nocivité du cocktail émis par les moteurs diesel (CO, CO₂, NOx, hydrocarbures non brûlés et autres composés organiques volatils COV, HAP, particules…) ne fait plus aucun doute et a conduit à un durcissement très net de la réglementation à ce sujet. Cette nocivité avérée pourrait conduire à une interdiction progressive du moteur diesel.

Comment se débarrasser des NOx ?

Les motoristes ont travaillé dans plusieurs directions pour réduire les émissions de NOx. La première consiste à travailler sur la combustion, et en particulier sur l’injection, avec un effet réel mais limité. Une autre voie très active s’attaque aux gaz d’échappement. Renault par exemple a investi sur un système appelé Nox-trap. Qui a pour objectif de piéger les molécules d’oxyde. Les gaz d’échappement commencent par circuler dans le pot sur un catalyseur à base de platine qui transforme le monoxyde d’azote en dioxyde d’azote. Le dioxyde d’azote réagit ensuite sur de l’oxyde de baryum pour faire du nitrate de baryum Ba(NO₃)₂ qui reste piégé dans un dispositif spécifique. Le système doit être purgé régulièrement pour régénérer l’oxyde de baryum. D’autres constructeurs, comme Peugeot, travaille sur des dispositifs de type SCR (selective catalytic reduction). Le principe de ces dispositifs consiste à réduire les oxydes d’azote pour produire du diazote et de l’eau. On utilise pour cela le plus souvent de l’urée H₂N-CO-NH₂ :

La réaction se produit à 950° sans catalyseur et à 300° avec catalyseur. D’autres dispositifs utilisent directement le pouvoir réducteur de l’ammoniac :

Ces dispositifs sont efficaces : 90% dans des conditions optimales pour le système SCR. Ce rendement descend à 70% dans les dispositifs existants. Le taux de réduction dépend en effet de la température du catalyseur et du mélange entre réducteur et oxydes d’azote. Ces dispositifs sont de plus très chers. En pratique, ils ne sont adaptés que pour des installations lourdes, des camions ou des véhicules de haut de gamme.