Le moteur diesel vu par la physique : énergie, rendement et refroidissement

Une situation de chantier

Au déchaumage, un tracteur de 100 kW consomme 25 litres de GNR par heure à pleine charge. Le stagiaire demande où passe tout ce carburant : un plein de 300 litres dure une journée, et pourtant le tracteur ne fait que tirer un outil. La réponse tient dans trois notions de physique : l'énergie contenue dans le carburant, le rendement de la machine thermique qui la transforme en travail, et les échanges thermiques qui évacuent tout ce qui n'est pas devenu travail. La leçon sur le moteur diesel a décrit les organes ; celle-ci explique les bilans d'énergie. Elle sert aussi à comprendre pourquoi un radiateur bouché fait perdre de la puissance, et pourquoi on ne dévisse jamais un bouchon de vase d'expansion à chaud.

Le cycle diesel quatre temps

Un cycle complet prend deux tours de vilebrequin. Admission : le piston descend, l'air entre (poussé par le turbo sur presque tous les moteurs actuels). Compression : les soupapes fermées, le piston remonte et comprime l'air dans un rapport de 16 à 18 pour 1 ; la température monte à 600 ou 700 °C, sans bougie. Combustion-détente : le gazole est injecté à plus de 1 500 bar, s'enflamme spontanément dans l'air chaud, et la pression, jusqu'à 150 à 200 bar, repousse le piston : c'est le seul temps moteur. Échappement : le piston remonte et chasse les gaz brûlés. Un moteur à 2 000 tr/min réalise donc 1 000 cycles par minute et par cylindre. À chaque cycle, une part de l'énergie du carburant devient travail sur le vilebrequin ; le reste devient chaleur.

L'énergie du carburant

Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) mesure l'énergie libérée par la combustion complète d'un kilogramme de carburant. Pour le gazole non routier, il vaut environ 42,5 MJ/kg. Comme sa masse volumique est de 0,84 kg/L, un litre contient 42,5 × 0,84 ≈ 36 MJ, soit 10 kWh. La puissance apportée par le carburant se calcule ainsi : P carburant = débit de carburant × PCI. Pour notre tracteur : 25 L/h × 36 MJ/L = 900 MJ/h. Une heure fait 3 600 s, donc 900 000 000 J / 3 600 s = 250 000 W = 250 kW. Le moteur reçoit 250 kW d'énergie chimique et en rend 100 kW à la prise de force et aux roues. La différence, 150 kW, n'a pas disparu : elle est partie en chaleur.

Le rendement d'une machine thermique

Le rendement est le rapport entre ce que l'on obtient et ce que l'on paie : η = P utile / P carburant. Ici η = 100 / 250 = 0,40, soit 40 %. C'est une bonne valeur pour un diesel : les meilleurs moteurs agricoles atteignent 42 à 45 % au régime de couple maximal, et bien moins au ralenti ou à faible charge. Les constructeurs expriment la même chose par la consommation spécifique en grammes par kilowattheure : 25 L/h × 0,84 kg/L = 21 kg/h pour 100 kW, soit 210 g/kWh. Les 60 % perdus se répartissent à peu près ainsi : 30 % dans les gaz d'échappement, 25 % dans le circuit de refroidissement, 5 % en frottements. Aucun moteur thermique ne peut approcher 100 % : le second principe de la thermodynamique impose de rejeter de la chaleur vers une source froide.

Les trois modes de transfert thermique

La chaleur passe de trois façons. Par conduction, à travers un solide : la culasse conduit la chaleur des gaz vers le liquide, un joint de culasse qui isole mal crée un point chaud. Par convection, par un fluide en mouvement : le liquide de refroidissement emporte la chaleur vers le radiateur, l'air poussé par le ventilateur l'emporte hors du radiateur. Par rayonnement, sans support : un collecteur d'échappement rouge sombre rayonne vers tout ce qui l'entoure, d'où les écrans thermiques. L'échangeur air-air du turbo (intercooler) est un bel exemple : l'air comprimé sort du turbo à 150 °C ; refroidi à 50 °C, il est plus dense, donc plus d'oxygène entre dans le cylindre, et l'on peut injecter plus de carburant sans fumer. Un intercooler encrassé de poussière de paille coûte de la puissance.

Le circuit de refroidissement en chiffres

La quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'une masse m d'un corps de capacité thermique massique c est Q = m × c × ΔT, en joules. Pour l'eau, c = 4 180 J/(kg·K) ; pour un mélange eau-glycol à 50 %, environ 3 600 J/(kg·K). Notre moteur envoie 25 % de 250 kW, soit 62,5 kW, dans le liquide. Si le liquide sort du moteur 8 °C plus chaud qu'il n'y entre, le débit nécessaire est m = P / (c × ΔT) = 62 500 / (3 600 × 8) ≈ 2,2 kg/s, environ 125 L/min. C'est ce que fournit la pompe à eau. Le thermostat s'ouvre vers 85 °C et le circuit est pressurisé à 1 bar environ : l'eau y bout au-dessus de 110 °C au lieu de 100. C'est pour cela qu'ouvrir un bouchon à chaud projette de la vapeur brûlante.

Ce que le refroidissement dit du moteur

Un moteur qui chauffe n'a pas forcément un radiateur bouché. Comme la chaleur rejetée est proportionnelle à la puissance demandée, un outil trop lourd, un ventilateur qui patine, un thermostat bloqué fermé, un mélange trop pauvre en glycol ou un radiateur masqué par des balles de paille donnent le même symptôme. L'ordre de vérification suit la physique : d'abord la source froide (radiateur propre, ventilateur, courroie), ensuite le vecteur (niveau, pompe, thermostat), enfin la source chaude (surcharge, injection). Sécurité : ne jamais ouvrir un bouchon de circuit pressurisé au-dessus de 50 °C ; laisser tourner au ralenti deux minutes avant d'arrêter un moteur turbo à chaud, sinon l'huile cuit dans les paliers du turbo.

Pour aller plus loin