Nous savons tous qu’un moteur diesel est plus économique qu’un moteur essence. Mais les raisons de cette économie sont moins connues. Nous allons aujourd’hui nous pencher sur cette question, en commençant par la théorie : qu’est-ce que le facteur d’efficacité et pourquoi peut-il varier ?
Idéal et réel
La première chose qui vient à l’esprit lorsqu’on aborde la question du rendement est généralement évidente et juste : le diesel a un meilleur rendement, donc il est plus économique. C’est un fait. Mais les difficultés commencent ensuite, car tout le monde ne sait pas expliquer ce rendement supérieur. Ce qui n’est pas surprenant, car il s’agit d’une question complexe, difficile à appréhender sans maîtriser les bases de la thermodynamique et la théorie des moteurs à combustion interne. Nous éviterons de nous perdre dans les méandres de la théorie de la compression isentropique et des apports de chaleur isochores et isobares, mais il est important de retenir les points essentiels.
Le moteur à combustion interne est un moteur thermique ; son rendement est donc généralement défini comme le rendement thermique, c’est-à-dire le rapport entre le travail fourni par le cycle et la quantité de chaleur transmise au fluide de travail. Cependant, pour une évaluation plus complète du rendement des moteurs, d’autres rendements sont également utilisés : le rendement interne relatif, le rendement indicateur, le rendement mécanique et le rendement effectif. Ensemble, ils permettent de mieux comprendre la différence de rendement entre les moteurs diesel et essence. Ce dernier, le rendement effectif, est particulièrement important, mais nous commencerons par les bases : le rendement thermique.
La formule de calcul du rendement thermique est simple : le travail du cycle divisé par la quantité de chaleur fournie au fluide de travail. Autrement dit, le rendement est d’autant plus élevé que le travail effectué par unité de chaleur consommée est important. Bien entendu, la chaleur est prélevée sur le carburant en combustion ; les paramètres de la combustion sont donc primordiaux : il est nécessaire qu’un maximum de chaleur soit dégagée à chaque cycle. Pour cela, la vitesse et la complétude de la combustion du carburant sont essentielles. L’essence et le gazole brûlent différemment. Dans les moteurs à essence, la combustion débute par un mélange préalable avec le front de flamme. Ainsi, un mélange air-carburant homogène s’enflamme dès l’étincelle de la bougie, puis la flamme se propage dans toute la chambre de combustion. La combustion est rapide, mais dans un moteur en bon état de fonctionnement, elle n’atteint pas le cliquetis (ou du moins, elle ne devrait pas). Un autre type de combustion est caractéristique du gazole : la combustion par diffusion. Pendant qu’une partie du carburant brûle et que le volume des gaz se dilate, la combustion du reste du carburant commence. Les caractéristiques du gazole et de l’essence sont ici importantes : si le premier carburant doit être difficile à enflammer et avoir un point d’ébullition bas (pour réduire le risque de cliquetis), le second doit avoir un point d’ébullition plus élevé, mais être plus inflammable. En pratique, c’est le cas : le gazole a un point d’ébullition plus élevé que l’essence, mais il est aussi plus inflammable : sa température d’auto-inflammation est d’environ 265 °C, contre environ 280 °C pour l’essence. Bien entendu, tout cela n’est pertinent que dans un moteur, compte tenu des conditions qui se créent lors de la forte compression dans le cylindre et de l’enrichissement ou de l’appauvrissement du mélange air-carburant.
Rappelons que l’efficacité de la combustion dépend directement de deux paramètres : la complétude de la combustion et le taux de compression (une compression plus importante permet une meilleure restitution de l’énergie d’expansion des gaz). Théoriquement, un mélange air-carburant essence brûle plus complètement grâce à sa proximité avec la stœchiométrie, c’est-à-dire grâce à une quantité suffisante d’oxydant (l’oxygène), tandis qu’un moteur diesel fonctionne avec un mélange très pauvre. De plus, le mélange essence est enflammé par une bougie d’allumage après mélange, ce qui est essentiel pour une combustion à volume constant. Avec un moteur diesel, c’est exactement l’inverse : sa combustion par diffusion est plus lente car le gazole est injecté dans l’air comprimé en fin de course d’injection, et non sous forme de mélange prêt à l’emploi. Cette combustion plus lente implique qu’une part importante se produit pendant la descente du piston. On pourrait penser qu’un moteur à essence devrait avoir un meilleur rendement, mais non : le moteur diesel bénéficie d’un taux de compression presque deux fois supérieur, ce qui annule tous les avantages d’un moteur à essence en termes de vitesse de combustion d’un mélange plus homogène. Et cela est peut-être dû précisément à ce qui a été dit précédemment : dans le cylindre d’un moteur diesel, c’est l’air, et non le mélange, qui est comprimé, et le gazole est injecté en fin de course de compression. De ce fait, le rendement thermodynamique d’un moteur diesel est nettement supérieur à celui d’un moteur à essence. Mais ce n’est que la partie émergée de l’iceberg, et cela ne se vérifie que dans le cas d’un moteur idéal, dans un monde idéal.
Quelques coefficients supplémentaires
Parlons maintenant des autres indicateurs de rendement utilisés pour évaluer l’efficacité des moteurs. Le premier est le rendement interne relatif. Vous savez sans doute que des concepts tels que le gaz parfait ou le mélange stœchiométrique (c’est-à-dire, également idéal, contenant exactement la quantité d’oxygène nécessaire à la combustion complète du carburant) sont souvent utilisés dans les calculs thermodynamiques. En règle générale, ces calculs ne tiennent pas compte des fuites dans la chambre de combustion (ou plutôt, ils les négligent, les jugeant insignifiantes), ni des variations de l’évacuation de la chaleur dues, par exemple, à un moteur encrassé ou à des imperfections du système de refroidissement. Il est tout simplement impossible de tout prendre en compte ; c’est pourquoi on a adopté le concept de cycle thermodynamique idéal, qui se déroule dans un moteur à combustion interne idéal.
En réalité, le même rendement thermique évoqué précédemment est également calculé pour les moteurs essence et diesel idéaux, en se basant sur leurs processus thermodynamiques idéaux. Ainsi, le rendement interne relatif indique à quel point un moteur réel est proche de l’idéal. Plus précisément, il indique à quel point son cycle thermodynamique est proche du cycle idéal. Il est impossible d’établir ce rendement par le calcul (des essais sur des moteurs en fonctionnement sont nécessaires), mais il a été établi expérimentalement que le rendement interne relatif d’un moteur essence est de 0,4 à 0,7, et celui d’un moteur diesel de 0,6 à 0,8 (soit respectivement 40 à 70 % et 60 à 80 %). En d’autres termes, un moteur diesel est plus performant qu’un moteur essence : il est moins dépendant de facteurs difficiles à prendre en compte, ce qui le rend plus « idéal ».
Le rendement indiqué s’obtient en additionnant le rendement thermique et le rendement relatif. Ce paramètre décrit globalement la puissance produite par un moteur réel par unité de chaleur spécifique de combustion de son carburant. Or, comme nous l’avons déjà établi, ces deux rendements sont supérieurs pour un moteur diesel ; leur somme sera donc supérieure à celle d’un moteur à essence.
Mais le rendement mécanique, qui tient compte de la perte de puissance pour surmonter les forces de frottement dans le moteur et des coûts d’entraînement des accessoires, est à peu près le même pour les moteurs diesel et essence – environ 0,8 (ou 80 %).
Enfin, nous arrivons au rendement effectif (ou rendement économique). Ce paramètre prend en compte tous les rendements précédents et reflète le rapport entre la puissance utile et la puissance thermique du carburant. De manière simplifiée, il peut être représenté comme le produit du rendement effectif et du rendement mécanique. C’est cette valeur qui est généralement citée comme indicateur de rendement classique des moteurs à combustion interne. Bien sûr, ces rendements varient d’un moteur à l’autre, mais en moyenne, pour un moteur à essence, ce rendement est de 0,30 (soit 30 %), et pour un moteur diesel, de 0,45 (45 %). On peut donc affirmer qu’un moteur diesel sera toujours 10 à 15 % plus économique qu’un moteur à essence : de cette valeur, il produit plus de puissance par unité de carburant brûlé, en théorie comme en pratique. Cependant, cette affirmation n’est pas une vérité absolue.
Pas seulement Otto
La technologie évolue constamment et, curieusement, la physique des moteurs aussi. Tout ce que nous avons évoqué précédemment concernant les moteurs à essence ne s’applique qu’à ceux fonctionnant selon le cycle d’Otto. Or, de nombreux moteurs modernes fonctionnent au ralenti ou à faible charge selon le cycle de Miller, et dans certains autres modes, selon le cycle d’Atkinson. Pourquoi ?
La raison est simple : dans leur quête d’un moteur aussi efficace et respectueux de l’environnement que possible, les ingénieurs ont constaté qu’à vide, le rendement des moteurs essence volumétriques devenait inacceptable. Leurs pertes par étranglement, c’est-à-dire les pertes qui se produisent lorsque l’air entre à une ouverture minimale du papillon, augmentent rapidement. Dans ces conditions, la turbulence devient anormalement élevée et le frottement de l’air excessif. Les moteurs diesel, dépourvus de papillon des gaz, ne rencontrent pas ce problème, mais il fallait trouver une solution pour les moteurs essence. De plus, plus la cylindrée est importante, plus les pertes par étranglement sont élevées. La solution idéale consistait donc à réduire la cylindrée sans diminuer la puissance. Comment ? En utilisant un compresseur, capable non seulement d’augmenter le taux de compression effectif, mais aussi de minimiser les pertes par étranglement en réduisant la cylindrée. Ainsi, le rendement augmente de 15 à 20 % (et la puissance jusqu’à 30 %) avec une cylindrée réduite et une plage de régimes et de charges plus étendue. Mais on peut aller encore plus loin.
Si, dans le cycle d’Otto, les quatre temps durent la même durée, alors, dans le cycle de Miller, la soupape d’admission reste ouverte un certain temps au moment de la compression. Dans ce cas, le remplissage des cylindres est moins bon et la puissance diminue, mais à vide, cela n’est pas critique et le rendement thermique augmente immédiatement de 5 à 7 %. Le cycle d’Atkinson a une signification physique similaire, bien que sa mise en œuvre soit différente et plus complexe. Il peut néanmoins permettre un gain de rendement de l’ordre de 10 %. Dans ce contexte, l’utilisation de deux bougies d’allumage par cylindre, comme chez Mercedes par exemple, ou de bougies multicontacts pour une combustion optimale du mélange air-carburant, paraît presque anodine. C’est pourquoi on parle aujourd’hui parfois d’un rendement de moteur à essence atteignant des niveaux exceptionnels de 45 % voire 50 %.
Cependant, cela ressemble fort à un argument marketing : dans certains modes de fonctionnement, le rendement peut effectivement augmenter sensiblement, mais en conditions de forte puissance, un moteur à essence fonctionne toujours selon le cycle d’Otto, et son rendement, au moment le plus critique pour le conducteur, ne progresse en rien et ne dépasse pas 35 % au mieux. De plus, les moteurs à essence actuels utilisent des systèmes d’injection directe stratifiée extrêmement sophistiqués, dans lesquels les injecteurs répartissent le carburant avec une grande précision dans la chambre de combustion, contribuant ainsi à obtenir un mélange air-carburant des plus homogènes. On trouve également l’injection directe séparée, qui prévoit une ou plusieurs injections d’un mélange pauvre à l’admission et une injection d’un mélange enrichi à la compression, ainsi que des systèmes de distribution variable, des systèmes de levée de soupapes variable et d’autres perfectionnements techniques. Tout cela dans le but d’accroître le rendement qui, malgré tous ces efforts, reste bien inférieur à celui des moteurs diesel.
Cependant, les moteurs diesel ne sont pas en reste : il est désormais impossible de les imaginer sans suralimentation, et les systèmes d’injection permettant un réglage quasi parfait gagnent en précision et en complexité. Pourtant, il est fort probable que les moteurs Otto ne pourront jamais égaler les moteurs Diesel en termes d’efficacité. Mais avec l’implication d’Atkinson et de Miller, une solution aurait sans doute été possible. Sans les impératifs écologiques qui nous incitent à privilégier les batteries et les moteurs électriques au détriment des moteurs à combustion interne classiques. Néanmoins, tout porte à croire que l’ère des moteurs à combustion interne n’est pas révolue et que la course à l’efficacité se poursuivra dans un avenir proche et lointain. Nous continuerons à suivre cette évolution avec grand intérêt.
En résumé
La réponse à la question posée dans le titre figure déjà dans le texte, mais nous la reformulerons brièvement et simplement. Grâce à un taux de compression plus élevé et à la spécificité de la combustion du carburant, un moteur diesel consomme moins de carburant pour produire le même travail, du fait de son meilleur rendement. Il sera donc toujours plus économique qu’un moteur à essence de même cylindrée.