Moteur Diesel

Premier moteur Diesel de 1897, au Deutsches Museum.

Si le brevet du moteur à combustion interne a été déposé dès 1807 par François Isaac de Rivaz[1], il faut attendre Étienne Lenoir en 1860 pour en voir apparaître la première véritable application. La machine, qui s'apparente un moteur à allumage commandé, fonctionne d'abord au gaz d'éclairage, ce qui impose de la relier aux canalisations de la ville. La découverte du pétrole dans les années 1850, et l'invention du carburateur par l'Autrichien Siegfried Marcus en 1865, poussent Lenoir à présenter à l'Exposition universelle de 1867 un moteur à essence, alors un sous-produit de la distillation du pétrole lampant[2]. Tandis que la technique se perfectionne, notamment par les premières applications que fait Nikolaus Otto du cycle de Beau de Rochas à partir de 1876[3], Rudolf Diesel cherche à la rendre plus simple, petite et accessible, permettant l'usage de n'importe quel carburant[4]. Le 27 février 1892[alpha 1], il dépose un brevet pour un moteur à charbon pulvérisé, dans lequel la combustion est déclenchée par la forte compression, et non par allumage commandé. Assisté du Français Frédéric Dyckhoff, et soutenu par le directeur de la fabrique de machines d'Augsbourg (future MAN[alpha 2]), il entreprend d'en construire les premiers prototypes à partir de 1894[5]^,[6]. Ils testent différents combustibles, entre produits du pétrole et gaz d'éclairage, puis aboutissent à un premier vrai résultat en 1897 : un moteur à injection pneumatique de combustible liquide, d'une cylindrée de 19,6 L, offrant 14,7 kW (20 ch) à 172 tr/min pour une consommation de 238 g/ch/h[7]^,[8].

En 1900, à l'occasion de son lancement commercial[9], l'invention décroche le Grand Prix de l'exposition universelle[5].

En raison de son poids dû aux renforcements qu'il impose à sa mécanique (culasse, pistons, vilebrequin), et de la complexité amenée par sa pompe d'injection pneumatique, le moteur Diesel se réserve alors aux engins lourds. Équipant d'abord des installations pour la plupart fixes, il intègre les chantiers navals russes de Ludvig Nobel au cours de l'hiver 1902/1903, puis les chantiers français en 1903 quand Adrien Bochet et Frédéric Dyckhoff équipent la péniche Le Petit Pierre sur le canal de la Marne au Rhin[10]. La marine nationale équipe en 1904 un premier sous-marin , l'Aigrette, doté d'un moteur Diesel de 140 ch de la Compagnie française des moteurs à gaz et des constructions mécaniques, puis la Royal Navy construit son premier exemplaire doté d'un moteur à boule chaude Hornsby-Akroyd de six cylindres de 500 ch l'année suivante sur le HMS A13^{[réf. souhaitée]}. La donne commence à changer en 1909, quand Prosper L'Orange, employé de Benz & Cie, invente l'injection mécanique, un système plus simple et léger que son homologue à air[11].

Après la Première Guerre mondiale, le Diesel se répand à tout le secteur maritime, et apparaît même sur des locomotives. L'industrie se penche alors sur l'automobile. Peugeot teste en 1921 un prototype entre Paris et Bordeaux. L'année suivante, Benz met sur le marché un deux cylindres pour tracteurs agricoles, puis c'est Daimler qui, en 1923, expose des camions à moteurs Diesel au Salon de Berlin, et effectue un trajet Berlin-Stuttgart-Berlin à bord d'un autre. Les optimisations apportées par Robert Bosch au cours des années qui suivent achèvent d'ouvrir les voies de la démocratisation[8]. Citroën commercialise en 1933 une Rosalie 11UD[12] de manière assez confidentielle, première voiture particulière de série équipée d'un moteur Diesel au monde, d'une cylindrée de 1 766 cm³[13]. Mercedes remporte en 1935 un contrat pour équiper une flotte de taxis allemands de moteurs Diesel. La marque sort l'année suivante un modèle pour le grand public, la 260 D, avant que Peugeot ne l'imite en 1938 avec sa 402.

Stoppé par la Seconde Guerre mondiale, le mouvement reprend en 1949 avec la Mercedes 170 D, puis en 1959 la Peugeot 403 D et son célèbre moteur Indenor, très appréciés des taxis parisiens[14]^,[15]. Le développement du réseau routier et l'essor du taxi dans les métropoles favorisent en effet l'expansion du Diesel, plus cher à l'achat mais dont le carburant désormais attitré, le gazole, a un coût moins élevé que l'essence[8]. L'allégement des taxes consécutif aux crises de 1973 et 1979[14], combiné à l'arrivée des premiers turbocompresseurs (la Mercedes 300 SD de 1977, réservée aux États-Unis, puis sa variante européenne 300 TD en 1979, sortie juste après la Peugeot 604 D), vient encore aider au déploiement de la technologie. Volkswagen présente une première compacte grand public à moteur Diesel, la Golf D, puis signe le retour de l'injection directe via sa filiale Audi, avec la 100, précurseur du TDI, en 1985 (technologie développée par FIAT pour son modèle Croma puis revendue à Volkswagen). Douze ans plus tard apparaît sur une Alfa Romeo 156 la première application de l'injection directe à rampe commune, développée par Magneti Marelli puis revendue à Bosch.

Le succès du Diesel en Europe (son image reste médiocre sur les marchés asiatiques et américains) commence à fléchir à l'entame du XXI^e siècle. Cette situation résulte de plusieurs facteurs simultanés : d'une part, la prise en compte de ses aspects polluants entache sa perception par le public, et engendre un durcissement des normes ; de l'autre, l'optimisation et la complexification des systèmes employés conduisent à des prix plus élevés, tout en augmentant les occurrences de pannes[15]. La proportion de motorisations Diesel dans les ventes de voitures neuves en France baisse d'année en année : 65 % au 1^er trimestre 2014 contre 69 % sur la même période de 2013, 73 % en 2012 et 77 % en 2008. La France reste cependant l'un des premiers pays européens préférant la motorisation Diesel, derrière le Luxembourg, l'Irlande et le Portugal, mais devant l'Espagne (66,3 %), et nettement au-dessus de la moyenne ouest-européenne (53,3 % en 2013)[16].

Diagramme pression-volume du cycle d'un moteur Diesel.

Comme le moteur thermique à essence, le moteur Diesel est constitué d'un ensemble vilebrequin - pistons coulissant dans des cylindres, reliés par des bielles[alpha 3]. L'ensemble est recouvert d'une culasse, où des soupapes, actionnées par un arbre à cames lui-même synchronisé au vilebrequin, ouvrent et ferment alternativement les chambres de combustion, reliées aux collecteurs d'admission et d'échappement. Dans les systèmes modernes à injection directe, de l'air est aspiré dans la chambre de combustion (le volume libéré par la descente du piston dans le cylindre). En remontant, le piston comprime et chauffe l'air admis précédemment. Autour du point mort haut, du gazole est à son tour injecté. Le mélange ainsi formé entre en combustion repoussant le piston en un temps moteur, puis les gaz brûlés sont évacués par la remontée du piston dans l'échappement.

Variante du cycle de Beau de Rochas[alpha 4], le cycle Diesel se décompose aussi en quatre temps :

1. admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la descente du piston ;
2. compression de l'air par remontée du piston, la soupape d'admission étant fermée ;
3. temps moteur : peu avant le point mort haut on introduit, par une injection, le carburant qui se mêle à l'air comprimé. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur : les gaz chauds repoussent le piston, libérant une partie de leur énergie. Celle-ci peut être mesurée par la courbe de puissance moteur ;
4. échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement, poussés par la remontée du piston.

La spécificité du Diesel tient à son auto-inflammation dans la chambre.

• Dans un moteur essence : On fait monter en pression un mélange gazeux air/carburant quasiment homogène (richesse autour de 14,7:1, c'est-à-dire un mélange stœchiométrique), puis on provoque son inflammation à l'aide d'une étincelle commandée : un front de flamme se répand à partir de ce point d'ignition, puis atteint progressivement tout le mélange. On évite précisément les situations d'auto-allumage, car elles provoquent un phénomène de cliquetis, et à terme des dégâts matériels qui peuvent être graves.
• Dans un moteur Diesel : On profite des propriétés du gazole en présence d'air pour rechercher cette auto-inflammation. On ajuste la proportion de carburant injecté à débit d'air entrant constant, et la compression elle-même qui fait monter le mélange en pression et en température. La combustion n'est en fait idéale qu'aux endroits de la chambre qui sont en présence des bonnes conditions, à la fois de concentration, de pression et de température. Pour compenser ce problème, on augmente la compression du mélange, notamment par un excès d'air admis[17]. Cette méthode permet de limiter l'émission de gaz imbrûlés, mais conduit à d'autres inconvénients, comme la formation d'oxydes d'azote (NOx) et le besoin d'avoir recours à des pièces beaucoup plus résistantes[18].

Afin de permettre l'auto-inflammation du mélange, l'air entrant est comprimé à hauteur de 20:1 (environ 35 bars), et sa température portée de 600 à 1 500 °C environ. Sitôt le carburant injecté (pulvérisé sous la forme d'un brouillard de fines gouttelettes), il s'enflamme presque instantanément, sans qu'il soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie. En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression dans le cylindre (60 à 100 bars), repoussant le piston et entraînant, via la bielle, la rotation du vilebrequin.

La combustion qui s'opère dans les cylindres d'un moteur Diesel consiste en l'oxydation vive du carburant par le dioxygène présent dans l'air. Les produits de cette réaction se résumeraient au dioxyde de carbone et à l'eau si le carburant ne contenait que des hydrocarbures et si la combustion était complète et non accompagnée de réactions secondaires. La combustion est exothermique, c'est-à-dire qu'elle dégage de la chaleur.

Si on suppose le carburant entièrement constitué d'hexadécane, la réaction de combustion interne du moteur Diesel peut être décrite, en première approximation, par l'équation de la combustion complète de l'hexadécane :

hexadécane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau, soit :

2 C₁₆H₃₄ + 49 O₂ → 32 CO₂ + 34 H₂O

la chaleur dégagée étant d'environ 9 951 kJ (PCI) par mole d'hexadécane brûlée.

Dans les conditions stœchiométriques de la combustion « neutre » (sans excès d'oxygène), il faut 3,46 g de dioxygène pour brûler 1 g d'hexadécane, soit, pour une combustion à l'air, 14,96 g d'air (supposé sec) par gramme d'hexadécane. Cette combustion neutre dégage, pour chaque gramme d'hexadécane brulé :

• 15,96 g de gaz, contenant 11,30 g de diazote, 0,19 g d'argon, 3,12 g de dioxyde de carbone (dont 3,11 g provenant de la combustion de l'hexadécane) ;
• 1,35 g de vapeur d'eau.

En pratique, le ratio utilisé dans les moteurs Diesel est plutôt de 30 g d'air par gramme de gazole. Les gaz résiduaires de la combustion Diesel réelle comportent donc principalement du diazote, du dioxygène, du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau et de l'argon ; viennent s'y ajouter divers polluants résultant du caractère imparfait de la combustion principale et de l'existence de diverses réactions secondaires.

Les vitesses de rotation des moteurs Diesel sont très différentes d'un moteur à un autre. En effet, plus le moteur est gros, plus la course du piston est grande, et plus le moteur est lent. Trois classes de moteurs sont ainsi définies :

• moteur lent : moins de 200 tr/min ;
• moteur semi-rapide : entre 400 et 1 000 tr/min ;
• moteur rapide : 1 000 tr/min et plus.

La limite maximale du régime de rotation d'un moteur est déterminée par la vitesse de déplacement du piston dans le cylindre. Les constructeurs motoristes, suivant l'utilisation du moteur et la fiabilité qui leur est demandée, ont fixé les plages limites (résultat d'essais d'usure) suivantes :

• moteur fixe (groupe électrogène, gros moteur de bateau) : 6 à 8 m/s ;
• moteur de poids lourds : 8 à 9 m/s ;
• moteur d'automobile : 12 à 13 m/s ;
• moteur de compétition : au-delà de 15 m/s.

Ces limites déterminent la durée de vie du moteur et sa puissance, en chevaux ou kilowatts, par litre de cylindrée. La mise en survitesse du moteur risque de conduire à des chocs pistons-soupapes qui se traduisent souvent par le flambage des queues de soupapes ou de leurs tiges de commande.

La vitesse de rotation d'un moteur est directement liée à la course du piston (donc à la cylindrée) et à son usage. En effet, schématiquement, plus le piston est gros, plus sa course est importante. Par exemple, le moteur DW10 ATED de PSA, d'une cylindrée totale de 1 997 cm³ (quatre cylindres), se caractérise par un alésage de 85 mm, une course de 88 mm et un régime de puissance maximale de 4 000 tr/min ; pour ce moteur, la distance parcourue par le piston dans le cylindre est donc de 2 × 88 mm (une course aller et une course retour) par tour de moteur, soit 176 mm ; à 4 000 tr/min la vitesse moyenne de déplacement linéaire est donc 0,176 × 4 000 m/min, soit 11,7 m/s.

Certains moteurs Diesel lents de type deux-temps dépassent 100 000 ch. Le porte-conteneurs Emma Mærsk est ainsi équipé d'un moteur Wärtsilä RT-flex96C 14-cylindres, moteur à deux temps lent de 108 800 ch à 92−102 tr/min. Les cylindres ont un alésage de 96 cm et les pistons une course de 2,5 m. Ce moteur a une hauteur d'environ 13 mètres et une longueur de 26 mètres pour un poids de 2 300 tonnes. À chaque tour, le piston se déplace de 5 m (une course aller et une course retour). Au régime maxi de 92 tr/min, la vitesse linéaire moyenne est alors de 8,5 m/s.

La suralimentation est une technique permettant d'améliorer le rendement du moteur. Elle consiste à augmenter le taux de compression de l'air aspiré pour accroître celui du mélange. On utilise pour cela un compresseur, qui augmente la quantité d'air introduite dans le moteur pour une même quantité de gazole. Cet apport supplémentaire en oxygène lutte contre la formation de gaz chauds non propices à la combustion, permettant ainsi d'augmenter le taux de détente des gaz, et donc la puissance engendrée, sans pour autant injecter plus de carburant[23]. La technique a d'abord fait ses preuves dans l'aviation, où l'altitude induit une réduction de la densité de l'air entrant (donc de sa teneur en oxygène), mais s'est ensuite répandue à tous les moteurs thermiques.

Il existe un grand nombre de solutions pour comprimer l'air d'admission. On peut citer notamment[24] :

• le compresseur mécanique, entraîné par le vilebrequin du moteur, au prix d'un rendement diminué ;
• le turbocompresseur (ou turbo), entraîné par une turbine mise en mouvement par le passage des gaz d'échappement, au prix d'un écoulement gêné. Les modèles les plus récents sont « à géométrie variable » (TGV), technologie qui leur permet d'être plus performants à bas régime ;
• l'échangeur de pression « Comprex » de la marque ABB, où le vilebrequin entraîne un rotor muni de cellules, qui permettent aux gaz d'admission et d'échappement d'échanger alternativement leurs pressions.

Éclaté de moteur MAN, avec injection directe par rampe commune.

Cette technique consiste à injecter le carburant directement dans la chambre, et non plus en amont comme dans les systèmes à injection indirecte. Elle permet de contrôler précisément la zone où on injecte le gazole, et d'ainsi optimiser la combustion du mélange.

Si l'injection directe existe depuis les débuts du Diesel, elle a longtemps été réservée aux moteurs lents utilisés dans l'industrie, la navale ou les poids-lourds. Des raisons techniques (fumées et bruit supérieurs, gradient de pression trop élevé) contraignaient à utiliser des pistons très solides et très lourds, incompatibles avec des encombrements réduits et des vitesses d'utilisation élevées. Il faut attendre 1986 et le Toyota Land Cruiser HJ61 pour voir le premier moteur Diesel à injection directe (le célèbre 12HT) installé sur un véhicule particulier[25]. Il sera suivi deux ans plus tard par celui de la Fiat Croma TDid[alpha 6].

De nouveaux dispositifs sont apparus dernièrement pour contrôler plus finement encore la qualité d'injection. Certains moteurs sont ainsi équipés d'injecteurs-pompe, qui régulent la pression d'injection individuellement dans chaque cylindre[26]. D'autres utilisent une rampe commune, où, à l'inverse, la pression est régulée dans un rail, duquel partent tous les injecteurs. Celle-ci est de plus en plus souvent combinée à des injecteurs piézo-électriques, dont le pilotage par impulsions électriques permet une gestion plus fine, et décorrélée du vilebrequin[27].

Les moteurs de 2014 offrent une pression d'injection pouvant aller jusqu'à 2 500 bars, contre environ 1 400 pour les premières rampes communes, et moins de 1 000 pour les moteurs des années 1980. Associée à un pilotage précis des injecteurs, elle assure une pulvérisation du gazole continue, constante et bien répartie, essentielle pour une bonne combustion[alpha 7]^,[28].

Le moteur Diesel fonctionnant par auto-allumage à partir d'une certaine température, le démarrage à froid est impossible sans l'aide d'un apport de chaleur extérieur. On crée donc, par l'entremise d'une bougie en métal placée à l'intérieur de la chambre, un « point chaud » duquel part l'inflammation du mélange.

Une alternative consiste à réchauffer l'air admis, à l'aide de systèmes qui agissent en amont de la chambre[29]. En l'absence ou en complément de ces dispositifs, les constructeurs peuvent enfin réguler les injecteurs pour opérer une surcharge d'injection au démarrage.

Pour les moteurs de bateaux à huile lourde, on préchauffe le combustible à une température élevée avant d'entamer la procédure de démarrage.

La réduction de la quantité de particules émises dépend de la qualité du carburant et de la conception du moteur (amélioration de l'injection, dispositifs à injections multiples, etc.). Pour certaines particules difficilement combustibles, un filtre à particules (FAP) peut s'avérer nécessaire. Cette technologie s'est généralisée à partir de 2009, lors de la mise en place de la Norme européenne d'émission Euro V camions. Elle ne peut cependant pas filtrer les particules les plus fines. Le FAP est donc généralement combiné à des catalyseurs le précédant dans la chaîne d'échappement, de manière à ne plus avoir, en théorie, qu'à bloquer les particules les plus grosses et les imbrûlés[30].

Le problème majeur d'un FAP est qu'il voit progressivement les particules retenues s'amasser en suies, au risque de bloquer l'élément filtrant. Il faut donc procéder régulièrement à sa régénération, en brûlant ces suies. Si la régénération du FAP peut avoir lieu toute seule, à vitesse élevée, elle s'opère généralement par une injection de plus dans la chambre en fin de combustion, quand le moteur détecte un excédent de pression sur le FAP. La technique engendre toutefois des émissions supplémentaires de NO_x (du fait de l'injection complémentaire), et d'HC et CO (dus à la combustion proprement dite des suies). De nouveaux FAP sont à l'étude pour pallier ce problème, notamment par le biais de nouveaux additifs, de technologies de filtrage plus pointues, et du perfectionnement des diagnostics embarqués.

En 2005, l'analyse des rejets occasionnés sur deux ans par une flotte de taxis (des Peugeot 607 2.2 HDi équipées de FAP, et entretenues selon les recommandations du constructeur), sur cycle MVEG et en situation réelle, montre des niveaux d'émission relativement stables si on ne tient pas compte des phases de régénérations. Celles-ci entraînent en revanche une augmentation de plus de 20 % de la consommation, 50 % de NO_x émis en plus, et surtout neuf fois plus de CO. Une analyse des FAP à l'issue des tests montre une faible quantité de métaux piégés dans le filtre, avec une très forte prédominance de sulfate et de soufre. Globalement, l'ADEME estime que, malgré les régénérations impliquées, la présence du FAP aura permis de réduire respectivement de 90 et 95 % la masse et la quantité de particules émises à l'échappement. L'organisme remarque en outre que le cérium, utilisé comme additif sur les FAP PSA, reste à 95 % retenu par le filtre[B 1]^{[réf. non conforme]}.

Système EGR Volkswagen 2.0 TDI.

Plusieurs systèmes coexistent pour lutter contre la formation de NO_x et de particules fines. Le plus courant à ce jour est la recirculation des gaz d'échappement. Il consiste à réintroduire une partie des gaz d'échappement dans le circuit d'admission, après les avoir refroidis pour éviter une température trop élevée dans la chambre de combustion. La vanne qui pilote la portion dérivée du collecteur d'échappement peut cependant s'encrasser, notamment à bas régime moteur. Pour contrer cet inconvénient, on peut recourir à un additif, ou faire monter le régime moteur, par exemple en circulant sur autoroute[31]^,[32].

Une autre technologie très répandue est la réduction catalytique sélective (ou SCR, en anglais : selective catalytic reduction), qui recourt à une solution uréique injectée dans le flux d'échappement. Ce liquide est commercialisé dans de plus en plus de stations service, sous les noms « AdBlue » (marque déposée) en Europe et « Diesel Emission Fluid » (DEF) aux États-Unis.

La catalyse des NO_x est assez délicate, car ils sont relativement stables et peuvent prendre plusieurs heures à se désagréger sous les ultraviolets de la lumière du jour. Ils produisent alors de l'ozone (O₃), gaz très irritant, toxique, donc nuisible en basse atmosphère bien qu'indispensable en haute altitude[33]. De plus, ce système impose la présence d'une température élevée pour être efficace, nécessitant une plus ou moins longue période de chauffe selon les conditions extérieures. Ce phénomène pose le problème de l'adaptation des motorisations thermiques à la circulation urbaine, caractérisée par des trajets plutôt courts. C'est pourquoi certains pots catalytiques sont équipés de dispositifs favorisant leur montée en température. Pour les véhicules particuliers, les choix technologiques ne sont pas encore figés. Il est encore possible de voir émerger des choix alternatifs de dosage d'ammoniac (solide SCR ou metal ammine)[34].

Les progrès techniques en matière d'optimisation et de dépollution du moteur ne doivent pas faire oublier qu'avec le temps, les systèmes employés s'usent et perdent en efficacité. Il est donc nécessaire de suivre leur état, afin de les faire contrôler, voire remplacer si nécessaire. Cette situation a conduit les constructeurs à mettre en place une surveillance continue du véhicule, puis d'élargir petit à petit leur champ d'action. Le système de diagnostic embarqué vérifie en permanence le fonctionnement des différents dispositifs : sondes, capteurs, actionneurs, système d'injection, catalyseur, etc. Si une anomalie risquant d'augmenter les émissions est détectée, il affiche une alerte (un indicateur lumineux d'anomalie (en)) au niveau du tableau de bord, de manière à pousser le conducteur à faire vérifier son véhicule. Cela permet en théorie de maintenir les systèmes à un état optimal, et donc d'en limiter les pertes de performances en matière d'émissions[35].

Les raisons du succès du moteur Diesel dans l'automobile, au-delà d'avantages fiscaux qui relèvent de choix plutôt politiques que techniques, tiennent essentiellement à son rendement supérieur à celui du moteur à essence du fait d'un taux de compression plus élevé. En résulte une consommation volumique de carburant plus faible que dans un moteur essence.

Le rendement du Diesel profite encore de l'apport de technologies comme la suralimentation ou l'injection directe, combinées à une pulvérisation plus fine et mieux contrôlée du gazole dans la chambre de combustion, et à une gestion plus précise des ouvertures et fermetures des soupapes[B 2]^{[réf. non conforme]}.

Fleurs de jatropha curcas, dont l'huile extraite des graines peut remplacer le gazole.

Le moteur Diesel peut brûler de l'huile végétale à la place du gazole. Pendant la Seconde Guerre mondiale, devant la pénurie de pétrole, des recherches ont d'abord été menées pour développer l'huile végétale en tant que carburant alternatif, mais elles finiront par être abandonnées face à la concurrence du bois et au réapprovisionnement progressif en pétrole[36].

Il est aujourd'hui possible de faire usage d'un tel carburant dans une automobile de tourisme, à condition d'adapter son circuit d'alimentation et de surveiller son entretien, l'huile végétale présentant par rapport au gazole une plus grande viscosité, un indice de cétane plus bas et des impuretés spécifiques[37]. De nouveaux carburants à base végétale transformés et raffinés sont par ailleurs en cours d'étude, comme le diester et le NExBTL, mais ils restent encore coûteux à mettre en œuvre comparés aux huiles végétales brutes recyclées[38].

L'utilisation d'huile végétale pure en guise de carburant est tolérée dans de nombreux pays, notamment en Allemagne, mais reste à ce jour interdite en France[39].

Les poids lourds[alpha 8] peuvent également recourir à une émulsion d'eau dans le gazole (de l'ordre de 10 à 15 % du mélange^{[réf. nécessaire]}). D'une part, les gouttes de carburant injectées dans la chambre de combustion voient leur taille diminuer, ce qui conduit à une meilleure combustion, et donc moins de particules rejetées^{[réf. nécessaire]}. De l'autre, la présence d'eau dans la chambre réduit sa température, limitant ainsi l'émission de NO_x. La technique impose toutefois un moteur suffisamment robuste (matériaux résistant à l'oxydation générée par l'eau, système d'injection adapté), et entraîne une augmentation de la consommation[B 1]^{[réf. non conforme]}.

De même que les autres systèmes de motorisation, le moteur Diesel a connu des améliorations au cours des dernières décennies. L'avantage principal de ce type de moteur est de produire à consommation égale, du fait de son rendement supérieur, des émissions de CO₂ de l'ordre de 10 % plus faibles que son équivalent essence[40]. Il engendre également moins de monoxyde de carbone (qui s'oxyde rapidement en dioxyde de carbone dans l'atmosphère) et d'hydrocarbures imbrûlés que les moteurs à essence. L'arrivée progressive des filtres à particules et des systèmes SCR et EGR a contribué en outre à limiter les émissions de NO_x et de particules fines, même si celles-ci restent beaucoup plus élevées que sur les moteurs à essence[41].

Roger O. McClellan[42], Thomas W. Hesterberg[42]^,[43] et John C. Wall[44], chercheurs travaillant ou ayant travaillé pour l'industrie du Diesel[45], mettent en avant les progrès réalisés par cette technologie pour demander une réévaluation des risques qu'elle fait peser sur la santé des populations[46].

En France, le Diesel profite d'une fiscalité avantageuse depuis l'époque de l'après-guerre. Il s'agissait alors de favoriser les transports routiers, l'agriculture et l'artisanat, qui avaient particulièrement recours à cette motorisation. Au cours des années 1980, les constructeurs de voiture de tourisme se lancent à leur tour à la suite du deuxième choc pétrolier. L'expertise de Peugeot en la matière, et le choix de Renault de développer à son tour cette technologie, conduisent l'État français à poursuivre sa politique de soutien envers le Diesel. Au début des années 2000, la TIPP (devenue TICPE) par litre de gazole était inférieure d'un tiers à celle sur le super sans plomb, mais cet écart tend à se réduire ; la taxe sur les véhicules de sociétés (TVS) est également plus faible pour les véhicules Diesel, car elle est indexée sur les rejets de CO₂ (moins élevés à puissance égale, du fait du meilleur rendement du Diesel)[47]. Une seconde composante a toutefois été ajoutée à la TVS à compter du 1^er octobre 2013, afin de prendre en compte les émissions de polluants atmosphériques. Calculée sur la base de l'année de mise en circulation du véhicule et du type de motorisation, cette seconde composante pénalise les véhicules Diesel, notamment les plus anciens[48].

Depuis 2002, chaque modification des barèmes de la fiscalité sur les carburants a été l'occasion de légèrement réduire l'écart de fiscalité entre gazole et essence. Cette réduction a été sensible notamment en 2004 et en 2015. Les voix de plus en plus nombreuses à s'élever contre ce carburant, notamment en raison de ses émissions de particules fines, amènent le gouvernement à en relever les taxes. Le scandale de l'affaire Volkswagen, en septembre 2015, entre autres, confirme l'État français dans ses choix : il annonce en octobre « un rapprochement en cinq ans entre le prix du gazole et celui de l'essence », en commençant par deux augmentations successives de 0,02 €/L, en 2016 puis en 2017[49]. S'il conserve encore l'avantage en matière de fiscalité (la taxe sur le gazole reste inférieure de 21 % à celle sur l'essence en 2016), les écarts de fiscalité sur ces deux principaux carburants tendent ainsi à se réduire[50].

Le Diesel permet aux entreprises de bénéficier d'un avantage important, à savoir la récupération de la TVA. Le gouvernement a décidé de faire bénéficier progressivement l'essence de cet avantage : alors que le taux de récupération de la TVA pour les achats d'essence était nul en 2016, il augmente légèrement en 2017 et en 2018 pour atteindre en 2022 le même taux de récupération que le Diesel, selon un barème évolutif[51].

Les gros véhicules Diesel sont par ailleurs soumis à un malus plus faible que les véhicules à essence de même puissance dans le cadre du bonus-malus écologique, car ils émettent moins de CO₂. Ils pouvaient même, initialement, faire l'objet d'un bonus, notamment les véhicules hybrides Diesel-électriques, mais cette disposition a été supprimée[52]. Au contraire, les acheteurs de véhicules électriques ou hybrides peuvent bénéficier d'un bonus supplémentaire si leur achat s'accompagne de la mise au rebut d'un véhicule Diesel ancien[53].

Dans l'industrie de la plaisance, le Diesel bénéficie d'un avantage de 30 % dans le calcul du DAFN (Droit annuel de francisation et de navigation)[alpha 9] jusqu'en 2013, date à laquelle la formule est modifiée pour effacer toute différence avec l'essence[54]^,[55].

Du fait de son principe même, qui impose, pour un rendement optimal, une forte présence d'air dans la chambre et de hautes pressions et températures, le moteur Diesel induit un certain nombre de réactions chimiques indésirables qui conduisent à l'apparition et au rejet de particules et de gaz nocifs. D'une part, la réaction entre l'oxygène et l'azote présents dans l'air engendre l'apparition d'oxydes d'azote (NO_x). De l'autre, les noyaux de carbone engendrés par la combustion se combinent à l'oxygène et aux diverses impuretés contenues dans le gazole pour former des particules, telles les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et des composés oxygénés comme les aldéhydes. Ces phénomènes sont d'autant plus importants que la concentration en air et la température de la chambre sont élevés. S'ajoute encore dans les gaz d'échappement la présence de métaux et d'hydrocarbures imbrûlés.

Une étude de 2005 menée par l'ADEME a tenté de dresser la liste et la composition des émissions dues à des véhicules équipés de moteurs Diesel. Le premier constat est que le nombre et le volume de particules émises suivent chacun une loi normale fonction de leur diamètre, centrée sur une moyenne respectivement de 100 et 250 nm. Certaines peuvent aller jusqu'à la taille de nanoparticules, mais ce sont les plus grosses qui ressortent par leur teneur non négligeable en douze types de métaux, et cinq des 17 HAP classés comme polluants prioritaires par l'EPA, dont du benzanthracène, considéré par l'agence américaine comme à fort risque cancérogène[alpha 10]. Certains de ces rejets sont dus à la combustion, d'autres à l'usure du moteur. Certains enfin, comme le zinc ou le manganèse, se retrouvent aussi dans les particules plus fines en raison de leur présence dans les additifs du carburant et des lubrifiants. Plus généralement, de nombreux facteurs concernant la qualité du gazole peuvent accroître la présence de particules : densité, compressibilité, viscosité, indice de cétane, teneur en polyaromatiques et en composés naphténiques. À l'inverse, une quantité importante de composés oxygénés limite l'émission de particules. L'étude remarque en outre l'impact positif notable qu'offrent les systèmes de dépollution, comme les catalyseurs ou les FAP[B 3]^{[réf. non conforme]}.

Une analyse complémentaire de l'ADEME rapporte que les hydrocarbures rejetés se composent essentiellement d'éthane, d'éthylène et d'hydrocarbures légers. Elle établit également que les aldéhydes émis sont en majorité du formaldéhyde, classé comme cancérigène avéré par le CIRC. L'agence ne fournit cependant pas les quantités mesurées, et surtout précise que l'utilisation du FAP en réduit la quasi-totalité émise (les restantes provenant pour l'essentiel des phases de démarrage à froid)[B 1]^{[réf. non conforme]}.

Évolution de la norme européenne d'émission pour les carburants Diesel.

Les normes européennes d'émission ont été progressivement durcies : alors que l'Euro 1 de 1993 plafonnait les particules fines à 140 mg/km et groupait NO_x et hydrocarbures imbrûlés sous une limite de 970 mg/km, l'Euro 6b de 2015 passe ces maxima respectivement à 4,5 mg/km (avec dorénavant une limite en nombre de 6 × 10¹¹ /km) et 170 mg/km, dont 80 mg/km spécifiquement de NO_x). Il n'existe toujours aucun plafond pour le cas particulier des NO₂[56]. Des tests réalisés sur 52 véhicules équipés de moteurs Diesel et reproduisant les conditions réelles de conduite sur route ont toutefois révélé qu'aucun des modèles testés ne respectaient les règles relatives aux émissions de CO₂ et de NO_x qui prévalaient lors de leur mise sur le marché. Les émissions d'oxydes d'azote, notamment, étaient de cinq à dix fois supérieures aux limites autorisées par les normes Euro 5 ou 6 (selon les modèles)[57].

Les normes européennes d'émission fixent un niveau maximal pour les oxydes d'azote émis par les nouveaux véhicules Diesel mis sur le marché. Actuellement la limite est de 0,4 g/kWh pour les camions et les bus (norme Euro VI), et de 0,08 g/km pour les voitures particulières (norme Euro 6).

On distingue le NO₂ des autres oxydes d'azote (NO_x). Sur les muqueuses nasales, de la sphère ORL et des poumons, il se combine avec l'humidité et y forme de l'acide nitrique. La part de NO₂ est plus importante pour les véhicules à moteurs Diesel que pour ceux utilisant l'essence de norme Euro équivalente. Le dioxyde d'azote n'est pas pris en compte en tant que tel dans ces normes d'émission[58], qui fixent des seuils pour l'ensemble des NO_x.

En juin 2009, l'agence américaine de protection de l'environnement (EPA) a proposé, sur des bases scientifiques, de durcir la réglementation sur les émissions de NO₂ par les véhicules[59] avec :

• une valeur limite horaire en NO₂ qui n'existait pas aux États-Unis, et pourrait être comprise entre 80 et 100 parties par milliard (ppb) ;
• le maintien d'une concentration moyenne annuelle sous 53 ppb (norme en vigueur depuis 1971) ;
• une surveillance obligatoire des taux de NO₂ dans une bande de 50 mètres autour des principaux axes routiers urbains dans les villes de 350 000 habitants (jusqu'en 2009, ce contrôle n'était dans ce pays pratiqué que dans quelques villes de plus d'un million d'habitants).

En France, en 2009, les émissions de NO₂ par les moteurs Diesel n'ayant pas diminué depuis plus de dix ans (des années 1995 à 2009), l'Agence française de sécurité sanitaire de l'environnement et du travail (AFSSET)[60] a appelé — sans attendre les futures normes européennes — à réduire ces émissions[60].

Les pots catalytiques se développent, de même depuis 2009 que le filtre à particules (FAP) sur les nouveaux moteurs Diesel. Or, les catalyseurs mais aussi certains FAP (FAP dits « catalysés » et non les FAP dits « additivés »), s'ils permettent la « combustion » de suies fines dans le filtre ou le pot catalytique ont pour effet paradoxal d'encore accroître les émissions de NO₂[60]. L'addition de platine, notamment dans le Diesel oxydation catalyst (DOC) positionné en amont du filtre à particules (FAP), génère du NO₂[60] qui va contribuer à la régénération dite « passive » des filtres à particules, mais pollue.

L'AFSSET alerte sur le fait que si au moins 30 % des filtres installés dans les années à venir sont de type « non polluants », alors les taux de NO₂ émis par les véhicules légers devraient diminuer entre 2009 et 2014, mais si moins de 30 % des filtres posés le sont, le NO₂ augmentera encore[60].

L'AFSSET a donc recommandé mi-2009[60] :

• que les flottes captives (bus, utilitaires, taxis) soient équipés de filtres moins polluants en NO₂ (ce que proposait aussi le Plan national santé-environnement, PNSE II) ;
• de faire du NO₂ un critère obligatoire des nouvelles réglementations sur les émissions des véhicules, au lieu de ne se baser que sur la somme des oxydes d'azote (NO_x) ;
• de créer un outil d'évaluation de l'efficacité des techniques de contrôle des émissions Diesel ;
• de faire des recherches en toxicologie sur l'impact des émissions Diesel.

À partir de mai 2015 des études montrent que les systèmes de dépollution des voitures de dernière génération, devant respecter la norme Euro 6, ne fonctionnent généralement pas au plein de leur capacité, les industriels ayant choisi d'en limiter l'efficacité au seul respect des tests d'homologation européens. L'étude faite par l'association d'industriels AECC, qui regroupe des fabricants de système de dépollution, se base sur les tests d'une grande routière, équipée d'un système de dépollution SCR, système le plus avancé adopté par BMW, Mercedes, PSA ou Volkswagen, tests réalisés sur une distance de 107 km à une vitesse moyenne de 57 km/h, avec une méthodologie de test embarqué qui sera appliquée en 2017 en Europe sous le nom de RDE, configuration plus réaliste que le cycle officiel (NEDC) qui teste la voiture sur 11 km à peine, à 33 km/h. Ce test montre que, alors que la voiture émet en théorie, selon NEDC, 70 mg/km de NO_x, le score réel est de 272 mg/km, soit 3,4 fois plus que la norme Euro 6 ; or les auteurs de l'étude ont obtenu une émission de 111 mg/km seulement, en programmant une injection plus fréquente d'AdBlue, liquide à base d'urée qui permet de convertir les NO_x en eau et en azote ; mais cela nécessite de remplir le réservoir d'AdBlue tous les 7 000 à 8 000 km. Les constructeurs ont préféré se limiter au simple respect de la norme Euro 6 afin que les clients n'aient à faire remplir ce réservoir que tous les 20 000 km[61].

Les oxydes d'azote sont des précurseurs de la pollution à l'ozone, surtout par temps ensoleillé et lors de canicules[62] et par temps brumeux (comme lors du smog de janvier 2013 à Pékin[63]), ils contribuent à la production de sulfates quand l'activité photochimique est réduite[63].

Les émanations gazeuses (CO, CO₂, NO₂, toluène[64], benzène[65]^,[66], divers autres COV[67] et HAP[68], ainsi que des NOx[69]) et particulaires des moteurs Diesel sont nocives pour la santé. Elles sont source d'insuffisances respiratoires et de certains cancers (une hausse du taux de particules fines (PM 2.5) de 5 µg/m³ augmente le risque de cancer du poumon de 18 %, et une hausse de 10 µg/m³ des plus grosses particules (PM10) augmente ce risque de 22 %. Ce risque augmenterait même de 50 % pour l'adénocarcinome pulmonaire. Le risque est identique chez les fumeurs et les non-fumeurs. Il ne semble pas exister de seuil sous lequel il n'y aurait plus de risque[70]^,[71]^,[72]^,[73]^,[74]^,[75].

Les particules en suspension émises par les pots d'échappement de moteurs Diesel peuvent être inhalées et se déposer dans les voies respiratoires, plus ou moins profondément selon leur taille. Le risque de toxicité varie selon le sujet touché et le type de particule inhalées, mais reste réel même en présence de faibles concentrations. Les particules les plus fines sont considérées comme les plus dangereuses car leur petite taille leur permet de pénétrer plus profondément, jusque dans les alvéoles pulmonaires. L'impact sanitaire associé va de complications respiratoires telles l'asthme à un risque accru d'apparition de cancers[B 2]^{[réf. non conforme]}.

Le pneumologue Michel Aubier était intervenu dans les médias en minimisant la nocivité des émissions du Diesel, et avait été auditionné en tant qu'expert le 16 avril 2015 par une commission d'enquête du Sénat sur le coût de la pollution atmosphérique en déclarant « n'avoir aucun lien d'intérêt avec les acteurs économiques ». Il a reconnu le 17 mars 2016, devant la même commission, avoir reçu du pétrolier Total cinquante mille à soixante mille euros par an depuis la fin des années 1990. Libération et Le Canard enchaîné avaient révélé la veille que le professeur exerçait depuis 1997 les fonctions de médecin-conseil pour Total, chargé de conseiller les cadres dirigeants du groupe en cas de problèmes de santé[76].

Une étude de la revue Nature publiée en mai 2017 estime que 38 000 décès prématurés en 2015 dans le monde ont été causés par le dépassement des normes en vigueur dans chaque pays par les véhicules Diesel, principalement dans les pays de l'Union européenne, en Chine et en Inde[77].

En Allemagne, en février 2018, le Tribunal administratif fédéral a ouvert la voie aux interdictions des vieux véhicules diesel dans les grandes villes. Excepté les véhicules répondant à la norme Euro 6, plus de neuf millions de véhicules diesel aux normes plus anciennes, Euro 4 et Euro 5 notamment, sont concernés. Plusieurs grandes villes avaient décidé d'interdire ces véhicules anciens, mais le lobby de l'automobile avait demandé l'annulation de ces interdictions. L'association de protection de l'environnement Deutsche Umwelthilfe (DUH) est à l'origine de ces interdictions, soulignant que les niveaux de particules enregistrés n'étaient pas conformes aux normes européennes d'émissions d'oxyde d'azote (NOx). L'arrêt de la cour autorise les grandes villes à prononcer de telles interdictions mais impose une mise en œuvre progressive et prévoit des exceptions pour les artisans[78]^,[79].

Les émissions des moteurs Diesel sont classées depuis 2012 dans la catégorie des cancérigènes certains par le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC).

Le caractère toxique et surtout cancérigène du Diesel était depuis longtemps débattu. Les moteurs d'avant les années 1980 ont progressivement inquiété du fait de leur impact visuel (fumées opaques et noires) et leur potentiel risque sanitaire pour l'homme. Les recherches se sont intensifiées, prouvant que les particules qu'ils dégageaient s'avéraient souvent mutagènes, et donc possiblement cancérigènes.

L'INSERM a réalisé, en 2008, une synthèse de la quarantaine d'études ayant analysé l'effet cancérigène du Diesel depuis les années 1980. Toutes portent sur des sujets exposés professionnellement aux fumées du gazole : conducteurs de bus, taxis, poids-lourds ou locomotives, et mécaniciens associés. Les résultats concluent à des risques accrus, souvent de manière significative, d'apparition de cancers du poumon. Une relation semble également se révéler entre ces risques et la durée d'exposition aux émissions. L'institut met toutefois en garde sur les probables perturbations induites par la consommation de tabac et l'exposition à l'amiante. Si un débat épidémiologique est en cours pour mesurer l'impact de ces deux éléments, l'INSERM estime malgré tout qu'il ne peut suffire à changer drastiquement les conclusions. Reprenant les termes de l'EPA, co-responsable de l'étude, il conclut que « le fait que les fumées Diesel augmentent le risque de cancer du poumon chez l'homme est très plausible sur le plan biologique »[80].

En 2012, le CIRC, qui classait depuis 1988 les émissions Diesel parmi les cancérigènes probables pour l'homme (groupe 2A), a modifié son évaluation et les classe désormais dans la catégorie des cancérigènes certains (groupe 1). Selon l'agence pour le cancer de l'OMS, « les preuves scientifiques sont irréfutables (...) : les émanations des moteurs Diesel causent des cancers du poumon ». L'agence s'inquiète aussi d'une association possible avec le cancer de la vessie[81].

Les oxydes d'azote sont des gaz très toxiques, notamment le NO₂. Ils pénètrent dans les poumons, irritent les bronches et réduisent la capacité du sang à oxygéner les cellules. Ils sont particulièrement nocifs pour les enfants et les asthmatiques[82]^,[83].

Les particules fines, outre leur effet sur le risque de cancer, peuvent être à l'origine d'autres maladies, comme l'asthme et la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO)[84].

L'ozone produit par transformation des oxydes d'azote par temps chaud sous l'effet des rayons ultraviolet du soleil est aussi un gaz irritant pour les bronches, le nez, la gorge et les yeux[85].

Le Diesel cause un risque accru de décès chez les cheminots. Les lieux les plus exposés sont les tunnels routiers ou ferroviaires, certains lieux industriels dont lieux de travail confinés (garages, docks) ou souterrains, miniers en particulier[86]^,[87]. Il cause des troubles respiratoires ou il les aggrave, avec des symptômes souvent chroniques chez certains automobilistes et chez les habitants ou travailleurs des zones où la circulation est dense.

Aux États-Unis, environ 1,4 million de travailleurs étaient chroniquement exposés aux particules des moteurs Diesel de 1981 à 1983 ; et 3 millions dans l'Europe des quinze, de 1990 à 1993[86]. En 2012, le lobby minier Américain Mining Awareness Resource Groupe s'est opposé à la publication d'études sur les effets sur la santé des mineurs des gaz d'échappement des moteurs Diesel[88].

En 2015 dans le monde, 47 % des 385 000 morts prématurées étaient dus à la pollution de l'air par les véhicules à moteur Diesel (individuels, publics, industriels, fluviaux ou engins agricoles ou industriels, hors transport maritime) selon une étude récente (2019) faite par 2 universités américaines et l'ICCT (ONG qui a révélé le "dieselgate")[89]^,[90]. Le coût (supplémentaire) de ces années de vies perdues a été estimé à environ mille milliards de dollars pour la société[91].

La France, l’Allemagne, l’Italie et l'Inde en étaient les premières victimes avec 66 % des décès prématurés induits par les transports. Ce taux est de 36 % au Royaume Uni et de 32 % au Japon. Si on ajoute les effets de l’ozone et des PM_2,5, les transports causent 11 % des 3,4 millions de morts prématurés dus à la pollution induite, soit 114 000 morts prématurés en chine et 74 000 en Inde[91]. Ce chiffre est de 13 000 pour l'Allemagne, 6 400 pour la France et 22 000 pour les États-Unis, soit respectivement 31 %, 32 % et 19 % des décès attribués au total à la pollution de l'air. L’Allemagne paye le plus lourd tribut avec 17 morts prématurés pour 100 000 habitants, soit le triple de la moyenne mondiale. En termes de villes Milan, Turin, Stuttgart, Kiev, Cologne, Berlin et Londres sont parmi les plus touchées en nombre d’années de vies perdues[91]. En termes de nombre de morts Guangzhou est la plus touchée en Asie et Milan, Cologne, Paris et Londres en Europe[92]. Ces chiffres sont sous-estimés en termes de santé publique notent les auteurs de l’étude car pour des raisons méthodologiques plusieurs types d'émissions polluantes ne sont pas pris en compte (diesels marins par exemple, alors que 80 % des tonnes transportées le sont par le transport maritime), ni certaines maladies potentiellement associées à la pollution[91]. Un effet pervers des décisions prises après le scandale Volkswagen, décisions encourageant l'achat de véhicules non-diesel est que de nombreuses voitures diesel de plus de 5 ans ont été brutalement exportées, dont par l'Allemagne et vendues dans les pays de l'Est ou en Afrique (à titre d'exemple : selon Hristo Hristov de l'Association bulgare des importateurs de véhicules, en 2017 ce sont 280 000 voitures au Diesel allemandes qui ont été revendues d'occasion en Bulgarie, Diesel pour plus de 40 %)[93]. Elles y auront potentiellement une longue durée de vie, et à leur arrivée dans les pays de l'Est, elles sont souvent délestées du contenu de leurs pots catalytique (métaux précieux pouvant être revendus)[93]. Elles sont alors encore plus durablement et gravement polluantes - localement et pour la troposphère bien au-delà des frontières de ces pays)[93].

Le fonctionnement de moteur Diesel a différentes conséquences sur l'environnement :

Réchauffement climatique, pluies acides Les oxydes d'azote sont des précurseurs de l'ozone, un gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique. Par ailleurs, le NO₂ réagissant au contact de l'eau pour former de l'acide nitrique, conduisant à un phénomène d'eutrophisation des lacs et cours d'eau et à la formation de pluies acides[94]. Les rejets soufrés des moteurs Diesel étaient précédemment un facteur important de la formation de pluies acides, mais la règlementation limite désormais la quantité de soufre dans le gazole.

Bruit La réduction du niveau sonore de fonctionnement dépend beaucoup de la gestion de l'injection et des dispositifs d'insonorisation, néanmoins, des progrès sont encore à faire, les moteurs Diesel étant toujours plus bruyants que ceux à essence du fait des taux de compression élevé qui génèrent des contraintes mécaniques importantes.

Odeurs Les odeurs caractéristiques des gaz d'échappement des moteurs Diesel sont dues à un ensemble complexe de composés organiques tels que les indoles, furanes et phénols.

• Stéphane Barbusse et Gabriel Plassat, « Les particules de combustion automobile et leurs dispositifs d'élimination. Résultats du programme mené par l'ADEME depuis 1995 « Particules automobiles », caractérisation physico-chimique des particules, efficacité des dispositifs de dépollution » (version du 31 juillet 2016 sur l'Internet Archive), sur ADEME, février 2005

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