Les carburants et la combustion (2000)

Depuis que l’homme a su les declencher et les maitriser, les phenomenes de combustion lui ont permis d’assurer sa survie (chauffage, eclairage, alimentation) puis d’acceder a la civilisation industrielle. Dans notre monde moderne, la combustion vive du charbon, des hydrocarbures ou d’autres produits organiques permet le fonctionnement des foyers domestiques et industriels et des differents types de moteurs utilises eux-memes pour le transport terrestre, fluvial, maritime et aerien, ou encore pour l’agriculture. Cet article rappelle les principales caracteristiques des carburants usuels qui sont le plus souvent des hydrocarbures issus du petrole. Il fournit quelques notions de thermochimie et decrit les processus physico-chimiques de la combustion . Le lecteur pourra utilement se referer aux articles « Carburants liquides » et « Combustibles liquides » du traite Genie energetique [1] Thermodynamic tables. Hydrocarbons. TRC [2] qui expliquent les exigences des differents convertisseurs d’energie et les moyens mis en œuvre par les societes petrolieres pour obtenir des produits conformes a des specifi-cations tres precises. Rappelons ici quelques contraintes relatives aux differents types de moteurs. Les essences utilisees dans le moteur a allumage commande par etincelle doivent presenter des proprietes physiques (masse volumique, courbe de distillation, pression de vapeur) qui permettent leur pulverisation dans l’air (par injection) avant l’introduction dans la chambre de combustion. En outre, la necessite d’assurer un fonctionnement satisfaisant des automobiles dans des conditions atmospheriques extremement variables (depuis − 20 C jusqu’a + 40 C en France) implique des specifications de volatilite des essences distinctes selon les saisons. Enfin, le moteur a essence exige que son carburant presente une forte resistance a l’auto-inflammation exprimee par l’ indice d’octane . Cette caracteristique conditionne certaines particularites du moteur (taux de compression, avance a l’allumage) qui, elles-memes, agissent directement sur les performances de la voiture (consommation de carburant, puissance specifique). Toutefois, l’indice d’octane est en pratique plafonne par les contraintes de l’industrie du raffinage (composition des differents effluents, couts, volume et repartition de la demande). La suppression progressive (entre 1990 et 2000) des additifs a base d’alkyles de plomb, qui, auparavant, permettaient d’accroitre aisement l’indice d’octane des essences, a modifie considerablement le paysage de l’adaptation moteur-carburant. Des carburants plus simples que les essences peuvent egalement etre utilises dans les moteurs a allumage commande. Ce sont : le gaz naturel (GNV ; V pour vehicule), stocke a l’etat gazeux sous une pression de 200 bar ; les gaz de petrole liquefies (GPL), maintenus a l’etat liquide sous une pression d’environ 10 bar et delivres a l’etat gazeux dans le moteur. Ces deux produits, bien qu’encore peu diffuses, presentent un grand interet, car leur emploi genere de faibles emissions de polluants. Leur mise en œuvre est un peu plus complexe que celle des essences. Le gazole doit presenter, a l’inverse des essences, une forte tendance a l’auto-inflammation puisque le principe de fonctionnement du moteur Diesel repose sur l’inflammation du carburant injecte sous haute pression dans l’air prealablement comprime. La qualite du gazole s’exprime ainsi par l’ indice de cetane qui n’influe pas directement sur les performances du moteur mais agit plutot sur l’agrement d’utilisation (demarrage a froid, bruit, emissions de polluants, etc.). Une autre caracteristique essentielle du gazole est sa tenue au froid puisque la formation en son sein de cristaux de paraffine, a des temperatures hivernales (0 a − 20 C), risquerait d’obstruer le filtre dispose sur le circuit d’alimentation. Le raffineur ajuste l’indice de cetane et les caracteristiques a froid du gazole en agissant sur la nature et la composition des bases constitutives et en incorporant certains additifs fluidifiants ou procetane . Dans ce domaine egalement, l’optimisation est actuellement rendue difficile en raison de la forte dieselisation du parc automobile et de la nouvelle structure du raffinage fournissant des distillats moyens de qualite mediocre. Les proprietes exigees pour le carbureacteur sont determinees par le mode de fonctionnement particulier des reacteurs d’avion. Il faudra obtenir une excellente tenue au froid, jusqu’a − 50 C, une composition chimique qui permette l’obtention d’une flamme peu rayonnante sans depots de carbone sur les parois, une basse teneur en impuretes diverses (sediments, eau, gommes, etc.). Enfin, pour les fuels utilises comme combustibles dans les fours et foyers industriels, ou comme carburants pour les gros moteurs Diesel (navires, groupes electrogenes), les caracteristiques primordiales sont la viscosite, la teneur en soufre et en produits extremement lourds (asphaltenes) dont la combustion tres difficile risque de generer de fortes emissions de particules solides, incompatibles avec la legislation antipollution. Les quelques problemes d’utilisation qui viennent d’etre evoques constituent en fait l’aboutissement d’une tres complexe optimisation moteur-carburant . Celle-ci repose sur une connaissance precise des carburants et des mecanismes de combustion. Nous nous efforcerons de presenter dans ce qui va suivre une synthese des connaissances actuelles dans ce domaine.