CARBURANTS
A la base de tous les carburants se retrouvent les éléments
carbone et hydrogène qui se combinent à l'oxygène de
l'air pour produire de la chaleur.
Les carburants liquides utilisés pour les moteurs des véhicules
automobiles peuvent être classés en :
- Carburants volatils, qui se vaporisent
aux températures normales, et
- Carburants non volatils, qui ne se vaporisent
pas aux températures normales.
Les types de carburants volatils sont: l'essence, le benzol, l'alcool
et le kérosène.
Ils sont utilisés dans les
moteurs à allumage par étincelle.
Les carburants non volatils sont: le fioul et le gazole. Ils sont
utilisés dans les moteurs à combustion par compression.
Tous ces carburants contiennent de l'hydrogène et du carbone (hydrocarbure)
mais les alcools contiennent également de l'oxygène.
Les carburants volatils distillés à partir de pétrole
brut sont principalement constitués de fractions dont le point d'ébullition
se situe entre 55°C et 200°C. Au cours du processus de distillation,
les fractions dans certaines plages de températures sont collectées
et condensées. Le carburant connu sous le nom d'essence de craquage
s'obtient en soumettant le pétrole brut à des températures
et pressions élevées.
D'un point de vue chimique, les fractions de carburants appartiennent à
trois séries :
- Paraffines CnH2n+2
- Naphtènes CnH2n
- Aromatiques CnH2n-6
La formule CnH2n+2 signifie que, si la molécule contient 8 atomes
de carbone, la valeur de n est 8 atomes de carbone, la valeur de n est 8,
de sorte que la molécule aurait (2x8)+2 atomes = 18 atomes d'hydrogène.
Donc CnH2 = C8H18.
Propriétés des carburants
Le point d'éclair est la température à laquelle
le carburant émet une quantité de vapeur inflammable suffisante
pour créer un éclair momentané lorsqu'une flamme est
approchée de sa surface.
Le point de feu est la température à laquelle l'huile
émet une quantité de vapeur suffisante pour continuer à
brûler ; elle est supérieure de quelque 10°C au point d'éclair.
Le point d'ébullition est la température à
laquelle le carburant bout ; elle varie sur une large plage de températures
pour les différents carburants et constitue une forme de mesure de
la volatilité.
La volatilité est une mesure de la vitesse d'évaporation
d'un carburant et de la quantité de préchauffage nécessaire
pour atteindre le seuil de transformation du liquide en gaz. Le préchauffage
est étroitement lié au pouvoir calorifique latent. La plupart
des carburants contiennent certaines fractions hautement volatiles ; ce
sont elles qui permettent au moteur de démarrer facilement par temps
froid. Lorsque le pouvoir calorifique latent est élevé, comme
dans les carburants à base d'alcool et de benzol, il peut être
difficile de démarrer les moteurs à froid. Cette difficulté
est encore accrue par les longues tubulures d'admission froides dans lesquelles
peut se produire de la condensation. Dans les climats très froids,
les moteurs sont souvent démarrés à l'aide d'éther.
Le pouvoir calorifique d'un carburant est la quantité de
chaleur libérée par une quantité unitaire de carburant
après combustion complète. Les carburants contenant de l'hydrogène
ont un pouvoir calorifique supérieur et inférieur (LCV et
HCV). La valeur inférieure s'utilise pour calculer le rendement thermique
d'un moteur étant donné que l'eau formée à partir
de l'hydrogène se trouve sous forme de vapeur dans les gaz et ne
libère sa chaleur latente qu'après avoir quitté la
chambre de combustion et être passée dans le système
d'échappement.
L'indice d'octane d'un carburant est sa résistance à
la détonation. L'isooctane a un haut pouvoir antidétonant
et il lui a été attribué une valeur arbitraire de 100.
L'heptane, qui détone facilement, a reçu la valeur de 0. L'indice
d'octane de tout carburant est déterminé en testant ce dernier
dans un "moteur de test standard" ; les résultats, particulièrement
au moment où la détonation se produit, sont notés puis
les mêmes résultats sont reproduits à l'aide d'un mélange
d'isooctane et d'heptane ; le pourcentage d'isooctane dans le mélange
représente l'indice d'octane du carburant testé. Par exemple,
si le mélange contient 93% d'isooctane et 7% d'heptane, l'indice
d'octane sera 93.
Les anti-détonants sont des substances ajoutées
au carburant pour ralentir la vitesse de combustion et supprimer la détonation.
L'additif habituel consiste en 0,04% de plomb tétraéthyle
auquel on ajoute une faible quantité de brométhyle. Cet additif
permet au plomb de quitter le moteur sous forme de vapeurs de bromure de
plomb et réduit ainsi l'effet d'encrassement et de corrosion des
dépôts de plomb sur les soupapes et les bougies. Une autre
méthode pour supprimer la détonation consiste à utiliser
comme carburant un mélange d'essence, de benzol et d'alcool.
L'essence a une composition d'environ 85 pour-cent de carbone
et de 15 pour-cent d'hydrogène. C'est la présence d'hydrogène
dans le carburant qui est la cause principale de détonation ; on
observe particulièrement ce phénomène dans les
essences commerciales qui contiennent une proportion élevée
de fractions de la série paraffines. Les carburants contenant un
pourcentage élevé de fractions de la série aromatique
sont moins susceptibles de détoner ; ils présentent un pouvoir
calorifique latent plus élevé et conviennent parfaitement
pour les moteurs à taux de compression élevé.
Le kérosène est un carburant qui n'est pas utilisé
dans les moteurs des véhicules automobiles mais pour les moteurs
des machines agricoles et des tracteurs. Sa température de distillation
se situe entre 150°C et 290°C et il est par conséquent moins
volatil que l'essence à la pression atmosphérique. Les moteurs
utilisant ce type de carburant démarrent souvent à l'essence
: cette dernière sert à réchauffer un dispositif permettant
de vaporiser le kérosène.
Le benzol est un distillat du goudron de houille, un dérivé
de la houille dans la production de gaz. Il s'agit d'un mélange de
fractions de la série aromatique, principalement de benzène
C6H6, qui se distille entre 80°C et 120°C. Le benzol est un carburant
qui convient pour les moteurs à taux de compression élevé
étant donné que sa tendance à détoner est inférieure
à celle de l'essence.
Carburants d'origine végétale. Le méthanol
et l'éthanol, dont les formules chimiques sont, respectivement, CH4O
et C2H6O, sont fabriqués au départ de matières végétales
et tous deux contiennent de l'oxygène. Ces deux carburants sont extrêmement
volatils. Leurs pouvoirs calorifiques sont bien inférieurs à
ceux des carburants hydrocarbonés et leur combustion totale nécessite
un rapport air-carburant de 9 à 1. Leur pouvoir calorifique latent
élevé empêche toute détonation à toutes
les pressions de compression inférieures à 1380 kN/m²
et, pour obtenir une chaleur suffisante pour réaliser une combustion
complète et efficace, il faut un taux de compression situé
entre 10 et 14.
Carburants non volatils. Ce sont les fiouls et les gazoles ; il
en existe de nombreuses qualités, depuis les fiouls et gazoles légers
utilisés pour les moteurs des véhicules automobiles, jusqu'aux
fiouls et gazoles lourds utilisés dans les chaudières industrielles
et les moteurs marins. Leur viscosité à 15°C varie de
55 à 750 secondes Redwood et leur densité relative se situe
entre 0,75 et 0,9. La composition chimique d'un carburant adéquat
pour les moteurs de véhicules routiers est d'environ C 87%, H 11%,
O 1% et S 1%. La teneur en soufre doit être basse car il se forme de
l'acide sulfurique pendant la combustion ; cet acide a une action corrosive
sur les parois des cylindres du moteur.
Le point de solidification est la température à
laquelle la paraffine commence à se déposer et diminue l'écoulement
du fioul ; c'est la raison pour laquelle les filtres à carburant
sont souvent placés à proximité du moteur chaud.
Le point d'éclair de tous les carburants est élevé
et le risque d'incendie est faible.
L'indice de cétane est le pourcentage en volume de cétane
dans un mélange de cétane C16H34 et d'alpha-méthyl-naphtalène
C11H10 présentant la même qualité d'allumage qu'un carburant
donné testé. La qualité d'allumage se détermine
en faisant tourner un "moteur de test standard" dans des conditions spécifiques
et en mesurant, à l'aide d'un indicateur, le nombre de degrés
de l'angle de démarrage, entre le début de l'injection et
le moment de l'augmentation rapide de la pression. Les carburants montrant
l'angle de retard le plus petit autorisent un démarrage aisé,
un fonctionnement souple et silencieux et un choc de combustion minimum
; ces carburants sont affectés d'un indice de cétane de 60
ou supérieur. Les carburants dont l'angle de retard est important
offrent de mauvaises qualités d'allumage et sont affectés
d'un indice de cétane de 30.
Dopants et additifs pour les fiouls. Il est possible d'augmenter
l'indice de cétane d'un carburant en ajoutant une petite quantité,
généralement moins de 5%, de nitrate d'amyle ou de nitrate
d'éthyle ; ceci tend à réduire la température
d'allumage et donc à diminuer la pression de combustion maximum.