Moteurs Thermiques Pour Le Transport Routier

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Christian Guilié IUT GTE Longwy Le 5 septembre 2009

Moteurs thermiques pour le transport routier. Licence E2D2 Longwy.

I Généralités.

A l’heure actuelle, les moteurs utilisés pour le transport routier sont exclusivement des moteurs thermiques à cycle 4 temps. Cela n’a pas toujours été le cas et d’autres solutions sont envisageables (cycle 2 temps, moteur Wankel, …). La pression économique sur les constructeurs d’automobiles est telle qu’elle paralyse toute tentative de solution innovante.

Le trafic tant urbain que routier a littéralement explosé (voir annexe à la fin) au cours

des trente dernières années. Autrefois, on habitait près de son lieu de travail et l’on s’y rendait à pied ou à vélo et si tel n’était pas les cas, on utilisait les transports en commun. L’usage de la voiture était réservé aux week-end ou aux vacances familiales pour les familles privilégiées qui en possédaient une. Le transport de marchandises était lui aussi très peu développé et l’essentiel des produits de consommation étaient produits sur place…

Cette augmentation a, en quelques décennies, causé les problèmes que nous

connaissons aujourd’hui : pollution urbaine, enchérissement du prix des carburants et pour finir réchauffement climatique. La réaction des pouvoirs publics prisonniers de la pression économique créée par l’engouement de leurs administrés pour l’automobile et les biens de consommation bon marché à portée de main (grandes surfaces) a été de légiférer dans le sens de la limitation des émissions. Cela revient à peu près à « poser un cataplasme sur une jambe de bois » ! Cela donne à tous bonne conscience et espoir à bon marché.

Par exemple les gains de CO2 émis sont intimement liés, nous le verrons, aux gains de

rendement. Mais pour obtenir 1% d’augmentation du rendement il faut déployer des trésors d’imagination. Cela conduit souvent à l’adoption de solutions si compliquées que l’on peut ce demander si le bilan est réellement positif et si ces dispositifs ne sont pas finalement plus coûteux en CO2 que ce qu’ils prétendent gagner. Et même si l’on gagnait réellement ce pourcent de CO2, qu’est ce que cela représenterait par rapport à l’augmentation par un facteur 4 du trafic routier ? Ne serait-il pas plus efficace de revenir à un trafic raisonnable ? On peut faire la même constatation pour les systèmes antipollution ou pour la consommation de carburant!...

Le motoriste est donc confronté à cette problématique schizophrène. Ce cours fourni

les clés permettant de comprendre le fonctionnement des moteurs. Il détaille ensuite les évolutions modernes des systèmes périphériques qui tentent de répondre aux besoins actuels. Dans ce cours, les notions en caractère gras sont à connaître par cœur. Les parties en italique sont des compléments d’information et peuvent être shuntées en première lecture.

I-1 Cycle 4 temps, fonctionnement mécanique et thermodynamique. Les schémas ci-dessous montrent le fonctionnement du moteur à cycle 4 temps :

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Le cycle complet dure 2 tours = 4 demi-tours=> cycle à 4 temps

La cylindrée est le volume balayé par le piston durant sa course du point mort haut au point mort bas :

4

.. 2DcVc

π=

Si n est le nombre de cylindres de la machine, la cylindrée totale est : VcnVcn .=

Souvent la cylindrée donnée est la cylindrée totale, alors on ne fera pas la différence. Le volume mort ou résiduel, Vm est le volume restant dans la chambre de combustion lorsque le piston est au point mort haut. On défini alors le taux de compression volumique ρ comme le rapport du volume maximum Vc+Vm au volume mort Vm :

Vm

VmVc+=ρ

Le diagramme ci- dessous représente l’évolution de la pression dans un moteur 4

temps au cours d’un cycle :

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En thermodynamique, on démontre que l’aire intérieure à cette courbe fermée est le travail donné par le gaz au piston appelé « travail indiqué » (voir cours « Rappels de thermodynamique »). La grande boucle supérieure composée par la compression et par la combustion détente est « motrice » c'est-à-dire que le gaz fournit du travail au piston. La petite boucle inférieure (échappement admission) est « réceptrice ». Elle correspond à une perte de travail indiqué due au « pompage » des gaz dans le moteur. Cette boucle est assez importante ici car il s’agit d’un moteur à essence en fonctionnement à charge réduite. Pour un moteur essence à pleine charge ou pour un moteur diesel la pression d’admission est proche de la pression ambiante et le travail perdu est quasi nul.

La thermodynamique nous permet de calculer le rendement indiqué théorique du

moteur c'est-à-dire la part de chaleur de la combustion théoriquement transformée en effet moteur (travail) sur le piston (= force agissant sur le piston x déplacement du piston). Le cycle théorique le plus utilisé est le cycle de Beau de Rochas. On fait l’hypothèse que la compression et la détente sont adiabatiques (pas d’échange de chaleur du gaz avec les parois). La combustion est supposée isochore (à volume constant) et bien sûr l’échappement et l’admission sont sans pertes de charges (Pas de boucle de pompage : p=patmosphérique). Alors:

1

11 −−=

−= γρ

ηq

withth (Voir «cours « Moteurs alternatifs »)

with est le travail théorique reçu par le piston, q la chaleur de combustion et ρ le taux

de compression volumique défini plus haut. γ vaut 1,3. L’évolution de ce rendement est représentée sur la figure ci-dessous. Pour plus d’informations, on se reportera au cours « Moteurs alternatifs » (voir bibliographie).

Deux cas sont tracés sur la courbe : un taux de compression de 8 qui peut correspondre à un moteur à essence ηth=46,5% et un taux de compression de 18 qui peut correspondre à un moteur Diesel ηth =58%. Ce rendement ne chiffre que les pertes inéluctables dues à la thermodynamique.

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I-2 Notion de rendement effectif, consommation et émission de CO2

Le fonctionnement du moteur réel n’est pas « parfait » contrairement au cycle

théorique. Il y a donc des pertes diverses. Le rendement réel dit « rendement effectif »est le rapport de la puissance réelle sur l’arbre du moteur appelée puissance effective ω.CPeff = (à

la quantité de chaleur maximum que peut dégager le carburant IpqmPCM C .= :

PCM

Peffeff =η

qmc est le débit massique de carburant, C le couple en N.m et ω la vitesse de rotation

en rad/s, Ip le pouvoir calorifique du carburant (voir cours de « Définitions et bilans » et de « Combustion »). C’est une constante du carburant de l’ordre de 42000kJ/kg pour les hydrocarbures (voir § I-3 « carburants »).

Le rendement effectif ηeff s’exprime comme le produit du rendement théorique ηth par le rendement de combustion ηC (qui tient compte du carburant non complètement brûlé), le rendement mécanique ηmec (qui tient compte des frottements dans le système de transmission du mouvement : piston cylindre, vilebrequin carter et têtes de bielles…) et du rendement de cycle qui tient compte de l’écart du cycle par rapport au cycle théorique de Beau de Rochas (pompage, pertes de chaleur aux parois…) :

Ccyclethméceff ηηηηη ...=

On défini la consommation spécifique Cs (consommation de carburant par kW) d’un

moteur de la manière suivante :

Peff

qmcCs=

Elle s’exprime en général en g/kWh ou g/cv.h.

Elle est intimement liée au rendement effectif :

IpIpqmc

qmc

PCM

qmc

Peff

qmcCs

effeffeff .

1

... ηηη====

Cs est donc inversement proportionnelle au rendement effectif La quantité de CO2 émise par le moteur (préoccupante pour le réchauffement

climatique) se calcule facilement : si le carburant contient x% de carbone (par exemple : 84% pour l’essence et 86% pour le fuel) 1kg de carburant génère xkg de carbone sous forme CO2

en quasi-totalité donc 12

44x kg de CO2 car la masse molaire du carbone est 12g/mole et celle

du CO2 44g/mole. La densité de l’essence est par ailleurs de 0,75 et celle du fuel de 0,85. Exemple : une voiture à essence qui consomme 5l au 100km émettra :

5


5,115100.12

1000.44.75,0.84,0.5 = g de CO2 au km

Cette quantité est donc proportionnelle à la consommation du véhicule et dépend peu de l’hydrocarbure utilisé (diminue avec la volatilité de l’hydrocarbure).

I-2 Moteurs à essence et moteurs Diesels Si d’un point de vue mécanique, les deux moteurs sont tout à fait identiques, par

contre le fonctionnement thermique est totalement différent : - Le moteur à essence admet un mélange air+carburant préparé dans des proportions

définie (stoechiométriques, voir §I-4 et cours de « Combustion ») la richesse R est proche de 1. L’allumage se fait par étincelle est la flamme se propage dans un milieu homogène. Enfin la variation de charge s’effectue en limitant la pression du mélange admis par un papillon (ou tout autre système : par exemple un boisseau) causant une perte de charge dans le collecteur d’admission. Le taux de remplissage ηV est variable de 0,1 (ralenti) à 1 (ou 1,5 pour un moteur turbocompressé) en pleine charge.

- Le moteur Diesel admet de l’air sans aucune entrave dans le collecteur d’admission.

Le taux de remplissage ηV est donc toujours maximum donc proche de 1. L’allumage par compression se produit peu après l’introduction du carburant (délai d’auto inflammation) directement dans la chambre de combustion via l’injecteur. La combustion est cette fois diphasique (air+liquide) contrairement au mélange homogène du moteur à essence. Enfin le réglage de la charge s’obtient par variation de la quantité de carburant injectée, la richesse moyenne R du « mélange » est donc variable de 0,1 à 0,65 du ralenti à la pleine charge. En effet, nous verrons qu’il est impossible d’obtenir une richesse max de 1 sans émission importante de particules (Fumées noires caractéristiques des Diesel =>limitation de l’injection). En résumé : Le remplissage en air est maximum et la variation de puissance est obtenue par variation de la quantité de carburant introduite par tour.

1≈vη et 65,01,0 << R

La richesse est quasi-constante égale à 1 et la variation de puissance est obtenue par variation de la quantité de mélange introduite.

1≈R et 11,0 << vη

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Avantages comparés des deux moteurs : -A cylindrée constante, le moteur à

essence est beaucoup plus performant que le moteur Diesel car à pleine puissance la quantité de chaleur délivrée par le combustible est 1,5 fois (1/0,65) plus importante. D’autre part, du fait du taux de compression important que nécessite l’allumage par compression, la forme de la chambre de combustion n’est pas propice à un bon remplissage. Les soupapes sont de faibles diamètres et les tubulures d’admission et d’échappement sont très coudées. Au contraire, les chambres des moteurs à essence sont voûtées ce qui facilite l’utilisation de grosses soupapes et de tubulures plus fluides.

Pour améliorer les piètres performances du moteur Diesel, les constructeurs ont recours aujourd’hui à la turbocompression. Cela fragilise ces moteurs dont la robustesse est légendaire à cause de la faible longévité du turbocompresseur mais surtout de celle des culasses. Des recherches métallurgiques sont en cours (refroidissement rapides des moules…). Le moteur diesel reste néanmoins un moteur lourd car les pièces du moteur (bielles, vilebrequin…) sont surdimensionnées pour résister aux très fortes pressions nécessaires.

- Par contre le moteur Diesel est un peu

plus économe car son taux de compression est plus grand que celui des moteurs à essence et d’autre part il ne pâtit pas des problèmes de pertes par pompage (§I-1) du moteur à essence pour les faibles charges. En effet, à cause de la demande des automobilistes, les moteurs actuels sont surpuissants et ne fonctionnent le plus souvent à charge réduite. Une des solutions envisagée par les constructeurs est le taux de compression variable et le cycle d’Atkinson (ou détente prolongée).

- Contrairement à ce que dit la publicité, la pollution des Diesel est supérieure à celle

des moteurs à essence du fait de la présence de « particules » de suie cancérigènes dans les fumées. L’émission de NO est aussi supérieure car la combustion est pauvre (R<1), par contre l’émission de CO est moindre.

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I-3 Carburants Les hydrocarbures

pétroliers de distillation (ie pas le gaz naturel) sont aujourd’hui les hydrocarbures les plus répandus pour le transport routier.

Le pétrole est d’origine

mal connue. Beaucoup plus ancien que les charbons, il est certainement le résultat de la décomposition des microorganismes des mers primitives qui contenaient beaucoup de soufre sous forme d’acide sulfurique. La teneur en soufre du gaz naturel ou du pétrole liquide est naturellement très importante. En conséquence ils doivent être désoufré.

Les hydrocarbures

pétroliers de distillation seront plus ou moins volatils selon la hauteur du soutirage dans la colonne de distillation (figure ci-contre) c'est-à-dire de la température de distillation. Cela ira du Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL : mélange butane 65% propane 35%) en tête de colonne jusqu’aux fuels lourds en pied de colonne. Je résume ci- dessous leurs principales caractéristiques moyennes:

GPL essence kérosène Gasoil et FOD Fuel lourd BTS C% 82,5 85,5 85,7 86 87 H% 17,5 14,5 14,3 13,3 11,35 S% 0 0 <0,3 0,3 1 N% 0 0 0 0,2 0,25 O% 0 0 0 0,2 0,4 Ma 15,4 15 15 14,3 14 d 0,55 0,75 0,8 0,844 0,99 Ip 46MJ/kg 44MJ/kg 43,5MJ/kg 42MJ/kg 42MJ/kg

Nous verrons plus en détail au paragraphe « Phénoménologie de la combustion » les

caractéristiques recherchées pour chacun des moteurs. Pour l’instant, nous pouvons comprendre aisément à la lumière du début de paragraphe que les moteurs à essence

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nécessitent des carburants volatiles pour permettre un mélange homogène de la charge. Les moteurs Diesels, au contraire, préfèrent les produits plus lourds car ils assurent la lubrification de leurs pompes d’injection à haute pression. On peut remarquer néanmoins que le moteur Diesel est beaucoup moins « difficile » que le moteur à essence. Par exemple, les camions militaires peuvent rouler avec à peu près n’importe quel combustible liquide après réglage spécial de la pompe à injection (manette à portée du conducteur).

Une fiscalité perverse… Le coût à la production de l’essence ou du gasoil est identique. Mais, en Europe, la

fiscalité avantage le gasoil à cause de la faiblesse du pouvoir politique face au lobby des routiers. C’est ce facteur associé au lobbying des constructeurs automobiles qui a causé l’explosion du marché du Diesel dans les années 90. Aux Etats-Unis les véhicules individuels sont exclusivement à essence, ce qui est beaucoup plus rationnel. L’Europe doit donc exporter vers les Etats-Unis les fractions pétrolières légères sous utilisées du fait du déséquilibre de la consommation. La solution de remplacement du pétrole?

Les hydrocarbures pétroliers sont, comme je l’ai déjà dit, les hydrocarbures les plus répandus pour le transport routier. Cela risque de changer très rapidement dans un futur proche à cause des limites des ressources de pétrole, bien sûr, mais surtout à cause de la concurrence nouvelle des pays émergents.

Une solution de « substitution » est évidemment l’emploi des biocarburants. Les

années qui ont précédé la crise (2007-2008) nous ont montré les limites de l’usage de ces produits : augmentation du coût des céréales avec la conséquence d’affamer les populations fragiles, et bien sûr à terme le danger des monocultures sur la biodiversité. On ne pourra pas couvrir les besoins du trafic actuel (même avec des réductions drastiques dans tous les domaines) avec des carburants bio.

Une seconde solution transitoire est le recours aux carburants de synthèse à partir du

charbon, des schistes bitumineux, des résidus de pétrole… La solution est loin d’être écologique mais serons nous assez sages pour nous arrêter de consommer inconsidérément ?… Les allemands durant la seconde guerre mondiale pour palier le rationnement en carburant induit par le blocus continental des alliés ont eu recours au procédé Fischer-Tropsch permettant de transformer le charbon en méthanol. Bien d’autres procédés existent…

I-4 Phénoménologie de la combustion Une notion fondamentale à connaître est la notion de richesse du mélange. Pour qu’un

mélange combustible air puisse brûler entièrement, c’est à dire en ne produisant que du gaz carbonique, de l’eau et de l’azote (pas d’oxygène ni de combustible partiellement dégradé CO, HC…) il faut que ce mélange soit dans des proportions dites stoechiométriques. Si le mélange contient trop d’air, il est dit pauvre, les produits de combustion contiendront alors de l’oxygène. Au contraire, s’il contient trop de carburant, il est dit riche et les produits de combustion contiendront du combustible partiellement dégradé. Les motoristes utilisent le terme de « richesse » R pour définir l’état du mélange, les chimistes ou les chauffagistes préfèrent le « facteur d’air » λ qui est son inverse:

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stoechc

a

réelc

a

stoechc

a

réelc

a

stoechc

a

réelc

a

m

m

m

m

V

V

V

V

n

n

n

n

R

=

=

== 1λ

1°) Auto inflammation

L’auto-inflammation est le mécanisme qui régit au moins en partie toutes les formes

de combustion. On nomme ainsi l’inflammation spontanée (sans source extérieure) d’un mélange donné de combustible et de comburant. Il se produit pour ce mélange sous des conditions particulières de pression et de température. Limites d’auto inflammation : A : n heptane +1,5 isooctane dans l’air B : Isooctane dans l’air Richesse 1,25 Il est intéressant de noter que dans le domaine des hautes pressions (celui des moteurs), seule la

température conditionne l’auto inflammation : c’est la température d’auto inflammation. Dans le domaine des basses pressions les choses sont moins simples : C’est le domaine des flammes froides qui ne nous intéresse que peu pour nos moteurs. Ce phénomène se produit à basse pression et haute température dans certains mélanges et s’accompagne de lumière et d’une faible élévation de température qui peut se répéter plusieurs fois (formation de formaldéhydes voir cours de « Combustion » au paragraphe « Réactions en chaîne »).

L’expérience montre que l’auto inflammation n’est pas immédiate, elle se produit au bout d’un délai θ. Pour déterminer ce délai, on utilise la machine à compression rapide schématisée ci-dessous. Durant le délai d’auto inflammation se forment les nombreuses espèces chimiques très réactives appelées radicaux libres (initiation). Ces réactions n’entraînent

pas de variation significative de la température car elles sont peu énergétiques. Par contre,

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lorsqu’une quantité suffisante de radicaux est produite, elles vont dégénérer en réaction en chaîne avec une croissance exponentielle de la pression et de la température. L’expérience montre que l’auto inflammation ne prend naissance qu’en certains points du volume et se développe à partir de ceux-ci. Outre la nature du combustible et du comburant, le délai dépend de la température, de la pression et de la richesse du mélange. La pression diminue systématiquement le délai du fait de l’augmentation de la fréquence des chocs entre molécules. L’action de la température est moins claire. Le délai passe par un minimum dans les mélanges pauvres.

2°) Détonation La détonation est une auto inflammation derrière une onde de choc. La détente résultante de la combustion entretien l’onde de choc.

La détonation peut-être initiée par une déflagration qui se précipite du fait de l’obturation du tube derrière le front de flamme. Elle peut résulter aussi d’une autre onde de choc provoquée par une explosion. Dans tous les cas il faut plusieurs mètres pour qu’une onde de choc s’établisse. Ce n’est pas le type de combustion que l’on rencontre dans nos

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machines même dans les moteurs dits « à explosion ». Les vitesses de l’onde de choc peuvent atteindre 2000m/s et la pression derrière celle-ci 60bars. 2°) Déflagration On appelle déflagration, la propagation lente d’un front de flamme. Les vitesses sont de l’ordre de quelques centimètres à quelques mètres par secondes. C’est ce type de combustion qui a lieu dans nos moteurs. On distingue plusieurs types de déflagration selon la nature du mélange ou de son écoulement : - Déflagration homogène laminaire :

La vitesse de propagation dépend presque exclusivement de la température des

produits de combustion. Celle-ci dépend très peu de la pression et de la température des gaz frais mais dépend surtout de la richesse. Elle passe par un maximum pour les mélanges stœchiométriques ou plutôt riches et il existe un diamètre en dessous duquel la flamme ne peut plus se propager. Il est appelé diamètre de coincement.

- Influence de la turbulence Sous l’effet de la turbulence, du fait des fortes variations spatiales de vitesse, le front de flamme se plisse jusqu’à sa rupture en multiples zones. L’accroissement de la surface du front de flamme accroît la vitesse apparente de propagation. Pour un même volume de

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produits de combustion, la surface du front de flamme est inversement proportionnelle au diamètre des cellules.

- Combustion diphasique

La combustion est dite « diphasique » lorsque les deux réactifs ne sont pas sous la même phase (gaz, liquide ou solide). Dans les moteurs Diesel, le comburant est gazeux (air ou oxygène) et le combustible est liquide non vaporisé.

Vu le faible diamètre des gouttes de gasoil (quelques microns), la combustion autour de cette goutte est laminaire. La turbulence à pour effet de disperser les particules et en augmentant le mélange, de favoriser le renouvellement de l’air près de chaque goutte. 3°) Principales sources de pollution, limitations règlementaires et réduction des polluants Les causes de pollution par les moteurs sont multiples. Elles présentent un caractère « inéluctable » lorsque le polluant émis est dû à la composition du combustible comme le soufre pour les fuels donnant SO2. Il est alors vain de vouloir les éliminer en agissant sur la combustion. Les autres polluants tel que CO, NO, les suies …dépendent largement de la conception du moteur ou de son réglage. Pour réduire les émissions des moteurs voués au transport, les constructeurs ont recours aux pots catalytiques. Sans rentrer dans les détails, un catalyseur est un metal (en général platine ou palladium donc très onéreux…) favorisant les réactions chimiques à basse température. Comme nous le verrons, il se crée à haute température dans nos moteurs des espèces chimiques indésirables qui ne peuvent pas se recombiner aux (relativement) basses températures d’échappement. Les catalyseurs permettent ces recombinaisons (de CO en CO2 de NO en N2 et O2...). Il faut par contre une surface de contact très importante entre le gaz et

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le catalyseur. Un pot catalytique est donc constitué d’une céramique micro poreuse dont les pores sont recouverts du métal catalyseur pour permettre de loger, dans des dimensions raisonnables, les surfaces d’échanges nécessaires. - Les imbrûlés solides Sous forme de fumées noires donnant des suies, la présence d’imbrûlés solides révèle un problème de dosage du mélange dans les moteurs à essence (R>1), de surinjection ou d’encrassage des injecteurs pour les Diesel. Elles proviennent du craquage du combustible en phase gazeuse. Elles sont cancérigènes. Il est très difficile de descendre en dessous de 0,08g/km (verrou technologique actuel) sauf en utilisant un filtre à particules. Les normes aujourd’hui imposent 0,05g/km ! Sans rentrer dans les détails, il faut se rendre compte qu’il est impossible de stocker les particules émises. Le filtre doit donc être régénéré. Ainsi, ce « filtre à particule » est un véritable réacteur chimique qui brûle à basse température, en présence d’un catalyseur évidemment, les particules filtrées. - Oxydes de soufre . Le soufre se retrouve surtout dans le gasoil. Les oxydes de soufre sont très dommageables à la santé et à l’environnement (irritant au-delà de 1ppm et responsables des pluies acides). Les pétroliers sont tenus aujourd’hui à désulfurer leurs fuels. Mais cette désulfuration est insuffisante pour les moteurs Diesel modernes utilisant des pots catalytiques d’oxydation. Le soufre est préjudiciable à l’activité du catalyseur, il augmente la température d’amorçage même pour des teneurs inférieures à 0,05% de soufre dans le gasoil qui est la limite légale. - Oxydes d’azote Le composé le plus dangereux est le NO2 qui est soit directement produit par la machine mais surtout convertit dans l’atmosphère à partir du NO (présent très majoritairement à l’émission) puis reconvertit en N2O4. Reconnaissable à sa couleur (gaz roux), irritant les muqueuses à partir de 13ppm, il provoque un œdème au poumon à partir de 40ppm. Responsable d’asthme, de pluies acides déforestation et de smog (réduction de la visibilité dans les agglomérations). Sa formation est due aux hautes températures atteintes dans les moteurs et à l’excès d’air. Le Diesel en émet donc beaucoup plus que le moteur à essence. Il est en lien direct avec la recherche de rendement (mélanges hyperpauvres) pour les moteurs à essence. La législation européenne actuelle limite les émissions de NO à 0,08g/km pour les véhicules légers à essence et à 0,25g/km pour les Diesels. Ces taux sont inaccessibles sans catalyseurs. - Oxydes de carbone On a parlé plus au du gaz carbonique CO2 et de son lien direct avec la consommation de combustibles carbonés. Il est responsable en grande partie du réchauffement climatique, mais le seul moyen de le réduire est de moins consommer !

Le monoxyde de carbone CO est le produit type de la combustion incomplète. C’est

un gaz très toxique à partir de 0,1%. Il est la cause fréquente d’accidents mortels (300 à 400 décès/an en France) dus à la mauvaise combustion d’appareils de chauffage et il peut

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provoquer des malaises persistants pour des personnes fréquemment exposées (citadins). Les normes européennes limitent à 1g/km l’émission pour les véhicules légers à essence et à 0,5g/km pour les Diesel. Il est beaucoup plus difficile à éliminer pour les moteurs à essence du fait de la richesse importante inhérente au fonctionnement de ces moteurs. Il nécessite l’utilisation de catalyseurs d’oxydation.

Remarque : La pollution sur laquelle on peut agir (particules, CO, NO) par catalyse

n’est gênante qu’en utilisation en zone de forte densité de population (ville, côte d’azur, région parisienne…). Ne serait-il pas plus simple d’interdire l’utilisation des véhicules à moteur thermique dans ces zones plutôt que de rouler avec de véritables « usines à gaz » et de subir la législation et donc l’administration qui va avec?

II Moteurs à essence

II-1 Allumage et propagation de la combustion dans les moteurs à essence Sur la figure suivante, on peut voir que la propagation de la déflagration dans les moteurs à essence dure une fraction importante du cycle (la combustion n’est d’ailleurs souvent pas terminée à l’ouverture de la soupape d’échappement). Il faut donc déclencher l’étincelle longtemps avant le point mort haut (25 à 40° mesurés sur le vilebrequin). Cette avance à l’allumage est soit fixe sur certains moteurs (groupes électrogènes, moteurs d’avions...), soit variable et calculée à partir des données de pression, température, vitesse de rotation… par un calculateur (allumage cartographique automobile) (Voir §II-5). Le schéma ci-dessous montre la propagation de la déflagration homogène turbulente normale dans un moteur à allumage commandé.

Ce schéma explique pourquoi la composition des produits de combustion est sensiblement différente de la composition théorique.

- Le refroidissement rapide des gaz brûlés provoque leur « trempe » d’où la présence de NO et CO même en mélange pauvre.

- Les hydrocarbures imbrûlés CH proviennent de l’inhibition de la combustion près

des parois.

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La richesse est bien un facteur important du fonctionnement des moteurs à essence. Elle influe aussi fortement sur le couple et la consommation :

- Couple maxi en mélange riche (λ=0.85), - Consommation minimum en mélange pauvre (λ=1.1). La richesse choisie pour les moteurs à essence actuels est de 1 exactement pour assurer le fonctionnement correct et protéger le pot d’échappement catalytique trois voies (CO, HC, NO). Il réalise à la fois la réduction de NO et l’oxydation des CO et HC. Il est placé très près du moteur, pour des questions d’efficacité en cycle urbain, car il doit être très chaud et très rapidement pour être opérationnel le plus rapidement possible. Cette richesse de 1 est obtenue grâce à l’utilisation de la sonde λ (voir §II-6). Le fonctionnement des moteurs actuels

est donc un moyen terme entre puissance et consommation. II-2 Combustion anormale des moteurs à essence

Lors de la combustion, les gaz frais sont portés à des températures très supérieures aux limites d’auto inflammation à cause de la dilatation des gaz brûlés et aux échanges thermiques avec ceux-ci et avec les parois. Si le délai d’auto inflammation est dépassé avant que tous les gaz frais ne soient brûlés, le reste de ces gaz, appelés « end-gaz », s’enflamme en bloc. Cela provoque un accroissement soudain de leur température donc de leur volume et de leur pression, générant une onde de choc. En se réfléchissant sur les parois, cette onde engendre des vibrations (5kHz). Ces vibrations sont à l’origine d’un bruit caractéristique appelé « cliquetis ». Le phénomène, outre le bruit désagréable

qu’il engendre, peut entraîner la détérioration des pièces mécaniques. Il augmente les

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transferts thermiques avec les parois (réduction du rendement et détérioration des pièces) et la production de polluants.

Il se produit à forte charge et à bas régime à cause du faible délai d’auto inflammation (hautes pressions) et de la diminution de la vitesse apparente de propagation due à la diminution des mouvements des gaz frais. Les causes principales du cliquetis sont donc : - Un taux de compression ou une avance trop grande provoquant une pression maximum trop importante donc une diminution du délai (§II-1 2°). Le cliquetis, par ce fait, limite le rendement du moteur car ces deux facteurs l’augmentent. - Un carburant dont le délai d’auto inflammation est trop court (indice d’octane trop faible : voir § suivant) - La température excessive (extérieure ou des parois) peut aussi être un facteur aggravant car les limites d’auto inflammation seront dépassées plus tôt entraînant l’explosion anticipée de l’ « end-gaz ». - Une richesse trop faible provoque l’accroissement de la température des parois et la diminution du délai d’auto inflammation. - L’architecture du moteur enfin joue, elle aussi, un rôle important : on doit chercher à augmenter la turbulence (forme de la chambre de combustion ou des tubulures d’admission). La stratification de la charge permise par les moteurs à essence à injection directe permet d’accroître le taux de compression sans cliquetis. II-3 Indice d’octane L’indice d’octane caractérise la résistance au cliquetis d’un carburant. Au début des années 1930, la recherche de l’augmentation de la puissance des moteurs d’avions, en particulier grâce aux compresseurs volumétriques, c’est trouvée limitée par ce phénomène de cliquetis. Il est apparu indispensable alors de mettre en place une méthode de caractérisation de la résistance au cliquetis des carburants afin de les comparer entre eux et de trouver des améliorations. La méthode est toujours utilisée aujourd’hui.

On compare la résistance au cliquetis du carburant d’essai avec un carburant de référence constitué d’un mélange d’isooctane (délai d’auto inflammation très long) et d’heptane (délai d’auto inflammation très court) dans un moteur à taux de compression variable CFR (Cooperative Fuel Research). Durant l’essai du carburant, on déclenche le cliquetis par augmentation du taux de compression. L’indice d’octane du carburant sera le pourcentage d’isooctane du carburant de référence cliquetant pour le même taux de compression (indice RON : Research Octane Number). Pour l’indice MON (Motor Octane Number), référence actuelle car il représente mieux le phénomène dans les moteurs d’automobiles, le cliquetis est déclenché par augmentation de l’avance à l’allumage. Certains carburants ont une plus grande résistance au cliquetis que l’isooctane, on leur affecte un indice par extrapolation (voir tableau ci-dessous).

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Pour augmenter l’indice d’octane des essences de distillation, on ajoutait des dopants

tels que le plomb tétraéthyle (Pb(C2H5)4) qui, en très faible quantité (1/1000), augmente l’indice d’octane. Mais le plomb est un inhibiteur tandis que le platine est un catalyseur. Les dépôts du plomb sur les cellules microporeuses des pots d’échappement catalytiques des automobiles recouverts de platine annihilent son effet (voir §II-1 1°). De plus le plomb est responsable du saturnisme. Ce dopant n’est utilisé aujourd’hui que pour les moteurs d’avions.

Pour l’automobile, on utilise dans les moteurs à essence des essences sans plomb. Le

plomb ayant, par ailleurs, un effet lubrifiant, l’absence de plomb dans les essences actuelles cause, sur certains moteurs anciens, une usure prématurée des sièges de soupape (récession).

La nécessité à la fin des années 90 de supprimer le plomb des essences a conduit les

pétroliers à améliorer leurs procédés de fabrication de manière à conserver un bon rendement de production. L’essence est un mélange de très nombreux hydrocarbures (paraffines ou alcanes, naphtènes ou cyclanes, oléfines ou alcènes, aromatiques… de C3 à C9). L’amélioration des procédés consiste à favoriser la production de composés à forts indices d’octane au détriment des autres en :

- améliorant les procédés de séparation (distillation : réduction des largeurs des coupes) - utilisant des nouveaux procédés de transformation et de purification avec création de nouvelles molécules (craquage catalytique, reformage, isomérisation, estérification…)

II-4 Adaptation de carburants de substitution aux moteurs à essence (H2, C2H5OH …) Les carburants de substitution pour moteurs à essence peuvent être gazeux (hydrogène, gaz de méthanisation : biogaz) ou liquides (alcools ou dérivés). Les carburants gazeux demandent une refonte complète du système d’alimentation : réservoirs, injecteurs, capteurs, électronique…Les liquides engendrent beaucoup moins de modifications. Leurs différences avec les essences de pétrole sont de quatre ordres : - Le pouvoir comburivore est le rapport stoechiométrique air/carburant. Il est exprimé en kg/kg pour les carburants liquides. Celui des alcools (méthanol Ma=6,45 ; éthanol=8,93 ; MTBE=11,7) est très différent de celui des essences de pétrole (Ma=15). Cela engendre la nécessité d’adapter les injecteurs et l’électronique à ces carburants d’une part et une consommation volumique de carburant plus importante. - Leur PCI est en général plus faible, la conclusion est identique que précédemment c'est-à-dire que l’on consommera plus de carburant de substitution. Mais ce qui importe surtout c’est la puissance du moteur à cylindrée constante c'est-à-dire la valeur de qc la chaleur massique du carburant à la stœchiométrie. Cette valeur est quasiment identique pour tous les carburants.

Carburant Essence de distillation

Sans plomb

GPL Ethanol Méthanol MTBE Méthane H2

RON 40 95-98 97-99 120 126 118 130 60 MON 85-88 99 96 101

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- Leur indice d’octane est bien meilleur que celui des produits pétroliers (voir tableau précédent). Cela permet des taux de compression plus élevés donc un rendement meilleur et une réduction des émissions de CO2.

II-5 Allumage

Pour réaliser la fonction d’allumage, les moteurs à essence sont équipés d’essentiellement deux types de circuits électriques qui se distinguent par le moyen d’accumuler l’énergie pour la restituer au moment de l’étincelle. L’un utilise une bobine (système inductif), l’autre un condensateur (décharge capacitive). Nous n’étudierons ici que le système inductif car il est le plus utilisé en automobile bien que le l’allumage par décharge capacitive soit plus efficace.

1°) Allumage électromécanique

Le schéma ci-contre représente le système électromécanique classique. L’avance est en général variable par rotation de la came sur son axe ou de la platine supportant les rupteurs. La rotation de la came est commandée par des masselottes (avance centrifuge) et celle de la platine par une capsule manométrique (avance à dépression). En effet à faible charge le moteur peut accepter une plus grande avance sans cliqueter. L’augmentation résultante de la puissance permet de regagner un peu ce que l’on a perdu par pompage. A faible régime l’avance doit, par contre, être réduite pour le démarrage (retour d’allumage) et pour la régularité du ralenti.

2°) Allumage électronique

C’est le système le plus répandu actuellement. La variation de l’avance à l’allumage

est obtenue électroniquement. La mesure de la position du vilebrequin et de la vitesse de rotation est obtenue par un capteur inductif situé en regard de la roue dentée du volant moteur. La charge est déterminée à partir de la mesure de la pression absolue dans le collecteur d’admission. Les deux grandeurs sont ensuite transmises à un calculateur qui détermine

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l’angle d’avance à l’allumage à l’aide d’une « cartographie » mémorisée. Le calculateur peut traiter d’autres grandeurs comme la température de l’air, de l’huile, du liquide de refroidissement (démarrage à froid), du papillon de gaz, la détection de cliquetis … afin d’optimiser le fonctionnement du moteur.

L’allumage électronique intégral est essentiellement monté sur les véhicules de haute gamme. La différence par rapport à

l’allumage électronique classique réside dans le fait que la distribution aux cylindres ne se fait plus par « Delco » mais électroniquement, c'est-à-dire directement contrôlée par le calculateur.

II-6 Carburation Comme nous l’avons vu précédemment le moteur à essence nécessite un dosage air

essence stoechiométrique quelque soit la quantité de mélange introduite (variation de la charge et de la vitesse de rotation). Le carburateur réalisait autrefois cette fonction. L’air aspiré par le moteur passe dans la buse ou « venturi » en créant une dépression du fait de l’augmentation de vitesse due à l’étranglement. L’essence est ainsi aspirée à travers le gicleur jusqu’à l’injecteur qui assure la pulvérisation au niveau de la buse. Plus la vitesse de l’air est importante plus la dépression est importante donc plus le débit d’essence est important. On peut démontrer que dans certaines conditions le rapport air essence théorique ainsi dosé est constant. C’est ce que l’on nomme « automaticité du carburateur » et l’on peut ajuster ce

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rapport en choisissant le gicleur. Dans la pratique, ça ce passe moins bien. La perte de charge au niveau du gicleur n’est pas proportionnelle à la dépression et l’on doit munir le carburateur de correcteurs (gicleurs de ralenti, gicleurs intermédiaires, trous d’émulsion…). De plus dans certaines conditions le dosage doit être différent : démarrage à froid, reprise… Les conditions extérieures peuvent aussi changer : la température, l’altitude qui entraîne une diminution de la pression atmosphérique (correcteur altimétrique)…

Les normes de pollution (CO et NO) ont nécessité l’utilisation de pots catalytiques qui

imposent un dosage rigoureusement stoechiométrique (§II-2). Le carburateur ne peut pas réaliser toujours et dans toutes les conditions un dosage parfait. L’électronique permet de réaliser un dosage précis.

La figure précédente montre un système possible. L’injection est ici « indirecte

multipoint », c'est-à-dire que le carburant est injecté dans chaque tubulure d’admission au niveau de la soupape d’admission. L’injection est alors synchronisée avec l’ouverture de la soupape. La pression d’injection est constante (3bar). Le dosage est obtenu en jouant sur le temps d’ouverture de l’injecteur.

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Pour les véhicules de bas de gamme, on adopte l’ « injection monopoint » qui est moins onéreuse. L’injection est alors effectuée dans le collecteur commun aux quatre cylindres et n’est pas synchronisée. Si l’injection est réalisée directement dans la chambre de combustion, on parle d’ « injection directe ». L’avantage est une augmentation de la puissance et du rendement : seul l’air passe la soupape d’admission (donc non entravé par l’essence), l’essence ne ruisselle pas sur les parois froides et la stratification de la charge permet des taux de compression plus importants. Le système est plus onéreux… La sonde lambda permet d’indiquer précisément au calculateur le passage de la stoechiométrie. Sa tension passe de 0V à 1V de manière très abrupte lorsque le mélange passe de pauvre à riche ou plus exactement lorsqu’il y a absence d’oxygène dans les l’échappement. Le calculateur corrige le dosage en fonction des indications de la sonde.

III Les moteurs Diesel III-1 Combustion dans les moteurs Diesel

Dans le moteur Diesel, le carburant s’auto enflamme dans l’air porté à haute température par la compression. Les moteurs Diesel nécessitent un taux de compression plus élevé que les moteurs à essence (15 à 21 en injection directe et 20 à 23 en injection indirecte). Le laps de temps entre l’injection du carburant et l’auto inflammation est dû, bien sûr, au délai chimique que nous avons vu précédemment mais aussi à des délais mécaniques de fractionnement et d’évaporation. Durant ces délais le carburant s’accumule dans la chambre de combustion et va brûler très rapidement (phase de combustion vive) au moment de l’auto inflammation, causant une élévation brutale de la pression et le cognement caractéristique des moteurs Diesel. A cette phase va succéder une phase de combustion lente dont la vitesse est gérée par celle de l’injection. Le schéma ci-dessous explique cette phase.

On comprend aisément qu’il faut injecter le carburant bien avant le PMH. C’est ce que l’on appelle l’avance à l’injection (de l’ordre de 40° vilebrequin). Le carburant n’étant pas pré mélangé à l’air, il trouve difficilement, par diffusion, les dernières molécules d’oxygène en fin de combustion. Ainsi, la combustion diphasique exige pour que le carburant brûle complètement que la richesse soit inférieure à 0,65.

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Pour éviter le cognement, le délai d’auto inflammation du carburant doit être, contrairement aux moteurs à essence, le plus court possible. Les carburants pour moteur diesel ont donc des caractéristiques recherchées inverses de celles des moteurs à essence. L’indice de cétane est une échelle comparable à l’indice d’octane des moteurs à essence mais inverse :

Dans un moteur CFR tournant à 900tr/mn, on mesure le délai d’allumage du carburant d’essai que l’on compare à celui d’un mélange de cétane (délai très court) et d’alphaméthylnaphtalène (délai très long). La législation impose un indice minimum de 50 qui correspond à un délai de 2 ,41ms ou 13° au vilebrequin à 900tr/mn. III-2 Injection La figure ci-dessous décrit le fonctionnement du moteur Diesel à injection classique.

Le bruit généré par le cognement caractéristique des moteurs Diesel a longtemps

obligé les constructeurs à adopter, pour les petits moteurs Diesel d’automobile, des chambres de combustion séparées dites « chambres Ricardo ». Cette configuration a l’inconvénient d’augmenter les pertes thermiques aux parois donc de diminuer le rendement. La consommation spécifique minimale d’un moteur à injection directe est de l’ordre de 200g/kWh pour 240g/kWh en injection indirecte. Les impératifs environnementaux nécessitent des pressions d’injection de plus en plus élevées (diminution des quantités de particules par diminution de la taille des gouttelettes). Il atteint aujourd’hui 1800bar, alors que les injections classiques étaient tarées à 250bars au maximum. Cela pose des problèmes insurmontables aux systèmes d’injection classique à cause du gonflement et de la résistance à la fatigue des tuyauteries reliant la pompe et les injecteurs. La plupart des moteurs Diesel des voitures particulières sont équipés aujourd’hui du système d’injection « common rail ».

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Le système « common rail » est commandé et régulé entièrement électroniquement. Le

calculateur gère l’avance à l’injection, la pression et temps d’injection ainsi que d’autres fonctions telles que :

- Le double actionnement de l’aiguille qui permet de limiter la phase de combustion vive et ainsi réduire le claquement.

- La limitation du débit à pleine charge (émission de particules) - La recirculation des gaz d’échappement (EGR) dont le but est de satisfaire les

normes antipollution concernant les monoxydes d’azote NO.

1 : Electroaimant 2 : Electrovanne 3 : Goujon 4 : Ressort d’électrovanne 5 : Chapeau de piston 6 : Piston double 7 : Détecteur de course d’aiguille 8 : Corps d’injecteur 9 : Nez d’injecteur 10 : Ecrou d’accouplement 11 : Contre écrou 12 : Ecrou de réglage du ressort 13 : Boîtier de soupape électromagnétique 14 : Aiguille d’injecteur

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Bibliographie : Cours « Combustion » C. Guilié sur le site de l’UIT Longwy rubrique téléchargement de cours Cours « Moteurs alternatifs » C. Guilié sur le site de l’UIT Longwy rubrique téléchargement de cours Cours « Définitions et bilans » C. Guilié sur le site de l’UIT Longwy rubrique téléchargement de cours Cours « Rappels de thermodynamique » C. Guilié sur le site de l’UIT Longwy rubrique téléchargement de cours « Carburants et moteurs » JC Guibet publication de l’IFP 2 tomes au CDI Longwy.

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Annexe : Augmentation du trafic routier

VP : Véhicules particuliers VUL : Véhicule utilitaire léger 2R : 2 roues PLM : Poids lourds marchandise PLV : Bus

Parc roulant en France en milliards de km (Source : INRTES Instit National de Recherche sur les Transports)

1973 2004 Facteur de

croissance Véhicules particuliers essence 12,9 11,6 0,88 Véhicules particuliers Diesel 0,48 12,7 26,4 Total des véhicules particuliers 13,4 24,3 1,81 Véhicules utilitaires (léger et lourd) 8,5 18,4 2,16 Total général 21,9 42,7 1,9

Evolution des consommations d’énergie de 1973 à 2004 (Source DGEMP-observatoire de l’énergie) en millions de TEP (Tonnes Equivalent Pétrole)

Documents

Moteurs Thermiques Pour Le Transport Routier