La combustion

Introduction Le passage du carburateur à l'injection essence, mécanique puis électronique, s'est avéré indispensable pour respecter les normes de pollution de plus en plus sévères au cours des années 90, et a permis une évolution importante du fonctionnement du moteur à piston alternatif. Afin de réaliser les enjeux apportés par cette technologie, il est nécessaire de comprendre tout d'abord le processus de combustion du mélange air-essence dans la chambre de combustion

Le mélange combustible Le mélange combustible est composé de deux éléments essentiels : le carburant (l'essence), qui va développer une énergie calorifique, et le comburant (le dioxygène de l'air), qui va permettre cette combustion. Remarque : On peut jeter une allumette dans un récipient rempli d'essence, l'essence liquide ne brûlera pas, mais seulement une partie des vapeurs qui se trouvent à sa surface. Pour qu'il y ait combustion parfaite - c'est à dire qu'à la fin de la combustion il ne reste ni essence ni dioxygène - il faut que les éléments soient correctement dosés, c'est ce qu'on appelle le dosage stoechiométrique. Ainsi la combustion complète du mélange dioxygène + essence produit de l'eau, du dioxyde de carbone et de l'énergie provenant de la fission des molécules d'octane. Posons l'équation chimique : Remarque : L'essence étant composée principalement d'octane, on la représentera par C8H18 (formule de l'octane). essence (octane) = C8H18 (composée d'hydrogène et de carbone, d'où le terme "hydrocarbure") dioxygène = O2 eau = H2O dioxyde de carbone = CO2

Equation (non équilibrée) de la combustion C8H18 + O2 => CO2 + H2O Il faut maintenant équilibrer l'équation, afin qu'il y ait le même nombre d'atomes de chaque côté de la flèche (en chimie rien ne se perd, tout se transforme). Il suffit de compter le nombre d'atomes à gauche et à droite de la flèche. Pour équilibrer, on ne peut pas changer la quantité d'atomes dans les molécules (le petit chiffre placé derrière chaque atome) ; par contre, on peut changer le nombre de molécules, en rajoutant un chiffre devant, auquel cas on multiplie l'ensemble des atomes. Exemple : en rajoutant un 8 devant CO2 : 8 CO2 = 8 atomes de carbone C + 16 atomes d‘oxygène O.

En ajoutant les coefficients ci-dessus, on obtient donc : Equation équilibrée 1 C8H18 + 12,5 O2 => 8 CO2 + 9 H2O En ajoutant les coefficients ci-dessus, on obtient donc : La combustion d'1 mole d'octane (à ne pas confondre avec molécule !) nécessite donc 12,5 moles de dioxygène pour produire exactement 8 moles de dioxyde de carbone et 9 moles d'eau.

Quelques rappels théoriques L' atome est un élément infiniment petit qui mesure environ 1 Å (angström), soit 0, 000 000 000 1m ! Il est composé d'un noyau (constitué de neutrons et de protons) et d'un nuage ou gravitent des électrons sur différents niveaux. La molécule est un groupe d'atomes liés entre eux. La molécule du dioxyde de carbone se compose d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène. La mole est une unité, définissant une quantité de 6.023 x 1023 atomes (soit 602 300 000 000 000 000 000 000 atomes), appelé nombre d'Avogadro. En chimie, c'est une référence qui permet de calculer la masse des molécules à l'échelle humaine (une mole de carbone a une masse de 12g). Chaque mole d'atomes a une masse précise, appelée masse molaire ou masse atomique, que l'on retrouve dans le tableau périodique des éléments établi par Mendeleïev. D'après ce tableau : M© = 12 g/mol ; M(H) = 1 g/mol ; M(O) = 16 g/mol. On peut donc connaître la masse d'une mole d'octane : M(C8H18) : 8 x 12 + 18 x 1= 114 g.

On peut maintenant calculer la masse de l'air. Dans l'équation, nous avons 12,5 moles de dioxygène, soit 12.5 moles d'air puisque le dioxygène n'est pas séparé de l'azote dans l'admission. (L'air que nous respirons n'est pas composé de 100% d'oxygène, mais d'environ 20% de dioxygène O2 et de 80% de diazote N2.) Masse d'une mole d'air (O2+ 3.76 N2) : 2 x 16 + 3.76 x 2 x 14 = 137.28 g Masse d'air nécessaire pour brûler une mole d'octane : 12.5 x 137.28 = 1716 g Au final il faut donc 1716 g d'air pour 114 g d'essence, soit 1g d'essence pour 15.1 g d'air. Dans la pratique, la valeur de référence utilisée sera 1 g d'essence pour 14.7 g d'air (l'essence ne contenant pas 100% d'octane, mais également de l'heptane et des additifs). La limite d'incombustibilité (mélange trop riche) est de 1/8, la limite d'inexplosivité (mélange trop pauvre) de 1/28. La maîtrise de la combustion repose avant tout sur le respect de ce dosage, qui conditionne la puissance, la pollution et la consommation. La première difficulté est la vaporisation de l'essence dans l'air, puisque l'essence à l'état liquide ne permettrait pas de respecter ce dosage. Il est donc indispensable que le carburant soit uniformément réparti dans l'air, c'est à dire que le mélange soit homogène, afin que le dosage soit respecté en tout point du mélange.

La combustion de ces carburants entraîne l'émission de nombreuses substances polluantes : Le CO2, qui est avec l'eau le principal produit de la combustion complète des carburants. C'est un gaz à effet de serre : son rejet dans l'atmosphère favorise le réchauffement climatique. Le monoxyde de carbone CO et les hydrocarbures imbrûlés (HC) dont le benzène, qui sont émis lorsque la combustion du carburant dans le moteur est incomplète. Ces substances sont dangereuses pour la santé humaine. Les oxydes d'azote NOx qui sont formés par réaction entre le diazote et le dioxygène de l'air dans la chambre de combustion. Ils peuvent générer des pluies acides et participent à la formation de l'ozone atmosphérique qui entraîne des pics de pollution. Les efforts à court terme sont concentrés sur l'amélioration des performances des moteurs et des systèmes de post-traitement. Par exemple, une optimisation des processus de combustion par injections multiples permet d'augmenter le rendement du moteur et de réduire les émissions de polluants de combustion incomplète (CO et HC). D'autre part, les émissions des polluants formés sont réduites par l'utilisation de pots catalytiques trois voies qui permettent simultanément l'oxydation de CO et des HC en CO2 et la réduction des NOx en N2 .

À plus long terme, des changements de technologie sont envisagés avec la migration vers de nouveaux systèmes de motorisation et de nouvelles sources d'énergie : Moteur dédié au gaz naturel. Le méthane, principal constituant du gaz naturel, est, comme le pétrole, un combustible fossile non renouvelable. En revanche, sa combustion émet moins de CO2 et moins de polluants que l'essence et le diesel à énergie fournie égale. C'est donc un carburant intrinsèquement plus « propre ». Moteur hybride thermique/électrique. Le moteur thermique classique est couplé à un moteur électrique qui n'émet aucun polluants. L'énergie électrique peut éventuellement provenir d'une source non-fossile. De plus, l'énergie de freinage peut être récupérée par le moteur électrique fonctionnant en accumulateur, ce qui permet d'optimiser le rendement. Moteur à pile à combustible. L'énergie provient de la réaction de formation de l'eau par oxydoréduction entre le dihydrogène et le dioxygène. L'énergie chimique est dans ce cas transformée en énergie électrique avant d'être convertie en énergie mécanique. Son fonctionnement s'accompagne d'émission de polluants très faible par rapport à celles des moteurs thermiques actuels.

On peut également envisager le remplacement des carburants actuels par des agrocarburants qui peuvent être des hydrocarbures ou bien d'autres substances (éthanol, esters...). Ils sont synthétisés à partir de la biomasse par le procédé Fischer-Tropsch s'il s'agit d'hydrocarbures (autres filières de production) ou bien par d'autres procédés, éventuellement biochimiques (catalyse enzymatique). L'avantage à long terme de la biomasse est de constituer une source d'énergie renouvelable, elle permet donc un développement soutenable.