utilisation des biocarburants dans les moteurs a - Agritrop

IV Escola de Combustão
Autor:
Belém, 24-28 de junho de 2013
UTILISATION DES BIOCARBURANTS DANS LES MOTEURS A
ALLUMAGE PAR COMPRESSION
Gilles Vaitilingom, [e-mail]
CIRAD-Persyst
UR114 TA B 114/16
73, rue JF Breton
34398 Montpellier – France
I. INTRODUCTION
Le fonctionnement des moteurs à allumage par compression se base sur l’aptitude du carburant à se
volatiliser en quelques millisecondes quand il est injecté dans un milieu comburant porté à des pressions de
l’ordre de 20 à 50 bars et à des températures de 500 à 700°C.
Sous ces conditions, le carburant sous forme de fines gouttelettes, doit s’enflammer très rapidement en allant
chercher l’O2 nécessaire à sa combustion. Ceci est caractérisé par l’indice de cétane des hydrocarbures
fossiles. Pour les carburants de la biomasse, on cherchera donc, à utiliser des produits dont les propriétés de
volatilité se rapprochent de celles des fossiles. Sinon, on profitera de l’aptitude des molécules du
biocarburant à se décomposer en libérant très rapidement des premiers composés aptes à brûler dans les
mêmes bases de temps que ceux émis par les hydrocarbures pétroliers. Le déroulement de la combustion qui
suivra l’inflammation, sera donc fortement influencé par la nature des composés restant après la libération
des composés les plus volatiles. Ce qui signifie que la nature chimique et les propriétés physiques des
molécules de biocarburants sont à prendre en compte lorsque l’on désire utiliser un moteur à allumage par
compression sans lui faire de modifications techniques. Le délai d’inflammation et la qualité de la
combustion seront donc étroitement liés aux caractéristiques physico-chimiques du biocarburant étudié.
I. TRAITS CARACTERISTIQUES DE LA COMBUSTION DANS LES MOTEURS A ALLUMAGE
PAR COMPRESSION.
Il est nécessaire d’examiner les traits caractéristiques de la combustion dans les moteurs à allumage par
compression afin de mieux comprendre les exigences de qualité des biocarburants envisagés pour leur
alimentation.
Les traits dominants de cette combustion sont (Brun, 1973) :
 sa discontinuité
L'unité de temps de la durée de vie de cette combustion est le millième de seconde. L'amplitude de
temps, mesurée en quelques millièmes de seconde, comprend :
a. la préparation du mélange (air + combustible)
b. l'inflammation de ce mélange
c. le développement du processus de combustion
d. la terminaison de ce processus
e. l'établissement d'un état général permettant la réalisation de la préparation
 Son intensité
L'énergie libérée sous forme de chaleur de combustion est de l'ordre de 1000 KW par m
3
dans une

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chaudière classique, de l'ordre de 10000 KW/m.
3
dans une chaudière à vaporisation instantanée, de
l'ordre de 100000 KW/m
3
dans les moteurs thermiques alternatifs malgré leur combustion
intermittente.
C'est parce que leur combustion est intermittente que l'on peut atteindre dans ces moteurs de telles
libérations d'énergie calorifique sans que les structures dépassent un niveau de température
inacceptable. Ces structures, en effet, ne sont soumises qu'à un flux thermique correspondant à un
niveau de température constante, très inférieur aux températures instantanées développées dans les
gaz en cours de combustion.
II. INFLUENCE DE LA NATURE DES COMBUSTIBLES SUR LE PROCESSUS DE LA
COMBUSTION.
Les deux hydrocarbures liquides fossiles utilisés couramment sont :
- l'essence
- le gasoil
Ils sont profondément dissemblables au point de vue physique et au point de vue chimique.
II.1 Au point de vue physique :
L'essence, hydrocarbure C
4
, C
8
est un liquide volatil à la température ambiante. On peut donc, sans
transformation préalable, la mélanger à l'air et effectuer ce mélange sans précautions spéciales
puisque la température d'auto-inflammation de l'essence est très supérieure à sa température de
vaporisation.
Le gasoil, hydrocarbure en C
14
, C
16
n'est pas volatil à la température ambiante. En air calme et dans
des conditions d'échauffement telles que les températures de l'air et du combustible, maintenues
voisines, s'élèvent lentement (bombe calorimétrique) l'auto-inflammation du gasoil se produit pour
des niveaux de température qui, fonctions de la pression régnante, sont voisines des suivantes :
Table 1 : températures d’auto-inflammation du gasoil en fonction de la pression dans une
bombe calorimétrique (Brun, 1973).
Pressions en bars 5 10 15 20 25
Températures en
0
C 305 260 235 220 210
Ces températures d'auto-inflammation du gasoil dans l'air sont inférieures à la température
d'évaporation complète du combustible laquelle avoisine 385° C, avec seulement 50% ayant distillé
à 250° C.
Il faut donc que le gasoil soit introduit à force dans l'air en cours de compression dans le cylindre et
qu'il le soit en un instant du cycle tel que l’auto-inflammation spontanée du gasoil se produise pour
une position convenable du piston, peu avant le P.M.H., en fin de course ascendante, compte tenu :
- d'une part, du gradient d'échauffement du combustible par unité de temps,
- d'autre part, du gradient d'accroissement de la pression de l'air par unité de temps,
. II.2 Au point de vue chimique
La vitesse d’oxydation de l’essence est relativement faible et l’inflammation provoquée par
l’étincelle de la bougie, se propage de proche en proche grâce à la conductibilité thermique du

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mélange air+combustible, et sans création d’onde de choc.
La vitesse d'oxydation du gasoil est d'environ 2000 fois supérieure à celle de l'essence.
En conséquence l'inflammation se propage sous l’effet d’un d'un phénomène mécanique, d'une onde
de choc qui précède l'onde de combustion (le front de flamme).
Dans le cylindre d’un moteur diesel, la température et la pression de l'air vont en croissant car, du
fait de la course ascendante du piston, le volume n'est pas constant.
Si la répartition du gasoil dans cet air chaud et sous pression se présentait comme un mélange saturé,
macro géométriquement et micro géométriquement homogène, le rapport de compression volumique
maximal que le mélange pourrait admettre sans provoquer de phénomènes destructeurs pour les
structures serait très inférieur au rapport de compression minimal assurant l’auto-inflammation du
mélange.
Or il est un fait que le moteur diesel existe : Cette existence est due à deux réalités fondamentales
qui sont que :
- la répartition du combustible dans l'air n'est pas homogène,
- le gasoil est un mélange d'hydrocarbures de caractéristiques physiques et chimiques
diverses.
III. INFLUENCE DE LA COMBUSTION SUR L’ARCHITECTURE DES MOTEURS A
ALLUMAGE PAR COMPRESSION.
Les moteurs à allumage par compression ont pu se développer commercialement parce que l'on a
réussi, dans le domaine technologique,
- d'une part à limiter le taux d'introduction du combustible par unité de temps, ou plus
précisément par unité d'angle de rotation du vilebrequin c'est à dire par portion unitaire de
cycle,
- d'autre part à limiter le temps que les premières gouttelettes de gasoil introduites mettent à
s'enflammer, c'est à dire à limiter la durée du délai d'inflammation.
Plus élevé est ce délai, plus importante est la masse de gasoil présente dans le cylindre qui est prête à
détoner lorsque l'auto-inflammation se produit, donc plus élevées sont les pressions maximales de
combustion et plus raides les gradients de montée en pression.
L'aptitude à présenter un délai court est caractérisée par le nombre de cétane.
On perçoit en première analyse que, pour résister à des contraintes mécaniques élevées, nées de la
combustion, l'ossature du moteur à allumage par compression doit être plus robuste que celle du moteur à
essence. Le diesel est donc plus lourd, plus volumineux, plus cher que le moteur à essence de même
puissance.
En seconde analyse, que la vitesse de rotation n'a pas une influence décisive sur le déroulement du
processus de combustion d'un moteur à allumage commandé alors qu'elle a une influence capitale sur le
déroulement du processus de combustion d'un moteur à allumage par compression.
III.1 Initiation et déroulement de la combustion – type de chambre de combustion.
L’auto-inflammation en moteur à allumage par compression, s’effectue en un certain nombre de
foyers nodulaires, à partir desquels les fronts de flamme se propagent vers les zones de la cylindrée
ou la pré-oxydation est moins avancée. Cette propagation relativement douce est la conséquence de

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l'hétérogénéité du mélange air combustible et de l'hétérogénéité du combustible qui est lui-même un
mélange de plusieurs hydrocarbures.
Figure 1 : Les différentes phases de la combustion. Evolution de la vitesse de dégagement de
chaleur en fonction de l’angle vilebrequin (Heywood, 1988).
La première phase « Fig.1 », correspond au délai d’inflammation du combustible injecté.
Durant une seconde phase, le combustible se trouve face à un excès d'oxygène, l'inflammation en
masse du combustible injecté s'effectue donc à la vitesse de combustion maximale; le gradient de la
montée en pression est raide; l'amplitude de la montée en pression dépend de la quantité de
combustible qui est présente au début de la phase.
Durant une troisième phase, l'allure de la combustion est caractérisée par une vitesse de combustion
contrôlée par le régime d'introduction du combustible; bien que la température aille en croissant,
cette vitesse de combustion est inférieure à celle de la seconde phase car les gouttelettes de
combustible pénètrent dans un mélange d'air et de produits de combustion. Cette phase, dite phase de
diffusion, se situe après la Pression Maximale; elle se développe après que le fluide contenu dans la
chambre ait atteint la température maximale.
La quatrième et dernière phase est la celle de la combustion tardive La combustion tardive met en
jeu le combustible qui ne s’est pas encore mélangé avec l’air. Durant cette période, la vitesse de
libération d’énergie est tributaire de la rencontre de l’air et du carburant. La combustion du carburant
non encore utilisé dépend uniquement du brassage des gaz dans le cylindre, c’est pourquoi
l’aérodynamique joue un rôle décisif au cours de ce dernier épisode de la réaction
Lorsqu'on observe l'évolution par une fenêtre transparente prenant jour dans une chambre de
combustion, on constate que le début de la combustion se manifeste non par une flamme mais par
une luminescence infiniment moins rayonnante qui est l'indice de la formation de peroxydes et
d'aldéhydes, l'apparition d'une flamme réelle ne se produit qu'après un laps de temps variable avec
le type de chambre de combustion et avec le type d'injecteur.
La qualité de la combustion est, au total, fonction, au premier chef, de la façon dont est réalisé le
mélange (air + combustible). La tache d'obtenir une combustion convenable appartient donc
essentiellement à la nature de la chambre de combustion et au type d'injecteur.
Deux types de moteur à allumage par compression sont mis en œuvre :
- les moteurs à injection directe (Fig.2):

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Dans cette solution le combustible va chercher l'air au sein d'une chambre de combustion
ménagée dans la tête du piston afin de créer un tourbillon local de l’air. Le rôle majeur est
assumé par l'injecteur qui est nécessairement un injecteur à plusieurs orifices (injecteur à
trous multiples).
Malheureusement les charges thermiques de ces têtes de piston ouvragées augmentent au
fur et à mesure que croissent l'alésage et la puissance par cm
2
de surface de tête de piston.
Figure 2 : chambre de moteur à injection directe (doc. DIESELPOWER)
- Les moteurs à injection indirecte (ou dans une chambre séparée).
Dans cette solution, l'air va chercher le combustible qui est injecté au sein d'une chambre
annexe, qui se trouve dans la culasse.
L'injecteur peut être, avantageusement, à orifice unique (injecteur à téton).
On distingue :
a) la chambre « de turbulence », chambre ouverte dont le type est la chambre
RICARDO COMET (Fig.3).
Durant la compression cette chambre est le siège d'un tourbillonnement intense ce qui
est éminemment favorable au mélange intime du combustible et de l'air
b) la préchambre de combustion (Fig.4)
Cette préchambre de capacité réduite, est relativement fermée; la température
élevée de ces parois permet que l'allumage commence très tôt au sein de gaz
très chargés en combustible, donc pauvres en oxygène; la vitesse de combustion
est, de ce fait, lente et la montée en pression est progressive.