LES CARBURANTS

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8.15 Les moteurs « à combustion interne » (ainsi nommés par opposition aux machines à vapeur équipées d'un foyer extérieur, auxquelles ils ont succédé) utilisent l'énergie libérée par la combustion d'hydrocarbure Cette combustion peut être provoquée, dans un mélange d'air et d'hydrocarbure gazeux ou « vaporisé » en un très fin brouillard, soit p une flamme ou une étincelle, soit par une simple élévation de la température. Il existe en effet, pour un tel mélange, une température « d'auto inflammation », à laquelle la combustion s'amorce spontanément [5.6; question 5.B].

Cette température d'auto inflammation est variable selon la masse moléculaire de l'hydrocarbure et elle dépend aussi de sa structure, linéaire ou ramifiée; elle peut même être différente pour deux isomères

C₆H₁₄ = l' Hexane 234 °C

C₆H₁₄ = 2-méthylpentane . 306 °C

C₈H₁₈ = l' Octane 220 °C

C₈H₁₈ = le 2,2,4-triméthylpentane. . 456 °C

Dans un moteur à « allumage commandé», la combustion est provoquée par l'étincelle qui jaillit entre les électrodes de la bougie après compression du mélange air/carburant. Mais cette compression élève la, température du mélange gazeux et peut provoquer une auto inflammation prématurée. On dit alors que le moteur « cogne », ou « cliquète »; il ne donne pas sa puissance maximale et s'use plus rapidement. Cet inconvénient est d'autant plus à craindre que le taux de compression du moteur (rapport du volume initial non comprimé au volume final comprimé) est plus grand. Or le rendement des moteurs est d'autant meilleur que ce taux est plus élevé (consommation moindre pour une puissance donnée).

On recherche donc pour ces moteurs des carburants aussi peu «détonants » (auto inflammables) que possible. Les données ci-dessus montrent qu'à cet égard les alcanes ramifiés se comportent mieux que les alcanes linéaires; les hydrocarbures benzéniques ont aussi un très bon comportement. Les isomérisations et les cyclisations que subissent les alcanes à haute température [8.71 peuvent donc améliorer la qualité d'un carburant; c'est le but du « reformage » appliqué à certaines fractions obtenues par distillation du pétrole [25.3].

Le comportement à cet égard d'un carburant est caractérisé par son indice d'octane, qui est défini par comparaison avec deux étalons: l'heptane (indice 0) et le 2,4,4-triméthylpentane, improprement appelé en ce cas «iso-octane», (indice 100). Si un carburant a le même pouvoir antidétonant (même taux de compression maximal possible sans détonation) que celui d'un mélange heptane/iso octane contenant x % en volume d'iso octane, son indice d'octane est x. Le supercarburant a usuellement un. indice d'octane de 98. Par extrapolation, on définit des indices supérieurs à 100 (benzène : 107).

On peut améliorer l'indice d'octane d'un carburant par l'adjonction de tétraéthylplomb (CH₃CH₂)₄Pb c'indice d'octane de l'isooctane « plombé » peut atteindre 120). Mais ce plomb est rejeté dans l'atmosphère avec les gaz d'échappement et, en raison de sa toxicité, constitue un grave facteur de pollution (on estime que chaque année, dans le monde, plus de 200 000 tonnes de plomb sont ainsi rejetées dans l'atmosphère). La tendance est donc à l'utilisation de carburants sans plomb, pour lesquels un indice d'octane élevé est obtenu par une forte proportion d'alcanes ramifiés ou d'hydrocarbures benzéniques, ainsi que par l'addition d'éthanol CH₃CH₂0H (dans la limite de 5 % en France) et d'un éther-oxyde CH₃-0-C(CH₃)₃

Dans les moteurs diesel, le carburant est injecté dans des cylindres contenant de l'air porté, par compression, à une température de 500 °C à 600 °C, où il s'enflamme spontanément. Ce sont les alcanes linéaires de masse moléculaire moyenne (gasoil, ou gazole) qui conviennent le mieux. On définit alors un indice de cétane, par référence au comportement de mélanges d'hexadécane C₁₆H₃₄, ou «cétane» (indice 100) et d'a-méthylnaphtalène [7.6] (indice 0); le gazole commercial a normalement un indice de cétane égal à 50.

Les pots d'échappement catalytiques

Les gaz produits par un moteur (gaz «d'échappement ») sont constitués de vapeur d'eau, de dioxyde et de monoxyde de carbone CO, et CO, des oxydes d'azote NO et NO,, ainsi que d'hydrocarbures non brûlés. Les pots d'échappement « catalytiques » ont pour fonction de détruire, parmi ces composants, ceux qui représentent les facteurs de pollution les plus dangereux : CO, NO et N0₂ et les hydrocarbures.

Ils contiennent des «lits » catalytiques au contact desquels les gaz circulent, constitués par des métaux tels que le platine, le palladium et le rhodium, déposés sur un support en céramique. Au contact de ces métaux, par le jeu de diverses réactions assez complexes, CO est oxydé en C0₂, N0₂ et NO sont réduits en diazote N₂,et les hydrocarbures sont oxydés en C0₂ et H₂0. Les rejets ne contiennent donc, outre le diazote «rendu» à l'atmosphère, que du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau (contrairement à ce que l'on entend parfois dire, l'utilisation généralisée de ces pots catalytiques n'apporterait donc pas un remède à l'augmentation du taux de C0₂ dans l'atmosphère).

Bien que des pots catalytiques fonctionnent déjà, ces dispositifs font encore l'objet de recherches et de mises au point. Il est en effet très difficile d'obtenir que toutes les réactions souhaitées se réalisent avec un rendement maximal, notamment en raison d'importantes variations de température des gaz en fonction du régime du moteur (de 400 °C à 900 °C, et même parfois 1 100 °C).

Par ailleurs, les pots catalytiques sont incompatibles avec l'utilisation de carburants «plombés» (contenant du tétraéthylpomb), car le plomb inactive (« empoisonne ») les catalyseurs. Leur usage généralisé ne peut donc qu'aller de pair avec celui des carburants sans plomb.