CARBURANTS

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CARBURANTS
CARBURANTS

Au sens large, les carburants sont des composĂ©s chimiques, le plus souvent liquides ou gazeux, dont la combustion en prĂ©sence d’air permet l’obtention d’énergie mĂ©canique dans les moteurs thermiques. À l’origine, la dĂ©nomination «carburant» Ă©tait rĂ©servĂ©e aux produits utilisĂ©s dans les moteurs classiques, Ă  allumage commandĂ©, munis d’un carburateur et d’un systĂšme d’allumage par Ă©tincelle. Le terme carburant s’applique maintenant Ă  l’ensemble des produits alimentant les divers types de moteurs (moteur classique Ă  essence, moteur Diesel, rĂ©acteur d’avion). Le mot combustible prĂ©sente une signification plus gĂ©nĂ©rale puisqu’il englobe les produits qui viennent d’ĂȘtre citĂ©s et ceux qui sont employĂ©s dans les chaudiĂšres, les foyers fixes, les centrales thermiques et nuclĂ©aires (fuel domestique, fuel lourd, charbon, uranium).

Les carburants sont, dans leur version classique, des mĂ©langes d’hydrocarbures issus des opĂ©rations de raffinage et de transformation du pĂ©trole brut. Mais le charbon et la biomasse peuvent Ă©galement constituer une matiĂšre premiĂšre pour l’obtention de produits organiques oxygĂ©nĂ©s (alcools, Ă©thers, esters...) utilisables comme carburants de substitution.

Les caractĂ©ristiques physico-chimiques de chaque type de carburant dĂ©pendent Ă©troitement du type de convertisseur d’énergie envisagĂ©, et rĂ©sultent d’un compromis entre les exigences du systĂšme moteur-vĂ©hicule et les contraintes de l’industrie du raffinage.

Supercarburant et essence ordinaire

La consommation de supercarburant et d’essence ordinaire a atteint 18 millions de tonnes en France en 1990, soit environ 24 p. 100 de la quantitĂ© de pĂ©trole brut traitĂ©.
Dans l’avenir, la part relative des essences (super et ordinaire) dans le bilan pĂ©trolier français devrait croĂźtre assez rapidement en raison essentiellement des rĂ©ductions de demande en produits moyens et lourds (fuel domestique et fuel lourd). La situation française devrait donc se rapprocher progressivement de celle qu’on observe depuis longtemps aux États-Unis oĂč plus de 40 p. 100 du pĂ©trole est transformĂ© en essence pour automobiles.

Le supercarburant et l’essence ordinaire prĂ©sentent des propriĂ©tĂ©s physiques trĂšs voisines, imposĂ©es par le mode d’alimentation et les conditions d’utilisation du moteur Ă  allumage commandĂ©. Les deux types de produits diffĂšrent cependant par leur constitution chimique et leur comportement au cours du processus de combustion.

Propriétés physiques

La densité, la courbe de distillation et la pression de vapeur constituent les caractéristiques physiques du carburant les plus importantes pour obtenir en toute circonstance un fonctionnement satisfaisant du véhicule.

Les spécifications françaises en cette matiÚre sont indiquées dans le tableau 1. La densité doit rester comprise entre deux bornes qui diffÚrent légÚrement suivant le type de carburant (essence ordinaire, supercarburant avec ou sans plomb). Les valeurs moyennes relatives aux produits commerciaux oscillent entre 0,730 et 0,760 pour les supercarburants, entre 0,720 et 0,745 pour les essences ordinaires.

Le constructeur d’automobiles tient compte d’une densitĂ© moyenne du carburant au cours du rĂ©glage et de la mise au point du carburateur. Sur les vĂ©hicules en service, une variation trop importante de densitĂ© entre les diffĂ©rents carburants commerciaux possibles pourrait perturber l’alimentation des moteurs en modifiant le dosage du mĂ©lange carburĂ©. Il en rĂ©sulterait soit des instabilitĂ©s de fonctionnement dues Ă  un mĂ©lange trop «pauvre», soit un rejet trop important d’oxyde de carbone et de produits imbrĂ»lĂ©s Ă  l’échappement. En outre, la consommation volumique de carburant dĂ©pend de la densitĂ©: elle est gĂ©nĂ©ralement plus faible avec un carburant plus dense. Il est admis que ces perturbations restent acceptables et tolĂ©rables si la plage de variation de densitĂ© ne dĂ©passe pas trente milliĂšmes. Cette plage, respectĂ©e par les raffineurs, permet de disposer d’une certaine souplesse au stade de la formulation des carburants.

La courbe de distillation du carburant représente le pourcentage de produit distillé à pression ambiante, en fonction de la température. Elle est en général définie par quelques repÚres: point initial, point final, pourcentages distillés à 70 0C et à 100 0C, désignés respectivement par les symboles E70 et E100.

La pression de vapeur se dĂ©termine au moyen d’une mĂ©thode normalisĂ©e; elle s’exprime par la pression relative dĂ©veloppĂ©e Ă  37,8 0C par les vapeurs issues d’un certain volume d’essence et recueillies dans une enceinte mĂ©tallique de forme et de contenance bien dĂ©terminĂ©es.

Il existe une corrĂ©lation entre les caractĂ©ristiques de distillation et la tension de vapeur; cependant, cette derniĂšre peut ĂȘtre ajustĂ©e commodĂ©ment par adjonction d’une faible quantitĂ© de butane, sans modification profonde de la courbe de distillation.

De façon systĂ©matique, le dĂ©marrage Ă  froid et la mise en action du vĂ©hicule sont d’autant plus aisĂ©s que le point initial et la tempĂ©rature correspondante au point «10 p. 100 distillé» sont plus bas. Cette constatation indique la voie Ă  suivre pour obtenir un carburant de comportement satisfaisant en hiver. Toutefois, une autre contrainte peut apparaĂźtre: il s’agit de risque de givrage, c’est-Ă -dire de formation de glace dans le corps du carburateur lorsque l’air est chargĂ© d’humiditĂ©. Le phĂ©nomĂšne de givrage entraĂźne des instabilitĂ©s de fonctionnement et mĂȘme des calages au ralenti ou en rĂ©gime de croisiĂšre; il est favorisĂ© par l’emploi de carburants trop volatils dont la vaporisation facile contribue Ă  refroidir la tubulure d’admission. Il faudra donc en hiver un carburant suffisamment volatil pour assurer un bon dĂ©marrage, tout en se gardant d’un excĂšs dans ce sens afin d’éviter les risques de givrage.

Lors du fonctionnement du vĂ©hicule par temps chaud, il convient d’éviter certains incidents, comme la formation de tampons de vapeur ou la percolation. Le premier phĂ©nomĂšne se caractĂ©rise par l’existence de poches gazeuses dans les canalisations du circuit d’alimentation en carburant, ce qui provoque un fonctionnement irrĂ©gulier ou, dans les cas extrĂȘmes, une immobilisation du vĂ©hicule. La percolation correspond, sur une voiture Ă  l’arrĂȘt, Ă  une Ă©vaporation intense du carburant, provoquant un dĂ©samorçage de la cuve Ă  niveau constant du carburateur et une accumulation trop importante d’essence vaporisĂ©e dans la tubulure d’admission. Il peut en rĂ©sulter de sĂ©rieuses difficultĂ©s de dĂ©marrage aprĂšs une courte pĂ©riode d’arrĂȘt par temps chaud. Les spĂ©cifications tiennent compte des contraintes antagonistes prĂ©cĂ©dentes qui deviennent, l’une ou l’autre, prĂ©dominantes selon la saison. La rĂ©glementation (tabl. 1) porte Ă  la fois sur la courbe de distillation fixant des valeurs minimale et maximale pour les termes E70 et E100, et sur la pression de vapeur, astreinte Ă  des bornes prĂ©cises. En outre, les techniciens ont instituĂ© un contrĂŽle supplĂ©mentaire par l’intermĂ©diaire de l’indice de volatilitĂ©, ou Fuel Volatility Index (F.V.I.). Celui-ci est donnĂ© par la relation:

oĂč P.V.R. est la pression de vapeur (mbar) et E70 le pourcentage distillĂ© Ă  70 0C.

F.V.I. ne doit pas dĂ©passer une valeur limite, indiquĂ©e dans les spĂ©cifications et variable selon la saison. La rĂ©glementation française dĂ©finit quatre saisons (juin-sept., sept.-nov., nov.-avr. et avr.-juin) et trois qualitĂ©s distinctes (mĂȘme niveau de septembre Ă  novembre et d’avril Ă  juin).

Le point final de distillation des carburants ne doit pas dĂ©passer une valeur limite, fixĂ©e actuellement Ă  215 0C. En effet, la prĂ©sence de fractions trop lourdes conduirait Ă  une combustion incomplĂšte et Ă  un certain nombre d’inconvĂ©nients concomitants: consommation volumique plus Ă©levĂ©e, rĂ©partition irrĂ©guliĂšre du carburant entre les cylindres, dilution du lubrifiant, encrassement de la chambre de combustion, usure prĂ©maturĂ©e du moteur. En pratique, le point final de distillation des carburants se situe entre 170 0C et 200 0C.

Propriétés thermiques

La chaleur de vaporisation constitue thĂ©oriquement une caractĂ©ristique importante pour la prĂ©paration du mĂ©lange carburĂ©. En fait, cette grandeur reste sensiblement constante pour tous les carburants classiques – de l’ordre de 335 J/g – et n’entraĂźne pas habituellement de contrainte particuliĂšre. Il faut toutefois signaler ici que l’emploi de certains carburants de substitution Ă  forte chaleur de vaporisation, comme les alcools et notamment le mĂ©thanol, exige des adaptations ou des modifications du circuit d’admission.

Le pouvoir calorifique varie gĂ©nĂ©ralement peu pour l’ensemble des carburants classiques. ExprimĂ© en volume, il est le plus souvent de 2 Ă  3 p. 100 plus Ă©levĂ© pour le supercarburant que pour l’essence ordinaire. Les valeurs moyennes sont de l’ordre de 32 500 kJ/l et 31 700 kJ/l pour chacun des deux types de qualitĂ©. À l’intĂ©rieur d’une mĂȘme catĂ©gorie de produit, les Ă©carts extrĂȘmes de pouvoir calorifique volumique dĂ©passent rarement 3 p. 100.

Propriétés chimiques

Avant de dĂ©crire les contraintes imposĂ©es en matiĂšre de structure chimique des carburants, il est nĂ©cessaire de rappeler les diffĂ©rents mĂ©canismes possibles de combustion dans le moteur d’automobile.

Le processus normal consiste en une combustion rapide mais progressive de la charge, grĂące Ă  la propagation d’un front de flamme issu de l’étincelle jaillissant entre les Ă©lectrodes de la bougie d’allumage.

Le phĂ©nomĂšne parasite est le cliquetis ; il s’agit d’une auto-inflammation, instantanĂ©e et en masse, d’une partie de la charge non encore brĂ»lĂ©e et portĂ©e Ă  tempĂ©rature et pression Ă©levĂ©es par le mouvement du piston et par le dĂ©gagement d’énergie dĂ» Ă  la propagation du front de flamme. Le cliquetis, qui se manifeste par un bruit mĂ©tallique trĂšs caractĂ©ristique, ne peut subsister de façon permanente car il entraĂźnerait des contraintes mĂ©caniques et thermiques trop sĂ©vĂšres, gĂ©nĂ©ratrices Ă  brĂšve Ă©chĂ©ance d’incidents destructifs trĂšs graves tels que dĂ©tĂ©rioration de culasse et de soupapes ou mĂȘme percement de piston.

Certains types d’hydrocarbures prĂ©sentent une bonne rĂ©sistance Ă  l’auto-inflammation, et doivent alors ĂȘtre recherchĂ©s pour la constitution des carburants car ils permettent d’accroĂźtre le taux de compression des moteurs et donc d’amĂ©liorer les rendements Ă©nergĂ©tiques sans risquer l’apparition du cliquetis. De façon gĂ©nĂ©rale, les structures hydrocarbonĂ©es les plus rĂ©sistantes au cliquetis sont les paraffines et olĂ©fines fortement ramifiĂ©es, et les composĂ©s aromatiques: benzĂšne, toluĂšne, xylĂšnes. Les paraffines et olĂ©fines en chaĂźnes droites, avec plus de quatre atomes de carbone, sont au contraire trĂšs propices au cliquetis. Le tableau 2 donne la composition chimique des carburants français.

Sur le plan thĂ©orique, le comportement d’un carburant peut s’exprimer par la notion de dĂ©lai d’auto-inflammation selon l’expression:

oĂč le dĂ©lai reprĂ©sente le temps nĂ©cessaire au dĂ©clenchement du phĂ©nomĂšne sous la pression P et la tempĂ©rature T; A, n et B sont des grandeurs caractĂ©ristiques du carburant. Dans le moteur, la pression et la tempĂ©rature des gaz non brĂ»lĂ©s varient Ă  chaque instant en raison du mouvement du piston et du dĂ©gagement progressif d’énergie accompagnant le dĂ©placement du front de flamme. La connaissance des paramĂštres A, n , B et la dĂ©termination de la loi d’évolution de la tempĂ©rature et de la pression en fonction du temps permettraient thĂ©oriquement de prĂ©voir l’existence Ă©ventuelle et le moment d’apparition du cliquetis. Une telle approche n’est cependant pas appliquĂ©e en pratique, car elle implique la mise en Ɠuvre de techniques expĂ©rimentales et de calculs complexes.

Pour caractĂ©riser le comportement des carburants en matiĂšre de rĂ©sistance au cliquetis, la mĂ©thode traditionnelle, et d’ailleurs universellement employĂ©e, consiste Ă  introduire la notion classique d’indice d’octane. Le carburant testĂ© est comparĂ© Ă  deux hydrocarbures purs choisis comme rĂ©fĂ©rence. Il s’agit respectivement du 2, 2, 4-trimĂ©thylpentane (ou isooctane), trĂšs rĂ©sistant Ă  l’auto-inflammation, auquel on attribue arbitrairement l’indice 100, et du n- heptane, peu rĂ©sistant, qui reçoit l’indice 0. Un carburant prĂ©sente un indice d’octane X s’il se comporte comme un mĂ©lange de x p. 100 d’isooctane et de (100  x ) p. 100 de n- heptane. Les mĂ©langes binaires isooctane-heptane sont appelĂ©s carburants primaires. Des indices supĂ©rieurs Ă  100 peuvent aussi ĂȘtre dĂ©finis: le produit de rĂ©fĂ©rence est alors l’isooctane additionnĂ© de faibles quantitĂ©s de plomb tĂ©traĂ©thyle.

La dĂ©termination d’un indice d’octane implique le choix de conditions opĂ©ratoires prĂ©cises. La mesure est effectuĂ©e sur un moteur de laboratoire appelĂ© CFR, en souvenir du groupe d’étude (Cooperative Fuel Research) constituĂ© en 1928 aux États-Unis pour standardiser des mĂ©thodes de caractĂ©risation des carburants.

Le moteur CFR est monocylindre; il fonctionne Ă  pleine admission et Ă  faible rĂ©gime de rotation: de 600 Ă  900 tr/min selon la procĂ©dure retenue. Le taux de compression est variable; il peut ĂȘtre rĂ©glĂ© en marche par un dĂ©placement vertical du cylindre commandĂ© par un ensemble manivelle et crĂ©maillĂšre. Le principe de la mĂ©thode consiste Ă  augmenter progressivement le taux de compression jusqu’à l’obtention d’une intensitĂ© «standard» de cliquetis repĂ©rĂ©e par un dĂ©tecteur de pression implantĂ© dans la chambre de combustion. Il suffit alors, pour dĂ©terminer l’indice d’octane, de se reporter Ă  une table de rĂ©fĂ©rence fournissant le taux de compression critique des diffĂ©rents mĂ©langes binaires.

Deux procĂ©dures normalisĂ©es fournissent respectivement les indices RON (mĂ©thode «Recherche» ou «F1») et MON (mĂ©thode «Motor» ou «F2»). Lors de la dĂ©termination du RON, le moteur fonctionne Ă  600 tr/min, avec une avance Ă  l’allumage fixe et sans rĂ©chauffage du mĂ©lange carburĂ©. Le MON correspond Ă  un rĂ©gime de rotation de 900 tr/min, une avance Ă  l’allumage variable avec le taux de compression et surtout une tempĂ©rature d’admission de 150 0C. L’écart de prĂ©cision de la mesure, pour les carburants classiques, est de l’ordre de 0,3 point pour le RON et de 0,7 point pour le MON. Le RON constitue une caractĂ©ristique plus usuelle et plus rĂ©pandue que le MON; aussi, lorsqu’on cite l’indice d’octane, sans rĂ©fĂ©rence prĂ©cise Ă  l’une ou l’autre des procĂ©dures, il s’agit dans tous les cas du RON.

Le MON des carburants est toujours plus faible que le RON. La diffĂ©rence RON  MON est appelĂ©e sensibilitĂ©: elle constitue une indication de la sensibilitĂ© du carburant Ă  une modification des conditions de tempĂ©rature et de pression, dans le sens imposĂ© par le passage de l’une Ă  l’autre des procĂ©dures normalisĂ©es sur le moteur CFR. La sensibilitĂ© des carburants finis varie le plus souvent entre 6 et 13, selon la nature des constituants. Une sensibilitĂ© Ă©levĂ©e – donc un MON faible – traduit notamment une dĂ©tĂ©rioration importante de la rĂ©sistance au cliquetis lorsque la tempĂ©rature augmente. Ce type d’évolution se manifeste lorsque le moteur fonctionne Ă  vitesse Ă©levĂ©e et, concrĂštement, les carburants «sensibles» prĂ©sentent une tendance marquĂ©e au cliquetis Ă  haut rĂ©gime dont les consĂ©quences sur le plan mĂ©canique sont particuliĂšrement redoutables.

En France, le RON du supercarburant doit ĂȘtre compris entre 97 et 99, celui de l’essence ordinaire entre 89 et 92. Il n’existe pas de spĂ©cification officielle pour le MON, mais celui du supercarburant est presque toujours supĂ©rieur Ă  86; au-dessous de ce seuil, il existerait en effet, sur les vĂ©hicules modernes, un risque certain de cliquetis Ă  haut rĂ©gime. C’est pour se protĂ©ger tout spĂ©cialement contre ce dernier type d’incident que, en Allemagne, la spĂ©cification du supercarburant porte non sur le RON mais sur le MON, qui doit ĂȘtre supĂ©rieur ou Ă©gal Ă  87.

ConcrĂštement, l’accroissement d’indice d’octane de 6 Ă  7 points (RON ou MON) entre l’essence ordinaire et le supercarburant permet d’élever de 1 point environ (de 8,5 Ă  9,5 en moyenne) le taux de compression du moteur, ce qui entraĂźne un gain de rendement de 4 Ă  6 p. 100. L’existence d’une corrĂ©lation trĂšs Ă©troite entre indice d’octane et rendement explique tous les efforts dĂ©ployĂ©s dans l’industrie du raffinage pour obtenir des carburants de trĂšs haute qualitĂ©.

La connaissance de l’un des deux indices d’octane, ou mĂȘme du couple RON-MON, ne suffit pas Ă  prĂ©voir le comportement d’un carburant sur un moteur de sĂ©rie; dans ce cas, en effet, l’évolution de la pression et de la tempĂ©rature en fonction du temps, dans les gaz soumis au risque de cliquetis, peut ĂȘtre trĂšs diffĂ©rente de celle qu’on observe sur le moteur CFR. Il est possible de comparer, sur moteur au banc d’essai, ou sur vĂ©hicule, le comportement du carburant Ă  celui des mĂ©langes primaires. Plusieurs procĂ©dures correspondant Ă  cette approche ont Ă©tĂ© mises au point et conduisent Ă  dĂ©finir des indices d’octane «Route». Ceux-ci fournissent des renseignements utiles mais fragmentaires. L’expĂ©rience montre qu’un mĂȘme carburant, testĂ© sur diffĂ©rents vĂ©hicules dans des conditions de fonctionnement variĂ©es, peut prĂ©senter selon les cas des Ă©carts de comportement trĂšs importants, correspondant par exemple Ă  une variation de plus de 10 points de l’indice d’octane «Route».

Certains carburants, notamment, peuvent occasionner du cliquetis lors des phases d’accĂ©lĂ©ration du vĂ©hicule, Ă  partir de faibles rĂ©gimes de rotation du moteur. Dans ces conditions, en effet, l’ouverture rapide du volet d’admission entraĂźne des difficultĂ©s de mise en suspension du carburant dans l’air et de transport du mĂ©lange carburĂ© vers le cylindre. Le moteur reçoit prĂ©fĂ©rentiellement les fractions les plus volatiles du carburant souvent caractĂ©risĂ©es par une forte tendance au cliquetis. Le comportement d’un carburant en accĂ©lĂ©ration s’exprime souvent au moyen d’une caractĂ©ristique, notĂ©e R 100 ou plus simplement R. Celle-ci est, par convention, la diffĂ©rence entre le RON du carburant et le RON de la fraction distillĂ©e avant 100 0C. Le R des carburants commerciaux varie gĂ©nĂ©ralement entre 5 et 15. Il n’existe pas de spĂ©cification officielle dans ce domaine, mais le raffineur s’efforce, au cours de la formulation du carburant, d’obtenir un R aussi bas que possible.

Procédés de fabrication

L’opĂ©ration, trĂšs complexe, de formulation du carburant consistera Ă  mĂ©langer diffĂ©rents effluents, issus des diverses unitĂ©s de raffinage, pour obtenir un produit conforme aux spĂ©cifications (RON, volatilitĂ©, distillation) et possĂ©dant en outre certaines qualitĂ©s complĂ©mentaires (MON, R...). Les essences de distillation directe du pĂ©trole brut prĂ©sentent un RON trĂšs faible – de 50 Ă  70 selon la nature de la charge et l’intervalle de distillation – et ne peuvent constituer qu’un produit d’appoint dans la prĂ©paration des carburants modernes. Le procĂ©dĂ© de reformage catalytique est spĂ©cialement mis en Ɠuvre pour obtenir des fractions pĂ©troliĂšres Ă  haut indice d’octane. À partir d’une charge de nature essentiellement paraffinique, on obtient un «reformat» riche en hydrocarbures aromatiques. Le RON de l’effluent peut varier dans de larges proportions (de 88 Ă  98) selon les conditions opĂ©ratoires; cette technique offre donc une grande souplesse d’utilisation. Le reformat prĂ©sente un MON acceptable: la sensibilitĂ© dĂ©passe rarement 10; toutefois, le R est trĂšs Ă©levĂ© – de l’ordre de 16 –, ce qui traduit une forte tendance au cliquetis en accĂ©lĂ©ration Ă  faible rĂ©gime de rotation.

Une autre unitĂ© de raffinage apporte une contribution importante Ă  la constitution du carburant: il s’agit du craquage catalytique de fractions lourdes, et plus prĂ©cisĂ©ment de distillats sous vides. Les essences de craquage prĂ©sentent un RON Ă©levĂ© (de 90 Ă  94), un R trĂšs satisfaisant, mais leur MON est particuliĂšrement faible. Cette derniĂšre caractĂ©ristique est liĂ©e Ă  la prĂ©sence d’olĂ©fines; ces types d’hydrocarbures prĂ©sentent toujours une forte sensibilitĂ© et un comportement mĂ©diocre vis-Ă -vis des risques de cliquetis Ă  haut rĂ©gime.

Le procĂ©dĂ© dit de vapocraquage fournit essentiellement les grands produits de dĂ©part de la pĂ©trochimie (Ă©thylĂšne, aromatiques); cependant, certains de ses effluents peuvent ĂȘtre incorporĂ©s au carburant. Ils prĂ©sentent un RON Ă©levĂ© mais un MON le plus souvent faible, particuliĂšrement lorsqu’ils contiennent des olĂ©fines.

D’autres techniques fournissent des produits bien adaptĂ©s Ă  une utilisation dans les carburants. Ainsi, l’alkylation qui consiste Ă  condenser deux hydrocarbures gazeux, l’un paraffinique (isobutane), l’autre olĂ©finique (propylĂšne ou isobutĂšne), donne un alkylat Ă  haut indice d’octane (93-96) et Ă  faible sensibilitĂ©. L’isomĂ©risation qui conduit Ă  des structures paraffiniques ramifiĂ©es Ă  partir d’hydrocarbures en chaĂźne droite constitue Ă©galement un procĂ©dĂ© intĂ©ressant bien que peu dĂ©veloppĂ© jusqu’à prĂ©sent.

Enfin, la formulation du carburant est complĂ©tĂ©e par l’adjonction de fractions lĂ©gĂšres (butane, isopentane) issues soit de la distillation directe, soit des procĂ©dĂ©s de conversion. Ces produits, qui servent principalement Ă  ajuster la tension de vapeur et la courbe de distillation, prĂ©sentent un RON Ă©levĂ© – supĂ©rieur Ă  90 – mais ne constituent qu’un appoint.

Le tableau 3 prĂ©sente une estimation de la composition globale du pool carburants en France; sont Ă©galement indiquĂ©s, Ă  titre de comparaison, les chiffres correspondant au pool amĂ©ricain, qui indiquent une plus forte participation des effluents de conversion (craquage, alkylation) par rapport au reformat. À moyen terme, la situation française dans ce domaine devrait se rapprocher progressivement de celle qu’on observe aux États-Unis.

Les contraintes en matiĂšre de disponibilitĂ©, de coĂ»t et de qualitĂ© des diffĂ©rentes bases de raffinerie permettent d’obtenir assez aisĂ©ment un mĂ©lange final prĂ©sentant un RON de l’ordre de 92 et satisfaisant Ă  l’ensemble des propriĂ©tĂ©s physico-chimiques requises pour une utilisation correcte sur moteur. Seul le RON est encore Ă©loignĂ© de l’objectif Ă  atteindre: 97 pour le supercarburant. L’obtention d’un tel niveau, uniquement par adaptation du schĂ©ma de raffinage, pourrait ĂȘtre rĂ©alisĂ©e dans certaines circonstances favorables; toutefois, elle serait le plus souvent soit techniquement impossible, soit trop coĂ»teuse.

Il existe heureusement des additifs permettant d’accroĂźtre sans difficultĂ© technique ou Ă©conomique l’indice d’octane des carburants: ce sont les alkyles de plomb, connus et utilisĂ©s depuis 1922 environ. Il s’agit de plomb tĂ©traĂ©thyle, Pb(C2H5)4 ou PTE, de plomb tĂ©tramĂ©thyle, Pb(CH3)4 ou PTM, de mĂ©langes physiques de ces produits, ou encore de composĂ©s mixtes renfermant diverses combinaisons possibles de groupements C2H5 et CH3: Pb(C2H5)2(CH3)2, Pb(C2H5)3 CH3, Pb(C2H5)(CH3)3. Les produits de base PTE et PTM sont des liquides, prĂ©sentant respectivement une tempĂ©rature d’ébullition de 205 0C et 110 0C. Les doses d’additifs sont gĂ©nĂ©ralement exprimĂ©es en grammes de plomb par litre de carburant et correspondent Ă  des teneurs en plomb comprises actuellement entre 0,15 et 0,80 g/l.

Les alkyles de plomb sont des inhibiteurs d’auto-inflammation dont l’action fait intervenir l’oxyde mĂ©tallique PbO. Celui-ci dĂ©sactive les espĂšces radicalaires propagatrices de chaĂźne, du type OH ou (HO)2, dont la croissance constitue un prĂ©alable nĂ©cessaire au dĂ©clenchement de l’auto-inflammation. Le mĂ©canisme envisagĂ© peut correspondre par exemple au schĂ©ma suivant:

ConcrĂštement, l’addition d’alkyles de plomb dans un carburant se traduit par un gain de plusieurs points d’indice d’octane. Ainsi, Ă  partir d’un niveau de RON voisin de 92, les accroissements sont de l’ordre de 2 Ă  2,5 points pour une teneur en plomb de 0,15 g/1, de 5 Ă  6 points pour 0,4 g/1, de 6 Ă  7 points pour 0,5 g/1. Pour des teneurs en plomb plus Ă©levĂ©es, on observerait un effet de saturation et les amĂ©liorations supplĂ©mentaires d’indice d’octane deviendraient minimes.

Le PTM prĂ©sente gĂ©nĂ©ralement une plus grande efficacitĂ© que le PTE; celle-ci se manifeste sur deux plans. D’abord, le PTM dont la tempĂ©rature d’ébullition est plus faible accompagne, en cas de sĂ©grĂ©gation, les fractions les plus volatiles du carburant et contribue par consĂ©quent Ă  amĂ©liorer le R. Le PTM est Ă©galement plus efficace que le PTE lorsque le moteur fonctionne Ă  vitesse Ă©levĂ©e, car dans ce cas l’élĂ©ment actif PbO est obtenu Ă  un moment plus opportun au cours du cycle de combustion.

L’introduction d’alkyles de plomb dans le carburant pourrait entraĂźner la formation de dĂ©pĂŽts, en quantitĂ©s importantes, dans les chambres de combustion et dans le systĂšme d’échappement. Pour Ă©viter cet inconvĂ©nient, on incorpore Ă  l’additif des produits d’entraĂźnement appelĂ©s «scavengers». Il s’agit du dibromoĂ©thane, C2H4Br2, et du dichloroĂ©thane C2H4Cl2, qui, lorsque l’oxyde de plomb a rempli son office d’inhibiteur, transforment ce produit rĂ©fractaire en bromure et chlorure de plomb, eux-mĂȘmes volatils aux tempĂ©ratures rĂ©gnant Ă  l’intĂ©rieur du cylindre et susceptibles d’ĂȘtre Ă©vacuĂ©s en grande partie par les gaz d’échappement.

La suppression du plomb: causes et conséquences

Les alkyles de plomb qui permettent d’accroĂźtre aisĂ©ment et Ă  faible coĂ»t l’indice d’octane des carburants deviennent toutefois indĂ©sirables en cas de rĂ©glementation antipollution trĂšs sĂ©vĂšre, non pas en raison de leur toxicitĂ© directe qui n’a jamais Ă©tĂ© dĂ©montrĂ©e, mais parce qu’ils constituent des poisons pour les pots d’échappement catalytiques Ă  base de mĂ©taux prĂ©cieux utilisĂ©s pour supprimer les polluants gazeux (oxyde de carbone, hydrocarbures imbrĂ»lĂ©s et oxyde d’azote).

Les pots catalytiques et les carburants sans plomb se sont dĂ©veloppĂ©s depuis les annĂ©es 1970 aux États-Unis, au Canada et au Japon, compte tenu des normes antipollution trĂšs strictes en vigueur dans ces pays.

En Europe, la C.E.E. a adoptĂ© en 1985 une nouvelle rĂ©glementation qui, progressivement, impose l’emploi de pots catalytiques sur les vĂ©hicules de plus de 2 litres de cylindrĂ©e. ParallĂšlement, la directive du 20 mars 1985 stipule que les États membres doivent prendre les mesures nĂ©cessaires pour assurer la disponibilitĂ© et la distribution uniformĂ©ment rĂ©partie sur leur territoire du carburant sans plomb, Ă  partir du 1er octobre 1989. Le nouveau carburant sans plomb, encore appelĂ© Eurosuper, doit prĂ©senter un RON minimal de 95 et un MON minimal de 85. Ce produit est dĂ©jĂ  largement diffusĂ© en Allemagne, en Suisse, aux Pays-Bas et en Scandinavie depuis 1986. Il est apparu plus tard dans d’autres pays, comme la France ou l’Italie.

À terme, la vitesse de pĂ©nĂ©tration des carburants sans plomb en Europe dĂ©pendra de plusieurs composantes (maintien ou durcissement des normes antipollution, fiscalitĂ©, pressions d’associations pour la protection de l’environnement...).

En France, il est prĂ©vu que le carburant sans plomb remplace, Ă  brĂšve Ă©chĂ©ance, l’actuelle essence ordinaire dont le marchĂ© est en trĂšs nette rĂ©gression.

Les enjeux technico-Ă©conomiques de la suppression du plomb sont considĂ©rables et concernent Ă  la fois les industries automobile et pĂ©troliĂšre. Les nouveaux vĂ©hicules devront en effet se satisfaire d’un carburant dont le RON aura Ă©tĂ© rĂ©duit de 2 Ă  3 points. Les adaptations nĂ©cessaires (baisse du taux de compression, rĂ©duction de l’avance Ă  l’allumage) entraĂźneront un accroissement de consommation de l’ordre de 2 Ă  3 p. 100; de son cĂŽtĂ©, l’industrie du raffinage devra relever de 3 points environ (de 92 Ă  95) le RON moyen des composants du pool essence. Le bilan Ă©conomique de la suppression complĂšte du plomb dans les carburants français entraĂźnera une dĂ©pense totale de l’ordre de 3 milliards de francs, incluant les achats supplĂ©mentaires de pĂ©trole brut, les coĂ»ts opĂ©ratoires et les charges d’investissement en raffinerie. L’indice d’octane retenu (RON = 95) pour le nouveau carburant constitue cependant une valeur optimale: un niveau plus faible ou plus Ă©levĂ© provoquerait en effet des dĂ©penses plus importantes, soit en ce qui concerne la consommation des vĂ©hicules, soit en matiĂšre de coĂ»t de raffinage.

Adaptation moteur-carburant: exigence en octane

Lors de la conception du moteur et du vĂ©hicule, le constructeur doit tenir compte des limitations imposĂ©es par les caractĂ©ristiques des carburants afin d’assurer un fonctionnement exempt de cliquetis. De son cĂŽtĂ©, le raffineur cherche Ă  obtenir les meilleurs produits pĂ©troliers au moindre coĂ»t. Ces approches complĂ©mentaires constituent l’adaptation moteur-carburant et font appel au concept d’exigence en octane. Celle-ci reprĂ©sente le niveau d’octane du carburant nĂ©cessaire pour Ă©viter toute trace de cliquetis, dans les conditions les plus sĂ©vĂšres de fonctionnement du vĂ©hicule.

L’exigence en octane varie avec diffĂ©rents paramĂštres de rĂ©glage et de conception du moteur (taux de compression, avance Ă  l’allumage, dosage de la carburation, gĂ©omĂ©trie et mĂ©tallurgie de la chambre de combustion). D’autre part, pour un mĂȘme modĂšle de vĂ©hicule, les dispersions d’exigence peuvent ĂȘtre notables et dĂ©passer plusieurs points. Ces variations sont dues aux modifications de rĂ©glage d’un vĂ©hicule Ă  l’autre, mais aussi Ă  l’action des dĂ©pĂŽts de chambres de combustion. En effet, pendant la premiĂšre phase d’utilisation d’un vĂ©hicule, ces dĂ©pĂŽts s’accumulent sur les parois, contribuent Ă  augmenter le taux de compression et surtout Ă  Ă©lever la tempĂ©rature des gaz soumis au risque de cliquetis. Ainsi, l’exigence en octane croĂźt avec le kilomĂ©trage (de 2 Ă  6 points environ) pendant un parcours variable selon le type d’usage, mais gĂ©nĂ©ralement compris entre 10 000 et 40 000 kilomĂštres. Ensuite, l’exigence se stabilise ou fluctue lĂ©gĂšrement en fonction de l’état du moteur et de ses conditions d’utilisation.

Compte tenu des dispersions qui viennent d’ĂȘtre dĂ©crites, la dĂ©termination de l’exigence en octane d’un parc automobile doit nĂ©cessairement faire intervenir des critĂšres statistiques. Les rĂ©sultats s’expriment le plus souvent en indiquant le pourcentage de vĂ©hicules «satisfaits» pour un carburant de RON donnĂ© (cf. figure). En rĂ©alitĂ©, on se borne Ă  rechercher une plage plutĂŽt qu’une valeur prĂ©cise, puisque, Ă  RON donnĂ©, la tendance au cliquetis peut varier en fonction d’autres caractĂ©ristiques du carburant (MON, R).

Les dĂ©terminations d’exigences en octane permettent de prĂ©coniser, pour chaque type de vĂ©hicule, l’alimentation avec tel ou tel type de carburant. Ainsi, en France, 10 p. 100 environ des vĂ©hicules en circulation peuvent utiliser de l’essence ordinaire, tandis que les autres exigent du supercarburant. L’utilisation de carburant sans plomb sera Ă©videmment rĂ©servĂ©e Ă  des vĂ©hicules spĂ©cialement adaptĂ©s.

Additifs de finition

Les supercarburants et essences contiennent en trĂšs faibles proportions (de quelques p.p.m. Ă  1 000 p.p.m.) des additifs divers. Parmi ceux-ci, il faut citer les colorants ajoutĂ©s pour distinguer les produits les uns des autres et dĂ©tecter les fraudes Ă©ventuelles, les produits antioxydants qui Ă©vitent la formation de gommes et de sĂ©diments, les additifs surfactants qui interviennent en maintenant propre ou en nettoyant le systĂšme d’admission des moteurs.

Gazole

Le développement du transport routier de marchandises et la diffusion croissante de voitures particuliÚres équipées de moteurs Diesel ont entraßné en France, depuis 1975 environ, une augmentation trÚs importante de la consommation de gazole: celle-ci atteignait en 1990 prÚs de 17 millions de tonnes par an.

Le gazole prĂ©sente des caractĂ©ristiques trĂšs voisines de celles du fuel domestique qui – outre son emploi principal comme combustible de chauffage – sert Ă  l’alimentation des moteurs Diesel de tracteurs agricoles et d’engins de travaux publics.

Les contraintes en matiĂšre de propriĂ©tĂ©s physiques et chimiques du gazole sont naturellement imposĂ©es par les particularitĂ©s de l’alimentation et de la combustion dans ce type de moteur.

Propriétés physiques

La densitĂ©, l’intervalle et la courbe de distillation, la viscositĂ©, le comportement Ă  basse tempĂ©rature forment un ensemble de caractĂ©ristiques physiques particuliĂšrement importantes du gazole.

La densitĂ© est comprise entre 0,820 et 0,850 Ă  15 0C. Le constructeur du moteur souhaite que la plage de variation entre les diffĂ©rents produits proposĂ©s sur le marchĂ© soit aussi faible que possible, afin de ne pas entraĂźner des modifications de rĂ©glage du systĂšme d’injection.

La nĂ©cessitĂ© de rĂ©aliser une injection sous haute pression et une pulvĂ©risation de fines gouttelettes au moyen d’un injecteur impose des contraintes bien prĂ©cises en matiĂšre de caractĂ©ristiques de distillation. Les gazoles distillent habituellement entre 150-180 0C (point initial) et 360-380 0C (point final). Les spĂ©cifications françaises exigent, par exemple, une fraction distillĂ©e infĂ©rieure Ă  65 p. 100 Ă  250 0C et supĂ©rieure Ă  85 p. 100 Ă  350 0C.

La viscositĂ© intervient dans le mĂ©canisme de rupture et de pulvĂ©risation du jet de gazole Ă  la sortie de l’injecteur; elle doit ĂȘtre, selon la rĂ©glementation, infĂ©rieure Ă  9,5 centistokes Ă  20 0C. En pratique, la viscositĂ© des gazoles classiques est le plus souvent comprise entre 3 et 5 centistokes Ă  20 0C.

Le gazole doit traverser un filtre Ă  mailles trĂšs fines avant son introduction dans la pompe d’injection; en effet, celle-ci constitue un organe d’une trĂšs grande prĂ©cision mĂ©canique et dont le fonctionnement risquerait d’ĂȘtre enrayĂ© par des impuretĂ©s et des particules solides en suspension dans le liquide. Mais certains hydrocarbures paraffiniques, prĂ©sents dans le gazole, peuvent cristalliser partiellement Ă  basse tempĂ©rature et colmater le filtre disposĂ© sur le circuit d’alimentation. Cet incident doit ĂȘtre Ă©vitĂ© car il peut entraĂźner une immobilisation du vĂ©hicule. Il existe donc un ensemble de spĂ©cifications relatives au comportement du gazole Ă  basse tempĂ©rature. Les caractĂ©ristiques prises en compte sont le point de trouble , la tempĂ©rature limite de filtrabilitĂ© et le point d’écoulement . Le tableau 4 indique les valeurs exigĂ©es en France pour ces trois caractĂ©ristiques, selon la saison et le type de carburant Diesel considĂ©rĂ©. Depuis 1987, il a Ă©tĂ© dĂ©cidĂ© de distribuer, au cƓur de la saison hivernale, un gazole, dit «grand froid», plus fluide que le gazole classique type «hiver» et prĂ©sentant une tempĂ©rature limite de filtrabilitĂ© infĂ©rieure Ă   18 0C.

L’obtention d’une trĂšs bonne tenue Ă  froid du carburant Diesel implique une adaptation des techniques de raffinage (choix de pĂ©troles bruts peu paraffiniques, intervalle de distillation plus Ă©troit, mise en place de procĂ©dĂ©s d’hydrodĂ©paraffinage...). L’incorporation d’additifs fluidifiants constitue Ă©galement une solution efficace et intĂ©ressante sur le plan Ă©conomique. Par ailleurs, certains amĂ©nagements sur le vĂ©hicule (disposition judicieuse des filtres, rĂ©chauffage) contribuent grandement Ă  amĂ©liorer le fonctionnement des moteurs Diesel par temps froid.

Propriétés chimiques

Dans le moteur Diesel – encore appelĂ© moteur Ă  allumage par compression –, la combustion se dĂ©clenche par auto-inflammation du gazole injectĂ© dans l’air comprimĂ©. L’adoption d’un taux de compression Ă©levĂ© – gĂ©nĂ©ralement compris entre 15 et 22 – favorise ce processus, mais il est nĂ©cessaire en outre que le carburant prĂ©sente une structure chimique propice Ă  l’auto-inflammation. Cette qualitĂ© est exprimĂ©e par l’indice de cĂ©tane , dĂ©terminĂ©, comme l’indice d’octane, Ă  partir de deux hydrocarbures de rĂ©fĂ©rence: le n -cĂ©tane (indice 100) et l’ -mĂ©thyl-naphtalĂšne (indice 0). La mesure s’effectue sur un moteur CFR Diesel dans des conditions de fonctionnement normalisĂ©es. La mĂ©thode consiste d’abord Ă  rechercher le taux de compression critique correspondant Ă  un dĂ©lai d’auto-inflammation fixĂ©, et ensuite Ă  reporter la valeur obtenue sur une courbe d’étalonnage Ă©tablie avec diffĂ©rents mĂ©langes binaires des deux hydrocarbures de rĂ©fĂ©rence.

La spĂ©cification française impose un indice de cĂ©tane minimal de 48. Un indice de cĂ©tane trop bas provoquerait des difficultĂ©s de dĂ©marrage Ă  froid, une augmentation du niveau de bruit dĂ» Ă  des gradients de pression trop Ă©levĂ©s dans la chambre de combustion et un fonctionnement erratique Ă  faible charge. À l’inverse, si l’indice de cĂ©tane devenait trop Ă©levĂ© – supĂ©rieur Ă  60 par exemple –, le moteur serait peu bruyant mais prĂ©senterait un rendement thermodynamique nettement moins satisfaisant. Il n’y a donc aucun intĂ©rĂȘt technico-Ă©conomique Ă  accroĂźtre l’indice de cĂ©tane des gazoles au-delĂ  de 50-55.

La teneur en soufre du gazole fait l’objet d’une rĂ©glementation, en raison essentiellement de la nocivitĂ© de l’anhydride sulfureux rejetĂ© dans l’atmosphĂšre par les gaz d’échappement. En France, et dans plusieurs pays d’Europe, la concentration maximale de soufre admise est de 0,3 p. 100. Cette contrainte implique la mise en Ɠuvre d’un procĂ©dĂ© de raffinage, appelĂ© hydrodĂ©sulfuration, relativement complexe et coĂ»teux sur le plan Ă©nergĂ©tique.

La fabrication du gazole en raffinerie pose des problĂšmes moins complexes que l’obtention des essences. En effet, la distillation du pĂ©trole brut sous pression atmosphĂ©rique fournit une coupe moyenne dont les caractĂ©ristiques sont souvent trĂšs proches de celles qu’on recherche pour le gazole. Cependant, d’autres unitĂ©s fournissent des effluents qui peuvent devenir des constituants du gazole; c’est le cas notamment du craquage catalytique et de la visco-rĂ©duction. Les produits ainsi obtenus prĂ©sentent cependant des caractĂ©ristiques peu satisfaisantes (teneur en aromatiques Ă©levĂ©e et indice de cĂ©tane faible, stabilitĂ© mĂ©diocre, forte tendance Ă  l’encrassement des injecteurs...). Leur contribution Ă  la formulation du gazole doit donc rester limitĂ©e (teneurs infĂ©rieures Ă  10 ou 15 p. 100). Enfin, l’hydrodĂ©sulfuration, dĂ©jĂ  citĂ©e, doit ĂȘtre mise en Ɠuvre pour ajuster le niveau de soufre Ă  la valeur requise. Cette derniĂšre opĂ©ration contribue en fait Ă  accroĂźtre le coĂ»t Ă©nergĂ©tique du gazole.

Il est souvent admis que la diffusion croissante de voitures particuliĂšres Ă  moteur Diesel peut constituer une voie vers une utilisation plus rationnelle de l’énergie. Le coĂ»t Ă©nergĂ©tique du gazole constitue ici un Ă©lĂ©ment favorable mais non dĂ©terminant. Le fait essentiel repose sur la faible consommation de carburant des vĂ©hicules Diesel. Cette constatation doit cependant ĂȘtre assortie d’une analyse approfondie; ainsi le gazole prĂ©sente un pouvoir calorifique volumique supĂ©rieur d’environ 10 p. 100 Ă  celui du supercarburant, et la comparaison de consommation des deux produits doit ĂȘtre effectuĂ©e en joules et non en litres. De plus, les comparaisons doivent porter sur des vĂ©hicules de performances semblables en ce qui concerne la puissance et le couple. Finalement, aprĂšs prise en compte des prĂ©cautions citĂ©es prĂ©cĂ©demment, il apparaĂźt globalement – de la raffinerie jusqu’au moteur – un gain Ă©nergĂ©tique de l’ordre de 15 p. 100 en faveur du moteur Diesel pour un type d’utilisation et de circulation assez reprĂ©sentatif de la situation moyenne europĂ©enne. Il est Ă©vident, par ailleurs, que les avantages du moteur Diesel s’amplifient lors d’un usage du vĂ©hicule en zone urbaine, et qu’ils s’amenuisent au contraire avec la conduite rapide, sur autoroute par exemple.

La diffusion du petit moteur Diesel d’automobile prĂ©sente donc d’indĂ©niables avantages sur le plan Ă©nergĂ©tique; nĂ©anmoins, cette Ă©volution pourrait ĂȘtre limitĂ©e par d’autres contraintes liĂ©es Ă  certains polluants Ă©mis plus particuliĂšrement par ce type de moteur (particules, hydrocarbures polynuclĂ©oaromatiques) et Ă  certaines nuisances spĂ©cifiques (bruit, odeur...).

KĂ©rosĂšne

Ce produit, encore appelĂ© carburĂ©acteur, alimente les avions Ă  rĂ©action, qui assurent dĂ©sormais la presque totalitĂ© des transports aĂ©riens. En France, sa consommation a atteint 3,7 millions de tonnes environ en 1990. Les spĂ©cifications prĂ©voient l’existence de trois types de produits, dĂ©signĂ©s par les sigles TR0, TR4, TR5, auxquels correspondent respectivement les dĂ©nominations amĂ©ricaines JP1, JP4, JP5. En rĂ©alitĂ©, le seul produit utilisĂ© en pratique dans le monde entier est le TR0 ou JP1.

Contrairement aux moteurs Ă  piston, les rĂ©acteurs sont parcourus par un Ă©coulement gazeux continu. Le dĂ©placement de l’appareil est assurĂ© par une poussĂ©e due Ă  l’énergie cinĂ©tique des gaz d’échappement. Le problĂšme de combustion essentiel consiste Ă  maintenir une flamme stable dans un mĂ©lange inflammable circulant Ă  grande vitesse, de l’ordre de 100 m/s. Le carburant doit donc aisĂ©ment ĂȘtre pulvĂ©risĂ© et vaporisĂ© dans l’air, ce qui impose certaines caractĂ©ristiques physiques.

Ainsi, le kĂ©rosĂšne prĂ©sente une densitĂ© de l’ordre de 0,790 Ă  15 0C, intermĂ©diaire entre celle des essences et du gazole. Le point initial de distillation est compris entre 150 et 180 0C, le point final entre 230 et 250 0C.

Pour maintenir un rendement Ă©nergĂ©tique satisfaisant et assurer la longĂ©vitĂ© des matĂ©riaux nobles mis en Ɠuvre dans l’aviation, il est nĂ©cessaire d’obtenir une flamme claire minimisant les Ă©changes de chaleur par rayonnement et rĂ©duisant la formation de dĂ©pĂŽts riches en carbone sur les parois mĂ©talliques. Cette contrainte conduit Ă  limiter la teneur en constituants aromatiques dans le kĂ©rosĂšne. Celle-ci ne doit pas dĂ©passer 20 p. 100 (volume), selon les spĂ©cifications en vigueur pour le TR0. En rĂ©alitĂ©, dans les produits commerciaux, la concentration en aromatiques dĂ©passe rarement 15 p. 100.

Le pouvoir calorifique du kĂ©rosĂšne prĂ©sente une importance particuliĂšre car il conditionne le rayon d’action de l’appareil. De hautes performances dans ce domaine peuvent ĂȘtre recherchĂ©es pour certaines applications militaires. Les coupes pĂ©troliĂšres classiques n’offrent que peu de possibilitĂ©s: il faut alors isoler ou prĂ©parer des produits spĂ©ciaux Ă  haute Ă©nergie volumique.

Certaines caractĂ©ristiques du kĂ©rosĂšne sont imposĂ©es par les conditions particuliĂšres d’emploi en altitude. Ainsi, le produit doit rester liquide et limpide Ă  trĂšs basse tempĂ©rature, jusqu’à  50 0C, de façon Ă  Ă©viter toute perturbation dans le circuit d’alimentation en carburant. Les risques proviennent de traces d’eau qui peuvent cristalliser et obturer les canalisations de carburant. L’emploi d’additifs antiglace est alors recommandĂ©. La viscositĂ© Ă  froid fait Ă©galement l’objet d’un contrĂŽle: elle doit rester infĂ©rieure Ă  15 centistokes Ă   34 0C.

Sur les avions supersoniques sont apparues de nouvelles contraintes, non plus de comportement Ă  froid, mais au contraire de stabilitĂ© thermique Ă  haute tempĂ©rature. En effet, sur ces appareils, l’échauffement cinĂ©tique est important et peut imposer l’emploi du carburant comme fluide rĂ©frigĂ©rant dans des Ă©changeurs. Il est alors indispensable que le kĂ©rosĂšne qui s’échauffe reste parfaitement stable et ne conduise pas, notamment, Ă  la formation de dĂ©pĂŽts de carbone. La stabilitĂ© thermique du kĂ©rosĂšne fait donc l’objet d’une surveillance attentive, pour toutes les utilisations Ă  vitesse supersonique. Il est cependant admis que des avions comme le Concorde doivent s’alimenter avec le mĂȘme kĂ©rosĂšne que les avions classiques subsoniques.

Autres carburants

Carburants spéciaux

Les gaz de pĂ©trole liquĂ©fiĂ©s ou GPL sont proposĂ©s, dans certains pays, pour l’alimentation des moteurs d’automobiles. Ainsi, la consommation de GPL-carburant atteignait, en 1985, 1 873 000 tonnes au Japon, 1 330 000 tonnes aux États-Unis, 893 000 tonnes aux Pays-Bas et 821 000 tonnes en Italie. En France, elle ne dĂ©passe pas 60 000 tonnes par an, malgrĂ© une certaine incitation fiscale et l’autorisation, depuis 1985, d’une alimentation alternĂ©e de GPL et de carburant classique.

L’alimentation au GPL nĂ©cessite un Ă©quipement particulier du vĂ©hicule, rĂ©servoir, Ă©lectrovanne, vaporisateur-dĂ©tendeur, carburateur Ă  gaz.

L’emploi de GPL offre un certain nombre d’avantages techniques sur le plan du rendement Ă©nergĂ©tique, de la longĂ©vitĂ© du moteur et des Ă©missions de polluants. Les inconvĂ©nients concernent notamment l’encombrement du rĂ©servoir, la lĂ©gĂšre perte de puissance, le coĂ»t de transformation.

L’essence «aviation» est encore employĂ©e sur les moteurs Ă  piston Ă©quipant les avions de tourisme et de loisir. Ses caractĂ©ristiques sont voisines de celles du supercarburant avec toutefois une plus forte rĂ©sistance au cliquetis et des caractĂ©ristiques de distillation plus soignĂ©es pour Ă©viter tout incident en vol. La consommation française dĂ©passait 30 000 tonnes en 1990.

Les carburants pour moteurs «2 temps» de motocycles et de bateaux hors-bord sont constituĂ©s d’une essence traditionnelle pour automobile additionnĂ©e de faibles quantitĂ©s d’huiles (de 2 Ă  4 p. 100) qui assurent la lubrification, aprĂšs sĂ©paration dans le carter-pompe et dans le cylindre. En France, la consommation de carburants «2 temps» est de 300 000 tonnes par an.

Enfin, les moteurs Diesel utilisĂ©s dans l’industrie et la marine sont alimentĂ©s avec des produits pĂ©troliers plus lourds et moins Ă©laborĂ©s que le gazole. Leur structure et leurs propriĂ©tĂ©s sont proches de celles des fuels.

Carburants de substitution

Les Ă©tudes relatives Ă  l’obtention et Ă  l’utilisation de carburants d’origine non pĂ©troliĂšre ont pris une grande importance depuis 1970, en raison de leur impact potentiel sur la rĂ©duction des importations de pĂ©trole et sur la diversification des sources d’énergie.

Les composĂ©s organiques oxygĂ©nĂ©s, alcools et Ă©thers, issus du gaz naturel, du charbon ou de la biomasse peuvent notamment constituer des carburants de remplacement pour le moteur Ă  allumage commandĂ©, car ils se caractĂ©risent tous par des indices d’octane Ă©levĂ©s – parfois largement supĂ©rieurs Ă  100. Les produits le plus souvent envisagĂ©s sont:

– le mĂ©thanol, issu du gaz de synthĂšse CO + H2 et fabricable Ă  partir de toute matiĂšre carbonĂ©e fossile ou renouvelable (gaz naturel, charbon, bois);

– les alcools supĂ©rieurs, de C2 Ă  C5, qui peuvent ĂȘtre obtenus en mĂȘme temps que le mĂ©thanol Ă  partir du gaz de synthĂšse;

– l’éthanol tirĂ© de la fermentation des sucres en C6 contenus dans certaines plantes;

– le systĂšme butanol-acĂ©tone, Ă©galement obtenu par fermentation des sucres en C6 et en C5. Ces derniers peuvent rĂ©sulter de l’hydrolyse de l’hĂ©micellulose abondante dans les vĂ©gĂ©taux;

– les Ă©thers organiques (mĂ©thyltertiobutylĂ©ther, mĂ©thyltertioamylĂ©ther) formĂ©s par action chimique du mĂ©thanol sur des fractions lĂ©gĂšres olĂ©finiques de raffinerie.

Le tableau 5 montre quelques caractĂ©ristiques de ces composĂ©s, comparĂ©es Ă  celles du supercarburant et du gazole. Le scĂ©nario retenu jusqu’à prĂ©sent en Europe et aux États-Unis pour la pĂ©nĂ©tration de ces produits de substitution consiste Ă  les ajouter, Ă  faible teneur, dans les carburants classiques.

La nature et la concentration des constituants oxygĂ©nĂ©s doivent ĂȘtre soigneusement dĂ©finies afin de respecter trois impĂ©ratifs essentiels:

– obtention d’une stabilitĂ© satisfaisante en prĂ©sence de traces d’eau;

– maintien de l’agrĂ©ment d’utilisation et de conduite du vĂ©hicule, malgrĂ© les modifications de rĂ©glage de carburation;

– perte minimale de pouvoir calorifique pour ne pas accroütre la consommation volumique.

Le tableau 6 indique les concentrations maximales admises pour chaque composĂ© oxygĂ©nĂ© selon la rĂ©glementation française du 15 septembre 1987, Ă©manant elle-mĂȘme de la directive europĂ©enne du 5 dĂ©cembre 1985. Il faut noter, par exemple, que la teneur en mĂ©thanol est limitĂ©e Ă  3 p. 100 (volume) avec nĂ©cessitĂ© d’incorporer un cosolvant, l’alcool tertiobutylique par exemple. L’éthanol peut ĂȘtre utilisĂ© sans cosolvant, mais sa teneur ne doit pas dĂ©passer 5 p. 100 (volume).

Le principal intĂ©rĂȘt technique des constituants oxygĂ©nĂ©s rĂ©side dans l’accroissement des indices d’octane qu’ils permettent lors de la formulation des carburants sans plomb. Les gains sont de l’ordre de 1 Ă  1,5 point pour le RON, de 0,6 Ă  1 point pour le MON.

En Europe de l’Ouest, la pĂ©nĂ©tration des carburants oxygĂ©nĂ©s s’est effectuĂ©e progressivement depuis 1982; elle atteignait, en 1990, 3 millions de tonnes, soit prĂšs de 2 p. 100 du pool carburants, et se rĂ©partissait Ă  parts presque Ă©gales entre le mĂ©thanol, l’alcool tertiobutylique et le mĂ©thyltertiobutylĂ©ther. Leur diffusion est surtout importante aux Pays-Bas et en Allemagne; elle demeure trĂšs restreinte en France. L’éthanol n’est pratiquement pas utilisĂ© en Europe, compte tenu de son coĂ»t Ă©levĂ© par rapport aux produits pĂ©troliers; cependant, son emploi fait l’objet de nombreuses Ă©tudes dans la perspective d’une rĂ©sorption des excĂ©dents agricoles. Il faut signaler Ă  ce sujet que, aux États-Unis, un carburant appelĂ© gasohol, renfermant 10 p. 100 d’éthanol, est proposĂ© dans de nombreux États; sa consommation s’élevait Ă  30 millions de mĂštres cubes en 1986, soit dĂ©jĂ  environ 7 p. 100 du marchĂ© total amĂ©ricain.

L’alimentation des moteurs Ă  allumage commandĂ© avec des carburants trĂšs riches en alcool constitue une autre stratĂ©gie possible, retenue notamment au BrĂ©sil oĂč sont consommĂ©s plus de 7 millions de mĂštres cubes par an d’éthanol-carburant, avec un parc de 2 millions de vĂ©hicules alimentĂ©s exclusivement avec de l’éthanol. Cette option exige une nouvelle conception des moteurs et le choix de rĂ©glages incompatibles avec un retour aux carburants traditionnels.

Dans le moteur Diesel, la substitution partielle ou totale du gazole par des alcools se rĂ©vĂšle assez difficile car ces composĂ©s sont naturellement peu propices – en raison de leurs caractĂ©ristiques physico-chimiques – Ă  une combustion par auto-inflammation. Des substances comme les huiles vĂ©gĂ©tales et leurs dĂ©rivĂ©s constituent de meilleurs combustibles de substitution pour ce type de moteur. Cette voie paraĂźt particuliĂšrement intĂ©ressante dans les pays de climat tropical ou Ă©quatorial qui possĂšdent des excĂ©dents ou des ressources potentielles en plantes olĂ©agineuses.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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