Processus physico-chimiques de combustion
Les carburants et la combustion

Depuis que l’homme a su les déclencher et les maîtriser, les phénomènes de combustion lui ont permis d’assurer sa survie (chauffage, éclairage, alimentation) puis d’accéder à la civilisation industrielle. Dans notre monde moderne, la combustion vive du charbon, des hydrocarbures ou d’autres produits organiques permet le fonctionnement des foyers domestiques et industriels et des différents types de moteurs utilisés eux-mêmes pour le transport terrestre, fluvial, maritime et aérien, ou encore pour l’agriculture.

Cet article rappelle les principales caractéristiques des carburants usuels qui sont le plus souvent des hydrocarbures issus du pétrole. Il fournit quelques notions de thermochimie et décrit les processus physico-chimiques de la combustion.

Le lecteur pourra utilement se référer aux articles « Carburants liquides » et « Combustibles liquides » du traité Génie énergétique [1] [2] qui expliquent les exigences des différents convertisseurs d’énergie et les moyens mis en œuvre par les sociétés pétrolières pour obtenir des produits conformes à des spécifi-cations très précises. Rappelons ici quelques contraintes relatives aux différents types de moteurs.

Les essences utilisées dans le moteur à allumage commandé par étincelle doivent présenter des propriétés physiques (masse volumique, courbe de distillation, pression de vapeur) qui permettent leur pulvérisation dans l’air (par injection) avant l’introduction dans la chambre de combustion. En outre, la nécessité d’assurer un fonctionnement satisfaisant des automobiles dans des conditions atmosphériques extrêmement variables (depuis − 20 C jusqu’à + 40 C en France) implique des spécifications de volatilité des essences distinctes selon les saisons. Enfin, le moteur à essence exige que son carburant présente une forte résistance à l’auto-inflammation exprimée par l’indice d’octane. Cette caractéristique conditionne certaines particularités du moteur (taux de compression, avance à l’allumage) qui, elles-mêmes, agissent directement sur les performances de la voiture (consommation de carburant, puissance spécifique). Toutefois, l’indice d’octane est en pratique plafonné par les contraintes de l’industrie du raffinage (composition des différents effluents, coûts, volume et répartition de la demande). La suppression progressive (entre 1990 et 2000) des additifs à base d’alkyles de plomb, qui, auparavant, permettaient d’accroître aisément l’indice d’octane des essences, a modifié considérablement le paysage de l’adaptation moteur-carburant.

Des carburants plus simples que les essences peuvent également être utilisés dans les moteurs à allumage commandé. Ce sont :

• le gaz naturel (GNV ; V pour véhicule), stocké à l’état gazeux sous une pression de 200 bar ;

• les gaz de pétrole liquéfiés (GPL), maintenus à l’état liquide sous une pression d’environ 10 bar et délivrés à l’état gazeux dans le moteur.

Ces deux produits, bien qu’encore peu diffusés, présentent un grand intérêt, car leur emploi génère de faibles émissions de polluants. Leur mise en œuvre est un peu plus complexe que celle des essences.

Le gazole doit présenter, à l’inverse des essences, une forte tendance à l’auto-inflammation puisque le principe de fonctionnement du moteur Diesel repose sur l’inflammation du carburant injecté sous haute pression dans l’air préalablement comprimé. La qualité du gazole s’exprime ainsi par l’indice de cétane qui n’influe pas directement sur les performances du moteur mais agit plutôt sur l’agrément d’utilisation (démarrage à froid, bruit, émissions de polluants, etc.). Une autre caractéristique essentielle du gazole est sa tenue au froid puisque la formation en son sein de cristaux de paraffine, à des températures hivernales (0 à − 20 C), risquerait d’obstruer le filtre disposé sur le circuit d’alimentation. Le raffineur ajuste l’indice de cétane et les caractéristiques à froid du gazole en agissant sur la nature et la composition des bases constitutives et en incorporant certains additifs fluidifiants ou procétane. Dans ce domaine également, l’optimisation est actuellement rendue difficile en raison de la forte diésélisation du parc automobile et de la nouvelle structure du raffinage fournissant des distillats moyens de qualité médiocre.

Les propriétés exigées pour le carburéacteur sont déterminées par le mode de fonctionnement particulier des réacteurs d’avion. Il faudra obtenir une excellente tenue au froid, jusqu’à − 50 C, une composition chimique qui permette l’obtention d’une flamme peu rayonnante sans dépôts de carbone sur les parois, une basse teneur en impuretés diverses (sédiments, eau, gommes, etc.).

Enfin, pour les fuels utilisés comme combustibles dans les fours et foyers industriels, ou comme carburants pour les gros moteurs Diesel (navires, groupes électrogènes), les caractéristiques primordiales sont la viscosité, la teneur en soufre et en produits extrêmement lourds (asphaltènes) dont la combustion très difficile risque de générer de fortes émissions de particules solides, incompatibles avec la législation antipollution.

Les quelques problèmes d’utilisation qui viennent d’être évoqués constituent en fait l’aboutissement d’une très complexe optimisation moteur-carburant. Celle-ci repose sur une connaissance précise des carburants et des mécanismes de combustion. Nous nous efforcerons de présenter dans ce qui va suivre une synthèse des connaissances actuelles dans ce domaine.