Les subtilités de la combustion interne des moteurs thermiques
La thermodynamique est une science relativement complexe et subtile qui vise à étudier les transferts d'énergie et les transformations de la matière en relation avec la chaleur et le travail. Ces lois encadrent, entre autres, la manière dont la combustion va se produire dans un moteur thermique.
Cet article ne vise pas à vous donner un mal de crâne mais plutôt de vous proposer des bases sur la manière dont le carburant brûle dans le moteur de voiture, avec comme principales variantes la richesse (ratio air/carburant), le mélange et le type de carburant (exemple : essence / diesel).
En quoi consiste la combustion ?
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La combustion est une réaction chimique exothermique entre un combustible et un comburant dont le déclenchement est produit par l'apport de chaleur. Elle est accompagnée de la libération de chaleur, de lumière et de la formation de produits de combustion tels que le dioxyde de carbone ou encore encore de l'eau.
On peut parler d'oxydation de la matière car il 'agit ici une réaction chimique au cours de laquelle une substance perd des électrons et se combine avec de l'oxygène ou un autre oxydant.
Dans le contexte de la combustion, le combustible réagit avec l'oxygène pour produire de l'énergie sous forme de chaleur, de lumière et de produits de combustion. L'oxydation se produit lorsque les atomes de carbone et d'hydrogène présents dans le combustible se combinent avec l'oxygène de l'air.
Par exemple, dans le cas d'un carburant tel que l'essence, les molécules d'hydrocarbures (composées d'atomes de carbone et d'hydrogène) réagissent avec l'oxygène de l'air lors de la combustion. Cette réaction chimique provoque la rupture des liaisons chimiques des molécules d'hydrocarbures et la formation de nouvelles liaisons avec l'oxygène.
La réaction d'oxydation produit du dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau (H2O) principalement, ainsi que d'autres produits de combustion tels que le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d'azote (NOx) et les composés organiques volatils (COV) en fonction des conditions de combustion : richesse, pression et homogénéité du mélange.
Richesse
La richesse consiste à accentuer la quantité de carburant par rapport à l'air. Plus je vais mettre d'air, plus ma combustion sera chaude, ce qui mènera à la production de NOx et à une usure accélérée du moteur. On peut le voir dans notre vie de tous les jours, à savoir quand je souffle sur des braises, elles deviennent d'autant plus rouges que je les alimente en comburant. Les moteurs modernes à injection directe favorisent le mélange pauvre pour faire des économies de carburant, ce qui mène à la production de particules fines. Cela a donné lieu à la généralisation des FAP sur les moteurs essence et diesel.
Parfois, quand la température monte trop, le calculateur accentue la richesse pour réduire la température de combustion, ce qui mène à des surconsommations. Le but est d'accroître la quantité de carburant pour que le surplus absorbe une partie de la chaleur, exactement comme on le fait avec de l'eau (ou n'importe quel liquide) pour diverses applications dans la vie du quotidien.
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Mélange air / carburant
La combustion et les résidus de cette dernière dépendront en grande partie de l'homogénéité du mélange comburant / carburant.
Plus on aura un mélange homogène, plus le combustion sera "propre", à savoir qu'elle se fera de manière complète. Avec la généralisation de l'injection directe, ce mélange s'est hélas dégradé pour aller vers quelque chose de plus hétérogène ... Il en découle une combustion incomplète et l'apparition de particules fines. C'est pourquoi les essence ont désormais des filtres à particules, car ils sont presque tous abandonné l'injection indirecte à la fin des années 2000.
A l'extrême de ce procédé, on trouve la charge stratifiée qui consiste carrément à avoir une poche de carburant bien localisée dans le cylindre, je vous laisse creuser cette technique en cliquant sur le lien en début de phrase.
Taux de compression
Le taux de compression aura une influence sur la combustion. Un taux plus élevé favorise une meilleure atomisation du carburant et une meilleure mélange avec l'air. Cela crée des conditions de combustion plus favorables, avec une propagation de la flamme plus rapide et une combustion plus complète. Cela peut réduire les émissions polluantes, améliorer la stabilité de la combustion et réduire les risques de cliquetis du moteur.
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Allumage ?
La manière d'allumer le mélange change aussi beaucoup les choses ... On aura alors une combustion plus ou moins rapide.
Quand cela est produit avec une étincelle comme c'est le cas sur les moteurs essence, alors on aura un front de flamme qui va se propager petit à petit en partant de la bougie d'allumage. Dans le cas d'un diesel on aura une combustion complète et spontanée du mélange, car toute la chambre de combustion monte en température de manière uniforme jusqu'à produire la combustion.
Un moteur très original peut utiliser les deux procédés, à savoir le moteur Skyactiv-X que je vous laisse découvrir ici.
Type de carburant
La première caractéristique est le taux d'octane pour les carburants qui seront allumés par une bougie d'allumage. Il s'agit de la capacité de ce dernier à résister à un auto-allumage (combinaison de chaleur + pression), à savoir que les carburants d'octane élevé contiennent des composés qui se consument plus lentement et de manière plus contrôlée, ce qui réduit les risques de cliquetis.
Pour le diesel ce sera le taux de cétane, qui utilise une autre échelle mais dont le principe reste le même, savoir à quelle température et pression le carburant s'enflamme.
On pourra aussi distinguer la densité énergétique du carburant, à savoir qu'ils ne contiennent pas tous la même quantité d'énergie. Sur l'éthanol il y a par exemple moins d'énergie que dans l'essence, il faut donc compenser en injectant plus de carburant.
C'est un sujet sur lequel il faut rester attentif car ça dépend si on compare à masse ou volume égal ... Par exemple, à volume égal le diesel a plus d'énergie que l'essence mais à masse égale c'est l'essence qui a plus d'énergie ...
Caractéristiques de la combustion
Ce qui augmente la température de combustion
Au delà du type de carburant, ce qui favorise la chaleur et la richesse (plus c'est pauvre plus ça chauffe) et le taux de compression.
Pour réduire la température, on emploie deux méthodes principales, à savoir enrichir le mélange de manière passagère ou encore utiliser la vanne EGR qui consiste à réduire le taux d'oxygène dans les cylindres en y injectant des gaz d'échappement (on étouffe le feu en gros ...)
Pollution
Si injecter moins de carburant produit logiquement moins de pollution, c'est en réalité plus subtile que ça ... Car dans la réalité, injecter moins de carburant consiste à brûler moins en quantité mais de manière moins bonne.
Les moteurs anciens émettaient donc plus de CO2 mais moins de particules fines et NOx.
Ce qui influe sur les particules fines est l'homogénéité du mélange et la capacité à brûler le carburant (le gazole a plus de mal à s'enflammer par exemple).
Ce qui influe sur les NOx est la température de combustion, et donc principalement la richesse et le taux de compression.
Ce qui influe sur le CO2 est bêtement la quantité de carburant qu'on injecte dans le moteur.
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Les particules fines et NOx sont traités par des dispositifs de dépollution au niveau de l'échappement, cela par le biais de catalyseurs et filtres qui nécessitent notamment beaucoup de capteurs et donc de complexité ..
A lire : quelles substances polluantes émettent les diesels ?
Combustion essence / diesel
Le gazole est un carburant dont les propriétés diffèrent beaucoup de l'essence, ce qui donne lieu à des différences techniques importantes.
Manière d'allumer
Alors que l'essence va produire une étincelle par le biais d'une bougie dite d'allumage, le diesel va quant à lui produire de la chaleur par un autre phénomène : celui de la compression de l'air grâce au piston qui remonte. Dans le cas de l'essence le mélange air / carburant est allumé par une étincelle (arc électrique très chaud), tandis que sur le diesel c'est l'ensemble de la chambre de combustion qui est montée en température, ce qui allume tout le mélange d'un seul tenant (ce qui mène à une combustion rapide). On a donc des détonations plus fortes sur les diesels, accentuées d'autant plus par le taux de compression accru.
A lire : toutes les différences techniques entre essence et diesel
Alors que dans un moteur essence il va y avoir une flamme qui va se propager à partir de la bougie d'allumage, avec en conséquence une combustion qui dure plus longtemps, le moteur diesel va quant à lui allumer tout le carburant d'un coup puisque tout l'intérieur du cylindre est chauffé de manière homogène (chaleur qui va déclencher la combustion).
Manière de brûler et pollution
Le mélange air / carburant dans un moteur diesel n'est pas homogène car l'injection s'effectue au dernier moment. Sur un moteur essence le carburant commence à être injecté pendant la phase d'admission, ce qui améliore grandement le mélange grâce au brassage de ces deux substances.
Le fait que le mélange soit moins homogène sur le diesel va générer des imbrûlés qui s'incarnent par des suies et particules fines plus nombreuses.
Notez que les essences modernes sont aussi moins homogènes que les anciens depuis qu'ils sont passés à l'injection directe.
Les températures de combustion dans les moteurs essence varient généralement entre 1 200°C et 1 500°C. Les diesels ont quant à eux des températures de combustion plus élevées en raison de l'allumage par compression et du mélange plus pauvre. Les températures peuvent atteindre en moyenne entre 1 500°C et 2 000°C, voire plus. Les moteurs diesel ont des taux de compression plus élevés, ce qui entraîne une augmentation de la température de l'air comprimé dans la chambre de combustion.
A lire aussi : pourquoi le gazole brûle moins facilement que l'essence ?
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