Le diagnostic des systèmes d'alimentation des moteurs thermiques en GPL est nécessairement associé à la connaissance de prérequis liés aux différents aspects de la combustion d'un mélange carburé dans la chambre de combustion.

ASPECT ÉNERGÉTIQUE DE LA COMBUSTION D'UN MÉLANGE AIR-GPL/C DANS LES MOTEURS THERMIQUES A ALLUMAGE PILOTÉ (extrait de l'ouvrage de Daniel ROUCHE aux éditions ETAI "GPL Technologies et systèmes" dans la collection "AUTO SAVOIR").

I-RÉACTIONS. PROCESSUS

La transformation "énergie chimique potentielle de la masse de carburant admise en énergie mécanique", via l'enceinte thermique, caractérise la fonction globale (tâche de fond) du processus.

La réaction globale (transformation thermodynamique) est dite d'oxydation d'un réactif réducteur (combustible CxHy) par un réactif oxydant (O2 du comburant).

Carburant et comburant, associés en un même lieu (enceinte ou chambre de combustion), dans des spécifications physiques et thermodynamiques déterminées (phase d'état, pression, température, dosage, homogénéité....), sont l'objet d'une mutation issue d'une réaction chimique : LA COMBUSTION.

 

Fig. I-Environnement fonctionnel de l'enceinte de combustion.

Travail et échanges thermiques caractérisent le processus de combustion.

Le mélange AIR-GPL/C, porté à un niveau de température supérieur à un seuil, devient le lieu de réactions d'oxydation dite de phase lente auxquelles succède une étape de combustion vive (liée à l'émission de lumière et à la transformation quasi instantanée des réactifs en produits de combustion).

Le degré d'homogénéité du mélange AIR-GPL/C, dans des configurations de dosage "idéal" (stoechiométrie), associé à une dynamique température, induisent l'amorce de la combustion liée à un paramètre délai (défini comme le temps pendant lequel le système thermodynamique doit être en transit via des niveaux de pression et température déterminées).

Cette phase identifie le développement de préréactions en amont de l'inflammation du mélange AIR-GPL/C.

Le niveau de température requis pour initier la transformation est fonction de la nature du combustible.

Fig. II-Délai d'auto-inflammation (A.I) d'un mélange AIR-GPL/C stoechiométrique.

 

Le délai d'auto-inflammation du mélange AIR-GPL/C diminue quand la températute augmente ; son évolution est également dépendante de la pression qui règne dans la chambre de combustion.

Des limites (inférieure LI et supérieure LS) caractérisent le potentiel d'inflammabilité du carburant dans l'air ; elles sont liées aux conditions de pression et température du milieu (enceinte), à la nature des composantes du mélange AIR-GPL/C et au niveau de dilution de ce dernier par les gaz inertes.

 

 

Fig.III-Relations R/l liées au rapport en % de masse des composantes d'un mélange AIR/CxHy.

 

La combustion d'un mélange AIR-GPL/C, objet d'iso-conditions thermodynamiques, varie en fonction du niveau de turbulence associé au régime du moteur thermique à allumage piloté.

II-AIR (COMBURANT)

C'est un mélange d'oxygène (20,9% en volume de O2), d'azote (78% en volume de N2) et de gaz inertes (1,1% en volume de composés liés à la présence d'Argon, de Néon, d'Hélium, de Krypton, de Xenon, et de gaz carbonique). L'agent comburant étant l'oxygène, le rapport des quotas de moles N2/O2 est alors égal à 3,78. Dans le cas d'une combustion non stúchiométrique (richesse différente de 1) d'un hydrocarbure de formulation CxHy, cette dernière s'exprime par la relation : R = [1/F ][x+y/4]

Les gaz résiduels (imbrûlés) issus d'une ou de combustion (s) précédente(s) sont caractérisés par la pondération molaire (degré d'influence) qu'ils représentent devant celle des réactifs.

 III-CARBURANT

Il est défini en terme de spécifications destinées à identifier des propriétés physico-chimiques. La caractérisation du combustible s'appuie sur la définition de grandeurs comme, indice d'indétonation (caractéristique liée à la combustion), densité, pression de vapeur REID ou encore degré de volatilité, courbe de distillation. La composition d'un carburant prend la forme: CxHyOz (les indices x, y et z identifient le nombre d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène d'une molécule dite moyenne).

1<=x=<4 gaz

4<=x=<11 essences

10<=x=<25 gazole

x=>25 fuels lourds

 

Méthane, Propane et Butane sont des hydrocarbures parafiniques.

 

 

 

Fig IV-Courbe de distillation d'un hydrocarbure.

Une augmentation de la température :

au niveau de la tête de distillation, conduit à l'augmentation (incrémentation) de la masse de produits légers (très volatils) et de la tension de vapeur

au niveau du cúur, génère une augmentation du niveau moyen de volatilité

au niveau de la queue, mène à une réduction des produits lourds (peu volatils).

 

Fig V-Niveaux de température d'ébullition des hydrocarbures.

 

La température d'ébullition d'un hydrocarbure est d'autant plus élevée que le nombre d'atomes de carbone est important.

L'accroissement de la pression dans la chambre de combustion (cylindre, volume aménagé dans la culasse et le piston) pendant la phase de libération d'énergie (réaction de combustion) est à l'origine du travail recueilli sur l'arbre moteur.

La combustion est une réaction chimique dite rapide pendant laquelle les réactifs (combustible CxHy, AIR (O2+3,78N2), composante à base d'huile de graissage et part de gaz résiduels issus d'une combustion antécédente) se transforment en "produits de combustion".

La modélisation du phénomène thermodynamique sera une approche destinée à fixer les ordres de grandeur des paramètres influants et objets de la combustion.

IV-ÉQUATION DE COMBUSTION

La réaction globale est couramment mise sous la forme d'une équation chimique avec la prise en compte de la composition initiale du combustible.

Dans le cas d'un mélange STOECHIOMÉTRIQUE (quantité d'air juste nécessaire et suffisante pour brûler complètement le combustible) composé d'air sec et d'hydrocarbure CxHy, on peut écrire :

 

CxHy + [(x + y/4][O2 + 3,78N2] -----------> xCO2 + (y/2)H2O + 3,78[x + y/4]N2 + d Hc

avec d Hc, quantité Q encore appelée chaleur de combustion, identifiant la variation d'enthalpie (somme de la variation d'énergie interne et des travaux de transvasement).

La résolution simplifiée (teneur en gaz résiduels négligée et hypothèse de combustion idéale) de cette équation passe par l'équilibre de chacun de ses membres en terme de bilan carbone, hydrogène, oxygène et azote. 

Équation de combustion du Propane C3H8 :

C3H8+5(O2+3,78N2) =======> 3CO2+4H2O+5(3,78N2)+Q

Équation de combustion du Butane C4H10 :

C4H10+6,5(O2+3,78N2) =====> 4CO2+5H2O+6,5(3,78N2)+Q

Le GPL/C (gaz de pétrole liquéfié/carburant) est un mélange de Propane et de Butane.

 

Équation de combustion du Méthane (GNV) CH4 :

CH4+2(O2+3,78N2) ======> CO2+2H2O+2(3,78N2)+Q

 

V-DOSAGES

DOSAGE IDÉAL

Il se définit comme le rapport des masses combustible/carburant mises en jeu.

di = R(S masses molaires du combustible)/F (S masses molaires du comburant)

di = R(S CxHy)/F (S (O2+3,78N2)

masses molaires des composantes associées :

C = 12 O = 16 H = 1 N = 14

di Propane (C3H8)

R = 1 , F = 5

di C3H8 = [1((12.3)+(8.1))]/[5((16.2)+(3,78(14.2))] = 1/15,66

di Butane (C4H10)

R = 1 , F = 6,5

di C4H10 = [1((12.4)+(10.1))]/[6,5((16.2)+3,78(14.2))] = 1/15,45

di Méthane (CH4)

R = 1 , F = 2

di CH4 = [1((12.1)+(4.1))]/[2((16.2)+(3,78(14.2))] = 1/17,23

 

Fig VI-Rapport Air/Carburant (A/F) en fonction du ratio Hydrogène/Carbone (H/C) du carburant.

Le rapport A/F identifiant le dosage idéal (ou condition de combustion complète) est directement lié (droite caractéristique) au quotient des numérations atomique du carburant.

 

Fig.VII-Dosages caractéristiques.

 

 

Dr = dosage de rendement maxi Di = dosage idéal Dp = dosage de puissance maxi

 VI-RICHESSE.LAMBDA

La richesse d'un mélange air/combustible se définit en terme de rapport de masse de mélange réellement admise et de masse de mélange idéale (stoechiométrique).

R = [(masse de combustible/masse d'air)réel]/[(masse de combustible/masse d'air)stoech.]

L'équation de combustion peut être rapportée à une mole de combustible, d'air ou encore d'oxygène.

En mélange pauvre, l'excès d'air dans les réactifs se traduit par la présence d'oxygène dans les produits de combustion, alors que dans le cas d'un mélange riche, l'excès de combustible fait apparaître des imbrûlés (CO et HC).

Fig.VIII-Vitesse de combustion en fonction du rapport AIR/GPL/C= lambda = 1/richesse

Trois dosages caractéristiques identifient la vitesse de combustion :

P max = dosage de puissance maxi à tendance riche, 1 = identifie la richesse ou le dosage est idéal pour une combustion complète, Rend. max = dosage de rendement maxi, là où la consommation est mini).

La vitesse de combustion est maxi pour un mélange où R>1; les mélanges dits pauvres induisent des vitesses de combustion dégradées conduisant à des niveaux de température moteur limites (le temps de détente ou temps froid (endothermique) du cycle à quatre temps se trouve diminué par une amorce de la combustion retardée).

VII-LIMITES D'INFLAMMABILITÉ

Elles définissent les extrêmes du rapport combustible/comburant entre lesquels le mélange est et reste inflammable.

Les facteurs d'influence de ces limites sont :

la nature du mélange

l'état physique du mélange (en terme de phase (liquide et/ou gazeux))

la dilution par des gaz inertes (gaz qui n'interviennent pas dans la réaction)

La concentration C3H8/O2 reste constante quand le % de N2 varie. On entend par dilution , l'augmentation de la part des gaz inertes dans le mélange comburant dont le volume reste constant (excès de combustible et apparition d'imbrûlés).

Remarque: Dans un moteur thermique, une dilution due au CO2 (présence de gaz résiduels dans le cylindre) entraîne l'apparition de zones de richesse dite supérieure à la limite haute d'inflammabilité (combustion dégradée, nécessité d'un brassage de l'air admis).

La dilution du mélange inflammable abaisse les températures de combustion car les gaz inertes absorbent une partie de la chaleur Qc de combustion (endothermie) sous forme de chaleur sensible.

Fig.IX-Performances Puissance (Pi) et Consommation spécifique (Csi) indiquées en fonction de la richesse (R) du mélange AIR-GPL/C.

A==>dosage 1/16 de rendement maxi (tangente à la courbe de puissance).B==>dosage stoechiométrique 1/15,5 du mélange AIR-GPL/C.C==>dosage de 1/13,9 de puissance maxi.D==>niveau de consommation spécifique mini (rendement maxi).