Introduction aux carburants de transport dans les moteurs à combustion interne

Kim Taylor
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7.7

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

La plupart des véhicules, qu’ils se déplacent sur la terre, dans les airs ou sur les eaux, ont besoin de carburant pour faire fonctionner leur moteur.

Combien de moyens de transport peux-tu nommer?

Il existe de nombreux moyens de transport et plusieurs sources d’énergie qui rendent possibles ces moyens de transport. La plupart d’entre eux ont besoin de carburant pour faire fonctionner leur moteur.

Les carburants sont des matériaux qui stockent de l’énergie potentielle. Pour la plupart des carburants, cette énergie potentielle est stockée dans les liaisons entre les molécules qui constituent le carburant. On parle alors d’énergie potentielle chimique ou d’énergie chimique.

Pour libérer cette énergie emmagasinée, les carburants subissent généralement une réaction chimique qu’on appelle une réaction de combustion (ou brûler).

Dans ce type de réaction, un carburant (le plus souvent un hydrocarbure ou un mélange d’hydrocarbures) réagit avec l’oxygène (qu’on retrouve généralement dans l’air) pour produire du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O).

Les réactions de combustion libèrent également beaucoup de chaleur (les réactions qui produisent de la chaleur sont des réactions exothermiques). Pour la majorité des véhicules, l’énergie thermique libérée par le carburant est convertie en énergie mécanique dans le moteur, puis est transférée à d’autres pièces en mouvement telles que les roues et les hélices sous forme d’énergie cinétique (énergie du mouvement).

Il existe des carburants solides (bois, charbon, etc.), liquides (essence, diesel, éthanol, etc.) ou gazeux (propane, gaz naturel, etc.).

Les carburants peuvent être solides, liquides ou gazeux
Les carburants peuvent être solides, liquides ou gazeux (© Parlons sciences, 2020).

La majorité des véhicules modernes fonctionnent avec des carburants liquides ou gazeux. Mais anciennement, on utilisait le charbon et le bois pour chauffer l’eau afin de créer de la vapeur, laquelle permettait aux moteurs à vapeur des automobiles, des trains et des bateaux de faire tourner les roues et les hélices.

La plupart des carburants utilisés aujourd’hui pour faire fonctionner les véhicules se classent en deux catégories : les carburants à base de pétrole, et les biocombustibles.

Les combustibles fossiles

Les carburants à base de pétrole sont mieux connus sous le nom de combustibles fossiles. Le terme pétrole peut signifier du pétrole brut (non traité) ou des produits faits de pétrole brut raffiné.

Les carburants liquides à base de pétrole comprennent l’essence, le pétrodiesel, l’essence aviation, le carburéacteur et le mazout pour navires.

Les combustibles gazeux à base de pétrole comprennent le gaz naturel et le propane (même si ce dernier est entreposé sous forme liquide).

L’essence automobile (mogas)

L’essence (ou « pétrole » dans certains pays anglophones) est fort probablement le carburant le plus utilisé pour les véhicules.

L’essence est un liquide clair inflammable qui brûle facilement. Il est fait d’un mélange d’hydrocarbures qu’on obtient par le raffinage du pétrole brut et auquel on ajoute des additifs comme l’éthanol, un biocarburant.

Le savais-tu? 

Le mogas est fait de chaînes hydrocarbonées comprenant entre 7 et 11 atomes de carbone.

Dans les moteurs à essence à combustion interne, le carburant est mélangé avec de l’air puis s’allume à l’aide de bougies d’allumage.

Les gens utilisent l’essence comme carburant pour leurs automobiles, leurs camionnettes, leurs fourgonnettes, leurs VUS, leurs bateaux à moteur, leurs motoneiges, leurs scooteurs et leurs motocyclettes. Autrefois, l’essence automobile contenait du plomb, mais aujourd’hui on ne peut acheter que de l’essence sans plomb.

Le pétrole diesel (diesel, pétrodiesel)

Le deuxième type de carburant le plus connu après l’essence est le carburant diesel. Tout comme l’essence, le diesel est un hydrocarbure liquide obtenu par le raffinage de pétrole brut.

Le savais-tu? 

Le carburant diesel est fait de chaînes hydrocarbonées comprenant entre 15 et 18 atomes de carbone.

À mesure qu’on élabore de nouveaux types de carburants diesel, le carburant diesel à base de pétrole se fait de plus en plus appeler pétrodiesel afin de le différencier des carburants à base d’huile végétale ou de graisse animale connus sous l’appellation biodiesel.

Les moteurs diesel sont nommés ainsi en l’hommage de l’inventeur allemand, Rudolf Diesel. Contrairement aux moteurs à essence, c’est la chaleur de l’air comprimé qui allume le carburant, au lieu des bougies d’allumage.

On utilise le diesel dans les voitures, les camionnettes, les fourgonnettes, les VUS, les autobus scolaires, les autobus de ville, les trains, les bateaux à moteur et les traversiers.

L’essence aviation (avgas)

Tout comme l’essence automobile, l’avgas est un mélange d’hydrocarbures liquides. Mais contrairement à l’essence utilisée dans les automobiles, l’avgas contient du plomb tétraéthyle (PTE), une substance toxique utilisée pour empêcher les cliquetis dans le moteur (allumage inadéquat de l’essence pouvant gêner les cycles du moteur).

Le savais-tu? 

L’avgas est fait de chaînes hydrocarbonées comprenant entre 4 et 12 atomes de carbone.

L’essence aviation (avgas) est une essence particulière utilisée pour faire fonctionner les aéronefs équipés de moteur à pistons (à allumage par étincelle). Ce type d’essence est utilisé principalement pour les petits aéronefs privés et d’époque. Plusieurs types d’avgas contiennent des colorants pour qu’ils soient visibles en cas de déversement.

Le carburéacteur (combustible pour moteur à réaction)

Le carburéacteur est un type de carburant liquide semblable au diesel. On l’utilise dans les moteurs à allumage par compression et dans les moteurs à turbine (moteur à combustion interne qui fait tourner une turbine).

Il existe deux types de carburéacteur :

  1. le kérosène sans plomb (Jet A, JP-5, JP-8)
  2. les mélanges de naphta et kérosène (Jet B et JP-4), utilisés seulement pour usage lors de temps très froid.

Ces deux types de carburant contiennent des hydrocarbures courts (entre 12 et 16 atomes de carbone) obtenus par raffinage de pétrole brut.

Les chercheurs sont à élaborer des biocarburants pour avion à réaction d’origine végétale, tels que les algues et la caméline.

Parmi les aéronefs qui fonctionnent au carburéacteur, on compte les aéronefs à turbopropulseur, les avions à réaction et les hélicoptères.

Le mazout lourd

Le mazout lourd est un liquide épais de couleur foncée fait de longues chaînes hydrocarbonées. Il est composé de :

  1. mazout léger (hydrocarbures bouillis puis condensés pendant le processus de distillation fractionnée)
  2. carburant résiduel (les hydrocarbures trop lourds pour être distillés et qui deviennent ainsi des résidus).

Puisque le carburant résiduel est très épais, l’ajout de distillats le rend plus fluide (réduit la viscosité).

Le mazout lourd ne peut être utilisé que par de très gros navires étant donné qu’il doit être préalablement chauffé avant d’être brûlé à l’aide d’équipement spécialisé trop gros pour être installé dans de plus petits véhicules.

Le mazout lourd est aussi connu sous le nom de combustible de soute, appellation qui lui vient des conteneurs dans lesquels le mazout est entreposé sur les navires et dans les ports.

Un échantillon de mazout lourd
Un échantillon de mazout lourd. Remarque son épaisseur et sa couleur très noire (Source : Glasbruch2007 [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons).

Le gaz naturel comprimé (GNC)

Le gaz naturel est un mélange naturel d’hydrocarbures qu’on trouve dans des gisements souterrains appelés champs de gaz naturel, ou près des champs de pétrole.

Le savais-tu? 

Le gaz naturel est principalement constitué de méthane, un hydrocarbure ne contenant qu’un atome de carbone.

Pour faire du gaz naturel comprimé (GNC), il faut comprimer le gaz naturel jusqu’à moins d’un pour cent de son volume sous pression atmosphérique normale, pour ensuite être stocké dans des cylindres et utilisé dans des véhicules au même titre que l’essence.

On peut utiliser le gaz naturel comme substitut pour l’essence, le carburant diesel et le propane.

Le propane (gaz naturel liquéfié, auto-propane)

Le propane, un hydrocarbure gazeux court (C3H8), est un sous-produit du gaz naturel épuré et du pétrole brut raffiné. Lorsqu’il est conservé sous pression dans un réservoir, le propane est un liquide incolore et inodore.

Le savais-tu? 

Pour des raisons de sécurité, un additif nauséabond est ajouté au propane. Sinon, on ne pourrait pas le sentir en cas de fuite!

Lorsqu’on relâche la pression, le propane liquide s’évapore et devient un gaz qui sert à la combustion. Tout comme les moteurs à essence, les moteurs au propane sont des moteurs à allumage par étincelle.

Bien qu’on utilise généralement le propane comme carburant dans les BBQ, il sert également dans les parcs de véhicules (de police et taxi). Certains véhicules ne fonctionnent qu’au propane, alors que d’autres sont munis d’un système double qui utilise le propane et l’essence. La majeure partie des véhicules qui fonctionnent au propane sont en fait des modèles conçus à l’origine pour fonctionner à l’essence.

Un camion-citerne de propane
Un camion-citerne de propane (Source : kozmoat98 via iStockphoto).

Les biocarburants

L’éthanol

L’éthanol est un biocarburant, un type d’alcool à base de plantes.

Le savais-tu? 

L’éthanol est un alcool comprenant deux atomes de carbone (C2H5OH).

Au Canada, l’éthanol est essentiellement fait à base de maïs et de blé. Des recherches importantes sur la possibilité d’utiliser de la cellulose trouvée dans les déchets végétaux pour fabriquer de l’éthanol sont en cours. On ajoute souvent de l’éthanol et d’autres types d’alcool à l’essence, puisque l’alcool produit moins de monoxyde de carbone et de suie que l’essence lorsqu’il brûle.

Depuis 2010, le gouvernement du Canada a mis en place une réglementation exigeant la présence d’une moyenne de 5 % de carburant renouvelable (souvent sous forme d’éthanol) dans l’essence partout sur son territoire.

Tous les véhicules à essence fabriqués depuis le début des années 1980 peuvent fonctionner avec de l’essence contenant de l’éthanol, et tous les grands fabricants de véhicules approuvent l’utilisation d’essence contenant jusqu’à 10 % d’éthanol. On appelle l’essence qui contient 5 % d’éthanol du E5, et E10 l’essence contenant 10 % d’éthanol. Il existe également des véhicules polycarburants qui consomment toutes les combinaisons possibles d’essence et d’éthanol, jusqu’à une proportion de 85 % d’éthanol (qu’on appelle E85).

Le biodiesel

Le biodiesel, qui est aussi un biocarburant, est un type de diesel obtenu par réaction chimique de corps gras (huile végétale ou gras animal) et d’alcool.

Le savais-tu? 

Le biodiesel est fait d’esters comprenant entre 8 et 20 atomes de carbone.

La majeure partie du biodiesel est faite à base de canola, mais on peut également en produire à base de plantes telles que du soya, du jatropha ou de l’algue mélangées à de l’huile végétale usée, ou à partir de résidus d’origine animale comme le gras de bœuf ou de volaille.

Tous les moteurs diesel fonctionnent à 100 % biodiesel. Cependant, le diesel se vend généralement sous forme de mélange à concentration entre 2 % et 20 %. La plupart des garanties de moteur diesel autorisent l’utilisation de mélanges B5 (5 % de biodiesel) à B20 (20 % de biodiesel).

B100 à base de soya
B100 à base de soya (Par Leandro Maranghetti Lourenço via Wikimedia Commons).

On utilise présentement du biodiesel pour faire fonctionner des automobiles, des camions, des autobus et des trains. Et les scientifiques l’essaient même pour faire fonctionner des aéronefs. Depuis 2011, le gouvernement du Canada a mis en place une réglementation exigeant la présence d’une moyenne de 2 % de carburant renouvelable (biodiesel) dans le diesel vendu partout sur son territoire.

Comme tu peux voir, il existe de nombreux types de carburant. Pense à tous les types de véhicules que tu as vus la semaine dernière. Quels types de carburant penses-tu qu’ils utilisent?

 

 

Références

Brain, M. (2000, avril 1). How diesel engines work. HowStuffWorks.

Brain, M. (2002, février 6). How gasoline works. HowStuffWorks.

Gouvernement du Canada. (2019, juillet16). Règlement sur les carburants renouvelables.

U.S. Department of Energy. (n.d.). Alternative fuels data center.

Wise Geek. (n.d.). What is bunker fuel?

Kim Taylor

Merci à Nick MacCallum (ingénieur) d’avoir révisé ce document d’information.

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