Effet de l’utilisation des carburants oxygénés dans un moteur

La conséquence la plus marquée de l’effet de l’ajout de carburants oxygénés à l’essence est l’augmentation de la consommation spécifique de carburant. Ce phénomène est plus marqué avec l’utilisation des alcools à petite chaîne de carbone tels que le méthanol et l’éthanol. Avec l’éthanol, Broustail et al. (2012) et Zhang et al. (2014) remarquent une plus grande consommation avec l’ajout d’alcool. De plus, ces auteurs démontrent qu’une plus grande consommation est observable avec l’éthanol que le butanol. En effet, Broustail et al. (2012) remarquent une augmentation linéaire de la CSC pour des concentrations d’alcool de 0, 25,

50, 75 et 100 % et une augmentation de 60 % pour l’éthanol pur et de 30 % pour le butanol pur.

Pour les émissions de polluants réglementés, plusieurs études sur des mélanges de carburants oxygénés ont déjà été faites. Pour commencer, il ne semble pas y avoir un consensus dans les recherches précédemment publiées sur l’effet de l’ajout d’éthanol sur les émissions de CO en mode d’injection homogène. Quelques auteurs démontrent une diminution des émissions de CO avec l’ajout d’alcool dans le mélange (Costagliola et al., 2013; Hsieh et al., 2002; Sandquist, Karlsson et Denbratt, 2001; Wu et al., 2004). Par exemple, dans (Costagliola et al., 2013), des mélanges de 10, 20, 30 et 85 % d’éthanol avec de l’essence dans un moteur à injection indirecte présentent une diminution des émissions de CO avec l’augmentation du taux d’éthanol. Les essais de Hsieh et al. (2002) permettent de voir une réduction des émissions de CO jusqu’à 90 % avec l’ajout de 30 % d’éthanol à l’essence (E30). Par contre, les auteurs attribuent cette tendance au changement de richesse causé par la présence d’oxygène dans l’éthanol. Tandis que Broustail et al. (2012) , Dernotte et al. (2010) et Wallner et Frazee (2010) quant à eux remarquent une augmentation des émissions de CO avec l’ajout d’alcool. Au final, Wu et al. (2004) démontrent que c’est la richesse du mélange qui influence le plus les émissions de CO et non le taux d’éthanol (jusqu’à 30 %). Ces résultats démontrent que lorsque le mélange air-carburant est pauvre en mode d’injection homogène, le moteur ne génère pratiquement pas de CO. En mode d’injection stratifiée avec un moteur utilisant la technique du « Wall-Guided », Sandquist, Karlsson et Denbratt (2001) ont obtenu une légère réduction des émissions de CO sur plusieurs points d’opération avec l’ajout d’éthanol. Ces essais ont été faits avec de faibles concentrations en éthanol (E5, E10 et E15).

Pour les émissions de NOX, une tendance particulière semble observée par plusieurs auteurs. Plusieurs recherches démontrent qu’une faible concentration de carburants oxygénés ajoutée à l’essence a pour effet d’augmenter légèrement ou égaler les émissions de NOX par rapport à l’essence. Par contre, à de fortes concentrations de carburants oxygénés, l’effet est inversé soit que moins de NOX sont produits par rapport à l’essence (Costagliola et al., 2013; He et

al., 2010; Hsieh et al., 2002; Ratcliff et al., 2013; Wallner et Frazee, 2010). Les essais avec du E10, E20, E30, E85 et B10 dans (Costagliola et al., 2013) démontrent une légère augmentation pour les mélanges de 10 et 20 % des émissions de NOX. Par contre, le mélange E85 provoque une réduction de 15 %. Les auteurs expliquent ce phénomène par une diminution de la pression maximale dans le cylindre, causée par une chaleur de vaporisation plus élevée pour l’éthanol réduisant la température dans le cylindre. D’autres essais ont été faits sur un moteur à injection direct avec des mélanges d’E10, E50, B16 et B83 par Wallner et Frazee (2010). Les auteurs perçoivent très peu de changement pour les mélanges d’E10 et de B16, mais une réduction lors de l’utilisation du E50 et B83. En mode d’injection stratifiée, il semble que même pour de faibles concentrations en carburant oxygéné une réduction des émissions de NOX est perceptible. En effet, Sandquist, Karlsson et Denbratt (2001) remarquent soit pas de changement ou une légère diminution des émissions de NOX avec des mélanges d’E5, E10 et E15, comparativement à de l’essence.

En ce qui concerne les émissions d’HC, la tendance générale est une diminution de ces émissions avec l’ajout de carburants oxygénés (Cooney et al., 2009; Hsieh et al., 2002; Jia et al., 2005; Sandquist, Karlsson et Denbratt, 2001; Varol et al., 2014; Wallner et Frazee, 2010; Wu et al., 2014; Zhang et al., 2014). En effet, dans (Varol et al., 2014), les auteurs expérimentent l’utilisation des mélanges à 10 % de méthanol, d’éthanol et de butanol dans un moteur à allumage commandé et obtiennent une réduction de 13,4, 15,1 et 18,45 % respectivement par rapport à l’essence. Wu et al. (2004) attribuent cet effet à la présence d’une molécule d’oxygène dans l’éthanol qui permettrait une combustion plus complète. Par contre, tout comme pour les émissions de CO, les HC sont intimement liés à la richesse du moteur en combustion homogène. En effet, dans (Wu et al., 2004) il est possible de voir ces tendances et les auteurs ont trouvé que les émissions d’HC sont plus basses lorsqu’un mélange de 10 % d’éthanol était utilisé avec un λ légèrement supérieur à 1. Les résultats de Sandquist, Karlsson et Denbratt (2001) illustrent la même tendance en mode d’injection homogène. En effet, les auteurs observent une réduction des émissions d’HC avec l’ajout de 5, 10 et 15 % d’éthanol, par contre une augmentation marquée de ces émissions est observée en mode d’injection stratifiée.

Par rapport aux émissions de particule, il semble que l’ajout de carburants oxygénés a pour effet de réduire ces émissions. En étudiant les chemins d’oxydation de l’éthanol pour un mélange homogène, Broustail et al. (2012) ont démontré que l’augmentation d’éthanol dans le carburant permettrait de diminuer les précurseurs tels que l’éthylène (C2H4), le méthane (CH4) et l’acétylène (C2H2). Ces conclusions semblent bien se refléter sur d’autres recherches expérimentales qui démontrent une diminution des émissions de particules avec l’ajout de carburants oxygénés. En effet, il est possible de voir cette réduction dans quelques articles (Costagliola et al., 2013; He et al., 2010; Zhang et al., 2014) en mode d’injection homogène. Par contre, il semble qu’en mode d’injection stratifié la tendance n’est pas la même. En effet, les résultats de Chen et Stone (2011) démontrent qu’en mode d’injection stratifiée, l’ajout d’éthanol a pour effet d’augmenter le nombre et la masse des particules.