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Les Carburants

09 décembre 2007

La consommation moyenne d’une Formule 1 est de 75 litres d’essence sans plomb pour 100 km. La précision “Sans plomb” a été rajoutée par la FIA en 1999.

Pendant un arrêt au stand, le plein de carburant se fait sous pression avec un débit de 12 litres environ par seconde (9 kg de carburant par seconde).

Le rendement simplifié d’un moteur s’écrit de la façon suivante :

ηmot = Pmeca / Pcarb

ηmot : rendement du moteur (≈ 25%, pour un moteur essence)

Pmeca : puissance mécanique obtenue sur le vilebrequin

Pcarb : puissance obtenue par la combustion du carburant

Le carburant utilisée en F1 doit présenter des propriétés physiques qui permettent la pulvérisation dans l’air (par le biais des injecteurs) et favorisent la vaporisation avant d’être introduit dans la chambre de combustion.

Cet article détaille les propriétés physiques essentielles à un carburant pour une meilleure combustion, et donc un meilleur rendement du moteur.

La densité :

C’est le rapport entre une masse homogène et la masse du même volume d’eau pure.

L’essence doit présenter la plus faible variation de densité. Le système d’injection débitant un volume précis de carburant, la densité influe directement sur le débit massique de carburant et donc sur le dosage.

Rappelons que le dosage s’exprime par la formule suivante :

d = M carb / M air

Avec d : dosage ;

M carb : masse de carburant (kg) ;

M air: Masse d’air (kg)

Il en découle la formule de la richesse :

R = d / d°

Avec R : richesse ;

d : dosage ;

d°: dosage stœchiométrique ( masse d’air nécessaire à la combustion totale d’un gramme de carburant )

Par exemple, une variation de 5% de la densité peut occasionner une variation de richesse de 0.95 à 1.

Par ailleurs la température influe sur la densité du carburant. La variation de la masse volumique avec la température s’exprime de cette façon.

ρ t = ρ15 – k x ( t-15 )

Où : t : température en °C

ρ t et ρ15 : masse volumiques à la température t et à 15°C

k : coefficient de l’ordre de 0.00085

Donc pour une évolution de température de 15°C à 25°C, on obtient une diminution de la masse volumique de 0.008 soit moins de 1%.

La variation est faible mais cela devient intéressant lors des grands prix exotiques (Malaisie, Barhein, Hongrie…) où la température ambiante avoisine les 35 – 40 °C.

Cette variation est prise en compte lors du stockage et de la distribution aux équipes.

La volatilité :

Elle caractérise l’aptitude d’un carburant à passer de l’état liquide à l’état vapeur.

Ainsi chaque type d’essence est représenté sur une courbe retraçant l’évolution de l’évaporation en fonction de la température. On l’appelle la Courbe de Distillation

Par exemple pour le méthanol, carburant utilisé dans les catégories ChampCar et Indy Car, la vaporisation s’effectue à 64,7°C.

Un carburant peu volatile lors d’un fonctionnement en pleine course peut engendrer des tampons de vapeur (zones gazeuse dans les conduites du système d’injection) et occasionner des trous en pleine accélération.

Chaleur latente de vaporisation :

C’est la quantité de chaleur à apporter pour vaporiser un liquide quand il est à sa température de saturation

La saturation est l’état physique, à une pression et température donnée ou l’on ne distingue plus l’état gazeux et liquide du carburant.

Résistance à l’auto inflammation :

Les moteurs de F1 étant des moteurs 4 temps à allumage commandé, la combustion du mélange air-essence doit s’initialiser à l’aide d’une étincelle. Il y a donc propagation d’un front de flamme. Et pour des raisons évidentes de performances, le carburant ne doit pas s’enflammer lui-même sous l’effet de la pression exercée par la course ascendante du piston.

Le carburant doit présenter une forte résistance à l’auto-allumage. Ce qui est exactement l’inverse pour un moteur diesel.

Si l’on considère la puissance d’un moteur :

Pmot = ηglobal * Qcarb * PCI

Avec :

ηglobal = ηcombustion * ηthermodynamique * η mécanique moteur

Et : ηthermodynamique = 1 – (1/ε^γ-1) * (f1/f2)

ε : rapport volumétrique ;

γ : exposant polytropique ;

f1/f2 : facteur de forme du cycle

On en déduit que pour augmenter la puissance Pmot, il faut augmenter le rendement ηglobal,

C’est à dire augmenter le rendement ηthermodynamique.

Ce qui revient finalement à augmenter le rapport volumétrique.

En contrepartie, il ne faut pas dépasser le rapport volumétrique critique car on risque d’exposer le moteur au phénomène de cliquetis (vibrations haute fréquence dues à la propagation de plusieurs fronts de flamme dans le cylindre), qui est la conséquence de l’auto-inflammation du mélange air carburant.

Cliquetis / Délai d’auto inflammation :

Le délai d’auto inflammation est l’intervalle de temps θ entre le moment où le carburant est placé dans les conditions de température et de pression propices à l’auto inflammation et l’instant où apparaît le phénomène.

L’expression de l’intervalle de temps θ est :

θ = A * p^-n * exp(B/T)

Avec : A, B, n coefficients numériques caractérisant le comportement du carburant

(A influence de la richesse, B sensibilité à la température, n sensibilité a la pression)

T (°K) température thermodynamique

P (bar) pression

De cette expression on en déduit que le délai d’auto inflammation diminue quand p et T augmentent.

Plusieurs facteurs ont une influence sur cette auto-inflammation:

Dans le cas d’un taux de compression trop important, la pression et la température au point mort haut peuvent atteindre des valeurs limites (cf. ci-dessus). En effet, les gaz frais comprimés lors de la combustion peuvent atteindre la température d’auto-allumage. La pression augmente encore et peut dépasser les limites fixées par le constructeur. On peut alors assister à des ruptures du cylindre.

• L’avance à l’allumage a également un effet sur le cliquetis. La compression et la combustion sont deux facteurs qui provoquent une augmentation de la pression.
• La forme de la chambre permet également de limiter l’apparition du cliquetis. Suivant la place de la bougie et des soupapes, les gaz frais sont plus ou moins chauffés.
• Il est également possible de jouer sur le refroidissement du piston pour éviter le cliquetis.
• L’augmentation de la turbulence au sein du piston provoque une augmentation du taux de combustion, ce qui limite les points de surpression dans les gaz frais.
• Un facteur très important de l’apparition du cliquetis est la limite d’auto-inflammation du carburant. C’est l’indice d’octane qui permet de quantifier cela. Plus le carburant contient d’octane, moins il a de chance de subir une auto-inflammation lors de la combustion.
• Le cliquetis est un phénomène extrêmement important dans les moteurs. Il est un facteur limitant pour le motoriste. En effet, pour un moteur donné, le taux de compression ne peut être augmenté indéfiniment. A partir d’un certain taux limite, le cliquetis apparaît.

Le Cliquetis :

La combustion du mélange commence normalement après l’étincelle (1).

Le front de flamme se propage et son souffle repousse une partie du mélange contre les parois du cylindre et le sommet du piston. L’élévation de pression et de température devient tellement importante que le combustible coincé contre les parois atteint son point d’auto-allumage et s’auto enflamme à plusieurs endroits (2).

Les micros explosions qui en résultent produisent des vibrations dans le domaine acoustique (de l’ordre de 5 à 10 KHz). (3)

Elles sont très vives et peuvent rapidement créer des points chauds qui accentueront encore plus le problème.

En résumé, pour éviter le cliquetis, il faut laisser le temps à la déflagration de se propager, c’est-à-dire que la durée de propagation de la déflagration doit être inférieure au délai d’auto-inflammation

L’indice d’octane :

L’indice d’Octane d’une essence est sa capacité, en mélange avec l’air, à supporter une compression sans entraîner une auto-inflammation, donc sa résistance à l’auto inflammation. Il ne s’agit pas d’une grandeur physique.

Le taux de compression détermine le rendement du moteur : c’est le rapport entre le volume du cylindre lorsque le piston a été repoussé vers le bas par la détente des gaz, et le volume lorsque le piston est en haut du cylindre. Plus le taux de compression du moteur est élevé, plus celui-ci est performant. Toutefois, le phénomène de cliquetis ou autoallumage du carburant limite le taux de compression, et sa manifestation peut fortement endommager les différents éléments du moteur. Une solution consiste à augmenter l’indice d’octane du carburant.

L’indice d’octane est déterminé par la composition du mélange d’un produit détonant, le n-heptane (indice 0), et d’isooctane, très résistant à la détonation (indice 100). Un carburant d’indice 95 a le même comportement qu’un mélange à 95 p. 100 d’isooctane et 5 p. 100 de n-heptane. Pour accroître l’indice d’octane d’un carburant, on peut utiliser, dans le supercarburant plombé, du plomb tétraméthyl ou du plomb tétraéthyl. Pour les supercarburants sans plomb, on utilise des composés organiques, comme le méthyl tertiobutyl éther.

Un supercarburant est caractérisé par l’indice d’octane recherche (RON), mesuré dans des conditions de vitesse et d’accélération faibles, et l’indice d’octane moteur (MON), déterminé dans des conditions d’essais plus sévères.

Voici un extrait du cahier des charges concernant le carburant en Formule 1 :

19.3) Propriétés : Le seul carburant autorisé est l’essence possédant les caractéristiques suivantes :

Caractéristiques de distillation :

Article écrit et rédigé par YannL.

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