Combustion des hydrocarbures
Dans la partie précédente, nous avons vu comment le pétrole était transformé, en raffinerie, pour être utilisable comme source d'énergie. Mais comment le gazole, l'essence, le kérosène et les autres dérivés sont-ils employés pour créer de la chaleur, ou encore, et majoritairement, pour faire fonctionner nos véhicules ?
Nous reviendrons tout d'abord sur le principe de la combustion, nous verrons ensuite comment les dérivés du pétrole sont utilisés dans les moteurs afin de créer une énergie mouvement et quelles pollutions sont engendrées par l'utilisation de l'énergie pétrolière.
a) Principe de combustion
b) La combustion dans les moteurs
c) Pollutions engendrées
a) Principe de combustion
La combustion est le résultat de l'association de trois éléments : un comburant, un combustible et une énergie d'activation.Le comburant permet l'entretien de la combustion d'un combustible, lorsqu'une énergie est présente.
(Exemple : le feu peut être le résultat de l'association du bois, de l'air et de la haute température)
Si ces trois éléments ne sont pas réunis en même temps, la combustion ne peut pas avoir lieu.
Ce principe est aussi couramment appelé Triangle du feu.
Triangle du feu
Une explosion peut être le résultat d'une combustion : lorsqu'un combustible brûle, la matière se transforme, si la matière finale occupe un volume supérieur à celle de départ, il y a explosion. La matière se propage jusqu'à obtenir l'équilibre avec la pression atmosphérique.
Ce principe peut être appliqué aux produits du pétrole dans différents buts : obtention de chaleur (fioul, butane, propane...), mais aussi obtention d'une énergie de mouvement (cinétique).
L'obtention de chaleur étant faite par simple combustion, nous verrons uniquement comment ce principe est appliqué dans différents types de moteurs, pour permettre d'obtenir une énergie de mouvement.
b) La combustion dans les moteurs
Le pétrole, ou plus précisément ses dérivés, sont utilisés comme carburant dans la majorité des moteurs, surtout dans les transports.On trouve plusieurs types de moteurs dominants : les moteurs à explosion à 4 temps, le moteur diesel, et le turbo-réacteur (moteurs d'avions).
Nous commencerons par étudier le fonctionnement d'un moteur à explosion à 4 temps. (schémas ci-dessous)
Un moteur à explosion fonctionne grâce au Supercarburant issu de la distillation pétrolière.
Ici, un piston, entraîné par une bielle qui tourne autour d'un villebrequin, se déplace verticalement dans un cylindre.
Un cycle de rotation de ce moteur est composé de 4 étapes (4 temps), soit 2 tours du villebrequin.
La soupape d'admission (qui introduit l'essence dans le moteur), est ouverte, tandis que celle d'échappement (qui évacue les gaz) est fermée. En descendant dans le cylindre, le piston aspire un mélange d'air et de carburant, qui se place au-dessus de lui, à pression atmosphérique.
(1er schéma)
Admission
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Les deux soupapes sont fermées, le piston remonte dans le cylindre et comprime le mélange d'air et de carburant.
(2ème schéma)
Compression
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Les deux soupapes restent fermées. La bougie, située au dessus du cylindre, produit une étincelle (allumage électrique), et enflamme ainsi le mélange. La matière finale occupant plus de place que la précédente, il y a explosion.
L'explosion provoque le déplacement du piston vers le bas du cylindre.
C'est le seul temps "moteur" du système, celui qui produit l'énergie de mouvement. (3ème schéma)
Combustion
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La soupape d'admission reste fermée, la soupape d'échappement s'ouvre. Le piston remonte et repousse les produits de la combustion (principalement gazeux), hors du cylindre par l'ouverture de la soupape.
(4ème schéma)
Echappement
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Le vilebrequin est ainsi mis en rotation et entraîne avec lui d'autres mécanismes qui permettront de faire tourner des roues, d'une voiture par exemple. Nous pouvons résumer ceci grâce à une représentation animée d'un moteur à 4 temps, mise à disposition par Mme Geneviève Tulloue. :
Animation moteur 4 temps
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Ayant compris le fonctionnement d'un moteur à 4 temps, nous allons voir un autre type de moteur, dit "Diesel".
En effet, le moteur à 4 temps essence (au Supercarburant) n'est pas le seul moteur principalement utilisé. On rencontre aussi le moteur Diesel, couramment dans les transports, fonctionnant au Gazole.
Un moteur diesel est en fait un type de moteur à 4 temps. Il fonctionne sur le même principe que le moteur vu précédemment, mais comprend tout de même quelques différences.
Ce moteur fonctionne au Gazole, qui, comme nous l'avons vu dans la partie précedente, a la particularité d'être auto-enflammable sous haute pression.
Le moteur Diesel n'a donc pas besoin de bougie pour créer la combustion, puisque la pression créée par le piston suffit à faire exploser le mélange d'air et de carburant.
C'est la principale différence avec un moteur à 4 temps essence.
Un autre type de moteur très utilisé et le turbo-réacteur : le moteur d'avion. Il fonctionne selon un principe totalement différent des deux précédents.
Le turbo-réacteur est donc un système de propulsion essentiellement utilisé par les avions.
Le carburant utilisé pour le fonctionnement de ce type de moteur est le Kérosène, préféré, comme nous avons pu le voir dans la partie précédente, pour sa forte valeur énergétique, et sa température de congélation très basse. C'est donc le carburant prédisposé à l'aviation.
Le principe de fonctionnement d'un turbo-réacteur est le résultat de l'accélération des gaz entre leur entrée et leur sortie du réacteur.
Pour comprendre son fonctionnement, il faut étudier la disposition d'un tel type de moteur.
1. L'air, lorsqu'il rentre dans le réacteur, rencontre un compresseur, sa pression augmente donc.
2. A la sortie du compresseur, l'air pénètre dans la chambre de combustion, où il est mélangé au carburant (le Kérosène), et porté à combustion.
3. Cette combustion produit une grande quantité de gaz qui est projetée vers l'arrière du réacteur.
4. Ces gaz, en sortant du réacteur, font eux-mêmes tourner une ou plusieurs turbines qui entraîneront le compresseur par l'axe qui les relie. Le moteur est ainsi autonome.
5. La quantité et la vitesse des gaz sortants poussent le réacteur vers l'avant, entraînant avec lui le véhicule auquel il appartient.
c) Pollutions engendrées
Nous venons de voir que les produits du pétrole étaient portés à combustion pour faire fonctionner les différents types de moteurs. Mais cette combustion entraîne des réactions nocives sur l'environnement.Tout d'abord, la combustion dans les moteurs, comme le raffinage, produit des particules composées de carbone, dangereuses pour les voies respiratoires. Mais de plus en plus de véhicules sont maintenant munis de filtre à particules, ce qui permet de réduire grandement cet impact.
Tout comme la distillation, et sous l'effet de la chaleur, la combustion produit des oxydes d'azote, du dioxyde de soufre et de l'ozone, mais la pollution la plus importante et la plus grave pour l'environnement est la grande production de gaz à effet de serre (GES), et principalement du dioxyde de carbone (CO2).
En effet, lors de la combustion, les atomes de carbone se lient aux molécules de dioxygène et forment le CO2 :
C + O2 = CO2
Nous allons étudier le principe de l'effet de serre et les caractéristiques d'un GES, pour comprendre sa dangerosité.
Comme nous le savons, la terre reçoit l'énergie du Soleil, sous forme de rayons. Une température d'équilibre est obtenue lorsque toute cette énergie est réémise sous forme de rayonnements infrarouges par la Terre.
La température pour laquelle l'équilibre est atteint, si on calcule l'énergie envoyée par le Soleil, est de -18°C sur Terre.
Heureusement, un mécanisme naturel permet à cette température de s'élever à environ 15°C, température favorable à la vie.
Ce mécanisme se nomme l'effet de serre, qui, quand il ne s'emballe pas, est tout de même utile à la planète.
L'effet de serre
Un gaz à effet de serre est un gaz qui absorbe et renvoie les rayonnements infrarouges émis par la surface de la Terre, les empêchant de retourner dans l'espace.
La planète se réchauffe ainsi par ses propres rayons infrarouges.
Depuis la modernisation et l'apparition des moteurs, la consommation de pétrole et donc la quantité de dioxyde de carbone, ont grandement augmenté, et ont amplifié l'effet de serre, et donc le réchauffement climatique.
Ce réchauffement entraîne la fonte des calottes polaires, et ainsi une élévation du niveau des eaux. On trouverait ainsi de plus en plus de réfugiés climatiques.
Elevation du niveau de la mer de 1880 à 2000
Il est aussi soupçonné d'être à l'origine du dérèglement climatique, comme le souligne Al Gore dans le film Une Vérité qui Dérange.
L'élévation de la température, à long terme, aurait des conséquences sur les courants marins et les éco-sytèmes.
C'est donc une priorité de réduire la consommation de pétrole et donc d'émission de gaz à effet de serre.
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