S. Sidibé et J. Blin / Journée scientifique 2iE (2009)

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1 Huiles végétales pures comme carburant dans le moteur diesel Etat de connaissance S.S. Sidibé, J. Blin Laboratoire de biomasse énergie et biocarburant (LBEB), Institut International d Ingénierie de l Eau et de l Environnement (2iE), Rue de la science 01Ouagadougou 01 BP594 Résumé La demande de carburant augmente d année en année avec l industrialisation et la motorisation qui ne cessent de croitre à la surface du globe. Les effets de ce constat se traduisent par une diminution des ressources pétrolières, une augmentation de la pollution atmosphérique et des concentrations de gaz à effets de serre. L une des solutions proposées est l utilisation des huiles végétales comme carburant Diesel. Divers équipes de recherche ont étudiés l utilisation d huiles végétales comme carburant dans des moteurs. Des divergences apparaissent sur les résultats de leur étude. Celles-ci concernent les origines des problèmes rencontrés et les solutions à y apporter. Ce présent document se propose de faire l état de lieux des divergences dans les résultats et conclusions présentés dans la bibliographie qui traite de l utilisation des huiles végétales pures comme carburant. Sur la base de cette analyse nous proposons les perspectives d études pour le LBEB. 1. Introduction Dans un monde où l énergie est devenue une préoccupation essentielle pour les acteurs économiques, les biocarburants connaissent un regain d intérêt de plus en plus grand. L utilisation des biocarburants encouragée par des mesures politiques vise à la fois à diminuer la dépendance énergétique vis à vis des ressources d origine fossile et à limiter les émissions de gaz à effet de serre, dont l influence sur le réchauffement climatique est reconnue par l ensemble de la communauté scientifique Pour le monde rural, les huiles vegetales peuvent être utilisées comme biocarburant dans le moteur Diesel statique pour fournir de la force motrice (broyeur, pompage, ) et/ou la production d électricité, les huiles végétales pures (HVP). Seulement les huiles végétales pures n ont pas les mêmes caractéristiques physicochimiques que celle du gazole et leurs utilisations dans un moteur Diesel peuvent engendrer des problèmes dans ces derniers. Ceux-ci sont bien connus et décrits dans la littérature (dépôt dans la chambre de combustion, ) et plusieurs solutions sont proposées : - mélange des huiles végétales avec le gazole à différent teneur, - préchauffage des huiles végétales ou encore la bicarburation. - recirculation des gaz d échappement (EGR) dans le moteur. - Modification de la chambre de combustion (piston, injecteur, ) Le constat est la divergence des résultats publiés sur l origine de ces problèmes et les solutions préconisées. Un autre constat est que plusieurs publications discutent les options individuellement sans réelle comparaison entre elles. Ce document fait le résumé des investigations expérimentales des différentes études. Les avantages et inconvénients des résultats vont être décrits. 2. Matériels et méthodes Les huiles végétales comme carburant dans les moteurs Diesel ont fait objet de plusieurs études dans le monde entier. Ce document résume les essais menés avec les moteurs Diesel à injection directe et divers carburants (gazole, huile de Jatropha curcas, huile de coton, huile de palm, huile de soja, huile de tournesol, ). Les moteurs sont de type mono ou bicylindres à utilisation fixe. Les essais sont de courtes durées et réalisés avec du gazole, des huiles 1

2 végétales préchauffées ou non, des mélanges d huiles/gazole et la bicarburation. Les équipements de recherche (banc moteur) sont présentés au tableau 1. Les gaz d émission sont caractérisés et quantifié à l aide d analyseurs de gaz connectés à l échappement. Les performances des moteurs (rendement effectif, consommation spécifique de carburant) sont calculées sur la base des caractéristiques physiques (PCI, densité) des carburants et les valeurs mesurées sur les moteurs (puissance, débit massique de carburant). Les températures sont mesurée par des thermocouples de type K. Tableau 1 : les bancs d essai Auteurs Caractéristiques moteur carburants Valeurs étudiées R. Altin et Al (2001)[1] SuperStar 7710 Vitesse 1700 tr/mn Press. Inj: 175bar Gazole, H. tournesol, H. cotton, H. soja, H. colza, H. opium Puissance, CS, CO, CO2, NOx S. Bari et al(2002)[2] YanmarL60AE-DMT Vitesse : 3600tr/mn Gazole, H. palm préchauffée Pression d injection, pression de la chambre, angle du vilebrequin, CO, NO K. Pramanik (2003)[3] Kiloskar oil Vitesse : 1500 tr/mn Press. Inj. :210bar Gazole, H. jatropha, mélange J/G CS, rendement, températures W.D. Wang(2006)[4] Lister TS2 Vitesse 1500tr/mn Gazole, Huile végétale, mélange H/G Puissance, CS, CO, CO2, HC, NOx T. Daho (2008)[5] Vitesse 2500 tr/mn 75% de charge Gazole, H. coton, mélange C/G CS, Rendement, couple, CO, CO2, NOx 3. Résultats 3.1 Caractéristiques carburants des huiles végétales : Les huiles végétales ont des caractéristiques carburants bien propres. Ces caractéristiques diffèrent de celui qui gazole. Les plus importantes de ces caractéristiques sont : a. la viscosité cinématique : La viscosité des huiles est plus élevée que celle du diesel et elle augmente avec la saturation, la longueur des chaînes carbonées et la température. Elle est de 10 à 20 fois plus élevée que celle du gazole[6-8]. La viscosité des huiles végétales à une grande influence sur le bon fonctionnement de la pompe d'injection et peut troubler la pulvérisation, ce qui mène à une mauvaise combustion. A basse température, la viscosité de l'huile peut également provoquer le blocage du filtre par figeage. b. les pouvoir calorifique inferieur (PCI) : Le PCI des huiles végétales est inférieur à celui du gazole. L écart entre le PCI massique des huiles végétales et celui du gazole est de l ordre de 10 à 15%[7, 9]. Cependant, en raison de la masse volumique élevée des huiles végétales, leur PCI volumique est en moyenne inférieure de 5 à 6 % à celui du gazole. Combiné avec la masse volumique, le PCI permet de déterminer le rapport des débits volumiques des huiles végétales par rapport au gazole, de manière à injecter une énergie identique[10]. c. l indice de cétane : Il caractérise le délai entre l'injection et la combustion. Au plus il est élevé, au plus le carburant est facilement inflammable (démarrage à froid aisé). Les huiles végétales et les mélanges ont des indices de cétane relativement faibles comparés au diesel [9]. Ceci a pour conséquence que le moteur ne démarra pas aussi facilement lorsqu'il est froid et augmente le bruit (combustion plus brutale car délai d'inflammation plus long). 3.2 Performances et émissions comparées des huiles végétales et du gazole 2

3 d. Le couple et la puissance : Une baisse de la puissance d environ 10% dans certain cas avec les huiles végétales par rapport au gazole[1, 7, 11]. Les chercheurs expliquent cette baisse de puissance par le fait que le PCI des huiles végétales est inferieur à celui du gazole. D autres auteurs par contre on montrer que la puissance et le couple reste inchangés avec souvent une augmentation de 5 à 10% des huiles végétales par rapport au gazole lorsque des modifications interviennent sur le moteur (avance injection, augmentation de la pression d injection, suralimentation du moteur, adaptation du filtre a carburant, )[8]. Il est à constater que la différence de ces résultats s explique par le type de moteur utilisé, les conditions de fonctionnement et la nature des huiles. e. La consommation spécifique : Deux constats à ce niveau : la consommation spécifique diminue avec l augmentation de la charge du moteur pour tous les carburants et est plus élevée avec les huiles végétales comparée au gazole dans les moteurs Diesel (toutes publications) compte tenu de la surconsommation volumique[1, 3, 4, 7, 8, 11-14]. Cette surconsommation volumique peut atteindre les 8% compte tenu du PCI plus faible des huiles végétales[1]. La différence reste très faible selon certains auteurs[3, 4, 9]. Cette valeur élevée de la consommation spécifique des huiles végétales est attribuée à leur faible PCI, a leur densité faible et à leur viscosité élevée des huiles végétales par rapport au gazole[3, 15, 16]. f. Le rendement thermique : Le rendement thermique des huiles végétales est faible par rapport au gazole[3]. Le faible rendement thermique avec les huiles végétales peut être du aux faibles caractéristiques de combustion qui est la conséquence de leur viscosité élevée et leur faible volatilité[3, 13]. Par contre avec un moteur modifié, le rendement thermique est relativement plus grand avec les huiles comparé au gazole[8]. g. La combustion : Les délais d inflammation des huiles végétales sont plus longs comparés au gazole. Cela est du à leurs indices de cétane plus faibles que celui du gazole[8, 11, 17]. L écart entre les délais d inflammation des huiles végétales et le gazole ne sont pas très élevés alors que la différence entre les indices de cétane est souvent importante. D autres chercheurs dans les années 1980 (FORT et al. (1982) ; JALINIER (1988)) ont trouvés le délai d inflammation des huiles végétales plus court par rapport à celui du gazole. Ces disparités dans les résultats peuvent être dues aux conditions de détermination des délais d inflammation. VAITILINGOM (1992)[18] a montré qu à 500 C, les huiles végétales peuvent avoir les mêmes caractéristiques d évaporation et les mêmes délais d inflammation que celui du gazole. h. Emission du monoxyde de carbone (CO) L émission de CO des huiles végétales carburant est plus élevée que celle du gazole et elle diminue avec l augmentation de la charge du moteur. L émission de CO atteint sa valeur minimale autour de 75% de la charge maximale du moteur. Au delà de cette charge les émissions de CO augmentent jusqu à la charge maximale du moteur.[1, 4, 7, 11, 13, 19]. La raison évoquée est la mauvaise combustion des huiles végétales qui est due à la viscosité plus élevée et la volatilité faible des huiles. D auteur auteurs ont trouvés une émission de CO des huiles végétales comparable sinon plus faible à celle du gazole, en réchauffant les huiles [2, 15] ou encore avec le réglage de l avance à l injection[2, 20]. Ces derniers résultats confirment bien l effet de l atomisation et la qualité du mélange air/carburant. i. L émission du dioxyde de carbone (CO2) : L émission de CO2 des huiles végétales est fable comparée à celle du gazole due à la présence de l oxygène dans la structure des huiles végétales et la teneur en carbone est 3

4 relativement plus faible dans le même volume de carburant consommé lors de la même charge du moteur[4, 9]. j. Emission des oxydes d azote Les émissions de NO x sont faible avec les huiles végétales comparées à celle du gazole[1, 4, 7, 8, 13, 16]. Cette diminution des émissions de NOx des huiles végétales par rapport au gazole est due à la faible valeur des PCI des huiles végétales[4, 21], ou encore aux pics de température dans la chambre de combustion plus faible[7]. D auteurs chercheurs ont observation augmentation des émissions de NO x avec les huiles végétales comparées au gazole[2, 15]. Ils ont attribués cette valeur des émissions de NO x aux dépôts de la chambre de combustion qui provoque une augmentation de la température de cette dernière. Par ailleurs, les émissions de NO x augmentent avec l augmentation de la charge du moteur (toutes publications). k. Emission des hydrocarbures imbrulés : En général, les niveaux d émission de HC des huiles végétales est supérieurs à ceux obtenus avec le gazole[4, 8, 16]. Cela peut être due aux PCI des huiles végétales faibles[21], l extinction de la flamme à certains endroits (parois, volumes morts ), la présence de zones trop riches (mauvaise atomisation de carburant)[7]. D autres essais[11, 15] constatent des niveaux d émission plus faibles des huiles végétales par rapport à ceux du gazole. l. Emission de dioxyde de souffre SO2: La teneur en souffre des huiles végétales étant très faible. L analyse des émissions de la teneur de SO 2 des huiles végétales est insignifiante par rapport à ceux du gazole. 3.3 La formation de dépôts L huile végétale dans les moteurs Diesel sous certaine condition conduit à la formation des dépôts sur le nez de l injecteur, la paroi de la chambre de combustion et sur la tête du piston. Ces résultats sont obtenus avec la plupart des études réalisées dans le moteur[8, 10, 12, 16]. Seul quelques études précises les conditions de fonctionnement auxquelles on assiste à la formation de ces dépôts[8, 10]. La formation des dépôts commence par le nez de l injecteur qui est la partie la plus froide de la chambre de combustion, ensuite les parois de la chambre, puis la culasse, les segments et leur gorge, etc. L intensité des dépôts est liée au type de moteur et à la qualité des huiles végétales. Le phénomène de dépôts est beaucoup remarquable avec les moteurs à injection directe. Le niveau de température dans ces moteurs est faible par rapport aux moteurs à injection indirecte. Les hypothèses de formation des dépôts sont nombreuses. Ces hypothèses se basent sur les caractéristiques physico-chimiques des huiles et le niveau de température dans la chambre de combustion. 4. Perspectives Le constat de la revue bibliographique montre la divergence des chercheurs face aux problèmes de l utilisation des huiles végétales dans les moteur Diesel. Le phénomène de dépôts dans la chambre de combustion mérite une attention particulière. Il s agit pour nous de contribuer à la compréhension des phénomènes de formation de dépôt et de trouver une solution à ce phénomène en : Étudiant Les organes en amont de la chambre de combustion (calibrage de la pompe, diminution des pertes de charge dans le circuit, adaptation des filtres de carburant, atomisation des gouttes de carburant, diminution de la viscosité, ) Mettant en place une méthode simple pour la détermination de la qualité «carburant» des huiles végétales. 4

5 5. Conclusion La revue bibliographique sur la performance et l émission des polluants sont nombreuses avec diverses huiles végétales utilisées. Nous constatons une divergence sur tous les résultats obtenus. Ces divergences peuvent s expliquer par la différence de la qualité des huiles utilisées, les conditions des essais, les équipements utilisés, les types de moteur utilisés, etc. néanmoins force est de reconnaître que les différences entre les résultats avec les essais huiles végétales et ceux du gazole ne sont pas significatives souvent. Il faut souligner que l on retrouve ces divergences quelles que soient les conditions d utilisation des huiles végétales. Bibliographie : 1. Altin, R., S. Cetinkaya, and H.S. Yucesu, The potential of using vegetable oil fuels as fuel for diesel engines. Energy Conversion and Management, (5): p Bari, S., T.H. Lim, and C.W. Yu, Effects of preheating of crude palm oil (CPO) on injection system, performance and emission of a diesel engine. Renewable Energy, (3): p Pramanik, K., Properties and use of jatropha curcas oil and diesel fuel blends in compression ignition engine. Renewable Energy, (2): p Wang, Y.D., et al., An experimental investigation of the performance and gaseous exhaust emissions of a diesel engine using blends of a vegetable oil. Applied Thermal Engineering, (1): p DAHO, T., Contribution à l'étude des conditions optimales de combustion des huiles végétales dans les moteurs Diesel et sur les bruleurs : cas de l'huile de coton, in Energétique-combustion. 2008, Université de Ouagadougou. p Ramadhas, A.S., S. Jayaraj, and C. Muraleedharan, Use of vegetable oils as I.C. engine fuels-a review. Renewable Energy, (5): p Azoumah, Y., J. Blin, and T. Daho, Exergy efficiency applied for the performance optimization of a direct injection compression ignition (CI) engine using biofuels. Renewable Energy. In Press, Corrected Proof. 8. VAITILINGOM, G., Utilisations énergétiques de l'huile de coton. 2006, Cahiers Agricultures: Montpelier. 9. Murugesan, A., et al., Bio-diesel as an alternative fuel for diesel engines A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, HIGELIN, P., Huiles végétales - Biocombustible diesel. Incidence des aspects thermiques liés au type de moteur sur la combustion, in Mecanique-Energétique. 1992, Université d'orléans: Orléans. p VANHEMELRYCK, J.L., Influences des propriétés du carburant dans les moteurs diesel à injection directe : application aux huiles végétales et leurs dérivés, in Unité de Thermodynamique et de turbomachines. 1997, UCL/FSA. 12. CHARLET, A., Combustion et pollution des biocarburants dans les moteurs diesel à injection directe, in Mecanique-Energétique. 1994, Université d'orléans: Orléans. p Deepak Agarwal, A.K.A., Performance and emissions characteristics of Jatropha oil (preheated and blends) in a direct injection compression ignition engine. Applied Thermal Engineering, 2007: p Agarwal, D. and A.K. Agarwal, Experimental investigation of control of NO"x emissions in biodieselfueled compression ignition engine. Applied Thermal Engineering, : p Kalam, M.A., M. Husnawan, and H.H. Masjuki, Exhaust emission and combustion evaluation of coconut oil-powered indirect injection diesel engine. Renewable Energy : p Rakopoulos, C.D., et al., Comparative performance and emissions study of a direct injection Diesel engine using blends of Diesel fuel with vegetable oils or bio-diesels of various origins. Energy Conversion and Management, : p Narayana, J.R. and A. Ramesh, Parametric studies for improving the performance of a Jatropha oilfuelled compression ignition engine. Renewable Energy, p VAITILINGOM, G., Huiles végétales - Biocombustible diesel. Influence de la nature des huiles et en particulier de leur composition en acides gras sur la qualité-carburant, in Mecanique-Energétique. 1992, Université d'orleans. p Sendzikiene, E., V. Makareviciene, and P. Janulis, Influence of fuel oxygen content on diesel engine exhaust emissions. Renewable Energy, (15): p Nwafor, O.M.I., G. Rice, and A.I. Ogbonna, Effect of advanced injection timing on the performance of rapeseed oil in diesel engines. Renewable Energy, (3): p

6 21. Murugesan, A., et al., Bio-diesel as an alternative fuel for diesel engines A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews,