Memoire Online - étude des performances d’un moteur àÂ allumage commande utilisant des mélanges essences/bioéthanol (e10 & e15).

MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR, UNIVERSITAIRE ET
RECHERCHES SCIENTIFIQUES

B.P. 202

ETUDE DES PERFORMANCES D'UN
MOTEUR A ALLUMAGE COMMANDE
UTILISANT DES MELANGES
E S S E N C E / B I O E T H A N O L ( E 1 0 & E 1 5 )

Travail de fin d'étude présenté en vue de l'obtention du titre d'ingénieur civil électromécanicien.

Directeur : Professeur MBUYI KATSHIATSHIA Rapporteur : Assistant MBANZA DINGANGA

EPIGRAPHE

« Quand on veut, on peut ! Il faut juste du courage, de la curiosité, de la détermination et du travail (CCDT) »

DEDICACE

Ainsi qu'à tous ceux qui après moi, choisiront de continuer dans notre domaine de recherche ou de poursuivre leurs études dans la faculté polytechnique de l'université Kongo. Que ce travail soit pour eux un encouragement, un modèle de travail et de persévérance.

REMERCIEMENT

A l'Eternel notre Dieu va toute notre reconnaissance, lui de qui nous avons tout reçu et par qui nous pouvons tout. A lui seul soit toute la gloire !

Nous exprimons notre profonde gratitude au Professeur Haddy MBUYI KATSHIATSHIA PhD, qui en plus de diriger ce travail a fait preuve de beaucoup de sacrifice pour la réalisation de ce dernier, surtout dans sa phase expérimentale. Aussi à l'Assistant Herman MBANZA DINGANGA pour l'encadrement et les orientations qui nous ont poussés à donner le meilleur de nous-même.

Nos regards se tournent également vers tous les techniciens du laboratoire de moteur à combustion interne : Mr Félicien, Mr Papy et Mr Romain ainsi que celui du laboratoire de Chimie, Mr Héritier ; Tous de la Faculté Polytechnique de l'Université de Kinshasa (Unikin). Aussi, à l'Ingénieur Patrick MUKENDI de l'Unikin avec qui nous avons passé ensemble les expériences dans diffèrent laboratoires.

Nous pensons également à tout le corps enseignant de la Faculté Polytechnique de l'Université Kongo, aussi aux membres du centre des recherches de la Faculté Polytechnique (CREI-UK) : le Docteur MUNGYEKO J.R., le Doctorant WALONGO G., les Assistants Umba C. et SENGA H., les collègues ingénieurs LUZOLO N., BIFUENI J., KIKUBA K., LUSILU D., TUMUINIMO C. et autres membres. Sans oublier tous mes quatorze camarades de promotion avec qui nous avons traversé vents et marrées.

Nous ne saurons décrire le sentiment de gratitude que nous avons à l'égard de nos parents David et Marcelline LUTETE pour tout l'amour dont nous avons été bénéficières. A eux nous joignons notre frère Nathan et nos deux soeurs Marcela et Beni LUTETE ainsi que celles qui ont été comme des mères pour nous, Angel SUMUNA, Scolastique MUNGONGI, Flore BIANDA,...

Nous ne pouvons pas manquer de dire un grand merci aux familles ci-après, pour tout l'amour manifesté à notre égard durant notre parcours académique, nous citons : Les familles LUFIKA, SOLA, MAKIESE, MATUZOLA, BONDA, BELA, MABANZA, UMBA, PANZA, BIANDA, KIKUBI, BOLENGE, DIAKIESE, BANGU, KIMBOMA MULUNDA, KIALA, MAYEMBA, MAKWALA, MAFUTA, BUHENDWA, MIANTEZILA, ZOLA, LOPITU,... ; Sans oublier la grande famille de La Borne-Nissi ainsi que celle de la Ligue pour la Lecture de la Bible Mbanza-Ngungu. Ces quelques lignes ne sauraient résumer l'amour que nous portons à leurs égards.

Enfin, nous voulons dire un grand merci à toutes ces personnes dont la présence a été d'un grand réconfort durant ces dernières années, parmi lesquelles on peut citer : Julia, Aimé, Pamela, Patrick, Jeancy, Flo, Dany, Jephté, Alden, Tsham's, Aurelie, Deborah, Josué, Hosmy, Guidel, Beni, Guidri, Shavinard, Peniel, Berlithe, José, Priscille, Magloire, Marthe, Hadassa, Malkia, Brunelle, Riana,Triomphe, Zulu, Merdie, Mathy, Plamedi, Merveille, Fellini, Davina, Thys, Hans, Sarah, Tania, Hussein, Medie, Reddy, Bradic, Patricia, Carmel, Bénédicte et Gloire ; ainsi que tous les autres dont les quelques pages exigées ne sauront contenir les noms, qu'ils reçoivent par ces quelques lignes, notre profonde reconnaissance.

Table des matières

III.2.1. Résultats des essais à pleine charge (Ouverture totale de la crémaillère) 32

III.2.2. Résultats essais en charge partielle (Ouverture de la crémaillère à 1/2) 33

III.3.3. Evaluation des performances entre les mélanges essence/bioéthanol et

Liste des sigles et abréviations

PEI (ou PCI) Pouvoir énergétique inférieur (ou Pouvoir calorifique inferieur)

Liste des figures et des tableaux

Figure I-2. Comparaison des émissions de CO2 - Combustible fossile, Biocarburants de 1e

Figure I-3. Tension de vapeur en fonction du taux d'alcool dans l'essence (ANFA, 2009) 9

Figure II-2. Chargement de la CaO dans le ballon afin de le mélanger à l'éthanol 19

Figure II-4. De gauche à droite: Séparation simple (par gravité) et Séparation sous vide 19

Figure II-7. De gauche à droite : Mesure du volume de l'essence avant mélange, Mélange de

Figure III-2. Variation du couple en fonction de la vitesse de rotation pour E0 et E10 en

pleine charge 34
Figure III-3. Variation du couple en fonction de la vitesse de rotation pour E0, E10 et E15 en

pleine charge 35
Figure III-4. Puissance en pleine charge pour E10 et E0 en fonction de la vitesse de rotation

36
Figure III-5. Puissance en pleine charge pour E0, E10 et E15 en fonction de la vitesse de

rotation 37
Figure III-6. Variation de la consommation Spécifique en pleine charge pour le E0 et E10 en

fonction de la vitesse 38
Figure III-7. Variation de la consommation en pleine charge pour le E0, E10 et E15 en

fonction de la vitesse 38
Figure III-8. Variation du rendement en pleine charge pour le E0 et E10 en fonction de la

vitesse et du couple 39
Figure III-9. Variation du rendement en pleine charge E0-E10-E15 en fonction de la vitesse

Figure III-10. Variation du couple en charge partielle en fonction de la vitesse de rotation 41

Figure III-11. Variation de la puissance en charge partielle en fonction de la vitesse de

rotation 42
Figure III-12. Variation de la consommation spécifique en charge partielle en fonction de la

Figure III-13. Variation du rendement en charge partielle en fonction de la puissance 44

Figure III-14. Performances du E10 et E15 en pleine charge comparé à l'essence 45

Figure III-15. Performances du E10 et E15 en charge partielle comparé à l'essence 46

Tableau A-2. Résultats des essais ayant servi à tracer les graphiques du E0-E10-E15 55

Tableau A-6. Comparaison entre mélange essence/bioéthanol (E10 et E15) et essence pur

à la pleine charge 57
Tableau A-7. Comparaison entre mélange essence/bioéthanol (E10 et E15) et essence pur

INTRODUCTION GENERALE

Le besoin croissant de la demande en énergie et l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre sont des problèmes cruciaux de ce XXI^e siècle. Pour y remédier, plusieurs pistes peuvent être explorées dont les combustibles alternatifs (GPL, Propane, Hydrogène, Biodiesel, Ethanol et Méthanol) (Belboom 2012).

En outre, suite aux problèmes environnementaux liés aux émissions de plomb à l'échappement d'une part, et à des problèmes d'empoisonnement des catalyseurs utilisés dans les pots catalytiques, d'autre part ; l'ajout de plomb tétraéthyle comme additif à l'essence a été interdit dans plusieurs pays et le méthyl-tertio-butyl éther (MTBE) a été le premier substitut envisagé (Belboom 2012).

Néanmoins, le MTBE est produit à partir de méthanol et il a comme inconvénient de générer une pollution des sols (ANAFA 2009). C'est pourquoi, l'utilisation du bioéthanol comme substitut au plomb, pour l'amélioration de l'indice d'octane, soit directement ou sous forme d'Éthyl Tertio Butyl Éther (ETBE) a été préconisée.

Ainsi, plusieurs pays ont adopté l'utilisation du bioéthanol comme additif à l'essence allant de 5% (E5) en Europe, 10% (E10) aux USA à 20% (E20) au Brésil. Pour des taux d'incorporations plus grands, des modifications du moteur sont nécessaires (Hauet 2007). Pour assurer un fonctionnement avec des taux d'incorporations des bioéthanol variables allant de 0 à 85%, des véhicules dit « Flex fuel », sont utilisés et garantissent un fonctionnement à la fois à l'essence pur (E0) ou en mélange (E85, E50, E10, E5,...) (Schoeling 2006).

Des nombreux travaux sur l'utilisation des mélanges essence/bioéthanol ont révélé des améliorations des performances et des émissions des particules polluantes. De façon générale, il a été observé une augmentation du couple, de la puissance et de la consommation spécifique en fonction du taux d'incorporation du bioéthanol dans l'essence (A. Thakur, et al. 2017). Une baisse sensible des émissions en monoxyde de carbone (CO) et hydrate de carbone (HC) ont également été observé. Il a été admis que les émissions en oxydes d'azote (NOx) dépendent surtout des conditions d'exploitation du moteur (Vitesse de rotation, l'ouverture du papillon, rapport air-combustible, température de la combustion,...) et moins du pourcentage d'éthanol (Hsieh, et al. 2002, Pham, et al. 2012).

Cependant, les émissions de dioxyde de carbone (CO2) augmentent avec le pourcentage de bioéthanol dans l'essence (Hsieh, et al. 2002). Toutefois, en comparant les émissions du bioéthanol avec l'essence, du puits à la roue, le bioéthanol reste moins polluant (ANAFA 2009). Ceci, puisqu'il est issu du matériel renouvelable et la grande partie de CO2 est stockée par les végétaux lors de leur croissance [ www.biocarburants-parlons-chimie.e-mosite.com].

Le bioéthanol représente donc l'un de plus prometteur combustibles alternatifs grâce à ses propriétés dont, un bon indice d'octane et de cétane, chaleur de vapeur et une réduction des émissions des gaz à effet de serre (Raif, et al. 2017).

Dans le contexte national, la République Démocratique du Congo s'est engagée à réduire ses émissions à 17% d'ici 2030 (CPDN-RDC 2015). Parmi les Stratégies

arrêtées pour cette fin figurent la promotion des énergies nouvelles et renouvelables (Mahamba 2014) cité par (Tumuinimo 2017).

A l'heure actuelle, très peu des travaux ont été mené dans le domaine des bioéthanols sur l'étendue du territoire national. Et ce, malgré le potentiel dont dispose le pays et la production locale de l'éthanol à base de canne à sucre par la compagnie sucrière de Kwilu-Ngongo. En effet, le processus de production du bioéthanol issu des cannes est moins complexe et émet moins de CO2, comparé aux autres (Belboom 2012).

Au vue de ce qui précède, nous pensons qu'une attention particulière devrait être portée sur la valorisation du bioéthanol, que ce soit dans le moteur à essence comme additif ou à l'état pur (E100), ou dans le moteur diesel (par fumigation, en mélange, à l'état pur,...). Dans ce travail, seule la valorisation du bioéthanol comme carburant mélangé à l'essence sera investigué.

L'objectif de ce travail est premièrement de valoriser l'éthanol en le purifiant par une technique simple et moins coûteuse pour le mélanger à l'essence en différentes proportions (10 et 15%v/v d'éthanol) afin d'obtenir les carburants E10 et E15 pour ensuite en déterminer les propriétés physico-chimiques. Deuxièmement, de tester ces carburants dans un moteur Renault 4, du type Billancourt, des années 80, sans le modifier et comparer ses performances (couple, puissance, consommation spécifique et rendement) pour différent combustible (essence conventionnel, E10 et E15).

- Préparer le bioéthanol au sein du laboratoire de chimie de la Faculté Polytechnique de l'UNIKIN par la méthode d'ajout de réactifs déshydratants.

- Tester les carburants E10 et E15 ainsi que l'essence (E0) sur un moteur Renault 4 monté sur un banc d'essai au laboratoire de moteur à combustion interne de la Faculté Polytechnique de l'UNIKIN.

- Interpréter les résultats obtenus en comparant le comportement du moteur en fonctionnement au E10 et E15 par rapport au fonctionnement avec l'essence.

Pour ce faire, outre l'introduction et la conclusion générale, ce mémoire est réparti en trois chapitres :

- Le premier porte sur les travaux antérieurs sur le bioéthanol. Nous y abordons dans un premier temps les notions susceptibles de donner un aperçu sur le bioéthanol (définitions, moyens d'obtentions, propriétés et utilisation). En second lieu, nous parlons des performances et des émissions observées dans la littérature.

- Dans le deuxième, nous présentons les matériels et méthodes expérimentaux ayant servi à la réalisation de la partie expérimentale. Nous y présentons à la fois la phase de purification au laboratoire de chimie et les tests effectués sur le banc d'essai au laboratoire de moteur à combustion interne.

- Le troisième et dernier, concerne la présentation et la discussion des résultats. Les résultats des tests à la pleine charge et à la charge partielle y sont exposés et discutés.

Chapitre I. TRAVAUX ANTERIEURS SUR LE BIOETHANOL

Dans le présent chapitre, nous passons en revue l'utilisation du bioéthanol comme carburant dans le moteur à allumage commandé. Nous présentons également un état de l'art sur les performances et émissions des moteurs utilisant des mélanges essence/bioéthanol.

I.1. Généralités sur l'utilisation du bioéthanol comme carburant

I.1.1. Définitions

Le terme « biocarburant » désigne un carburant liquide ou gazeux produit à partir de la biomasse (selon la directive européenne 2009/28/CE).

L'éthanol ou alcool éthylique est un alcool composé d'oxygène, d'hydrogène et de carbone. Il est présent dans les boissons alcoolisées et aussi utilisé dans l'industrie comme solvant ou désinfectant (Coignac 2009).

Le bioéthanol est de l'éthanol produit à partir de la biomasse et/ou de la partie biodégradable des déchets et destiné à être utilisé comme biocarburant (selon la directive européenne 2003/30/CE) cité par (ANAFA 2009).

Le bioéthanol peut aussi être appelé « agrocarburant » lorsqu'il est produit à partir de matières premières agricoles (Coignac 2009). Mais cette appellation apparaît plus souvent dans le domaine de l'écologie pour ne pas créer de confusion avec la dénomination « bio » qui évoque l'agriculture biologique (ANAFA 2009). Toutefois, selon le processus d'obtention, le bioéthanol peut prendre diverses appellations. Mais dans la suite de ce travail seule l'appellation bioéthanol sera utilisée pour désigner l'éthanol destiné à être utilisé comme biocarburant.

I.1.2. Obtention du bioéthanol

A l'heure actuelle, plusieurs procédés d'obtention du bioéthanol ont été développés. Ces procédés ont été groupés selon l'origine de la matière première utilisée et cette classification concerne aussi bien le bioéthanol que les autres biocarburants. On parle alors de génération de biocarburant (bioéthanol).

I.1.2.1. Bioéthanol de première génération

L'éthanol (C2H5OH) est obtenu par fermentation de sucres (principalement le glucose C6H12O6) à partir de deux types de matières végétales :

- Les plantes saccharifères (sucrières) notamment la canne à sucre et la betterave, mais peuvent aussi être utilisés tous fruits sucrés qui permettent une fermentation alcoolique.

- Les plantes amylacées, contenant de l'amidon (C6H10O5)n, comme la pomme de terre, le blé ou le maïs. Par hydrolyse enzymatique (amylase) de l'amidon, ces plantes se décomposent en monomères sucrés qui sont alors fermentables en éthanol.

La principale limite de cette première génération est sa concurrence avec l'alimentation. Ce qui a conduit à plusieurs études dont l'une des débouchés est l'apparition de la deuxième génération.

I.1.2.2. Bioéthanol de deuxième génération

Le bioéthanol dit de deuxième génération a la particularité d'être issu de la matière lignocellulosique, abondante et bon marché (coût des matières premières plus faible)

et n'entre pas en compétition avec les cultures alimentaires. La biomasse lignocellulosique possède un fort potentiel pour la fabrication d'éthanol selon la voie biochimique et de BtL (Biomass to Liquid) selon la voie thermochimique (Ballerini et Alazard-Toux 2006).

Plusieurs variantes de ce procédé sont utilisées pour obtenir le bioéthanol. De façon générale, le bioéthanol produit par la voie biochimique requiert les étapes suivantes : Un prétraitement suivie de l'hydrolyse puis la fermentation et enfin la distillation (Didderen, et al. 2008).

Ce procédé reste encore au stade d'unité pilote ou de la recherche (Karim 2016). En dépit de ses nombreux avantages, il a un grand handicap puisque l'étape d'hydrolyse reste très coûteuse et relativement longue dans la production d'éthanol (ANAFA 2009). Parmi les alternatives figure la troisième génération.

I.1.2.3. Bioéthanol de troisième génération

Les bioéthanols (biocarburants) dits de troisième génération, aussi appelés «algocarburants» sont obtenus à partir de micro-algues marines et/ou de cyanobactéries (bactéries capables de photosynthèse) se trouvant en abondance dans les milieux aquatiques (océans, rivières, lacs, ...). L'élevage de micro algues consomme beaucoup de CO2. Et si cette culture se fait non loin d'usines ou de centrales thermiques qui rejettent beaucoup de CO2, la croissance de ces microorganismes sera accentuée [ www.biocarburants-parlons-chimie.e-mosite.com].

Une des solutions pour passer des micro-algues au biocarburant serait la voie biochimique, par hydrolyse enzymatique des cultures d'algues. Le sucre contenu dans celles-ci sera extrait. Puis, comme pour les biocarburants de première génération, le sucre sera fermenté afin de donner de l'éthanol, dit « de troisième génération ».

Néanmoins, certains handicaps doivent être contournés, à l'instar du rendement des algues qui dépend fortement des radiations solaires, ce qui limite leur exploitation aux régions ensoleillées (procédés extensifs), à moins d'installer des photo-bioréacteurs fermés où les paramètres physicochimiques sont contrôlés (procédés intensifs). De plus, ces biocarburants à base de micro-algues sont encore au stade de la recherche et nécessitent encore de nombreux progrès en vue d'une production industrielle.

I.1.2.4. Procédé de déshydratation de l'éthanol

L'éthanol hydraté obtenu par la première, deuxième ou troisième génération doit subir une étape supplémentaire afin d'obtenir les caractéristiques requises pour servir de biocarburant. Cette étape, appelée déshydratation, peut être réalisée :

- Par la distillation azéotropique associée à un système de thermocompression. - Par adsorption de l'eau dans des colonnes de tamis moléculaires captant l'eau. - Par la déshydratation chimique (ajout des réactifs déshydratants),...

DIDDEREN et al. dans leur ouvrage sur le bioéthanol de seconde génération, présentent avec détails ces différents procédées (Didderen, et al. 2008).

I.1.3. Utilisation du bioéthanol comme carburant

Rappelons tout d'abord que l'utilisation du bioéthanol comme carburant remonte au XIXe siècle, au début de l'industrie automobile où le pétrole et ses dérivés étaient peu

employés. Nikolaus Otto, inventeur du moteur à combustion interne (en 1876), conçoit celui-ci pour fonctionner avec de l'éthanol.

La Ford T présentée sur la figure I.1, produite de 1908 à 1927, roule également avec cet alcool. En 1903, le record mondial de vitesse à 177 km/h est obtenu avec une Gobron-Brillié roulant au bioéthanol [ www.connaissancedesenergies.org].

Au milieu du XXe siècle, dans les années 1960, le pétrole devient abondant et bon marché, provoquant un désintérêt des industriels et des consommateurs pour les biocarburants.

À la suite des deux chocs pétroliers de 1973 et 1979, la production d'éthanol a été relancée par le Brésil et les Etats-Unis à travers divers programmes de recherche visant à le mélanger avec l'essence. En 1985, 95% des véhicules produits au Brésil sont dédiés au fonctionnement à l'alcool (E100).

Mais l'enthousiasme s'estompe en 1986 avec le contre-choc pétrolier, et ce jusque dans les années 2000 avec le regain de rentabilité de la filière sucrière suscitant un nouveau intérêt pour l'éthanol. Outre cette rentabilité, la recherche des substituts au plomb utilisé pour améliorer l'indice d'octane de l'essence a favorisé la filière éthanol.

Actuellement, avec la recherche des combustibles alternatifs, le bioéthanol a trouvé toute sa place parmi les biocarburants. Il est utilisé comme combustible, aussi bien dans le moteur à allumage spontané (diesel) que dans le moteur à allumage commandé (à essence) par diverses manières.

En effet, dans les moteurs diesel, le bioéthanol peut être utilisé à l'état pur ou mélangé au diesel par diverse moyen (fumigation, double injection,...). Ces deux dernières sont encore peu exploitées. L'utilisation la plus rependue est celle de co-solvant stabilisant pour obtenir du biodiesel avec l'Ester Méthylique d'Huiles Végétales (EMHV).

Cependant, dans les moteurs à essence, il est soit mélangé à l'essence en diverses proportions (ES, E10...), soit utilisé à l'état pur (E100). La lettre E désigne alors qu'il s'agit d'un carburant constitué de l'éthanol et le chiffre qui suit indique le pourcentage d'éthanol. L'éthanol peut également être utilisé sous forme Éthyl Tertio Butyl Éther (ETBE) qui est un produit de synthèse obtenu à partir du bioéthanol (47% en masse) et d'isobutène issu du raffinage du pétrole. L'ETBE est également mélangé à l'essence.

De façon générale, l'utilisation du bioéthanol dans le moteur à essence de même que le diesel requiert des modifications du moteur à cause des caractéristiques physico-

chimiques des bioéthanols différentes de celles de l'essence et du diesel. Dans le moteur à essence, seul le mélange à des faibles proportions ou sous forme d'ETBE ne requiert pas des modifications et dans le moteur diesel c'est lorsqu'il est utilisé pour obtenir le biodiesel avec le EMHV.

Dans la suite de ce travail, notre attention s'appesantira uniquement sur l'usage du bioéthanol dans le moteur à essence, plus particulièrement sur les mélanges essence/bioéthanol en faible proportion.

I.1.4. Propriétés du bioéthanol, de l'ETBE et de l'essence

Les propriétés de l'éthanol pur, de l'essence standard et de l'ETBE sont reprises dans le tableau I.1., ci-dessous.

	Essence	Ethanol	ETBE
Formule chimique	C7H16	C2H5OH	C6H14O
Masse molaire (g/mol)	102,5	46,07	102
C (% poids)	86,5	52,5	70,6
H (% poids)	13,5	13,1	13,7
O (% poids)	2,7 max	34,7	15,7
Rapport H/C	2,29	3	2,33
Masse volumique (kg/m³)	735-760	794	750
Chaleur latente de vaporisation (kJ/kg)	289	854	321
Point d'ébullition (°C)	30-190	78,4	72,8
PEI massique (kJ/kg)	42690	26805	35880
PEI volumique (kJ/l)	32020	21285	26910
Rapport stoechiométrique	14,5	8,95	12,1
RON	95 min	120-130	108-112
MON	85 min	96-100	96-100
Tension de vapeur (kPa)	60	200	45

Comme nous pouvons le voir dans le tableau I.1., l'éthanol a l'indice d'octane le plus élevé ce qui lui confère une meilleure résistance au cliquetis et offre la possibilité d'augmenter le taux de compression. Aussi, son rapport H/C plus important permet qu'à isoénergie, les émissions de CO2 soient faibles (ANAFA 2009).

Néanmoins, le pouvoir énergétique inferieur (PEI) de l'éthanol est faible, en dessous de l'essence et de l'ETBE, ce qui augmente la consommation de carburant. Sa chaleur latente de vaporisation élevée peut également provoquer des difficultés de fonctionnement à froid (Belboom 2012).

L'ETBE présente des propriétés beaucoup plus proches de l'essence standard que l'éthanol. Son indice d'octane RON bien qu'inférieur à celui de l'éthanol, est meilleur que celui de l'essence et l'énergie délivrée par l'ETBE est supérieur à celle fournie par l'éthanol. Toutefois, sa tension de vapeur est inférieure à la norme EN 228 définissant les paramètres de l'essence (Schoeling 2006).

I.1.5. Avantages et inconvénients du bioéthanol

I.1.5.1. Avantages

A ceux-ci s'ajoute le fait que de nouveaux marchés vecteurs d'emplois sont actuellement créés grâce au développement de l'éthanol notamment dans les pays émergents comme le Brésil, l'Indonésie et la Malaisie.

Outre le marché de l'emploi, l'utilisation de l'éthanol comme biocarburant permet également la limitation des importations d'énergies fossiles, la diminution de la dépendance au pétrole et la diversification des sources d'énergies afin de permettre d'anticiper la disparition inéluctable des ressources pétrolières [ www.biocarburants-parlons-chimie.e-mosite.com].

Du point de vue écologique, les bioéthanols émettent peu de gaz à effet de serre par rapport aux carburants fossiles puisqu'ils sont produits à partir de la biomasse. En comparant les émissions en fonction du cycle dit « du puits à la roue » les émissions de CO2 des biocarburants sont largement en-dessous des carburants fossiles (ANAFA 2009). La figure I-2 en présente un exemple.

Figure I-2. Comparaison des émissions de CO2 -Combustible fossile, Biocarburants de 1^e et 2^e Génération (MOCC ; les biocarburant routier, cité par www.biocarburants-parlons-chimie.e-mosite.com)

Aussi, les bioéthanols sont les seuls à répondre à la fois au critère de quantité et de durabilité (Bekunda 2009, Demirbas 2009, EurObserv'ER 2012); cité par (Belboom 2012).

- Une réduction minimale des émissions de gaz à effet de serre sur tout le cycle de vie du biocarburant égal à 35% par rapport à la filière fossile,

- Une préservation des sols supportant une haute biodiversité et des stocks de carbone élevés,

I.1.5.2. Inconvénients

- Sa teneur élevée en oxygène pouvant conduire à la formation de l'acide acétique (Belboom 2012).

- Sa chaleur latente de vaporisation élevée pouvant provoquer des difficultés de fonctionnement à froid (ANAFA 2009) .

- La possibilité de formation d'azéotropes par l'éthanol et les émissions d'aldéhydes lors de sa combustion (Ballerini et Alazard-Toux 2006).

- Le risque de corrosion des parties non métalliques (caoutchouc et autres) pouvant réagir avec l'éthanol. D'où la nécessité d'utiliser les matériaux en fibres de verre ou les thermoplastiques,... (Belboom 2012)

En outre, la production et l'utilisation du bioéthanol de première génération ont suscité beaucoup de critiques quant à la concurrence avec le secteur alimentaire et à l'utilisation des sols à des fins énergétiques.

De plus, il contribue à la déforestation et nécessite l'utilisation massive d'eau, de pesticides, d'herbicides et de fertilisants (Coignac 2009).

Soulignons également que de façon générale, le remplacement de la totalité des consommations de carburants fossiles pour le transport par des biocarburants n'est pas réaliste au vu des terres nécessaires entrant en concurrence avec les cultures alimentaires (Black, et al. 2011).

Néanmoins, l'avenir prometteur des biocarburants (dont le bioéthanol) de seconde génération est prédit comme une solution aux problèmes de concurrence alimentaire et autres critiques sur les biocarburants de première génération (Didderen, et al. 2008).

I.1.6. Problèmes liés à l'utilisation des mélanges essence/bioéthanol et quelques solutions proposées dans la littérature

L'utilisation des mélanges essence/bioéthanol donnent lieu à plusieurs problèmes. Ils sont généralement dus à :

a. La stabilité des mélanges : Par nature, le mélange d'éthanol avec des hydrocarbures n'est pas stable en présence d'eau. En effet, l'eau présente dans les essences contenant de faibles teneurs en éthanol peut provoquer une démixtion du carburant, avec pour résultat la formation de deux phases : l'une contenant l'eau et une grande partie de l'éthanol et l'autre contenant l'essence et une petite fraction d'éthanol (Schoeling 2006).

Ce phénomène peut être évité en contrôlant l'humidité lors du stockage du carburant ou en ajoutant un co-solvant, le tertiobutylalcool (TBA) (Ballerini et

Alazard-Toux 2006). Par contre, pour des fortes concentrations en éthanol ce phénomène ne se produit pas grâce à la solubilité de l'eau dans l'éthanol. C'est ainsi par exemple que le E85 ne présente pas ce phénomène (Schoeling 2006).

Figure I-3. Tension de vapeur en fonction du taux d'alcool dans l'essence (ANFA, 2009)

La volatilité de l'éthanol pur étant très faible, un problème de démarrage à froid peut survenir. Celui-ci peut être aisément évité par l'utilisation d'un mélange contenant 85% d'éthanol et 15% d'essence (aussi appelé E85), le chauffage du système d'injection ou encore l'utilisation d'un second réservoir contenant une

essence très volatile destinée au démarrage du moteur uniquement (Ballerini et Alazard-Toux 2006).

Une autre solution est l'utilisation du bioéthanol sous forme d'ETBE puisque celui-ci est un excellent composant des essences et présente par rapport à l'éthanol l'avantage d'avoir une tension de vapeur favorable et d'une parfaite compatibilité avec les autres composants. De plus, il a l'avantage d'avoir des propriétés énergétiques beaucoup plus proches de celles de l'essence (heptane) et d'être insensible à l'eau, ce qui supprime les problèmes de démixtion (ANAFA 2009).

I.2. Performances et émission des véhicules utilisant des mélanges essence/bioéthanol

L'utilisation des mélanges essence/bioéthanol comme combustible dans les moteurs à allumage commandé a fait l'objet de plusieurs études. Ces études ont été menées sur différents modèles expérimentaux et dans des conditions variées. Des améliorations des performances (couple, puissance, rendement,...) et des réductions des émissions de CO et de HC ont été observées. Néanmoins la consommation ainsi que les émissions en NOx ont eu des tendances variées suivant les conditions et paramètres expérimentaux.

I.2.1. Performances des moteurs

De façon générale, Il a majoritairement été observé une augmentation du couple, de la puissance et du rendement volumétrique. Différentes améliorations ont été obtenues et plusieurs raisons ont été attribuées à cela.

I.2.1.1. Puissance

La puissance à l'arbre du moteur augmente légèrement lorsque la teneur en éthanol augmente dans l'essence. Ceci serait dû à l'augmentation de la pression moyenne effective pour le mélange à forte teneur en éthanol (Clemente, et al. 2001). Aussi, grâce à l'amélioration du rendement volumétrique du moteur lorsque le pourcentage d'éthanol est augmenté (Stan, et al. 2001)

L'augmentation de la puissance est aussi due à la chaleur latente de vaporisation de l'éthanol associé au rapport air-combustible et à l'augmentation de la densité de la charge (mélange admis) (Davis et Heil 2000).

Dans son étude, PALMER utilise différents mélanges et ses résultats montrent qu'une augmentation du pourcentage d'éthanol de 10% conduit à l'augmentation de la puissance de 10% (Palmer 1986).

Néanmoins, l'augmentation du pourcentage n'est pas toujours le facteur déterminant. C'est le cas par exemple des travaux de ELFASAKHANY où des mélanges de E3, E7 et E10 ont été testés et comparés à l'essence (E0). Il a été conclu que la vitesse du moteur a été le facteur déterminant plutôt que la teneur en alcool (moins de 10%) aussi bien pour la puissance que les autres performances (Elfasakhany 2014).

Un autre facteur pouvant fortement influencer est le système de carburation. En effet, comparant un système à carburateur avec celui à injection utilisant de l'essence pur (RON 95) et mélangé à l'éthanol (E10, E15 et E20) ; PHAM et al. ont remarqué que pour le système à injection, les mélanges n'ont presque pas affecté la puissance alors

qu'avec le système à carburation la puissance a augmenté de 6% en moyenne. Ceci, malgré la diminution du PEI des mélanges (Pham, et al. 2012).

PHAM et al. expliquent qu'une raison possible est le fait que l'éthanol joue le rôle d'un additif oxydant permettant une combustion plus complète particulièrement à la pleine charge. Aussi, le système avec carburateur permet un meilleur brassage du mélange. En plus, l'augmentation de la tension de vapeur des mélanges essence/bioéthanol contribue à un meilleur brassage, une faible température d'admission et une augmentation du rendement volumétrique (Pham, et al. 2012).

Les améliorations de la puissance peuvent également varier en fonction du type de véhicule utilisé. TUAN et PHAM, par exemple, testant le E10 sur une moto carburée et une voiture à injection en régime stabilisé ont trouvé que la puissance du moteur est améliorée jusqu'à 5,03% avec la moto carburée et 6.38% avec une voiture à injection (Tuan et Pham 2009).

Plusieurs autres facteurs sont à prendre en compte pour comprendre les améliorations de puissance rencontrées dans la littérature. Mais les facteurs essentiels restent avant tout le couple et la vitesse auxquels la puissance est proportionnelle. Des améliorations de ces deux paramètres auront directement des effets sur celui-ci. Le tableau I.2 reprend quelques améliorations de la puissance observées par différents auteurs avec différents mélanges dans des conditions expérimentales variées.

I.2.1.2. Couple

Le couple augmente avec l'utilisation des mélanges essence/bioéthanol (A. Thakur, et al. 2017). Cette augmentation est due à l'augmentation de la pression moyenne. En effet, grâce à l'amélioration de la combustion par l'ajout de l'éthanol dans l'essence, la pression moyenne augmente (Raif, et al. 2017).

RAIF et al. simulant le E15, E50 et E85 avec le logiciel AVL-BOOST trouvent que la pression moyenne effective présente de résultats similaires au couple et à la puissance. La pression moyenne indiquée augmente de 1.16, 3.25 et 1.67% pour les E15, E50 et E85, respectivement ; donnant lieu à une augmentation du couple de 1.29% 3.62% et 1.86%, respectivement pour le E15, E50 et E85 (Raif, et al. 2017).

D'autres études ont révélé que le système de carburation ainsi que le régime (charge) ont également une grande influence sur le couple. En effet, HSEIH et al. étudiant les performances d'un moteur à injection utilisant de l'essence et des mélanges (E5-E30), trouvent que le couple augmente avec l'augmentation de l'ouverture de la vanne papillon (de la charge partiel à la pleine charge). Ils trouvent également que le couple est assez sensible aux variations du pourcentage de l'éthanol (Hsieh, et al. 2002).

Aussi, le système d'injection a tendance à faire fonctionner le moteur dans les conditions de richesse lorsque le moteur tourne à des grandes vitesses ou à la charge partielle. Toutefois, l'addition de l'éthanol a tendance à augmenter le coefficient d'excès d'air (A) et à rapprocher d'une combustion stoechiométrique (complète). D'où,

Le tableau I.2 présente quelques valeurs de couple rencontrées dans la littérature ainsi que les conditions expérimentales qui ont pu influencer les résultats.

I.2.1.3. Consommation

Le pouvoir énergétique inferieur (PEI) et la densité des mélanges sont les facteurs majeurs dont dépend la consommation spécifique du combustible (A. Thakur, et al. 2017). Ainsi, en fonction des caractéristiques des mélanges et des puissances obtenues, la tendance de la consommation peut varier d'un auteur à un autre.

Comparant le E50 et E85 à l'essence, KOÇ et al., observent une augmentation de la consommation de 16.1% et 36.4% avec le E50 et E85 respectivement (Koç, et al. 2009). THUAN et al. utilisant le E10 sur une moto et une voiture remarquent une augmentation de 5,41% pour la moto et 4,19% pour la voiture (Tuan et Pham 2009).

CELIK et al. analysant les performances des différents mélanges essence/bioéthanol (E25, E50, E75, E100), remarquent que par rapport à l'essence, la consommation des E25, E50, E75 et E100 augmente respectivement de 10, 19, 37 et 56 % pour un taux de compression de 6/1. Par contre, avec un taux de compression de 10/1, la consommation du E50 baisse légèrement de 3% (Celik et Bahattin 2008). Le taux de compression a donc influencé les résultats.

Outre, le taux de compression, le PEI, la densité et la puissance, un autre facteur déterminant est la vitesse de rotation. En effet, la consommation peut avoir de tendances variées suivant différentes plages de vitesse. RAIF et al. observent que la consommation spécifique décroit jusqu'à un certain point (entre 2000 et 3000 tr/min) avec l'augmentation du pourcentage de l'éthanol. En Comparant le E15, E50 et E85 à l'essence, la consommation a baissé de 2.26, 6.76 et 5.74% respectivement (Raif, et al. 2017).

Le système de carburation utilisé peut également avoir de l'influence sur la consommation spécifique. En effet, PHAM et al. remarquent que pour un système avec carburateur la consommation (en kg/100km) des E10, E15 et E20 baisse de 1.8, 3.8 et 5.1 % respectivement tandis que pour le système avec injecteur elle baisse légèrement de 0.8% avec le E10 et augmente de 0.92 et 2.34% avec le E15 et E20 respectivement (Pham, et al. 2012).

Le tableau 1.2. reprend quelques valeurs de consommation rencontrées dans la littérature ainsi que celle de la puissance, le couple et la pression.

D'autres performances sont également observées au niveau du rendement volumétrique et thermique,... ; ainsi que des améliorations des propriétés physico-chimique des mélanges. THAKUR et al. présentent avec détails différentes performances des moteurs à essence utilisant des mélanges essence/bioéthanol ainsi que les progrès observés ces dernières années dans l'analyse de ces performances (A. Thakur, et al. 2017)

Référence (auteur et année)	Type de mélange	Caractéristiques du moteur	Condition d'exploitation	Consommation spécifique	Couple	Puissance	Pression moyenne effective
Al- Hasan 2003	E0-E25 avec 2,5% de plus d'éthanol	4 cylindre, 4 temps, cylindré 1452 cm3 Puissance max 52kw à 5600 tr/min	Taux de com- pression (r) :9/1 ; vitesse: 1000 à 4000 tr/min	Diminution de 2,4%	-	augmentation de 8,3%	-
Celik 2008	E0, E25, E50, E75 et E100	4 cylindre, 4 temps, cylindré : 250 cm3; taux de compression (r): 6/1 à 10/1	1500 à 4000 tr/min, r: 6/1, 8/1 et 10/1, Système d'allumage par transistor, refroidissement à l'eau et à l'air	1°) à 6/1 et 2000 tr/min, les E25, E50, E75 et E100 augmentent respective- ment de 10, 19, 37 et 56% 2°) la consommation la plus faible avec le E0 était de 411g/kWh à 2500tr/min pour r=6/1. 3°) à 10/1, le E50 décroit de 3%	-	1°) à 6/1 et 2000 tr/min, les E25, E50, E75 augmentent respectivement de 3, 6, et 2% 2°) à 10/1, une augmentation de 29% est obtenue avec le E50	-
Koç et al. 2009	E0, E50 et E85	Mono cylindrique, 4 temps, alésage x course : 80.26 mm x 88.9 mm; Pmax=15kW à 5400 tr/min; r=5/1 à 13/1	1500-5000 tr/min, r: 10/1 et 11/1	1°) à 10/1, les E50 et E85 augmentent respective- ment de 20.3 et 45.6 2°) à 11/1, les E50 et E85 augmentent respectivement de 16.1 et 36.4%	1°) à 10/1, les E50 et E85 augmentent de 2% 2°) à 11/1, les E50 et E85 augmentent respectivement de 2.3 et 2.8%	-	-
Kumbhar et al. 2012	E0, E5, E10, E20	Mono cylindrique, 4 temps, alésage x course : 55 mm x 56 mm	4000-8000 tr/min	-	à 6000 tr/min, les E5, E10 et E20 augmentent respectivement de 0.29,0.59, 4.77 %	à 6000 tr/min, les E5, E10 et E20 augmentent respectivement de 2.31 2.77, 4.16 %	-

Pham H.T. et	E0, E10, E15	1°) Véhicule avec	Vitesse: 45 à 74	1°) Pour le système avec	-	-	-
al. 2012	et E20	carburateur, année de fabrication 1989, cylindré 1498 cm3, kilométrage	km/h; Cycle ECE15+EUDC	carburateur: la consommation (kg/100km) du E10, E15 et E20 a baissé de 1.8, 3.8 et 5.1 % respectivement;
		232455, sans modification.		2°) Pour le Système avec injecteur: réduction de
		2°) Véhicule avec système d'injection (MPI), année de fabrication 2001, cylindré 1498, kilométrages		0.8% avec le E10 et augmentation de 0.92 et 2.34% avec le E15 et E20 respectivement
		87478, sans modification
Raif K, et al.	E0, E15, E50	4 Cylindre, 4	Simulation avec	Diminution de la	Le couple du E15,	Amélioration de	La pres-
2017	et E85	temps, cylindré 1998 cm3, système à injection,	AVL BOOST, avec 500 essais, vitesse moteur: 1000 à 5000 tr/min	consommation de 2.26, 6.76 et 5.74% avec le E15, E50 et E85 respectivement	E50 et E85 a augmenté respectivement de 1.29, 3.62 et 1.86%	la puissance de 1.38, 3.94 et 2.01 % pour le E15, E50 et E85 respectivement	sion augmente de 1.16, 3.25 et 1.67% avec le
							E15, E50 et E85
							respectivement

I.2.2. Emission des mélanges essence/bioéthanol

Concernant les émissions, il a majoritairement été constaté une réduction des émissions des hydrocarbures (HC) et oxydes de carbone (CO) en fonction du pourcentage d'éthanol. Par contre, les émissions de CO2 augmentent avec le pourcentage d'éthanol mais la tendance des oxydes d'azote (NOx) peut varier en fonction des situations spécifiques.

I.2.2.1. Emission des hydrocarbures (HC) et oxydes de carbone (CO)

PALMER trouve que les émissions de CO baisse jusqu'à 30% pour une incorporation de 10% de bioéthanol dans l'essence (Palmer 1986). BATA et al., étudiant différents mélanges d'essence/éthanol trouvent des résultats similaires et concluent que l'ajout de l'éthanol peut réduire les émissions de CO et HC. Aussi, la réduction des émissions de CO est apparemment causée par la grande inflammabilité et la caractéristique oxygéné de l'éthanol (Bata, et al. 1989).

En examinant différents mélanges (E0, E5, E10, E20 et E30), HSIEH et al. remarquent que pour une même vitesse de rotation, le CO et le HC décroissent lorsque le coefficient d'excès d'air, `ë' (equivalence ratio) augmente en se rapprochant de 1. Cette augmentation de ë est associée à l'augmentation du pourcentage d'éthanol. Ainsi, le processus de combustion est beaucoup plus complet avec l'augmentation du pourcentage d'éthanol (Hsieh, et al. 2002).

HSIEH et al. observent qu'en fonction des conditions de fonctionnement du moteur (vitesse de rotation, régime, coefficient d'excès d'air) les émissions de CO et HC sont réduites jusqu'à 90% pour le CO et de 20 à 80% pour le HC (Hsieh, et al. 2002). ALVYDAS et al. obtiennent le même résultat, les émissions de CO et de HC diminuent considérablement de 10 à 90% et de 20 à 80% respectivement (Alvydas, et al. 2003). Les effets de E50 et E85 sur un moteur à injection ont également été étudiés et des tendances similaires ont été observé (Koç, et al. 2009) .

L'influence du système de carburation sur les émissions de CO et HC des véhicules utilisant l'essence et des mélanges (E10, E15 et E20) a été analysée par PHAM et al. Cette analyse a révélé que pour le système avec carburateur, les émissions du E10, E15 et E20 sont réduites de 25.0, 42.3 et 48.2% pour le HC et 29.6, 40.8 et 52.4% pour le CO, respectivement. Cette diminution est due à l'amélioration de la combustion résultant de la présence de l'oxygène dans le mélange.

Tandis que pour le système à injection, les émissions de CO et HC ont baissé respectivement de 7.76 et 3.88 % avec le E10. Alors qu'elles ont augmenté respectivement de 1.06% et 16.03% pour le E15 et 3.09 et 22.3% pour le E20 (Pham, et al. 2012).

PHAM et al. expliquent que ceci pourrait être dû à une amélioration de la combustion avec le E10 telle qu'évoquée précédemment. Pour le E15 et le E20, la baisse de la température de combustion suite à l'augmentation de la température latente de vaporisation, conduit à l'augmentation des émissions de CO et HC (Pham, et al. 2012).

I.2.2.2. Emission des NOx

Les émissions des NOx varient suivant les conditions expérimentales (système de carburation, régime de fonctionnement du moteur, vitesse de rotation,...).

Du point de vue du système de carburation (injecteur et carburateur), PHAM et al. remarquent que pour une voiture avec carburateur les émissions en NOx du E10, E15 et E20 augmentent de 43.7, 52.7 et 13.3% respectivement. Alors que pour un système à injecteur, les émissions de NOx augmentent de 10.7 et 21.63% pour le E10 et E15 respectivement et baisse de 10.58% avec le E20. Cette baisse devrait être due à la faible température de combustion du E20 comparée à l'essence (Pham, et al. 2012).

KOÇ et al. travaillant sur un moteur avec un système à injection utilisant des mélange de E50 et E85, observe également une diminution des émissions de NOx avec le E50 et E85 (Koç, et al. 2009).

HSIEH et al. examinant les émissions d'une voiture avec système d'injection, à différentes vitesses et régimes du moteur (de la charge partielle à la pleine charge), trouvent qu'il est difficile de corréler les émissions de NOx avec les types de combustible (E0-E30). Ils trouvent également que lorsque le coefficient d'excès d'air s'approche de 1, la combustion est plus complète et produit une grande température de flamme. Néanmoins les émissions de NOx augmentent et ce, particulièrement à cause de l'augmentation de la thermie de NO (thermal NO) (Hsieh, et al. 2002).

Ils concluent que les émissions de NOx dépendent des conditions de fonctionnement du moteur plutôt que de la teneur en éthanol et que les émissions en NOx sont étroitement liées au coefficient stoechiométrique de sorte qu'ils atteignent leur maximum lorsqu'ils se rapprochent de la richesse unitaire (Hsieh, et al. 2002).

Toutefois, ALEXANDRIAN et al. trouvent que l'utilisation des mélanges essence/bioéthanol réduit les émissions des NOx pour des faibles richesses (Alexandrian et Schwalm 1992).

I.2.2.3. Emission des CO2

La variation des émissions de CO2 n'a pas la même allure que celle de CO. Les émissions de CO2 augmentent de 5 à 25% en fonction du régime (charge) et du pourcentage d'éthanol (Hsieh, et al. 2002).

En comparant le système à injection avec celui à carburateur, PHAM et al. voient que les émissions de CO2 augmentent respectivement de 2.2, 4.7 et 2.5% avec les E10, E15 E20 pour la voiture avec carburateur et de 3.41, 3.9 et 1.29% avec le E10, E15 et E20 pour la voiture avec injecteur (Pham, et al. 2012).

Conclusion

Le bioéthanol a été utilisé dès l'apparition du moteur à combustion interne à allumage commandé et a été mis à l'écart à l'avènement du carburant fossile. Il résulte de notre étude bibliographique qu'il est le plus prometteur au regard de ses caractéristiques physico-chimiques et ses avantages en tant que combustible. Toutefois, plusieurs problèmes restent encore à résoudre (production et traitement, coût encore élevé dans certains pays comme la RDC, réduction des émissions d'aldéhydes, réduction de la consommation,...).

Chapitre II. MATERIELS ET MÉTHODES EXPÉRIMENTAUX

En vue de son utilisation comme carburant alternatif dans le moteur, le bioéthanol doit être exempt de toute impureté nuisible au moteur et surtout des molécules d'eau puisque les différents procédés de production de l'éthanol produisent des mélanges eau-éthanol (Didderen, et al. 2008). Ainsi, nous avons purifié l'éthanol avant de le mélanger à l'essence pour obtenir les carburants E10 et E15 (de rapports volumiques essence/éthanol en pourcentage de 90/10 et 85/15). Le présent chapitre, porte sur les matériels et méthodes utilisés pour la préparation de ces carburants ainsi que la présentation du banc d'essai sur lequel nous avons effectué nos expérimentations.

II.1. Préparation des carburants E10 et E15

Les carburants E10 et E15 ont été préparés au laboratoire de chimie de la Faculté Polytechnique de l'Université de Kinshasa. Cette préparation s'est faite en deux grandes étapes : la purification de l'éthanol et le mélange de l'essence à l'éthanol purifié.

L'étape de la purification a consistait à déshydrater l'éthanol en vue d'éliminer les molécules d'eau contenues dans l'éthanol pour atteindre une concentration en éthanol supérieure ou égale à 99%. En effet, nous avons utilisé de l'éthanol commercialisé par la compagnie sucrière de Kwilu-Ngongo, produit par distillation de la mélasse résiduelle du processus de fabrication du sucre des cannes dont le degré de pureté varie entre 96,3 et 96,7% [Rapports d'analyse 2016 et 2017].

Nous avons ensuite, mélangé l'éthanol purifié à l'essence fourni par SEP-CONGO, et distribué par diverses stations d'essence (Cobil, Engen, ...).

II.1.1. Matériels et réactifs

II.1.2. Méthode

Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour déshydrater l'éthanol parmi lesquelles nous pouvons citer : l'ajout de réactifs déshydratant (tels que la chaux, la baryte, le glycérol,...), la déshydratation sous vide, la déshydratation extractive, la déshydratation par entrainement azéotropique. Dans le présent travail, nous avons opté pour la déshydratation par ajout de la chaux (CaO) à cause de sa mise en oeuvre aisée, le faible coût du réactif et sa possibilité à être réutiliser.

La quantité de CaO devant réagir avec l'eau (H2O) est fonction du pourcentage d'eau contenue dans l'éthanol.

Soit `x' cette quantité (en kg) et `y' la fraction de l'eau contenue dans l'éthanol. Partant de la réaction chimique de la déshydratation par la CaO, on a :

0,018???? H2O + 0,056???? CaO ? 0,074???? Ca(OH)2 En supposant que 1 litre d'eau pèse 1kg, on peut écrire :

Pour tenir compte de certaines incertitudes dues aux mesures, à la qualité de la chaux et autres, il est préférable de prendre `x' avec un excès de quelques grammes.

Le mode opératoire utilisé pour obtenir les carburants E10 et E15 est le suivant :

1°) Placer le CaO (chaux vive) dans un bécher et le chauffer à 120°C dans une étuve jusqu'à obtenir une masse constante comme on peut le voir sur la figure II-1;

2°) Après qu'il soit refroidi (dans un dessiccateur), le mélanger à l'éthanol, tel qu'illustré sur la figure II-2, afin de le déshydrater. ;

Figure II-2. Chargement de la CaO dans le ballon afin de le mélanger à l'éthanol

3°) Agiter puis laisser reposer (pendant 24 heures) jusqu'à ce que le CaO puisse absorber toute l'eau contenue dans l'alcool (figure II-3) ;

4°) Filtrer à l'aide d'un papier filtre (par gravité ou par filtration sous vide) (figure II-4)

Figure II-4. De gauche à droite: Séparation simple (par gravité) et Séparation sous vide

Se référant à la figure II-4, lors de la filtration par gravité le mélange est simplement versé dans un entonnoir sur lequel le papier filtre est enroulé et l'éthanol descend à compte-goutte dans le ballon par gravité. Le désavantage est qu'il dure plus longtemps et occasionne plus des pertes par évaporation. Pour la filtration sous vide une pompe à vide est utilisée pour faciliter l'extraction. La pompe peut être manuelle ou électrique. Lorsqu'elle est manuelle elle demande un grand effort physique. Nous avons utilisé successivement ces différentes méthodes.

5°) Distiller l'éthanol filtré à l'aide d'un rotary-évaporateur comme sur la figure II-5.

6°) Placer dans un pied gradué puis vérifier le taux d'alcool à l'aide d'un alcoolimètre tel que présenté sur la figure II-6.

Le taux d'alcool doit être supérieur à 99%. En dessous de ce pourcentage on ne peut pas faire le mélange. Il faut alors reprendre les opérations jusqu'à obtenir le pourcentage d'alcool acceptable.

7°) Mélanger l'alcool obtenu à l'essence dans les proportions volumiques
souhaitées. La figure II-7 présente successivement cette étape de mélange.

Figure II-7. De gauche à droite : Mesure du volume de l'essence avant mélange, Mélange de l'éthanol à l'essence et Stockage du carburant obtenu

Les carburants obtenus (E10 et E15) sont ensuite stockés dans des récipients (bidons) avant leur utilisation sur le banc d'essai. Les récipients doivent être hermétiquement fermés afin d'éviter toute perte ainsi que toute contamination par la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère. Des échantillons de ces carburants sont également prélevés pour l'analyse des paramètres physico-chimiques dont les résultats sont présentés dans le dernier chapitre.

II.2. Tests sur banc d'essais

Les carburants préparés tels que nous venons de le présenter, dans la section précédente, ont été testés sur un banc d'essai monté au laboratoire de moteur à combustion interne de la Faculté Polytechnique de l'Université de Kinshasa. Nous présenterons dans cette section le banc d'essai sur lequel nous avons effectué nos tests et nous allons rappeler quelques formules utilisées pour évaluer les performances d'un moteur à combustion interne à allumage commandé.

II.2.1. Présentation du banc d'essai

Les constituants essentiels du banc d'essai mis en place pour l'expérimentation des différents carburants (E0, E10, E15) sont :

Ajouter à cela, l'instrumentation pour les mesures (tachymètre, Chronomètre, thermocouple,...) et autres accessoires (conduites d'alimentation, d'évacuation du gaz d'échappement,...). L'ensemble du banc d'essai est présenté sur la figure II-8

II.2.1.1. Moteur Renault 4

Le moteur équipant le banc d'essai est un moteur à combustion interne à allumage commandé (par étincelle). C'est l'organe moteur du banc d'essai.

Ce moteur est de marque Renault 4 des années 80, ce qui dans un premier temps nous a rendu la tâche difficile quant à sa caractérisation. Cette difficulté a été contournée grâce à l'indice retrouvé sur la plaque du moteur permettant ainsi de savoir que ce dernier est du type Billancourt d'indice 800S61. Les caractéristiques de ce moteur sont présentées dans le tableau II.1, ci-dessous.

Le démarrage du moteur s'effectue à l'aide d'un bouton de commande et la variation de la charge à l'aide d'un dispositif permettant de régler l'ouverture de la crémaillère. Le refroidissement se fait à l'eau, avec radiateur auquel on associe un ventilateur. L'alimentation du combustible du réservoir vers le moteur est obtenue par gravité et le mélange air-combustible est réalisé par carburation.

Le système d'allumage est classique et comprend une batterie, une bobine, un allumeur et 4 bougies d'allumage alimentant les 4 cylindres. L'ordre d'allumage utilisé est le 1-3-4-2. Chaque cylindre possède 4 soupapes dont deux pour l'admission et deux pour le refoulement.

Le moteur repose sur quatre pieds fixés sur la fondation par l'intermédiaire des profilés. La fondation permet ainsi d'absorber les vibrations du moteur. Le tuyau d'échappement du moteur est connecté à une conduite d'évacuation du gaz d'échappement jusqu'à un puit servant de détendeur et silencieux pour le gaz. Un petit trou a été perforé sur la conduite d'échappement pour mesurer la température à l'échappement. La figure II-9 reprend la description du moteur.

II.2.1.2. Frein hydraulique

L'organe de freinage utilisé est un frein hydraulique à vortex d'eau monté en balance. Le travail mécanique sur le rotor est converti en énergie cinétique des particules d'eau. Le stator est soutenu par un bras de levier et transmet une force définie. La balance mesure la force d'appui du boîtier qui peut être convertie en couple effectif avec la longueur connue du bras de levier. La figure II-10 présente le frein hydraulique

Le contrôle du couple est possible par la quantité d'eau de remplissage [Wikipédia, frein à vortex d'eau]. Afin d'assurer son alimentation en eau, nous avons utilisé deux conduites d'alimentation. La première est celle utilisant l'eau fournie par la REGIDESO (conduite 1). Celle-ci n'offrait qu'un faible débit et pression, ajouter à cela sa disponibilité périodique.

Pour contourner cette limitation, nous avons placé une deuxième conduite (conduite2) utilisant l'eau du puits de forage se trouvant à proximité du laboratoire de moteur à combustion interne. Quoi que celle-ci aussi n'ait donnée qu'une plage de valeur très limitée, la combinaison des deux a permis d'obtenir des résultats intéressants avec des allures des courbes complètes . La figure II-11 présente ces deux conduites d'alimentation ainsi que celle d'évacuation de l'eau du frein.

Chaque conduite comportait au moins une vanne pour faire varier la charge et ces vannes ont été pourvues des 5 graduations pour maintenir les mêmes conditions à chaque essai (points de fonctionnement).

Le frein est relié au moteur par un accouplement mécanique tel qu'illustré sur la figure II-12. Au bout de l'arbre du côté frein, on fait la lecture de la vitesse de rotation à l'aide d'un tachymètre.

II.2.1.3. Dispositif d'alimentation du moteur en carburant

C'est un dispositif métallique composé d'un réservoir, d'une table sur laquelle est fixé le réservoir et des quelques accessoires. Il permet d'alimenter le moteur en carburant par gravité. Le réservoir a une capacité de 20 litres. Une vanne est placée à la sortie du réservoir. En aval du dispositif, on installe un filtre afin de protéger le moteur de toute impureté provenant du carburant ou de sa conduite. Pour mesurer le débit du combustible, une burette de 50 ml est placée entre la vanne et le filtre. La figure II-13 présente avec détails le dispositif d'alimentation du moteur en carburant.

II.2.2.1. Description des essais

Pour étudier le comportement d'un moteur, trois essais sont recommandés : l'essai avec ouverture totale de la crémaillère (pleine charge), l'essai avec ouverture de la crémaillère à 1/2 et à 1/4 (charge partielle). Pour notre part, nous n'avons pas pu effectuer l'essai avec l'ouverture de la crémaillère à 1/4, le moteur ne supportant pas ce point de fonctionnement. La variation de la charge est obtenue à l'aide d'un dispositif (présenté comme détail sur la figure II-9) permettant la commande de la vanne papillon. La variation de la vitesse de rotation, quant à elle, est obtenue en agissant sur les vannes d'alimentation en eau du frein (couple).

Pour ce qui est de la conduite utilisant l'eau provenant du puits de forage, le schéma de principe est présenté sur la figure II-14 :

Comme on peut le voir sur la figure II-14, ci-dessus, cette conduite comporte deux circuits et vannes. Le circuit de déviation sert à protéger la pompe lors de la fermeture complète de la vanne d'alimentation durant les essais. Le débit (Qv) disponible (total) est tel que :

Ainsi, pour pouvoir utiliser la totalité du débit disponible, on fera varier les deux vannes en commençant par la fermeture totale de la vanne de déviation avec Qv déviation nulle. Ensuite, on modifie progressivement la vanne de déviation jusqu'à son ouverture totale, puis on agit sur la vanne d'alimentation jusqu'à se rapprocher de la fermeture totale (Qv alimentation 0 et Qv dérivation Qv Total).

II.2.2.2. Mode opératoire

- Prélever au moins deux mesures du couple, de la vitesse de rotation, de la consommation et de la température à l'échappement.

- Réduire progressivement les régimes suivant les graduations et à chaque point prélever au moins deux mesures du couple, de la vitesse,...

Pour chaque combustible, faire les mêmes opérations en s'assurant de vider le réservoir et le circuit du combustible avant de commencer les essais.

II.2.3. Formules utilisés pour la détermination des principaux paramètres

En vue de connaitre les performances du moteur en fonction des carburants préparés, une série de tests a été menée sur le banc d'essai dont nous venons de présenter les principaux constituants. L'appareillage à notre disposition nous a permis de ne connaître que le couple, le débit du combustible et la vitesse de rotation. Pour ce qui est de la température à l'échappement, nous n'avons réussi à la prélever que pour quelques points. Nous allons donc nous contenter de ces trois paramètres pour déduire les autres paramètres utiles à notre étude, grâce à quelques formules.

Sur le frein on mesure la valeur de la résistance que le frein oppose au moteur. Soit G cette grandeur en kilogramme poids ou kilogramme force (kgp ou kgf), le couple effectif (Ceff) est alors donné en Newton mettre (Nm) par :

Pour obtenir des meilleurs résultats, nous avons effectué plusieurs mesures à chaque point. Ainsi, nous utiliserons des valeurs moyennes et la notation de chaque paramètre devra être surmontée d'une barre. Mais pour simplifier les expressions nous les

La burette placée en amont du dispositif d'alimentation du moteur en carburant permet de connaitre le volume de carburant consommé pendant un temps (??) donné. Ainsi, grâce à cette burette et un chronomètre, on arrive à trouver le débit volumique pour en déduire le débit massique et la consommation.

La consommation spécifique est la quantité de combustible nécessaire pour produire une énergie de 1 kWh. Elle est une grandeur importante dans la caractérisation d'un moteur. Elle est donnée par :

Pour évaluer en pourcentage la variation d'un paramètre Z et ainsi dégager l'écart observé entre un combustible donné i et un combustible de référence pris dans les mêmes conditions de fonctionnement, nous utiliserons la relation suivante :

???: ?????????????????? ???? ??????????è?????? ?? (?? = ???????? , ?? ??????, ... )

????é??: ??????????è?????? ?? ???? ?????????????????????? ???? ??é??é??????????

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté les matériels et méthodes utilisés pour préparer le carburant E10 et E15, ainsi que le banc d'essai que nous avons utilisé pour tester ces carburants. L'étape de préparation a permis d'obtenir de l'éthanol avec un degré de pureté de 99%. Cet éthanol a été mélangé à l'essence pour obtenir les E10 et E15. Le banc sur lequel se sont déroulés les essais, ainsi que le type et le mode opératoire ont également été détaillés. Les résultats obtenus seront présentés au dernier chapitre de notre travail et quelques contraintes expérimentales ayant eu de l'incidence sur les résultats seront présenté en annexe.

Chapitre III. RESULTATS ET DISCUSSION

Ce dernier chapitre est consacré à la présentation et la discussion des résultats. Nous présentons dans un premier temps les résultats d'analyse du E10 et E15 que nous comparerons à ceux de l'essence (E0). Ensuite, nous présenterons les résultats des essais des différents carburants (E0, E10 et E15) dans le moteur en étudier les performances. Pour la comparaison, nous prendrons l'essence comme référence.

III. 1. Résultats d'analyse des carburants

Après l'obtention des carburants E10 et E15, nous en avons prélevé des échantillons pour les analyser à la SEP-CONGO, profitant ainsi de son outillage bien garni et des conditions d'analyses standards (conforme aux normes ASTM et identiques à celles utilisées pour l'analyse de l'essence commercialisé et distribué par cette firme).

Les résultats de nos échantillons sont présentés dans le tableau III.1, ci-dessous : Tableau III-1 : Propriétés physico-chimiques de l'essence, du E10 et du E15

N°	Paramètres		E0	E10	E15	Spécifica- tions ASTM
1	Aspect		C&L	C&L	C&L	C&L
2	masse volumique à 15°C (kg/m³)		749,5	756,4	757,1	725,0-790,0
3	Indice d'octane (RON)		92,4	98,9	99,3	min 91,0
4	Résidu (% Vol)		1	1,5	1	max 2,0
5	Pertes (% Vol)		1	0,5	0,5	-
6	Température (20%-10%) (°C)		11	6	5	min 8,0
7	Teneur en cendres		0	0	0	-
8	Teneur en eau		0	0	0	-
9	Teneur en soufre (% masse)		0,028	0,028	0,027	max 0,03
10	Teneur en soufre (ppm)		-	119	115
11	Volume distillé (100ml de départ)		-	98	98,5	-
12	Pouvoir Energétique Inférieur (MJ/kg)		43,85	43,781	43,774	min 42
13	Pouvoir Energétique Inférieur (kcal/kg)		10480,49	10463,97	10462,19
14	Températures de distillation (°C)	Point Initial (°C)	35	38	40	-
		10% (°C)	55	55	57	max 70
		20 % (°C)	66	61	62	-
		50 % (°C)	100	96	72	max 115
		90 % (°C)	166	162	154	max 180
		Point Final (°C)	205	222	206	max 215

Comme nous pouvons le voir dans le tableau III.1, les carburants E10 et E15 sont conformes aux spécifications de l'ASTM (American Society for Testing Materials). En outre, la teneur en eau, quasi nulle, garantit une utilisation sans risque lié à la présence des molécules d'eau (démixtion, corrosion,...).

D'autre part, on observe également une amélioration de l'indice d'octane proportionnel au pourcentage de bioéthanol dans l'essence. Cette amélioration de l'indice d'octane garantit un fonctionnement loin de la zone de cliquetis avec les E10 et E10.

De même, l'augmentation de la masse volumique est proportionnelle au pourcentage de l'éthanol dans l'essence. Ainsi, les masses volumiques des E10 et E15 sont plus élevées que celles de l'essence.

La teneur en soufre baisse également en fonction du pourcentage d'éthanol et reste en-dessous de la limite maximale exigée. Ainsi, les carburants, E10 et E15, obtenus sont conforment en teneur en soufre et garantissent une combustion avec moins d'émission d'anhydride sulfureux (SO2) et sulfurique (SO3) dont le rejet est lié à la présence de soufre dans le carburant. Donc, ils sont moins polluants.

De même que pour les autres paramètres, la courbe de distillation révèle qu'à différentes températures, les carburants obtenus sont conformes aux spécifications de l'ASTM, sauf le point final du E10 qui dépasse le maximum exigé. Concernant l'allure des courbes, en-dessous de 10% (deuxième point) le E15 est au-dessus du E10 et le E0. Entre 10 et 90%, le E0 supplante le E10 et le E15 tandis qu'au-delà le E10 dépasse les autres comme nous pouvons le voir sur la figure III-1.

III. 2. Résultats des essais moteur

Nous présenterons, dans cette section, les résultats de chacun des essais, pleine charge et charge partielle. Les résultats seront d'abord présentés sous forme des tableaux, Les relations présentées dans le chapitre précédent ont servi de base pour les calculs des performances. Les tableaux III.2.et III.3, ci-dessous, en résument les résultats. L'ensemble des calculs et graphiques ont été effectués avec Microsoft Office Excel 2016.

III.2.1. Résultats des essais à pleine charge (Ouverture totale de la crémaillère)

Carbu- rant	ñ [kg/m³]	PCI [MJ/kg]	vitesse [tr/min]	G [kg]	? ?sec]	Couple [Nm]	P [kW]	????? [g/s]	Cs [g/kWh]	*'ic????* %
E0	749,5	43,85	1660,5	9,7	33	67,84	11,80	1,14	346,57	24%
			1690	9,0	32	63,27	11,20	1,17	376,52	22%
			1740	9,0	32	63,27	11,53	1,17	365,70	22%
			1835	9,0	31	63,27	12,16	1,21	357,96	23%
			1985	9,0	28	63,27	13,15	1,34	366,36	22%
			2115	8,5	25	59,75	13,23	1,50	407,76	20%
			2322,5	8,0	22	56,24	13,68	1,70	448,33	18%
			2649	7,5	18	52,72	14,63	2,08	512,45	16%
			2735	6,8	17	47,45	13,59	2,20	583,93	14%
			2800	5,3	16	36,91	10,82	2,34	779,17	11%
			2888	3,0	15	21,09	6,38	2,50	1410,13	6%
			2890	2,5	14	17,57	5,32	2,68	1811,77	5%
E10	756,4	43,781	1652,5	10,0	31,6	70,30	12,17	1,20	354,12	23%
			1661	9,8	33,8	68,54	11,92	1,12	337,48	24%
			1755	9,2	34,5	64,67	11,89	1,10	332,02	25%
			1923,33	8,8	31,5	62,10	12,51	1,20	345,59	24%
			2695	8,0	19	56,24	15,87	1,99	451,49	18%
			2866,33	5,3	14,9	36,91	11,08	2,55	827,07	10%
			2905	5,0	14,6	35,15	10,69	2,59	871,83	9%
			2915	3,5	14,6	24,60	7,51	2,58	1238,65	7%
E15	757,1	43,774	1685,5	9,8	37	68,54	12,10	1,02	304,45	27%
			1716	9,5	37	66,78	12,00	1,02	306,91	27%
			1763,5	9,2	36	64,67	11,94	1,05	316,95	26%
			1855	9,2	34	64,67	12,56	1,11	319,04	26%
			2588,33	7,8	19	54,48	14,77	1,99	485,71	17%

Le couple a varié entre 67,84 et 17,57 Nm pour le E0, correspondant à des vitesses de 1660,5 et 2890 tr/min. Avec le E10 il a varié entre 70.3 et 24.6 Nm (pour 1652,5 et 2915 tr/min). Au-delà de ces valeurs, le moteur décroche.

Avec le E15, nous n'avons pas pu aller au-delà de 54.48 Nm (soit 2588,3 tr/min) suite à la rupture de notre stock de E15 durant la période des essais. Mais qu'à cela ne tienne, nous pouvons déjà constater les améliorations dans ces plages des données.

III.2.2. Résultats essais en charge partielle (Ouverture de la crémaillère à 1/2)

Carbu- rant	ñ [kg/m³]	PCI [MJ/kg]	vitesse [tr/min]	G [kg]	O ?sec]	Couple [Nm]	P [kW]	????? [g/s]	Cs [g/kWh]	??cff %
E0	749,5	43,85	1663	9,4	35	66,08	11,51	1,07	334,9	25%
			1699	9	34	63,27	11,26	1,10	352,5	23%
			1762,5	9	33	63,27	11,68	1,14	350,1	23%
			1842,5	8,9	32	62,57	12,07	1,17	349,2	24%
			2513,5	7	17,5	49,21	12,95	2,14	595,2	14%
E10	756,4	43,781	1612,5	9,3	38	65,38	11,04	1,00	324,6	25%
			1667	9,2	37	64,67	11,29	1,02	325,9	25%
			1794	9	36	63,27	11,89	1,05	318,2	26%
			2005,00	8,70	31	61,16	12,84	1,22	342,0	24%
			2988,33	7	16	49,21	15,40	2,36	552,6	15%
E15	757,1	43,774	1572,5	8,95	42	62,92	10,36	0,90	313,2	26%
			1635	8,9	41	62,57	10,71	0,92	310,3	27%
			1694,5	8,85	38	62,21	11,04	1,00	324,9	25%
			1835	8,6	36	60,46	11,62	1,05	325,8	25%
			2860,00	7	17	49,21	14,74	2,23	543,9	15%

Les limites du E0 et du E15 ont été imposées par la quantité de combustible disponible. Ces valeurs limites sont 2860 tr/min (54.48 Nm, 16.32 kW,...) pour le E15 et 2850 tr/min (47.45 Nm, 14.16kW,...) pour le E0. Pour des raisons de commodité les résultats avec le E10 ont également été présentés dans les mêmes plages des données.

III. 3. Discussion des résultats

La discussion des résultats est faite essentiellement à l'aide des données des tableaux III.2. et III.3. portées sur graphiques. Nous avons utilisé des régressions du type polynomial de second ordre pour avoir l'allure des courbes afin de discuter et faire une étude comparative en considérant l'essence (E0) comme référence.

III.3.1. Essais à pleine charge

Etant donné les plages des données limitées obtenues avec le E15, pour une meilleure présentation, il nous a semblé judicieux de comparer en premier lieu le E10 au E0 ce qui nous permettra de voir l'allure générale des courbes. Ensuite, connaissant l'allure, nous comparerons l'ensemble (E0-E10-E15) dans la zone des données disponibles en considérant les mêmes points de fonctionnement.

III.3.1.1. Variation du couple

Figure III-2. Variation du couple en fonction de la vitesse de rotation pour E0 et E10 en pleine charge

Pour ce qui est du couple, comme on peut le voir sur la figure III-2 ci-dessus, le couple croît légèrement avec la vitesse de rotation jusqu'autour de 1900 tr/min pour ensuite décroître considérablement.

L'allure des courbes peut s'expliquer par le fait que nous n'avons pas pu atteindre les vitesses inférieures à 1600 tr/min, auxquelles correspondent des faibles couples. Ce qui ne nous a pas permis d'avoir l'allure générale du couple.

Toutefois, en comparant le E10 au E0, on voit que le E10 offre les valeurs de couple les plus élevés et reste au-dessus du E0 durant tout le fonctionnement du moteur. Cette augmentation est due à la présence de l'éthanol dans l'essence.

Figure III-3. Variation du couple en fonction de la vitesse de rotation pour E0, E10 et E15 en pleine charge

Pour l'ensemble E0-E10-E15, si nous considérons les mêmes points de fonctionnement (même position de la vanne d'alimentation du frein en eau), les courbes de la figure III-3, ci-dessus, donnent la tendance suivante :

- En dessous de 2100 tr/min, le E15 supplante tous les autres carburants avec son max à 68.5 Nm autours de 1700 tr/min

- Au-delà de 2200 tr/min le E10 présente les valeurs de couple les plus élevés, suivi du E15.

La tendance est telle que, pour des grandes vitesses le E10 offre des meilleurs couples alors que pour des faibles vitesses, c'est le E15 qui donne des meilleures valeurs. Dans la littérature, Raif et al. trouvent que dans une certaine plage de vitesse (à partir de 2000 tr/min) le moteur peut avoir des comportements différents et les tendances peuvent s'inverser entre différents mélanges (Raif, et al. 2017). Toutefois, Raif et al. n'expliquent pas les raisons pouvant justifier un tel phénomène.

Nous pensons qu'il est possible que les caractéristiques intrinsèques du mélange ont pu occasionner un tel comportement. En effet, les mélanges essence/bioéthanol sont des pseudo-mélanges homogènes très peu stables. Il est possible qu'à cette vitesse (2000 tr/min), le mélange ait présenté des propriétés similaires à l'essence (Mbuyi 2018).

Néanmoins, il serait prématuré de tirer des telles conclusions puisqu'aucune mesure (température, de pression,...) n'a était faite pour confirmer cela. Aussi parce qu'on utilise des courbe de régression ne donnant qu'une approximation de l'allure des courbes.

Dans tous les cas, on observe un accroissement du couple avec les E10 et E15 par rapport à l'essence. Ceci est dû à l'augmentation de la pression moyenne effectif suite à l'amélioration de la combustion avec l'ajout de l'éthanol dans l'essence, comme rapporté dans la littérature (Raif, et al. 2017, Hsieh, et al. 2002, Clemente, et al. 2001).

III.3.1.2. Variation de la puissance

Figure III-4. Puissance en pleine charge pour E10 et E0 en fonction de la vitesse de rotation

Comme nous pouvons le voir sur la figure III.4, le E10 offre des puissances largement supérieures à l'essence (E0). La puissance augmente proportionnellement à la vitesse de rotation et atteint le maximum entre 2200 et 2300 tr/min.

Soulignons qu'au-delà de 2300 tr/min, on remarque une augmentation des écarts entre le E10 et l'essence sous l'influence du couple et de la vitesse de rotation. Donc, une plus grande amélioration de la puissance est obtenue à des grandes vitesses avec le E10.

L'amélioration de la puissance du E10 est essentiellement due à l'augmentation du couple, comme observé précédemment (figure III.2 et 3). La puissance étant aussi proportionnelle au couple.

Concernant le E15, si nous considérons les mêmes points de fonctionnement (même position de la vanne d'alimentation en eau du frein), la tendance des courbes sont comme sur la figure III.5. Et on y remarque ce qui suit :

Figure III-5. Puissance en pleine charge pour E0, E10 et E15 en fonction de la vitesse de rotation

La puissance la plus élevée est obtenue avec le E10 autour de 2700 tr/min. De même qu'avec le couple, en dessous de 2100 tr/min, le E15 supplante tous les autres carburants alors qu'au-delà c'est le E10 qui vient en premier. Pour des grandes vitesses, le E10 offre des meilleures puissances alors que pour des faibles vitesses, c'est le E15 qui donne des meilleures valeurs. Le E0 reste en-dessous du E10 et E15.

On peut donc voir l'influence du couple sur les allures des courbes de puissance puisqu'on observe le même phénomène qu'avec le couple. Ce qui est logique puisque la puissance est proportionnelle au couple.

III.3.1.3. Variation de la consommation spécifique

La figure III.6, montre que l'évolution de la consommation spécifique est inversement proportionnelle à la puissance (cfr. figure III.4).

En comparant le E10 au E0, en fonction de la vitesse de rotation, on remarque une réduction de la consommation spécifique avec le E10. La réduction du débit massique du combustible observé influence aussi cette amélioration, quoi que ce soit l'influence de la puissance qui soit le plus remarquable.

En outre, on remarque que malgré l'augmentation de la masse volumique du E10 et E15, leur débit massique diminue quand même étant donnée les valeurs de è (temps) observées. Ceci pourrait être dû à l'amélioration de la combustion grâce à l'addition de l'éthanol dans l'essence comme rapporté dans la littérature (Raif, et al. 2017).

Figure III-6. Variation de la consommation Spécifique en pleine charge pour le E0 et E10 en fonction de la vitesse

En ce qui concerne, l'ensemble E0-E10-E15, la figure III.7., montre une réduction de la consommation avec les E10 et E15. On observe qu'en-dessous de 2200 tr/min, le E15 présente les meilleures améliorations de la consommation spécifique alors qu'au-delà c'est le E10. Ce changement est dû à l'influence des puissances observées avec le E10 et le E15 puisqu'autour de 2200 tr/min, la puissance et la consommation ont le même comportement.

1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800
Vitesse de rotation [tr/min]

Figure III-7. Variation de la consommation en pleine charge pour le E0, E10 et E15 en fonction de la vitesse

III.3.1.4. Variation du rendement effectif

La figure III.8 présente de façon superposée, l'allure du rendement en fonction de la vitesse de rotation (courbes au-dessus) et de la puissance (courbes en-dessous). On y remarque que le rendement diminue avec la vitesse de rotation alors qu'elle augmente avec la puissance jusqu'à un certain point.

Figure III-8. Variation du rendement en pleine charge pour le E0 et E10 en fonction de la vitesse et de la puissance

Sur la figure III.8. on observe qu'en fonction de la vitesse, le rendement du E10 est supérieur à celui du E0 sur toute la plage des vitesses. En fonction de la puissance, on voit qu'en dessous de 12 kW, l'essence présente des meilleurs rendements contrairement aux plus grandes puissances (au-delà de 12 kW) où c'est le E10 qui est meilleur. Aussi, à 12kW, les deux se croisent (ont le même rendement).

Cette augmentation du rendement avec le E10 est due à l'amélioration de la puissance et du débit massique. Néanmoins, étant donné que pour des grandes vitesses (au-delà de 2200 tr/min, zone à laquelle la puissance décroit) le débit massique du E10 augmente (Cfr tableau comparatif en annexe), on observe une diminution du rendement à des faibles puissances sous l'influence de la puissance et du débit.

Connaissant l'allure du rendement en fonction de la vitesse et la puissance, dans la suite nous nous contenterons de représenter le rendement soit en fonction de la vitesse de rotation, soit de la puissance puisque dans la plage des valeurs obtenues, les allures sont similaires. Toutefois, nous garderons entre parenthèses les valeurs auxquelles elles (vitesses ou puissances) correspondent sur l'autre graphique.

Pour l'ensemble E0-E10-E15, la figure III.9., donnant l'allure du rendement en fonction de la vitesse de rotation ; montre qu'en-dessous de 2200 tr/min (12 kW) le E15 offre des meilleurs rendements alors qu'au-delà c'est le E10 qui offre des meilleurs rendements.

Ceci s'explique par le fait que comme observé avec la puissance (figure III-5), le E15 offre les meilleures améliorations en dessous de 2200 tr/min (12kW) alors qu'au-delà c'est le E10. On peut donc y voir l'influence de la puissance sur le rendement auquel elle est proportionnelle. Associer à cela les améliorations du débit massique obtenues avec le E10 et le E15.

Figure III-9. Variation du rendement en pleine charge E0-E10-E15 en fonction de la vitesse de rotation

III.3.2. Essais à charge partielle

Pour les essais à charge partielle, nous n'avons pas pu avoir plusieurs points permettant de tracer l'allure complète des courbes comme cela a été le cas lors de la pleine charge ; l'essence et le E15 étant épuisé. Cependant nous n'avons eu qu'une plage des données limitées. Ainsi, on se contentera d'une discussion autour des mêmes points de fonctionnement que le E15 (les données complémentaires sont présentées en annexe).

III.3.2.1. Variation du couple

Figure III-10. Variation du couple en charge partielle en fonction de la vitesse de rotation

L'allure du couple en charge partielle observée sur la figure III.10. montre que :

- En-dessous de 2100 tr/min, le E15 présente des valeurs des couples inférieurs à ceux de l'essence.

De façon générale, le E10 présente les meilleures améliorations du couple. Le E15 ne présente des améliorations qu'à partir d'une certaine vitesse. A des faibles vitesses, les performances du E0 sont similaires au E10, tendant même à le dépasser.

Dans la littérature, HSIEH et al., trouvent des résultats similaires pour des faibles vitesses en charge partielle. En observant ses allures des courbes, on voit que celles du couple se confondent à 1000 tr/min particulièrement et à la charge partielle (20, 40 et 60%), le E0 dépasse certains mélanges (E5, E20 et E30) quoi qu'en générale, le E10 reste au-dessus du E0 (Hsieh, et al. 2002).

Malheureusement, HSIEH et al. ne présentent leurs résultats que sur des graphiques et ne donne aucune explication à ce phénomène. Dans tous les cas, nous pensons que les propriétés du mélange (PEI, pourcentage en alcool,...) ont eu une grande influence.

Toutefois, malgré le fait qu'à la charge partielle, la quantité de combustible admise soit plus faible et qu'Il soit possible qu'à des faibles vitesses, l'essence ait pu mieux faire face à cette situation que les autres combustibles, nous estimons qu'un examen approfondi du phénomène observé est nécessaire en vue des meilleures conclusions.

Ceci, sans écarter l'hypothèse selon laquelle les mélanges essence/bioéthanol soient des pseudo-mélanges, dont les comportements peuvent varier suivant différentes températures (Mbuyi 2018).

III.3.2.2. Variation de la puissance

Figure III-11. Variation de la puissance en charge partielle en fonction de la vitesse de rotation

Pour la puissance, comme on peut le remarquer sur la figure III.11, l'influence du couple se fait grandement ressentir. Ainsi, de même que pour le couple, au-delà de 2100 tr/min, les E10 et E15 présentent les meilleurs résultats que l'essence. Toutefois, en-dessous de 2100 tr/min, le E15 est en dessous de l'essence et entre 1650 et 1800 tr/min, le E10 présente des valeurs assez proches de l'essence.

III.3.2.3. Consommation spécifique

La consommation spécifique en charge partielle, de même que pour la pleine charge, présente des améliorations avec l'utilisation du E10 et E15 comme nous le montre la figure III.12.

Autour de 1800 tr/min, le E15 et le E10 sont très proches. Mais en-deçà de 1800 tr/min, le E15 offre les meilleures consommations et au-delà c'est le E10. Entre 1900 et 2550 tr/min il y a un grand écart entre le E10 et E15 avec le E0.

Ceci est essentiellement dû à l'augmentation de la puissance en charge partielle associée à la diminution du débit massique du E10 et E15. D'où l'amélioration de la consommation spécifique avec des grands écarts entre l'essence et les autres pour des grandes vitesses et puissances.

1500 1650 1800 1950 2100 2250 2400 2550 2700 2850 3000 3150 Vitesse de rotation [tr/min]

Figure III-12. Variation de la consommation spécifique en charge partielle en fonction de la vitesse de rotation

III.3.2.4. Rendement

Pour ce qui est du rendement, on observe également une amélioration avec les E10 et E15 (figure III.13). Cette amélioration du rendement est également due à l'influence de la puissance et du débit massique du combustible.

Pour des grandes puissances, au-delà de 11,5 kW (1950 tr/min), Le E10 offre les meilleurs rendements tandis que pour des faibles puissances c'est le E15. Entre 11,5 et 12 kW (1850 et 1950 tr/min), les valeurs du rendement du E10 et E15 coïncident.

Figure III-13. Variation du rendement en charge partielle en fonction de la puissance

Soulignons également le fait que de façon générale, l'ensemble des courbes (couple, puissance, consommation spécifique et rendement) évoluent à l'intérieur de la zone limitée par les barres d'erreurs. Ceci permet d'affirmer que l'approximation des allures par des courbes de régression du type polynomiale de second ordre donne lieu à des marges d'erreurs acceptables.

III.3.3. Evaluation des performances entre les mélanges essence/bioéthanol et

Pour calculer les variations observées entre les mélanges essence/bioéthanol (E10 et E15) et l'essence pur afin de mieux évaluer les améliorations obtenues, nous considérons les mêmes points de fonctionnement (même position de la vanne d'alimentation du frein en eau) et comparerons points par points les E10 et E15 à l'essence. La relation ayant servi au calcul a été détaillé dans le chapitre précédent et les tableaux étalant les résultats sont en annexe. Pour des raisons de clarté, nous présenterons simplement le graphique avec les valeurs moyennes de chaque performance du E10 et E15 comparée à l'essence.

La figure III-14 présente les valeurs moyennes des performances du E10 et E15 comparées à l'essence pour chaque paramètre.

Comparaison des performances du E10 et E15
par rapport à l'essence en pleine charge

Figure III-14. Performances du E10 et E15 en pleine charge comparé à l'essence

- la vitesse de rotation, du E10 et E15 augmente de 4 et 3.2% respectivement. Le E10 est légèrement au-dessus du E15.

- Le couple du E10 et E15 augmente légèrement de 1.3 et 2.3% respectivement. Le couple du E15 est au-dessus de celui du E10.

- La puissance augmente de 5 et 6% respectivement avec le E10 et E15. On peut y voir clairement l'action combinée de l'augmentation du couple et de la vitesse de rotation sur la puissance. La vitesse a donc été un facteur déterminant comme l'a également rapporté ELFASAKHANY dans la littérature (Elfasakhany 2014).

- Le débit massique du combustible a légèrement augmenté de 0.9% avec le E10 et a sensiblement baissé avec le E15. Ceci laisse croire que la teneur en alcool a joué un rôle déterminant dans les valeurs du débit.

- La consommation spécifique du E10 et E15 diminue de 4 et 9% respectivement. Il apparait clairement que les améliorations de la puissance ont été prépondérantes sur l'augmentation de la consommation quoi que le débit ait aussi influencé ce résultat.

- Le rendement augmente de 5 et 11% avec le E10 et E15 respectivement, malgré la diminution du PEI. De même que la consommation, la puissance a eu la plus grande influence. Néanmoins, c'est le E15 qui présente la meilleure amélioration du rendement puisqu'il bénéficie de l'action combinée de l'amélioration de la puissance et du débit.

Les performances (moyennes) du E10 et E15 comparées à l'essence en charge partielle sont présentées sur la figure III-15, ci-dessous :

Comparaison des performances du E10 et E15 par rapport à l'essence en charge partielle

Figure III-15 Performances du E10 et E15 en charge partielle comparé à l'essence

- la vitesse de rotation, du E10 et E15 augmente de 5 et 0.1% respectivement. Le E15 augmente légèrement puisqu'à des faibles vitesses le E0 a présenté des valeurs supérieures.

- Le couple du E10 et E15 diminue de 0.2 et 2.2% respectivement. Le couple du E15 baisse sensiblement à cause ses valeurs lors des faibles vitesses.

- La puissance augmente de 5% avec le E10 alors qu'il baisse de 2% avec le E15. Quoi que la vitesse du E15 ait légèrement augmenté, la diminution du couple a beaucoup plus affecté la puissance du E15.

- Le débit du combustible a baissé légèrement de 1% avec le E10 et sensiblement de 10% avec le E15. Il est bien clair qu'en charge partielle, comparé aux autres (E0 et E15), le E15 a été peu consommé lors de la combustion (mélange pauvre).

- La consommation spécifique du E10 et E15 diminue de 6 et 8% respectivement. Il apparait que les améliorations du débit ont été prépondérantes sur l'amélioration de la consommation en charge partielle plutôt que la puissance quoique cette dernière ait aussi influencé le résultat.

- Le rendement augmente de 6 et 9% avec les E10 et E15 respectivement ; malgré la diminution du PEI. De même que pour la consommation, le débit a eu la plus grande influence. Le E15 présente la meilleure amélioration du rendement quoi qu'il n'ait bénéficié que de l'amélioration du débit contrairement au E10 dont la puissance et le débit ont subi des améliorations.

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Le présent travail a porté sur l'étude comparative de performances d'un moteur à allumage commandé fonctionnant avec de l'essence et des mélanges essence/bioéthanol. Les concentrations volumétriques des mélanges essence/bioéthanol sont de 10% (E10) et 15% (E15).

Les E10 et E15 ont été préparés au laboratoire. La chaux vive a été utilisée comme réactif déshydratant grâce à son faible prix et sa capacité d'être réutilisé. Les résultats d'analyse des biocarburants ont révélé qu'ils répondaient aux spécifications de l'ASTM et aux exigences des carburants commercialisés sur le marché congolais.

Il en ressort également, une nette amélioration de l'indice d'octane et de la masse volumique proportionnelle au pourcentage d'éthanol. Une réduction du PEI et de la teneur en soufre a également été observée.

Les E10 et E15 ont été ensuite testés sur un moteur à combustion interne 4 temps et 4 cylindres, et de marque Renault 4, du type Billancourt des années 80, utilisant un carburateur pour le mélange air-combustible. Le moteur n'a subi aucune modification et a été accouplé à un frein hydraulique sur un banc d'essais.

Les essais à pleine charge (1/1) et à charge partielle (1/2) ont été effectués sur le moteur. Les essais avec ouverture à 1/4 n'ont pas pu être effectués puisqu'à ce point de fonctionnement le moteur décrochait.

A l'issue de ces essais, il a été observé des améliorations des performances avec les E10 et E15 lors du fonctionnent en pleine charge. De façon générale, en-dessous de 2100 tr/min, le E15 a présenté les meilleures performances alors qu'au-delà de 2200 tr/min c'est le E10 qui a présenté les meilleures performances.

Des améliorations ont également été obtenues à charge partielle. Ces améliorations ont été plus remarquables au niveau de la consommation spécifique et du rendement. En-dessous de 2100 tr/min, le E15 a présenté des faibles performances pour le couple et la puissance. Mais le E10 a présenté les meilleures performances sur toute la plage de vitesse.

Néanmoins, dans cette étude nous n'avons pas pu analyser le gaz d'échappement et nous avons travaillé avec des plages de données limitées, ce qui a fortement restreint notre étude. Ainsi pour des futurs travaux nous suggérons d' (de) :

- Reprendre les essais avec une plus grande quantité de combustibles, prévoir une bonne instrumentation pour prélever les températures et utiliser, si possible, un frein pouvant permettre d`avoir des faibles vitesses (=1600 tr/min).

- Etudier les performances pour des concentrations au-dessus du E15 (E20, E50, E85,...) avec ou sans modification du moteur.

- Etudier l'état de dégradation pouvant être observé à la suite d'une utilisation prolongé des mélanges (E5, E10, E15,...) (test de longévité).

- Etudier les différentes possibilités de réduction du coût de production du bioéthanol ou d'utiliser des produits résiduels (alcool de mauvais goût,...).

BIBLIOGRAPHIE

Abdel-Rahman, A.A., et M.M. Osman. «Experimental investigation on varying the compression ratio of SI engine working under different ethanol-gasoline fuel blends.» International Journal of Energy Research 21, 1997: 31-40.

Alexandrian, M., et M. Schwalm. «Comparison of ethanol and gasoline as automotive fuels.» ASME , 1992: 92-WA/ DE-15.

Alvydas, Pikûnas, Pulaskas Saugirdas, Pukalskas Saugirdas, et Grabys Juozas. «Influence of composition of gasoline-ethanol blends on parameters of internal combustion

Ballerini, Daniel, et Nathalie Alazard-Toux. Les biocarburants: état des lieux, perspectives et enjeux de développement. Paris: TECHNIP, 2006.

Bata, R.M., A.C Elord, ., et R.W. Rice. «Emissions from IC engines fueled with alcohol- gasoline blends: a literature review.» Transactions of the ASME 111, 1989: 424-431.

Bekunda, M. «Biofuels in Developing Countries.» Biofuels: Environmental Consequences and Interactions with Changing Land Use, 2009: 249-269.

Belboom. Evaluation de l'impact environnemental de la production de bioéthanol à partir de canne à sucre, betterave ou froment par analyse du cycle de vie. comparaison des utilisations biocarburant et bioplastique. Thèse , Université de Liège, 2012.

Black, R, S Ammassari, S Mouillesseaux, et R Rajkotia. «Migration and climate change: Towards an integrated assessment of sensitivity.» Springer Science & Busines Media Dordrecht , 2011: 431-450.

Celik, M, et Bahattin. «Experimental determination of suitable ethanol-gasoline blend rate at high compression ratio for gasoline engine.» Applied Thermal Engineering 28.5, 2008: 396-404.

Clemente, Raphael, Edward Werninghaus, E Coelho, et L. Sigaud Ferraz. «Development of an internal combustion alcohol fuelled engine.» SAE technical paper, n° 3917 (Janvier 2001).

CPDN-RDC. «Soumission de la contribution nationale prévue déterminée au niveau national au titre de la convention des nations unies sur les changements climatiques.» Kinshasa, RD. Congo, 2015.

Davis, G., et E. Heil. «The development and performance of a high blend ethanol fuelled

vehicle.» 2000 Future car congress. Arlington, Virginia,: Society of Automotive Engineers, 2000.

Demirbas, A. «Political, economic and environmental impacts of biofuels: A review.» Applied Energy 86 (Supplement 1), 2009: S108-S117.

Didderen, Isabelle, Jacqueline Destain, et Phillipe Thonart. Le bioéthanol de seconde génération: la production d'éthanol a partir de biomasse lignocellulosique. Gembloux: Les presses agronomiques de Gembloux, 2008.

Elfasakhany, A. «The Effects of Ethanol-Gasoline Blends on Performance and Exhaust Emission Characteristics of Spark Ignition Engines.» International Journal of Automotive Engineering, 2014: 19-28.

EurObserv'ER. «Baromètre des biocarburants.» Le journal des énergies renouvelables (210), 2012.

Gnansounou, E., A. Dauriat, L. Panichelli, et J. Villegas. «Energy and greenhouse gas balances of biofuels: biases induced by LCA modelling choices.» Journal of Scientific & Industrial research 67 (11), 2008: 885-897.

Hauet, Bertrand. «Utilisation Rationnelle de l'ENERGIE dans les Moteurs à combustion interne et ENVIRONNEMENT: Contraintes et mise au point des véhicules "flex-fuel".» Conférence SIA. 2007.

Hsieh, Wei-Dong, Chenb Rong-Hong, Wub Tsung-Lin, et Lin Ta-Hui. «Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol-gasoline blended fuels.» Édité par Elsevier Science. Atmospheric Environment 36, 2002: 403-410.

Karim, Khiari. Contribution à l'étude des propriétés thermo-physiques des biocarburants de seconde génération et leur influence sur le comportement des moteurs. Thèse, Ecole des Mines de Nantes, 2016.

Kazadi. Cours de moteur à combustion interne, Université de Kinshasa. Kinshasa, RDC: Inédit, 2015.

Koç, Mustafa, Sekmen Yakup, Topgul Tolga, et Serdar Yucesu, Huseyin. «The effect s of ethanol-unleaded gasoline blend on engine performance and exhaust emissions in a spark-ignition engine.» Renewable Energy 34 (2009): 2101-2106.

Mahamba, F. «Jatropha curcas, «la RDC gagne un joker environnemental». Consulté en 2016 sur www.afrik4R-fr.org/ Communauté africaine des pratiques. .» 2014.

Mbuyi, Haddy,K. Théorie sur les mélanges essence/bioéthanol. Kinshasa: Inédit, 2018.

Nigam, P.S., et A., Singh. «Production of liquid biofuels from renewable resources,.» Progress in Energy and Combustion Science, 2011.

Palmer, F.H. «Vehicle performance of gasoline containing oxygenates.» International conference on petroleum based and automotive applications. London, UK: Institution of Mechanical Engineers Conference Publications, MEP, 1986. 33-46.

Pham, Huu Truyen, Huu Tuyen Pham, Minh Tuan Pham, et Anh Tuan Le . «INFLUENCE OF E10, E15 AND E20 FUELS ON PERFORMANCE AND EMISSIONS OF IN-USE GASOLINE PASSENGER CARS.» ASEAN Engineering Journal Part C, vol 4, n° 2 (Novembre 2012): 33-40.

Raif, Kenanoðlu, Kaan Baltacýoðlu Mustafa, Baltacýoðlu Ertuðrul, et Aydýn Kadir. «Theoretical determination of optimum ethanol fuel blends rate within gasoline.» 6th International Conference on Renewable Fuels Combustion and Fire. Cappadocia, Turkey, 2017. 51-58.

Schoeling, Olivia. Le bioéthanol carburant études technique et des possibilités de développement du marché en Belgique. FARR-Wal, Region Wallone: ValBiom, 2006.

Stan, C, Troeger R, S Guenther, A Stanciu, L Martorano, et C Tarantino. «Internal mixture formation and combustion - from gasoline to ethanol.» Direct injection SI engine technology 2001 (SP-1584). Society of Automotive Engineers, 2001.

Thakur, A, A Kaviti, R Mehra, et K Mer. «Progress in performance analysis of ethanol-gasoline blends on SI engine.» Renewable and Sustainable Energy Reviews, 69,, 2017: 324-340.

Tuan, Le Anh, et Minh Tuan, Pham. «Impacts of gasohol E5 and E10 on performance and exhaust emissions of in-used motorcycle and car: a case study in Vietnam.» Vietnamese Journal of Science and Technology, n° 73B (2009): 98-104.

Tumuinimo, Christian. Performances énergétiques d'un moteur diesel fonctionnant avec un mélange gasoil-biodiesel (Huile de Palme et Huile de Ricin), jusqu'à 10% en volume. Mémoire de fin d'étude, Université Kongo, Mbanza-Ngungu, 2017.

ANNEXES

Annexe 1: Contraintes expérimentales

Pendant la phase expérimentale de ce travail, nous avons dû faire face à plusieurs contraintes et difficultés. Nous présentons ici quelques-unes d'entre elles.

Lors de la préparation du carburant au laboratoire de chimie de la faculté polytechnique, l'une des difficultés à laquelle nous avons dû faire face est l'acquisition des réactifs (chaux vive et éthanol) répondant aux critères de qualité, de quantité et de coût. Sur le marché de Kinshasa cela n'est pas facile.

En effet, après avoir été arnaqué avec de l'alcool de mauvaise qualité, nous avons été contraints d'acheter l'éthanol à Kwilu-Ngongo, à un prix plus élevé qu'habituellement à cause de sa rareté durant la période de nos essais (Mi-février). La chaux vive de bonne qualité a également été difficile à trouver sur le marché. Nous avons dû bénéficier de l'aide du Professeur Haddy pour en trouver, après avoir déjà commencé à préparer une chaux de mauvaise qualité (commercialisé par la majeure partie des vendeurs).

Une autre difficulté a été l'étape de filtration. Nous avons observé qu'avec la filtration simple (par gravité) l'éthanol prenait beaucoup de temps pour être filtré, ce qui occasionnait beaucoup des pertes par évaporation. Nous avons dû passer à la filtration sous vide, mais là encore les choses n'ont pas été aussi simple que cela, puisque la pompe manuel exigé un grand effort physique. Nous avons été contraints d'aller finir cette étape au laboratoire de chimie de la faculté de science disposant d'une pompe à vide (quoi que peu performant vue sa vétusté).

Une fois préparé, les carburants devraient être analysés pour en déterminer les paramètres physico-chimiques. Mais n'ayant pas l'instrumentation adéquate pour ces analyses suivant les normes requises par l'ASTM, nous avons envoyé les échantillons de E10 et E15 prélevé auprès de la SEP-CONGO pour les faire analyser. Ne pouvant pas être présent, nous-même, pendant ces analyses nous ne saurons garantir `l'exactitude' des résultats.

En effet, Nous avons remarqué certaines incohérences dans les résultats d'analyse de la SEP-CONGO. Nous pensons que pour certains paramètres (PEI, masse volumique,...) une confusion des valeurs a pu se glisser étant donné le fait que ces paramètres n'ont pas été déterminé le même jour et par le même technicien. Ainsi par exemple, pour le PEI qui a été déterminé un autre jour par quelqu'un d'autres, nous supposons qu'il a changé d'échantillons ou inversé (voir tableau A1).

Concernant les essais moteurs, les contraintes auxquelles nous avons dû faire face sont la vétusté du moteur, le manque d'instrumentation adéquate, les exigences du frein et accessoire,...

Le moteur Renault 4 que nous avons utilisé est un moteur des années 80, installé au laboratoire de moteur à combustion interne de l'UNIKIN, mais inutilisé depuis quelques années. Il nous a fallu plusieurs jours de `rodage' avant de débuter les essais proprement dits. Sur les quatre bougies d'allumage que compte le moteur, seulement trois d'entre-elles fonctionnent correctement. L'une des bougies ne peut pas être

remplacée au risque d'endommager la culasse et d'être obligé de la changer complètement.

Un autre problème a été la disponibilité du banc d'essai. En effet, le joint de cardan installé sur notre banc pour relier le frein au moteur était attendu sur un autre banc. Ainsi nous ne disposions que d'un temps réduit pour faire tous les essais.

La plus grande contrainte a été au niveau de l'alimentation en eau du frein hydraulique. L'ensemble des essais devraient se passer le même jour pour rester dans les mêmes conditions mais l'eau fourni par la Regideso n'était pas toujours disponible (irrégulier et instable), ainsi nous avons opté pour l'utilisation de l'eau du puits de forage.

Après avoir examiné les résultats des premiers essais avec les E0, E10 et E15 (du 13/02/2018 avec l'eau du puits de forage) nous nous sommes rendu compte que les valeurs obtenues ne couvraient qu'une portion des courbes caractéristiques.

Nous avons repris les essais avec le E10 (seul combustible à notre portée en ce moment), cette fois nous avons utilisé l'eau de la Regideso, ce qui nous a donné uniquement des faibles couples (G = 5 à 3.5 kgf) étant donné le débit fourni.

D'autres améliorations ont également été faites sur le circuit d'alimentation du frein (utilisation du débit max du puits de forage, combinaison de l'eau du puits et celui de la Regideso,...) afin d'obtenir des meilleurs résultats. Nous avons dû faire face à une contrainte budgétaire ce qui ne nous a pas permis de poursuivre les essais et d'améliorer d'avantage les résultats particulièrement avec l'essence à la charge partielle et le E15 (en pleine charge et à charge partielle).

Aussi, le frein étant analogique et très peu sensible à certaines variations de débit d'eau, nous n'avons pas réussi à obtenir des grandes variations du couple avec le débit disponible donnant lieu à plusieurs points (valeur du couple) très rapprochés en dépit de la variation de la vitesse de rotation.

Une autre difficulté a été le manque d'instrumentation adéquate particulièrement pour mesurer la température. En effet, le thermocouple à notre disposition n'a pas permis de prélever la température à l'échappement et aucun dispositif pouvant permettre de suivre l'évolution des températures (combustion, échappement,...) n'a été à notre portée. Ce qui ne nous a pas permis d'expliquer certains phénomènes comme cela a été les cas pour plusieurs auteurs cités dans la littérature.

Néanmoins, lors de l'un de nos essais (celui du 20/02/2018), nous avons utilisé un thermocouple laser qui nous a permis de connaitre la température à l'échappement de quelques points et d'en déduire que la combustion était normal. Les résultats de tous les essais classés par dates sont en annexe.

Toutefois, malgré ces contraintes et conditions de travail difficiles et inadéquates, ayant l'obligation des résultats, en tant que futur ingénieur civil ; nous avons dû nous surpasser pour produire les résultats présenter dans la suite du travail.

Annexe 2: Rapport d'analyses de l'éthanol de Kwilu-Ngongo

Annexe 3: Résultats d'analyses des carburants par la SEP-CONGO (Corrigés) Tableau A-1 Résultats d'analyse de la SEP-CONGO corrigé

N°	Paramètres	E0	E15	E10
1	Aspect	C&L	C&L	C&L
2	masse volumique à 15°C(kg/m3)	749,5	756,4	757,1
2*	Masse volumique à 15°C corrigé (kg/m3)		757,1	756,4
3	Indice d'octane	92,4	99,3	98,9
4	Résidu (% Vol)	1	1	1,5
5	Pertes (% Vol)	1	0,5	0,5
6	Température (20%-10%) (°C)	11	5	6
7	Teneur en cendres	0	0	0
8	Teneur en eau	0	0	0
9	Teneur en soufre (%masse)	0,028	0,027	0,028
10	Teneur en soufre (ppm)	-	115	119
11	Volume distillé (100ml de départ)	-	98,5	98
12	PEI (MJ/kg)	43,850	43,781	43,774
12	PEI Corrigé (MJ/kg)		43,774	43,781
13	PEI (kcal/kg)	10450,49	10463,97	10462,19
13*	PEI Corrigé (kcal/kg)	10480,49	10463,97	10462,19

Observations : - Les valeurs comportant probablement des erreurs ont été mises en surbrillance - (*) : Paramètre corrigé pour les raisons détaillé précédemment (annexe 1).

- La conversion du kilocalorie en Mégajoule a été faite en considérant que 1kcal = 4,184.10^-3 MJ

Annexe 4: Résultats complémentaire des essais du E0-10-E15 en pleine charge Tableau A-2 Résultats des essais ayant servi à tracer les graphiques du E0-E10-E15

Car- burant	[fkell	PCI [r??]	vitesse [tr/min]	G [kg]	? ?sec]	Couple [Nm]	P [kW]	m [g/s]	Cs [g/kWh]	n ' I	N° Essai
	p [kg]	PCI [r??]
	p [kg]
E0 E10	749,5 756,4	43,85 43,77	1670	9,3	34	65,38	11,43	1,10	347,05	24%	1
			1690	9	32	63,27	11,20	1,17	376,52	22%	2
			1740	9	32	63,27	11,53	1,17	365,70	22%	3
			1835	9	31	63,27	12,16	1,21	357,96	23%	4
			2330	8	22	56,24	13,72	1,70	446,89	18%	5
			1659	9,5	36	66,78	11,60	1,05	326,02	25%	1
			1684	9,35	34	65,73	11,59	1,11	345,42	24%	2
			1755	9,2	33	64,67	11,89	1,15	347,11	24%	3
			1923	8,83	31,5	62,10	12,51	1,20	345,59	24%	4
			2695	8	19	56,24	15,87	1,99	451,49	18%	5
E15	757,1	43,78	1686	9,75	37	68,54	12,10	1,02	304,45	27%	1
			1716	9,4	37	66,08	11,87	1,02	310,17	27%	2
			1764	9,3	36	65,38	12,07	1,05	313,54	26%	3
			1855	9,2	34	64,67	12,56	1,11	319,04	26%	4
			2588	7,75	19	54,48	14,77	1,99	485,71	17%	5

Date	vitesse [tr/min]	G [kg]	O [sec]	(gradua- tion vanne)
13/02/18	1670	9,3	34	1
	1690	9	32	2
	1740	9	32	3
	1835	9	31	4
	2330	8	28	5
26/02/2018	1651	10	32	1
	1985	9	28	2
	2115	8,5	25	3
	2315	8	22	4
	2649	7,5	18	5
	2735	6,75	17	6
	2800	5,25	16	7
	2886	3,5	15	8
	2890	2,5	14	9

Charge totale						N° essai (gradua- tion vanne)			*Charge partielle*
Date		vitesse [tr/min]		G [kg]	O [sec]				Date		vitesse [tr/mn ]		G [kg]	O [sec]
13/02/2018		1685,5		9,75	37	1			13/02/2018		1572,5		9,2	42
		1716		9,4	37	2					1635		9,1	41
		1763,5		9,3	36	3 4 5					1694,5		9	38
		1855		9,2	34						1835		9	36
		2588		7,75	19						2860		7,75	17
Charge totale								N° essai (gradua- tion vanne)		*Charge partielle*
Date	vitesse [tr/mi n]		G [kg]		O [sec]		T ech [°C]			Date		vitesse [tr/mi n]			G [kg]	O [sec]	T ech [°C]
13/02/2018	1659		9,5		36			1 2 3 4 5		13/02/2018		1613			9,3	38
	1684		9,4		35							1667			9,2	37
	1755		9,2		34,5							1794			9	36
	1923		8,8		31,5							2005			9	31
	2695		8		19							2988			7	16
20/02/2018	2837		5		14,5			1 2 3 4 5		20/02/2018		2939			6	17,02
	2876		5		14,8		340					2955			6	16,92	325
	2905		5		14,6							2968			6	16,67	320
	2894		5		14,8		335					3020			6	16,39
	2915		3,5		14,6							3137			4,25	14,74
26/02/2018	1661		10,3		33,8			1 2 3 4 5		26/02/2018		1610			10	35,76
	1650		10,5		30,3							1609			10	35,21
	1655		10,5		32,95							3065			6,5	16,11
	2925		6		15,6							3020			6,5	16,23
												3120			4,75	14,46

Annexe 5: Résultats des essais classifier selon le type de combustible et le jour de l'essai

Tableau A-3 Résultats des essais avec l'essence (E0) Tableau A-4 Résultats des essais avec le E10

Annexe 6: Tableaux comparatifs des différents combustibles par rapport à l'essence

Tableau A-6 Comparaison entre mélange essence/bioéthanol (E10 et E15) et essence pur à la pleine charge

Carburant	N° essai	ÄVitesse	ÄCouple	ÄPuissance	ÄDébit Cble	ÄCs	Äç
E10	1	-1%	2,2%	1,5%	-4,6%	-6,0%	6,54%
	2	-0,3%	3,9%	3,5%	-4,9%	-8,2%	9,1%
	3	1%	2,2%	3,1%	-2,0%	-5,0%	5,4%
	4	5%	-1,9%	2,9%	-0,6%	-3,4%	3,7%
	5	16%	0,0%	15,7%	17,0%	1,1%	-0,9%
	Moyenne	4%	1,3%	5%	1,0%	-4%	5%
E15	1	1%	4,8%	5,8%	-7,3%	-12,4%	14,28%
	2	2%	4,4%	6,1%	-12,7%	-17,7%	21,7%
	3	1%	3,3%	4,7%	-10,3%	-14,3%	16,9%
	4	1%	2,2%	3,3%	-8,0%	-11,0%	12,5%
	5	11%	-3,1%	7,6%	16,9%	8,6%	-7,8%
	Moyenne	3,2%	2,3%	6%	-4%	-9%	12%

Tableau A-7 Comparaison entre mélange essence/bioéthanol (E10 et E15) et essence pur à la charge partielle

Carburant	N° essai	ÄVitesse	ÄCouple	ÄPuissance	ÄDébit Cble	ÄCs	Äç
E10	1	-3%	-1,1%	-4,1%	-7,0%	-3,0%	3,27%
	2	-2%	2,2%	0,3%	-7,2%	-7,5%	8,2%
	3	2%	0,0%	1,8%	-7,4%	-9,0%	10,1%
	4	9%	-2,2%	6,4%	4,3%	-2,0%	2,2%
	5	19%	0,0%	18,9%	10,5%	-7,1%	7,8%
	Moyenne	5%	-0,2%	5%	-1%	-6%	6%
E15	1	-5%	-4,8%	-9,3%	-15,9%	-7,3%	8,05%
	2	-4%	-1,1%	-4,8%	-16,3%	-12,1%	13,9%
	3	-4%	-1,7%	-5,5%	-12,4%	-7,3%	8,0%
	4	0%	-3,4%	-3,8%	-10,3%	-6,8%	7,4%
	5	14%	0,0%	13,8%	3,9%	-8,7%	9,7%
	Moyenne	0,2%	-2,2%	-2%	-10%	-8%	9%