Risque important d’entropie ou de désordre mécanique interne moteur :
Cas fréquents : Le « point chaud » anormal, dans un moteur thermique à essence à combustion interne, se réfère à une zone locale de température excessive, souvent causée par une combustion instable, ou une surchauffe du moteur, ou une défaillance du système de refroidissement, ou un déséquilibre du rapport stœchiométrique, hors contrôle par l’ECU (calculateur de gestion moteur) et ses asservissements (sondes lambda), pouvant entraîner des dommages structurels irréversibles, comme la fusion d’un ou plusieurs pistons et/ou soupapes.
Ce phénomène/désordre peut survenir lorsque la température dans une chambre de combustion dépasse les limites que les matériaux utilisés peuvent supporter, notamment lors d’un auto-allumage du carburant (détonation) ou d’une combustion anormale, ce qui peut provoquer une augmentation rapide et localisée de la température pouvant s’élever entre 1500°C et 2000°C.
Lorsque cette surchauffe locale est suffisante, elle entraîne la fusion d’un piston (ou parfois de soupapes) constitué d’un alliage d’aluminium conçu pour résister à des températures élevées mais pas à des excès thermiques prolongés anormaux de la sorte.
L’effet thermodynamique entropique associé à un tel point chaud anormal relève est lié à une déviation significative du cycle idéal d’Otto, qui normalement suppose des processus réversibles comme la compression et la détente isentropiques, ainsi qu’une combustion à volume constant.
En réalité, la présence d’un point chaud anormal indique une combustion déséquilibrée et non contrôlée, souvent liée à des conditions de fonctionnement extrêmes et ou anormales, comme un taux de compression trop élevé ou une avance à l’allumage excessive ou un mélange stœchiométrique déséquilibré (par insuffisance de régulation ou d’asservissement des sondes Lambda), ce qui peut provoquer une combustion rapide et instable.
Un ratio anormal de combustion, (amplitudes lambda limité qui est en temps normal de 25 à 30 % pour un moteur à essence),augmente la pression et la température de manière exponentielle, déclenchant un point chaud fatal, dépassant les limites thermiques admissibles du système, surtout lors des régimes élevés du moteur, déséquilibrant ainsi l’efficacité des échanges thermiques du moteur,..
En outre, une partie importante de l’énergie (environ 70 à 75 %) est perdue sous forme de chaleur non convertie en travail utile, et dans le cas d’un point chaud anormal, cette chaleur est concentrée de manière déséquilibrée en un point excessivement chaud dans une zone précise, avec l’augmentation de façon exponentielle le risque de défaillance mécanique localisé.
La fusion d’un piston, et pas les autres, résulte d’une accumulation localisée de chaleur qui dépasse la température de fusion des matériaux utilisés, comme l’aluminium ou des alliages dérivés spécifiques, est souvent le résultat d’une combinaison de facteurs thermodynamiques et mécaniques inertiels (comme un régime moteur élevé associé à un déséquilibre stœchiométrique), notamment : par une mauvaise dissipation de chaleur associée liée à une surcharge du moteur, ou une défaillance du système de refroidissement.
Ce phénomène entropique (désordre physicochimique) compromet profondément le cycle thermodynamique d’OTTO et le cycle de CARNOT, en altérant fortement les conditions thermodynamiques de fonctionnement normal des compressions et des détentes des éléments mobiles dans une ou plusieurs chambres de combustion, pouvant rendre le moteur inopérant et nécessitant le remplacement de ce dernier.
Quelques rappels théoriques et précisions physicochimiques fondamentales :
Le pouvoir calorifique du super sans plomb (SP95) est de 43MJ/kg, avec une densité de 737g/litre, tandis que l’Ethanol (Bio carburant E85) a un pouvoir calorifique de 27MJ/kg avec une densité de 780g/litre.
Autrement dit, avec un faible différentiel de densité, le E85 est moins calorifique de l’ordre de 37% face à l’essence SP.
La chaleur latente de vaporisation pour le SP95 est de 420 kJ/kg, tandis que l’E85 se situe à 845 kJ/kg, ce qui signifie que la combustion du E85 contribue à hauteur de 2,5 fois plus au refroidissement du moteur que le SP95.
Dans le cadre d’une carburation déséquilibrée, notablement en stœchiométrique, ce qui est dangereux ce n’est pas seulement une carburation trop pauvre ou trop riche, mais c’est aussi d’avoir simultanément une température de combustion anormalement élevée telle qu’elle détruit piston(s) et soupapes.
Cette situation arrive si un moteur essence, fonctionnant au SP, est pauvre en carburation, qui fait monter la pression et la température dans la chambre de combustion (P.V=n.R.T), provoquant ainsi du cliquetis ou auto-inflammation du mélange pauvre, générant des destructions par perçages de piston et/ou fusion de soupapes, surtout à hauts régimes moteur.
Pour l’E85, c’est le contraire, à grands traits, les conditions thermodynamiques sont inversées.
Autrement dit, les valeurs moyennes des rapports stœchiométriques respectifs (carburant/comburant en poids relatif) sont pour :
- le Super sans Plomb (SP) est de : 1/15 (1 gramme d’essence pour 15 gr d’air) ;
- L’éthanol (E85) est de : 1/10. (1 gr d’E85 pour 10 gr d’air).
En d’autres termes, le fonctionnement à l’éthanol ou E85 nécessite d’augmenter significativement, de l’ordre de 30 à 40% en poids de carburant E85 injecté, par rapport à l’essence sans plomb (en référence aux pouvoirs calorifiques respectifs très différents), qui nécessite un recalibrage ou correction des quantités ou ratio stœchiométrique d’injection pour l’E85 par rapport aux données initiales constructeur programmées pour le SP, dans l’ECU.
Dans le cas de l’E85, il y a 3 effets thermodynamiques importants, pouvant être considérés comme positifs :
- moindre chaleur de combustion en MJ/kg en rapport de masse ; (mégajoules/kilogrammes)
- un refroidissement très supérieur lié à la chaleur latente de vaporisation en kJ/kg, 2,5 fois supérieure à l’essence sans plomb ; (en kilojoules/kilogrammes)
- un taux d’indice d’octane plus élevé pour l’E85 par rapport au SP, qui retarde d’autant plus la potentielle survenance de cliquetis (autoallumage destructeur à haut régime).
Remarque : un mélange pauvre en E85 génèrera un inconfort de conduite certain lié à de nombreux à-coups en fonctionnement, et si plus pauvre que le rapport stœchiométrique nécessaire cela ne devrait pas conduire à des dégâts mécaniques internes au moteur (sauf pour les catalyseurs qui ne peuvent plus se régénérer automatiquement du fait d’une température des gaz d’échappement EGT qui sera insuffisante), et l’air entrant en excès abaisse significativement la température de combustion avec un refroidissement simultané des gaz d’échappement.
C’est bien pour cela qu’il est très souvent nécessaire, lors d’un passage à l’E85, de prévoir une reprogrammation du calculateur (ECU) de gestion d’injection du carburant dans le moteur (avec asservissements Lambda), ou l’ajout d’un boitier leurre de type « FlexFuel », quand ce n’est pas prévu d’origine par le constructeur.
Enfin, dans le cas contraire, c’est-à-dire avec un mélange (stœchiométrique) trop riche pour l’E85, des problèmes mécaniques internes au moteur peuvent apparaître surtout sur des régimes moteur élevés et lorsqu’ils sont maintenus pendant une longue période ou durée.
En effet, dans ces conditions de fonctionnement trop riche à haut régime prolongé, la température de combustion est maximale et peut dépasser la température acceptable par les organes internes au moteur.
Les risques de survenance de cliquetis pour le E85 sont réduits du fait d’un indice d’octane plus élevé que pour le SP, qui ne prévient donc pas de l’élévation anormale de la température des gaz d’échappement dans la chambre de combustion d’un ou plusieurs cylindres.
Associé à un régime moteur soutenu (supérieur à 3500 tr/min) pendant une durée soutenue, des dommages irrémédiables sont souvent causés aux pistons et / ou aux soupapes d’un cylindre, surtout si l’enrichissement en E85 atteint et dépasse les 50%.
Cas fréquemment observés :
Ce phénomène entropique, par point chaud localisé dans une chambre de combustion, peut aussi être causé par une consommation excessive d’huile moteur, enrichissant anormalement le rapport stœchiométrique de l’E85, jusqu’à la fusion d’un piston et ou de soupapes surtout à régime moteur élevé et maintenu (autoroute).
De nombreux constructeurs automobiles sont concernés et le constatent de façon récurrente dans leurs réseaux SAV depuis de très nombreuses années… et qui le déconseillent …
En conséquence, pour un moteur à essence, avant tout passage du SP à l’éthanol E85, il est nécessaire et indispensable de s’assurer de l’absence d’une consommation anormale d’huile moteur (segmentation/chemise), surtout pour des véhicules âgés avec un kilométrage important.
Il faut savoir aussi que l’éthanol E85 possède un pouvoir détergent bien supérieur au super sans plomb, nécessitant alors des fréquences de vidanges d’huile moteur bien plus rapprochées que les préconisations du constructeur pour le SP…
Rappel, lors des démarrages moteur à froid, le carburant se condense sur les parois des chemises pour descendre (dans les phases de compressions via la segmentation des pistons) dans le carter inférieur moteur, diluant et altérant d’autant les caractéristiques intrinsèques de la lubrification interne au moteur, avec accélération de l’usure interne et consommations anormales d’huile.
D’où, la nécessité avec l’E85 de réduire significativement les intervalles de vidange (de moitié environ) avec remplacements systématiques : du filtre à huile et du filtre à carburant …
Enfin, sur des moteurs âgés et/ou présentant un important kilométrage, il est fortement déconseillé de modifier les paramètres techniques d’origine constructeur (comme la puissance moteur revue à la hausse), tels que les « stages xx » sous l’E85, modifiant significativement la puissance et la charge au moteur, en raison des entropies physicochimiques et structurelles ci-dessus développées, qui ne feront qu’accélérer la survenance d’une avarie interne moteur, surtout à régime élevé et soutenu…
Article rédigé par Philippe AUDRAS.