Energy and Exergy Analysis of Agricultural Renewable Oxygenates into Diesel Fuel
Cette étude expérimentale démontre que l'ajout d'un mélange de 15 % d'éthanol et de 2,5 % d'éther diéthylique au diesel améliore significativement les performances de combustion, d'énergie et d'exergie d'un moteur diesel monocylindre par rapport au diesel pur et aux autres mélanges testés.
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Le moteur à combustion interne, plus précisément la variété diesel, est depuis longtemps le bourreau de travail de l'agriculture, de la construction et du transport lourd. C'est une machine construite sur le principe de comprimer l'air jusqu'à ce qu'il devienne assez chaud pour enflammer le carburant, un processus qui convertit l'énergie chimique en la force mécanique nécessaire pour faire tourner une roue ou faire tourner un générateur. Bien que ces moteurs soient efficaces, ils ne sont pas parfaits. Une partie importante de l'énergie stockée dans le carburant est perdue sous forme de chaleur ou gaspillée par l'échappement, et le processus de combustion crée des inefficacités inévitables appelées irréversibilités. Pour rendre ces moteurs plus propres et plus efficaces, les chercheurs se tournent souvent vers des carburants alternatifs, particulièrement ceux dérivés de plantes. Ces carburants renouvelables, souvent appelés oxygénés, contiennent de l'oxygène dans leur structure chimique, ce qui aide le carburant à brûler plus complètement. Cependant, mélanger simplement un carburant à base de plantes avec du diesel n'est pas une solution simple ; le nouveau mélange doit se comporter correctement à l'intérieur des cylindres du moteur, sinon cela peut entraîner une baisse de performance.
Dans une étude récente, un chercheur de l'université de Gümüşhane en Turquie a entrepris de tester la capacité d'une combinaison spécifique de carburants renouvelables à fonctionner dans un moteur diesel agricole standard. L'objectif était de voir si l'ajout d'éthanol, un alcool courant fabriqué à partir de cultures, et de diéthyl éther, un liquide volatil également dérivé de sources agricoles, pourrait améliorer les performances du moteur sans causer de dommages. L'étude s'est concentrée sur un moteur monocylindre, le type que l'on trouve couramment dans les pompes à eau et les petits générateurs utilisés dans les fermes. Le chercheur a testé le carburant diesel pur ainsi que trois mélanges différents : un avec 15 % d'éthanol, et deux autres ajoutant de petites quantités de diéthyl éther à ce mélange d'éthanol. En faisant fonctionner le moteur à une vitesse constante sous diverses charges, l'étude a mesuré non seulement la puissance produite par le moteur, mais aussi la quantité d'énergie gaspillée et la quantité perdue selon les lois de la thermodynamique.
Les expériences ont révélé que l'ajout de ces carburants à base de plantes modifiait la manière dont le moteur brûlait le carburant. Lorsque l'éthanol était ajouté seul, le moteur mettait légèrement plus de temps à démarrer le processus de combustion car l'éthanol refroidit l'air à l'intérieur du cylindre lorsqu'il passe de l'état liquide à l'état gazeux. Ce retard signifiait qu'une fois que le carburant finissait par s'enflammer, il brûlait très rapidement et avec une hausse brusque de la pression. Cependant, lorsque le diéthyl éther était ajouté au mélange, il agissait comme un contrepoids. Le diéthyl éther est hautement inflammable et s'enflamme facilement, ce qui aidait le moteur à démarrer le processus de combustion plus en douceur. Le résultat était un événement de combustion plus contrôlé. L'étude a révélé que le mélange contenant 15 % d'éthanol et 2,5 % de diéthyl éther offrait la meilleure performance globale. Ce mélange spécifique permettait au moteur de convertir une plus grande partie de l'énergie du carburant en travail utile, tel que la rotation d'un arbre, tout en réduisant la quantité d'énergie perdue sous forme de chaleur résiduelle ou par le tuyau d'échappement.
Au-delà de la simple mesure de la puissance, le chercheur a analysé l'« exergie » du système, un concept qui examine la qualité de l'énergie et la quantité qui est réellement disponible pour effectuer un travail par rapport à la quantité qui est détruite par les imperfections du processus de combustion. Les résultats ont montré que les mélanges renouvelables réduisaient la quantité d'énergie détruite lors de la combustion. En termes pratiques, cela signifie que le moteur fonctionnait avec moins d'inefficacités internes. Le mélange avec 15 % d'éthanol et 2,5 % de diéthyl éther a amélioré l'efficacité exergétique du moteur de l'ordre de 2,45 % à 3,87 % par rapport au diesel standard, selon la charge de travail du moteur. Il a également augmenté une mesure appelée indice de durabilité, qui indique la capacité du moteur à utiliser ses ressources en carburant, de près de 6,9 %. Ces améliorations suggèrent que le moteur fonctionnait plus près de son idéal théorique, gaspillant moins d'énergie et produisant plus de puissance avec la même quantité de carburant.
L'étude a également examiné la consommation de carburant et les facteurs liés aux émissions. Les mélanges ont généralement conduit à une réduction de la quantité de carburant nécessaire pour produire une quantité spécifique de puissance, une métrique connue sous le nom de consommation spécifique de carburant au frein. Cette amélioration est attribuée à la présence d'oxygène dans l'éthanol et le diéthyl éther, qui aide le carburant à brûler plus complètement. Bien que le moteur ait connu certains changements de pression et de température dans le cylindre, les variations étaient faibles et n'ont pas affecté négativement le fonctionnement du moteur. La recherche a conclu que, bien qu'aucun mélange de carburant ne soit parfait pour toutes les situations, la combinaison d'éthanol et d'une petite quantité de diéthyl éther offre une voie viable vers des machines agricoles plus durables. Les conclusions suggèrent qu'en ajustant soigneusement le ratio de ces additifs renouvelables, les agriculteurs pourraient potentiellement utiliser des moteurs qui sont à la fois plus efficaces et moins dépendants des combustibles fossiles, le tout sans nécessiter une refonte complète du matériel qu'ils possèdent déjà.
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