Le Pouvoir Calorifique Volumique représente par définition la quantité d'énergie dégagée par unité de volume du carburant lors de sa combustion complète, conduisant à la formation de CO2 et H2O. 

Les mesures seront effectuées ici avec du carburant liquide, à une température de référence de 20°C pour tous les constituants et réactifs considérés.

On distingue le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) et Inférieur (PCI)  selon que l'eau résultante de la combustion est respectivement liquide ou gazeuse. Pour notre objectif, la valeur utile est le PCI, car un moteur ne rejette dans ses gaz d'échappement que de la vapeur d'eau, et non de l'eau liquide.

Le PCI du méthanol  est donné à 19937 kJ/kg, soit 4,77 cal/g,  le PCI de la moyenne des produits pétroliers se situe à 42000 kJ/kg, (10,35 cal/g) soit 2,13 fois plus !.

La perspective de doper ainsi le carburant permet de réduire dans une même proportion la consommation, ce qui nous ouvre des perspectives inexplorées et très prometteuses.

Plusieurs dérivés pétroliers seront essayés pour en retenir certains au PCI élevé, et testés au mode de fonctionnement compatible avec le type de moteur et d'allumage retenu.

Les moteurs deux ou quatre temps de modélisme fonctionnent selon deux principes très distincts : L'allumage de type Diesel ou bougie. 

En pratique, les plus répandus sont à bougie, et dans ce type, la majorité est a bougie dite a filament, le reste étant à bougie à étincelle. Ce système identique aux motorisations automobiles classiques n'est viable que pour des "grosses cylindrées" de 10 CC ou plus, car il est assez lourd et gourmand en énergie (allumage électronique et batterie embarquée). 

Dans notre approche, c'est le moteur à bougie à filament dit "glow plug" qui est retenu pour sa simplicité, son poids, sa fiabilité, et sa disponibilité  en terme de variété de l'offre commerciale .

L'explosion du mélange de méthanol carburé se produit grâce à notre "chère" bougie. Son prix s'explique car le filament qui en constitue  le cœur est en platine, et son diamètre croit avec l'indice de "froideur" de celle ci.  Le platine est incontournable ici, car la réaction est une oxydation par catalyse entre le méthanol et le platine (à chaud). Le préchauffage du filament permet seulement d'amorcer la réaction, qui ne peut se produire de façon correcte qu'au dessus de 300°C.

Une bougie grillée dont j'ai remplacé le filament par un nouveau, identique en diamètre mais en acier inoxydable ne permet même pas de produire une seule explosion avec un moteur alimenté au méthanol + 15% huile, quelle que soit la durée de préchauffage ou son intensité. 

Avec un mélange d'essence voiture 98 + 15% huile, le moteur tousse puis démarre chaque fois.

Le moteur choisi doit pouvoir fonctionner au moins pendant sept heures en pleine charge sans risquer une surchauffe ou une usure excessive. La lubrification est cruciale, et le fabricant de notre moteur OS 40 Surpass préconise 15% d'huile de synthèse. 

Cette huile doit avoir des caractéristiques particulières : miscibilité parfaite au méthanol, aux dérivés pétroliers et stabilité en température et en mélange avec des solvants forts (toluène...etc) 

J'ai essayé d'ajouter de l'huile de ricin, ou de la Castrol-M, sans noter autre chose que l'accumulation croissante de calamine supplémentaire sur le haut moteur et les soupapes. 

Il est à noter que notre moteur est monté incliné à 35°, et une soupape sera en permanence moins lubrifiée que l'autre. Des mesures comparatives de friction globale du moteur prises sur son vilebrequin sont réalisées avec les trois types de lubrifiants, avec un net avantage pour l'huile Micro Motul.

Un certain additif  de lubrification destiné aux huiles voitures  réduit  la formation de dépôts noirs et diminue les frottements aussi bien à chaud qu'a froid. Sa présence dans l'huile de synthèse Micro Motul  à une concentration de 5% améliore les performances globales et abaisse notablement la température de fonctionnement. De plus il améliore la miscibilité des mélanges et abaisse le niveau de fumée d'échappement.

De l'huile de silicone légère spéciale utilisée pour lubrifier des matériels médicaux autoclavables (300°C) à montré des propriétés tout aussi intéressantes, mais le coût et la disponibilité me les ont faites écarter de la formule actuelle.

Un nouveau type de lubrifiant très prometteur est actuellement en cours de test, avec un pouvoir lubrifiant au moins 10 fois supérieur aux meilleures huiles actuelles.  A suivre!

Le PCI du nitrométhane est de 10513 kJ/kg, soit 2,51 cal/g, il est donc Très peu énergétique par rapport au autres carburants envisagée. 

D'ou vient donc sa puissance ? 

Pour nos moteurs modélisme, la puissance contenue dans le mélange carburé est proportionnelle au rapport PCI / r (volume d'air/volume carburant) ou rapport stœchiométrique.

Pour le méthanol,  PCI / r =19937 / 6,46 = 3086. 

Pour le nitrométhane, PCI / r = 10513 / 1,69 = 6221 soit plus du double!.

En théorie, un moteur tournant avec 100 % de nitrométhane doublerai sa puissance, car il disposerait de deux fois plus d'énergie à chaque aspiration de mélange carburé. Mais, car il y a un mais, la consommation sera multipliée par deux fois la différence de PCI soit ici QUATRE FOIS PLUS! (son PCI est environ 0.52 celui du méthanol )

Plus raisonnablement, on peut envisager des concentrations plus faibles de nitrométhane dans les carburants "standards" : 10% de nitrométhane augmente la puissance moteur disponible d'environ 10%, en augmentant la consommation  de 40% au minimum.

On comprendra facilement que la formulation d'un carburant pour record de durée se passe de nitrométhane....

Mais le nitrométhane reste particulièrement intéressant pour sa propriété d'avancer le point d'allumage et surtout améliorer la combustion.  

Le terme est certes un abus de langage, car nous fonctionnons avec un "glow plug" sans rupteur, mais il résume bien l'instant d'ignition. 

La difficulté la plus importante est en effet de maitriser correctement le point d'ignition du mélange carburé, en optimisant le point d'avance à l'allumage pour obtenir une explosion "douce et complète".

les premiers essais montrent une surchauffe moteur inquiétante, et un bruit de cliquetis  assez peu encourageant.... 

Jusqu'a présent, seul le changement de la bougie permettait de modifier le comportement d'un moteur, et tenter de le faire chauffer le moins possible.

Les carburants essences voiture utilisaient il y a encore peu de temps des dérivés de plomb pour leurs propriétés anti-déflagrantes et lubrifiantes. Cette "essence plombée" améliorait sensiblement le rendement moteur, en permettant un taux de compression plus élevé avant auto-ignition , mais polluait trop! 

Un certain additif substitut de plomb (sodium) du commerce destiné aux voitures de collections fonctionnant exclusivement à l'éssence plombée, montre des propriétés retardantes remarquables. Un certain dosage abaisse énormément la température de fonctionnement et annule le cliquetis.  La puissance moteur augmente alors nettement.

D'autre part, le nitrométhane est particulièrement intéressant pour sa propriété d'avancer le point d'allumage et surtout d'améliorer la combustion.  Des doses de 2 à 5/1000éme sont suffisantes pour modifier nettement le point d'avance sans effet négatif trop marqué sur la consommation.

La combinaison Bougie/Additif sodium/Nitrométhane permet de trouver le compromis le plus éfficace pour une combustion la plus complète et la moins chaude possible  pour n'importe quel type de carburant. 

Cette souplesse nous permet de progrèsser encore maintenant dans nos recherches, et par exemple de spécifier un carburant adapté pour un type de bougie donnée .

Chimie ou Alchimie ?

Le point délicat du mélange méthanol+huile avec les dérivés pétrolier est la stabilité du mélange en fonction de la température et les variations de pression et d'humidité.  

Une RIGUEUR absolue est indispensable pour obtenir des résultats interprétables et permettant de progresser. La propreté et la neutralité des récipients est a rechercher absolument. Le verre des bechers de chimie s'avère être le matériau le plus pratique d'emploi au vu des quantités produites. Pour les dosages très fins, les seringues de 1 ml micrograduées en pyrex sont obligatoires, car les composants dissolvent ou attaquent les corps de pompes en plastiques!

La modification de l'ordre de l'adjonction des différents composants, ainsi que l'humidité de l'air ambiant peut faire échouer un mélange que l'on sait stable et déjà réussi plusieurs fois.  

La pureté des composants est primordiale, et malheureusement le méthanol est  avide d'eau et se pollue très facilement.

De nombreux mélanges prometteurs se sont ainsi décomposés au bout de peu de temps sans explications très claires..

La miscibilité du méthanol avec les dérivés pétroliers n'est pas possible en toutes proportions, et les limites de miscibilité varient avec la pureté et la teneur en eau du méthanol utilisé.

L'achat des composants sensibles auprès d'un labo de chimie permet de connaitre et de choisir précisément la concentration et le degrès de pureté ainsi que les précautions spécifiques de stockage. (penser à éviter le port de la barbe et un fort bronzage lors de l'achat de produits explosifs, sous peine de soupçons peu agréable...)

L'ajout d'un agent tensioactif à permis de résoudre les divers risques de "mayonnaises" ou stratification des composés. 

Ce produit tensioactif miraculeux n'est rien d'autre qu'un certain liquide vaisselle à très faible concentration dans le mélange final : 0,002%.

De plus des composés comme le toluène ou le benzène sont toxiques, et peuvent devenir explosifs en présence de dérivés nitrés (vous connaissez  le TNT : trinitrotoluène...)

Pour réaliser un record de durée, la priorité est d'abord de...durer! donc soyez prudents si vous expérimentez , faites le avec des personnes ayant des connaissances en chimie, et ne respirez pas les vapeurs produites (surtout avant de voler!).

Le carburant retenu est un mélange composé entre autre de méthanol, de pentane, d'acétone, d'octane, de benzene, d'huile Micro Motul, d'additif lubrifiant ...etc... et de liquide vaisselle. et surtout de patience et de passion !

Par rapport aux meilleurs carburants du commerce dosés à 10% de nitrométhane, nous avons un gain net mesuré de 77% en durée de vol. Les moteurs d'essai sont toujours en parfait état de fonctionnement, et le coût de production au litre  reste très raisonnable . 

Pourquoi des recherches semblables visant à l’amélioration des carburants modéliste n’ont pas déjà vu le jour ?

Il semble que le débouché commercial réduit, et l’habitude de reproduire les formulations passées éprouvées et surtout réputées fiables ont paralysé les  tentatives d’amélioration.

Le méthanol est un des nombreux sous-produit de l’industrie chimique, et coûte peu cher, l’huile utilisée dans les carburants est sur le marché depuis plus de 19 ans et vaut moins au litre que la moins chère des huiles voiture.

Le prix élevé au litre du carburant modélisme le moins cher (Moyenne 8,5 € /L) est un grand mystère….très commercial.

De plus, un carburant faiblement titré en PCI est plus rapidement consommé par nos modèles, et donc bien plus vendu…CQFD.

Les expérimentations sont à poursuivre :

-Avec les dérivés pétroliers gazeux à fort PCI,  comme le butane (PCI 45750) ou le Gaz de Pétrole Liquéfié, et un manodétenteur  permettant de le récupérer gazeux  à basse pression sans risque de gel sera à développer.

-Avec la nouvelle génération des huiles synthétiques pour matériel de parc et jardin qui offrent des propriétés lubrifiantes étonnantes (dosage Maximum 1% !!!)  dans le courant de l'année prochaine...

A suivre...

Jacques Boyer

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