Dopage à l'eau, l'histoire

Introduction, propos d'Alain St-Yves

J’ai été introduit à cette question du « dopage à l’eau » des moteurs à combustion en 2007 via les courriels de PierreLanglois, physicien, auteur et conférencier. À ce moment, la réponse des agriculteurs européens face à ce concept était telle qu’on était confiant que l’industrie automobile allait suivre cette direction. Mais non, en 2012, on constate que nos véhicules ne sont toujours pas munis d’un petit réservoir d’eau. Après tout, comment pourrait-on emplir un contenant d’un litre d’eau alors qu’il n’y a que du carburant à la pompe! 

Alors, on continue de faire le plein de carburant… parce que on l'a toujours fait!

C’est avec la courtoisie des Éditions MultiMondes que nous sommes autorisé à publier sur cette page des extraits du livre « Rouler sans pétrole » qui porte sur le « Dopage à l’eau des moteurs ».

4.25 – Le dopage à l’eau des carburants

Le dopage à l’eau des moteurs thermiques est plus ancien que le dopage à l’hydrogène. En fait, il remonte à la fin du 19e siècle et servait principalement à contrôler la combustion dans les moteurs à fort taux de compression, en éliminant les allumages intempestifs responsables des cognements. On injectait directement une petite quantité d’eau dans les cylindres, conjointement avec du carburant.

Le premier motoriste à avoir fait une étude détaillée des performances d’un moteur en fonction des paramètres de dopage de l’eau semble avoir été Pierre Clerget. Cet ingénieur français a construit, en 1901, un moteur expérimental à triple injection (possibilité de trois liquides différents). Gérard Hartmann a publié un livre étoffé, en 2004, pour mieux nous faire connaître cet homme de génie et ses travaux-1-. Cet auteur a également mis à la disposition de tous de l’information historique sur les moteurs au site Internet www.hydroretro.net. Vous y trouverez, entre autres, un article très intéressant sur « Le moteur à eau », daté du 9 octobre 2006, en format pdf. On y apprend que, dès 1901, grâce à l’injection d’eau, Clerget pouvait doubler la puissance d’un moteur diesel, diminuer la fumée émise et adoucir le régime du moteur. Mais les moteurs diesel n’étaient qu’une curiosité de laboratoire à cette époque et il faudra attendre la fin des années 1920 avant que leur perfectionnement en fasse des moteurs usuels.

Il faut savoir que, lorsqu’un moteur thermique tourne à haut régime et fonctionne à haute puissance, la température maximale dans les chambres de combustion peut atteindre 2200 °C. Or, une telle température induit souvent des explosions très violentes du carburant au mauvais moment dans le cycle du moteur, ce qui peut le détruire. C’est le phénomène de la détonation, que l’on peut contrôler grâce à l’injection d’eau dans les moteurs, laquelle abaisse sa température et augmente la résistance à la détonation du carburant. On peut ainsi faire travailler un moteur à haute puissance sans risquer de le détruire.

Ces connaissances, qu’on avait élaborées dans les premières décennies du 20e siècle, ont été utilisées à la Deuxième Guerre mondiale pour augmenter la puissance des moteurs d’avion, afin, entre autres, de pouvoir décoller sur de courtes distances. Par exemple, l’avion F4U Corsair, avait un moteur de 1850 hp au début, qui est passé à 2450 hp lorsqu’on l’a équipé d’un système d’injection d’eau vers la fin de la guerre-2-. L’injection d’eau a également été utilisée dans les moteurs des voitures de course F1, dans les années 1980, toujours pour augmenter la puissance des moteurs. Ces systèmes ont ensuite été interdits pour éviter une trop grande escalade dans la puissance des moteurs.

Mais, l’augmentation de puissance des moteurs n’est pas la seule vertu du dopage à l’eau. La diminution des fumées crachées par les moteurs diesel ainsi que la diminution des autres émissions polluantes sont d’autres conséquences de plus en plus recherchées. En fait, en 2008 en Europe, plus de 10 000 autobus utilisent des carburants diesel dopés avec 10 % à 15 % d’eau sous forme de microscopiques gouttelettes dont le diamètre est inférieur à un micron. Un agent émulsifiant est également ajouté, afin de stabiliser l’émulsion pour qu’elle puisse être stockée pendant quatre mois tout en gardant ses propriétés. Les carburants diesel émulsifiés à l’eau ont l’avantage de pouvoir faire bénéficier d’un dopage à l’eau aux véhicules qui les utilisent, sans qu’on ait à modifier les moteurs.

La pétrolière BP, par exemple, a mis sur le marché son carburant diesel émulsifié Aspira, qui comporte 13 % d’eau. Ce carburant a été testé par une importante compagnie de transport en commun londonienne qui l’a utilisé dans six de ses autobus urbains pendant une année. Les résultats ont été publiés dans la revueFrontiers du mois d’août 2002 (une revue d’information de la compagnie BP). Les fumées noires ont été réduites de 65 %, les oxydes d’azote de 15 %, et le CO2de 12 %. Pour ce qui est de la consommation de carburant, on pourrait s’attendre à ce que la présence de 13 % d’eau dans chaque litre d’Aspira augmente la consommation pour compenser la plus faible teneur en carburant diesel qu’on y retrouve. Mais, à ce sujet, voici un extrait de l’article paru dans la revueFrontiers:

Tests with London buses have shown no fuel consumption différences at all. This is due to the improve combustion process.

Les essais avec les autobus de Londres n’ont montré absolument aucune différence dans la consommation de carburant. Ceci est dû à l’amélioration du processus de combustion. (Traduction libre de l’auteur)

Par conséquent, les tests sur les autobus londoniens démontrent bien qu’il y a eu une diminution de la consommation de carburant diesel de 13 % environ, ce qui se reflète dans la diminution de 12 % des émissions de CO2. Toutefois, BP souligne également dans l’article, qu’ils ont utilisé un nouveau lubrifiant en même temps que le carburant émulsifié Aspira et que ce lubrifiant a contribué à une diminution de la consommation pouvant aller jusqu’à 5 % dans des autobus qui utilisaient du carburant diesel traditionnel. On peut donc en conclure que la contribution de l’eau à la diminution de consommation de carburant diesel des autobus londoniens est de l’ordre de 8 %.

Plus récemment, en 2006, le professeur Tajima de l’Université de Kanagawa, au Japon, a mis au point un procédé qui permet de faire une émulsion stable de 30% d’eau et 70 % de carburant diesel. Son équipe a testé leur carburant SEF (Super Emulsion Fuel) avec un camion à ordure de 30 tonnes. Ils ont ainsi pu vérifier une diminution de plus de 95 % des particules de suie (voir la figure 4.25), une diminution de 70 % à 80 % des oxydes d’azote, et une réduction de 10% à 15% de la consommation de carburant-3-. À la simple vue des filtres à particules dans la figure, on peut en déduire qu’il doit nécessairement y avoir une réduction de la consommation de carburant, car les particules de carbone non brûlées correspondent à deux termes de perte d’énergie: l’énergie chimique non utilisée et la chaleur perdue dans ces particules qui sortent incandescentes du moteur.

Une autre piste intéressante pour tenter de comprendre les systèmes de dopage à la vapeur des moteurs diesel est l’inertie thermique élevée des molécules d’eau qui empêche les changements brusques de température. Ainsi, le fait d’introduire de la vapeur d’eau dans les cylindres va diminuer la température maximale de la combustion mais également empêcher un refroidissement trop brusque des gaz lorsque le volume de la chambre de combustion s’agrandit subitement après l’explosion. Ces conséquences ont été vérifiées expérimentalement par Pierre Clerget, le célèbre motoriste français du début du 20e siècle-8-

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Ce qui permet à la vapeur d’eau de se comporter ainsi, c’est sa capacité de stocker beaucoup d’énergie sous forme de rotation et de vibration de ses molécules. En effet, la température d’un gaz est en fait une mesure de la vitesse de déplacement des molécules qui le composent (vitesse de translation). Ainsi, les molécules de carburant, qui ne peuvent stocker autant d’énergie sous forme de rotation et de vibration, vont nécessairement augmenter davantage leur vitesse avec l’énergie qu’on leur transfère et donc s’échauffer plus que les molécules d’eau. Si on mélange de la vapeur d’eau avec du carburant, une partie de l’énergie donnée aux molécules de carburant est transférée aux molécules d’eau qui vont en stocker une partie en rotation et vibration, entraînant une élévation moins grande de la température.

D’un autre côté, lorsqu’on veut diminuer la vitesse de translation des molécules d’eau (refroidissement), leur énergie stockée sous forme de rotation et de vibration est alors transférée à l’énergie de translation dans un processus d’équilibrage, ce qui ralentit le refroidissement. Maintenant, on sait qu’en prenant de l’expansion après l’explosion, les gaz se refroidissent en poussant sur les pistons, dans les cylindres. Or, la vapeur d’eau permet à la température des gaz dans les cylindres du moteur de se maintenir à une valeur élevée plus longtemps, ce qui donne plus de temps pour effectuer une combustion complète du carburant et assure une poussée plus importante et uniforme sur les pistons du moteur. En fait, à ce moment, les molécules d’eau redonnent au piston l’énergie qu’elles avaient stockée en rotation et vibration, y compris celle qui provient des gaz d’échappement. La vapeur d’eau agirait donc comme une pompe à chaleur qui puise l’énergie calorique perdue par le tuyau d’échappement pour la transformer en énergie utile qui pousse sur les pistons plus fort, plus longtemps et plus uniformément. D’ailleurs, le fait que ceux qui ont installé un système Gillier-Pantone sur leur véhicule témoignent d’un fonctionnement plus doux du moteur confirme cette poussée plus uniforme sur les pistons.

L’inertie thermique de la vapeur d’eau a une autre conséquence bénéfique sur l’amélioration de l’efficacité d’un moteur en diminuant les pertes thermiques dans le bloc-moteur. Celles-ci sont proportionnelles à la température dans la chambre de combustion. Le moment où ces pertes sont les plus importantes est lorsque le piston atteint le haut de sa course et que le carburant est injecté dans le cylindre. Le volume de la chambre de combustion est alors le plus petit et la température peut atteindre plus de 2000 °C, s’il n’y a pas d’eau, alors que le cylindre passe une partie important de son cycle dans cette position (sommet d’un cycle sinusoïdal). De plus, lorsque le piston est au sommet de sa course dans le haut du cylindre, c’est à cet endroit que le rapport de la surface de la chambre sur son volume est le plus grand, ce qui contribue à de plus grandes pertes thermiques par les parois. Donc, si on empêche la température de grimper trop haut à l’aide de la vapeur d’eau, on diminue nécessairement les pertes thermiques dans le bloc-moteur et on augmente par le fait même l’énergie disponible pour pousser sur les pistons.

Enfin, voici une dernière piste intéressante. Il y a des gens qui disent que l’eau est la cendre de la combustion de l’hydrogène et qu’il est insensé de prétendre qu’on peut tirer de l’énergie de la « combustion de l’eau ». Ils ont parfaitement raison, l’eau est la cendre de l’hydrogène qui a brûlé. Il n’y a pas un scientifique qui va contredire ça et j’en suis un. Par ailleurs, en brûlant de l’hydrogène, on dégage beaucoup d’énergie, comme nous le démontre chaque lancement de la navette spatiale qui brûle de l’hydrogène liquide avec de l’oxygène liquide dans ses tuyères, ce qui forme de l’eau, comme cendre.

Ceci étant dit, il est tout de même curieux de constater que l’industrie nucléaire qui planifie sa prochaine génération de réacteurs, justifie en partie ces futures centrales, dites de génération IV, en mentionnant qu’elles vont utiliser une cendre, de l’eau, pour fabriquer de l’hydrogène afin de produire de l’électricité avec des piles à combustible. Comment se fait-il qu’ils puissent penser faire une chose pareille ? Après tout, il faut plus d’énergie pour fabriquer l’hydrogène que l’hydrogène en redonne dans les piles à combustible…

Pourtant c’est très logique, car pour faire renaître l’hydrogène de sa cendre, l’eau, ils veulent utiliser la chaleur qui serait normalement perdue par les centrales nucléaires en décomposant l’eau grâce à des réactions thermochimiques. Il ne faut pas oublier, en effet, que les deux tiers de l’énergie de l’uranium sont perdus en chaleur et qu’un tiers seulement est transformé en électricité. La fission des atomes d’uranium chauffe de l’eau en vapeur qui actionne une turbine pour faire fonctionner un générateur électrique. Et oui, les centrales nucléaires sont en fait des machines à vapeur, très inefficaces, comme les moteurs thermiques de nos voitures !

Alors, on a le choix, soit on perd les deux tiers de l’énergie des centrales nucléaires en chaleur dans l’atmosphère et dans l’eau de la rivière qui la refroidit, soit on fait renaître l’hydrogène de sa cendre avec cette énergie perdue, afin d’en faire quelque chose d’utile. Est-ce si insensé de penser de la sorte ? Non, bien sûr, vous en conviendrez. Mais n’allez pas déduire de cet exemple que l’auteur est pour l’énergie nucléaire, ou en faveur des voitures à hydrogène, c’est simplement pour mieux faire comprendre ce qui suit.

Maintenant, revenons aux moteurs diesel des tracteurs. Ces moteurs perdent en chaleur près de 40 % de l’énergie du carburant dans les gaz d’échappement. Alors, si on peut utiliser une partie de cette énergie pour aider à décomposer les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène, et qu’on puisse par la suite transférer l’énergie de la combustion de ces deux gaz aux pistons, ça serait une façon de faire travailler l’énergie normalement perdue par le système d’échappement. La décomposition des molécules d’eau peut se faire par la chaleur, à des températures au-delà de 2000 °C et efficacement dépassé 2500 °C. Nous avons vu que des températures supérieures à 2000 °C peuvent survenir dans un moteur diesel qui travaille fort. Il est donc plausible qu’une partie des molécules d’eau, qui reste à déterminer, puisse être dissociée uniquement par la chaleur.

Mais, il ne faut pas oublier que l’énergie déployée pour les amener à la température requise a été fournie en partie par la chaleur des gaz d’échappement, par la compression des pistons et par la combustion du carburant. Lorsque les atomes d’oxygène et d’hydrogène se recombinent pour former de l’eau, c’est l’ensemble de ces énergies différentes qui serait transmis aux pistons, incluant l’énergie récupérée dans les gaz d’échappement, qui se transformerait alors en énergie utile. Il est important de noter, ici, qu’Antoine Gillier a confié à l’auteur que les économies de carburant dues au dopage à la vapeur sont d’autant plus grandes que les tracteurs travaillent fort, correspondant à des températures élevées dans les cylindres.

L’inertie thermique de la vapeur d’eau et la production d’hydrogène dans les cylindres semblent des pistes prometteuses à explorer pour mieux comprendre les «mystères» du dopage à la vapeur. L’auteur ne prétend pas les avoir toutes identifiées, bien sûr. Il est très possible également que les divers mécanismes et réactions contribuent ensemble à rendre les phénomènes observés plus importants. Il va de soi qu’il est important de valider les différentes hypothèses par une étude détaillée dans des laboratoires bien équipés, où travaillent des scientifiques compétents. MAIS IL FAUT LE FAIRE, la situation actuelle de la planète et le déclin imminent de la production de pétrole ne nous autorisent pas à prendre à la légère quelque technologie que ce soit, surtout lorsque plusieurs centaines de personnes ont transformé leur tracteur ou leur voiture et en ont constaté les bienfaits.

Par ailleurs, il n’est pas indispensable de comprendre tous les détails d’un phénomène avant d’utiliser des technologies qui en tirent profit. Par exemple, lorsqu’on a mis les premières automobiles sur le marché, on était loin de comprendre tous les détails de la combustion des carburants dans un moteur à combustion interne. Par ailleurs, on a longtemps utilisé les supraconducteurs alors qu’on en avait une connaissance très réduite et déficiente. De même, on a longtemps utilisé la boussole sans comprendre les forces magnétiques...

En fait, nos gouvernements devraient mettre en place des laboratoires d’essai pour valider les différents systèmes de dopage à l’eau, à la vapeur ou à l’hydrogène, et élaborer des politiques qui favorisent l’intégration des systèmes jugés performants dans les véhicules existants. On ne pourra disposer de véhicules électriques et hybrides branchables à grande échelle avant 2020 environ et, d’ici là, il faut se donner tous les moyens pertinents pour diminuer au maximum notre consommation de pétrole le plus vite possible.

4.26 – En résumé  (à noter, seulement les derniers paragraphes de la section 4.26 ont été copiés sur cette page)

En ce qui concerne le dopage à l’eau, on savait depuis le début du 20e siècle, grâce aux travaux du célèbre motoriste français Pierre Clerget, qu’en injectant de l’eau dans les moteurs diesel, on réduisait beaucoup les fumées noires émises et on pouvait doubler la puissance du moteur. Cette puissance accrue est rendue possible par le refroidissement que permet l’eau dans les chambres de combustion. L’injection d’eau a été utilisée dans les avions de la Deuxième Guerre mondiale pour augmenter la puissance des moteurs et leur permettre de décoller sur de courtes distances. Elle a également été utilisée dans les moteurs de voitures de course formule 1 au cours des années 1980. Dans les années 1990, c’est plutôt la diminution de pollution des moteurs diesel en milieu urbain qui a apporté un regain d’intérêt pour le dopage à l’eau.

Une façon simple d’introduire de l’eau dans les moteurs sans les modifier est d’inclure l’eau dans le carburant diesel, en fines gouttelettes dont le diamètre est inférieur à un millième de millimètre. C’est ce qu’on appelle une émulsion de deux liquides qui normalement ne se mélangent pas. Pour maintenir stables les carburants émulsifiés à l’eau, on ajoute de petites quantités de produits émulsifiants. Ces carburants contiennent généralement de 10 % à 15 % d’eau. Le carburant émulsifié Aspira de BP (13 % d’eau) a été testé dans les autobus de Londres en 2001, et on a constaté que les fumées noires ont été réduites de 65%, les oxydes d’azote de 15 %, et le CO2 de 12 %. La contribution de l’eau à la diminution de consommation de carburant diesel proprement dit a été d’environ 8 %. Plus récemment, en 2006, le professeur Tajima de l’Université de Kanagawa, au Japon, a développé un procédé qui permet de faire une émulsion stable de 30 % d’eau et 70 % de carburant diesel. Son équipe a testé leur carburant SEF (Super Emulsion Fuel) avec un camion à ordure de 30 tonnes. Ils ont ainsi pu vérifier une diminution de plus de 95 % des particules de suie, une diminution de 70 % à 80 % des oxydes d’azote, et une réduction de 10 % à 15 % de la consommation de carburant.

En s’inspirant du système Pantone, breveté en 1998 pour les moteurs à essence, Antoine Gillier, agriculteur biologique français, a développé une autre façon astucieuse pour doper à l’eau ses moteurs de tracteur, en 2001, afin d’éliminer les fumées noires. Le système Gillier-Pantone consiste à faire passer le tuyau d’échappement au centre d’un réservoir d’eau en acier et de diriger la vapeur qui s’en dégage à travers une tubulure qui la conduit à un réacteur au centre du tuyau d’échappement, pour pénétrer ensuite dans le moteur diesel par son entrée d’air. Les résultats sont une réduction remarquable des fumées noires et, en prime, des économies de carburant diesel de 20 % à 40 % !

L’information sur la façon de faire ayant été mise à la disposition du public dans Internet, des centaines d’agriculteurs ont répété l’expérience sur leur propre tracteur et témoigné des performances remarquables qui en résultent. Les motoristes s’interrogent sur cette anomalie, car normalement on essaie de refroidir l’air qui pénètre dans les cylindres. Toutefois plusieurs pistes nous rendent plausible un tel phénomène. Parmi elles, on retrouve la production d’hydrogène dans les cylindres du moteur et l’inertie thermique de la vapeur d’eau, qui améliorent la combustion, diminuent les pertes dans le bloc-moteur, et permettraient de récupérer une partie de l’énergie perdue par les gaz d’échappement. Ces hypothèses doivent, bien sûr, être validées dans des laboratoires compétents, mais ON DOIT LE FAIRE. On ne peut se permettre de négliger aucune technologie ayant le potentiel de réduire de façon importante notre dépendance au pétrole, sous prétexte qu’elle origine d’un agriculteur, ou qu’elle semble incompréhensible.

Les biocarburants de deuxième génération, dopés à l’eau ou à l’hydrogène, vont donc être de fiers partenaires de la motorisation électrique, dans nos véhicules hybrides branchables avancés de demain !

[1]  .  G. Hartmann, Pierre Clerget 1875-1943 – Un motoriste de génie, Les éditions de l’officine, Paris, 2004.

[2]  .  C. Hawks, The Chance Vought F4U Corsair, article en ligne sur le site www.chuckhawks.com dédié à l’histoire des technologies militaires (www.chuckhawks.com/corsair_F4U.htm).

[3]  .  Green Car Congress (site sur la mobilité durable), Kanagawa University Develops New Diesel Emulsion Fuel, 4 octobre 2006 (www.greencarcongress.com/2006/10/kanagawa_univer.html).

[4]  .  C. Martz, Élaboration d’un banc d’essai et caractérisations du procédé GEET de P. Pantone à reformage, Projet de fin d’études en génie mécanique réalisé à l’École nationale supérieure des arts et industries de Strasbourg (ENSAIS), octobre 2001. Téléchargement gratuit sur le site Éconologie à www.econologie.com, dans la section Téléchargements, sous la rubrique Moteur Pantone.

[5]  . Si l’auteur, un Québécois, peut vous raconter cette histoire, c’est qu’il est allé passer une journée avec Antoine Gillier, ainsi qu’avec Bernadette et Jean Soarès, en janvier 2008, juste après avoir participé à la finale du Prix Roberval, à Compiègne et Paris (http://prixroberval.utc.fr). D’ailleurs, il y a remporté la mention spéciale du jury pour le meilleur livre de communication en science et technologie de la Francophonie, catégorie Grand Public. C’était son deuxième livre (Sur la route de l’électricité, vol. 2, Éditions MultiMondes, Québec, 2006), alors que celui que vous tenez entre les mains est le troisième.

[6]  .  C. Beaudoin, S. His et J.-P. Jonchère, « Comment produire l’hydrogène – La production à partir de combustibles fossiles », Clefs CEA (publication interne de la Commission de l’Énergie Atomique), nº 50/51, p. 31 à 33, hiver 2004-2005.

[7]  .  L. Figuier, Les merveilles de la science, volume 2, Furne, Jouvet et Cie, Éditeurs, Paris, 1868.

[8]  .  G. Hartmann, op. cit.