Nombre de cétane

Le nombre de cétane naturel du gazole varie selon sa qualité mais dans une majorité de pays, le nombre de cétane minimum des carburants Diesel est règlementé.

En Europe selon la réglementation EN 590^[5],[6], un gazole doit avoir un indice de cétane au minimum de 46 et son nombre de cétane mesuré doit atteindre au minimum 51 pour être commercialisé.

En Amérique du Nord, la plupart des États adoptent la norme ASTM D975^[7] pour les carburants Diesel et le nombre de cétane minimum est fixé à 40. En Californie, les spécifications des gazoles doivent respecter les règles du California Air Resources Board (CARB) donnant une valeur minimale de l’indice de cétane à 53^[8]. Au Texas, le TxLED (Texas Low Emission Diesel) Program impose un nombre de cétane minimum de 48.

En Chine, avec la réglementation China VI, les carburants Diesel doivent avoir un nombre de cétane minimum de 51 (47 possible selon les saisons).

Pour que les carburants atteignent leurs cibles en nombre de cétane, les fabricants ou vendeurs de carburants ont plusieurs moyens.

L’un d’entre eux est le traitement du carburant en petites quantités avec des additifs améliorateurs de cétane (le terme anglais « cetane improver » est souvent employé). L’améliorateur de cétane le plus répandu mondialement est le nitrate de 2-éthylhexyle (numéro CAS 27247-96-7).

Le moyen standard de mesure du nombre de cétane d’un mélange ou d’un carburant est un moteur Diesel expérimental monocylindre à taux de compression variable appelé « moteur CFR » (ASTM D613 ou ISO 5165).

L'opérateur du moteur CFR augmente le taux de compression dans le cylindre jusqu'à ce que le temps entre l'injection de carburant et l'allumage soit de 2,407 ms.

Le nombre de cétane résultant est ensuite calculé en déterminant quel mélange de cétane et d'isocétane entraînera les mêmes conditions pour ce délai d'allumage (voir formule ci-dessus).

C’est cette méthode qui arbitre le nombre de cétane imposé par les normes dont l’EN 590 s’appliquant à tous les gazoles européens.

Néanmoins, la détermination du nombre de cétane via le moteur CFR présente des inconvénients : les mesures réalisées sont très chronophages, assez imprécises, elles demandent une certaine maîtrise opérationnelle et peuvent être coûteuses. Enfin, les résultats sont peu répétables et reproductibles^[9].

D’autres instruments ont été développés pour faciliter la mesure du nombre de cétane, la rendre plus rapide, plus robuste (répétabilité et reproductibilité) et moins couteuse (taille d’échantillon réduite et temps d’analyse optimisé).

Ils sont aujourd’hui très largement utilisés pour déterminer le nombre de cétane dérivé (DCN) ou un nombre de cétane indiqué (ICN) :

• l’IQT (Ignition Quality Tester) (ASTM D6890^[10], EN 17155) ;
• le FIT (Fuel Ignition Testing) (ASTM D7170^[11]) ;
• le Cetane ID 510 ou CID (pour Cetane Ignition Delay) (ASTM D7668^[12], EN 16715) ;
• l’AFIDA (Advanced Fuel Ignition Delay Analyzer) (ASTM D8183^[13], EN 17155).

Le terme « dérivé » est employé pour stipuler que la méthode utilisée n’est pas celle encadrée par la norme NF EN ISO 5165 : 2018 mais en est dérivée.

L’IQT par exemple est un instrument qui applique une approche plus simple et plus rigoureuse à la mesure du nombre de cétane que le CFR. Le carburant est injecté dans une chambre de combustion à volume constant (CVCC) à environ 575 °C et 310 psi. Le délai d'allumage (ID) est mesuré et ensuite utilisé pour calculer le nombre de cétane dérivé du carburant en utilisant l’équation (empirique) en formule 1^[10].

Si ID est compris entre 3,1 et 6,5 s : ${\displaystyle DCN=4,46+{\frac {186,6}{ID}}}$.

Sinon : ${\displaystyle DCN=(83,99\cdot (ID-1,512)^{-0,658})+3,547}$            Formule 1. Modèle mathématique du calcul du DCN pour l’IQT.

De même, le Cetane ID 510 de PAC Instrument utilise une chambre de combustion à volume constant (CVCC) conditionnée à une valeur de pression de 20 bar et une température de 600 °C. L’échantillon de combustible y est injecté et des mesures du délai entre l’injection et l’inflammation du carburant (ID) et de la durée de la combustion (CD) sont effectuées grâce à différents capteurs de pression. Cela va permettre d’aboutir au DCN via le modèle mathématique empirique ci-dessous^[12].

${\displaystyle DCN=13,028-{\frac {5,3378}{ID}}+{\frac {300,18}{CD}}-{\frac {1\,267,9}{CD^{2}}}+{\frac {3\,415,32}{CD^{3}}}}$            Modèle mathématique du calcul du DCN pour le CID.

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