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LE RETRAIT DU PLOMB DE L'ESSENCE ou comment concilier l'usage de l'essence moderne dans les moteurs anciens Le plomb était ajouté à l'essence pour en augmenter l'indice d'octane, mais il avait également des effets secondaires comme notamment la protection des sièges de soupapes d'échappement. Si les moteurs modernes ont été adaptés à l'essence sans plomb, il reste encore nombre d'interrogations pour les moteurs anciens. Cet article a pour but de faire le point sur la nature du phénomène, son intensité, et les moyens d'y remédier.
Le plomb combiné pendant la combustion à d'autres éléments chimiques, laisse un dépôt sur les portées de soupapes et les sièges qui s'interpose au contact direct métal sur métal. Les températures et les contraintes mécaniques que subissent les soupapes d'échappement, nécessitent de les fabriquer en acier réfractaire. Les sièges ne subissent pas autant de sollicitations mécaniques et thermiques que les soupapes, aussi, avec l'aide du plomb, ils se satisfont de fonte ordinaire, soit celle du matériau de la culasse, soit du siège rapporté en fonte des culasses en aluminium d'avant 1987 (les sièges rapportés sont plus chauds de 50 à 100 °C à cause de la résistance thermique de la jonction culasse/siège). Si l'on retire la couche protectrice, à hautes températures, la soupape va se souder au siège par l'intermédiaire de microsoudures. Puis, lors de l'ouverture, des arrachements vont se produire, laissant des particules solides qui vont provoquer lors de l'ouverture une abrasion lorsque la soupape en rotation se repose sur son siège. On comprend donc ici que le déclanchement du problème est une cause thermique (ce qui explique que les soupapes d'admission ne soient pas affectées), et donc que les moteurs seront différemment affectés selon que le refroidissement au niveau des sièges conduit à des températures plus ou moins élevées, et de la vitesse de rotation des soupapes. Une illustration en est donnée par le graphique ci-dessous issu d'une étude réalisée sur des moteurs américains :
On voit clairement sur ce graphique que :
Une autre étude réalisée sur une Mini 1300 cm3 illustre également la rapidité de l'évolution de l'usure avec la vitesse :
Pour cette étude, deux cycles de conduite ont été réalisés simulant un roulage sur route et autoroute. Le premier cycle a une vitesse maximale limitée à 100 km/h, le deuxième cycle va jusqu'à 120 km/h et voit l'usure multipliée par 6. Si le régime moteur est le facteur déclenchant par son impact sur la température, l'usure du siège est réellement produite par le phénomène d'abrasion du à l'interposition des particules de métal oxydé (dont la dureté est élevée) lorsque la soupape en rotation se pose sur son siège. Le graphique suivant montre le parallèle entre la vitesse de rotation de la soupape et la vitesse d'usure du siège. D'autres études montrent que l'on peut quasiment éliminer l'usure du siège si l'on empêche la rotation de la soupape.
D'autres facteurs de conception affectant le phénomène sont donnés par ordre décroissant dans la liste suivante : tension du ressort, angle de la portée (30 ° est meilleur que 45 °), matériaux de la portée de soupape (80 % nickel + 20 % chrome donne d'excellent résultats), état de surface de la portée (une rugosité de 25 µm est meilleure que 6 µm), température de la soupape, largeur de la portée de soupape. Le plomb permet une protection efficace contre l'usure des sièges de soupape, et cette action se prolonge après son retrait. Une étude allemande réalisée avec un véhicule de 1100 cm3 sur route et autoroute, montre que pendant la période d'utilisation d'essence plombée, l'usure des soupapes a été nulle, et que la protection ainsi apportée s'est prolongée pendant encore 8000 km sur route après cessation d'utilisation du plomb. Mais cet effet rémanent disparaît immédiatement avec une utilisation plus sévère sur autoroute.
Afin de reconstituer la couche protectrice sur les portées de siège et de soupape, il faut avoir recours à d'autres types d'additifs. Mais ceux-ci ne sont pas tous efficaces comme le montre l'étude suivante. On peut voir que les additifs essayés se répartissent en deux groupes ; l'un où les additifs sont d'une efficacité faible ou quasi nulle puisque les usures sont sensiblement celles de l'essence sans plomb, l'autre où l'on trouve le phosphore et le zinc-ZDPT (un phosphate de zinc), d'une efficacité voisine de celle du plomb.
Le graphique suivant montre une étude comparative entre le plomb, le phosphore et le potassium :
Il montre que seul le phosphore à 30 mg/kg a permis de stabiliser l'usure. L'étude suivante établit une comparaison entre le plomb, le phosphore et le sodium :
Elle montre qu'il faut trois fois plus de sodium que de phosphore pour stabiliser l'usure. Ces essais illustrent une hiérarchie maintenant bien connue entre les principales technologies d'additifs que l'on peut formuler de la façon suivante :
Le manganèse (Mn) est une nouvelle technologie apparue récemment pour cette application, et son efficacité est voisine du potassium. Comme ce fût le cas lors de l'arrivée du plomb, la présence d'additif métallique dans le carburant peut provoquer des corrosions à chaud. Le potassium et le sodium sont classés dans les métaux alcalins, et ont la faculté de s'allier avec le cobalt et le nickel (présents dans l'acier à soupape) pour former des alliages eutectiques à faible point de fusion. A haute température, ils provoquent des fusions locales qui conduisent à un écaillage de la portée de soupape. Les points de fusion des eutectiques du sodium sont inférieurs à ceux du potassium, et ceux des mélanges potassium/sodium sont encore abaissés. Le phosphore n'étant pas un métal, n'est pas soumis à ce phénomène. En Angleterre, la FBHVC a fait procéder à des essais (moyennant un montant de 5 500 £ à la charge du demandeur). 40 fournisseurs ont été contactés, 12 produits ont été testés, et 8 produits ont été approuvés. Les essais ont été conduits sur un moteur Rover série A 1275 cm3 (celui de la Mini entre autres), avec un cycle d'essai de 70 h dont 50 h à 3800 tr/min à 60 % de charge, et 20 h à 5500 tr/min à 100 % de charge. La procédure d'essai ne cherche pas à reproduire un cycle de conduite normal, mais à créer des conditions suffisamment sévères pour trier les additifs efficaces. Les produits homologués sont indiqués dans le tableau ci-dessous :
Ces produits ne sont pour la plupart pas disponibles en France. Les produits les plus courants en France sont à base de potassium à 20 ppm, matière qui a passé les tests. Malheureusement, sauf exception, les emballages ne mentionnent ni la technologie, ni le taux de traitement. Enfin, la FBHVC a également recommandé les précautions suivantes qu'il sera bon de suivre :
Commençons par rappeler une définition : Catalyseur : Agent qui, par sa seule présence au sein d'une combinaison chimique, peut modifier la vitesse d'une réaction. De quelle réaction chimique s'agit-il ? L'un des fournisseurs de ce genre d'appareil nous met sur la voie en disant que son dispositif créée des molécules de carburant plus légères. Ceci est fait couramment dans les raffineries de pétroles dans des unités qui s'appellent des craqueurs et qui opèrent à 500 °C sous 2 à 3 bar. Les craqueurs simples produisent une essence de piètre qualité. Pour l'améliorer, il faut opérer sous pression d'hydrogène, et les conditions opératoires deviennent alors 450 °C sous 200 bar. On imagine la consommation d'énergie, et, s'il existait un moyen efficace opérant dans les conditions ambiantes, il serait utilisé depuis longtemps. Un système de ce genre a déjà été testé par l'université de Melbourne, et la conclusion était : " n'a pas d'effet mesurable sur la récession des sièges de soupapes ou la limite de cliquetis du moteur ". En fait, le problème n'est pas de transformer les molécules du carburant par quel moyen que ce soit, mais d'apporter une substance qui forme un dépôt protecteur sur les soupapes et les sièges comme le faisait le plomb. L'étain n'est pas un catalyseur. Un catalyseur est un métal classé dans le groupe des métaux de substitution, où l'on trouve par exemple le platine. L'étain est classé dans le groupe des métaux ordinaires, il n'a donc pas les propriétés chimiques nécessaires pour être un catalyseur. Quant à sa solubilité dans l'essence, elle est de 0,1 ppm à comparer avec la teneur en plomb généralement nécessaire qui est de 300 à 500 fois supérieure à cette valeur. L'étain tétraéthyle est un améliorant d'octane. Il a été utilisé notamment par les russes durant la 2ème guerre mondiale, mais il n'existe aucune publication attestant de ses propriétés ARS. Quelle est la matière active ? Sont-elles solubles dans l'essence ? Comment se fait le taux de traitement ? Une essence utilisée le jour même ou inutilisée pendant trois mois aura-t-elle le même taux de traitement ? Existe-t-il des études scientifiques ? Existe-t-il des essais comparatifs faits dans des conditions reproductibles ? … Toutes questions sans réponses. A réserver aux utopistes. L'essence n'a pas de propriétés polaires, et ne peut transporter de charges magnétiques. L'AA en Angleterre a testé un tel système, et sa conclusion est qu'il ne peut être recommandé. L'alésage des guides de soupapes présente une conicité pour laisser de la place aux dépôts de plomb qui se forment sur la tige. Sans plomb, les guides doivent être parfaitement cylindriques. L'adaptation à l'essence sans plomb relève ici uniquement du dessin géométrique et non des matériaux. Pour maintenir l'indice d'octane à un niveau élevé sans avoir recourt à un additif, les raffineurs ont dû augmenter la concentration de certains composants des essences ou avoir recours à de nouveaux produits. Ces nouvelles formulations peuvent induire un ramollissement ou un gonflement de certains élastomères provoquant des fuites. Dans ce cas, la seule solution est de remplacer ces pièces par de nouvelles réalisées en matériaux plus résistants. A noter que ces problèmes devraient être moins cruciaux avec l'essence à 95 dont la composition reste proche de celle de l'ancien super plombé, et les nouvelles spécifications en vigueur depuis le 1er janvier 2002 devraient atténuer ce phénomène. Toute la problématique consiste à évaluer le risque. On peut déjà dire qu'il n'est pas nul. Si les problèmes de récession de soupape sont peu fréquents, ils sont quand même réels. On a constaté par exemple en Suède, un doublement des réfections de culasses après la suppression du plomb. Ailleurs, d'autres incidents existent çà et là. Pour se faire une idée du risque, il faut revenir à quelques faits exposés plus haut :
Que faut-il faire ? Premièrement, ne pas aggraver la situation avec un moteur mal réglé travaillant plus chaud que la normal. Il faut donc porter un soin particulier aux points habituels suivants :
Ensuite, l'on pourra adopter l'une des solutions suivantes de son choix :
Si vous ne faites rien, vous n'êtes pas sûr d'avoir des ennuis. Si vous faites quelque chose d'efficace, vous êtes sûr de ne pas en avoir. Jean-Marc Thély |
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