Le cognement du moteur, dans lequel le carburant s’enflamme de manière inégale le long de la paroi du cylindre, entraînant des ondes de choc percussives dommageables, est un problème que les constructeurs automobiles ont du mal à atténuer depuis l’époque du modèle T. Les premières tentatives de l’industrie pour résoudre le problème – à savoir le plomb tétraéthyle – étaient, en avec le recul, une énorme erreur, ayant engourdi et abruti toute une génération d’Américains avec leurs sous-produits neurotoxiques.
Le Dr Vaclav Smil, professeur émérite à l’Université du Manitoba à Winnipeg, examine le raisonnement économique à courte vue qui a conduit à l’essence au plomb plutôt qu’à un réseau national de stations d’éthanol dans son nouveau livre Invention et innovation : une brève histoire du battage médiatique et de l’échec. Le gaz de plomb est loin d’être la seule avancée présumée à passer comme un ballon de plomb. Inventer et innover regorge d’histoires sur les idées les mieux intentionnées, les plus mal conçues et généralement les plus maladroites de l’humanité – des dirigeables et des hyperloops au DDT et aux CFC.
Presse du MIT
Extrait de Invention et innovation : une brève histoire du battage médiatique et de l’échec par le professeur Vaclav Smil. Réimprimé avec la permission de The MIT Press. Droits d’auteur 2023.
À peine sept ans plus tard, Henry Ford a commencé à vendre son modèle T, la première voiture de tourisme abordable et durable produite en série, et en 1911, Charles Kettering, qui a ensuite joué un rôle clé dans le développement de l’essence au plomb, a conçu le premier démarreur électrique pratique, qui a évité manivelle dangereuse. Et bien que les routes à toit rigide soient encore rares, même dans la partie orientale des États-Unis, leur construction a commencé à s’accélérer, la longueur des autoroutes goudronnées du pays ayant plus que doublé entre 1905 et 1920. Non moins important, des décennies de découvertes de pétrole brut ont accompagné par les progrès du raffinage ont fourni les carburants liquides nécessaires à l’expansion du nouveau transport, et en 1913 Standard Oil of Indiana a introduit le craquage thermique du pétrole brut de William Burton, le processus qui a augmenté le rendement de l’essence tout en réduisant la part des composés volatils qui composent le grande partie des essences naturelles.
Mais avoir des voitures plus abordables et plus fiables, des routes plus pavées et un approvisionnement fiable en carburant approprié laissait toujours un problème inhérent au cycle de combustion utilisé par les moteurs de voiture : la propension aux cognements violents (cliquetis). Dans un moteur à essence fonctionnant parfaitement, la combustion du gaz est initiée uniquement par une étincelle temporisée au sommet de la chambre de combustion et le front de flamme qui en résulte se déplace uniformément dans le volume du cylindre. Le cognement est causé par des inflammations spontanées (petites explosions, mini-détonations) se produisant dans les gaz restants avant qu’ils ne soient atteints par le front de flamme initié par les étincelles. Le cognement crée des pressions élevées (jusqu’à 18 MPa, soit près de 180 fois le niveau atmosphérique normal), et les ondes de choc qui en résultent, se déplaçant à des vitesses supérieures au son, font vibrer les parois de la chambre de combustion et produisent les sons révélateurs d’un cognement, dysfonctionnement moteur.
Le cognement semble alarmant à n’importe quelle vitesse, mais lorsqu’un moteur fonctionne à une charge élevée, il peut être très destructeur. Un cognement sévère peut causer des dommages brutaux et irréparables au moteur, notamment une érosion de la culasse, des segments de piston cassés et des pistons fondus ; et tout cognement réduit l’efficacité d’un moteur et libère plus de polluants ; en particulier, il en résulte des émissions d’oxydes d’azote plus élevées. La capacité à résister au cognement – c’est-à-dire la stabilité du carburant – est basée sur la pression à laquelle le carburant s’enflamme spontanément et a été universellement mesurée en indices d’octane, qui sont généralement affichés par les stations-service en chiffres noirs gras sur fond jaune.
L’octane (C8H18) est l’un des alcanes (hydrocarbures de formule générale CnH2n + 2) qui forment entre 10 et 40 % des pétroles bruts légers, et l’un de ses isomères (composés avec le même nombre d’atomes de carbone et d’hydrogène mais avec une structure moléculaire différente), le 2,2,4-triméthypentane (iso-octane), a été considéré comme le maximum (100 %) sur l’échelle d’indice d’octane car le composé empêche complètement tout cognement. Plus l’indice d’octane de l’essence est élevé, plus le carburant est résistant au cognement et les moteurs peuvent fonctionner plus efficacement avec des taux de compression plus élevés. Les raffineurs nord-américains offrent maintenant trois degrés d’octane, l’essence ordinaire (87), le carburant intermédiaire (89) et les mélanges de carburants super (91-93).
Au cours des deux premières décennies du XXe siècle, la première phase de l’expansion automobile, il y avait trois options pour minimiser ou éliminer les cognements destructeurs. La première était de maintenir les taux de compression des moteurs à combustion interne relativement bas, en dessous de 4,3:1 : le modèle T le plus vendu de Ford, sorti en 1908, avait un taux de compression de 3,98:1. La seconde était de développer des moteurs plus petits mais plus efficaces fonctionnant avec un meilleur carburant, et la troisième était d’utiliser des additifs qui empêcheraient l’allumage incontrôlé. Maintenir les taux de compression bas signifiait gaspiller du carburant, et la réduction de l’efficacité du moteur était particulièrement préoccupante pendant les années d’expansion économique rapide après la Première Guerre mondiale, car l’augmentation de la possession de voitures plus puissantes et plus spacieuses suscitait des inquiétudes quant à l’adéquation à long terme. des approvisionnements intérieurs en pétrole brut et la dépendance croissante à l’égard des importations. Par conséquent, les additifs offraient la solution la plus simple : ils permettraient d’utiliser un carburant de qualité inférieure dans des moteurs plus puissants fonctionnant plus efficacement avec des taux de compression plus élevés.
Au cours des deux premières décennies du XXe siècle, l’éthanol (alcool éthylique, C2H6O ou CH3CH2OH) a suscité un intérêt considérable, à la fois comme carburant automobile et comme additif pour l’essence. De nombreux tests ont prouvé que les moteurs utilisant de l’éthanol pur ne cogneraient jamais, et des mélanges d’éthanol avec du kérosène et de l’essence ont été essayés en Europe et aux États-Unis. Les partisans bien connus de l’éthanol comprenaient Alexander Graham Bell, Elihu Thomson et Henry Ford (bien que Ford n’ait pas, comme de nombreuses sources le prétendent à tort, conçu le modèle T pour fonctionner à l’éthanol ou pour être un véhicule à double carburant; il devait être alimenté par essence); Charles Kettering le considérait comme le carburant du futur.
Mais trois inconvénients ont compliqué l’adoption à grande échelle de l’éthanol : il était plus cher que l’essence, il n’était pas disponible en volumes suffisants pour répondre à la demande croissante de carburant automobile, et augmenter son offre, même seulement s’il était utilisé comme additif dominant, ont revendiqué des parts importantes de la production agricole. À cette époque, il n’existait pas de moyens directs et abordables de produire le carburant à grande échelle à partir d’abondants déchets cellulosiques tels que le bois ou la paille : la cellulose devait d’abord être hydrolysée par l’acide sulfurique et les sucres obtenus étaient ensuite fermentés. C’est pourquoi l’éthanol-carburant était principalement fabriqué à partir des mêmes cultures vivrières qui servaient à fabriquer (en volumes beaucoup plus petits) de l’alcool à boire et à des fins médicinales et industrielles.
La recherche d’un nouvel additif efficace a commencé en 1916 dans les laboratoires de recherche de Charles Kettering à Dayton avec Thomas Midgley, un jeune ingénieur en mécanique (né en 1889), en charge de cet effort. En juillet 1918, un rapport préparé en collaboration avec l’armée américaine et le US Bureau of Mines énumère l’alcool éthylique, le benzène et un cyclohexane comme composés qui ne produisent aucun cognement dans les moteurs à haute compression. En 1919, lorsque Kettering a été embauché par GM pour diriger sa nouvelle division de recherche, il a défini le défi comme celui d’éviter une pénurie de carburant imminente : l’approvisionnement américain en pétrole brut devait être épuisé dans quinze ans, et « si nous pouvions réussir augmenter la compression de nos moteurs. . . nous pourrions doubler le kilométrage et ainsi allonger cette période à 30 ans. Kettering a vu deux voies vers cet objectif, en utilisant un additif à volume élevé (éthanol ou, comme les tests l’ont montré, carburant avec 40 % de benzène qui élimine tout cognement) ou une alternative à faible pourcentage, semblable mais meilleure que la solution d’iode à 1 %. qui a été accidentellement découvert en 1919 pour avoir le même effet.
Au début de 1921, Kettering apprit la synthèse d’oxychlorure de sélénium par Victor Lehner à l’Université du Wisconsin. Les tests ont montré qu’il s’agissait d’un composé anti-détonant très efficace mais, comme prévu, également très corrosif, mais ils ont conduit directement à considérer des composés d’autres éléments du groupe 16 du tableau périodique : le séléniure de diéthyle et le tellurure de diéthyle ont montré des propriétés anti-détonantes encore meilleures. -des propriétés détonantes, mais ce dernier composé était toxique lorsqu’il était inhalé ou absorbé par la peau et avait une puissante odeur d’ail. L’étain tétraéthyle était le composé suivant qui s’est avéré modestement efficace, et le 9 décembre 1921, une solution à 1% de plomb tétraéthyle (TEL) – (C2H5) 4 Pb – n’a produit aucun cognement dans le moteur d’essai, et s’est rapidement révélée être efficace même lorsqu’il est ajouté à des concentrations aussi faibles que 0,04 % en volume.
TEL a été synthétisé à l’origine en Allemagne par Karl Jacob Löwig en 1853 et n’avait aucune utilisation commerciale antérieure. En janvier 1922, DuPont et Standard Oil du New Jersey ont été engagés pour produire TEL, et en février 1923, le nouveau carburant (avec l’additif mélangé à l’essence aux pompes au moyen de dispositifs simples appelés éthylizers) est devenu disponible au public dans un petit nombre de stations-service. Alors même que l’engagement envers TEL allait de l’avant, Midgley et Kettering ont admis que « l’alcool est incontestablement le carburant du futur », et les estimations ont montré qu’un mélange de 20% d’éthanol et d’essence nécessaire en 1920 pouvait être fourni en utilisant seulement environ 9% des cultures céréalières et sucrières du pays tout en offrant un marché supplémentaire aux agriculteurs américains. Et pendant l’entre-deux-guerres, de nombreux pays européens et certains pays tropicaux ont utilisé des mélanges de 10 à 25 % d’éthanol (fabriqué à partir de surplus de cultures vivrières et de déchets de papeterie) et d’essence, certes pour des marchés relativement petits, car la possession de voitures familiales avant la Seconde Guerre mondiale en L’Europe n’était qu’une fraction de la moyenne américaine.
D’autres alternatives connues comprenaient des liquides de raffinerie craqués en phase vapeur, des mélanges de benzène et de l’essence à partir de bruts naphténiques (contenant peu ou pas de cire). Pourquoi GM, bien conscient de ces réalités, a-t-il décidé non seulement de suivre uniquement la voie TEL, mais aussi d’affirmer (malgré sa propre compréhension correcte) qu’il n’y avait pas d’alternative disponible : « Pour autant que nous sachions à l’heure actuelle, le plomb tétraéthyle est le seul matériel disponible qui puisse apporter ces résultats » ? Plusieurs facteurs contribuent à expliquer le choix. La voie de l’éthanol aurait nécessité le développement à grande échelle d’une nouvelle industrie dédiée à un additif pour carburant automobile qui ne pourrait pas être contrôlé par GM. De plus, comme déjà noté, l’option préférable, produire de l’éthanol à partir de déchets cellulosiques (résidus de récolte, bois), plutôt qu’à partir de cultures vivrières, était trop coûteuse pour être pratique. En fait, la production à grande échelle d’éthanol cellulosique par de nouvelles conversions enzymatiques, qui promettait d’être d’une importance historique au XXIe siècle, a déçu ses attentes et, d’ici 2020, la production américaine à haut volume d’éthanol (utilisé comme additif anti-cognement) a continué à être basé sur la fermentation du maïs : en 2020, il représentait presque exactement un tiers de la récolte de maïs du pays.
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