Contribution à l’étude de la propension de différents types de carburants à former des suies via l’emploi d’indicateurs de pouvoir suitant

Le Corre, Gwénolé (2019). Contribution à l’étude de la propension de différents types de carburants à former des suies via l’emploi d’indicateurs de pouvoir suitant. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les carburants alternatifs dérivés de la biomasse font l’objet d’une attention accrue dans le domaine des transports de par leur aptitude à réduire certaines émissions polluantes, dont celles de particules de suie. Afin de quantifier et de comparer le pouvoir suitant des carburants moteurs et de leurs constituants, divers indicateurs de pouvoir suitant ont été développés à l’instar du TSI, de l’OESI, du YSI et du FESI. Si un grand nombre de molécules a été testé dans la littérature en ayant recours à ces indices, il n’en demeure pas moins que seul un nombre restreint de composés a finalement été caractérisé avec chaque indicateur pris séparément. C’est pourquoi il a été proposé dans le cadre de ce travail d’unifier les principaux résultats issus de la littérature en vue d’établir, après un processus de normalisation des indicateurs susmentionnés, une seule et même base de données regroupant un total de 391 molécules incluant des alcanes, des alcènes, des alcynes, des composés aromatiques et de nombreuses molécules oxygénées telles que des alcools, des cétones, des aldéhydes et des esters. Des mesures d’OESI complémentaires ont en outre également été réalisées au cours de ce travail en utilisant des furanes qui n’ont été que rarement analysés. En ayant recours à la théorie des groupements structurels, il a été possible de décomposer chaque molécule étudiée en un ensemble de fragments auxquels une contribution a été attribuée en termes de pouvoir suitant. 67 groupements distincts ont ainsi pu être mis en évidence et ont permis d’analyser et de mieux appréhender l’influence de la structure et de la composition chimique des carburants sur leur aptitude à produire des suies. Les résultats obtenus ont de surcroît permis de proposer des facteurs de contribution prédictifs d’un grand intérêt en vue d’estimer le pouvoir suitant d’une large gamme de carburants uniquement à partir de leur composition chimique. Ce travail a enfin permis d’illustrer le fait que la propension à former des suies des principaux composés analysés augmentait dans l’ordre suivant : esters < aldéhydes < cétones < alcools < alcanes < aromatiques.

Bien que riche en informations concernant les mécanismes conduisant à la formation des suies, ce travail théorique a également mis en exergue les difficultés qui peuvent être associées à l’emploi de certains indicateurs en vue de rendre compte des processus synergétiques susceptibles de se produire lors de l’ajout de molécules oxygénées dans des carburants complexes. C’est l’une des raisons qui invite à se tourner plus spécifiquement vers le FESI qui repose sur la mesure de la concentration de suies (par incandescence induite par laser) au sein d’une flamme standardisée brûlant un mélange à base de carburant moteur (gazole, essence ou carburants modèles associés) et de la molécule dont le pouvoir suitant est recherché. Dans le but de poursuivre les développements expérimentaux permettant de déterminer le FESI, il a été proposé d’implémenter une approche d’autocompensation (ou AC-LII pour Auto Compensating-LII) qui s’appuie sur la mesure en continu de la température des suies par pyrométrie à deux longueurs d’onde. L’élément essentiel de l’ACLII étant l’étape de calibration du système de détection, une attention particulière a par conséquent été portée au choix du dispositif permettant d’effectuer une telle calibration. Ce choix s’est tout spécifiquement porté sur une sphère d’intégration dont les caractéristiques techniques ont été définies tout comme celles des nombreux éléments de la chaîne de détection incluant des photomultiplicateurs et divers éléments d’optique. Ainsi, un banc expérimental entièrement caractérisé a pu être mis au point à l’issue de ce travail. Celui-ci sera prochainement employé dans le cadre de travaux de thèse qui contribueront, via des mesures de FESI complémentaires, à élucider les problématiques soulevées par l’analyse détaillée des données tirées de la littérature en ayant recours à la théorie des groupements structurels.

Titre traduit

Contribution to the study of the sooting behavior of different types of fuels by means of sooting propensity indicators

Résumé traduit

An increasing attention has been devoted to biofuels during the last few years, especially in the transportation domain, due to their ability to reduce pollutant emissions including soot particles. In order to assess and compare the propensity of a wide range of engine-fuels to produce soot, several sooting indexes have been developed which includes the TSI, the OESI, the YSI and the FESI. Even though many molecules have been studied in the literature, the number of compounds characterized with each indicator taken separately remains quite limited. It has therefore been proposed within the present work to synthetize all the data available from past studies to build, through a ormalization process of the abovementioned indicators, an original and extensive database integrating 391 molecules, including alkanes, alkenes, alkynes, aromatics and numerous oxygenated molecules such as alcohols, ketones, aldehydes and esters. Additional OESI measurements performed with furans have moreover been carried as such molecules have only been seldom studied in the literature. By analyzing the so-gathered data by means of a group additivity approach, it has been possible to decompose each considered molecule into a set of fragments having specific sooting contributions. Overall, 67 structural groups have been identified and characterized to allow a fine analysis of the impact of the fuel structure and chemical composition on the sooting propensity. In addition, the present work also allowed proposing a set of predictive contribution factors that are essential to estimate the ability of a wide range of fuel to generate soot particles only based on their chemical composition. In the end, the trends highlighted within this study lead to conclude that the sooting propensity of the main considered compounds increases in the following order: ester < aldehydes < ketones < alcohols < aromatics.

Although this theoretical work provided valuable insights as far as the understanding of the soot formation mechanisms is concerned, it has also illustrated the limited ability of some indexes to account for the synergistic effects that are likely to occur when adding an oxygenated biofuel into a complex engine fuel. This particularly justifies why using the FESI as an index remains a consistent option as such an indicator relies on the measurement of the peak soot volume fraction estimated within in a standardized flame burning a mixture composed of a realistic engine-fuel (diesel, gasoline or their surrogates) with the molecule whose sooting propensity has to be estimated. In order to pursue the experimental developments allowing the FESI to be determined, it has been proposed herein to use an Auto-Compensating-LII (AC-LII) approach that relies on the continuous measurement of the soot temperature by two-color pyrometry. Since the calibration of the detection set up is a crucial step in the implementation of AC-LII application, a particular attention has thus been devoted to the choice of the calibration system. This latter consists in an integrating sphere the technical characteristics of which have been defined likewise those of other components of the experimental setup including photomultipliers and optical elements. In the end, a welldefined experimental test bench has been designed to contribute tackling, through upcoming FESI measurements that will be achieved within the framework of a Ph.D thesis, the issues highlighted during the analysis of the literature data using the structural group additivity method.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielleà l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique ". Comprend des références bibliographiques (pages 111-121).
Mots-clés libres:	carburants oxygénés, indicateurs de pouvoir suitant, groupements structurels, AC-LII
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Lemaire, Romain
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	01 févr. 2022 21:00
Dernière modification:	01 févr. 2022 21:00
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2315

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