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Étude de la propension à former des suies de divers carburants modèles du kérosène et de mélanges contenant des composés oxygénés

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Rainville, Carl (2022). Étude de la propension à former des suies de divers carburants modèles du kérosène et de mélanges contenant des composés oxygénés. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les carburéacteurs (à l’instar du Jet-A et du Jet-A1) très largement utilisés dans le domaine de l’aviation, font l’objet d’une attention accrue afin d’étendre leur emploi dans les moteurs et génératrices Diesel. Leur combustion génère toutefois des particules carbonées ayant des effets néfastes sur l’environnement et la santé. Afin de respecter les règlementations de plus en plus strictes visant à limiter de telles émissions polluantes, il est nécessaire d’approfondir notre compréhension des mécanismes de formation des suies en identifiant des additifs peu suitants pouvant être mélangés aux carburants fossiles. Bien que plusieurs études fondamentales aient été entreprises afin d’étudier la propension à former des suies de divers hydrocarbures purs, la complexité des carburants basés sur le kérosène, qui contiennent des centaines d’espèces, empêche de réaliser des simulations visant à prédire leur comportement en combustion. Afin de pallier cette complexité, le développement de carburants modèles composés de quelques hydrocarbures purs est d’un grand intérêt. En effet, ceux-ci rendent possible l’étude des mécanismes réactionnels régissant la combustion des carburéacteurs en permettant la réalisation d’expérimentations reproductibles et bien contrôlées. Dans ce contexte, ce travail vise à identifier un carburant modèle du kérosène ayant une propension à former des suies identique à celle du Jet-A1 afin de le mélanger à différents additifs oxygénés dont l’aptitude à limiter la production de suies sera évaluée. Pour ce faire, 6 carburants modèles ayant des compositions différentes ont été testés. Leur propension à former des particules a été caractérisée à l’aide d’un indicateur de pouvoir suitant : l’oxygen-extended sooting index (OESI). Le smoke point (SP), qui est le paramètre expérimental mesuré afin de calculer l’OESI, a été déterminé pour sa part via la mise en oeuvre de deux méthodes de mesure automatique du smoke point tirées de la littérature et qui ont, dans le cadre de ce travail, été comparées. En termes de résultats, un mélange composé de n-dodécane, d’isocétane, de 1,3,5 – triméthylbenzène et de n-propylbenzène a été identifié comme étant celui reproduisant le mieux le comportement suitant du Jet-A1. Ce carburant modèle a donc été sélectionné et différents composés oxygénés, soit des alcools, des esters et des furanes (dont l’éthanol, le butanol, le butanoate de butyle, l’octanoate de méthyle, l’alcool furfurylique, l’alcool tétrahydrofurfurylique et le furfural), y ont été ajoutés afin d’obtenir des mélanges comportant jusqu’à 40 %vol du composé oxygéné. Les OESI mesurés pour ces mélanges ont révélé que la capacité des additifs testés à réduire la production de suies est fortement liée à leur structure moléculaire et à la nature de leur groupement fonctionnel oxygéné. Finalement, les résultats obtenus dans le cadre de cette recherche ont été simulés à l’aide d’un modèle d’incrément, se basant sur la théorie d’additivité de groupements structurels, développé récemment et qui a permis de reproduire avec précision les résultats expérimentaux, peu importe le carburant étudié.

Titre traduit

Analysis of the sooting propensity of jet fuel surrogates and blends containing oxygenated molecules

Résumé traduit

Jet fuels (e.g., Jet-A and Jet-A1) which are widely used for aviation also raise a growing interest for usage in Diesel engines and generators. The combustion of these fuels, however, generates soot particles that have adverse impacts on the environment and health. To meet the increasingly stringent regulations aimed at limiting such emission of particulate pollutants, we must improve our understanding of the soot formation mechanisms while also identifying lowsooting additives to be blended with petroleum fuels. Although numerous fundamental studies have been carried out to elucidate the propensity to soot of individual hydrocarbons, the complexity of jet fuels, which comprise hundreds of compounds, prevents the carrying out of proper simulations aimed at predicting their combustion behavior. To overcome this issue, the formulation of surrogates composed of a relatively small number of pure hydrocarbons is of high interest as such model fuels enable conducting the well controlled and reproducible experiments required to develop reaction mechanisms which account for the combustion of complex fuels. Within this context, the present work aims at identifying a convenient surrogate which mimics the sooting tendency of Jet-A1 with the view to blend it with various oxygenated fuels to evaluate their respective soot suppressing effect. To do so, 6 formulations of model fuels have been tested. Their propensity to soot has been characterized by means of the oxygenextended sooting index (OESI) as a sooting index. The smoke point (SP) which is the experimental parameter measured to compute the OESI has been assessed by implementing two different automated smoke point measurement approaches from the literature whose respective performance has been compared. In terms of result, a mixture composed of ndodecane, isocetane, 1,3,5-trimethylbenzene and n-propylbenzene has been identified as being the most suited to reproduce the sooting tendency of Jet-A1. This surrogate has therefore been selected to be blended with up to 40 vol% of various alcohols, esters and furans including ethanol, butanol, butyl butanoate, methyl octanoate, furfuryl alcohol, tetrahydrofurfuryl alcohol and furfural. The OESI of these mixtures have been measured so leading to conclude that the soot suppressing effects of the tested additives was strongly related to both their molecular structure and to the nature of the oxygenated functional group. The results gathered within this experimental work have finally been simulated by means of a recently developed group increment model which allowed accurately reproducing experimentally monitored results regardless of the tested fuels.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 159-169).
Mots-clés libres: kérosène, pouvoir suitant, carburants modèles, composés oxygénés, furanes, OESI
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Lemaire, Romain
Codirecteur:
Codirecteur
Seers, Patrice
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 14 juin 2022 17:45
Dernière modification: 14 juin 2022 17:45
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3009

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