• Langue : Anglais
• Discipline : Energétique, génie des procédés, combustion
• Identifiant : 2020LILUR045
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 14/12/2020

Résumé en langue originale

En 2019, environ 30% des émissions de CO2 dans l'UE provenaient du secteur des transports. L'électrification est l'une des alternatives possibles pour réduire les émissions de CO2 liées à la mobilité ; néanmoins, sa démocratisation coûterait un budget énorme et des décennies pour remplacer plus de 300 millions de voitures particulières propulsées par des moteurs à combustion interne. De plus, certains domaines tels que l'aviation et le transport maritime sont encore loin de pouvoir adopter l'électrification en raison de la densité énergétique des batteries et de l’approvisionnement d'énergie suffisamment décarboné. Compte tenu de cette situation et de ces limitations, les biocarburants renouvelables apparaissent comme un moyen prometteur de décarboner rapidement le secteur des transports. Les biocarburants sont actuellement mélangés comme additifs, et ils peuvent être produits par transformation de la biomasse lignocellulosique ; matière première non comestible et renouvelable utilisée pour la production de biocarburants de deuxième génération. Les biocarburants nouvellement introduits présenteraient des caractéristiques de combustion différentes de celles des combustibles fossiles conventionnels, qui doivent être étudiées en détail. La mise en œuvre de telles substances nécessite une modification appropriée de la cartographie de fonctionnement du moteur pour éviter le phénomène de cliquetis dans les moteurs à allumage commandé, qui est un obstacle majeur à l'augmentation de l'efficacité thermique des moteurs fortement turbocompressés. Compte tenu du fait que ces phénomènes et l'auto-allumage des gaz imbrûlés dans des conditions de température plus basse est régi par la chimie d'auto-inflammation du carburant, il est nécessaire d'assurer leur compatibilité avec les nouveaux moteurs en examinant leurs voies de réaction en conditions "moteur". Cette étude vise donc à présenter un benchmark des potentiels nouveaux biocarburants et/ou additifs à utiliser dans les moteurs à essence, ainsi qu'à fournir des discussions utiles d'un point de vue cinétique sur la co-oxydation de ces composés avec les carburants conventionnels. Quatre composés dérivés de la lignocellulose (LDC) ont été étudiés ; l'anisole, l'o-crésol, le prénol et la cyclopentanone, qui sont soit des carburants automobiles potentiels, soit des additifs. L'isooctane, qui a souvent été utilisé comme substitut de l'essence de référence, a également été testé pour comparer les données acquises avec la littérature et valider la méthodologie utilisée dans cette étude. Les délais d’auto-inflammation (IDT) ont été mesurés à l'aide de la machine à compression rapide d'ULille, et les mélanges d'isooctane/LDC/O2 /inerte ont été évalués dans des conditions stœchiométriques de carburant dans l'air. L'effet de la composition a été étudié, en faisant varier la quantité de LDC dans les mélanges d'isooctane et en faisant également varier la pression de compression de 14 à 25 bar. L'effet de la température sur l'IDT a été étudié à 20 bar et les températures de 665 à 870 K. Les carburants de substitution ont été formulés dans des conditions stœchiométriques et préparés jusqu'à ce que la fraction LDC atteigne la valeur maximale autorisée vis-à-vis de leur volatilité. Les limites étaient de 20% pour l'o-crésol, 40% pour l'anisole et le CPN et 50% pour le prénol. Dans l'ensemble, l'ajout de LDC inhibe la réactivité à l'isooctane, qui peut être classée par ordre décroissant de réactivité : isooctane pur, o-crésol, anisole et cyclopentanone. En revanche, le carburant de substitution contenant le prénol était le seul à présenter une réactivité limitée à basse température et à favoriser la réactivité à l'isooctane à haute température, c'est-à-dire de 800 à 870 K.

Résumé traduit

In 2019, nearly 30% of the CO2 emissions in the EU come from the transport sector. Electrification is one of the possible and stringent alternatives towards reducing CO2 emissions from the mobility; nevertheless, its wide availability would cost an enormous budget and decades to replace more than 300 million passenger cars powered by internal combustion engines. Moreover, some domains such as aviation and marine transport are still far from adopting electrification due to the comparably lower energy density of the batteries and carbon-free energy provision. Considering these situations and limitations, renewable biofuels emerge as a promising way to decarbonize the transport sector promptly. Biofuels are currently blended as additives, and can be produced by transformation of lignocellulosic biomass; inedible and renewable feedstock utilized for second-generation biofuel production. The newly introduced biofuels would demonstrate different combustion characteristics than the conventional fossil-based fuels, which need to be investigated in detail. The implementation of such substances requires precise operation strategy to avoid engine knock from spark-ignition (SI) engines, which is a major obstacle against increasing the thermal efficiency in highly turbocharged engines. Taking into account that the engine knock, or in general the autoignition of the unburned end-gas under low temperature conditions, is governed by the autoignition chemistry of fuel, it is, necessary to ensure their compatibility with the new engines by looking into their reaction pathways in engine-relevant conditions. This study aims to present a benchmark of potential new biofuels and/or additives to be used in (SI) engines, as well as provide useful discussions from a kinetics perspective on the co-oxidation of these compounds along with conventional fuels. Four oxygenated lignocellulosic derived compounds (LDCs) were investigated; anisole, o-cresol, prenol, and cyclopentanone (CPN), which are either potential automotive fuels or additives. Isooctane, which has often been used as the reference gasoline surrogate, was also tested to compare the acquired data with literature and validate the methodology used in this study. Ignition delay times (IDTs) were measured using ULille Rapid Compression Machine (RCM), and the mixtures of isooctane/LDC/O2/inert were evaluated at stoichiometric fuel-in-air conditions. The composition effect was investigated, varying the amount of LDC within isooctane mixtures and also varying the compression pressure from 14 to 25 bar. The effect of temperature on the IDT was investigated at 20 bar, and core gas temperatures from 665 to 870 K. The surrogates were formulated at stoichiometric conditions and prepared until the LDC fraction reached the maximum reasonable value given their volatility. The limits were 20% for o-cresol, 40% for anisole and CPN, and 50% for prenol. Overall, the LDC addition inhibits the isooctane reactivity, which can be ranked in descending order for reactivity: pure isooctane, o-cresol, anisole, and cyclopentanone. On the other hand, prenol surrogate was the only one to show limited reactivity at low temperatures and promote the isooctane reactivity at high temperatures, i.e., from 800 to 870 K.