Impact de la composition du carburant sur les émissions aéronautiques : une approche multi-échelles

impact of fuel composition on aeronautic emissions : a multi-scale approach

• Auteur / Autrice : Antoine Berthier
• Direction : Cristian Focsa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energetique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 11/05/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Desgroux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Delhaye, Ismael K. Ortega, Prem Lobo, Patrick Duchaine
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Barbara D'Anna, Fabrice Foucher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés organiques cycliques

Chambres de combustion

Analyse multiéchelle

Spectrométrie de masse à temps de vol

Combustion

Avions -- Turboréacteurs

Propriétés physico-chimiques

Analyse

Suie

Polluants atmosphériques

Avions -- Moteurs -- Gaz d'échappement

Mots clés libres

Particules non volatiles

Banc de combustion

Emissions

Non-Volatile particulate matter

Physico-Chemical characterization

Test bench

Turbojet engine

Résumé

Le secteur économique lié au transport est responsable de près de 56 % des émissions de gaz à effet de serre en Europe, dont 2 % sont dus au transport aérien. Les moteurs à combustion interne représentent la majorité des sources de propulsion et génèrent des émissions polluantes de gaz et de particules. Ces émissions ont un impact important sur la qualité de l’air, la santé humaine et le bilan radiatif terrestre. De nombreux efforts de réduction des émissions polluantes et de la consommation en carburant ont été concrétisés au cours des dernières décennies par les constructeurs, notamment grâce au déploiement de nouveaux carburants, dits alternatifs, et de nouvelles technologies, afin de répondre aux normes d’émissions de gaz (CO2, NOx) et de particules non-volatiles.L’objectif principal de ces travaux de thèse a été de comprendre le lien entre les émissions de particules et de gaz d’un turboréacteur en fonction de la composition chimique du carburant, de la configuration du moteur et de sa puissance. Cette étude s’est démarquée par son approche multi-technique et multi-échelle. La caractérisation physique des particules non-volatiles a été réalisée par une ligne de mesure développée selon les recommandations de la SAE (Society of Automotive Engineers) et la caractérisation chimique des émissions notamment par l’intermédiaire de prélèvements d’échantillons sur filtres et leur analyse par spectrométrie de masse. Les techniques de caractérisations ont été déployées de l’échelle du laboratoire, sur un brûleur mini-CAST « liquide », à l’échelle de la turbomachine, sur un moteur d’hélicoptère de Safran Helicopter Engines, en passant par l’échelle du banc de combustion, sur les installations M1 et MICADO de l’ONERA à Palaiseau.Le brûleur de laboratoire mini-CAST « liquide » et le banc de combustion M1 ont été employés dans le cadre du projet européen JetScreen pour réaliser la combustion de carburants usuels (Jet-A1) et alternatifs. Une réduction des émissions de particules non-volatiles a pu être mise en évidence sur certains carburants alternatifs, et un lien a été établi avec le taux de composés aromatiques présents dans le carburant. L’analyse par spectrométrie de masse a montré une réduction de la concentration relative des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) à la surface des particules et en phase gazeuse lors de l’utilisation de carburants alternatifs. La réduction de ces émissions organiques volatiles par un procédé catalytique a été étudiée sur le banc d’essai MICADO de l’ONERA, mettant en évidence la suppression efficace de la couche organique de surface des particules de suie. Finalement, nos études ont visé les émissions d’un moteur d’hélicoptère en différentes configurations de fonctionnement (rejet des huiles de lubrification, niveau d’usure de l’injecteur) et en fonction de sa puissance. La caractérisation chimique par spectrométrie de masse a permis de mettre en évidence la présence d’HAP, de molécules hydrocarbonées pouvant posséder un ou deux atomes d’oxygène, de composés soufrés et azotés à la surface des particules de suie, ainsi que celle de composés métalliques provenant de l’usure des pièces en rotation dans le moteur. Des corrélations entre des caractéristiques physiques (concentration massique des particules non-volatiles) ou chimiques (intensité relative des signaux des HAP) et la puissance du moteur ont été mises en évidence.

The transportation-related economic sector is responsible for nearly 56% of greenhouse gas emissions in Europe, of which up to 2% is due to air transport. Internal combustion engines represent the majority of propulsion sources and generate gaseous and particulate matter (PM) emissions. The emitted particles (commonly called soot) are complex, mainly consisting of carbon, and may have numerous compounds adsorbed on their surface, such as sulfates, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and metals. These emissions have a significant impact on air quality, human health and the Earth’s radiative balance. Numerous efforts to reduce pollutant emissions and fuel consumption have been implemented in recent decades by engine manufacturers, in particular through the deployment of new fuels, so-called alternative fuels, and new technologies, to meet the emission standards for gases (CO2, NOx) and non-volatile particulate matter (nvPM).The main objective of this thesis work was to understand the link between the particulate and gas emissions of a turbojet engine and the fuel chemical composition, the engine configuration and its power. To achieve this, this work aimed to characterize the emissions of different aerosol sources burning aircraft fuels. This study stood out for its multi-technical and multi-scale approach. The characterization of the different combustion sources was done by coupling “physical” nvPM measurements, on a line developed according to the SAE (Society of Automotive Engineers) recommendations, and “chemical” ones via sample collection on filters and subsequent analysis by mass spectrometry. Emissions characterization techniques were deployed from the laboratory scale on a mini-CAST burner adapted for liquid fuel combustion, to the turbomachine scale on a helicopter engine from Safran Helicopter Engines (SHE), after passing through the combustion bench scale on ONERA’s installations.The mini-CAST laboratory burner adapted to burn liquid fuels and the M1 combustion bench were used as a part of the European JetScreen project to achieve the combustion of common and alternative fuels to link the fuel composition to nvPM emissions and the chemical composition of emissions. It was possible to observe a reduction in nvPM emissions (number concentration, mass concentration, size distribution) according to the level of aromatic compounds present in the fuel. In addition, mass spectrometry analysis showed a reduction in the PAH relative intensity when using alternative fuels. Using ONERA’s MICADO test bench as a source of representative aerosols, allowed the analyses of the impact of a catalytic stripper on the chemical composition of emissions, this device being commonly used to isolate nvPM in the emissions. The suppression of the organic layer on the surface of soot particles was so evidenced. Finally, characterization techniques were deployed at the exit of a helicopter engine, allowing the characterization on the emissions in various engine configurations (release of lubricating oils, used or new injectors…) and as a function of its power. Filters sampling made possible to highlight the presence of PAHs, oxygenated hydrocarbons, sulfur and nitrogen compounds, as well as metal compounds resulting from the wear of rotating parts in the engine. By applying semi-quantitative approaches, it was possible to link the relative chemical (PAH relative intensity) and physical (nvPM mass concentration) with the power regime of the engine.