Étude expérimentale et numérique de la cinétique d'oxydation de la fenchone, un additif à haute densité énergétique

Experimental and modeling study of the oxidation of fenchone, a high-energy density fuel-additive

• Auteur / Autrice : Lydia Boualem
• Direction : Guillaume Dayma, Zeynep Serinyel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Benoîte Lefort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoîte Lefort, Véronique Dias, René Fournet, André Nicolle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Dias, René Fournet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Oxydation

Automobiles -- Moteurs -- Combustion

Additifs

Transport

Décarbonation

Recherche

Terpènes

Essais

Carburants de synthèse

Mots clés libres

Polluants générés par la combustion

Additifs SRH

Modèle cinétique

Fenchone

Terpènes

Réacteur auto-agité (JSR)

Machine à compression rapide (MCR)

Fonctionnalisation d'additifs

Pollutants generated by combustion

SRH additives

Kinetic model

Fenchone

Terpenes

Jet-stirred reactor (JSR)

Rapid Compression Machine

Additive functionalization

Résumé

La formulation d'additifs multifonctionnels issus des terpènes cycliques est une solution pour améliorer simultanément plusieurs propriétés des carburants automobiles. Les composés présentant des tensions de cycle sont utilisés dans le domaine aérospatial en raison de leur densité énergétique, le présent travail est cependant lié à des applications terrestres (moteurs à piston automobiles). Plusieurs travaux bibliographiques ont été mis en avant dans la littérature, visant à apporter des informations sur les additifs à haute densité énergétiques dont les polycycliques comme le norbornane, ethylnorbornane et leur dérivé oxygéné tels que le camphre et la fenchone. Dans le cadre de ce projet, on s'est intéressé à la fenchone, pouvant être considérée non seulement comme un additif carburant mais aussi comme un intermédiaire de combustion du triméthylnorbornane. Cette étude a pour objectif de caractériser la cinétique d'oxydation en phase gazeuse de la fenchone par deux approches, expérimentale et numérique, afin de rationaliser les importances respectives de voies réactionnelles mise en jeu. Deux dispositifs expérimentaux ont été utilisées pour cette étude (réacteur auto-agité par jets gazeux, machine à compression rapide). Dans un premier temps, les expériences ont été réalisées en réacteur à jets gazeux sous des conditions expérimentales de température allant de 750-1120 K, à une pression de 10 atm et pour des richesses [0.5-1-2]. En deuxième partie, les mesures des délais d'auto-inflammation du mélange fenchone/air/inertes en fonction des températures à la fin de la compression ont été réalisées sous deux conditions de richesses [0.5-1], une pression de 40 bars. Enfin, un mécanisme cinétique développé afin de reproduire ces résultats, ainsi l'accord entre les données expérimentales et simulation semble être satisfaisant pour un tel composé complexe.

The formulation of multifunctional additives from cyclic terpenes is a solution to improve several properties of automotive fuels simultaneously. Compounds with ring tensions are used in the aerospace field because of their energy density, but the present work is related to terrestrial applications (automotive piston engines). Several studies have been carried out in the literature, aiming to provide information on high energy density additives including polycyclic compounds such as norbornane, ethylnorbornane and their oxygenated derivatives such as camphor and fenchone.This project focused on fenchone which can be considered not only as a fuel additive but also as a combustion intermediate of trimethylnorbornane.The aim of this study is to characterise and quantify the gas-phase oxidation kinetics of fenchone using two approaches, experimental and numerical, in order to rationalise the respective importance of the reaction pathways involved. Two experimental set-ups were used for this study (jet stirred-reactor, rapid compression machine). In the first part, the experiments were performed in a gas jet reactor under experimental temperature conditions ranging from 750-1120 K, at a pressure of 10 atm and for ratios [0.5-1-2]. In the second part, measurements of the ignition delay times of the fenchone/air/inert gas mixture as a function of the temperatures at the end of the compression were carried out under two conditions of ratio[0.5-1], a pressure of 40 bars. Finally, a kinetic mechanism was developed to reproduce these results, so that the agreement between experimental and simulation data seems to be satisfactory for such a complex compound.