Modélisation cinétique de l’impact des carburants oxygénés sur les émissions polluantes en moteur à allumage commandé à injection directe

Kinetic modelling of the impact of oxygenated fuels on polluting emissions in direct injection spark ignition engines

• Auteur / Autrice : Timothée Fages
• Direction : Pierre-Alexandre Glaude, René Fournet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 13/05/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Baptiste Sirjean
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Alexandre Glaude, René Fournet, Véronique Dias, Guillaume Dayma, Eleonore Riber
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Dias, Guillaume Dayma

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants

Méthodes de simulation

Combustion

Biocarburants

Composés aromatiques polycycliques

Essence

Automobiles -- Moteurs -- Injection du carburant

Mots clés libres

Modélisation cinétique

Essence

HAP

Alcool

Mécanisme

Kinetic modelling

Gasoline

PAH

Alcohol

Mechanism

Résumé

Les moteurs à essence à injection directe équipent de plus en plus les véhicules légers, permettant de réduire la consommation de carburant. Cependant, ce type de motorisation favorise la formation de films liquides de carburant sur les parois de la chambre de combustion. Lorsqu'ils brûlent dans des flammes riches, ces films produisent des nano-suies. Cette nouvelle production de polluants s’ajoute à l’augmentation des émissions de NOx et d’aldéhydes, dangereux pour la santé, lors de la combustion d'essences contenant des biocarburants de type alcool, comme l’éthanol ou l’isobutanol. Afin de mieux comprendre et simuler ces phénomènes, un modèle cinétique détaillé de combustion à haute température a été développé pour un carburant modèle de type Toluene Reference Fuel (TRF), qui est un mélange isooctane/n-heptane/toluène, associé à de l’éthanol (E) et de l’isobutanol (B). Le nouveau mécanisme TRF-B a été construit à partir de sous-mécanismes de la littérature sélectionnés par leurs performances pour reproduire un très grand nombre de délais d’auto-inflammation et de mesures expérimentales des combustibles purs et des mélanges binaires et ternaires. Les performances et la taille des mécanismes dans la littérature ont conduit à la construction du mécanisme TRF final en fusionnant des mécanismes issus du LLNL à l’aide d’un code développé dans ce travail pour la fusion automatique de mécanisme, TIRAMISU. Ce mécanisme TRF a ensuite été fusionné à un sous-mécanisme de l'isobutanol du MIT et à un sous-mécanisme des NOx. Pour prendre en compte la formation des précurseurs de suies, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), un sous-mécanisme provenant du LLNL et un autre provenant du LRGP ont été extraits et fusionnés entre eux puis ajoutés au mécanisme TRF-B. Une version réduite du mécanisme a aussi été créée, en enlevant les réactions de basse température. Ce mécanisme a été validé sur de nouvelles flammes laminaires prémélangées de TRF-B, TRF-E et TRF, obtenue expérimentalement par le PC2A. Une analyse cinétique a ensuite permis de l’améliorer en mettant à jour des voies réactionnelles et des constantes de vitesse à l’aide de valeurs de la littérature. De nouvelles constantes de vitesse pour 25 réactions d’ipso-addition sur les cycles aromatiques ont été obtenus par calcul au niveau théorique QCISD(T)-MP2/CBS. Ces constantes constituent une nouvelle base de données pour cette classe de réaction. La précision de la prédiction des espèces aromatiques du mécanisme a été augmenté, une fois les réactions ajoutées au mécanisme.

Direct-injection gasoline engines are increasingly used in light vehicles, helping to reduce fuel consumption. However, this type of engine promotes the formation of liquid films of fuel on the walls of the combustion chamber. When burnt in rich flames, these films produce nano-soots. This new production of pollutants comes on top of the increased emissions of NOx and aldehydes, which are dangerous to health, when gasoline containing alcohol-type biofuels, such as ethanol or isobutanol, is burned. In order to better understand and simulate these phenomena, a detailed kinetic model of high-temperature combustion has been developed for a surrogate fuel of the Toluene Reference Fuel (TRF) type, which is a mixture of isooctane/n-heptane/toluene, combined with ethanol (E) and isobutanol (B). The new TRF-B mechanism was built from sub-mechanisms in the literature selected for their performance in reproducing a very large number of auto-ignition times and experimental measurements of pure fuels and binary and ternary mixtures. The performance and size of the mechanisms in the literature led to the construction of the final TRF mechanism by merging mechanisms from LLNL using a code developed in this work for automatic mechanism merging, TIRAMISU. This TRF mechanism was then merged with an MIT isobutanol sub-mechanism and a NOx sub-mechanism. To account for the formation of soot precursors, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), a sub-mechanism from LLNL and another from LRGP were extracted and merged with each other, then added to the TRF-B mechanism. A reduced version of the mechanism was also created, removing the low-temperature reactions. This mechanism was validated on new premixed laminar flames of TRF-B, TRF-E and TRF, obtained experimentally by PC2A. Kinetic analysis was then used to improve the mechanism, updating reaction pathways and rate constants using literature values. New rate constants for 25 ipso-addition reactions on aromatic rings were obtained by calculation at the theoretical QCISD(T)-MP2/CBS level. These constants constitute a new database for this class of reaction. The accuracy of the prediction of the aromatic species of the mechanism has been increased, once the reactions have been added to the mechanism.