Mécanismes de dégradation des lubrifiants dans les moteurs à combustion interne à ammoniac/hydrogène

Lubricant degradation mechanisms in ammonia/hydrogen internal combustion engines

• Auteur / Autrice : Carole Doncoeur
• Direction : Christine Rousselle
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 07/11/2022
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PRISME - Laboratoire Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes et Mécanique Energétique

Mots clés

Mots clés libres

Lubrifiant

Huile moteur

Oxydation

Ammoniac

Particules

Lubricant

Engine oil

Oxidation

Ammonia

Particles

Résumé

L'ammoniac suscite un intérêt croissant en tant que potentiel carburant intrinsèquement sans carbone pour des moteurs thermiques destinés au transport longue distance ou non routier. Cependant, ce carburant a une chimie différente de celle des carburants carbonés traditionels, et donc une réactivité, des caractéristiques de combustion et des compositions de gaz d'échappement différents, modifiant les contraintes auxquelles les lubrifiants sont soumis. Lors de la combustion d'ammoniac ou de mélanges ammoniac/hydrogène, les lubrifiants peuvent être exposés à des oxydes d'azote, de l'ammoniac imbrûlé et de l'eau, autant de composés susceptibles d'altérer leurs propriétés et de se combiner à la dégradation liée à l'oxydation en phase liquide. L'objectif principal de cette thèse est d'identifier les défis spécifiques de la combustion de l'ammoniac et des mélanges ammoniac/hydrogène vis-à vis du lubrifiant, et d'étudier comment le vieillissement de ce dernier affecte en retour l'efficacité du moteur et les émissions de polluants. Pour cela, une approche expérimentale multiéchelle et multitechnique a été développée. Le comportement à l'oxydation d'huiles de base sans additifs a d'abord été caractérisé, servant de référence pour l'étude des effets d'une exposition aux oxydes d'azote et à l'ammoniac gazeux dans des conditions contrôlées de vieillissement accéléré. La spectroscopie infrarouge, la viscosité et l'analyse élementaire ont notamment été utilisées pour caractériser l'évolution des huiles. Ces expériences ont permis de mettre en évidence de nouveaux mécanismes de dégradation impliquant l'ammoniac, l'oxygène et les huiles. Pour compléter cette étude, l'évolution de trois différentes huiles moteurs, dont une huile minérale pré-veillie en laboratoire, a ensuite été explorée directement sur un moteur expérimental alimenté alternativement avec de l'ammoniac et du méthane. L'analyse a permis de démontrer l'incorporation d'azote dans les huiles, sous forme d'ammoniac dissous, corrélé avec la présence de métaux de corrosion, mais aussi sous forme de produits de dégradation. Par ailleurs, l'huile minérale pré-vieillie a conduit à une diminution de l'efficacité du moteur dans les conditions choisies. Les émissions gazeuses et de particules ont été caractérisées au moyen d'un suivi en ligne en temps réel et d'observations microscopiques de particles collectées à l'échappement. Un panorama des morphologies de particules observées avec l'ammoniac et le méthane, en lien avec les différentes huiles, a également été dressé. Ce travail contribue à une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation des lubrifiants lors de la combustion de l'ammoniac, ainsi qu'à l'évaluation des conséquences sur le fonctionnement du moteur et les émissions polluantes. Il met en évidence la nécessité d'adapter les formulations de lubrifiants aux spécificités de ce carburant.

The use of ammonia, an intrinsically carbon-free molecule, as alternative fuel in internal combustion engines for specific applications such as long-distance or off-road transportation, is attracting growing interest. However, this fuel exhibits different chemistry compared to conventional carbon-based fuels, leading to different reactivity, combustion characteristics, and exhaust gas compositions, modifying the conditions endured by lubricants. In the case of ammonia or ammonia/hydrogen combustion, lubricants can be exposed to nitrogen oxides, unburned ammonia, and water, compounds that may further impair their properties, combined to liquid phase oxidation. The main objective of this thesis is to identify the specific challenges posed by ammonia and ammonia/hydrogen combustion for lubricants, and to investigate how lubricant aging, in turn, affects engine efficiency and pollutant emissions. To this end, a multiscale and multitechnique experimental approach was developed. The oxidation behavior of additive-free base oils was first characterized, and provided the basis for investigating the effects of an exposure to nitrogen oxides and gaseous ammonia under controlled accelerated-aging conditions. Several techniques were used to characterize the evolution of the oils, including infrared spectroscopy, viscosity, and elemental analysis. These experiments revealed new degradation mechanisms involving ammonia, oxygen, and the base oils. To complement this work, the evolution of three different engine oils, including one pre-aged mineral oil with accelerated aging, was investigated directly in a test engine operated with ammonia and methane alternatively. Nitrogen incorporation into the oils was demonstrated, both as dissolved ammonia in all three samples, correlated with the detection of corrosion metals, and as heavier degradation products. Furthermore, the pre-aged mineral oil was associated with reduced engine efficiency under the chosen experimental conditions. Gaseous and particulate emissions were characterized through real-time in-line monitoring combined with microscopic observation of particles collected at the exhaust. An overview of the particle morphologies observed under ammonia and methane combustion with the different oils was also provided. Overall, this work provides new insights into lubricant degradation during ammonia combustion and its implications for engine operation and pollutant emissions. It highlights the need to adapt lubricant formulations to the specificities of ammonia.