Simulation aux grandes échelles de l'injection de carburant liquide dans les moteurs à combustion interne, Large Eddy Simulation of the liquid fuel injection in internal combustion engines

De
Publié par

Sous la direction de Bénédicte Cuenot, Adlène Benkenida
Thèse soutenue le 15 septembre 2009: INPT
Les objectifs ambitieux, fixés aux acteurs du secteur automobile par les pouvoirs publics, en matière d'émission de polluants et de gaz à effet de serre rendent aujourd'hui indispensable une compréhension plus fine de la combustion dans les moteurs. La simulation 3D aux grandes échelles (LES) représente une voie prometteuse pour répondre à ces enjeux. Elle permet l'étude de phénomènes transitoires complexes inaccessibles avec des moyens expérimentaux ou des méthodes de calculs traditionnelles de type RANS. Ce travail de thèse est une première étape vers la simulation LES de l'injection de carburant liquide dans les moteurs à piston. Il a consisté à adapter le code de calcul aux particularités physiques de l'injection directe, technologie qui se généralise actuellement à tous les types de moteurs à piston. Dans un premier temps, et afin de s'affranchir du calcul 3D complexe en sortie d'injecteur, une méthodologie originale, consistant à initier le calcul en aval de l'injecteur, est proposée et validée sur différents cas. Pour la simulation 3D, l'approche Eulérienne mésoscopique, à laquelle est ajouté un modèle d'interaction particules-particules, est utilisée pour simuler le spray. Les simulations ont été premièrement validées par comparaison expérimentale dans des conditions proches de l'injection Diesel. De plus, une étude sur la dynamique du spray a permis de mieux comprendre son évolution et de dégager des points communs avec un jet de gaz turbulent. Des simulations complémentaires ont également montré la prédictivité de la LES sur des injections Diesel réalistes. Enfin, un premier calcul moteur à injection directe a été réalisé et a permis de valider les développements réalisés dans le cadre de cette thèse.
-Injection
-Simulation aux grandes échelles (SGE) (LES)
-Injection
-Diesel
-Spray
-Moteur
-Approche Eulérienne Mésoscopique
Car manufacturers are facing increasingly severe regulations on pollutant emissions and fuel consumption. To respect these regulations, a better understanding of combustion processes is needed. Large Eddy Simulation (LES) is becoming a promising tool for such issues as it allows the study of complex unsteady phenomena which can not be analysed with RANS simulations or experiments. The present work is a step towards the LES of liquid injection in piston engines. The numerical code has been adapted to the specifications of Direct Injection which is more and more used in industry. Firstly, in order to avoid the difficulties linked to the 3D simulation of cavitation, primary break-up and turbulence in the near-nozzle region, an original methodology, based on an injector model, has been proposed. The idea is to initiate the spray physics downstream to the injector exit. Then LES 3D simulations of spray have been conducted using the Eulerian Mesoscopic approach extended to dense dispersed sprays by the addition of a particle-particle interactions model. The simulation results have been validated by comparison with experimental data in Diesel conditions with a low injection pressure. Furthermore a study on the spray dynamics has permitted to better understand its development and to find similarities with a turbulent gaseous jet. Additional simulations on realistic Diesel injection conditions have shown the good predictivity of LES in such cases. Finally, a first simulation of a Direct Injection Engine has been been carried out to assess the developments achieved in this work.
-Large Eddy Simulation
-Two-Phase Flow
-Mesoscopic Eulerian Formalism
-Injection
-Diesel
-Spray
Source: http://www.theses.fr/2009INPT008G/document
Publié le : lundi 19 mars 2012
Lecture(s) : 34
Tags :
Nombre de pages : 227
Voir plus Voir moins













THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par Institut Nationnal Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Sciences des Agroressources


Présentée et soutenue par M. Fabien GASC
Le 15 mai 2009

Titre : Synthèse de carbonates de dialkyle à partir d’alcools et de dioxyde de carbone
supercritique

JURY
Mme Sophie THIEBAUD-ROUX……………………………………………………………………………………Directrice de thèse
Mme Françoise QUIGNARD…………………………………………………………………………………………………….Rapporteur
M. Jean-Luc FUGIT…………………………………………………………………………………………………………………Rapporteur
M. Jacques FAGES……………………………………….……………………………………………………………………………..Membre
M. Cyril AYMONIER…………………………………………………………………………………………………………………….Membre
M. Philippe SERP………………………………………………………………………………………………………………………..Membre
M. Zéphirin MOULOUNGUI……………………………………………………………………………………………………………..Invité

Ecole doctorale : Sciences de la Matière
Unité de recherche : Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle - UMR 1010 INRA/INP - ENSIACET,
118 route deNarbonne - 31077 Toulouse CEDEX 4
Directeur(s) de Thèse : Mme Sophie THIEBAUD-ROUX
Rapporteurs : Mme Françoise QUIGNARD - M. Jean-Luc FUGIT

 







A ma famille, qu’elle soit toujours avec nous physiquement ou non…
A toi mon cœur.

«La Terre n’appartient pas à l’homme, c’est l’homme qui appartient à la Terre.»
Sitting Bull




















Remerciements

Je tiens tout d’abord à remercier Marie-Élisabeth Borredon pour m’avoir accueilli au sein du
Laboratoire de Chimie Agro-industrielle et pour m’avoir offert l’opportunité d’effectuer cette
thèse. Merci de m’avoir accordé votre confiance et de m’avoir soutenu tout au long de cette
période.

Un grand merci à ma directrice de thèse, Mme Sophie Thiebaud-Roux pour son encadrement
et son soutien tout au long de ma thèse. Même si nous n’avons pas toujours été d’accord
durant ces 3 ans et demi, notre relation est toujours restée très cordiale et professionnelle.

Je remercie mes rapporteurs, Mme Françoise Guignard et M. Jean-Luc Fugit, d’avoir accepté
de rapporter ce travail et pour leur remarques constructives apportées sur ce travail.

Un grand merci au Pr. Jacques Fages d’avoir accepté de présider le jury de cette thèse. Je tiens
aussi à vous remercier tout particulièrement, et à travers vous à remercier Elizabeth Rodier et
Jean-Jacques Letourneau, ainsi que tout le personnel du laboratoire, pour l’accueil que vous
nous avez réservé à l’EMAC au début de cette thèse. Vos connaissances ainsi que votre savoir
faire en matière de fluide supercritique m’ont été d’un apport considérable pour mener à bien
ces travaux.

Je remercie tout le personnel du Laboratoire de Chimie Agro-industrielle, sans qui ce travail
de thèse n’aurait pas pu être mené à bien. Merci pour votre accueil, votre aide, vos conseils,
vos soutiens, vos coups de mains, votre écoute. Parmi tous les membres du personnel, je tiens
plus particulièrement à remercier Michel, pour sa disponibilité quotidienne, sa capacité à
résoudre les problèmes quels qu’ils soient et sa bonne humeur avec son fabinou, Karine pour
sa bonne humeur et sa capacité à faire passer les bons de commande rapidement, Emmanuelle
et Didier pour leur disponibilité, Muriel, Laure, Géraldine et Jérôme pour leur disponibilité et
leurs réponses lors des problèmes analytiques. Merci à vous et à tous les autres.

Merci aussi à tous les thésards, passés et présents, qui ont contribués au maintient d’une très
bonne ambiance durant ces trois années et demies. Le travail a toujours été accompli dans une ambiance chaleureuse, amicale mais aussi professionnelle et cela grâce à la particularité de
chacun : la sagesse et le professionnalisme de Philippe E. et Laurent (merci Philippe de
m’avoir accompagné pendant longtemps tous les matins à 7 heure au laboratoire), le calme et
la rigueur d’Aurélie et de Florina ou encore la folie et les délires de Philippe M..

Au-delà de toutes ces personnes à remercier, il y a un certain nombre de personnes qui ont
encore plus compté durant ces 42 mois. Que ce soit des thésards qui m’ont intégré à l’époque
en me mettant un pied dans le navire, ou des compagnons de thèse, embarqués avec moi pour
3 années de traversés, ou encore des matelots qui ont pris le trajet en cours de route, tous sont
devenus bien plus que des collègues de travail. Et je suis persuadé que nos chemins se
recroiseront dans le futur, ne serait-ce que pour fêter de grandes et belles choses. A vous tous
et toutes, Emilie, Lupita, Julien, Delphine, Olivier, Matthieu, je vous remercie sincèrement
pour tout ce que vous avez pu faire pour moi.
Et je ne pourrais pas terminer de remercier mes collègues thésards, sans te remercier toi,
Mathieu. Parce qu’on a fait le même Master chimie Option chimie-biologie, sans jamais se
voir en cour, nous nous sommes découvert au laboratoire. Puis d’étranger, nous sommes
devenus des collègues, puis des copains, pour devenir une des plus belles choses, des amis.
Alors merci pour tout ce que tu as fait, tout ce que tu as été et à très bientôt.

Merci aussi à toutes celles et ceux qui m’ont supporté pendant cette période. Je pense bien
entendu à mes amis, mais aussi à tous ceux avec qui j’ai joué au rugby à Balma et qui m’ont
permis de m’investir dans autre chose que ma thèse.

Enfin, j’adresse plus particulièrement un grand merci à toute ma famille : ma grand-mère, ma
mère, mon père, ma sœur, mon frère, ma belle-sœur, mon beauf’, mes oncles et tantes, pour
leur aide et leur présence de tous les instants. Je vous aime tous très fort, merci.

Pour terminer, je tiens à te remercier à toi, Christelle, pour tout ce que tu es et tout ce que tu
m’apporte quotidiennement. Tu m’as toujours soutenu, encouragé, aidé, et surtout toujours
fait confiance. Je ne peux pas faire la somme de tout ce que tu m’apportes tous les jours, mais
j’espère sincèrement pouvoir t’en apporter autant, et que ça dure le plus longtemps possible.
Merci mon amour. SOMMAIRE

INTRODUCTION................................................................................................................................. 9
CHAPITRE I : METHODES DE PREPARATION DE CARBONATES DE DIALKYLE A
PARTIR D’ALCOOLS : UNE METHODE DE SEQUESTRATION DU CO ............................ 13 2
I. CONTEXTE DE L’ETUDE....................................................................................................... 14
I.1. LES EMISSIONS DE DIOXYDE DE CARBONE : UN GAZ A EFFET DE SERRE......................... 14
I.2. DES SOLUTIONS POUR LUTTER CONTRE L’ACCUMULATION DES GES............................ 16
I.2.1. REDUCTION DIRECTE DES EMISSIONS DE CO ............................................................. 17 2
I.2.2. PIEGEAGE ET STOCKAGE DU DIOXYDE DE CARBONE (PSC) ........................................ 17
II. LES CARBONATES DE DIALKYLE : PROPRIETES ET APPLICATIONS............... 27
II.1. PROPRIETES TOXICOLOGIQUES......................................................................................... 28
II.2. PROPRIETES PHYSIQUES..................................................................................................... 28
II.3. REACTIVITE CHIMIQUE...................................................................................................... 29
II.4. LES DOMAINES D’APPLICATION 32
II.4.1. LES CARBONATES DE DIALKYLE EN TANT QUE SOLVANT ........................................... 34
II.4.2. LES CARBONATES DE DIALKYLE EN TANT QU’ADDITIFS ............................................. 35
II.4.3. LES CARBONATES DE DIALKYLE EN TANT QU’INTERMEDIAIRE DE SYNTHESE............ 36
III. LES METHODES DE PREPARATION DES CARBONATES DE DIALKYLE A
PARTIR D’ALCOOLS ALIPHATIQUES ....................................................................................... 38
III.1. LA PHOSGENATION......................................................................................................... 39
III.2. LA CARBONYLATION OXYDANTE .................................................................................. 41
III.2.1. CARBONYLATION OXYDANTE D’UN ALCOOL (ROH) .................................................. 42
III.2.2. CARBONYLATION OXYDANTE DU NITRITE DE METHYLE (CH ONO).......................... 46 3
III.2.3. CARBONYLATION OXYDANTE DU FORMIATE DE METHYLE......................................... 46
III.3. LA TRANSCARBONATATION........................................................................................... 47
III.3.1. TRANSCARBONATATION AVEC UN CARBONATE ORGANIQUE ..................................... 47
III.3.2. TRANSCARBONATATION AVEC UN CARBONATE INORGANIQUE .................................. 52
III.4. L’ALCOOLYSE DE L’UREE.............................................................................................. 53
III.5. LA CARBONATATION EN PRESENCE DE DIOXYDE DE CARBONE 54
III.5.1. LES CATALYSEURS HOMOGENES ................................................................................. 55
III.5.2. LES CATALYSEURS HETEROGENES : LES OXYDES METALLIQUES................................ 63
III.5.3. UNE BASE INORGANIQUE EN PRESENCE D’UN HALOGENURE D’ALKYLE COMME CO-
REACTIF ..................................................................................................................................... 69
III.5.4. REACTION A L’AIDE DE DERIVES OBTENUS PAR DESHYDRATATION D’ALCOOLS........ 73
CHAPITRE 2 : LA CARBONATATION DE L’ETHANOL AVEC LE DIOXYDE DE
CARBONE SUPERCRITIQUE....................................................................................................... 104
I. LE DIOXYDE DE CARBONE ET SES CARACTERISTIQUES....................................... 105
6 I.1. LA MOLECULE DE CO ..................................................................................................... 105 2
I.2. LE CO SUPERCRITIQUE................................................................................................... 105 2
I.2.1. LES PROPRIETES DU CO SUPERCRITIQUE ................................................................. 106 2
II. CHOIX DES CONDITIONS OPERATOIRES POUR L’ETUDE DE LA REACTIVITE
DU CO AVEC L’ETHANOL.......................................................................................................... 118 2
III. SCREENING DE CATALYSEURS HOMOGENES ET HETEROGENES POUR LA
SYNTHESE DE CARBONATE DE DIETHYLE .......................................................................... 122
III.1. SYNTHESE DE DEC EN PRESENCE DE CATALYSEURS HOMOGENES : ESSAIS
PRELIMINAIRES.............................................................................................................................. 122
III.2. SYNTHESE DE DEC EN PRESENCE DE CATALYSEURS HETEROGENES....................... 124
III.2.1. LES PROPRIETES DES OXYDES METALLIQUES MIS EN JEU.......................................... 125
III.2.2. SCREENING DES CATALYSEURS POUR LA SYNTHESE DE DEC EN MILIEU CO SC .... 129 2
III.2.3. ETUDE DE LA SYNTHESE DE DEC EN PRESENCE D’AGENT DESHYDRATANT DANS LE
REACTEUR ................................................................................................................................... 137
III.2.4. ETUDE DE LA SYNTHESE DE DEC A L’AIDE D’UN MONTAGE DE RECIRCULATION .... 137
CHAPITRE 3 : SYNTHESE DE CARBONATE DE DIETHYLE EN PRESENCE D’UNE BASE
ET D’UN CO-REACTIF .................................................................................................................. 161
I. SYNTHESE DU CARBONATE MIXTE : LE CARBONATE D’ETHYLE DE
POTASSIUM (PEC).......................................................................................................................... 163
I.1. INFLUENCE DE LA DUREE DE LA REACTION .................................................................... 165
I.2. INFLUENCE DE LA PRESSION ET DE LA TEMPERATURE DE REACTION .......................... 166
I.3. INFLUENCE DE LA NATURE ET DE LA QUANTITE DE BASE.............................................. 167
II. CARACTERISATION DU PEC SYNTHETISE .............................................................. 170
II.1. ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE INFRAROUGE ................................................................ 170
II.2. ANALYSE ELEMENTAIRE (C, H, O).................................................................................. 173
II.3. ANALYSE PAR RMN DU SOLIDE....................................................................................... 175
II.4. ANALYSE PAR DIFFRACTION RX ..................................................................................... 177
III. ETUDE DE LA REACTIVITE DU CARBONATE HYBRIDE PEC............................. 180
III.1. ALKYLATION DU PEC AVEC L’IODURE D’ETHYLE .................................................... 180
III.2. ALKYLATION DU PEC A L’AIDE D’UNE SOLUTION ACIDE D’ETHANOL..................... 182
IV. SYNTHESE DE DEC SELON LE PROCEDE « ONE-POT » ........................................ 187
IV.1. ESSAIS PRELIMINAIRES................................................................................................ 187
IV.2. EVOLUTION DE LA COMPOSITION DU MILIEU REACTIONNEL AU COURS DU TEMPS 188
IV.2.1. SUIVI EN LIGNE DE LA REACTION PAR SPECTROSCOPIE INFRAROUGE ....................... 188
IV.2.2. ANALYSE QUANTITATIVE DE LA COMPOSITION DU MILIEU REACTIONNEL AU COURS
DU TEMPS PAR CPG .................................................................................................................... 192
IV.3. ETUDE DU MECANISME REACTIONNEL ....................................................................... 194
IV.4. COMPARAISON DES RESULTATS DU PROCEDE « ONE-POT » ET EN DEUX ETAPES .... 197
7 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ..................................................................... 202
PARTIE EXPERIMENTALE.......................................................................................................... 208
I. SUBSTRATS ET REACTIFS ................................................................................................. 209
II. MODES OPERATOIRES DES SYNTHESES.................................................................. 211
II.1. SYNTHESE DE DEC EN PRESENCE DE CATALYSEURS HOMOGENES............................... 211
II.2. SYNTHESE DE DEC EN PRESENCE DE CATALYSEURS HETEROGENES ........................... 212
II.3. SYNTHESE DE DEC A L’AIDE D’UN MONTAGE DE RECIRCULATION .............................. 216
II.4. SYNTHESE DE DEC A L’AIDE D’UN MONTAGE DE RECIRCULATION MUNI D’UNE POMPE A
AIR COMPRIME............................................................................................................................... 217
II.5. SYNTHESE DES CATALYSEURS SUPPORTES ..................................................................... 218
II.6. REHYDRATATION DES CATALYSEURS ............................................................................. 219
II.7. SYNTHESE DES HYDROTALCITES ..................................................................................... 219
II.8. SYNTHESE DE DEC EN PRESENCE D’UNE BASE ET D’UN CO-REACTIF........................... 220
II.8.1. SYNTHÈSE « ONE-POT » :........................................................................................... 220
II.8.2. SYNTHESE DU CARBONATE HYBRIDE ORGANIQUE-INORGANIQUE. 221
II.8.3. SYNTHESE DE DEC A PARTIR DU CARBONATE MIXTE SYNTHETISE .......................... 222
III. ANALYSE DES RESULTATS 224
III.1. ANALYSE PAR SPECTROMETRIE INFRAROUGE........................................................... 224
1III.2. ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE DE RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE ( H-RMN)
....................................................................................................................................... 225
13III.3. ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE DE RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE DU C
13( C-RMN)....... 225
III.4. ANALYSE PAR CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE .......................................... 226
III.5. ANALYSE ELEMENTAIRE (C, H, O, N)......................................................................... 228
III.6. ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE UV-VISIBLE .............................................................. 228
III.7. ANALYSE DE SURFACE BET......................................................................................... 228
III.8. ANALYSE PAR DIFFRACTION DE RAYONS X ................................................................ 228

8

Introduction

Introduction
De nos jours, le développement durable est un sujet que l’on aborde très fréquemment,
que ce soit dans les discours politiques, dans la vie quotidienne ou encore dans nos activités
de recherche. En effet, l’Homme se préoccupe de plus en plus de l’effet que peut avoir son
mode de vie sur la planète. La Commission Mondiale sur l’Environnement et le
Développement a remis en 1987 un rapport appelé Rapport Brundtland, dans lequel a été
défini le concept de développement durable. Selon cette commission, « le développement
durable (ou soutenable) est un développement qui répond aux besoins du présent sans
compromettre la capacité des générations futures de répondre aux leurs ». Ce type de
définition s’applique dans la vie de tous les jours, mais aussi, dans le domaine de la recherche,
et plus particulièrement en chimie. En effet, les chercheurs ou industriels dans le domaine de
la chimie ne doivent pas seulement répondre aux nécessités actuelles. L’adoption de REACH
et l’essor médiatique du développement durable les poussent aujourd’hui à développer de
nouvelles molécules et de nouvelles voies de synthèse ainsi que des procédés innovants même
pour des molécules à faible valeur ajoutée.

C’est dans ce cadre-là que, depuis une vingtaine d’années, de nombreux travaux de
recherches se sont intéressés au développement de la technologie des fluides supercritiques, et
notamment à l’utilisation du dioxyde de carbone au-delà de sa température et de sa pression
critique. En effet, différentes raisons sont à l’origine de l’utilisation croissante du CO 2
supercritique. Tout d’abord, le CO est un gaz responsable de l’effet de serre et donc 2
largement disponible.
Il permet de substituer un grand nombre de solvants en chimie organique grâce aux propriétés
qu’il présente dans le domaine supercritique.
Il peut également jouer le rôle de réactif et ainsi devenir une source de carbone pour la
synthèse.
Enfin, l’utilisation du CO supercritique respecte de nombreuses règles énoncées dans les 2
douze principes de la chimie verte.

Les propriétés de solvant et de réactif du CO supercritique ont amené le Laboratoire 2
de Chimie Agro-industrielle à développer cette technologie dans le cadre de la synthèse de
bio-produits à partir d’agromolécules dans l’objectif de proposer des alternatives au pétrole,
de diminuer les émissions de gaz à effet de serre et de diversifier les débouchés agricoles. Le
laboratoire s’est alors équipé, il y a 3 ans d’une nouvelle installation pour mettre en œuvre des
réactions en milieu CO supercritique. L’équipe de Lipochimie et Réactivité chimique des 2
10

Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.

Diffusez cette publication

Vous aimerez aussi