Étude cinétique de la combustion en flamme prémélangée de molécules modèles présentes dans les gazoles, Kinetic combustion studies of surrogate diesel fuel molecules in premixed flames

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Sous la direction de Frédérique Battin-Leclerc, Pierre-Alexandre Glaude
Thèse soutenue le 08 janvier 2009: INPL
Le moteur HCCI pourrait être une alternative intéressante aux procédés de combustion conventionnels. Néanmoins, le contrôle de la combustion reste difficile dans ce moteur car, contrairement au moteur essence et Diesel, celui-ci est directement contrôlé par la chimie d’oxydation du combustible. Une connaissance très précise des modèles cinétiques détaillés de l’oxydation du carburant est donc indispensable pour pouvoir contrôler ce mode de combustion. L’objectif de cette thèse était de développer et valider expérimentalement des modèles cinétiques d’oxydation à haute température de 3 molécules modèles du gazole en utilisant un brûleur à flamme plate laminaire comme dispositif expérimental. Cette étude présente de nouveaux résultats expérimentaux obtenus sur une flamme laminaire pauvre pré mélangée de méthane ensemencée respectivement avec du n butylbenzène, du n propylcyclohexane et de l’indane. Un modèle cinétique d’oxydation a été développé et validé à haute température pour le n butylbenzène et un autre a été validé en flamme pour le n propylcyclohexane. Dans l’ensemble, ces modèles ont permis de simuler correctement les profils de la plupart des produits mesurés en flamme. Par ailleurs, un modèle cinétique qualitatif d’oxydation pour l’indane a été proposé
-Flamme laminaire de pré-mélange
-Moteur HCCI
-Carburant Diesel
-Modèle cinétique
-Indane
-N propylcyclohexane
-N butylbenzène
-Méthane
-Oxydation
-Combustion
The HCCI engine could be an interesting alternative to conventional combustion processes. However, the control of the combustion remains difficult in this engine because, unlike the gasoline and diesel engine, it is directly related to the chemical oxidation of fuel. The development of accurate detailed kinetic models of the oxidation of fuel is therefore essential to control this mode of combustion. The aim of this PhD was to develop and experimentally validate high temperature kinetic oxidation models for 3 molecules representative of diesel fuel by using a flat flame burner experimental device. This study presents new experimental results obtained in a lean laminar premixed methane flame seeded respectively with n butylbenzene, n propylcyclohexane and indane. A kinetic oxidation model was developed and validated at high temperature for n-butylbenzene and another one was validated in flame for n propylcyclohexane. Overall, the models correctly simulated the profiles of most products measured in the flames. Moreover, a qualitative kinetic model for the oxidation of indane has been proposed
-Premixed laminar flame
-HCCI engine
-Diesel fuel
-Indane
-Combustion
-Oxidation
-Methane
-N-butylbenzene
-N propylcyclohexane
-Kinetic model
Source: http://www.theses.fr/2009INPL002N/document

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NANCY-UNIVERSITE
INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
E.N.S.I.C. - NANCY
THESE
Présentée à l'I.NP.L.
pour l'obtention du grade de
DOCTEUR
de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Spécialité : Génie des Procédés
présentée par
Emir POUSSE
Ingénieur ENSGTI
Sujet :
ETUDE CINETIQUE DE LA COMBUSTION EN
FLAMME PREMELANGEE DE MOLECULES
MODELES PRESENTES DANS LES GAZOLES
Soutenue publiquement le 8 janvier 2009

Président : M. R. MINETTI Pr. à l’Université de Lille, France
Rapporteurs : MM. J. VANDOOREN ersité Catholique de Louvain, Belgique
C. VOVELLE D.R. à ICARE, CNRS, Orléans, France
Examinateurs : Mme F. BATTIN-LECLERC D.R. au DCPR, CNRS, ENSIC, Nancy
MM. R. FOURNET Pr. à l’ENSIC, Nancy
J.F. GENIES Ingénieur de Recherche, PSA PEUGEOT CITROEN
P.A. GLAUDE C.R au DCPR, CNRS, ENSIC, Nancy
P. MANUELLI Ingénieur de Recherche, TOTAL











AVANT-PROPOS











Louange à Dieu, Seigneur de l’univers, pour les innombrables bienfaits qu’Il nous a
accordé et pour m’avoir permis de mener à bien ce travail de thèse et tout ce qui a pu précéder.
Ce travail a été réalisé au Département de Chimie Physique des Réactions de l’Ecole
Nationale Supérieure des Industries Chimiques de Nancy sous la direction de Madame F.
BATTIN-LECLERC, Directrice de Recherche au CNRS, de Monsieur R. FOURNET, Professeur
à l’ENSIC, et de Monsieur P.A. GLAUDE, Chargé de Recherche au CNRS. Je tiens à les
remercier pour le soutien qu’ils m’ont accordé, pour la confiance qu’ils m’ont témoigné et pour la
formation scientifique qu’ils m’ont permis d’acquérir. L’encadrement, les précieux conseils et la
disponibilité dont ils firent preuve à mon égard m’ont permis aujourd’hui de soutenir cette thèse.
Je remercie Monsieur G. Wild pour l’accueil qu’il m’a fait en tant que Directeur du
laboratoire du DCPR.
J’adresse mes remerciements à Monsieur R. MINETTI, Professeur à l’Université de Lille,
qui a bien voulu me faire l’honneur de présider le jury de cette thèse.
Mes sincères remerciements vont également à Monsieur J. VANDOOREN, Professeur à
l’Université Catholique de Louvain de Belgique, à Monsieur C. VOVELLE, Directeur de
Recherche au CNRS à l’Institut de Combustion Aérothermique Réactivité Environnement
d’Orléans, pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail en acceptant d’en être les rapporteurs.
Je remercie également Monsieur P. MANUELLI, Ingénieur de recherche à TOTAL, et
Monsieur J.F. GENIES, Ingénieur de recherche à PSA PEUGEOT CITROEN, qui m’ont fait
l’honneur de participer à ce jury de thèse. Je n’oublie pas Madame F. DOUCE, Ingénieur de
recherche à TOTAL, et Madame G. PENGLOAN, Ingénieur de recherche à PSA PEUGEOT
CITROEN, qui n’ont pu être présentes ce jour-là, mais qui ont assuré le suivi de cette thèse et que
je remercie également.
Ce travail de recherche a été réalisé grâce au soutien du CNRS, de TOTAL, de PSA
PEUGEOT CITROEN et de l’ADEME. Qu’ils en soient remerciés ici ainsi que l’ENSIC et
l’INPL pour les facilités accordées par les divers services administratifs et techniques. J’exprime mes remerciements à l’ensemble du personnel du DCPR, permanents et
temporaires, qui ont contribué par leur aide, leur disponibilité et leur convivialité au bon
déroulement de cette thèse.
Je remercie tout particulièrement H.A. GUENICHE, ancien thésard du laboratoire, pour
ses conseils, son soutien et le temps qu’il a pu me consacrer pour la maîtrise du dispositif
expérimental de la flamme.
Je remercie du fond du cœur ma maman, mes beaux-parents, mes grands-parents, ma tante
Mongia, ma grande sœur, mes frères, mes petites sœurs, mes beaux-frères, mes tantes, mes
oncles, mes cousines, mes cousins et mes amis pour leur soutien tout au long de ma vie, de mes
études et de ma thèse.
Enfin, ma reconnaissance et bien plus encore va à mon épouse pour tous les sacrifices
qu’elle a accepté en m’épousant, en me rejoignant à Nancy, pour son soutien, son aide, son
réconfort, ses encouragements et pour tout le reste… Je n’oublie pas notre fille, arrivée en pleine
thèse, qui par sa présence à mes cotés, ses sourires, ses rires mais aussi ses pleurs a égayé la
rédaction de mon mémoire.
Je dédie cette thèse à la mémoire de mon père...




















TABLE DES MATIERES










Table des matières II
INTRODUCTION 1

I. OXYDATION DES ALKYLBENZENES, DES ALKYLCYCLOALCANES ET DE
L’INDANE – ETAT DE L’ART 12

I.1 OXYDATION DU BENZENE ET DU TOLUENE 13
I.2 OXYDATION DES COMPOSES ALKYLAROMATIQUES ( ≥C ) ET DE L’INDANE 19 7
I.2.1 GÉNÉRALITÉS 19
I.2.2 XYLÈNES 20
I.2.3 ETHYLBENZÈNE 22
I.2.4 PROPYLBENZÈNE ET ISOPROPYLBENZÈNE 24
I.2.5 BUTYLBENZÈNE 25
I.2.6 INDANE 27
I.3 OXYDATION DES ALKYLCYCLANES 29
I.3.1 CYCLOHEXANE
I.3.2 METHYLCYCLOHEXANE 32
I.3.3 PROPYLCYCLOHEXANE 34

II. DISPOSITIF EXPERIMENTAL DE LA FLAMME PLATE DE PRE-MELANGE 37

II.1 GENERALITES SUR LES FLAMMES PLATES LAMINAIRES DE PRE-MELANGE 38
II.1.1 PRINCIPALES CARACTERISTIQUES 38
II.1.2 INTERPRETATION PHYSIQUE D’UNE FLAMME DE PRE-MELANGE 38
II.1.3 STABILISATION D’UNE FLAMME SUR BRULEUR 39
II.1.4 STRUCTURE DE FLAMME 40
II.2 DESCRIPTION DU MONTAGE EXPERIMENTAL 42
II.2.1 DISPOSITIF DE MELANGE DES GAZ ET D’ALIMENTATION DU BRULEUR 43
II.2.1.1 Dispositif de mélange et d’évaporation 44
II.2.1.2 Dispositif d’alimentation du RDM liquide 45
II.2.2 BRULEUR A BASSE PRESSION ET SON ENCEINTE 46
II.2.3 SYSTEME DE PRELEVEMENT ET D’ANALYSE 48
II.2.3.1 Système de prélèvement par sonde en quartz 48
II.2.3.2 Système d’analyse 49
II.2.3.2 1. Système d’analyse des composés légers 49 des composés lourds 50