Thèse d'Antoine Berthier

Thèse d'Antoine Berthier - laboratoire Phlam

Impact of fuel composition on aeronautic emissions, a multi-scale approach

Résumé :

Le secteur économique lié au transport est responsable de près de 56 % des émissions de gaz à effet de serre en Europe, dont 2 % sont dus au transport aérien. Les moteurs à combustion interne représentent la majorité des sources de propulsion et génèrent des émissions polluantes de gaz et de particules. Ces émissions ont un impact important sur la qualité de l’air, la santé humaine et le bilan radiatif terrestre. De nombreux efforts de réduction des émissions polluantes et de la consommation en carburant ont été concrétisés au cours des dernières décennies par les constructeurs, notamment grâce au déploiement de nouveaux carburants, dits alternatifs, et de nouvelles technologies, afin de répondre aux normes d’émissions de gaz (CO2, NOx) et de particules non-volatiles.
L’objectif principal de ces travaux de thèse a été de comprendre le lien entre les émissions de particules et de gaz d’un turboréacteur en fonction de la composition chimique du carburant, de la configuration du moteur et de sa puissance. Cette étude s’est démarquée par son approche multi-technique et multi-échelle. La caractérisation physique des particules non-volatiles a été réalisée par une ligne de mesure développée selon les recommandations de la SAE (Society of Automotive Engineers) et la caractérisation chimique des émissions notamment par l’intermédiaire de prélèvements d’échantillons sur filtres et leur analyse par spectrométrie de masse. Les techniques de caractérisations ont été déployées de l’échelle du laboratoire, sur un brûleur mini-CAST « liquide », à l’échelle de la turbomachine, sur un moteur d’hélicoptère de Safran Helicopter Engines, en passant par l’échelle du banc de combustion, sur les installations M1 et MICADO de l’ONERA à Palaiseau.
Le brûleur de laboratoire mini-CAST « liquide » et le banc de combustion M1 ont été employés dans le cadre du projet européen JetScreen pour réaliser la combustion de carburants usuels (Jet-A1) et alternatifs. Une réduction des émissions de particules non-volatiles a pu être mise en évidence sur certains carburants alternatifs, et un lien a été établi avec le taux de composés aromatiques présents dans le carburant. L’analyse par spectrométrie de masse a montré une réduction de la concentration relative des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) à la surface des particules et en phase gazeuse lors de l’utilisation de carburants alternatifs. La réduction de ces émissions organiques volatiles par un procédé catalytique a été étudiée sur le banc d’essai MICADO de l’ONERA, mettant en évidence la suppression efficace de la couche organique de surface des particules de suie. Finalement, nos études ont visé les émissions d’un moteur d’hélicoptère en différentes configurations de fonctionnement (rejet des huiles de lubrification, niveau d’usure de l’injecteur) et en fonction de sa puissance. La caractérisation chimique par spectrométrie de masse a permis de mettre en évidence la présence d’HAP, de molécules hydrocarbonées pouvant posséder un ou deux atomes d’oxygène, de composés soufrés et azotés à la surface des particules de suie, ainsi que celle de composés métalliques provenant de l’usure des pièces en rotation dans le moteur. Des corrélations entre des caractéristiques physiques (concentration massique des particules non-volatiles) ou chimiques (intensité relative des signaux des HAP) et la puissance du moteur ont été mises en évidence.

Mots clés : émissions,particules non volatiles,caractérisation physico-chimique,banc de combustion,turboréacteur