Chapitre 4 : Impacts de la longueur de la chaîne carbonée et de la
1. Introduction
Comme décrit dans le chapitre bibliographique (Chapitre 1), la composition, la structure et la morphologie des particules de suie dépendent principalement du carburant d’origine et des conditions dans lesquelles elles ont été formées. Par ailleurs, l’utilisation des biocarburants dans le secteur de transport affecte directement les propriétés et les caractéristiques des particules de suie et par conséquent leur comportement vis-à-vis de l’oxydation dans le filtre à particules. Dans ce chapitre, on va s’intéresser principalement à l’impact du Biodiesel sur les quantités et les propriétés des émissions de suie.
Le Biodiesel conventionnel est majoritairement composé d’un mélange complexe de longues chaînes carbonées saturés d’alkyl esters (≈C12 à C22) [46]. Dans cette étude expérimentale, des mélanges représentatifs de Biodiesel nommés surrogates Biodiesel ont été formulés en utilisant des composés simples et de haute pureté pour essayer de mieux comprendre les différents facteurs qui régissent le processus de combustion du Biodiesel dans les moteurs Diesel et affectent les émissions et les réactivités des particules de suie [173,174].
Néanmoins, le carburant Biodiesel contient de l’oxygène et implique donc des propriétés chimiques et structurelles qui présentent des différences apparentes avec le carburant Diesel. Selon de nombreuses études, que ce soit dans des conditions de flamme de laboratoire
[39,42,55,57,59,60] ou dans des conditions moteurs [7,8,175], le biocarburant contribue à la diminution de la formation des particules de suie. De plus, il a été montré que la structure des additifs d’esters alkyliques accentue encore cette tendance [9,51,53,54,176].
En revanche, il existe un manque d’information sur les propriétés physico-chimiques des particules de suie générées par la combustion incomplète de surrogates Biodiesel.
A titre d'exemple, Zhang et Boehman [177] ont étudié l’oxydation de suies générées par la combustion du 2-butenoate de méthyle et du n-pentane dans un brûleur produisant des flammes laminaires non-prémélangées. Ils ont remarqué que l’oxygène lié au carburant contenu dans les esters d’acides gras ayant le même nombre d’atome de carbone n’affecte pas la réactivité oxydative des suies.
Barrientos et al. [114] ont étendu ce travail précédent en testant l’impact de la longueur de chaîne carbonée et du degré d’insaturation de différentes structures d’esters sur les propriétés et la réactivité des suies. Leurs résultats ont montré cependant qu’il existe une corrélation entre la structure de l’ester d’une part et les propriétés ainsi que la réactivité des suies d’autre part, ce qui entre en contradiction avec les conclusions de Zhang et Boehman [177]. Ces auteurs ont constaté que les alkylesters ayant une courte chaîne alkylique diminuent légèrement la tendance à la production de suie et que ces derniers possèdent une structure moins ordonnée conduisant à une réactivité oxydante plus grande.
En outre, Omidvarborna et al. [178] ont étudié les caractéristiques des particules de suie recueillies à partir de la combustion de larges et purs acides gras (C12 - C18) représentatifs de Biodiesel dans une chambre de combustion. Ces auteurs ont remarqué que la quantité des particules de suie émise est inversement proportionnelle à la portion de Biodiesel dans le mélange. De plus, les particules générées par la combustion des surrogates Biodiesel ont été trouvées plus petites et plus réactives que celles provenant de la combustion d’un surrogate Diesel.
Cependant, tous ces travaux ont été effectués en utilisant des surrogates Diesel et Biodiesel contenant un seul composé modèle. Dans le Chapitre 3, nous avons formulé et testé des mélanges représentatifs de Biodiesel en ajoutant différentes concentrations d’un composé oxygéné (le décanoate de méthyle) sur un mélange binaire de référence représentatif du
Diesel. Les surrogates Biodiesel contenaient ainsi trois composés différents au lieu d’un seul composé pur utilisé dans la plupart des travaux précédents.
Par conséquent, dans ce chapitre, nous avons décidé d’évaluer l’impact de la longueur de la chaîne carbonée aliphatique de différents additifs à base d’esters méthyliques et de la concentration sur, d’une part la tendance à la production de suie, et d’autre part sur la réactivité des suies générées.
2. Carburants modèles : surrogates Diesel et Biodiesel
Comme dans le Chapitre 3, le surrogate Diesel de référence « Aref » sélectionné est constitué d’un mélange binaire contenant 70% en mole de n-décane et 30% en mole de α-méthylnaphtalène « α-MN ».
Les trois composés d’esters méthyliques contenant une longueur de chaîne aliphatique carbonée différente qui ont été sélectionnés comme additifs oxygénés afin de préparer trois types de surrogates Biodiesel sont présentés dans le Tableau 15.
Ester Formule chimique Structure
Butanoate de méthyle C5H10O2
Octanoate de méthyle C9H18O2
Décanoate de méthyle C11H22O2
Tableau 15 : Structure et formule chimique des esters méthyliques sélectionnés
Ainsi, le butanoate de méthyle « MB », l’octanoate de méthyle « MO » et le décanoate de méthyle « MD » ont été rajoutés respectivement au surrogate Diesel « Aref » dans des proportion molaires de 3, 7, 15 et 30%. Le surrogate Biodiesel obtenu est alors désigné par « MX% » en fonction du pourcentage d’ester ajouté.
Le Tableau 16 présente les différents surrogates utilisés dans cette étude avec leurs compositions molaire correspondantes.
Surrogates Composition (% molaire) Pourcentage d’additif (% molaire)
Aref 70% n-décane + 30% α-méthylnaphtalène 0 %
MB Aref + butanoate de méthyle 3%-7%-15%-30%
MO Aref + octanoate de méthyle 3%-7%-15%-30%
MD Aref + décanoate de méthyle 3%-7%-15%-30%
Tableau 16 : Composition des surrogates Diesel et Biodiesel
Par analogie, les suies générées par la combustion de ces substituts dans le brûleur seront appelées : suie « Aref », suie « MBX% », suie « MOX% » et suie « MDX% ».