L’étude de l’influence de la structure chimique des additifs sur le contrôle de la réactivité des carburants

Modern societies require cleaner and more efficient internal combustion engines. This constraint has involved a significant evolution in the combustion systems and fuel formulation. Engine-fuel adequacy is the key item to be optimized to achieve this goal. Among adjustable parameters, the reactivity of the fuel is the most important characteristic to be considered. This leads to an increasing use of additives that allows fuel to meet various combustion requirements. However, the design and the use of additives still faces a lack of comprehension regarding their effect. In this context, this thesis aims to better understand the chemical effect of additives on the fuel gas-phase reactivity. Three additives including a cetane booster, an octane booster, and a free radical scavenger are considered: 2-ethylhexyl nitrate, ferrocene, and 2,4-xylenol, respectively. The chemical effect of these additives on the reactivity of a surrogate fuel containing 35% n-heptane and 65% toluene by volume was experimentally and numerically investigated. Experiments were conducted in three devices: a shock tube, a rapid compression machine, and a heat flux burner. The use of these experimental devices allows to explore the reactivity over a wide range of engine-relevant conditions. For simulations, a detailed kinetic model was developed based on recent literature data. The satisfactory agreement between experiments and simulations enables to propose several hypothesis regarding the chemical effect of the additives.Les sociétés modernes ont besoin de moteurs à combustion interne plus propres et plus efficaces. Cette contrainte entraîne une évolution significative des systèmes de combustion et de la formulation de carburants. L’adéquation moteur-carburant est l’élément clé à optimiser pour atteindre cet objectif. Parmi les paramètres en jeu, la réactivité du carburant est une caractéristique de premier ordre. C’est l’une des raisons en lien avec l’utilisation des additifs. Ils permettent au carburant d’améliorer l’ensemble de ses propriétés notamment vis-à-vis de la combustion. Cependant, le choix et l’utilisation des additifs se heurte encore à un manque de compréhension de leur mécanisme d’action. Dans ce contexte, cette thèse vise à mieux comprendre l’effet chimique des additifs sur la réactivité dans la phase gazeuse. Trois additifs, dont un booster de cétane, un booster d’octane et un antioxydant sont considérés : le 2-ethylhexyl nitrate (EHN), le ferrocène et le 2,4 xylénol respectivement. L’effet chimique de ces additifs sur la réactivité d’un carburant modèle contenant 35 % de n-heptane et 65 % de toluène en volume a fait l’objet d’une étude expérimentale et numérique. Des expériences ont été menées à l’aide de trois équipements : un tube de choc, une machine de compression rapide et un brûleur à flamme plate. L’utilisation de ces équipements permet d’explorer la variation de la réactivité dans des conditions variables représentatives du fonctionnement des moteurs. En parallèle, un modèle cinétique détaillé a été élaboré en s’appuyant sur des données récentes de la littérature. L’accord satisfaisant entre les expériences et les simulations permet de proposer des hypothèses quant à l’effet chimique des additifs