Dévoilement du mécanisme de nucléation dans les gaz d'échappement des moteurs d'avion et de son lien avec la composition du carburant – UNREAL

Dans le cadre de cette proposition, nous prévoyons d'utiliser le générateur à la pointe de la technologie des aérosols à combustion (CAST) spécialement conçu pour fonctionner avec les carburants aéronautiques disponibles à l'ONERA comme source d'émission. Pour étudier en détail la formation de vPM, nous utiliserons la chambre atmosphérique CESAM disponible au LISA et un réacteur à débit massique d'aérosol potentiel (PAM) disponible au LSCE et exploité en collaboration avec l'INERIS (sous-traitance) pour induire la formation de vPM à partir de l'échappement de CAST. Nous utiliserons les moyens expérimentaux disponibles à l'ONERA et au CESAM pour caractériser les émissions. En outre, la caractérisation chimique clé sera effectuée par SAGE et PhLAM. Pour mieux comprendre le mécanisme moléculaire derrière la formation des vPM, nous effectuerons une série de simulations théoriques dirigées par UTINAM. Pour compléter le consortium, deux partenaires étrangers participeront sur leurs fonds propres ou au moyen d'échanges de chercheurs: l'Université de Technologie de Tampere (TUT), qui participera à la caractérisation des amas moléculaires émis par CAST à travers l'interface de pression atmosphérique Time of Flight Mass spectrométrie (API-toF), et l'Institut national espagnol de l'aérospatiale (INTA) qui collaborera en proposant sa ligne d'échantillonnage dans la pile de leur banc d'essai pour mesurer la formation de vPM dans l'une de ses campagnes de mesure standard avec un moteur complet.

- Une première campagne de mesures a été réalisée à la chambre CESAM en février 2020.
- Nous avons trouvé un lien entre la teneur en hydrogène du carburant et la masse de noir de carbone émise lors d'essais à l'échelle du laboratoire.
- Nous avons constaté que le carburant alternatif (AtJ SPK) produisait 89% moins de noir de carbone qu'un carburéacteur standard.
- Nous avons constaté qu'un mélange de carburéacteur standard avec 30% d'AtJ (taux de mélange maximal autorisé dans l'aviation civile) réduisait les émissions de carbone noir de 75%.


Une deuxième campagne en chambre atmosphérique CESAM a été réalisée entre le 16/11 et le 12/10. Au cours de cette campagne, un potentiel réacteur à flux massique aérosol a été testé en parallèle avec la chambre CESAM. NOUS avons testé jusqu'à 8 carburants différents. Un premier ensemble de 4 carburants pour tester l'impact du soufre et de la teneur en aromatiques sur la formation des particules, et un second texte utilisant un carburéacteur de référence A1, un carburant 100% alternatif et un mélange des deux. Pour cette campagne, deux types d'expériences ont été réalisés. Dans un cas, les émissions de CAST ont été filtrées pour éliminer toutes les particules de suie, et seuls les gaz émis ont été injectés dans la chambre. Dans le second cas, après l'injection de gaz uniquement, une seconde injection avec à la fois des particules de gaz et de suie a été effectuée.
Le test dans le premier ensemble de carburant a montré comment la formation de particules était plus intense pour les carburants à haute teneur en soufre, néanmoins, même pour les carburants contenant 4 ppm de soufre, une formation de particules a été observée. Dans le cas du deuxième ensemble de carburants, nous avons constaté que les taux les plus élevés de formation de nouvelles particules correspondaient au carburant alternatif à 100%, ce qui est assez surprenant, car ces carburants ne contiennent ni soufre ni composés aromatiques.

Au cours de ce projet, nous avons découvert le rôle clé de la composition du carburant sur les émissions. Nous avons identifié différents points qui devraient être approfondis et qui, compte tenu de l’utilisation future de carburants d’aviation alternatifs, seront cruciaux à étudier. Il existe différents exemples d'études futures potentielles liées à ce projet. Par exemple l'utilisation du PAM derrière un moteur d'avion complet, l'étude de l'impact des conditions atmosphériques sur la formation de particules observées à partir de différents carburants. Etude des conditions d'altitude de croisière. Finalement pour concevoir une expérimentation pour étudier des alternatives comme les moteurs à hydrogène.

1. R Ciuraru, J Kammer, C Decuq, M Vojkovic, K Haider, Y Carpentier, F Lafouge, C Berger, M Bourdat-Deschamps, I K. Ortega, F Levavasseur, S Houot, B Loubet, D Petitprez, C Focsa, New particle formation from agricultural recycling of organic waste products, Nature partner journal climate and atmospheric sciences, in review
2 Dumitru Duca, Mostafiz Rahman, Yvain Carpentier, Claire Pirim, Adam Boies, Cristian Focsa,, Chemical characterization of size-selected nanoparticles emitted by a gasoline direct injection engine: impact of a catalytic stripper, FUEL, under review

3 1. I. K. Ortega, C. Focsa, J. F. Doussin, V. Riffault, S. Picaud, A. Albinet, V. Gros, T. Rönkkö, V. Archilla, UNREAL Project: Unveiling nucleation mechanism in aircraft engine exhaust and its link with fuel composition, Poster, European Aerosol Conference, Göthenburg (Suède), 25-30 août 2019.

4 2. I.K. Ortega, M.Cazaunau, J. Duplissy, R. Barrellon-Vernay , A. Bergé, A. Berthier,E. Pangui, D. Delhaye, C. Di Biagio,M. Sicard, Y. Carpentier, B. Raepsaet,F. Ser, M. Kulmala , C. Focsa, and J.F. Doussin, Starting the quest for aeronautic bananas: First UNREAL project campaign at the CESAM atmospheric chamber, European Aerosol Conference, Aachen (Germany), 2020

5 Antoine Berthier, David Delhaye, Ismael K. Ortega, Mickael Sicard et Cristian Focsa, impact de la composition du carburant sur les emissions aeronautiques, ASFERA anual meeting, Paris, 2020

L'aviation est l'un des secteurs de transport en pleine croissance et cette tendance devrait se poursuivre dans les prochaines années. A l’heure actuelle, l'aviation ne représente que 2% des émissions mondiales de CO2 mais devrait atteindre 3% d'ici 2050. Bien que ce chiffre soit faible comparé aux autres secteurs industriels, tels que la production d'énergie et le transport terrestre, il faut noter que ces industries disposent actuellement de sources d'énergies alternatives viables. Par exemple, l'industrie de la production d'énergie peut se tourner vers les technologies éoliennes, hydroélectriques, nucléaires et solaires. Dans le cas de l'aviation, alors que les recherches portent sur les avions électriques, ces sources d’énergies alternatives sont encore loin d’être utilisée dans le secteur en raison du besoin d'un rapport puissance / poids élevé et d'une infrastructure globalement compatible.
L'industrie aéronautique a identifié les biocarburants comme l'un des principaux outils pour réduire ses émissions polluantes. Ces émissions ne se limitent pas aux seuls gaz à effet de serre comme le CO2, mais ils incluent des particules volatiles (vPM) et non volatiles (nvPM). Les nvPM sont définies comme les particules présentes dans les gaz d'échappement du moteur à des températures supérieures à 350 °C. Les vPM sont formées par nucléation à partir de précurseurs gazeux dans les gaz d'échappement en aval de la chambre de combustion, lorsque la concentration de particules préexistantes a diminué, favorisant la nucléation homogène. L'acide sulfurique formé dans les gaz d'échappement du moteur semble être lié à la formation des vPM. Cependant, la quantité de soufre présente dans le combustible convertie en acide sulfurique dans les gaz d'échappement est trop faible pour expliquer la quantité de vPM observée. Le mécanisme moléculaire derrière ce phénomène reste encore inconnu.

Les principaux objectifs de ce projet sont:

1. Déterminer le mécanisme derrière la formation de vPM dans les gaz d'échappement du moteur et son lien éventuel avec la composition du carburant ;
2. Établir un protocole d'échantillonnage pour les mesures de vPM pouvant être utilisées dans les processus de certification ;
3. Déterminer l'impact de la composition chimique du carburant sur les propriétés physico-chimiques de vPM et nvPM.

Pour atteindre les trois objectifs mentionnés, nous prévoyons d'utiliser un générateur des aérosols de combustion (CAST) spécialement conçu pour fonctionner avec les combustibles aéronautiques disponibles à l'ONERA comme source d'émission. Pour étudier en détail la formation de vPM, nous utiliserons la chambre atmosphérique CESAM disponible au LISA ainsi qu’ un réacteur à écoulement massique d'aérosols (PAM) disponible au LSCE et exploité en collaboration avec l'INERIS pour induire la formation de vPM à partir des gaz d'échappement de CAST. Nous utiliserons les moyens expérimentaux disponibles à l'ONERA et au CESAM pour caractériser les émissions. De plus, une caractérisation chimique sera effectuée par SAGE et PhLAM. Pour mieux comprendre le mécanisme moléculaire de la formation de vPM, nous effectuerons une série de simulations théoriques dirigées par UTINAM. Pour compléter le consortium, deux partenaires étrangers participeront : l'Université de Technologie de Tampere (TUT), qui participera à la caractérisation des amas moléculaires émis par CAST, et l'institut nationale espagnole pour l'aéronautique (INTA) qui collaborera en donnant accès à sa ligne d'échantillonnage dans leur banc d'essai pour mesurer la formation de vPM dans l'une de ses campagnes de mesure standard avec un moteur complet.