Ce travail porte sur l'étude de l'impact environnemental des esters méthyliques utilisés comme biodiesel et concerne plus particulièrement la cinétique de formation des oxydes d'azote (NOX). Les objectifs de ce travail de thèse visent (i) à étudier la cinétique d’oxydation d’un ester méthylique saturé, le Butanoate de Méthyle (MB), afin de disposer une base de données expérimentales en condition de flamme laminaire de pré-mélange, (ii) et tester des mécanismes cinétiques détaillés de l'oxydation du MB disponibles dans la littérature sur la formation du NO précoce. Pour prendre en compte la chimie de l’azote, nous avons ajouté à ces mécanismes un sous-mécanisme de formation du NO récemment validée au laboratoire PC2A. Cinq flammes CH4/MB/O2/N2 ont été stabilisées à basse pression (5,3 kPa) avec des quantités connues d'ester (0%, 20% et 50% dans le mélange combustible). Les mélanges étudiés sont caractérisés de manière à évaluer l'effet du facteur de richesse et du rapport C/O sur la formation de NO. Les profils d’espèces ont été mesurés par couplage de techniques in situ de spectroscopie laser (Fluorescence Induite par Laser, LIF) et de techniques analytiques après prélèvement des gaz (Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG), spectroscopie Infra Rouge à Transformée de Fourrier (IRTF)). Les résultats expérimentaux montrent que la substitution du CH4 par le MB dans la flamme CH4/air diminue la fraction molaire de NO. Cette diminution est plus importante lorsque la richesse diminue par rapport à la flamme de CH4/air. Les profils expérimentaux ont été confrontés aux profils simulés issus de trois modèles cinétiques détaillés, indiquant des variations notables d’un modèle à l’autre. Il a été observé que le modèle de Dooley et al. (2008) donne des accords assez satisfaisants en comparaison avec les résultats expérimentaux. L’analyse des voies réactionnelles a permis de mettre en évidence les réactions prépondérantes de la consommation du MB et celles impliquées dans la formation du NO précoce. / This work is focused on the study of the environmental impact of methyl esters used as biodiesel and concerns more particularly the kinetic of nitrogen oxides formation in flame conditions. The aim of this PhD is (i) to study the kinetics of oxidation of a methyl ester saturated, as Methyl Butanaote (MB), in order to have an experimental database on condition of laminar premixed flame, (ii) to test detailed kinetic mechanisms of oxidation of MB available in the literature on the formation of prompt-NO. To account for the nitrogen chemistry, we added these mechanisms a sub-mechanism of NO formation recently validated in PC2A laboratory. Five flames CH4/MB/O2/N2 have been stabilized at low pressure (P = 5.3 kPa) with known amounts of ester (0%, 20% and 50% in the fuel mixture). The mixtures studied are characterized so as to evaluate the effect of the equivalence ratio and the C/O ratio on NO formation. The species profiles were measured by coupling laser spectroscopy techniques in situ (Laser Induced Fluorescence (LIF)) and analytical techniques after gas probe sampling through a quartz microprobe (Gas Chromatography (GC), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (IRTF)). The experimental results show that the substitution of CH4 by MB in the CH4/air flame decreases the mole fraction of NO. This reduce is higher when the equivalence ratio decreases compared to the stoichiometric CH4/air flame. The experimental profiles were compared with profiles modeled from three detailed kinetic models, showing significant variations from one model to another. It was observed that the model of Dooley et al. (2008) gives quite satisfactory agreements compared with experimental results. The analysis of reaction pathways allowed to highlight the predominant reactions in consumption of MB and those involved in the formation of prompt NO.

Les industries du raffinage et du transport doivent faire face à une conjoncture marquée par une demande croissante et importante de carburant gazole et à la fois par la Directive 2003/30/EC de l’Union Européenne imposant l'incorporation progressive de sources renouvelables dans les carburants (5,75 % en 2010 à 20 % en 2020, en terme de contenu énergétique). Dans ce contexte, les schémas de raffinage ont été orientés vers la valorisation de plus de coupes lourdes en bases pour la formulation des carburants gazoles et combustibles Fuel–Oil domestique, tandis que l’aspect réglementaire est satisfait en ayant recours à des bases alternatives de type Esters Méthyliques d’Huiles Végétales (EMHV). Cependant, les gazoles moteurs ainsi formulés sont d’avantage exposés aux problématiques de cristallisation en raison de l’accroissement de composés susceptibles de s’y solidifier lors de températures hivernales (principalement les n-alcanes et les Esters Méthyliques d’Acides Gras). Il est par conséquent important de se doter d’un outil d’optimisation de la formulation permettant de prédire la température d’apparition des premiers cristaux, soit leur point de trouble. Dans cette perspective, il a été nécessaire d’acquérir les données expérimentales de transition de phase liquide – solide des Esters Méthyliques d’Acides Gras composants les EMHV, mais également celles des fluides réels (gazoles fossiles, EMHV et leurs mélanges). Les données collectées ont par la suite été comparées aux prédictions résultantes de modèles thermodynamiques se proposant de décrire l’équilibre de phase liquide – solide des gazoles et des EMHV, afin de s’en inspirer pour établir une approche prédictive de calcul des températures de transition de phase des mélanges.En définitive, nous avons reliés les résultats de la modélisation thermodynamique et les mesures du point de trouble réalisées conformément aux normes pétrolières en vigueur en Europe (ASTM D5771et D7689), afin d’établir des corrélations aptes à la prédiction de cette propriété attestant de la tenue au froid des gazoles moteurs. / The concerns about greenhouse effect have encouraged the use of biodiesels to replace petroleum-derived diesel fuel. Indeed, the European Union has issued a Directive 2003/30/EC, which mandates the use of biofuels in a percentage ranging from 5.75% in 2010 to 20.00% in 2020 (calculated on the basis of energy content) for all transportation fuels marketed within the member states. First-generation biodiesels made from vegetable oils or animals fats are blended with petroleum diesel to fuel the engines. Besides, the refining schemes were modified to produce more heavy petroleum cuts in order to satisfy the growing demand of diesel fuel. However, the resulting diesel are more exposed to operability problems as the Fatty Acid Methyl Esters and the heavy normal paraffins may solidified in the tank and filters when the temperature drops down during the winter seasons. Thus the study of the solid-liquid phase equilibria of these blends may be useful to predict the temperature of apparition of the solidified material, known as the cloud point. In this work, we collected the melting data of the pure biodiesel components (Fatty Acid Methyl Esters) and we studied the phase change temperature of real diesel samples (petroleum diesel and biodiesel blends). Then, we have developed a thermodynamic model in order to compute the solid-liquid phase equilibria of all these kind of fluids involved in the diesel fuel formulation. Comparisons were made with the experimental phase change measurements and with the cloud point normalized measurement methods (ASTM D5771 et D7689). Finally, we have correlate the phase change temperature calculated by the thermodynamic model with the normalized cloud point, so as this important data could be obtain by a predictive tool.

Les données expérimentales sur les propriétés thermodynamiques des mélanges entrant dans la composition des nouvelles générations de carburants sont rares ou entachées d’erreur. L’objectif de cette thèse est de contribuer à l’alimentation de base de données thermophysique de corps purs et de mélanges entrant dans la composition des carburants formés de biodiesel/diesel dans une large gamme de pression et de température (1 Pa à 200 kPa). Grâce à l’appareil statique disponible au laboratoire (UMR 5615) et aux différentes méthodologies mises au point pour la détermination des équilibres de phase, l’acquisition de données fiables a été obtenue pour 8 corps purs et leurs mélanges binaires. Les valeurs relatives aux pressions de vapeur des corps purs sont en bon accord avec la littérature dans le domaine des pressions moyennes. En revanche pour les faibles pressions de vapeur (inférieures à 1 kPa) et pour les mélanges binaires étudiés, les pressions de vapeur obtenues sont originales. Les deux modèles thermodynamiques NRTL et UNIQUAC ont restitué les résultats expérimentaux de façon satisfaisante.L’étude des propriétés volumétriques par la mesure de la densité, nous a permis d’interpréter les différentes interactions qui peuvent exister dans un mélange binaire constitué d’un ester et d’un alcane / Experimental data of thermodynamic properties of mixtures used in the composition of new fuel generations are very rare in the literature.The aim of this thesis is to contribute to setting up a thermophysical database of constituents used in the composition of biodiesel / diesel mixtures over a wide range of pressure and temperature (1 Pa to 200 kPa).Thanks to the static apparatus available in the laboratory (UMR 5615-Lyon1) and to the various methodologies developed to determine phase equilibrium, the acquisition of reliable data has been obtained for 8 pure substances and their binary mixtures. The vapor pressures of the pure compounds are in good agreement with the literature data in the range above 1 kPa whereas no data has been found to compare with experimental values of the pure compounds or mixtures below 1 kPa.A good correlation of the experimental results was obtained using two thermodynamic models, NRTL and UNIQUAC.The study of the volumetric properties obtained by densimetry, led us to interpret the different interactions that could exist in a binary mixture consisting of ester and alkane and to estimate quantitatively the different contributions to the excess molar volume

Le système d’injection Diesel doit résister à des conditions opératoires (pression, température) de plus en plus sévères, et être compatible avec les évolutions du carburant diesel, telles que l’introduction des Esters Méthyliques d’Acide Gras (EMAG) et l’utilisation de différents additifs, qui peuvent affecter la durabilité des véhicules, suite à la formation de dépôts. L’objectif des travaux de cette thèse est la compréhension des mécanismes de formation des dépôts issus de l’oxydation des carburants et la détermination des paramètres majeurs participant aux interactions dépôts-substrats (état de surface, matériaux, géométrie, thermique…). Deux études ont été abordées dans cette thèse. La première étude porte sur l’oxydation accélérée des carburants Diesel, des EMAG et des mélanges Diesel/EMAG en phase liquide en utilisant le moyen d’essai PetroOxy, la cinétique d’oxydation a été déterminée pour les différents carburants et la caractérisation des produits d’oxydation a été effectuée utilisant les moyens d’analyse (FTIR-ATR, ATG/DTG et GC/MS). La seconde étude est dédiée à la reproduction du dépôt sur les substrats en (aluminium, acier inoxydable, PEEK, revêtement or sur aluminium, revêtement silcoklean sur acier inoxydable) en utilisant le moyen d’essai Micro Cokage et la caractérisation du dépôt obtenu dans chaque cas en utilisant les moyens d’analyse (FTIR-ATR, ATG/DTG, FEG et XPS). Les résultats de ces travaux ont permis de déterminer l’impact de la nature et du taux d’EMAG ajouté au Diesel sur la stabilité à l’oxydation des carburants ; de mettre en place une hypothèse de formation de dépôt à partir de l’oxydation des carburants en phase liquide jusqu’à la formation de nanoparticules de dépôt sphériques ; et déterminer l’impact du substrat sur la formation et l’adhésion du dépôt à la surface du matériau. / Diesel injection system must withstand more severe operating conditions (pressure, temperature), and be compatible with the evolution of diesel fuel, such as the introduction of Fatty Acid Methyl Esters (FAME) and use of different additives, which may affect the durability of the vehicle, following the formation of deposits. The objective of this work is to understand the mechanisms of deposit formation from fuel oxidation and determine the major parameters involved in deposit-substrate interactions (surface condition, materials, geometry, temperature...). Two studies were discussed. The first study focuses on the liquid phase accelerated oxidation of Diesel fuel, FAME and mixtures (Diesel / FAME) using PetroOxy device, the oxidation kinetic was determined for the different fuels and characterization of oxidation products was carried out using the (FTIR-ATR, ATG / DTG and GC / MS). The second study was dedicated to the reproduction of deposit on different substrates (aluminum, stainless steel, PEEK, aluminum coating on gold, silcoklean coating on stainless steel) using the Micro Coking device, and characterization of the deposit obtained in each case using (FTIR-ATR, ATG / DTG, XPS and FEG). The results of this work permit to determine the impact of FAME nature and FAME concentration on fuel oxidation stability; an hypothesis was proposed to explain deposit formation.

Dans le cadre de cette thèse, les dérivés d’huiles végétales sont utilisés pour la synthèse de bioplastifiants bio-résistants pour le PVC d’une part et la plastification et la réticulation d’un élastomère d’autre part (EPDM). Les huiles ont été choisies comme matières premières renouvelables car elles ont des fonctions esters qui permettent la solubilisation du PVC et des chaines grasses compatibles avec l’EPDM. Les réactions d’ouvertures d’époxydes d’esters gras en di-esters (symétriques et dissymétriques) ont été étudiées et principalement appliquées à la plastification du PVC. L’ouverture des époxydes d’esters gras en éther-esters a aussi été étudiée, principalement pour la plastification de l’EPDM. Les conditions réactionnelles ont été optimisées par l’étude de catalyseurs, homogène (TBACl) et hétérogène (TiO2) pour l’ouverture en hydroxy-ester, et par des résines sulfoniques pour l’ouverture en éther et pour l’estérification des hydroxyles résiduels. Une large variété de réactifs choisis suivant l’application désirée a été utilisée. Le dérivé cyclohexanoate/acétate d’esters méthyliques de colza présente les meilleures propriétés plastifiantes pour le PVC mais il n’est malheureusement pas biorésistant. Les dérivés éther-ester ne sont pas stables thermiquement et ne permettent pas la plastification de l’EPDM. Un dérivé di-insaturé et peu polaire (oléate d’oléyle) a été synthétisé en vue de la plastification et la réticulation de l’EPDM. Plusieurs réactions ont été examinées pour lier l’huile et le polymère (hydrosilylation, ène-réaction et métathèse) mais la réactivité est trop faible pour permettre la réticulation / During this thesis, derivatives of vegetable oils are used to synthesize bio-resistant bio plasticizers for PVC and plasticizer / cross linker for an elastomer (EPDM). The oils possess ester functional groups which allow the solubilization of PVC and fatty chains compatible with EPDM. The reactions of epoxide ring-opening of fatty esters to di esters (symmetrical and asymmetrical) have been studied and applied mainly to the plasticization of PVC. The ring-opening of epoxides of fatty esters to ether-esters has also been studied, primarily for plasticization of EPDM. Optimization of the reaction conditions was carried: homogeneous (TBACl) and heterogeneous (TiO2) catalysts were efficient for the preparation of hydroxy-ester, and sulfonic resins in ether and the esterification of residual hydroxyls. A wide variety of reagents selected according to desired application were used. The derivative cyclohexanoate / acetate rapeseed methyl esters present the best plasticizing properties for PVC but it is unfortunately not bio-resistant. Ether-ester derivatives are not stable thermally and do not allow the plasticization of EPDM. A relatively non-polar di-unsaturated derivative (oleyl oleate) was synthesized for the plasticization and cross linking of EPDM. Several reactions are considered to link the oil and the polymer (hydrosilylation, ene- reaction and metathesis), but the reactivity is too low to allow the cross linking

Le biodiesel est un biocarburant, composé d'un mélange de mono-esters d'acide gras saturés et insaturés avec une longue chaîne carbonée. Ce travail de thèse présente les données de la littérature sur l'origine du biodiesel et son procédé de fabrication ; sont présentées aussi les performances et les émissions des moteurs diesel fonctionnant au biodiesel et la cinétique d'oxydation du biodiesel. Des efforts ont été faits pour mettre en évidence les principales différences entre les esters méthyliques et éthyliques tout en montrant que d'autres recherches sont encore à développer. Pour ces raisons, les délais d'auto-inflammation de cinq esters méthyliques et éthyliques ont été mesurés dans un tube à onde de choc : l'acrylate d'éthyle, l'acrylate de méthyle, le crotonate d'éthyle, le crotonate de méthyle et le butanoate d'éthyle. Les mécanismes cinétiques détaillés d'oxydation des cinq esters étudiés ont été générés automatiquement en utilisant le logiciel EXGAS. L'oxydation du butanoate d'éthyle, molécule modèle d'esters éthyliques d'huiles végétales (EEHV) a été étudiée dans un réacteur piston à pression atmosphérique pour une gamme de température allant de 500 à 1200 K. Les résultats représentent les profils de concentration des réactifs, les intermédiaires stables et les produits finaux. Le modèle cinétique a été validé de façon satisfaisante par une comparaison entre les résultats simulés et expérimentaux / An increasingly popular biofuel is biodiesel, composed of a mixture of saturated and unsaturated fatty acid methyl or ethyl esters, with a long aliphatic main chain. This PhD dissertation provides a literature review concerning the origin of biodiesel, its manufacturing process, performance and emissions of diesel engines fueled with biodiesel, and the kinetics of oxidation of biodiesel. Efforts were made to highlight the main differences between methyl and ethyl esters while showing where further research needs to be developed or pursued. For these reasons, the autoignition of five esters were measured behind reflected shock tube: ethyl acrylate, methyl acrylate, ethyl crotonate, methyl crotonate, and ethyl butanoate. Detailed mechanisms for the oxidation of the five studied esters were automatically generated using the version of EXGAS software. In addition, the oxidation of ethyl butanoate as a model compound for Fatty Acid Ethyl Esters (FAEE) has been investigated in tubular plug flow reactor at atmospheric pressure over wide range of temperature (500-1200 K). The results consist of concentration profiles of the reactants, stable intermediates, and final products. The model was again validated satisfactorily by comparison between computed results and the generated experimental data