La présente invention concerne l'utilisation de composés organiques à titre d'additifs anti-suies pour des carburants d'aviation pour moteurs à turbine, plus connus sous l'appellation « jet- fuels » en langue anglaise.

L'amélioration de la qualité de l'air est aujourd'hui une préoccupation majeure de tous les pays industrialisés. Parmi les polluants référencés, l'émission, lors de la combustion de carburant, de particules carbonées, plus communément appelées « suies », demeure un problème majeur pour l'environnement et la santé.

D'une manière générale, la formation des suies est liée à un déficit local en oxygène au cours de la combustion du carburant. Les mécanismes conduisant à la formation de ces particules de suies sont encore mal connus. Ils font intervenir des réactions complexes de nucléation, croissance de surface des particules et coagulation. Plus précisément, les macromolécules formées par pyrolyse ou oxydation des hydrocarbures se condensent pour donner des noyaux de carbone de diamètre inférieur à 2 nm. Sur ce noyau, sont alors adsorbées des particules issues de la phase gazeuse, tels que des composés aromatiques polycycliques ou des dioxines. Enfin, l'agglomération de ces noyaux carbonés primaires forme un ensemble de particules de taille comprise entre 10 et 300 nm en sortie d'échappement.

Des études ont montré que les particules de suies sont l'une des causes de la dégradation de la qualité de l'air, et qu'elles participent au phénomène de réchauffement climatique. Il a également été avancé que les particules de suies sont néfastes pour la santé, et plus particulièrement qu'elles seraient cancérogènes pour l'homme.

Pour ces raisons de santé et d'environnement, la limitation des émissions de suies demeure un enjeu important.

Actuellement, dans le domaine des véhicules à moteurs Diesel, le recours à des filtres à particules permet de réduire les émissions de particules de suies en sortie du pot d'échappement et d'atteindre les normes réglementaires et de santé en vigueur. Différentes technologies de filtres, dits à régénération, ont ainsi été développées pour collecter les particules de suies, et éliminer les suies ainsi piégées afin de régénérer la perte de charge des filtres. Pour des raisons évidentes, il est préférable de développer des moyens permettant, non pas de collecter puis d'éliminer les suies, mais de réduire, voire d'empêcher leur formation.

De nombreux travaux de recherche ont été menés dans le domaine automobile, en particulier pour des carburants Diesel, et proposent de réduire la formation des suies via l'ajout d'additifs polyoxygénés.

Par exemple, diverses études (Rounce et al. UK. Energy & Fuels (2010), 24(9), 4812-4819 et Cheung et al. "Performance of diesel engine using diesel fuel blended with dimethyl carbonate", Southeast University Press, Nanjing, Peop. Rep. China CODEN: 69GNB5. CAN 142:300536) analysent l'influence de la mise en œuvre dans des carburants automobiles diesel du diméthyle carbonate (DMC) et du diéthyle carbonate (DEC) sur la libération des fumées, du monoxyde de carbone ou encore des oxydes d'azote.

Egalement, Guo et al. proposent l'ajout, dans des carburants diesel, du di(2- éthoxyéthyl)carbonate (Guo et al., "Development of di(2-ethoxyethyl)carbonate as a clean diesel fuel additive", American Chemical Society, Division of Petroleum Chemistry, CODEN: ACPCAT ISSN: 0569-3799. CAN 145:491855 AN 2006:270943 ; et Guo et al, "Development of di(2-ethoxyethyl)carbonate used as a clean diesel fuel additive", American Chemical Society, Washington, D. C CODEN: 69HYEC Conférence ; AN 2006:249481) ou du méthyl 2-éthoxyéthyl carbonate (Guo et al., "Investigation of a novel oxygenate, methyl 2-ethoxyethyl carbonate, as a clean diesel fuel additive", Xi'an Research Institute of Hi.-Tech, Xi'an, Peop. Rep. China. American Chemical Society, Washington, D. C CODEN: 69GQMP Conférence ; AN 2005: 190024), pour réduire la formation des particules de fumée.

Il a également été proposé, pour réduire la formation de suies et de fumées émises par les moteurs Diesel, divers composés de type (poly)éthers, tels que des composés alkyl éther d'alkylène glycol (US 3,594,136), polyoxyalcanes (US 2010/0005707), polyoxyméthylène di(alkyl polyglycol) éthers (US 2011/0131871) ou encore dialkyl éthers de glycols (GB 1,246,853). En revanche, peu d'études ont trait au domaine des carburants d'aviation. Or, le problème d'émission des suies se rencontre également dans le domaine des carburants utilisés dans l'aéronautique, principalement lors du décollage des avions, lorsque la poussée est maximale.

Les carburants d'aviation pour moteurs à turbine (turboréacteurs, turbopropulseurs), communément appelés « carburéacteurs », et plus connus sous les appellations en langue anglaise « jet-fuels » ou « Aviation Turbine Fuels » (ATF), sont des mélanges complexes d'hydrocarbures, distincts des carburants Diesel utilisés dans le domaine automobile ; et doivent satisfaire à des spécifications très strictes en raison de leurs contraintes particulières d'utilisation. Notamment, la performance du carburant dans des conditions de très basses températures est l'une des préoccupations majeures dans le domaine des jet- fuels, en particulier pour réduire le risque de colmatage lié à la précipitation de composés à basse température.

La présente invention vise précisément à fournir des additifs appropriés pour une mise en œuvre dans des carburants d'aviation destinés aux moteurs à turbine (« jet- fuels »), et permettant de réduire la formation des suies.

Comme évoqué précédemment, de tels additifs doivent répondre aux exigences strictes rencontrées dans le domaine des jet-fuels. Ainsi, en plus d'être solubles dans la formulation de carburant, il est impératif que ces additifs n'induisent pas une élévation du point de congélation de la formulation de jet-fuel dans laquelle ils sont mis en œuvre, ce qui, pour des raisons évidentes, pourrait avoir des conséquences dramatiques. Les jet-fuels doivent ainsi conserver un point de congélation très bas pour supporter des conditions de température extrêmes aux altitudes élevées. Il est également préférable que ces additifs n'induisent pas une modification significative du point éclair de la formulation de jet-fuel dans laquelle ils sont mis en œuvre.

En outre, il est préférable que ces additifs n'abaissent pas le pouvoir calorifique des carburants.

Pour des raisons évidentes, il importe également que ces additifs présentent un point d'ébullition compatible à leur utilisation dans un carburant d'aviation pour moteurs à turbine, typiquement compris de 140 °C à 300 °C (à 1 atm).

Enfin, il importe que ces additifs, lors de la combustion du jet- fuel, n'entraînent pas la formation de dérivés toxiques ou polluants annexes, et n'induisent pas la formation de couches polymériques ou métalliques à la surface de la turbine. Selon un premier de ses aspects, l'invention a ainsi pour objet l'utilisation d'un composé dialkylcarbonate à titre d'additif anti-suies pour un carburant d'aviation pour moteurs à turbine (« jet-fuel »), ledit composé dialkylcarbonate étant choisi dans le groupe constitué

et leurs mélanges,

à condition que le composé C ne soit pas mis en œuvre conjointement avec un composé dialkyldicarbonate.

En particulier, l'invention a pour objet l'utilisation d'un composé dialkylcarbonate à titre d'additif anti-suies pour un carburant d'aviation pour moteurs à turbine (« jet-fuel »), ledit composé dialkylcarbonate étant choisi dans le groupe constitué de :

et leurs mélanges.

Par « additif anti-suies », on entend un composé qui, mis en œuvre dans un carburant, en particulier un jet- fuel, permet de réduire la formation de suies lors de la combustion dudit carburant.

Certes, le diméthyle carbonate (DMC) et le diéthyle carbonate (DEC) ont déjà été proposés par Rounce et al. et Cheung et al. comme additifs pour réduire l'émission de polluants dans des carburants automobiles Diesel.

Toutefois, à la connaissance des inventeurs, il n'a jamais été proposé de mettre en œuvre les composés A, B et D de l'invention pour réduire la formation des suies spécifiquement dans un carburant d'aviation pour moteurs à turbine. A la connaissance des inventeurs, il n'a pas non plus été proposé de mettre en œuvre le composé C de l'invention sans dialkyldicarbonate pour réduire la formation des suies spécifiquement dans un carburant d'aviation pour moteurs à turbine.

De manière inattendue, les inventeurs ont découvert que les composés A, B et D de l'invention s'avèrent particulièrement efficaces à titre d'additifs anti-suies dans une formulation de carburant d'aviation, voire même présentent une performance améliorée en matière de réduction des suies comparativement à leur efficacité dans un carburant Diesel.

De même, les inventeurs ont découvert que le composé C de l'invention s'avère particulièrement efficace à titre d'additif anti-suies dans une formulation de carburant d'aviation, même en l'absence de dialkyldicarbonate, voire même présente une performance améliorée en matière de réduction des suies comparativement à son efficacité dans un carburant Diesel.

Sans vouloir être lié par la théorie, l'efficacité anti-suies des composés dialkylcarbonates de l'invention est due à leur capacité à piéger les premières espèces radicalaires issues de la dégradation thermique des carburants, et qui interviennent dans la formation des suies. Plus précisément, les composés selon l'invention s'avèrent aptes à créer rapidement des radicaux thermodynamiquement stables, de type alkyle et/ou alkoxyle, qui, en piégeant les premières espèces radicalaires mentionnées ci-dessus, limitent voire inhibent la formation des particules de suies.

Par « composé dialkyldicarbonate », on entend notamment un composé de formule (I) suivante :

dans laquelle RI et R2, identiques ou différents, représentent un groupe alkyle, linéaire ou ramifié, en C1-C10.

RI et R2 peuvent éventuellement former ensemble un radical alkyle divalent linéaire tel que le composé de formule (I) est cyclique.

Selon la présente invention, un groupe « alkyle » représente un groupe hydrocarboné saturé, en chaîne droite ou ramifiée, comprenant de 1 à 10 atomes de carbone, de préférence de 1 à 7 atomes de carbone. On peut notamment citer, lorsqu'ils sont linéaires, les radicaux méthyle, éthyle, propyle, butyle, pentyle, hexyle, heptyle, octyle, nonyle, décyle, undécyle et dodécyle.

On peut notamment citer, lorsqu'ils sont ramifiés ou substitués par un ou plusieurs radicaux alkyles, les radicaux isopropyle, tert-butyle, 2-éthylhexyle, 2-méthylbutyle, 2-méthylpentyle, 1-méthylpentyle et 3-méthylheptyle.

Selon l'utilisation de l'invention, lorsque le composé C de l'invention est mis en œuvre à titre d'additif anti-suies pour un carburant d'aviation pour moteurs à turbine, celui-ci n'est pas mis en œuvre conjointement avec un composé dialkyldicarbonate tel que défini ci-dessus, c'est-à-dire que ledit composé C n'est pas en présence d'un composé dialkyldicarbonate au sein d'une même formulation et que ledit composé C n'est pas mélangé avec un composé dialkyldicarbonate.

Selon un mode de réalisation, lorsque l'un quelconque des composés A, B, C ou D de l'invention est mis en œuvre à titre d'additif anti-suies pour un carburant d'aviation pour moteurs à turbine, celui-ci n'est pas mis en œuvre conjointement avec un composé dialkyldicarbonate tel que défini ci-dessus, c'est-à-dire qu'il n'est pas en présence d'un composé dialkyldicarbonate au sein d'une même formulation et qu'il n'est pas mélangé avec un composé dialkyldicarbonate. De préférence, le composé dialkylcarbonate utilisé à titre d'additif anti-suies pour un carburant d'aviation pour moteurs à turbine est choisi dans le groupe constitué des composés A, B, D et leurs mélanges.

Les composés dialkylcarbonates de l'invention peuvent être disponibles dans le commerce ou préparés selon des méthodes de synthèse décrites dans la littérature et connues de l'homme du métier.

Application dans un carburant d'aviation pour moteurs à turbine

Les composés dialkylcarbonates conformes à l'invention peuvent être utilisés à titre d'additifs anti-suies dans une formulation de carburant d'aviation pour moteurs à turbine (« jet-fuel »). Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne ainsi une composition comprenant au moins un carburant d'aviation pour moteurs à turbine et au moins un composé dialkylcarbonate choisi dans le groupe constitué des composés A, B, C et D tels que définis ci-dessus, et leurs mélanges, à condition que lorsque ladite composition comprend ledit composé C, celle-ci soit exempte de composé dialkyldicarbonate.

Selon un mode de réalisation, la composition de l'invention est exempte de composé dialkyldicarbonate (quelque soit le composé A, B, C ou D compris dans ladite composition).

Selon un mode de réalisation, la composition de l'invention comprend au moins un carburant d'aviation pour moteurs à turbine et au moins un composé dialkylcarbonate choisi dans le groupe constitué des composés A, B et D tels que définis ci-dessus, et leurs mélanges.

Une telle composition, aussi appelée « carburant supplémenté », est particulièrement adaptée à titre de carburant d'aviation pour moteurs à turbine.

La présente invention concerne encore, selon un autre de ses aspects, un réceptacle, en particulier un réservoir de carburant d'un engin de locomotion aérienne, contenant un carburant supplémenté tel que défini précédemment.

L'invention concerne encore un engin de locomotion aérienne, en particulier un avion, comportant un réservoir de carburant supplémenté tel que défini précédemment.

Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne aussi un procédé pour réduire la formation et/ou l'émission de suies lors de la combustion d'un carburant d'aviation pour moteurs à turbine, comprenant la fourniture à un moteur à turbine d'une composition selon l'invention.

Par « carburant d'aviation », on entend un carburant destiné à un usage dans un aéronef, en particulier un avion, et satisfaisant aux spécifications internationales établies pour les carburants d'aviation telles qu'évoquées ci-dessous.

En particulier, la composition de carburant d'aviation selon l'invention peut être un carburant destiné au fonctionnement des moteurs d'avions à turbine (turboréacteur, turbopropulseur), communément appelés « carburéacteurs » ou « jet-fuels » en langue anglaise et, à ce titre, peut plus particulièrement respecter les normes requises pour les carburéacteurs, par exemple celles du carburéacteur Jet A-1.

A titre de carburants d'aviation, on peut citer par exemple les carburants connus des spécialistes sous les appellations suivantes : JP-4 (MIL-T-5624), JP-5, JP-7 (MIL-T-38219), JP-8 (MIL-T-83133) dans le domaine de l'aviation militaire, Jet A, Jet A-1 (ASTM-D 1655) et Jet B dans le domaine de l'aviation civile, et de préférence Jet A-1.

Les carburants d'aviation sont à base de kérosène, seul ou en mélange avec une essence (par exemple 50 % kérosène - 50 % essence pour JP-4, 99,5 % kérosène pour JP-5 et JP-8, 100 % de kérosène pour Jet A-1) et comprennent des additifs ajustés au regard des utilisations spécifiques du carburant, comme par exemple des antioxydants, inhibiteurs de corrosion, inhibiteurs de catalyse métallique, inhibiteur de givrage, en quantités limitées.

En général, les carburéacteurs sont produits à partir d'une fraction de kérosène issue directement de la distillation atmosphérique du pétrole brut et dont les points de distillation sont compris entre 140 °C et 300 °C, et de chaînes carbonées de 9 à 16 atomes de carbone.

Les carburants d'aviation présentent la particularité de devoir répondre dans le monde entier aux mêmes niveaux de spécifications, découlant directement des conditions particulières, notamment des variations extrêmes de température, dans lesquelles ils sont utilisés. Les propriétés et spécifications de ces carburants d'aviation sont plus particulièrement détaillées dans le document : « Kerosene/Jet fuel category assessment document », submitted to the US EPA by the American Petroleum Institute, September 21, 2010. Des carburants pour avion particulièrement avantageux sont par exemple ceux conformes à la spécification AFQRJOS (« Aviation Fuel Quality Requirements for Jointly Operated Systems ») Issue 18 pour le Jet A-1 de mars 2015 (cette spécification reprend les critères les plus contraignants de la spécification ASTM D 1655 et de la spécification britannique DEF STAN 91-91).

En aviation civile, le carburant le plus répandu est le carburéacteur Jet A-1. Celui-ci doit présenter un point de congélation inférieur à -47 °C (valeur typique de -50 °C). Le Jet-A avec un point de congélation de -40 °C est de qualité inférieure au Jet A-1 et principalement utilisé aux Etats-Unis ; le Jet B avec un point de congélation inférieur à -50 °C, nom commercial du JP-4, est uniquement utilisé dans les climats très froids.

Ces carburants d'aviation présentent tous un pouvoir calorifique compris entre 42,8 et 43,6 MJ/kg. Le point d'éclair minimum est de 60 °C pour le JP-5, de 38 °C pour le Jet A-1 et JP-8 (valeur typique pour le Jet A-1 de 50 °C). Les densités caractéristiques sont de 810 kg/m ³ pour le Jet A-1, de 760 kg/m ³ pour le Jet B.

D'autres spécifications peuvent encore être citées. Par exemple, le Jet A-1 doit impérativement avoir une teneur en soufre inférieure à 0,30 % en poids, et une teneur en composés aromatiques inférieure à 22 % en volume (25 % pour la norme internationale AFQRJOS).

Bien entendu, le ou lesdits composés dialkylcarbonates de l'invention sont additionnés au carburant conventionnel, par exemple un carburant Jet A-1, en une quantité telle qu'ils n'affectent pas les spécifications auxquelles doit répondre ce carburant.

Ainsi, selon un mode de réalisation particulier, une composition de carburant d'aviation selon l'invention présente un point de congélation inférieur à -40 °C, en particulier compris entre -60 et -40 °C, de préférence inférieur à -47 °C, et peut ainsi être adaptée à son utilisation potentielle dans des conditions de froid, par exemple dans le cadre d'une utilisation dans l'aviation civile ou militaire.

De préférence, une composition de carburant d'aviation selon l'invention présente un bon pouvoir calorifique, en particulier supérieur à 40 MJ/kg, en particulier supérieur à 42,5 MJ/kg, de préférence supérieur à 42,8 MJ/kg (norme internationale AFQRJOS).

Il est entendu qu'un composé dialkylcarbonate conforme à l'invention peut être ajouté à une formulation de carburant, seul ou en combinaison avec un ou plusieurs autres composés dialkylcarbonates conformes à l'invention.

Il appartient à l'homme du métier d'adapter la teneur en additif(s) anti-suies selon l'invention à introduire dans la formulation de carburant, en particulier au regard de la composition du carburant, du ou desdits additifs anti-suies mis en œuvre, et des propriétés anti-suies attendues.

Le ou lesdits composés dialkylcarbonates conformes à l'invention sont plus particulièrement introduits dans une formulation de carburant en une teneur telle qu'ils sont solubles dans la formulation de carburant. D'une manière générale, le ou lesdits composés dialkylcarbonates peuvent être mis en œuvre dans une formulation conventionnelle de carburant d'aviation, à raison de 0,1 % à 20 % molaire, en particulier de 0,5 % à 10 % molaire, de préférence de 1 % à 5 % molaire.

Ainsi, la composition selon l'invention peut comprendre de 0,1 % à 20 % molaire, en particulier de 0,5 % à 10 % molaire, de préférence de 1 % à 5 % molaire d'un ou plusieurs composés dialkylcarbonates conformes à l'invention.

Au sens de la présente invention, il est à noter que les termes « allant de ... à ... » et « compris entre ... et ... » signifient que les bornes sont incluses, sauf mention contraire.

Sauf indication contraire, l'expression « comportant/comprenant un(e) » doit être comprise comme « comportant/comprenant au moins un(e) ».

Exemples

Matériels et Méthodes

Les performances anti-suies d'additifs conformes à la présente invention ont été testées par mesure de YSI (Yield Sooting Index), en mettant en œuvre le dispositif et la méthodologie décrits en détail dans McEnally et al. Combust. Flame 2007, Vol.148, 4, 210-222.

Selon cette méthodologie, la fraction volumique maximale de suies f _v , max est mesurée dans une flamme de diffusion laminaire méthane/air dont le flux est dopé en amont de la combustion par une faible quantité de vapeurs du carburant supplémenté (ou non) à étudier.

Des mesures d'extinction Laser (Light Extinction Laser) ont été réalisées pour mesurer la fraction volumique de suies dans les flammes ainsi produites. De manière schématique, un laser traversant lesdites flammes est partiellement occulté par les particules opaques de suies générées par la combustion du carburant supplémenté. Une caméra placée en aval de la flamme permet l'acquisition de la lumière résiduelle ayant traversée la flamme.

Des procédés de traitement du signal ainsi capté ont ensuite permis d'accéder aux YSIs pour chacun des carburants supplémentés (ou non) testés.

Les carburants utilisés sont le n-décane ou des mélanges de n-décane et de toluène. Ces mélanges miment avantageusement le comportement en combustion des carburants d'aviation conventionnels, notamment la formation de suies. En particulier, le toluène a tendance à générer une quantité de suie importante de part sa nature aromatique. La teneur molaire en toluène dans le n-décane est de 0 %, 4 % ou 8 % selon les expériences.

Les carburants utilisés sont exempts de composé dialkyldicarbonate. Les additifs utilisés dans les carburants supplémentés sont les composés A, B, C et D selon l'invention, représentés ci-après. La teneur molaire en additifs dans le carburant considéré est de 0 %, 1,96 %, 6,54 % ou 10,7 % selon les expériences.

A B D

Résultats

Influence de la teneur en toluène

Les résultats du Tableau 1 ci-dessous ont été obtenus en faisant varier la teneur molaire en toluène dans le carburant testé, afin de simuler une teneur variable en aromatique dans le carburant.

Tableau 1

On observe que les additifs A à D selon l'invention permettent de faire baisser efficacement le YSI des carburants supplémentés par rapport aux carburants non supplémentés (référence), et ce en l'absence de dialkyldicarbonate. Influence de la teneur en additif selon l'invention

Les résultats du Tableau 2 ci-dessous ont été obtenus en faisant varier la teneur molaire en additif dans le carburant testé, à savoir un mélange de n-décane et de toluène (8 mol %).

Tableau 2

On observe que les additifs A à D selon l'invention permettent de faire baisser efficacement le YSI des carburants supplémentés par rapport au carburant non supplémenté (référence), et ce en l'absence de dialkyldicarbonate.

Dans les expériences ci-dessus, les performances anti-suies les plus intéressantes ont été obtenues avec l'additif C, en l'absence de dialkyldicarbonate.