WO2025252594A1 - Méthode de détermination d'une quantité d'au moins un composé chimique - Google Patents

Méthode de détermination d'une quantité d'au moins un composé chimique

Info

Publication number
WO2025252594A1
WO2025252594A1 PCT/EP2025/064930 EP2025064930W WO2025252594A1 WO 2025252594 A1 WO2025252594 A1 WO 2025252594A1 EP 2025064930 W EP2025064930 W EP 2025064930W WO 2025252594 A1 WO2025252594 A1 WO 2025252594A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
exhaust gases
fuel
chemical compound
quantity relating
flow rate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2025/064930
Other languages
English (en)
Inventor
Fabrice Lombard
Julien Glory
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gaztransport et Technigaz SA
Original Assignee
Gaztransport et Technigaz SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gaztransport et Technigaz SA filed Critical Gaztransport et Technigaz SA
Publication of WO2025252594A1 publication Critical patent/WO2025252594A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/10—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame
    • G01M15/102—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame by monitoring exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1452—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being a COx content or concentration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1459—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being a hydrocarbon content or concentration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/146—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an NOx content or concentration
    • F02D41/1461—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an NOx content or concentration of the exhaust gases emitted by the engine

Definitions

  • the invention relates to the field of methods for determining the quantity of a chemical compound emitted by a heat engine.
  • the overall objective is to reduce the exposure of marine and coastal ecosystems, marine and port operators, passengers and coastal populations to polluting emissions from ship engines into the atmosphere.
  • One of the tools of this strategy is to assign a rating to each ship based on the calculation of a carbon dioxide CO2 emission intensity index (CII) (see resolution MEPC.352(78)).
  • CII carbon dioxide CO2 emission intensity index
  • the calculation of this index is itself based on the assessment of the quantity, by mass, of greenhouse gases (GHGs) emitted by the ship.
  • the counting requirements for the calculation of the CII currently only concern carbon dioxide CO2 but will be extended to other GHGs, for example CH4 and N2O .
  • volumetric flow meters for this type of application do exist (ultrasonic, Pitot tube, vortex, etc.), but they represent a high cost in terms of supply, installation, and maintenance. Furthermore, measuring volumetric flow rate would require conversion to mass flow rate, which would reduce the accuracy of the result.
  • the calculation-based method gives satisfactory results for counting carbon dioxide, which is predictive: when a hydrocarbon molecule burns, it almost always produces CO2 .
  • the method allows for a rapid assessment of CO2 mass flow rates and therefore of cumulative masses over time, simply from a mass flow rate measurement of the fuel in question, or even from a variation in the fuel used over time, while eliminating the need for (i) a concentration measurement, (ii) a measurement of emission flow rate.
  • the predetermined factor used in the calculation-based method is determined based on the family of fuel used and is not precisely adapted to the fuel used, resulting in inaccuracy.
  • One idea behind the invention is to provide accurate and reliable results for determining the amount of a carbonaceous chemical compound emitted in the exhaust gases of a heat engine.
  • the invention provides a method for determining the value of a quantity relating to a quantity of at least one chemical compound, said chemical compound being emitted by a heat engine fueled at least partially by hydrocarbons, comprising the following steps: - determine an initial value of a quantity relating to a quantity of hydrocarbons introduced into the heat engine and deduce from this an initial value of a quantity relating to a quantity of carbon atoms introduced into the engine, - determine the concentrations of a plurality of expected carbon-based chemical compounds in exhaust gases, - deduce, from the said initial value of the quantity relating to the quantity of hydrocarbons introduced into the heat engine determined previously and from the concentrations of the said plurality of expected carbonaceous chemical compounds measured in the exhaust gases, a final value of a quantity relating to a quantity of carbon dioxide released in the exhaust gases and deduce the said value of the said quantity relating to the quantity of the chemical compound emitted in the exhaust gases.
  • the quantity relating to the amount of at least one chemical compound is a mass flow rate of the chemical compound or a mass
  • - the quantity relating to the amount of hydrocarbons introduced into the heat engine is a mass flow rate or a mass
  • - the quantity relating to the amount of carbon atoms introduced into the engine is a molar flow rate or a number of moles
  • - the quantity relating to the amount of carbon dioxide released in the exhaust gases is a molar flow rate or a number of moles.
  • the quantity relating to the amount of at least one chemical compound is a mass
  • the quantity relating to the amount of hydrocarbons introduced into the internal combustion engine is a mass flow rate
  • the quantity relating to the amount of carbon atoms introduced into the engine is a molar flow rate
  • the quantity relating to the amount of carbon dioxide released in the exhaust gases is a molar flow rate
  • a value of a quantity characteristic of the hydrocarbon composition is determined, depending on a reference ratio between a number of carbon atoms and a number of hydrogen atoms characteristic of this hydrocarbon composition, and this value of the characteristic quantity is taken into account to determine the initial value of the quantity relating to the amount of carbon atoms introduced into the heat engine.
  • the engine is powered by two fuels of different compositions, each having a reference ratio, and said characteristic quantity depends on the reference ratios of the two fuels.
  • said characteristic quantity is equal to the inverse of the sum of the molar mass of carbon and the ratio between the molar mass of hydrogen and the reference ratio.
  • said characteristic quantity is equal to a conversion factor between the consumption of hydrocarbons of the heat engine and the emission of carbon dioxide by this heat engine.
  • said characteristic quantity is equal to the reference ratio.
  • the final value of the quantity relating to the amount of carbon dioxide released in the exhaust gases is deduced from the initial value of the quantity relating to the amount of carbon atoms introduced into the heat engine and from each ratio between the concentration of each expected carbonaceous chemical compound in the exhaust gases and the concentration of carbon dioxide in these exhaust gases.
  • the expected carbonaceous chemical compounds include at least carbon dioxide and carbon monoxide, and the chemical compound is chosen from one of the following chemical compounds: carbon dioxide, methane, carbon monoxide, nitrous oxide, nitrogen oxides, sulfur oxides.
  • the concentrations of at least some of the expected carbonaceous chemical compounds in the exhaust gases are measured using a gas analysis device by gas spectrometry.
  • At least one exhaust gas sample is taken from said internal combustion engine, this sample is cooled and/or the water vapor is removed from this sample before it passes through the gas analysis device.
  • the value of the quantity relating to the amount of the chemical compound emitted in the exhaust gases is deduced from the final value of the quantity relating to the amount of carbon dioxide released in the exhaust gases and from the ratios between the concentration of each expected carbonaceous chemical compound in the exhaust gases and the concentration of carbon dioxide in these exhaust gases.
  • the invention also provides a system for determining the value of a quantity relating to a quantity of at least one chemical compound, said chemical compound being emitted by a heat engine fueled at least partially by hydrocarbons, comprising a computer unit including one or more processors programmed to implement the following steps: - determine an initial value of a quantity relating to a quantity of hydrocarbons introduced into the heat engine and deduce from this an initial value of a quantity relating to a quantity of carbon atoms introduced into the engine, - determine the concentrations of a plurality of expected carbon-based chemical compounds in exhaust gases, including carbon dioxide, - calculate, on the basis of the said initial value of the quantity relating to the quantity of hydrocarbons introduced into the heat engine determined previously and of the concentrations of the said plurality of carbonaceous chemical compounds in the exhaust gases, a final value of a quantity relating to a quantity of carbon dioxide released in the exhaust gases and deduce the said value of the said quantity relating to the quantity of the chemical compound emitted in the exhaust gases
  • this determination system further comprises a gas analysis device by gas phase spectrometry.
  • the system further includes a fuel analysis device.
  • the invention further relates to a ship equipped with a system as described above.
  • Each internal combustion engine 1 typically receives air and fuel 2 as intake.
  • the fuel 2 may include, for example, a primary fuel and a secondary fuel called a "pilot fuel,” used to initiate combustion.
  • the primary fuel and/or the pilot fuel contains hydrocarbons.
  • Exhaust gases 3 are expelled from the engine 1.
  • the fuel may consist of: either only a main fuel of the liquid hydrocarbon type, or a main fuel other than hydrocarbons for example methanol, ethanol or ammonia and a pilot fuel of the liquid hydrocarbon type, or only a main fuel of the gaseous hydrocarbon type.
  • the transport vehicle is, for example, a ship, in particular a methane tanker or a ship using Liquefied Natural Gas as fuel.
  • the system 20 for determining a value of a quantity relating to a quantity of at least one chemical compound emitted by a heat engine fueled at least partially by hydrocarbons includes in particular a computer unit 11 comprising one or more processors programmed to implement the method described below and one or more memories.
  • the chemical compound whose quantity is determined by the method according to the invention includes, for example, one of the following carbonaceous chemical compounds: carbon dioxide CO2 , methane CH4 , carbon monoxide CO.
  • It may also include another non-carbon chemical compound such as nitrous oxide N2O or nitrogen oxides NOx or sulfur oxides SOx.
  • the concentration of this non-carbon chemical compound in the exhaust gases is also determined, as will be described in detail below.
  • the proposed method consists of considering that all the carbon atoms C entering the heat engine are supplied by the fuel, and that these C atoms are either transformed (by oxidation) into CO 2 and CO, or are unburned, giving for example CH 4 , and expelled in the exhaust gases.
  • Carbon fuels known and used in industry and particularly in the maritime sector, consist almost exclusively of hydrocarbons containing chemical compounds of the C-alkane type. n H 2n+2 , alkenes C n H 2n and all types of cyclic and acyclic unsaturated hydrocarbon compounds, all of which are chains consisting exclusively of hydrogen and carbon atoms. These compounds contribute a number of carbon atoms n C and a number of hydrogen atoms n H to the internal combustion engine. We will also describe below the case of methanol and ethanol, which also contain carbon atoms.
  • the non-carbonaceous chemical compounds of the fuel are: - sulfur compounds, which can reach up to ⁇ 5% by mass for residual fuels such as Heavy Fuel Oil (HFO), - heavy metals, - dissolved gases, - various particles and solid residues.
  • HFO Heavy Fuel Oil
  • the fractions are negligible.
  • the method can take into account the mass fraction of sulfur contained in the fuel in question.
  • the non-carbon chemical compounds of the fuel are: - dissolved nitrogen compounds up to ⁇ 1.5% by mass maximum, - other gases dissolved in negligible quantities.
  • the process according to the invention comprises the following steps: - We determine 100 an initial value of a quantity relating to the amount of hydrocarbons introduced into the heat engine 1 and from this we deduce an initial value of a quantity relating to the amount of carbon atoms introduced into the engine, - we determine 400 the concentrations of the expected carbonaceous chemical compounds in the exhaust gases 3, - we deduce 500, from the said initial value of the quantity relating to the quantity of hydrocarbons introduced into the heat engine 1 determined previously and from the concentrations of the expected carbonaceous chemical compounds in the exhaust gases 3, a final value of a quantity relating to a quantity of carbon dioxide released in the exhaust gases 3 and we deduce from this the said value of the said quantity relating to the quantity of the chemical compound emitted in the exhaust gases 3 sought.
  • a quantity relative to a quantity is understood to mean a quantity that represents that quantity.
  • a quantity relative to a quantity can generally be one of the following: mass flow rate, mass, volumetric flow rate, volume, molar flow rate, number of moles.
  • the quantity relating to the amount of at least one chemical compound is a mass quantity, for example a mass flow rate or a mass
  • the quantity relating to the amount of hydrocarbons introduced into the heat engine is a mass quantity, for example a mass flow rate or a mass v
  • - the quantity relating to the amount of carbon atoms introduced into the engine is a molar quantity, for example a molar flow rate or a number of moles
  • - the quantity relating to the amount of carbon dioxide released in the exhaust gases 3 is a molar quantity, for example a molar flow rate or a number of moles.
  • the mass of a chemical compound introduced into or emitted by the engine over a given period can be obtained from the mass flow rate by integrating it over that period. It can be obtained from the volumetric flow rate by integrating it over the same period and multiplying the result by the density of the chemical compound. It can be obtained from the volume by multiplying it by the density of the chemical compound. It can be obtained from the molar flow rate by integrating it over the same period and multiplying the result by the molar mass of the chemical compound. It can be obtained from the number of moles by multiplying it by the molar mass of the chemical compound.
  • the number of moles of a chemical compound introduced into the engine or emitted by the engine during a fixed time period can be obtained from the molar flow rate by integrating it over that time period.
  • the mass flow rate of hydrocarbons introduced into the internal combustion engine by the fuel is determined (block 100 of the ).
  • This determination can be made on the basis of a measurement or on the basis of an estimate or a precise calculation.
  • the system 20 here includes at least one sensor 7 located in the fuel supply circuit of at least one internal combustion engine 1.
  • This is, for example, a mass or volumetric flow meter measuring the mass or volume of fuel entering the internal combustion engine 1 per unit of time.
  • the data measured by sensor 7 are transmitted to the computer unit 11.
  • the mass flow rate can be deduced from the volumetric flow rate by multiplying the latter by the density of hydrocarbons.
  • a flow meter is preferably provided on the supply circuit path of each internal combustion engine 1 or a single flow meter measuring the supply of all the internal combustion engines together.
  • the total mass flow of fuel measured includes a non-carbon portion.
  • the mass flow rate of hydrocarbons in the fuel is deduced by subtracting from the total mass flow rate of fuel measured the mass flow rate of non-carbon fuel, namely the mass flow rate of fuel consisting of sulfur or nitrogen chemical compounds, i.e. 5% of the total mass flow rate for liquid fuel and 1.5% of the total mass flow rate for gaseous fuel.
  • the hydrocarbon mass flow rate of the fuel is equal to 95% of the total mass flow rate for a liquid fuel type fuel and 98.5% of the total mass flow rate of the fuel for a gaseous fuel type fuel.
  • all carbonaceous chemical compounds entering the engine are taken into account, in particular the hydrocarbons of the main fuel alone if no pilot fuel is used, the hydrocarbons of the main fuel and pilot fuel introduced into the heat engine if pilot fuel is used or the hydrocarbons of the pilot fuel alone if the main fuel does not contain hydrocarbons.
  • the value of this quantity is calculated by the computer unit 11 or retrieved by it from a database. It can also be received by it using means of communication.
  • Computer unit 11 can be programmed to determine the reference ratio based on data relating to the fuel composition. This can be a predetermined reference ratio for a generic fuel type or a ratio determined based on the precise measured composition of the fuel used. In particular, the hydrocarbon composition can be determined in order to establish the reference ratio R ⁇ sub>C/H ⁇ /sub> .
  • the hydrocarbon composition of the fuel can be measured by taking a sample from the fuel supply circuit of each internal combustion engine 1.
  • the system may include a fuel sampling device 8 in the fuel supply circuit of the internal combustion engines 1, a conditioning device 9 and an analysis device 10, for example by gas phase spectrometry.
  • the conditioning system includes, for example, a condenser, which is a system that produces cold and allows the water vapor to condense. This system cools the (initially hot) gases to a temperature acceptable for the analyzer (for example, no more than 40°C).
  • Computer unit 11 receives the analysis results from the analysis device and determines the reference report on this basis.
  • the reference ratio is calculated based on the C and H composition of this molecule.
  • the concentrations of these molecules can vary from one tank refill to another and also over time during a journey. The concentrations of these molecules are then measured by the fuel analysis device 10 and used to determine the reference ratio.
  • the reference ratio cannot be easily calculated; it is measured upstream and provided by the supplier. Tabulated values from the literature can be used.
  • the reference report is, for example, stored in the memory of computer unit 11.
  • each internal combustion engine of the vehicle is powered by a single fuel: the main fuel, without the addition of pilot fuel.
  • the quantity is denoted ⁇ fuel and is equal to the inverse of the sum of the molar mass of carbon MC and the ratio between the molar mass of hydrogen and the reference ratio RC /H , according to the formula:
  • this quantity is equal to a conversion factor C ⁇ sub> F ⁇ /sub> between the hydrocarbon consumption of the heat engine 1 and the carbon dioxide emission CO ⁇ sub>2 ⁇ /sub> by this heat engine 1.
  • This conversion factor is determined, for example, based on the type of fuel used. Its values are standardized and listed in resolution MEPC.364(79), " 2022 guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index for new ships ”, paragraph 2.2.1.
  • Fuel type Conversion factor C F Diesel/Petrol (e.g. ISO8217 grade from DMX to DMB) 3,206 Light fuel (e.g. ISO8217 grade from RMA to RMD) 3,151 Heavy fuel oil (e.g. ISO8217 grade from RME to RMK) 3,114 Liquefied Propane Gas (LPG, propane) 3,000 Liquefied Butane Gas (LPG, butane) 3,030 Liquefied Natural Gas (LNG) 2,750 Methanol (MeOH) 1,375 Ethanol (EtOH) 1,913
  • This quantity CF is an approximation of the product of the characteristic quantity ⁇ fuel defined above and the molar mass of carbon dioxide.
  • This step is performed by calculation by computer unit 11 of system 20.
  • the initial value of the molar flow rate of carbon atoms n C_fuel introduced into the heat engine is obtained by the following formula, by multiplying the initial value of the mass flow rate of hydrocarbons m C Hx _fuel introduced by the value of the characteristic quantity ⁇ fuel :
  • m CHx_fuel m C_fuel + m H_fuel with m C_fuel and m H_fuel the mass flow rate of carbon and the mass flow rate of hydrogen introduced into the engine.
  • m CHx_fuel n C_fuel * M c + (n C_fuel /R C/H ) * M H .
  • n C_fuel m CHx_fuel * ⁇ fuel.
  • the initial value of the molar flow rate of carbon atoms n C_fuel introduced into the heat engine by the main fuel is obtained using the following formula, by multiplying the initial value of the mass flow rate of hydrocarbons m C Hx _fuel introduced by the value of the characteristic quantity C F and dividing this product by the molar mass of carbon dioxide CO 2 .
  • the carbonaceous part of exhaust gases consists mainly of CO2 , but also potentially of CO, unburned CH4 and other unburned hydrocarbons.
  • Unburned hydrocarbons other than CH4 are not considered toxic pollutants or greenhouse gases and are present in negligible quantities. They are not taken into account in the following.
  • the expected carbon-based chemical compounds include carbon dioxide and carbon monoxide and possibly methane.
  • the system 20 includes an exhaust gas sampling device 4, and an analysis device 6 for the exhaust gases sampled, for example by gas phase spectrometry.
  • the system 20 further includes a conditioning device 5 arranged on the path of the exhaust gases sampled by the sampling device 4, as described in more detail below.
  • system 20 may include one analysis device per engine or a single analysis device for which samples are taken successively from the exhaust duct of one engine and then another, for example according to variations in engine operating speed, or simultaneously from all the exhaust ducts of the engines.
  • the concentration of at least one non-carbon chemical compound such as nitrous oxide N2O , nitrogen oxides NOx and sulfur oxides SOx.
  • the concentration of said carbonaceous or non-carbonaceous chemical compound in the exhaust gases is measured, for example, using a gas analysis device by gas spectrometry.
  • At least one exhaust gas sample 3 is taken from said internal combustion engine 1.
  • the exhaust gas sample taken from the exhaust pipes must be conditioned before introduction into the analysis device 6: the sample taken is cooled and the water vapor is removed from this sample by passing through the conditioning device 5 before its analysis by gas phase spectrometry by the infrared spectrometer.
  • the vehicle in question has several internal combustion engines, it is preferable to take a sample of the exhaust gases from each internal combustion engine and to determine the quantity of the carbonaceous and, possibly, non-carbonaceous chemical compound emitted by all the internal combustion engines.
  • the volume concentrations of gases are equal to the molar concentrations of each of the gases constituting a mixture of ideal gases.
  • the ideal gas law can be considered valid and can be applied.
  • the analysis device 6 thus provides the molar concentrations x i_analyze of carbonaceous chemical compounds and the molar concentrations x j_analyze of non-carbonaceous chemical compounds of the analyzed exhaust gases .
  • the analysis results from device 6 are transmitted to the computer unit 11.
  • This unit thus receives measurement data on the concentration of the expected carbonaceous chemical compounds in the exhaust gases.
  • This determination is made taking into account that all the carbon C present in the fuel ends up in the exhaust gases mostly as CO2 , and in smaller quantities as CO and CH4 .
  • This step is performed by calculation using computer unit 11.
  • the initial value of the molar flow rate of carbon atoms n C_fuel introduced into the heat engine is deduced from the initial value of the mass flow rate of hydrocarbons introduced into the engine, taking into account the characteristic quantity of the hydrocarbon composition, as described above.
  • the final value of the molar flow rate of carbon dioxide n CO2_exh released in the exhaust gases is deduced based on the initial value of the molar flow rate of carbon atoms n C_fuel introduced into the internal combustion engine and the sum of the ratios between the concentration of each carbonaceous chemical compound x i _ analyze measured in the exhaust gases by the analysis device, including carbon dioxide, and the concentration of carbon dioxide x CO2_ analyzer measured in these exhaust gases, for example according to the formula:
  • x CO2_exh denotes the concentration of CO2 in the exhaust gases sampled
  • x CO_exh denotes the concentration of CO in the exhaust gases sampled
  • x CH4 _exh denotes the concentration of CH4 in the exhaust gases sampled
  • n CO2_exh denotes the molar flow rate of CO2 released in the exhaust gases 3.
  • the exhaust gas sample taken from the exhaust pipes is dried before introduction into the analysis device 6.
  • the sample is therefore altered and the concentrations measured by the analysis device are therefore different from the actual concentrations in the exhaust pipes.
  • drying the sample only reduces the amount of moisture in the sample taken.
  • x i_sample / x y_sample x i_analyze / x y_analyser .
  • the mass flow rate of the chemical compound emitted in the exhaust gases is determined. This step is performed by calculation using computer unit 11.
  • the mass flow rate of carbon dioxide emitted is determined directly by multiplying the molar flow rate of carbon dioxide by the molar mass of carbon dioxide.
  • a final value for the molar flow rate of each non-carbon chemical compound, n is determined.
  • the said value of the mass of the chemical compound emitted in the exhaust gases during this period is deduced by integrating the value(s) of the mass flow rate determined over this period.
  • the method described above is applied taking into account only the quantity of pilot fuel used, consisting of hydrocarbons.
  • pilot fuel composed of hydrocarbons in addition to the main fuel
  • the number of carbon atoms supplied by this pilot fuel is taken into account.
  • the pilot fuel's reference ratio may differ from the main fuel's reference ratio.
  • a pilot fuel with a reference ratio R ⁇ sub> C/ H ⁇ /sub>_pilot a pilot fuel with a reference ratio R ⁇ sub> C/ H ⁇ /sub>_pilot .
  • the main fuel has the reference ratio R ⁇ sub>C/H ⁇ /sub> as described previously.
  • m CHx_pilot e m * m CH x _fuel .
  • n C_pilot m CHx_pilot * ⁇ pilot
  • n C_tot n C_fuel + n C_pilot .
  • n CO2_exh n C_tot / (1 + x CO_analyzer / x CO2_analyzer + x CH4_analyzer / x C O 2_analyze ).
  • EGCS engine exhaust fume cleaning system
  • the main action of scrubbers is to reduce SOx ( SO2 and SO3 in particular), that is to say to limit the quantity of these molecules released in the exhaust gases.
  • sulfur atoms S
  • SOx sulfur oxides
  • SO2 sulfur oxides
  • SO3 representing less than 4% of the SOx.
  • the remaining fraction of sulfur atoms contributes to the formation of various soot compounds. The mass fraction of these soot compounds is negligible.
  • the fuel for the thermal engines of an LNG-powered vessel is a mixture of naturally evaporated gas and vaporized LNG, which means that the nitrogen content and corresponding mass flow rate are not predetermined and vary according to operating conditions and operator demand. These values are therefore measured.
  • the LNG from Arzew for example, is one of the most loaded with dissolved nitrogen, containing 0.71% in molar percentage, or ⁇ 1.23% by mass.
  • System 20 is used, for example, on ships, including LNG carriers or ships using Liquefied Natural Gas as fuel.
  • Computer unit 11 can be implemented in various forms, either individually or in a distributed manner, using hardware and/or software components.
  • Usable hardware components include ASICs (Automatic System Integrated Circuits), FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), and microprocessors.
  • Software components can be written in various interpreted or compiled programming languages, such as C, C++, Java, Python, SQL, or VHDL. This list is not exhaustive.
  • the quantity of chemical compounds released in the exhaust gases of an engine at least partially fueled by hydrocarbons can be determined quickly and accurately.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

L'invention concerne une méthode de détermination d'une valeur d'une grandeur relative à une quantité d'au moins un composé chimique émis par un moteur thermique, comprenant: - déterminer (100) une valeur initiale d'une grandeur relative à une quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique (1) et en déduire une valeur initiale d'une grandeur relative à une quantité d'atomes de carbone introduits dans le moteur, - déterminer (400) les concentrations d'une pluralité de composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d'échappement, - déduire (500), de ladite valeur initiale de la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique déterminé précédemment et des concentrations de ladite pluralité de composés chimiques carbonés, une valeur finale d'une grandeur relative à une quantité de dioxyde de carbone rejeté dans les gaz d'échappement et en déduire ladite valeur de ladite grandeur relative à la quantité du composé. Elle concerne également un système associé.

Description

Méthode de détermination d'une quantité d'au moins un composé chimique
L’invention se rapporte au domaine des méthodes de détermination d’une quantité d’un composé chimique émis par un moteur thermique.
Elle trouve une application particulièrement avantageuse pour la détermination d’une quantité d’un composé chimique émis par un moteur thermique d’un navire.
 Arrière-plan technologique
Au cours des dernières années, diverses raisons ont motivé le besoin de mesurer les émissions de gaz et autres composants produits par la propulsion des navires dans le but de les contrôler et de les restreindre.
L’objectif général est de diminuer l'exposition des écosystèmes marins et littoraux, des opérateurs marins et portuaires, des passagers et des populations littorales aux émissions polluantes des moteurs de navires dans l'atmosphère.
L’un des outils de cette stratégie est d’attribuer une notation à chaque navire sur la base du calcul d’un indice de l’intensité d’émission de dioxyde de carbone CO2 (CII) (cf résolution MEPC.352(78)). Le calcul de cet indice est lui-même basé sur l’évaluation de la quantité, en masse, des gaz à effet de serre (GES) émis par le navire.
Les exigences de comptage pour le calcul du CII ne concernent pour l’instant que le dioxyde de carbone CO2 mais vont être étendues aux autres GES, par exemple le CH4 et le N2O.
Dans l'état de la technique, il est connu d'effectuer une mesure directe d’une telle quantité, par exemple pour le dioxyde de carbone (CO2) : la masse de CO2 émise est obtenue en multipliant le débit massique total des gaz d’échappement par la concentration du CO2 dans ces gaz d’échappements. Il est également connu d'effectuer un calcul selon lequel la masse de CO2 émise est obtenue en multipliant le débit massique de carburant par un facteur prédéterminé en fonction du carburant utilisé.
La méthode de l’état de la technique basée sur la mesure directe présente une précision et une fiabilité faibles, car les débits volumiques ou massiques de gaz d’échappement sont difficiles à mesurer. Il n’existe pas de solution fiable de débitmètre massique sur des gaz circulant à pression atmosphérique, haute température et permettant une très faible perte de charge. Des débitmètres volumiques pour ce type d’application existent (ultrason, sonde Pitot, vortex, etc) mais représentent un cout élevé en fourniture, installation et maintenance. De plus une mesure de débit volumique nécessiterait une conversion en débit massique ce qui diminuerait la précision du résultat.
La méthode basée sur un calcul donne des résultats satisfaisants pour le comptage du dioxyde de carbone qui est prédictif : quand une molécule d’hydrocarbure brûle, elle donne quasi-systématiquement du CO2. La méthode permet de fournir une évaluation rapide des débits massiques de CO2 et donc des masses cumulées dans le temps, simplement à partir d’une mesure de débit massique du carburant concerné, voire d’une variation de carburant utilisé dans le temps, tout en s’affranchissant (i) d’une mesure de concentration, (ii) d’une mesure de débit des émissions.
En revanche, d’autres composés chimiques carbonés émis par le moteur, comme le méthane (CH4), sont des gaz issus du fonctionnement naturellement imparfait d’un moteur. Leurs quantités ne peuvent donc pas être calculées de manière déterministe. La méthode ne permet pas d’évaluer les parts d’imbrûlés et ne permet donc pas d’évaluer les émissions de CH4 des moteurs, ni les émissions de N2O.
En outre, le facteur prédéterminé utilisé dans la méthode basée sur un calcul est déterminé en fonction de la famille du carburant utilisé et n’est pas précisément adapté au carburant utilisé ce qui entraîne une imprécision.
La règlementation future du transport maritime envisage d'utiliser des formules empiriques élaborées à partir d’essais moteur sur banc de test à des régimes volontairement pénalisants. Il est très probable que ces formules fournissent des résultats surévalués et donc défavorables pour les armateurs des navires.
Une idée à la base de l’invention est de fournir des résultats précis et fiables pour la détermination de la quantité d’un composé chimique carboné émise dans les gaz d’échappement d’un moteur thermique.
Selon un mode de réalisation, l’invention fournit une méthode de détermination d'une valeur d’une grandeur relative à une quantité d'au moins un composé chimique, ledit composé chimique étant émis par un moteur thermique alimenté au moins partiellement par des hydrocarbures, comprenant les étapes suivantes :
- déterminer une valeur initiale d’une grandeur relative à une quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique et en déduire une valeur initiale d’une grandeur relative à une quantité d’atomes de carbone introduits dans le moteur,
- déterminer les concentrations d’une pluralité de composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d’échappement,
- déduire, de ladite valeur initiale de la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique déterminée précédemment et des concentrations de ladite pluralité de composés chimiques carbonés attendus mesurées dans les gaz d'échappement, une valeur finale d’une grandeur relative à une quantité de dioxyde de carbone rejetée dans les gaz d'échappement et en déduire ladite valeur de ladite grandeur relative à la quantité du composé chimique émis dans les gaz d’échappement.
Grâce à ces caractéristiques, il est possible de déterminer la quantité du composé chimique émis de manière précise et fiable. Aucune mesure de débit des gaz d’échappement n’est nécessaire.
Selon un mode de réalisation,
- la grandeur relative à la quantité d’au moins un composé chimique est un débit massique du composé chimique ou une masse,
- la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique est un débit massique ou une masse,
- la grandeur relative à la quantité d’atomes de carbone introduits dans le moteur est un débit molaire ou un nombre de moles,
- la grandeur relative à la quantité de dioxyde de carbone rejeté dans les gaz d'échappement est un débit molaire ou un nombre de moles.
Selon un mode de réalisation,:
- la grandeur relative à la quantité d’au moins un composé chimique est une masse,
- la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique est un débit massique
- la grandeur relative à la quantité d’atomes de carbone introduits dans le moteur est un débit molaire,
- la grandeur relative à la quantité de dioxyde de carbone rejeté dans les gaz d'échappement est un débit molaire,
on détermine une valeur d’un débit massique du composé chimique et on en déduit ladite valeur de la masse du composé chimique émis dans les gaz d’échappement pendant une durée en intégrant le débit massique déterminé pendant cette durée.
Selon un mode de réalisation, on détermine en outre, pour une composition donnée des hydrocarbures alimentant le moteur thermique, une valeur d’une grandeur caractéristique de la composition d’hydrocarbures dépendant d’un rapport de référence entre un nombre d’atomes de carbone et un nombre d’atomes d’hydrogène caractéristique de cette composition d’hydrocarbures et on tient compte de cette valeur de la grandeur caractéristique pour déterminer la valeur initiale de la grandeur relative à la quantité d’atomes de carbone introduites dans le moteur thermique.
Selon un mode de réalisation, le moteur est alimenté par deux carburants de compositions différentes présentant chacun un rapport de référence et ladite grandeur caractéristique dépend des rapports de référence des deux carburants.
Selon un autre mode de réalisation, ladite grandeur caractéristique est égale à l’inverse de la somme de la masse molaire du carbone et du rapport entre la masse molaire de l’hydrogène et le rapport de référence.
Selon un mode de réalisation, ladite grandeur caractéristique est égale à un facteur de conversion entre la consommation en hydrocarbures du moteur thermique et l’émission de dioxyde de carbone par ce moteur thermique.
Selon un mode de réalisation, ladite grandeur caractéristique est égale au rapport de référence.
Selon un mode de réalisation, on déduit la valeur finale de la grandeur relative à la quantité de dioxyde de carbone rejeté dans les gaz d'échappement de la valeur initiale de la grandeur relative à la quantité d’atomes de carbone introduits dans le moteur thermique et de chaque rapport entre la concentration de chaque composé chimique carboné attendu dans les gaz d’échappement et la concentration de dioxyde de carbone dans ces gaz d’échappement.
Selon un mode de réalisation, les composés chimiques carbonés attendus comprennent au moins du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone et le composé chimique est choisi parmi l’un des composés chimiques suivants : dioxyde de carbone, méthane, monoxyde de carbone, protoxyde d’azote, oxydes d’azote, oxydes de soufre.
Selon un mode de réalisation, on mesure les concentrations d’au moins une partie des composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d’échappement grâce à un dispositif d’analyse de gaz par spectrométrie en phase gazeuse.
Selon un mode de réalisation, on prélève au moins un échantillon de gaz d’échappement dudit moteur thermique, on refroidit cet échantillon et/ou on élimine la vapeur d’eau de cet échantillon avant son passage dans le dispositif d’analyse de gaz.
Selon un mode de réalisation, la valeur de la grandeur relative à la quantité du composé chimique émis dans les gaz d’échappement est déduite de la valeur finale de la grandeur relative à la quantité de dioxyde de carbone rejetée dans les gaz d'échappement et des rapports entre la concentration de chaque composé chimique carboné attendu dans les gaz d’échappement et la concentration de dioxyde de carbone dans ces gaz d’échappement.
Selon un mode de réalisation, l’invention fournit également un système de détermination d'une valeur d’une grandeur relative à une quantité d'au moins un composé chimique, ledit composé chimique étant émis par un moteur thermique alimenté au moins partiellement par des hydrocarbures, comprenant une unité informatique comprenant un ou plusieurs processeurs programmés pour mettre en œuvre les étapes suivantes :
- déterminer une valeur initiale d’une grandeur relative à une quantité d'hydrocarbures introduite dans le moteur thermique et en déduire un une valeur initiale d’une grandeur relative à une quantité d’atomes de carbone introduites dans le moteur,
- déterminer les concentrations d’une pluralité de composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d’échappement, dont le dioxyde de carbone,
- calculer, sur la base ladite valeur initiale de la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique déterminée précédemment et des concentrations de ladite pluralité de composés chimiques carbonés dans les gaz d'échappement, une valeur finale d’une grandeur relative à une quantité de dioxyde de carbone rejetée dans les gaz d'échappement et en déduire ladite valeur de ladite grandeur relative à la quantité du composé chimique émis dans les gaz d’échappement.
Selon un mode de réalisation, ce système de détermination comprend en outre un dispositif d’analyse de gaz par spectrométrie en phase gazeuse.
Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre un dispositif d’analyse du carburant.
Selon un mode de réalisation, l’invention concerne en outre un navire équipé d’un système tel que décrit précédemment.
 Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
La représente schématiquement les étapes d’une méthode de détermination d'une quantité d'au moins un composé chimique, ledit composé chimique étant émis par un moteur thermique alimenté au moins partiellement par des hydrocarbures,
La représente schématiquement un système de détermination d’une telle quantité, adapté à mettre en œuvre la méthode de la .
On a représenté schématiquement sur la les étapes d’une méthode de détermination d’une valeur d’une grandeur relative à une quantité d’au moins un composé chimique émis par un moteur thermique alimenté au moins partiellement en hydrocarbures.
La représente schématiquement un système 20 mettant en œuvre cette méthode dans un véhicule de transport muni de trois moteurs thermiques 1.
Chaque moteur thermique 1 reçoit classiquement en entrée de l’air et du carburant 2. Le carburant 2 comprend par exemple un carburant principal et un carburant secondaire appelé « carburant pilote », utilisé pour initier la combustion. Le carburant principal et/ou le carburant pilote comprend des hydrocarbures. En sortie du moteur 1, les gaz d’échappement 3 sont rejetés.
En particulier, le carburant peut comporter : soit uniquement un carburant principal du type hydrocarbures liquides, soit un carburant principal autre que des hydrocarbures par exemple du méthanol, de l’éthanol ou de l’ammoniac et un carburant pilote du type hydrocarbures liquides, soit uniquement un carburant principal du type hydrocarbures gazeux.
Le véhicule de transport est par exemple un navire, notamment un méthanier ou un navire utilisant du Gaz Naturel Liquéfié comme carburant.
Le système 20 de détermination d'une valeur d’une grandeur relative à une quantité d'au moins un composé chimique émis par un moteur thermique alimenté au moins partiellement en hydrocarbures comprend notamment une unité informatique 11 comprenant un ou plusieurs processeurs programmés pour mettre en œuvre la méthode décrite ci-dessous et une ou plusieurs mémoires.
Grâce à la méthode décrite ci-dessous, il est possible d’évaluer la quantité émise d’un composé chimique, en se basant sur les données suivantes :
– une valeur mesurée du débit global du carburant,
– une valeur mesurée des concentrations des composés chimiques carbonée attendus dans les gaz d’échappement et du composé chimique émis dans les gaz d’échappement.
Le composé chimique dont la quantité est déterminée par la méthode selon l’invention comprend par exemple l’un des composés chimiques carbonés suivants : dioxyde de carbone CO2, méthane CH4, monoxyde de carbone CO.
Dans la suite de la description, on envisage en particulier le cas où l’on détermine la quantité de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone et de méthane rejetée par le moteur thermique.
Il peut également comprendre un autre composé chimique non carboné tel que le protoxyde d’azote N2O ou les oxydes d’azote NOx ou les oxydes de soufre SOx.
Dans ce cas on détermine en outre la concentration de ce composé chimique non carboné dans les gaz d’échappement, comme cela sera décrit en détails ci-après.
La méthode proposée consiste à considérer que la totalité des atomes de carbone C entrant dans le moteur thermique est apportée par le carburant, et que ces atomes de C sont soit transformés (par oxydation) en CO2 et CO, soit sont imbrulés, donnant par exemple CH4, et évacués dans les gaz d’échappement.
On considère dans la suite que la quantité d’atomes de carbone apporté par l’air introduit dans le moteur thermique est négligeable par rapport à la quantité d’atomes de carbone contenue dans le carburant. En effet, l’air admis dans le moteur comme comburant contient seulement ~0.042% en volume de CO2  , qui ne réagira pas lors de la combustion.
On considère ainsi que la totalité des atomes de carbone introduits dans le moteur puis transformés en CO2/CO ou rejetés en imbrûlés provient du carburant seul.
Les carburants carbonés, connus et utilisés dans l’industrie et en particulier pour le secteur maritime, sont constitués quasi-exclusivement d’hydrocarbures contenant des composés chimiques du type alcanes CnH2n+2, alcènes CnH2n et tout type de composés hydrocarbures insaturés cycliques et acycliques, tous étant des chaînes constituées exclusivement d’atomes hydrogène et d’atomes de carbone. Ces composés apportent un nombre d’atome de carbone nC et un nombre d’atomes d’hydrogène nH au moteur thermique. On décrira en outre ci-dessous le cas du méthanol et de l’éthanol, qui contiennent également des atomes de carbone.
Dans le cas des carburants liquides (Fuel Oil ISO8217), les composés chimiques non carbonés du carburant sont :
- des composés soufrés, pouvant aller jusqu’à ~5% en masse pour les carburants résiduels type Heavy Fuel Oil (HFO),
- des métaux lourds,
- des gaz dissouts,
- diverses particules et résidus solides.
Pour les trois derniers types, les fractions sont négligeables. La méthode peut néanmoins prendre en compte la fraction massique de soufre contenu dans le carburant considéré.
Dans le cas des carburants gazeux du type gaz naturel liquéfié ou gaz de pétrole liquéfié (GNL, GPL), les composés chimiques non carbonés du carburant sont :
- des composés azotés dissouts jusqu’à ~1.5% en masse maximum,
- d’autres gaz dissouts en quantité négligeable.
Le procédé selon l'invention comprend les étapes suivantes :
- on détermine 100 une valeur initiale d’une grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique 1 et on en déduit une valeur initiale d’une grandeur relative à une quantité d’atomes de carbone introduits dans le moteur,
- on détermine 400 les concentrations des composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d’échappement 3,
- on déduit 500, de ladite valeur initiale de la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique 1 déterminée précédemment et des concentrations des composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d'échappement 3, une valeur finale d’une grandeur relative à une quantité de dioxyde de carbone rejeté dans les gaz d'échappement 3 et on en déduit 600 ladite valeur de ladite grandeur relative à la quantité du composé chimique émis dans les gaz d’échappement 3 recherchée.
On entend ici par « grandeur relative à une quantité », une grandeur représentative de cette quantité. Une grandeur relative à une quantité peut ici être de manière générale l’une des grandeurs suivantes: un débit massique, une masse, un débit volumétrique, un volume, un débit molaire, un nombre de moles.
En particulier, ici,
- la grandeur relative à la quantité d’au moins un composé chimique est une grandeur massique, par exemple un débit massique ou une masse,
- la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique est une grandeur massique, par exemple un débit massique ou une masse v,
- la grandeur relative à la quantité d’atomes de carbone introduits dans le moteur est une grandeur molaire, par exemple un débit molaire ou un nombre de mole,
- la grandeur relative à la quantité de dioxyde de carbone rejeté dans les gaz d'échappement 3 est une grandeur molaire, par exemple un débit molaire ou un nombre de mole.
La masse d’un composé chimique introduite dans le moteur ou émise par le moteur pendant une durée fixée peut être obtenue à partir du débit massique en l’intégrant pendant cette durée. Elle peut être obtenue à partir d’un débit volumétrique en l’intégrant sur ladite durée et en multipliant le résultat par la masse volumique du composé chimique. Elle peut être obtenue à partir d’un volume en le multipliant par la masse volumique du composé chimique. Elle peut être obtenue à partir du débit molaire en l‘intégrant sur ladite durée et en multipliant le résultat par la masse molaire du composé chimique. Elle peut être obtenue à partir du nombre de mole en le multipliant par la masse molaire du composé chimique.
Le nombre de moles d’un composé chimique introduit dans le moteur ou émis par le moteur pendant une durée fixée peut être obtenue à partir du débit molaire en l’intégrant pendant cette durée.
Selon une étape préliminaire, on détermine le débit massique d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique par le carburant (bloc 100 de la ).
Cette détermination peut être faite sur la base d’une mesure ou sur la base d’une estimation ou d’un calcul précis.
A cet effet, le système 20 comprend ici au moins un capteur 7 disposé dans le circuit d’alimentation en carburant d’au moins un moteur thermique 1. Il s’agit par exemple d’un débitmètre massique ou volumétrique mesurant la masse ou le volume de carburant entrant dans le moteur thermique 1 par unité de temps. Comme représenté par une flèche sur la , les données mesurées par le capteur 7 sont transmises à l’unité informatique 11. Le débit massique peut être déduit du débit volumétrique en multipliant celui-ci par la masse volumique des hydrocarbures.
Dans le cas où le véhicule considéré comporte plusieurs moteurs thermiques 1, on prévoit de préférence un débitmètre sur le trajet du circuit d’alimentation de chaque moteur thermique 1 ou un débitmètre unique mesurant l’alimentation de tous les moteurs thermiques ensemble.
Comme mentionné ci-dessus, le débit massique total de carburant mesuré comprend une partie non carbonée.
On déduit le débit massique d’hydrocarbures du carburant en soustrayant au débit massique totale de carburant mesuré le débit massique de carburant non carboné, à savoir le débit massique de carburant constitué de composés chimiques soufrés ou azotés, soit 5% du débit massique total pour le carburant liquide et 1,5% du débit massique total pour le carburant gazeux.
En d’autres termes, le débit massique d’hydrocarbures du carburant est égale à 95% du débit massique total pour un carburant du type carburants liquides et 98,5% du débit massique total du carburant pour un carburant du type carburant gazeux.
Il est possible d’envisager toute autre méthode de détermination, par exemple la réception de cette information par l’unité informatique 11 ou sa détermination à partir de données de consommation d’hydrocarbures du carburant tabulées ou estimées.
Pour cette détermination, on prend en compte tous les composés chimiques carbonés entrant dans le moteur, en particulier les hydrocarbures du carburant principal seul si aucun carburant pilote n’est utilisé, les hydrocarbures du carburant principal et du carburant-pilote introduits dans le moteur thermique si du carburant pilote est utilisé ou les hydrocarbures du carburant pilote seul si le carburant principal ne contient pas d’hydrocarbures.
On verra dans la suite des exemples détaillés dans lesquels le moteur est alimenté uniquement par un carburant principal ou par un carburant principal et un carburant secondaire.
Selon une autre étape préliminaire, on détermine en outre, pour une composition donnée des hydrocarbures alimentant le moteur thermique 1, une valeur d’une grandeur caractéristique de la composition de ces hydrocarbures dépendant d’un rapport de référence RC/H entre un nombre d’atomes de carbone et un nombre d’atomes d’hydrogène caractéristique de cette composition d’hydrocarbures (bloc 200 de la ), soit RC/H = nombre de C/nombre de H = (% massique de C/ % massique de H) * 1/11,915.
La valeur de cette grandeur est calculée par l’unité informatique 11 ou récupérée par celle-ci dans une base de données. Elle peut aussi être reçue par celle-ci à l’aide de moyens de communication.
L’unité informatique 11 peut être programmée pour déterminer le rapport de référence en fonction de données relatives à la composition du carburant. Il peut s’agir d’un rapport de référence prédéterminé pour un type de carburant générique ou d’un rapport déterminé en fonction de la composition précise mesurée du carburant utilisé. En particulier, la composition d’hydrocarbures peut être déterminée afin de déterminer le rapport de référence RC/H.
La composition d’hydrocarbures du carburant peut être mesurée par un prélèvement dans le circuit d’alimentation en carburant de chaque moteur thermique 1. A cet effet, comme représenté sur la , le système peut comprendre un dispositif de prélèvement 8 de carburant dans le circuit d’alimentation des moteurs thermiques 1, un dispositif de conditionnement 9 et un dispositif d’analyse 10, par exemple par spectrométrie en phase gazeuse.
Le dispositif de conditionnement comprend par exemple un condenseur c’est-à-dire un système qui produit du froid et permet de condenser la vapeur d’eau. Ce système permet de refroidir les gaz (initialement chaud) à une température acceptable pour l’analyseur (par exemple pas plus de 40°C).
L’unité informatique 11 reçoit les résultats d’analyse du dispositif d’analyse et détermine le rapport de référence sur cette base.
Dans le cas où le carburant est quasi exclusivement composé de la même molécule, par exemple du méthanol, le rapport de référence est calculé en fonction de la composition en C et en H de cette molécule.
Dans le cas où le carburant est composé d’un mélange de molécules connu et limité, par exemple dans le cas du GNL, les concentrations de ces molécules peuvent varier d’un remplissage du réservoir à un autre et également dans le temps au cours d’un voyage. Les concentrations de ces molécules sont alors mesurées par le dispositif d’analyse 10 du carburant et utilisées pour déterminer le rapport de référence.
Dans les autres cas, notamment lorsque le carburant est composé d’un mélange de molécules qui n’est pas connu et limité, le rapport de référence ne peut pas être facilement calculé, il est mesuré en amont et donné par le fournisseur. Des valeurs tabulées dans la littérature peuvent être utilisées.
Le rapport de référence est par exemple mis en mémoire dans la mémoire de l’unité informatique 11.
On décrit ici tout d’abord le cas où chaque moteur thermique du véhicule est alimenté par un unique carburant : le carburant principal, sans ajout de carburant pilote.
Selon un premier mode de réalisation, la grandeur est notée αfuel et est égale à l’inverse de la somme de la masse molaire du carbone MC et du rapport entre la masse molaire de l’hydrogène et le rapport de référence RC/H, selon la formule :
Selon un deuxième mode de réalisation, cette grandeur est égale à un facteur de conversion CFentre la consommation en hydrocarbures du moteur thermique 1 et l’émission de dioxyde de carbone CO2 par ce moteur thermique 1.
Ce facteur de conversion est par exemple déterminé en fonction de la nature du carburant utilisé. Ses valeurs sont normées et répertoriées dans la résolution MEPC.364(79), « 2022 guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index for new ships », paragraphe 2.2.1.
Le tableau correspondant est reproduit ci-dessous :
Type de carburant Facteur de conversion C F
Diesel/Essence (par exemple grade ISO8217 de DMX à DMB) 3,206
Carburant léger (par exemple grade ISO8217 de RMA à RMD) 3,151
Carburant lourd (par exemple grade ISO8217 de RME à RMK) 3,114
Gaz Propane Liquéfié (GPL, propane) 3,000
Gaz Butane Liquéfié (GPL, butane) 3,030
Gaz Naturel Liquéfié (GNL) 2,750
Méthanol (MeOH) 1,375
Ethanol (EtOH) 1,913
Cette grandeur CF est une approximation du produit de la grandeur caractéristique αfuel définie ci-dessus et de la masse molaire du dioxyde de carbone.
Dans une étape de ladite méthode (bloc 300 de la ), on détermine un débit molaire d’atomes de carbone introduits dans le moteur (nC_fuel) par le carburant principal.
A cet effet, on tient compte de la valeur de la grandeur caractéristique αfuel, CF définie ci-dessus et du débit massique d’hydrocarbures introduits dans le moteur thermique par le carburant principal déterminées précédemment.
Cette étape est réalisée par calcul par l’unité informatique 11 du système 20.
Selon le premier mode de réalisation dans lequel la grandeur caractéristique αfuel est déterminée, on obtient la valeur initiale du débit molaire d’atomes de carbone nC_fuel introduits dans le moteur thermique par la formule suivante, en multipliant la valeur initiale du débit massique d’hydrocarbures mC Hx _fuel introduits par la valeur de la grandeur caractéristique αfuel :
En effet, on a : mCHx_fuel = mC_fuel + mH_fuel avec mC_fuel et mH_fuel le débit massique de carbone et le débit massique d’hydrogène introduits dans le moteur.
Soit : mCHx_fuel = nC_fuel * Mc + nH_fuel * MH avec nC_fuel et nH_fuel le débit molaire de carbone et d’hydrogène introduits dans le moteur et Mc = 12,011 g/mol et MH = 1,008 g/mol.
Soit : mCHx_fuel = nC_fuel * Mc + (nC_fuel/RC/H) * MH .
Et finalement : nC_fuel = mCHx_fuel * αfuel.
Selon le deuxième mode de réalisation dans lequel la grandeur caractéristique CFest déterminée, on obtient la valeur initiale du débit molaire d’atomes de carbone nC_fuel introduits dans le moteur thermique par le carburant principal grâce à la formule suivante, en multipliant la valeur initiale du débit massique d’hydrocarbures mC Hx _fuel introduits par la valeur de la grandeur caractéristique CF et en divisant ce produit par la masse molaire du dioxyde de carbone CO2.
Comme présenté dans les hypothèses énoncées ci-dessus, la part d’atomes de carbone apportée par l’air est négligeable, et on considère alors que l’intégralité des atomes de carbone contenus dans les gaz d’échappement provient intégralement des hydrocarbures du carburant principal, soit nC_ exh = nC_fuel + nC_ air = nC_fuel, avec nC_ exh le débit molaire de carbone dans les gaz d’échappement, nC_fuel le débit molaire de carbone dans le carburant introduit dans le moteur et nC_ air le débit molaire de carbone dans l’air introduit dans le moteur.
Selon une autre étape de la méthode (bloc 400 de la ), on détermine les concentrations des composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d’échappement.
La partie carbonée des gaz d’échappement est constituée majoritairement de CO2, mais aussi potentiellement de CO, de CH4 imbrûlé et autres hydrocarbures imbrûlés.
Les hydrocarbures imbrûlés autres que CH4 ne sont pas considérés comme polluants toxiques ou gaz à effet de serre et sont en quantité négligeable. Ils ne sont pas pris en compte dans la suite.
En d’autres termes, on détermine que la concentration des hydrocarbures imbrûlés autres que le méthane est égale à zéro pour la suite.
On aura donc : nC_fuel = nC_exh = nCO2_exh + nCO_exh + nCH4_exh.
On mesure au moins une partie des concentrations des composés chimiques carbonés attendus. On mesure de préférence les concentrations de tous les composés chimiques carbonés attendus.
Les composés chimiques carbonés attendus comprennent le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone et éventuellement le méthane.
Si on sait que le carburant ne peut pas émettre de CH4, on ne mesure que les concentrations de dioxyde de carbone CO2 et monoxyde de carbone CO. Pour le carburant contenant du Gaz Naturel Liquéfié, des émissions de méthane sont attendues, on mesure aussi la concentration de méthane dans les gaz d’échappement.
Le système 20 comporte un dispositif de prélèvement 4 de gaz d’échappement, et un dispositif d’analyse 6 des gaz d’échappement prélevés, par exemple par spectrométrie en phase gazeuse.
Afin de refroidir et d’éliminer la vapeur d’eau des gaz d’échappement avant leur passage dans le dispositif d’analyse 6, le système 20 comporte en outre un dispositif de conditionnement 5 disposé sur le trajet des gaz d’échappement prélevés par le dispositif de prélèvement 4, comme décrit plus en détails ci-dessous.
Dans le cas où le véhicule équipé du système 20 comprend plusieurs moteurs thermiques 1, le système 20 peut comprendre un dispositif d’analyse par moteur ou un seul dispositif d’analyse pour lequel les prélèvements d’échantillon sont réalisés successivement dans le conduit d’échappement d’un moteur puis d’un autre, par exemple selon les variations de régime de fonctionnement du moteur, ou simultanément dans tous les conduits d’échappement des moteurs.
On mesure ainsi la concentration dans les gaz d’échappement de chaque composé chimique carboné attendus dans les gaz d’échappement : par exemple les concentrations de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone et celle de méthane.
On peut en outre prévoir de mesurer par la même technique la concentration d’au moins un composé chimique non carboné, tel que le protoxyde d’azote N2O, les oxydes d’azote NOx et de soufre SOx.
La concentration dudit composé chimique carboné ou non carboné dans les gaz d’échappement est mesurée par exemple grâce au dispositif d’analyse de gaz par spectrométrie en phase gazeuse.
A cet effet, on prélève au moins un échantillon de gaz d’échappement 3 dudit moteur thermique 1.
Avec un dispositif d’analyse par spectrométrie gazeuse à infrarouge déporté, les concentrations réelles des composés chimiques du gaz d’échappement 3 dans le conduit d’échappement ne peuvent pas être directement mesurées.
L’échantillon de gaz d’échappement prélevés dans les conduits d’échappement doit être conditionné avant introduction dans le dispositif d’analyse 6 : l’échantillon prélevé est refroidi et on élimine la vapeur d’eau de cet échantillon par passage dans le dispositif de conditionnement 5 avant son analyse par spectrométrie en phase gazeuse par le spectromètre à infrarouge.
Dans le cas où le véhicule considéré comporte plusieurs moteurs thermiques, on prévoit de préférence de prélever un échantillon des gaz d’échappement de chaque moteur thermique et de déterminer la quantité du composé chimique carboné et, éventuellement, non carboné rejetée par l’ensemble des moteurs thermiques.
Selon la loi des gaz parfaits, les concentrations volumiques de gaz sont égales aux concentrations molaires pour chacun des gaz constituant un mélange de gaz parfaits
Dans les conditions de pression et température des gaz entrant dans le dispositif d’analyse 6 des gaz, la loi des gaz parfaits peut être considérée valable et peut être appliquée.
Par conséquent on pourra considérer que les concentrations molaires des gaz d’échappement 3 rentrant dans le dispositif d’analyse 6 sont égales aux concentrations volumiques mesurées par le dispositif d’analyse.
Le dispositif d’analyse 6 fournit ainsi les concentrations molaires xi_analyser des composés chimiques carbonés ou et les concentrations molaires xj_analyser des composés chimiques non carbonés des gaz d’échappement analysés.
Comme représenté par une flèche sur la , les résultats d’analyse du dispositif 6 sont transmis à l’unité informatique 11. Celle-ci reçoit ainsi des données de mesure de la concentration des composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d’échappement.
Selon une autre étape de la méthode (bloc 500 de la ), on déduit, de la valeur initiale du débit massique d'hydrocarbures mC Hx _fuel introduits dans le moteur thermique déterminée précédemment et des concentrations des composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d’échappement, xi _analyser mesurées dans les gaz d'échappement, une valeur finale du débit molaire de dioxyde de carbone nCO2_exh rejetés dans les gaz d'échappement.
Cette détermination est effectuée en tenant compte du fait que tout le carbone C présent dans le carburant se retrouve dans les gaz d’échappement majoritairement en CO2, et en moindre quantité en CO et CH4.
Cette étape est réalisée par calcul par l’unité informatique 11.
Plus précisément, on déduit la valeur initiale du débit molaire d’atomes de carbone nC_fuel introduits dans le moteur thermique de la valeur initiale du débit massique d’hydrocarbures introduits dans le moteur en tenant compte de la grandeur caractéristique de la composition des hydrocarbures, comme décrit ci-dessus.
Puis, on déduit la valeur finale du débit molaire de dioxyde de carbone nCO2_exh rejeté dans les gaz d'échappement sur la base du de la valeur initiale du débit molaire d’atomes de carbone nC_fuel introduits dans le moteur thermique et de la somme des rapports entre la concentration de chaque composé chimique carboné xi _ analyser mesurée dans les gaz d’échappement par le dispositif d’analyse, y compris le dioxyde de carbone, et la concentration de dioxyde de carbone xCO2_analyser mesurée dans ces gaz d’échappement, par exemple selon la formule :
On a en effet, pour deux composés chimiques i et y: ni = xi * ntotal et ny = xy * ntotal , et donc, ni = xi/xy.
Plus précisément, ici, on déduit la valeur finale du débit molaire de dioxyde de carbone nCO2_exh rejeté dans les gaz d'échappement sur la base de la valeur initiale du débit molaire d’atomes de carbone nC_fuel introduits dans le moteur thermique et de la somme des rapports entre la concentration de chaque autre composé chimique carboné attendu dans les gaz d’échappement et la concentration de dioxyde de carbone xCO2_analyser dans ces gaz d’échappement. Par exemple, ici les concentrations de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone et de méthane sont déterminées, on utilise la formule :
En effet, on a la relation suivante :

Où xCO 2 _exh désigne la concentration du CO2 dans les gaz d’échappement prélevés,
xCO_exh désigne la concentration du CO dans les gaz d’échappement prélevés,
xC H4 _exh désigne la concentration du CH4 dans les gaz d’échappement prélevés,
nCO2_exh désigne le débit molaire de CO2 rejeté dans les gaz d’échappement 3.
Soit :
Et :
Comme expliqué ci-dessus, l’échantillon de gaz d’échappement prélevés dans les conduits d’échappement est séché avant introduction dans le dispositif d’analyse 6.
L’échantillon est donc modifié et les concentrations mesurées par le dispositif d’analyse sont donc différentes des concentrations réelles dans les conduits d’échappements.
Cependant, le séchage de l’échantillon ne réduit que la quantité d’humidité de l’échantillon prélevé.
Pour tous les composés i et y qui ne sont pas impactés par le séchage, alors les quantités sont conservées et on a une égalité entre le nombre de moles de composé chimique i ou y dans l’échantillon prélevé (ni_sample, ny_sample) et dans l’échantillon analysé, soit, avec nt otal_sample le nombre de moles total de l’échantillon prélevé et nt otal_ analyser le nombre total de moles de l’échantillon analysé :
ni_sample = ni _ analyser = xi_sample* nt otal_ sample = xi_analyser* nt otal_ analyser,
ny_sample = ny _ analyser = xy_sample* nt otal_ sample = xy_analyser* nt otal_ analyser.
Et : xi_sample/ xy_sample = xi_analyser  / xy_analyser .
Finalement, on considère que les concentrations dans les gaz d’échappement sont les mêmes que dans l’échantillon prélevé, donc xi_exh/ xy_exh = xi_analyser  / xy_analyser .
Comme la méthode de calcul utilise les rapports de concentrations, il est alors possible d’utiliser les mesures de concentration du dispositif d’analyse de gaz sans corriger les valeurs obtenues.
Selon une autre étape de la méthode (bloc 600 de la ), on détermine la valeur du débit massique du composé chimique émis dans les gaz d’échappement. Cette étape est réalisée par calcul par l’unité informatique 11.
Pour déterminer la valeur du débit massique de chaque composé chimique carboné mi _ exh émise dans les gaz d’échappement, on déduit une valeur finale d’un débit molaire de chaque composé chimique carboné ni_exh rejeté dans les gaz d'échappement de la valeur finale du débit massique de dioxyde de carbone rejetés dans les gaz d'échappement et du rapport entre la concentration dudit composé chimique carboné xi_analyser mesurée dans les gaz d’échappement et la concentration de dioxyde de carbone xCO2_analyser dans ces gaz d’échappement.
On a ni_exh = nCO2_exh. xi_analyser/xCO2_analyser.
On multiplie ensuite cette valeur finale du débit molaire du composé chimique carboné par la masse molaire du composé chimique carboné. Finalement la valeur du débit massique de chaque composé chimique carboné peut être obtenue selon la formule : mi _ exh = ni _exh * Mi = Mi * nCO2_exh * xi _analyser/xCO2_analyser.
Le débit massique de dioxyde de carbone émise est déterminé directement en multipliant le débit molaire de dioxyde de carbone par la masse molaire du dioxyde de carbone.
On a la formule suivante : mCO2_exh = nCO2_exh*MCO2.
Pour tous les composés chimiques non carbonés du type protoxyde d’azote N2O, oxyde d’azote ou de soufre dont la concentration dans les gaz d’échappement est déterminée par le dispositif d’analyse 6, la même formule s’applique et on a nj_exh = nCO2_exh * xj _analyser/xCO2_analyser .
En d’autres termes, on effectue les mêmes étapes pour un composé chimique non carboné. On détermine une valeur finale d’un débit molaire de chaque composé chimique non carboné nj_exh rejeté dans les gaz d'échappement de la valeur finale du débit massique de dioxyde de carbone rejetés dans les gaz d'échappement et du rapport entre la concentration dudit composé chimique non carboné xj _analyser mesurée dans les gaz d’échappement et la concentration de dioxyde de carbone xCO2_analyser dans ces gaz d’échappement.
En pratique, on a ainsi :
mCO2_exh = nCO2_exh * MCO2, avec MCO2 = 44,01 g/mol,
mCH4_exh = nCO2_exh * MCH4* xCH4_analyser/xCO2_analyser, avec MCH4 = 16,04 g/mol,
mN2O_exh = nCO2_exh* MN2O* xN2O_analyser/xCO2_analyser, avec MN2O = 44, 01 g/mol.
Une fois déterminée une ou plusieurs valeurs du débit massique du composé chimique recherchée pendant une durée donnée, on en déduit ladite valeur de la masse du composé chimique émis dans les gaz d’échappement pendant cette durée en intégrant la ou les valeurs du débit massique déterminées sur cette durée.
Lorsque le carburant principal est de l’ammoniac et le carburant pilote des hydrocarbures, la méthode décrite ci-dessus est appliquée en tenant compte uniquement de la quantité utilisée de carburant pilote, constitué d’hydrocarbures.
Dans le cas des moteurs thermiques nécessitant l’injection additionnelle de carburant pilote composé d’hydrocarbures en plus du carburant principal, le nombre d’atomes de carbone apporté par ce carburant pilote est pris en compte.
Le rapport de référence du carburant pilote peut être différent du rapport de référence du carburant principal. On considère alors un carburant pilote avec un rapport de référence RC/ H_pilot. Le carburant principal présente le rapport de référence RC/H comme décrit précédemment.
Nous allons considérer le paramètre em qui correspond à la proportion massique des hydrocarbures du carburant pilote et des hydrocarbures du carburant principal de telle sorte que les débits massiques de carburant pilot mCHx_pilot et principal mCHx_fuel vérifient :
mCHx_pilot = em * mCH x _fuel.
On a alors le débit molaire d’atomes de carbone apportées par le carburant pilote en fonction du débit massique des hydrocarbures du carburant pilote qui s’écrit avec une relation similaire à celle établie pour le carburant principal :
nC_pilot = mCHx_pilot * αpilot
avec
Le débit molaire total d’atomes de carbone nC_tot introduit dans le ou les moteurs thermiques est donc :
nC_tot = nC_fuel +nC_pilot.
Soit nC_tot = mC Hx _fuel * αfuel + mC Hx _pilot* αpilot = mC Hx _fuel * αfuel + em * mC Hx _ fuel* αpilot .
On peut alors définir un alpha équivalent se rapportant au carburant principal :
nC_tot = mC Hx _fuel * (αfuel + em* αpilot) = mC Hx _fuel * αequi .
avec αequi = αfuel + em * αpilot.
La méthode est ensuite similaire à celle exposée précédemment pour le cas où seul un carburant principal est utilisé. Les mêmes formules sont utilisées en remplaçant nC_fuel par nC_tot .
On a alors : nCO2_exh = nC_tot / (1 + xCO_analyser / xCO2_analyser+ xCH4_analyser / xC O 2_analyser).
Dans le cas où le moteur thermique est alimenté en méthanol CH3-OH ou en éthanol C2H5-OH, l’usage de ces carburants ne produira que du CO2 et pas de CH4 ni de N2O.
Les formules établies et la méthode décrite ci-dessus peuvent néanmoins être appliquées. On a alors pour le méthanol :
mCHx_fuel = nC_f ue l * (MC + 4* MH+MO) = nC_f ue l * MCH3-OH et αfuel = 1/ MCH3-OH
MCH3-OH =32,04 g/mol et αfuel = 0,03121.
Pour l’éthanol :
mCHx_fuel = nC_f ue l * (2*MC + 6* MH+MO) = nC_f ue l * MC 2H5 -OH et αfuel = 2/ MC 2H5 -OH
MC 2H5 -OH =46,068 g/mol et αfuel = 0,04341.
Dans le cas de l’utilisation d’un carburant sulfuré, comme les carburants hydrocarbures liquides, la masse de composés soufrés est soustraite de la masse totale du carburant comme décrit ci-dessus.
Dans le cas de fuels lourds résiduels contenant une teneur en soufre trop importante, la règlementation oblige à mettre en œuvre un scrubber, un système de nettoyage des fumées en sortie de moteur (EGCS).
L’action principale des scrubbers est d’abattre les SOx (SO2 et SO3 notamment), c’est-à-dire de limiter la quantité de ces molécules rejetée dans les gaz d’échappement.
Lors de la combustion d’un carburant sulfuré, les atomes de soufre S sont transformés majoritairement en oxydes de soufre SOx (essentiellement du SO2, le SO3 représentant moins de 4% des SOx). La fraction restante des atomes de soufre participe à la formation de diverses suies. La fraction massique de ces suies est négligeable.
Le soufre n’impacte pas la formation de CO2 et CO pour un carburant hydrocarbures liquide. L’action d’un scrubber, quel que soit son taux d’abattement, n’influence pas la méthode de détermination présentée ci-dessus. La méthode décrite ci-dessous peut donc être utilisée en présence ou en l’absence de scrubber.
Par conséquent, sous réserve d’avoir correctement quantifié la masse de soufre à soustraire de la masse de carburant pour le calcul de la part massique d’hydrocarbure, il n’est pas nécessaire de prendre en compte l’action du scrubber et de son efficacité.
Dans le cas du gaz naturel liquéfié (GNL) utilisé comme carburant, il a déjà été expliqué plus haut que la masse d’azote dissoute (quelle que soit sa quantité) doit être soustraite de la masse totale de carburant apporté aux moteurs.
L’alimentation des moteurs thermiques d’un navire propulsé au GNL, est un mélange de gaz évaporé naturellement et de GNL vaporisé, ce qui implique que la teneur en azote et le débit massique correspondant ne sont pas des données préalablement connues et varient en fonction des régimes et demande opérateur. Ces valeurs sont donc mesurées.
Le GNL d’Arzew est par exemple l’un des plus chargés en azote dissout, il contient 0.71% en pourcentage molaire, soit ~1.23% en masse.
Il est estimé que le GNL évaporé naturellement contient ~15.54% d’azote dissout en pourcentage molaire, soit ~24.3% en masse.
Par conséquent en cas de consommation du gaz évaporé (boil-off) naturel seulement, le calcul du CO2 correspondant basé sur le débit total de carburant dans le moteur thermique serait surestimé de +24.3%. La soustraction de la quantité de composés soufrés est donc une correction importante pour améliorer la précision de la détermination de la quantité de CO2 émis.
Le tableau suivant donne les rapports de référence typiquement déterminés et les grandeurs αfuelcorrespondantes pour différents types de carburants.
Type de carburant Désignation Caractéristiques principales Rapport de référence R C /H Grandeur α fuel
Carburant marin MGO Carburant n°2, Bunker A 0,53-0,56 0,0718-0,0724
MDO Carburant n°3 : 10% de carburant n°6 max + 90% de carburant n°2 0,52-0,56 0,0716-0,0724
NFSO Carburant n°5, bunker B : 75-80% de carburant n°6 + 20-25% de carburant n°2 0,48 0,0710
IFO 180, IFO 380 90% de carburant n°6 + 10% de carburant n°2 0,57-0,64 0,0726-0,0736
HFO, RFO Carburant n°6, bunker C
Gaz de Pétrole Liquéfié Propane C3 100% 0,4 0,0688
Butane C4 i/n 100% 0,375 0,0680
Mélange Propane/Butane C3/C4 50/50% 0,390 0,0685
LE Ethane pur C2 100% 0,3333 0,06651
Ethane cargo 0,3337 0,06653
Gaz Naturel Liquéfié (GNL) Méthane pur CH4 100% 0,250 0,0623
Alaska C1 99,7% 0,250 0,0623
Brunei C1 90,2% 0,268 0,0634
Libye C1 82,57% 0,275 0,0638
Le système 20 équipe par exemple un navire, notamment un méthanier ou un navire utilisant le Gaz Naturel Liquéfié comme carburant.
Certains des éléments de l’unité informatique 11 peuvent être réalisés sous différentes formes, de manière unitaire ou distribuée, au moyen de composants matériels et/ou logiciels. Des composants matériels utilisables sont les circuits intégrés spécifiques ASIC, les réseaux logiques programmables FPGA ou les microprocesseurs. Des composants logiciels peuvent être écrits dans différents langages de programmation interprétés ou compilés, par exemple C, C++, Java, Python, SQL ou VHDL. Cette liste n'est pas exhaustive.
Grâce à la méthode et au système décrits ci-dessus, la quantité des composés chimiques rejetée dans les gaz d’échappement d’un moteur au moins partiellement alimenté en hydrocarbures peut être déterminée de manière rapide et précise.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
L’usage du verbe « comporter », « comprendre » ou « inclure » et de ses formes conjuguées n’exclut pas la présence d’autres éléments ou d’autres étapes que ceux énoncés dans une revendication.
Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication.

Claims (16)

  1. Méthode de détermination d’une valeur d’une grandeur relative à une quantité d'au moins un composé chimique, ledit composé chimique étant émis par un moteur thermique (1) alimenté au moins partiellement par des hydrocarbures, comprenant les étapes suivantes :
    - déterminer (100) une valeur initiale d’une grandeur relative à une quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique (1) et en déduire une valeur initiale d’une grandeur relative à une quantité d’atomes de carbone introduits dans le moteur,
    - déterminer (400) les concentrations d’une pluralité de composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d’échappement (3),
    - déduire (500), de ladite valeur initiale de la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique (1) déterminé précédemment et des concentrations de ladite pluralité de composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d'échappement (3), une valeur finale d’une grandeur relative à une quantité de dioxyde de carbone rejeté dans les gaz d'échappement (3) et en déduire (600) ladite valeur de ladite grandeur relative à la quantité du composé chimique émis dans les gaz d’échappement (3).
  2. Méthode de détermination selon la revendication 1, selon laquelle :
    - la grandeur relative à la quantité d’au moins un composé chimique est un débit massique du composé chimique ou une masse,
    - la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique est un débit massique ou une masse,
    - la grandeur relative à la quantité d’atomes de carbone introduits dans le moteur est un débit molaire ou un nombre de mole,
    - la grandeur relative à la quantité de dioxyde de carbone rejeté dans les gaz d'échappement (3) est un débit molaire ou un nombre de mole.
  3. Méthode selon l’une des revendications 1 et 2, selon laquelle
    selon laquelle :
    - la grandeur relative à la quantité d’au moins un composé chimique est une masse,
    - la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique est un débit massique
    - la grandeur relative à la quantité d’atomes de carbone introduits dans le moteur est un débit molaire,
    - la grandeur relative à la quantité de dioxyde de carbone rejeté dans les gaz d'échappement (3) est un débit molaire
    et on détermine une valeur d’un débit massique du composé chimique et on en déduit ladite valeur de la masse du composé chimique émis dans les gaz d’échappement (3) pendant une durée en intégrant le débit massique déterminé pendant cette durée.
  4. Méthode selon l‘une des revendications 1 à 3, selon laquelle, on détermine en outre, pour une composition donnée des hydrocarbures alimentant le moteur thermique (1), une valeur d’une grandeur caractéristique de cette composition, cette grandeur caractéristique dépendant d’un rapport de référence entre un nombre d’atomes de carbone et un nombre d’atomes d’hydrogène caractéristique de cette composition d’hydrocarbures et on tient compte de cette valeur de la grandeur caractéristique pour déduire la valeur initiale de la grandeur relative à la quantité d’atomes de carbone introduites dans le moteur thermique (1).
  5. Méthode selon la revendication 4, selon laquelle ladite grandeur caractéristique est égale à l’inverse de la somme de la masse molaire du carbone et du rapport entre la masse molaire de l’hydrogène et le rapport de référence.
  6. Méthode selon la revendication 4, selon laquelle ladite grandeur caractéristique est égale à un facteur de conversion entre la consommation en hydrocarbures du moteur thermique (1) et l’émission de dioxyde de carbone par ce moteur thermique (1).
  7. Méthode selon l’une des revendications 4 à 6, selon laquelle le moteur thermique est alimenté par deux carburants de compositions différentes présentant chacun un rapport de référence et ladite grandeur caractéristique dépend des rapports de référence des deux carburants.
  8. Méthode selon l’une des revendications 1 à 7, selon laquelle on déduit (500) la valeur finale de la grandeur relative à la quantité de dioxyde de carbone rejeté dans les gaz d'échappement de la valeur initiale de la grandeur relative à la quantité d’atomes de carbone introduits dans le moteur thermique (1) et de chaque rapport entre la concentration de chaque composé chimique carboné attendu dans les gaz d’échappement (3) et la concentration de dioxyde de carbone dans ces gaz d’échappement (3).
  9. Méthode selon l’une des revendications 1 à 8, selon laquelle les composés chimiques carbonés attendus comprennent au moins du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone et le composé chimique est choisi parmi l’un des composés chimiques carbonés suivants : dioxyde de carbone, méthane, monoxyde de carbone, protoxyde d’azote, oxydes d’azote, oxydes de soufre.
  10. Méthode selon l‘une des revendications 1 à 9, selon laquelle, on mesure les concentrations des composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d’échappement (3) grâce à un dispositif d’analyse (6) de gaz par spectrométrie en phase gazeuse.
  11. Méthode selon la revendication 10, selon laquelle on prélève au moins un échantillon de gaz d’échappement (3) dudit moteur thermique (1), on refroidit cet échantillon et/ou on élimine la vapeur d’eau de cet échantillon avant son passage dans le dispositif d’analyse de gaz.
  12. Méthode selon l’une des revendications 1 à 11, selon laquelle, la valeur de la grandeur relative à la quantité du composé chimique émis dans les gaz d’échappement est déduite de la valeur finale de la grandeur relative à la quantité de dioxyde de carbone rejetée dans les gaz d'échappement et des rapports entre la concentration de chaque composé chimique carboné attendu dans les gaz d’échappement et la concentration de dioxyde de carbone dans ces gaz d’échappement.
  13. Système (20) de détermination d'une valeur d’une grandeur relative à une quantité d'au moins un composé chimique, ledit composé chimique étant émis par un moteur thermique (1) alimenté au moins partiellement par des hydrocarbures, comprenant une unité informatique (11) comprenant un ou plusieurs processeurs programmés pour mettre en œuvre les étapes suivantes :
    - déterminer (100) une valeur initiale d’une grandeur relative à une quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique (1) et en déduire un une valeur initiale d’une grandeur relative à une quantité d’atomes de carbone introduit dans le moteur,
    - déterminer (400) les concentrations d’une pluralité de composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d’échappement (3),
    - calculer (500), sur la base ladite valeur initiale de la grandeur relative à la quantité d'hydrocarbures introduits dans le moteur thermique (1) déterminée précédemment et des concentrations de ladite pluralité de composés chimiques carbonés attendus dans les gaz d'échappement, une valeur finale d’une grandeur relative à une quantité de dioxyde de carbone rejetée dans les gaz d'échappement (3) et en déduire (600) ladite valeur de ladite grandeur relative à la quantité du composé chimique émis dans les gaz d’échappement.
  14. Système (20) de détermination selon la revendication 13, comprenant en outre un dispositif d’analyse (6) des gaz d’échappement par spectrométrie en phase gazeuse.
  15. Système (20) de détermination selon l’une des revendications 13 et 14, comprenant en outre un dispositif d’analyse (10) du carburant.
  16. Navire équipé d’un système selon l’une des revendications 13 à 15.
PCT/EP2025/064930 2024-06-03 2025-05-28 Méthode de détermination d'une quantité d'au moins un composé chimique Pending WO2025252594A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2405804A FR3162853B1 (fr) 2024-06-03 2024-06-03 Méthode de détermination d'une quantité d'au moins un composé chimique
FRFR2405804 2024-06-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2025252594A1 true WO2025252594A1 (fr) 2025-12-11

Family

ID=92043125

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2025/064930 Pending WO2025252594A1 (fr) 2024-06-03 2025-05-28 Méthode de détermination d'une quantité d'au moins un composé chimique

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3162853B1 (fr)
WO (1) WO2025252594A1 (fr)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3082002A1 (fr) * 2018-06-05 2019-12-06 Psa Automobiles Sa Procede de determination d’un modele de la composition des gaz d’echappement d’un moteur diesel

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3082002A1 (fr) * 2018-06-05 2019-12-06 Psa Automobiles Sa Procede de determination d’un modele de la composition des gaz d’echappement d’un moteur diesel

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"2022 guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index for new ships", MEPC.364(79
KURCZYNSKI D ET AL: "The impact of natural gas on the ecological safety of using Diesel engine", 2018 XI INTERNATIONAL SCIENCE-TECHNICAL CONFERENCE AUTOMOTIVE SAFETY, IEEE, 18 April 2018 (2018-04-18), pages 1 - 8, XP033354423, DOI: 10.1109/AUTOSAFE.2018.8373341 *
PECHOUT MARTIN ET AL: "Comparison of hydrogenated vegetable oil and biodiesel effects on combustion, unregulated and regulated gaseous pollutants and DPF regeneration procedure in a Euro6 car", SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 696, 6 August 2019 (2019-08-06), XP085923800, ISSN: 0048-9697, [retrieved on 20190806], DOI: 10.1016/J.SCITOTENV.2019.133748 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR3162853A1 (fr) 2025-12-05
FR3162853B1 (fr) 2026-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2780573B1 (fr) Système et procédé d'estimation de la richesse du mélange gazeux dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne d'un groupe motopropulseur de véhicule automobile
EP2932059B1 (fr) Procede de diagnostic d'un piege a oxydes d'azote
Arcourmanis et al. Real-time measurement of particulate emissions in a turbocharged DI diesel engine
WO2025252594A1 (fr) Méthode de détermination d'une quantité d'au moins un composé chimique
Daemme et al. Particulate matter emissions from flex-fuel vehicles with direct fuel injection
Bermúdez et al. Assessment of exhaust raw emissions and aftertreatment performance in a retrofitted heavy duty-spark ignition engine operating with liquefied petroleum gas
Wang et al. Tracing the regulated emissions of field-aged gasoline/natural gas bi-fuel taxis from new to 160,000 km: Deterioration and environmental implications
Splitter et al. In situ laser induced florescence measurements of fuel dilution from low load to stochastic pre ignition prone conditions
Eilts et al. Investigations on the Determination of the Service Methane Number of LNG
FR2922599A1 (fr) Procede de classification de carburants dans des moteurs a combustion interne a injection directe
Kuittinen et al. Methane slip emissions from LNG vessels
Chuepeng et al. Particulate emissions from a common rail fuel injection diesel engine with RME-based biodiesel blended fuelling using thermo-gravimetric analysis
Momenimovahed et al. Real-time driving cycle measurements of ultrafine particle emissions from two wheelers and comparison with passenger cars
EP1214504B1 (fr) Procede et systeme de surveillance du fonctionnement des pots catalytiques d'un moteur a combustion interne
Kroyan Modeling the impact of fuel properties on spark ignition engine performance
EP2108802B1 (fr) Procede de determination de la quantite de carburant a injecter au demarrage d'un moteur a injection indirecte
EP2131028B1 (fr) Procédé de détermination d'un paramètre de contrôle moteur en fonction d'un carburant à injecter au démarrage d'un moteur à combustion interne
Kuittinen et al. Methane slip from LNG engines—review and on-board study
EP2808510A1 (fr) Procédé et système de contrôle de la qualité d'un agent de réduction catalytique sélective d'oxydes d'azote, injecté dans une ligne d'échappement d'un véhicule automobile
Nevius et al. Speciation of nitrogen oxides in a light duty diesel engine during an EGR system failure
Knapp et al. Condensate Formation in Exhaust Systems during Cold Start
FR2892150A1 (fr) Procede d'estimation d'un debit de gaz d'echappement recircule (egr) par une approche thermodynamique
FR2953559A1 (fr) Systeme et procede d'estimation de la masse de particules stockees dans un filtre a particules de vehicule automobile
FR2935153A1 (fr) Procede de determination d'un parametre de controle moteur en fonction d'un carburant a injecter au demarrage d'un moteur a combustion interne.
FR3160998A1 (fr) Procédé d’estimation de la quantité d’espèces polluantes dans les gaz d’échappement d’un moteur à allumage par compression, muni d’au moins un catalyseur de réduction sélective des oxydes d’azote.

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 25730933

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1