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LES PARTICULES DIESEL
ORIGINE ET CARACTERISTIQUES
Les émissions de moteur Diesel regroupent plusieurs composés, organiques et inorganiques, sous formes gazeuse et solide. Le terme « particules » définit l’ensemble des composés susceptibles de rester en suspension dans l’air. On y retrouve des éléments sous forme solide et/ou sous forme de gouttelettes. La distribution granulométrique de ces particules est large : d’une dizaine de nanomètres à une dizaine de micromètres.
Les particules solides sont générées au sein du moteur, dans la chambre de combustion. En théorie, la combustion complète de carburants automobiles n’entraîne que la formation, aux impuretés près, d’eau H2O et de dioxyde de carbone CO2. Une réaction totale n’est cependant jamais obtenue en raison de la faible durée de la combustion, des variations rapides de température et du manque d’homogénéité du mélange air-carburant [Stratakis 2004]. Il en résulte la formation de sphérules carbonées de quelques dizaines de nanomètres ; celles-ci sont issues de réactions complexes à partir des hydrocarbures, formant des structures polycycliques (platelets, feuillets de graphite) qui, par réarrangement en cristallites puis coagulation et croissance, forment les sphérules (figure 1). Ces sphérules carbonées peuvent, par la suite, croître par coalescence et former des agrégats de plusieurs micromètres [van Setten 2001]. En sortie du moteur, où la température des gaz est élevée, une partie des hydrocarbures et des huiles n’est pas oxydée et apparaît comme une phase gazeuse généralement appelée Soluble Organic Fraction (SOF). Celle-ci est composée d’Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) et de dérivés oxygénés, nitrés et sulfurés [Kittelson 1998].
Le refroidissement et la dilution continus des gaz provoquent, par des phénomènes d’adsorption, de condensation et de nucléation, une transformation de cette phase gazeuse, schématisée par la figure 2. Une partie des SOF peut alors être adsorbée à la surface des agrégats de suie pour former des particules de plus gros diamètre. L’autre partie, par phénomène de nucléation, amène à la création de nouvelles particules de quelques dizaines de nanomètres (figure 3). La proportion de ces deux transformations est fortement influencée par les conditions de refroidissement et de dilution des gaz. Des oxydes métalliques, issus des additifs contenus dans les huiles et carburants, ainsi que de l’acide sulfurique, provenant de l’oxydation des sulfures des SOF, apparaissent également dans les gaz d’échappement. Ils forment une population de particules de distribution granulométrique semblable à celle des nanoparticules issues de la nucléation des SOF.
On observe ainsi une distribution trimodale de la masse des particules, représentée par la figure 4. La majorité correspond aux particules solides, agrégats carbonés et composants adsorbés associés, de taille comprise entre 0,1 et 0,5 µm. Bien qu’elles ne représentent qu’une faible part en masse, les nanoparticules sont les plus nombreuses des particules comprises dans les aérosols. Une dernière partie de la distribution en masse, les particules de diamètre supérieure à 1 µm, est composée d’agrégats ayant été déposés sur le cylindre ou dans la ligne d’échappement, puis ré-entraînés dans les gaz.
REGLEMENTATION
Les véhicules routiers sont soumis, depuis le début des années 1990, à des lois de plus en plus contraignantes en termes de limitation de leurs émissions polluantes à l’échappement. En Europe, ces lois sont fixées par le Parlement européen, et tous les véhicules neufs vendus en Europe doivent respecter ces limitations.
La norme actuelle, Euro 5 [JOUE 2007], a franchi un nouveau cap dans la diminution des rejets de particules des véhicules légers : ceux-ci sont désormais limités à 5 mg/km, ce qui représente une diminution de 80% par rapport au standard émis par la précédente norme Euro 4. De plus, les véhicules à essence sont maintenant également assujettis au contrôle des émissions de particules, en raison des nouveaux systèmes d’injection sur ces motorisations, responsables d’un niveau d’émission de particules comparables aux motorisations Diesel [Barbusse 2005].
LA FILTRATION DES PARTICULES
La limitation d’émission de particules issues du fonctionnement des moteurs Diesel est traitée à la fois à la source (au niveau du moteur) et dans la ligne d’échappement. Dans le premier cas, c’est par une combustion plus complète du mélange air-carburant, notamment par l’établissement de températures de combustion plus élevées, que la proportion des particules est diminuée. Dans le second cas, le filtre à particules remplit le rôle curatif du piégeage et de l’élimination des particules restantes. Plusieurs solutions technologiques ont été développées pour remplir ce rôle. Le concept global reste cependant identique et consiste à capturer les particules dans un filtre avant de les éliminer par une procédure dite de régénération. Les choix de la technique de filtration et de la procédure de régénération sont intimement liés.
Les différents types de filtre ainsi que les stratégies de régénération associées ont été détaillés dans de nombreuses revues bibliographiques dans le cas d’applications aux véhicules légers, lourds ou industriels [Adler 2005] [Barbusse 2005] [Neeft 1996] [van Setten 2001]. Ces revues détaillent les différentes structures de filtre (nid d’abeilles, mousses, fibres, …), les stratégies de filtration (filtres catalysés, additivés, …) ainsi que leur applicabilité aux différentes familles de véhicule pour lesquelles les contraintes de régénération ne sont pas identiques. En effet, dans le cas des véhicules industriels (« off-road »), voire les véhicules de transport urbain, la régénération peut être effectuée manuellement à intervalles réguliers, tandis qu’une utilisation sur véhicules particuliers nécessite un nettoyage in situ automatique des filtres.
Dans cette dernière catégorie, le filtre de type Wall-Flow s’est imposé depuis sa mise en service grâce à son efficacité de filtration, ses performances atteignables en termes de chute de pression à la traversée du filtre, ainsi que par sa facilité d’application d’une régénération in situ.
FILTRES A PARTICULES DE TYPE « WALL-FLOW »
La technologie « Wall-Flow », développée au début des années 1980 [Howitt 1981], consiste à forcer les gaz d’échappement à traverser une paroi poreuse, réalisant ainsi la filtration des particules. Le filtre est un nid d’abeilles en céramique dont la porosité et l’épaisseur des membranes est ajustée pour retenir les particules et permettre aux gaz de les traverser. Les canaux du nid d’abeilles sont bouchés en quinconce en face avant et en face arrière du filtre (figure 5). Cette configuration crée un chemin de filtration d’un canal vers les quatre canaux adjacents par l’intermédiaire des parois du nid d’abeilles. L’avantage d’un tel système est de créer une surface spécifique de filtration très importante en regard du volume externe du filtre. Cette caractéristique permet de réduire la perte de charge, tout en conservant une bonne efficacité de filtration dans un volume réduit.
Dans le cas d’un filtre à particules non catalytique, c’est-à-dire non enduit d’un revêtement catalytique, la porosité des membranes du nid d’abeilles se situe autour de 50%, avec une taille moyenne de pores d’approximativement 10 µm. Dans le cas d’un FAP à revêtement catalytique, la porosité, ainsi que la taille des pores du substrat vierge sont plus importantes en raison du dépôt catalytique [Adler 2005]. La figure 6 schématise les différents modes de filtration. Il est admis que la filtration s’effectue principalement par création de « gâteaux de filtration » (cake filtration) [van Setten 2001] [Scheffler 2005]. La filtration par tamisage (sieving) est prédominante au début de l’utilisation d’un filtre neuf : les particules de plus grosses tailles s’accumulent ainsi sur les membranes du nid d’abeilles. Cette couche de suie contribue grandement par la suite à la filtration des plus petites particules par la formation de « gâteaux de filtration ». A ces types de filtration peut également s’ajouter une filtration en profondeur (deep-bed filtration), plus couramment rencontrée dans les média filtrants présentant des pores de grandes tailles [Cutler 2004].
La structure en nid d’abeilles est réalisée par extrusion d’une pâte de céramique au travers d’une filière générant la forme finale de la section [Scheffler 2005] [Ohno 2008]. Le contrôle de la plasticité de la pâte céramique et celui du niveau d’usure de la filière d’extrusion déterminent la qualité des nids d’abeilles fabriqués [Carty 1996]. Le profilé ainsi obtenu est fritté pour obtenir la pièce finale. La composition et la distribution en taille des poudres céramiques contenues dans la pâte, ainsi que les paramètres de frittage, conditionnent principalement la taille finale des pores des membranes [Cutler 2004]. Celle-ci est ajustée pour respecter un équilibre entre une bonne qualité de filtration et une perte de charge la plus faible possible à la traversée du filtre.
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Table des matières
INTRODUCTION
1 INTRODUCTION À LA FILTRATION DES PARTICULES
1.1 LES PARTICULES DIESEL
1.1.1 Origine et caractéristiques
1.1.2 Réglementation
1.2 LA FILTRATION DES PARTICULES
1.2.1 Filtres à particules de type « Wall-Flow »
1.2.2 Régénération des filtres à particules
1.2.3 Matériaux constitutifs des filtres à particules
1.3 LE SYSTEME DE FILTRATION DEVELOPPE PAR PSA
1.3.1 Chaîne de filtration
1.3.2 Géométrie des filtres
1.4 ENDOMMAGEMENTS CONSTATES SUR DES FILTRES ISSUS D’ESSAIS SEVERES
2 CARACTÉRISATIONS MICROSTRUCTURALE, TOPOLOGIQUE ET MÉCANIQUE DES SEGMENTS DE FAP
2.1 ANALYSE DES MEMBRANES DU NID D’ABEILLES
2.1.1 Analyse microstructurale du matériau
2.1.2 Caractérisation du comportement mécanique du SiC poreux
2.2 CONSTRUCTION DU MATERIAU HOMOGENE EQUIVALENT AU NID D’ABEILLES
2.2.1 Anisotropie et symétries du motif
2.2.2 Géométrie du motif
2.2.3 Définition du Matériau Homogène Equivalent au nid d’abeilles
2.3 ANALYSE DE L’ASSEMBLAGE DU FILTRE
3 ESSAI DE RÉGÉNÉRATION SÉVÈRE SUR BANC MOTEUR
3.1 ANALYSES DES RESULTATS BRUTS D’ESSAI
3.1.1 Analyse des températures mesurées en cours d’essai
3.1.2 Analyse de l’activité acoustique pendant l’essai
3.1.3 Etat de fissuration des filtres après essai de régénération sévère
3.2 DESCRIPTION DU CHAMP DE TEMPERATURE DANS LES SEGMENTS CENTRAUX
3.3 SIMULATION THERMOMECANIQUE DES SEGMENTS CENTRAUX
3.4 DETERMINATION DES INSTANTS DE FISSURATION
4 BANC D’ESSAI « GRADIENTS THERMIQUES »
4.1 DESCRIPTION DU BANC D’ESSAI
4.2 ESSAI PAR PALIERS DE PUISSANCE
4.2.1 Description des champs de température mesurés en régime stabilisé
4.2.2 Description analytique des échanges thermiques en régime stabilisé
4.2.3 Modélisation thermique par éléments finis
4.3 ESSAIS EN RAMPE DE PUISSANCE
4.3.1 Essais en régime quasi-stationnaire
4.3.2 Essai en régime transitoire
4.3.3 Profil de fissuration des essais en configuration « fils centrés »
4.4 ESSAIS EN REGIME QUASI-STATIONNAIRE : CONFIGURATIONS ALTERNATIVES
4.4.1 Variation de la longueur des segments testés
4.4.2 Variation de la position de la source de chaleur dans la section des segments
5 ANALYSE DE LA RUPTURE
5.1 MESURE DES CONTRAINTES A RUPTURE DU MHE
5.1.1 Contrainte normale dans la direction longitudinale des segments
5.1.2 Contrainte de cisaillement dans les plans transversal et longitudinal
5.2 SIMULATION NUMERIQUE THERMOELASTIQUE DES ESSAIS SUR BANC « GRADIENTS THERMIQUES »
5.2.1 Analyse des contraintes sur la configuration « fils centrés »
5.2.2 Analyse des contraintes sur les configurations « fils décentrés »
5.3 COMPARAISON AVEC LES SIMULATIONS DES ESSAIS BANC MOTEUR
CONCLUSION
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