Chapitre 1 : Étude bibliographique
3. Traitement des particules de suie
3.3. Filtres à régénération continue (CRT, Continuously Regenerating Trap):45
Le CRT est un système développé et breveté par Johnson Matthey [131]. Ce système a démontré une longévité et une efficacité à réduire les quantités de CO, de HC, et de particules [116]. Une réduction de l’ordre de 90% a été observée lors d’une étude de 9 mois portant sur 25 bus fonctionnant avec un carburant contenant moins de 30 ppm de soufre [133]. Le principe est basé sur le fait que le NO2 oxyde plus facilement la suie que O2. En effet, la combustion des particules de suie se fait à une température d’environ 550°C avec O2 et 250°C avec NO2. On parle alors d’une régénération passive du FAP.
Le CRT est composé de deux parties (Figure 21):
1. Un catalyseur d’oxydation au platine (ex : Pt/Al2O3) qui permet la transformation de NO en NO2 selon la réaction :
NO + ½ O2 = NO2 (1)
2. Un filtre en cordiérite, du carbure de silicium (SiC) ou métaux frittés, qui permettent le piégeage des particules. C’est alors que le NO2 généré en amont du filtre va pouvoir oxyder ces particules de suie selon la réaction suivante [134]:
NO2 + C(suie) = NO + CO (2) Gaz d’échappement + Particules de suie NO+CO2+ H2O NO + ½ O2 = NO2 NO2 + C(suie) =NO + CO2
Catalyseur Pt/Al2O3 FAP catalysé
C(suie) + 2NO2 = CO2 + 2NO C(suie) + NO2 = CO + NO
Figure 21 : Fonctionnement d’un CRT [135]
Ce système présente cependant quelques restrictions. Tout d’abord, il faut que la température d'entrée des gaz soit de l'ordre de 300°C ce qui n'est que rarement le cas lors de la circulation en ville. De plus, il faut que le carburant soit dépourvu de soufre. Ce dernier se comporte
comme un poison en inhibant l’activité du catalyseur. En outre, le catalyseur peut oxyder SO2
en SO3 formant ainsi des sulfates susceptibles de s’adsorber à la surface des particules entrainant une augmentation de leur masse. Par ailleurs il est aussi nécessaire de maintenir les émissions de NO suffisantes pour oxyder les suies ce qui est une contrainte difficile à satisfaire. Enfin, la durée de régénération est relativement importante. Pour cela cette technologie est préférentiellement appliquée aux véhicules Diesel du type « poids lourds » qui sont mieux adaptés du fait de leurs conditions d'utilisation (moteur fortement chargé).
4. Conséquences des émissions particulaires issues des
biocarburants sur le filtre à particules
Comme mentionné précédemment, la technologie fréquemment utilisée pour réduire les émissions particulaires et respecter la nouvelle norme Euro 6 imposée, est d’adopter un filtre à particules FAP, catalysé ou non, dans les véhicules équipés d’un moteur Diesel. Ainsi donc, pour le bon fonctionnement du FAP, une exigence demeure importante. Cette dernière consiste à réduire la température de rupture (BET, Break Even Temperature), également désignée parfois comme la température du point d’équilibre, définie comme étant la température à laquelle le taux de dépôt de particules sur le filtre équivaut approximativement à la vitesse d’oxydation des particules de suie sur le filtre [132]. Ce point d’équilibre devrait se situer à basse température, plus précisément aux alentours des zones de température d’échappement des véhicules Diesel typiques. La diminution du point d’équilibre et donc de la température d’initiation de l’oxydation des suies est favorisée par les différentes technologies et stratégies de régénération citées dans la Section 3.
Par ailleurs, les observations de quelques études récentes suggèrent que les biocarburants, offrent peut être d’autres avantages en ce qui concerne les émissions particulaires. Certains de ces travaux publiés ont étudié l’impact du Biodiesel pur ou mélangé avec le Diesel conventionnel sur les performances du filtre à particules.
Boehman et al. [136] ont analysé l’impact de la composition du carburant sur la performance du FAP en mesurant la température du point d’équilibre (BET). Quatre combustibles ont été testés dans un moteur Diesel commercial à injection directe (ID): un carburant Diesel à faible teneur en soufre (LSD), un carburant Diesel ultra-faible en soufre (ULSD), un LSD+B20 et
un ULSD+B20. Les auteurs ont trouvé que l’addition de 20% en vol. de Biodiesel (B20) change la composition des particules de suie, ainsi que la nanostructure des particules primaires et par conséquent affecte le processus de régénération du FAP. Ces résultats ont été attribués aux facteurs suivants :
- L’ajout de Biodiesel entraîne un décalage du temps d’injection qui mène à une augmentation de la quantité de NO et, par conséquent, une augmentation de la quantité de NO2 utilisé comme oxydant des particules de suie piégées dans le FAP.
- L’addition de Biodiesel provoque une augmentation de la teneur en fraction organique soluble (SOF) des suies, ce qui engendre une oxydation plus importante induite par la présence d’hydrocarbures réactifs à la surface des particules.
- Le B20 change la réactivité oxydative et la nanostructure des particules primaires, contribuant ainsi à la formation des particules ayant des structures amorphes et moins ordonnées, ce qui facilite leur combustion avec des vitesses d’oxydation plus élevées.
Williams et al. [137] ont évalué la BET d’une part, et la vitesse de régénération d’autre part, d’un FAP contenant deux types de suie : la première dérivée de la combustion d’un biocarburant pur et la seconde issue de la combustion d’un Diesel pur. Les auteurs ont signalé que les températures de point d’équilibre étaient plus importantes pour les suies Diesel que pour les les suies "Bio". Pour les vitesses de régénération passive des FAP, ils ont trouvé que les suies Bio ont les vitesses les plus grandes et possèdent donc une réactivité plus importante que celles des suies Diesel. Ces conclusions ont été confirmées par la structure amorphe et la teneur élevée en oxygène contenue dans les suies "Bio".
Peterson et al. [138] ont également mesuré la température d’initiation pour laquelle la régénération du filtre contenant des suies provenant d’un mélange de Biodiesel B20 a lieu. De même, ces auteurs ont trouvé que cette dernière est décalée vers les basses températures en la comparant avec celle des suies ULSD. De plus, ils ont trouvé que la vitesse pour laquelle les suies Bio sont régénérées était plus grande que celle mesurée pour les suies ULSD.
Yamane et al. [139] ont également observé une amélioration de la régénération des FAP sur des véhicules fonctionnant avec du Biodiesel pur (B100). Ces auteurs ont trouvé que pour une température donnée, la régénération continue, en terme de vitesse et taux de régénération, est
plus efficace en cas d’utilisation du Biodiesel et que la température d’initiation nécessaire pour déclencher la régénération était plus faible en utilisant le Biodiesel comme carburant.
Bien que toutes ces études citées indiquent que l’utilisation du Biodiesel favorise le fonctionnement du FAP en rendant les particules de suie plus réactives et en améliorant les conditions pour une meilleure régénération, l’usage intensif des biocarburants peut s’avérer néfaste vis-à-vis de la chaîne de post-traitement. En effet, les biocarburants sont connus pour présenter des teneurs non-négligeables en métaux alcalins (Na, K) ou en phosphore (P) [140]. De plus, ces espèces sont aussi présentes dans les huiles de lubrification et les additifs tel l’Adblue. Ces composés inorganiques ne sont pas éliminés au cours de la régénération du filtre à particules. Ils se trouvent alors imprégnées dans les cendres résiduelles et peuvent se comporter comme des poisons potentiels pour le système de dépollution catalytique. L’impact de ces poisons inorganiques sur la réactivité des particules de suie d’une part ,ainsi que sur les performances du filtre à particules d’autre part, reste jusqu’à présent un sujet peu connu.
De là, les objectifs de cette thèse sont multiples et peuvent être répartis selon deux axes :
1. Une configuration expérimentale de référence permettant la génération des suies dites « modèles » à partir des flammes non-prémélangées établies sur un brûleur académique à pression atmosphérique. Cette approche fondamentale est menée à l’IJLRA et permet de prédire la tendance à la production de suie de différents mélanges modèles représentatifs du Diesel et du Biodiesel d’une part, et d’analyser la réactivité, les caractéristiques et les propriétés des suies « modèles » générées au niveau du brûleur par diverses techniques physico-chimiques.
Le développement du montage expérimental permettant le fonctionnement stationnaire du brûleur sous pression modérée (1 à10 bar) sera décrit.
2. Une configuration dans des conditions réelles réalisée par Renault-Volvo Trucks sur un banc moteur de type poids lourd 8L de cylindrée répondant aux spécifications de la norme Euro 6 et permettant l’obtention de suies dites « réelles » selon des cycles de combustion définis. Différents types de carburants B7 et B100 seront utilisés sur différents cycles d’usage moteur et les suies « réelles » seront collectées sur un filtre à particules non catalysé. Ces particules subiront une analyse physico-chimique
identique à celle réalisée sur les suies « modèles » pour effectuer une comparaison entre les deux types de suie et ainsi valider le dispositif de production et de récupération de suie modèle mis en place.
Finalement les suies « modèles » et « réelles » subiront deux types d’empoisonnement par les espèces inorganiques potassium (K) et phosphore (P) : soit un empoisonnement direct à la source, soit par méthode d’imprégnation à humidité. Les propriétés physico-chimiques de ces suies empoisonnées seront ensuite analysées pour évaluer l’impact des composés inorganiques sur la réactivité des particules de suie.
Les principaux travaux qui ont étudié l’impact des biocarburants sur : les émissions particulaires de suie réelles et modèles, les propriétés physico-chimiques de ces dernières et leur impact sur leur réactivité correspondante ainsi que les objectifs de cette thèse sont résumés dans le Tableau 3 suivant :
Emissions des particules de suie réelles : conditions moteur Propriétés physico-chimiques et réactivité des suies réelles Tendance à la production de suie modèles : brûleur académique Propriétés physico-chimiques et réactivité des suies modèles Impact des composés inorganiques sur la réactivité des suies « Bio »
[7–9,38,40– 43,45,137]