Résultats et discussion

L'interprétation des résultats présentés dans ce chapitre a toujours été faite en prenant en compte les conditions physico-chimiques et thermodynamiques présentes dans un mo-teur de valorisation de biogaz à savoir une atmosphère oxydante, une température supé-rieure à 500°C et une pression de plusieurs bars (en phase de compression).

3.1. Analyses élémentaires des dépôts solides

Le tableau détaillé des résultats est donné en Annexe 3 (p.241). Les résultats seront présentés sous les formes oxydées des éléments pour être concordants avec les conditions thermodynamiques au sein des moteurs (atmosphère oxydante). Cette présentation des ré-sultats n'est pas une représentation des espèces chimiques présentes mais juste une manière d'exprimer les résultats pour satisfaire les bilans élémentaires. Pour toutes les représenta-tions graphiques et les raisonnements suivants, les éléments pris en compte sont ceux dont la teneur (exprimée en oxyde) est au moins une fois supérieure à 0,5% (en masse) pour les sé-lections de dépôts comparés.

N.B. : Tous les pourcentages indiqués dans la suite de cette partie sont des pourcen-tages massiques.

3.1.1. Comparatif des compositions élémentaires au sein d'un même

moteur

Il nous est apparu intéressant, dans un premier temps, de comparer la qualité des dé-pôts en fonction de la zone de prélèvement sur un même moteur (site D). Il s'agit de 2 échan-tillons (D1 et D2) issus de 2 pistons différents (piston 1 et piston 2) et d'un échantillon (D3) récupéré sur la paroi d'une chambre de combustion. La Figure 26 présente ces dépôts avant leur prélèvement sur les pièces moteur.

Figure 26 : Photographies avant prélèvement des dépôts du site D - a) D1 = Piston 1 - b) D2 = Piston 2 - c) D3 = Parois de la chambre de combustion

L'aspect visuel des 3 dépôts semble différent ; le dépôt du piston 1 est beaucoup plus lisse et uniforme en couleur que celui du piston 2. En effet, ce dernier présente des parties assez blanches et des parties beaucoup plus sombres. Le dépôt sur le cylindre est quant à lui très blanc mais présente une surface marron orangée.

Le fait de disposer de plusieurs prélèvements pour un même moteur permet d'éva-luer la reproductibilité de composition des dépôts en fonction de la zone de prélèvement dans le moteur.

Les profils de composition correspondants à ces échantillons sont donnés en Figure 27. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 D1 D2 D3 % Autres TiO2 MgO Fe2O3 Al2O3 SnO2 As2O5 ZnO P2O5 Sb2O4 SO3 CaO SiO2

Figure 27 : Profils de composition élémentaire en pourcentage massique (exprimée sous forme oxyde) des 3 dépôts du site D (D1 = piston 1 ; D2 = piston 2 ; D3 = parois de la chambre de combustion)

Douze éléments sont présents à plus de 0,5% sous forme oxyde pour au moins un des 3 dépôts étudiés, il s'agit du silicium (Si), du calcium (Ca), du soufre (S), de l'antimoine (Sb), du phosphore (P), du zinc (Zn), de l'arsenic (As), de l'étain (Sn), de l'aluminium (Al), du fer (Fe), du magnésium (Mg) et du titane (Ti). Ces 12 éléments caractérisent plus de 95% des dépôts prélevés sur les pistons et seulement 74% du dépôt prélevé sur la paroi de la chambre de combustion. Les 2 dépôts issus des pistons présentent la même composition qua-litative et quantitative bien que leurs aspects visuels soient différents (Figure 26).

En effet, plus de 94% de ces 2 échantillons sont caractérisés par seulement 5 élé-ments parmi les 12, à savoir Si, Ca, S, Sb et As, de plus Si constitue 53 à 55% de ces 2 échantillons.

La reproductibilité de composition de 2 dépôts prélevés sur la partie supérieure de 2 pistons différents est extrêmement bonne.

L'échantillon D3 présente quant à lui un profil totalement différent, l'élément majori-taire est Ti qui représente 47% de l'échantillon, Si n'est présent qu'à hauteur de 10% et Ca et S en sont quasiment absents (moins de 0,5%).

La forte teneur en Ti dans l'échantillon D3 peut s'expliquer par l'abrasion d'une couche de protection à la surface de la paroi métallique de la chambre de combustion lors du prélèvement. Le TiO2 étant un matériau réfractaire, il est utilisé pour ses propriétés anticor-rosion comme revêtement d'aciers inoxydables [Shen et al. 2005]. De plus, certains aciers inoxydables contiennent du titane dans leur formulation, c'est le cas des inox utilisés pour des applications telles que les échappements de voiture, les fourneaux, etc. Il y a donc fort à penser que l'inox utilisé pour un moteur à combustion soit un inox au titane. L'échantillon D3 n'étant pas représentatif du dépôt de par la présence de composés du traitement de sur-face du moteur (ou directement abrasion de l'inox du moteur), il sera éliminé du reste de l'étude. Nous pouvons d'ores et déjà préconiser de ne pas prélever les dépôts par fort grat-tage des parois des chambres de combustion mais plutôt récupérer les plaques facilement détachables des têtes des pistons.

Pour compléter le travail sur cet échantillon D2, nous nous sommes intéressés à son hétérogénéité. En effet, après prélèvement, le dépôt est apparu comme présentant 2 aspects. Une aliquote de cet échantillon est triée pour séparer les parties sombres ("Noires") des par-ties claires ("Blanches") du dépôt. Ces 2 "sous échantillons" sont respectivement notés D2N et D2B. La Figure 28 représente les profils de composition de D2 (pour référence) ainsi que de D2N et D2B. Les parties noires des dépôts sont celles plutôt en contact avec le piston, tandis que les parties blanches sont plutôt celles en contact avec le biogaz. Si les dépôts se forment par accumulations successives, les parties noires seraient donc plus anciennes que les parties blanches. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 D2 D2N D2B % Autres SnO2 As2O5 Sb2O4 SO3 CaO SiO2

Figure 28 : Profils de composition élémentaire en pourcentage massique (exprimée sous forme oxyde) des parties noires (D2N) et blanches (D2B) en comparaison avec l'échantillon global D2

Les éléments présents dans les parties noires et blanches de l'échantillon sont les mêmes. En revanche, au niveau des teneurs de ces éléments, la partie blanche est plus riche en Ca, S et Sn (respectivement 3,5 ; 1,6 et 1,8 fois plus que dans la partie noire). La partie noire est quant à elle plus riche en Sb et As (respectivement 3,2 et 3,7 fois plus que la partie blanche). La partie noire est toutefois moins bien caractérisée que la partie blanche (le bilan matière boucle respectivement à 87,4% contre 97,5%). La teneur en Si est un peu plus faible dans la partie blanche. Les teneurs observées pour l'échantillon D2 correspondent à une moyenne des teneurs observées dans les échantillons D2B et D2N.

Les parties noires correspondant aux dépôts plus anciens, ont des concentrations en Sb et As supérieures aux dépôts plus récents, semblant montrer une accumulation au cours du temps de ces éléments.

En résumé : La reproductibilité de composition entre les dépôts de 2 pistons différents d'un même moteur est très bonne  il est possible de comparer des dépôts is-sus de moteurs différents et prélevés sur n'importe quel piston.

Il faut éviter les prélèvements sur les parois des chambres de combustion  il y a des risques de pollution de l'échantillon avec les couches de revêtement protecteur de l'acier inoxydable.

Bien que les dépôts puissent présenter une hétérogénéité d'aspect (de par leur relief, leur couleur, etc.), la réalisation d'un échantillon moyen n'est pas pro-blématique du fait de la présence des mêmes éléments dans les différentes fractions mais en proportions variables. On obtiendra donc des teneurs moyennes.

Pour le comparatif intersites suivant, un échantillon moyen a été réalisé à partir des prélèvements fournis.

3.1.2. Comparatif intersites des compositions élémentaires des dépôts

Six profils globaux de composition de dépôts issus de 5 sites différents (V, T, F, D, S) sont ici comparés (duplicat pour le site D : D1 et D2) sur la Figure 29.

Seuls 8 éléments présentent au moins une fois une teneur >0,5% à savoir Si, Ca, Sb, S, P, Zn, As et Sn et permettent (sous formes d'oxydes) de caractériser 90 à 97% des dépôts (respectivement pour le site V et S).

Le reste de la composition n'étant que la somme de tous les autres éléments (du ta-bleau périodique) à l'état d'ultra-traces (cf. Annexe 3).

La combinaison Si, Ca, S est retrouvée pour les 5 sites de prélèvements et constitue la majorité des dépôts (plus de 70% pour le site V voire plus de 90% pour le site S).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 V T F D1 D2 S % autres SnO2 As2O5 ZnO P2O5 Sb2O4 SO3 CaO SiO2

Figure 29 : Profils de composition élémentaire en pourcentage massique (exprimée sous forme oxyde) des 6 dépôts moteurs prélevés sur les 5 sites à savoir V, T, F, D1, D2 et S

Pour 5 échantillons sur 6 (T, F, D1, D2 et S), le silicium (exprimé sous forme oxyde)