Soutenance mémoire
Les moteurs à combustion interne, intégrés dans la majorité des véhicules particuliers, font l’objet d’une amélioration constante. Le parc automobile ne cesse de s’accroître et le transport routier est aujourd’hui l’un des principaux contributeurs aux émissions polluantes. Ce constat conduit à des normes anti-pollution de plus en plus sévères qui ont permis d’abaisser les niveaux d’émissions polluantes des moteurs à combustion interne. De plus, les constructeurs ont dû travailler à réduire la consommation de carburant de leurs véhicules pour répondre aux problématiques économiques et environnementales. En effet, la raréfaction des ressources pétrolières, et les développements techniques nécessaires à l’extraction de pétrole jusqu’alors non-récupérable ainsi que la hausse de la demande, notamment par les pays en développement, entraînent l’augmentation du coût du carburant. Les véhicules actuels intègrent donc dans leurs motorisations des systèmes complexes pour répondre à ces besoins. L’amélioration du système de combustion, la dépollution à la source, le downsizing ou encore l’ajout d’organes de post-traitement complexifient de plus en plus le groupe motopropulseur, rendant difficile sa conception et son optimisation. En particulier, les normes de dépollution actuelles sont devenues tellement drastiques qu’elles ont rendu inévitable la prise en compte des phases de fonctionnement transitoires dans l’optimisation du système de dépollution. L’efficacité des organes de post-traitement est fortement liée à leur température et donc à la température des gaz qui y circulent. La thermique du moteur et de la ligne d’échappement est alors un élément crucial à prendre en compte pour utiliser de façon avantageuse ces éléments de post-traitement. En outre, le downsizing des moteurs Diesel, qui permet de diminuer la cylindrée et donc la consommation de carburant tout en gardant les mêmes performances, doit être associé à un système de suralimentation pour conserver l’attractivité du moteur pour le consommateur.
Evolution de la stratégie de post-traitement des moteurs Diesel
Aujourd’hui, avec les normes sur les émissions polluantes qui deviennent de plus en plus sévères, la dépollution à la source, c’est-à-dire au niveau de la chambre de combustion, ne suffit plus. Les constructeurs doivent donc ajouter des éléments de post-traitement à l’échappement. Bien que le processus de combustion soit constamment optimisé, il reste incomplet. Ainsi, comme produits de combustion, on trouve en sortie des chambres de combustion Diesel du dioxyde de carbone, de l’eau, de l’azote, de l’oxygène et de l’énergie calorifique mais aussi des polluants réglementés et des polluants non réglementés. Les polluants réglementés sont des hydrocarbures imbrûlés ou partiellement transformés, du monoxyde de carbone, des oxydes d’azote ou encore des particules. Les polluants non réglementés sont des hydrocarbures aromatiques polycycliques, du dioxyde de soufre ou encore des aldéhydes.
Il y a quelques années, lors de l’apparition de la norme Euro 3, un catalyseur d’oxydation associé à un système de recirculation des gaz brûlés suffisait pour répondre à la norme concernant les moteurs Diesel. Aujourd’hui, avec l’arrivée de la norme Euro 6, la ligne d’échappement comprend, en plus, un filtre à particules et un système de réduction des oxydes d’azote (NOx).
Les gouvernements ont pour objectif de renforcer les limites d’émissions polluantes applicables aux véhicules de type particuliers et utilitaires légers. Cette diminution des émissions polluantes passe à la fois par la conception d’organes de post-traitement ainsi que par l’utilisation et le contrôle efficace de ces organes. En effet, ces systèmes doivent être amorcés. Considérant une procédure d’essai où le catalyseur est soumis à une rampe de température des gaz entrants, on définit la température de light-off ou température d’amorçage qui est la température à partir de laquelle 50% des polluants sont convertis. Lorsque les 50% de conversion sont atteint, le catalyseur se trouve à la température d’amorçage, environ 230-240◦C. La procédure sur banc gaz synthétique consiste à mesurer la composition amont et aval du gaz traversant le catalyseur lorsque le gaz entrant est chauffé selon une rampe de température. La température augmente, par exemple, de 10◦C toutes les minutes.
Les normes définies par les gouvernements doivent être respectées au terme d’un cycle d’homologation réalisé par le véhicule. Si celui-ci ne dépollue pas correctement durant les premières minutes du cycle, il peut être pénalisé à la fin du cycle si les émissions ayant eu lieu au démarrage n’ont pas été compensée par un excellent pourcentage de dépollution dans la suite du cycle. La température d’amorçage est donc un élément primordial à prendre en compte. La caractérisation des éléments de post-traitement se fait expérimentalement sur banc gaz synthétique. C’est un banc qui permet de reproduire au mieux les conditions gazeuses d’une ligne d’échappement automobile et de caractériser la performance de conversion d’un catalyseur.
Filtre à Particules
Les émissions de particules constituent un problème de santé publique certain. Les technologies de dépollution à la source sont arrivées à leur limite et le respect des normes Euro 5 et Euro 6, très sévères sur ce point, est un défi pour les constructeurs. C’est pour cela que le filtre à particules (DPF) est aujourd’hui indispensable. Les particules se forment dans la chambre de combustion dans les zones localement riches en carburant, ce qui est le cas dans les moteurs Diesel puisque la combustion est hétérogène, et à haute température. Ce sont des agglomérats de particules de carbone autour desquels se trouvent des hydrocarbures lourds adsorbés ainsi que de l’eau et des sulfates . Les particules ainsi composées ont une taille d’environ 400 nm. 95% des particules de suies sont postoxydées immédiatement du fait de l’apport d’oxygène grâce à l’aérodynamique de la chambre. Les 5% restants doivent donc être traités par le filtre à particules. Ces particules restantes représentent un problème de santé publique majeur. Elles sont inhalées et se déposent dans les voies respiratoires causant des effets sur la santé à court terme tels que des bronchites chroniques ou de l’asthme, pour de faibles concentrations (inférieures à 50 µg.m−3). A long terme, les organismes de santé publique des pays industrialisés, comme ceux des Etats-Unis ou l’Europe, ont montré l’augmentation de pathologies graves au niveau cardio-vasculaires ou l’apparition de cancers des voies respiratoires [3].
Avec l’amélioration de la combustion, la production de grosses particules, de 1 à 10 µm de diamètre, a été réduite. Cependant, des particules plus fines, de 0.01 à 0.1 µm de diamètre, pénétrant facilement dans les poumons, sont toujours produites. Le filtre à particules fonctionne tout d’abord par une étape de séparation des particules de l’écoulement de gaz. Ceci est réalisé par l’intermédiaire d’une paroi poreuse qui possède une grande efficacité de séparation entre la phase solide et la phase gazeuse, de l’ordre de 90% en masse, c’est l’effet wallflow. les gaz d’échappement entrent dans le filtre à particules par des canaux bouchés à l’autre extrémité. A ce niveau, la paroi poreuse permet le passage de la phase gazeuse dans un canal ouvert, les particules restant piégées au fond des canaux d’entrée.
Cependant, ces particules s’accumulent au fond des canaux bouchés au cours du temps et conduisent à une contre-pression, qui, lorsqu’elle est trop importante, est préjudiciable au bon fonctionnement du moteur. Il faut alors régénérer le filtre à particules en brûlant ces particules à une température élevée (supérieure à 550◦C). Cette température est rarement rencontrée durant le fonctionnement normal du moteur Diesel, ce qui signifie que la régénération du filtre à particule n’est pas naturelle et doit être provoquée. Lors du passage à la norme Euro 5, le filtre à particules a été généralisé dans les moteurs Diesel et le catalyseur d’oxydation placé en amont s’est alors vu confier une nouvelle tâche. Du fait des oxydations fortement exothermiques de CO et HC, le catalyseur d’oxydation est utilisé pour générer la température nécessaire pour le processus de régénération du filtre à particules [5]. Malgré la génération de chaleur par le catalyseur d’oxydation, les températures nécessaires à la régénération du filtre ne sont toujours pas atteinte et la régénération est donc provoquée par deux méthodes principales [4, 5, 59] :
— par injection de carburant lors de la phase de détente du cycle. Cette injection a un effet exotherme, du fait de la post-combustion, sur le catalyseur d’oxydation. Ce dernier est placé en amont du filtre à particules et permet d’augmenter la température d’entrée de ce dernier ;
— par injection directe de carburant dans la ligne d’échappement.
Pour accompagner ces méthodes, deux technologies sont à disposition des constructeurs automobiles : l’additivation du carburant et le filtre à particules catalysé. L’additivation est réalisée avec un composé à base d’oxyde de fer et d’oxyde de cérium qui permet d’abaisser la température d’initiation de la combustion des particules. Le filtre à particules catalysé est, quant à lui, imprégné de platine ou de palladium pour faciliter la régénération en diminuant la température de combustion des suies. Le vieillissement du DPF fait l’objet d’études approfondies de façon à modéliser ce phénomène qui se produit après un grand nombre de régénérations résultant en une accumulation de cendres. Ces cendres sont composées des additifs contenus dans l’huile de lubrification ou dans le carburant [4,61–63].
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Table des matières
Introduction
1 Etude Bibliographique
1.1 Evolution de la stratégie de post-traitement des moteurs Diesel
1.2 Eléments de post-traitement des moteurs Diesel
1.2.1 Catalyseur d’Oxydation Diesel
1.2.2 Filtre à Particules
1.2.3 Traitement des NOx
1.2.4 Modélisation des éléments de post-traitement
1.3 Transferts thermiques dans la ligne d’échappement
1.3.1 Transferts thermiques pariétaux
1.3.2 Transferts thermiques transitoires
1.3.3 Transferts thermiques dans les turbocompresseurs
1.3.4 Transferts thermiques dans les organes de post-traitement
1.3.5 Définition des limites de l’étude
1.4 Phases de fonctionnement du moteur
1.4.1 Thermique moteur en stationnaire
1.4.2 Phases de fonctionnement transitoire
1.4.3 Un transitoire particulier : le démarrage
1.5 Métrologie – Mesure de température
1.5.1 Thermocouples
1.5.2 Thermométrie par phosphorescence
1.5.3 Mesure de Température par Cristaux Liquides
1.6 Reconstruction de températures
2 Outils et méthodes à disposition
2.1 Description du générateur de pulsations
2.2 Description des essais sur banc moteur
2.2.1 Généralités sur les bancs d’essais
2.2.2 Banc d’essais moteur utilisé
2.2.3 Moteur d’étude
2.3 Logiciel de simulation 0D LMS Amesim
3 Métrologie – Reconstruction de températures
3.1 Thermocouples – Caractéristiques et étalonnage
3.2 Etalonnage
3.2.1 Procédure d’étalonnage
3.2.2 Résultats de l’étalonnage
3.3 Essais sur le générateur de pulsations
3.3.1 Reproductibilité des mesures effectuées sur le générateur de pulsations
3.3.2 Etude de sensibilité expérimentale de l’erreur de la mesure par thermocouples à la température et à la pression
3.4 Reconstruction de températures
3.4.1 Méthode sélectionnée
3.4.2 Reconstruction de température – Courbes de la littérature
3.4.3 Reconstruction de température – Essais sur le générateur de pulsations
4 Simulateurs et méthodologie de recalage
4.1 Modélisation des transferts thermiques dans le turbocompresseur
4.1.1 Présentation de deux approches de simulation turbocompresseur
4.1.2 Paramétrage du simulateur de référence : description de la méthode d’extrapolation des cartographies
4.1.3 Paramétrage du simulateur avec modélisation spécifique des transferts thermiques : Génération de cartographies adiabatiques
4.1.4 Evaluation de l’approche conventionnelle
4.1.5 Evaluation de l’approche avec modélisation spécifique des transferts thermiques
4.2 Prise en compte des transferts thermiques dans la ligne d’échappement
4.2.1 Présentation des deux lignes d’échappement modélisées
4.2.2 Paramètres des modèles utilisés dans les simulateurs de ligne d’échappement
4.2.3 Comparaison des résultats issus de la simulation avec les mesures expérimentales
4.2.4 Comparaison des deux approches : avec et sans post-traitement
Conclusions
