Filtration des particules issues des moteurs Diesel par matrices fibreuses plongées dans un champ électrique

par Raphael Boichot

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Alain Bernis.

Soutenue en 2005

à Chambéry .

mots clés

• Filtre électrostatique
• Agglomérateur
• Particules (matière)
• Filtration -- Modèles mathématiques
• Polluants atmosphériques

Résumé

La filtration des particules diesel est un enjeu industriel et environnemental majeur depuis la découverte des effets cancérigènes de ces particules et l'avènement des réglementations drastiques Euro IV (2005) et V (2008-2010). Le but de cette étude est de montrer la faisabilité industrielle d'une filtration de ces particules sur un support métallique fibreux plongé dans un champ électrique. Le procédé prend la forme d'un électrofiltre fil-cylindre à contre-électrode poreuse à travers de laquelle passe tout le gaz traité. Il a été montré que ce procédé pouvait avantageusement être utilisé comme agglomérateur de particules et permettait un glissement de taille d'un facteur 50 des particules diesel. Le procédé, de par sa conception originale, permet de travailler avec des temps de séjour de quelques millisecondes et avec une forte intensité énergétique, ce qui entraîne par conséquent un volume extrêmement réduit compatible avec un montage sur véhicule. Sur un plan technique, le filtre électrostatique s'est montré peu tributaire des matériaux utilisés, en terme de matrices filtrantes et d'électrodes haute tension, mais très influencé par contre par la polarité de la haute tension et la qualité de l'isolation électrique. Les derniers essais avec un montage optimisé ont permis d'obtenir des abattements minimums de 90% en nombre de la phase particulaire submicronique diesel sur cycle NEDC avec des surconsommations carburant estimées de moins de 1%, ce qui correspond à peu près à une énergie volumique de 1 Joule par litre de gaz traité. Cette étude a permis de mettre au point un modèle mathématique de l'agglomérateur intégrant les toutes dernières avancées sur les méthodes numériques de résolution des équations de Maxwell en présence de charge espace, sur la prise en compte de la turbulence et sur le traitement des particules diesel comme amas fractaux. Le procédé est actuellement dans une phase d'industrialisation très avancée.

Titre traduit

Filtration of Diesel particles by the mean of fibrous matrices associated with electric field

Résumé

The filtration of diesel particulate matter is a major industrial and environmental stake, since the discovery of carcinogenic effects of this kind of particles and the advent of Euro IV (2005) and Euro V (2008-2010) regulations. The aim of this study is to point out the industrial practicability of filtration of this particles by a fibrous media immersed in an electric field. The global shape of this process is a wire-to-cylinder electrostatic precipitator with an porous earth collecting electrode, the whole flow passing through it. It was shown that this process is essentially an agglomerator and not a filter, and that it allows an increase by 50 of the mean diameter of particles. The process, by its completely new and original shape, allows to work with only several millisecondes of residence time. The energetic intensity is so important that the whole volume is compatible with an installation on vehicles. On a technical point of view, the efficiency of this electrostatic agglomerator depends only little on the fibrous matrices or high voltage electrodes used. It is in return very influenced by the quality of electric insulation by ceramic plugs between the canning and high voltage electrodes, and by the discharge polarity. During the last tests with a very optimised agglomerator, we obtain a decrease of 90% in number of the submicronic particulate matter (on a NEDC cycle), with a fuel over-consumption of less than 1%, which corresponds to an "volumic energy” of about 1 Joule per litre. A mathematical model of agglomerator was constructed during this study, integrating the last recent improvements in numeric simulation of Maxwell's equations in presence of space charge, integrating the particle turbulence and taking into account the fractal dimension of diesel aerosol particles. The process is nowadays in an advanced industrialisation stage.