L'Agence nationale de la recherche Des projets pour la science

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Transports Terrestres Durables (TTD)
Edition 2011


TRIPTIC-H


Caractérisation et TRaItement des ParTICules issues de moteurs à injection directe d'essence pour une application véhicule Hybride

Filtre à particules catalytique optimisé pour véhicules hybrides équipés de moteur à injection directe d'essence
Caractérisation avancée des émissions gazeuses et particulaires d'un moteur à injection directe d'essence.
Développement et réalisation de nouveaux systèmes de dépollution couplant des matériaux avancés de filtration des particules avec des solutions catalytiques innovantes.

Réduction des particules émises à l'échappement de véhicules hybrides équipés d'un moteur à injection directe d'essence via un filtre à particules.
Le projet TRIPTIC-H répond aux exigences majeures suivantes :
- Réduire des émissions de CO2 : l'utilisation conjuguée de l'hybridation et d'un moteur IDE homogène participe à l'atteinte de l'objectif de 95 g CO2/km à l’horizon 2020
- Répondre aux attentes du plan particules : objectif -30% de particules fines dans l'air en 2015, suite au «Grenelle Environnement«
- Respecter la future norme Euro 6 qui limite la masse et le nombre de particules émises par les moteurs IDE, et plus encore Euro 7 avec l'adoption probable du cycle WLTP
- Anticiper les exigences en termes de robustesse/durabilité, et de diagnosticabilité embarquée
- Prévoir une possible extension du comptage des particules aux diamètres inférieurs à 23 nm

Ce projet projet vise :
- à caractériser les particules (notamment ultrafines) issues d'un moteur IDE homogène parmi les plus avancés sollicité dans les modes de fonctionnement privilégiés dans le cadre d'applications hybridées électriquement,
- à développer des systèmes de post-traitement innovants tant au niveau matériau et principe de filtration que formulation catalytique
- à les valider d'abord à l'échelle laboratoire puis à l'échelle 1 sur moteur
- à développer les stratégies moteur d'aide à l'oxydation continue, sans accumulation
- à mettre au point les stratégies de régénération actives, le cas échéant, les plus adaptées en termes de compromis durée / efficacité / consommation de carburant

De la caractérisation fine des particules émises à la réalisation de prototypes de traitement de l'aérosol d'échappement adaptés
- Dans un premier temps, une caractérisation avancée des émissions gazeuses et particulaires est réalisée au banc moteur sur un moteur injection directe d'essence. Les particules émises sont specifiées à l'aide de plusieurs appareils granulométrique en ligne (DMS500, SMPS+E). En parallèle, des prélèvements d'échantillons de particules sont réalisés dans l'échappement afin de conduire des analyses hors ligne en laboratoire (taille et structure des particules, composition chimique, ...)
- Ensuite, sur la base de cette caractérisation, sont développées les solutions de filtrations avancées ainsi que les formulations catalytiques favorisant la régénération en continu du filtre à particules. Les innovations proposées sont réalisées et testées en premier lieu à l'échelle du laboratoire et séparément. Vient ensuite une phase de synthèse des fonctions filtration et catalyse, toujours à l'échelle laboratoire. Ces prototypes sont alors testés sur un banc gaz synthétique équipé d'un générateur de particules afin de valider leur performance tant d'un point de vue conversion catalytique qu'efficacité de filtration des particules.
- Suite à ces tests en laboratoires, des prototypes échelle 1 sont construits en fonction des résultats obtenus. L'obtention de tels prototypes suppose une bonne maîtrise du procédé de réalisation afin de parvenir à une bonne adhésion des différents matériaux tout en préservant les phases catalytiques, dont l'intégrité est le gage d'un bon fonctionnement de l'ensemble. La bonne réalisation de ce processus est validée en microscopie électronique à balayage.
- Enfin, les prototypes échelle 1 sont testés au banc moteur afin de valider leur performance en terme de filtration des particules et de conversion des polluants gazeux. Cette phase de test est aussi l'occasion de vérifier que la perte de charge crée par le filtre est compatible avec les exigences liées au bon fonctionnement d'un moteur essence.

Résultats

- La phase de caractérisation des émissions particulaires a permis de mettre en évidence la nature solide des particules émises. Cette observation nous conduit donc vers des systèmes de filtration à haute efficacité, tels que les membranes dans le but de réduire les émissions en nombre de particules à l'échappement des moteurs.
- Les travaux sur les matériaux catalytiques réalisés à ce jour nous orientent vers 2 solutions pertinentes : la première, basée sur les matériaux pérovskites, et la seconde - baptisée micropile - couplant mécanismes de conduction ionique et électrique et métaux précieux.
Concernant les matériaux pérovskites, les travaux réalisés ont montré que l'ajout d'argent permet à la fois d'améliorer les propriétés texturales du matériau et de favoriser l'oxydation catalytique de la suie via la présence d'Ag2O en surface.
Pour la solution micropile, un support conducteur électronique et ionique de type Cerium-Oxyde de Gadolinium enduit de Palladium et de Rhodium a montré les meilleures performances catalytiques en particulier sur les NOx, le CO et le propane. Les particules, quant à elles, sont oxydées à partir de 400°C avec cette formulation.

Les travaux se poursuivent à présent pour intégrer ces formulations catalytiques dans la membrane du filtre à particules, d'abord à l'échelle laboratoire et ensuite à l'échelle 1.

Perspectives

Le test de premiers échantillons de filtre à particule en début de programme a permis de mettre en évidence l'efficacité de cette technologie. Le filtre, couplé au catalyseur 3 voies dont la présence est systématique sur l'ensemble des véhicules essence commercialisés depuis 20 ans, permet de réduire le nombre de particules de 96% dans la gamme de taille 5-1000 nm sur cycle de roulage d'homologation.
En cela, il répond aux exigences sociétales actuelles : attentes en terme de santé publique par la réduction des particules fines dans l'air et impact favorable sur le réchauffement global dont les particules fines seraient selon des études récentes le second contributeur derrière le CO2.

Productions scientifiques et brevets

S.Zinola, M. Leblanc, S. Raux, B. R’Mili, A. Boréave, W.Y. Hernandez, M.N. Tsampas, N. Charbonnel, L. Retailleau-Mevel, B. D’Anna, P. Vernoux, « Particle number characterization from a spark ignition direct injection engine with a gasoline particulate filter”, 17th ETH-Conference, 23 - 26 juin 2013, Zürich, Switzerland.
B. R’Mili, A. Boréave, W.Y. Hernandez, M.N. Tsampas, N. Charbonnel, L. Retailleau-Mevel, B. D’Anna, P. Vernoux, M. Leblanc, S. Zinola, S. Raux « Ultrafine particulate matter emissions from a gasoline direct injection engine », EAC2013, 1 - 6 septembre 2013, Prague, Czech Republic.
W.Y. Hernandez, M.N. Tsampas, A. Boréave, Ph. Vernoux , « Perovskite-type catalysts for Gasoline Particulate Filters », Europacat XIth, 1-6 september 2013, Lyon, France.
M. Klotz, G. Jimenez, Y. Hernandez, Ph. Vernoux, C. Tardivat, C. Guizard, « Catalytic nano-cells for four-way catalytic filters », Europacat XIth, 1-6 september 2013, Lyon, France.

Partenaires

IRCELYON CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE

CTI CERAMIQUES TECHNIQUES INDUSTRIELLES

IFPEN IFP ENERGIES NOUVELLES

PCA PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILE SA

Saint-Gobain CREE SAINT GOBAIN CENTRE DE RECHERCHES ET D'ETUDES EUROPEEN

Aide de l'ANR 1 307 536 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2012 - 36 mois

Résumé de soumission

Le projet TripTic-H vise à développer une solution de post-traitement des particules émises par les moteurs à allumage commandé à injection directe d'essence et mélange stœchiométrique sollicités dans le cadre d' applications véhicules hybridées électriquement. Ce type de moteur est en effet dorénavant connu pour émettre un nombre de particules très important, principalement dans les modes de fonctionnement privilégiés de l'application hybride. Le projet anticipe ainsi le besoin de traitement de ces particules pour satisfaire les niveaux de nombre de particules qui seront requis par l'étape Euro 7, échéance normative qui verra l'introduction d'un nouveau cycle d'homologation des véhicules plus exigeant que l'actuel cycle européen NEDC car plus transitoire et couvrant des plages de fonctionnement étendues.
Pour atteindre l'objectif du projet, un consortium est élaboré réunissant des acteurs majeurs du domaine de la construction de véhicules automobiles, de la catalyse et de la filtration des effluents des moteurs thermiques pour automobiles, et de l'évaluation et de l'optimisation des systèmes couplés moteurs / post-traitement.
Deux voies technologiques principales nécessitent d'être explorées pour garantir l'atteinte de l'objectif assigné. La première vient en complément d'un catalyseur de type trois-voies et vise une haute efficacité de filtration, notamment pour les très fines particules, et l'oxydation en continu des particules dans des gaz pauvres en oxygène au moyen d'un catalyseur ne requérant pas de métaux précieux. La seconde cible le traitement simultané et synergique des émissions particulaires et gazeuses réalisé au sein d'une seule et même brique, facilitant ainsi l'intégration à bord du véhicule.
La structuration du projet vise d'abord à préciser la connaissance des émissions à post-traiter au moyen de techniques de caractérisation avancées, puis le développement conjoint des substrats filtrants et des phases catalytiques innovants adaptés aux spécificités identifiées des particules et des gaz. Des prototypes de supports filtrants catalytiques seront réalisés et évalués, d'abord à l'échelle laboratoire, ensuite à l'échelle 1 au banc moteur pour la ou les solutions les plus pertinentes au problème posé. Des stratégies de contrôle moteur seront également développées pour favoriser l'oxydation des suies sans accumulation dans le filtre.

 

Programme ANR : Transports Terrestres Durables (TTD) 2011

Référence projet : ANR-11-VPTT-0003

Coordinateur du projet :
Monsieur Stéphane RAUX (IFP ENERGIES NOUVELLES)
stephane.raux@nullifpen.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.