Impact des suies issues de biocarburants sur le filtre à particules
Propension à la production de suie
Les suies sont définies comme étant un ensemble de particules obtenues lors de la pyrolyse à haute température (supérieure à 1300K) ou lors de la combustion incomplète de combustibles fossiles et de biomasse [20]. Elles se forment de manière générale en condition faiblement oxydante, par condensation d’hydrocarbures dans les zones riches de la flamme, c’est-à-dire dans les zones où existe un excès de carburant. Même si la structure et la taille des particules de suie diffèrent sensiblement selon les conditions de combustion, il est tout de même possible de définir de manière globale leur structure. Les particules de suie se présentent généralement sous forme d’un agrégat de particules primaires de forme sphérique, appelé sphérules, regroupées selon un ensemble de chaînes ramifiées tridimensionnelles. Diverses morphologies, parfois non définies, allant d’un bloc compact à une chaîne allongée peuvent être envisagées.
Mécanisme de formation des particules de suie dans une flamme non-prémélangée
Les mécanismes détaillés de la formation de suie lors d’une combustion sont encore relativement mal connus car ils concernent des phénomènes difficilement traçables, se passant à haute température, à forte pression avec un carburant de composition complexe. Pourtant, le processus général est relativement bien établi et peut être divisé en 5 étapes principales illustrées sur la Figure 4 : 1. Formation et croissance de molécules dites « précurseurs » de suie : Le phénomène de pyrolyse du carburant conduit, dans un premier temps, à la formation de petites entités moléculaires, des espèces ioniques et des radicaux chimiques (par exemple : C4 , C3H3 , CH3 ). Le processus de croissance combinant des réactions d’addition et de recombinaison de ces derniers contribue alors à la formation des premiers cycles. Ces cycles primaires subissent des mécanismes appelés HACA (Hydrogen-Abstraction / Carbon-Addition) conduisant à la formation des molécules plus lourdes (500 – 1000 u.m.a) d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) [25].
Nucléation, formation de particules de suie à partir des molécules
HAP : cette étape a lieu dans la zone la plus réactive de la flamme et est favorisée par le taux de composés aromatiques contenus dans le carburant d’origine. Il existe plusieurs mécanismes expliquant la croissance et la transformation d’un système moléculaire en système particulaire (Voir Annexe 1). Selon Frenklach et al. [26,27], la nucléation commence quand les HAP d’une certaine taille entrent en collision et commencent à coaguler ensemble, conduisant à la formation des dimères de HAP puis des trimères et ainsi de suite. Dans ce mécanisme deux processus sont importants : l’addition d’une molécule de type acétylénique et l’arrachement d’un atome d’hydrogène. L’addition de l’acétylène sur le radical lors de la première étape crée une espèce chimiquement instable qui par cyclisation se stabilise impliquant l’arrachement d’un atome d’hydrogène. Les précurseurs de suie évoluent alors vers des particules solides via des réactions chimiques avec des précurseurs gazeux simultanément avec la croissance des HAP par le mécanisme HACA. Un autre mécanisme présentée par D’Anna et al. [28] propose un modèle de croissance par réaction entre HAP radicalaire et moléculaire pour la formation de noyaux de suie. Selon ce modèle, la taille des aromatiques croît suite à une séquence réactionnelle impliquant des HAP à plusieurs anneaux. Ces composés jouent le rôle des intermédiaires radicalaires qui vont s’additionner de façon résonnante formant des espèces de grande masse moléculaire. Ce modèle permet également la formation d’aromatiques de masse moléculaire élevée ayant des rapports H/C élevés.
Croissance de surface des particules
La croissance de la surface est le processus par lequel la majeure partie du matériau en phase solide est générée. Elle implique la fixation d’espèces en phase gazeuse telles que l’acétylène et les HAP à la surface des particules et leur incorporation dans la phase particulaire [29]. Ce processus maintient le nombre de particules constant, mais augmente le diamètre des particules et donc la fraction massique des suies. 4. Coagulation et agglomération: Une fraction significative de la croissance des particules primaires est due à la coagulation et à l’agglomération. La coagulation désigne le phénomène durant lequel les particules entrent en collision et fusionnent (croissance coalescente), réduisant ainsi leur concentration globale tout en gardant la taille moyenne des particules. Au-delà d’un certain point, ces collisions entre les particules primaires passent d’une coalescence effective à une formation de chaîne définie comme une agglomération de particules. Dans ce régime, les particules sont généralement supposées sphériques [26,30]. 5. Oxydation : l’oxydation des HAP et des particules de suie par des agents oxydants, comme les radicaux OH , O et l’espèce O2, est un processus qui entre en compétition avec la formation de ces entités. Durant cette étape, la masse des HAP et de la suie diminue suite à la formation de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2) [25].
Termes spécifiques |
