Modélisation de l'efficacité de capture de filtres particulaires pour moteur diesel

Pour réduire les émissions de suie d'un moteur diesel, des filtres particulaires diesel (FPDs) sont ajoutés au système de traitement des gaz d'échappement. Étant donné que les normes régissant ces émission sont de plus en plus strictes, il est nécessaire de comprendre de mieux en mieux les phénomènes ayant lieux dans un FPD pour en concevoir des plus performants. Un de ces phénomènes n'ayant reçu que peu d'attention est la thermophorèse. L'objectif de ce travail est d'améliorer la compréhension de l'effet de la thermophorèse sur la capture des particules de suie dans un FPD. Pour évaluer l'importance de ce phénomène et ses effets sur la capture de la suie, un modèle numérique a été développé. Il se compose de trois étapes : (1) la reconstruction numérique d'un fragment de mur poreux de cordiérite à l'aide du recuit simulé, (2) le calcul du champ de vitesse au travers du mur poreux par la méthode de Boltzmann sur réseau, et (3) la résolution des trajectoires des particules de suies calculées par une équation modifiée de Langevin prenant en compte la thermophorèse. Les effets de l'intensité et de l'orientation de la force thermophorétique sur des particules aérosols de diverses tailles et pour trois vitesses d'écoulement du gaz. Il a été démontré que la thermophorèse peut affecter jusqu'à 27% du volume total des particules de suies entrant dans le FPD. De plus, la force thermophorétique a eu pour impact d'affecter l'efficacité de capture de ±2% et la profondeur moyenne de capture de ±10μm en fonction de son orientation par rapport à celle de l'écoulement. Un critère sur l'importance de la force thermophorétique dans le modèle basé sur le nombre de Stokes et de Reynolds a été trouvé. Il s'agit du premier travail portant sur l'effet de la thermophorèse dans un FPD.

Abstract

To reduce soot particle emissions from diesel engines, harmful for the environment and the human health, Diesel Particulate Filters (DPFs) are used in the exhaust gas system. Since the regulations are increasingly stringent, a better understanding of capture in DPFs is necessary to improve them. The purpose of the present study was to investigate the impact of thermophoresis on soot capture in the cordierite porous wall of a diesel particulate filter (DPF). A three-step numerical model was developed, that consists of: (1) the numerical reconstruction of a representative volume of the cordierite porous wall, (2) the computation of gas flow through the porous wall using the lattice Boltzmann method, and (3) the prediction of DPF capture efficiency based on the resolution of a modified Langevin equation that takes thermophoresis into account. The impact of the magnitude and orientation of the thermophoretic force on the capture of soot particles of various sizes under different flow conditions was investigated. The thermophoretic force applied in or against the flow direction affected the particle capture significantly, depending on particle size and flow velocity. It is shown that thermophoresis has a statistically significant impact on up to 27% of the soot volume entering a DPF. The effects are observed on both the capture efficiency (±2%) and average capture depth (±10μm). A criteria for the thermophoresis significance based on the Stokes and Reynolds numbers has been found. It is the first work on the effects of thermophoresis in a DPF.