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La cordiérite pour les convertisseurs catalytiques
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La cordiérite pour les convertisseurs catalytiques

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Substrat en céramique

La cordiérite

La cordiérite est issue de roches sédimentaires. Des dépôts peuvent en être trouvés au Sri Lanka, en Inde, en Birmanie, à Madagascar, aux Etats-Unis et au Canada. Il présente une résistance thermique élevée et est un matériau relativement solide. Toutefois, il a un haut coefficient de dilatation thermique (CDT) et une densité relativement faible. Il est utilisé dans le domaine de l’isolation électrique, des résistances à hautes performances, les tubes des brûleurs et bien sûr dans les catalyseurs d’échappement les filtres.

Les convertisseurs catalytiques à structure nid d’abeilles basés sur la cordiérite

La première application de la cordiérite dans l’industrie automobile a été l’utilisation de la céramique de cordiérite dans les convertisseurs catalytiques à partir du milieu des années soixante-dix. Ces convertisseurs catalytiques sont des réacteurs chimiques à parois filtrantes qui sont intégrés dans le tuyau d’échappement. Ils sont utilisés pour convertir les polluants comme le CO, HC et NOx dans certains cas particuliers.

Convertisseur catalytique d'oxydo-réduction (Bagley)

Comment fonctionne un convertisseur catalytique?

Un convertisseur catalytique est constitué d’un substrat, le revêtement imprégnateur (washcoat), des catalyseurs, la natte (mat) et de la boîte (can).

Composition d'un convertisseur catalytique (Corning, Environmental technologies division)

Le substrat est une céramique en nid d’abeille qui fournit une surface pour le catalyseur et où le washcoat est déposé.
Le washcoat est un dépôt qui augmente la surface effective du substrat. Il permet le contrôle de la catalyse grâce à ses propriétés et facilite le dépôt de catalyseur sur la surface.
Le catalyseur est en général un métal précieux qui catalyse la conversion de polluants en gaz inoffensifs. Il est appliqué sur le substrat imprégné du washcoat par un processus chimique.
La natte est enroulée autour de substrat et assure l’isolation thermique, la protection contre les chocs mécaniques et les vibrations du véhicule.
La boîte est un boîtier métallique qui entoure le substrat et son isolant thermique.

Utilisation du substrat pour le contrôle de la pollution de l’air

Le monolithe en céramique utilisé dans les convertisseurs a une structure poreuse (pores d’environ 3 à 4 µm) qui procure un lien à la fois mécanique et chimique avec l’imprégnateur (washcoat). Il offre une grande surface pour le dépôt du washcoat (type Al2O3) et peut être encore imprégné d’un composant catalytique tel que le platine.

Éléments clés de la fabrication

Le processus de fabrication est le suivant :

1. Transformation des matières premières

Le matériau brut est livré sur le site de fabrication par camion. Il est pesé et vérifié par le laboratoire de fabrication. Ensuite les matériaux sont mélangés avec de l’eau et transportés à l’extrusion.

2. Formation et séchage

La géométrie de la cellule est formée par extrusion de la matière. La densité des cellules, la forme et l’épaisseur de paroi sont figés ici. Le substrat formé est ensuite séché grâce à un micro-ondes.

3. La coupe et le chargement

Les morceaux de substrat sont découpés à la taille désirée et nettoyés. Un procédé de contrôle est réalisé à cette étape pour vérifier la conformité des pièces. Elles sont ensuite chargées dans un four (chambre thermiquement isolée).

4. Cuisson

Une cuisson est effectuée en fonction d’un cycle temps-température précis.

5. Finition et expédition

Les substrats de cordiérite sont ensuite emballés et expédiés au site d’assemblage du client.

Design macro-cellulaire et performances du substrat

Monolithe poreux en céramique pour substrat de catalyseur

Le principal avantage d’un matériau monolithique est qu’il offre une contre-pression relativement faible par rapport aux catalyseurs de type filaire. C’est un fait important si l’on prend en compte l’économie de carburant car le moteur aura moins de difficulté à évacuer les gaz brûlés.

Ensuite, il offre une plus grande surface de contact que les catalyseurs filaires. Cela permet d’avoir plus de surface pour le washcoat et améliore ainsi l’efficacité de conversion.
Les propriétés du monolithe peuvent donc être adaptées et optimisées pour le catalyseur :

Paramètres d'optimisation du monolithe

Considérations géométriques du substrat

Les principales caractéristiques géométriques sont définies comme suit :

Charactéristiques géométriques du substrat

La densité cellulaire est souvent définie en cellules par pouces au carré (cpsi) et l’épaisseur de paroi en 10^-3 pouces. La définition typique de la dimension d’un substrat est en N/w comme 400/4 ou 900/2. Avoir une densité cellulaire plus élevée et une épaisseur de paroi inférieure permet une meilleure conversion des polluants et une diminution de la température d’activation :

Impact de la géométrie sur le taux de conversion et sur la température d'activation

Afin de tester l’efficacité de différents substrats, les fabricants effectuent des essais véhicules sur des cycles homologués.
Pour ce faire, un moteur standard est choisi comme un générateur de gaz d’échappement. Le moteur doit fonctionner sur un cycle donné (par exemple cycle FTP). Le substrat testé est monté dans la ligne d’échappement, recouvert d’une quantité constante de métaux du Groupe Platine (MGP). Ensuite, 3 essais sont réalisés avec une nuit de repos et en démarrage à froid. Des mesures en continu et par des sacs de prélèvement sont effectuées et analysées. Le résultat typique de ce type d’analyse est un graphique représentant les HC accumulés en fonction du temps pour différents substrats :

Exemple de courbes d'HC accumulés en fonction du temps

Considération des chocs thermiques et de l’érosion

Stress thermique induit

Le stress thermique est défini par un changement brusque de température. Une rupture peut se produire quand la contrainte thermique est supérieure à la résistance du corps.

Le stress thermique est dû à la dilatation thermique qui est définie par l’augmentation de la longueur relative par rapport à la longueur initiale du corps (∆L/L). La région la plus chaude se dilate davantage que la partie la plus froide du corps. Cette différence de dilatation est appelée la contrainte thermique et provoquera une tension dans la région la plus froide :

Représentation du phénomène de contrainte thermique

Rupture annulaire

Il existe deux types de fissuration dus à la dilatation thermique. Le premier, appelé craquage annulaire, se produit lorsque le centre du substrat est plus chaud que la surface. Le centre s’étire donc dans le sens axial plus que la surface. Elle est alors sous tension et si la tension est supérieure à la résistance axiale, une fissuration apparaît autour de la circonférence.

Rupture de faceLe second type de fissure est le craquage thermique de face. Il apparaît lorsque le centre est plus chaud que les extrémités.  Le centre chaud se dilate en direction radiale plus que les extrémités. Elles sont alors en tension et si cette tension est supérieure à la résistance radiale, un craquement apparaît sur les extrémités.

Afin d’estimer la contrainte thermique et la température à la rupture, plusieurs valeurs physiques sont prises en compte telles que le coefficient de dilatation thermique, E (module d’élasticité), T1, T2 et le module de rupture.
Approximons le nid d’abeilles d’un catalyseur par un cylindre d’une longueur infinie, où la température intérieure est égale à T2 et la température en surface est égale à T1. Le traitement simplifié des équations d’élasticité donne :

Calcul de contrainte axiale
Contrainte axiale ≈ ET1(∆L/LT2-∆L/LT1), ce qui équivaut à :

Contrainte axiale ≈ ET1(CTET1 to T2)(T2-T1)

Une fois que la contrainte axiale est calculée, le « paramètre de contrainte » (SP pour Stress Parameter) est défini afin d’évaluer la durabilité thermique d’un DPF pendant la régénération à haute température, par exemple :

SP≡E500°C(∆L/L500-900°C)

Ce paramètre de contrainte permet d’estimer la probabilité de survie dans de telles conditions en considérant le module de rupture (MOR). En effet, le rapport SP/MOR est proportionnel à la probabilité de survie du substrat. De la même manière, la rupture se produit lorsque MOR est égal à la contrainte.

Érosion

Le phénomène d’érosion est principalement dû à la présence de particules dans les gaz d’échappement. Elle diminue lorsque la température augmente car le MOR du substrat augmente à des températures élevées (>400 °C).

Pour évaluer le phénomène d’érosion, du sable est projeté sur une face avant de substrat, par exemple 100 g de particules de SiC, dans un laboratoire. L’objectif est de déterminer l’empreinte laissée par l’érosion et la quantité de cellules bouchées par des particules de SiC. Si les particules sont plus petites que les canaux, la distribution du débit sera uniforme et l’empreinte due à l’érosion dépendra uniquement de la distribution du débit (à gauche). Tandis que, si les particules sont plus grosses que les canaux, les cellules se trouveront bouchées, et l’érosion inégale conduira à un écoulement irrégulier du flux des gaz (à droite).

Phénomène d'érosion

Conclusion

L’utilisation du design macro-cellulaire du substrat est encore améliorée par la flexibilité des processus pour contrôler les principaux attributs macro-structurels. Un attribut critique est la résistance au stress et à l’érosion qui représente la durée de vie du substrat et donc la durabilité du catalyseur ou de filtre.

Source : Corning
L’avis de Romain Nicolas :

Le substrat de cordiérite est un dispositif de filtration très efficace et il est également peu coûteux. Toutefois, sa température de fusion est relativement faible par rapport à celle des substrats en carbure de silicium (SiC) ce qui peut être un problème quand le dispositif fait face à des régénérations incontrôlées. Comment pensez-vous que les fabricants gèrent le compromis entre le coût et le risque de fusion au moment de choisir entre la cordiérite et des substrats en SiC? Envisagez-vous une percée technologique en ce qui concerne les substrats des systèmes de post-traitement?

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