Study of thermomechanical loadings-induced damage in ceramic honeycomb structures : application to diesel particulate filters regeneration

• Auteur / Autrice : Arnaud Beurotte
• Direction : Michel Boussuge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Thermodynamique

Structures en nid d'abeille

Fissuration

Matériaux céramiques

Automobiles -- Conception et construction

Résumé

Les filtres à particules (FAP) utilisés dans les véhicules de PSA Peugeot-Citroën sont constitués d'un assemblage de modules (dits segments) de nids d'abeilles en carbure de silicium. Ces structures sont soumises à de forts gradients thermiques lors de la phase de régénération (décolmatage) par combustion des suies. En fonction de la sévérité de la régénération, les filtres sont susceptibles de présenter un endommagement mécanique qui se manifeste sous la forme de fissures, pouvant compromettre, dans certains cas extrêmes, l'efficacité de la filtration. Ce travail a eu pour but principal de développer des modélisations thermomécaniques, expérimentales et numériques, du phénomène de régénération. Les propriétés thermomécaniques des structures cellulaires constituant les FAP ont été caractérisées expérimentalement et un matériau anisotrope homogène équivalent aux nids d'abeilles a été défini, en vue de la réalisation de calculs par éléments finis. L'analyse des nombreuses mesures de températures réalisées lors d'essais de régénération sévère sur banc moteur a permis d'identifier l'évolution temporelle du champ thermique provoquée par la combustion des suies. Les instants d'apparition des fissures ont été déterminés par émission acoustique. Les lieux et les moments de fissuration ont pu être associés à la présence locale de forts gradients thermiques. Un banc d'essai simplifié à chauffage par effet Joule a été conçu dans le but de reproduire sur un segment isolé les chargements thermiques rencontrés lors des essais sur banc moteur. A partir des mesures de températures réalisées, les champs thermiques ont été reconstitués et les champs de contraintes associés calculés par éléments finis. La corrélation de ces champs avec les lieux et les instants de fissuration relevés expérimentalement a permis de proposer un critère simple d'amorçage des fissures, extrapolable aux essais sévères sur banc moteur.

Diesel Particulate Filters (DPF) used in PSA Peugeot-Citroën vehicles consist in assembled silicon carbide honeycomb segments. These structures undergo strong thermal gradients during the regeneration (cleaning) phase, which consists in burning accumulated soot in the DPF. Mechanical damage, under the form of cracks, can appear for heavy loaded DPF. In the worst cases, the efficiency of the filtration can be affected by this cracking. This work mainly aimed to provide thermomechanical modelings of the regeneration phase, both numerically and experimentally. The thermomechanical properties of the honeycomb structure have been determined by experiments and an orthotropic equivalent homogeneous material, representative of the cellular structure, has been defined to perform finite element simulations. An analysis of the numerous temperature measurements carried out in engine test bench allowed the evolution versus time of the thermal gradients due to soot combustion to be determined. Instants of cracks initiations have been identified by acoustic emission. Locations and moments of cracking have been associated to strong, local thermal gradients. A simplified test bench based on resistive heating has been designed to reproduce on single DPF segments the thermal gradients encountered in engine test bench. From measured temperatures, the thermal fields have been built and further used to calculate the stress field in honeycombs, using finite elements calculations. The correlation of these stress fields with the locations and the instants of cracking allowed a simple criterion of crack initiation to be proposed. This criterion has been extrapolated to engine bench tests.