Une parfaite filtration de I'air sur un moteur Diesel est une condition primordiale pour la longévité du moteur, pour une consommation energétique normale, pour limiter la pollution, sur un moteur Diesel la quantité de gazole injectée est déterminée et dosée par la pompe d'injection en fonction de la position de la pédale d'accelération. Si le filtre d'air est plus ou moins colmaté, le taux de remplissage des cylindres est plus faible qu'avec un filtre en parfait état sur un moteur à aspiration atmosphérique ou en version suralimentée et les proportions du mélange airlgazole ne sont plus respectées.

Dans de telles conditions il y a combustion incomplète avec fumée noire à l'échappement et un risque de dilution de l'huile de lubrification par passage du combustible imbrulé vers le carter inférieur. Ces incidents peuvent être provoqués aussi par un ou plusieurs injecteurs détarés, il faut donc être très prudent lors du diagnostic.

Le filtre d'air qui ne remplit plus son rôle peut être aussi la causse d'une baisse du rendement du moteur et d'une usure prématurée de certains composants, comme les chemises/pistons d'où un contrôle périodique qui reste variable en fonction de I'utilisation du moteur dans une zone où &a concentration de poussières est plus ou moins importante.

GENERALITES

Les différences fondamentales existantes entre la filtration de I'air et celles des liquides (huile, gazole) résident principalement dans les écarts de viscosité, de vitesse de passage et de la nature des particules à arrêter. La fonction essentielle d'un filtre d'air est de protéger le moteur contre l'usure sous les conditions les plus diverses et sous la concentration la plus intense de la poussière. Son pouvoir de séparer I'air et la poussière doit être suffisamment grand pour qu'un moteur équipé de ce filtre et fonctionnant en ambiance poussiéreuse ne présente pas une usure plus importante qu'un autre moteur aspirant de I'air dépourvu d'impuretés.

La caractéristique d'un filtre en ce qui concerne sa capacité de retenir les particules de poussières est exprimée en <<degrés de séparation totale,, indiquant des particules retenues par rapport à l'ensemble des particules aspirées par le filtre, pour un filtre d'air sec, il est de l'ordre de 99,9 %, alors qu'un modèle à bain d'huile, la valeur est de 99 % dans le meilleur des cas pour descendre à 97 % au régime du ralenti (poussière d'essai SAE grosse).

Le oouvoir de filtration en fonction de la arosseur des oarticules connu'sous la désignation <<degrés desséparation Sranuio- métriques,, est effectué au banc d'essai en utilisant des poussières d'épreuves SAE d'une grosseur de 1 et 3 microns.

Le filtre d'air doit avoir aussi une durée de service aussi longue que possible, ce qui n'est pas toujours évident en fonction de l'utilisation du moteur et de la dimension de la cuve pour recueillir les poussières.

LE CHOIX DU FILTRE

Comme an peut le remarquer ci-dessous, le choix du filtre et les techniques utilisées sont fonction de plusieurs paramètres. Le seuil de filtration se situe en général entre un et dix microns ; à titre d'exemple signalons que dans le secteur automobile, le seuil de filtration est compris entre trois et cinq microns.

Les techniques utilisées seront différentes en fonction : - du degré de la pollution atmosphérique ; -de la granulométrie de la poussière ; -de la nature des particules ; - de l'obligation d'une perte de charge à l'état propre la plus faible possible ; -du niveau d'entretien souhaité ; -du besoin d'une autonomie importante ; -de la nécessité d'un encombrement réduit dans certains cas ; -de l'importance de la quantité de poussière à retenir ; - du volume de poussière à stocker ou à évacuer ; - de l'exigence d'une très haute efficacité finale et d'un très bon seuil de filtration.

Soufflet de papier d'un élément filtrant pour filtre d'air sec. Le papier est plié en accordéon ce qui permet de loger une surface très importante dans un espace minimum. Pour un moteur d'une puissance de 275 ch (200 kw), la surface de

l'élément filtrant est de l'ordre de 11 m2.

1 2 3 4 5 6 8 1 0 2 0 3 0 40 50 6'2 80 100 200 DIAMETRE DE PARTICULES EN MICRONS

Granulométrie de divers poussières

Dans les pages qui suivent nous citons les principaux filtres d'air utilisés sur les moteurs Diesel. Le filtre à bain d'huile était présent dans de nombreuses applications jusque dans les années 1975, actuellement ce type d'appareil est encore en service sur certains matériels mais en laissant la place au filtre d'air sec.

Le filtre d'air à bain d'huile est principalement prévu pour les applications dans lesquelles l'utilisation d'un filtre sec est exclue, souvent pour des questions d'approvisionnement ou de maintenance.

Sur les voitures de tourisme et utilitaires légers, l'enveloppe est souvent en matière plastique d'où moins de corrosion, gain de poids mais aussi moins de bruit au passage de I'air. En ce qui concerne les applications industrielles, les enveloppes sont le plus souvent en acier en 1991, mais la matière plastique pourrait apparaître pour certaines séries de matériels dans quelques années.

Concentration moyenne en poussière de 1 à 1,50 m du sol (mg/m3)

......................... ................... Camions européens ... ............................... ................. Camions hors Europe ..

........................................................ Camions tout terrain l... - - - - - - . - - -- . - . . . . - - -.

........... ( Autocars européens avec admission d'air arrière Autocars hors Europe avec admission d'air arrière ......... Matériels de travaux publics ............................................

.. ...

Balayeuses ................................................................... k Tracteurs agricoles européens ............. ... ................. Tracteurs agricoles hors Europe et moissonneuses-bat- teuses ........................ .. .......... .... ...................................... Moissonneuses-batteuses travaillant l'une derrière l'autre

/ Véhicules rapides à chenilles ..........................................

PERTE DE CHARGE D'UN FILTRE

C'est la différence de pression à travers un filtre à un instant donné ce qui correspond à la valeur de résistance que rencontre le fluide porteur en traversant l'élément filtrant.

La courbe de perte de charge donne la valeur en fonction du débit pour un état donné de colmatage.

Colmatage.

C'est l'obturation progressive ou non d'une couche poreuse ou fibreuse par dépôt de particules solides ou liquides. La capacité de colmatage, c'est la masse de particules pouvant être retenue par l'élément filtrant jusqu'à ce qu'une des limites de fonctionnement prescrites soit atteinte. La courbe de perte de charge est fonction du poids de polluant retenu ou de la durée de vie.

Rendement-efficacité ou pouvoir d'arrêt.

C'est l'aptitude pour un filtre à remplir sa fonction. Cette valeur est fonction du polluant, de sa concentration, du débit du fluide de la surface de filtration, de la vitesse de passage et de la méthode expérimentale. Le pouvoir d'arrêt c'est le rapport du poids des poussières retenues par le filtre comparé au poids des poussières introduites.

Coefficient d'épuration

C'est le rapport de la quantité de particules de dimensions supérieures à une valeur donnée entrant dans un fluide. La porosité moyenne c'est la dimension des pores d'un média déterminée suivant une méthode définie.

Coefficient de porosité

C'est le rapport entre le volume des vides et le volume total d'un média (expression en pourcentage).

ENTREE D'AIR

- 1 Cuve à Poussieres

Elément filtrant à l'intérieur d'une enceinte avec buse d'entrée tangentielle donnant un effet centrifuge à I'air et cuve

de récupération des poussières.

ENTREE D'AIR

i Va ive d 'Evacuat ion 1 ' I

Elément filtrant à l'intérieur d'une enceinte avec buse tan- gentielle donnant un effet centrifuge à I'air et élément filtrant dit

de sécurité, adoption d'une valve d'évacuation.

Elément Papier l

ENTREE D'A I R

Elément filtrant à I'intérieur d'une enceinte avec buses d'entrée et de sortie.

Seuil d'arrêt absolu et nomial

Le seuil d'arrêt absolu, c'est le diamètre maximal d'une particule solide sphérique qui passe au travers du filtre dans des conditions données. Le seuil d'arrêt nominal, c'est la grandeur linéaire pour indiquer le degré de filtration, des pourcentages d'arrêt sont indiqués en fonction du diamètre des particules.

FILTRE D'AIR SEC

Ce sont les modèles de filtres les plus répandus en couvrant tous les secteurs où sont utilisés les moteurs Diesel : applications routières, agriculture, travaux publics, industriels, sous les formes les plus diverses en offrant dans la majorité des cas un taux de filtration de 99,9 % en utilisant les poussières d'épreuves SAE grosses et 99,5 % avec des poussières SAE fines, ces poussières étant les références de base pour ce type d'épreuves.

LE PAPIER FILTRE

Le papier filtre utilisé pour la filtration de I'air possède des caractéristiques semblables à celui en service pour l'huile ou le gazole.

Les éléments filtrants sont constitués par du papier filtre plissé suivant différentes techniques ayant toujours pour but d'emmagasiner le maximum de papier dans le minimum de volume. Les surfaces utilisées peuvent varier de quelques dizaines de décimètres à quelques dizaines de mètres carrés. Pour un moteur de 275 ch (200 kw) la surface du papier est de l'ordre de 11 m2sur une longueur de 25 m. Ce papier plissé est protégé par des carcasses en tôle perforée et ses extrémités sont étanchées dans des flasques métalliques par collage.

La forme de ces éléments peut être quelconque (cylindrique, oblongue, triangulaire, rectangulaire, plane, etc.). Ces éléments sont utilisés unitairement ou par batterie en parallèle dans des tôleries spécialement étudiées.

La surface du papier nécessaire à une application est fonction du débit d'air à filtrer. En effet, I'efficacité du papier est en rapport direct avec la vitesse d'écoulement du fluide au travers de la couche filtrante. Cette vitesse ne doit pas être supérieure à 0,04 mls.

En prenant pour exemple un moteur suralimenté d'une puissance de 310 ch (229 kw) nécessitant un débit d'air de 1350 m3/h, la surface du papier devra être supérieure à 9,4 m2 pour obtenir avec un papier standard un seuil de filtration de 99,5 % avec des poussières de l'ordre de 4 microns et une efficacité de 99,8 % avec des poussières SAE fines.

Avec une vitesse de I'air de 0,08 mls, la surface du papier serait seulement de 4,7 m2 mais I'efficacité dans les mêmes conditions ne dépasserait pas 99,5 O/O.

Sachant que la perméance est l'opposé de I'efficacité, c'est-à- dire le pourcentage de poussières échappées par le filtre, on a respectivement pour une vitesse de 0,04 m/s, une perméance de 0,2 % et pour une vitesse de 0,08 mls, une perméance de 0,5 % soit une efficacité 2,5 fois supérieure dans le cas d'une filtration à la vitesse de 0,04 mls.

Bloc avec cellules axiales.

Ce terme de <<cellules axiales,, est utilisé pour définir les systèmes de préfiltration à l'intérieur desquels l'écoulement de I'air reste toujours dans le même sens et ceci, par opposition avec les cyclones qui sont des dispositifs de préfiltration avec retournement des veines d'air créant une perte de charge plus importante.

Une cellule axiale est composée de deux pièces : un aubage, comportant une série d'ailettes permettant de centrifuger la poussière contenue dans I'air. Un tube de reprise, sur la paroi interne duquel la poussière est plaquée et évacuée par des fentes latérales, tandis que I'air épuré sort par le tube central.

Ces deux pièces sont montées à force sur des platines et sont verrouillées entre elles par encliquetage.

La matière plastique utilisée pour la réalisation de ces pièces est du Noryl. Ce matériau est très résistant à l'abrasion. II est ininflammable (norme SE 94 VO) et peut supporter, en permanence, une température allant jusqu'à 120°C.

Filtre avec entrée par buse, effet centrifuge et évacuation des poussières par vale ou par ponction.

- SORTIE D'AIR

Filtre avec entrées périphérique, effet centrifuge et cuve de récupération de poussières.

Filtre d'air sec Permatic pour voiture Citroën XM avec moteur Diésel. Cet équipement est commercialisé en France par les

Etablissements Proust.

Filtre avec entrée et sortie par buse.

L'EVACUATION DES POUSSIERES

Dans certains cas, il est nécessaire de prévoir un système d'évacuation des poussières. Cette évacuation peut se faire à I'aide d'une valve, mais l'utilisation d'une ponction est nettement plus performante.

Cette ponction peut être obtenue à I'aide d'une trompe utilisant les gaz moteur.

P O U S S i E R E

ENTREE SORTIE - - - D'AIR , D'AIR

POLLUE -FILTRE

PONCTION 10%

Filtre à cellules axiales. On remarque sur la partie gauche les ailettes pour centrifuger la poussière, à droite le filtre comporte un cône où sont plaquées les poussières pour être évacuées par

des fentes latérales.

Coupe schématique du filtre sec Purflux modèle 9618 à deux éléments filtrants.

1. Joints - 2. Ailettes'favorisant le tourbillonnement de I 'air - 3. Elément extérieur - 4. Valve d'évacuation -

5. Elément intérieur.

CALCUL D'UN FlLTRE D'AIR SEC

La dimension d'un filtre d'ai, est fonction de la quantité d'air nécessaire au fonctionnement du moteur. La quantité d'air peut être indiquée par le constructeur du moteur ou le fabricant du filtre.

Si cela n'est pas possible on peut déterminer la dimension du filtre à partir des caractéristiques du moteur : cylindrée en litres et régime en tr/mn.

d

4 4 4 -1

Entrée -w 1 Pour un moteur tI 4 temps :

Coupe schématique d'un filtre d'air sec pour moteur Diésel destiné aux voitures de tourisme.

1. Agrafe pour assembler les deux parties du boîtier - 2. Joint - 3. Elément filtrant en papier plissé.

Les gaz d'échappement entrent par la gauche. Leur vitesse provoque une dépression dans le col du venturi aspirant les poussières et les évacuant par la droite. Ces trompes sont généralememnt réalisées en acier inoxydable de forte épaisseur.

Au moyen d'une trompe utilisant I'air comprimé prélevé par exemple sur un étage de turbine à gaz.

L'air comprimé crée, dans le col du venturi, la dépression ,nécessa~re à l'aspiration des poussières.

A I 'aide d'un venti lateur d'extraction, équipé d'ailettes recouvertes de matière plastique résistant à l'abrasion et son entraînement réalisé par un moteur électrique.

L'ELEMENT FINISSEUR EN PAPIER

Cet élément est de même conception que l'élément principal, il peut être réalisé à partir d'un papier filtre de même caractéristique que celui utilisé dans l'élément filtrant principal en permettant d'obtenir une permeance finale de 0,05 % avec un seuil de filtration de l'ordre de 3 microns. Cet élément peut être fabriqué à partir d'un papier ayant un seuil de filtration à 99,5 % de l'ordre d'un micron en permettant d'obtenir une perméance finale inférieure à 0,02 %.

Cet augmentation d'éfficacité est obtenue par l'effet de filtration en série avec un élément finisseur ayant une surface comprise en 50 et 100 % de la surface de l'élément principal. Les éléments filtrants principaux et finisseurs sont réalisés avec du papier imprégné de résine synthétique et polymérisé à une température minimale de 155°C.

Ces éléments filtrants sont nettoyables par soufflage d'air comprimé à contre sens ou par lavage dans l'eau avec un détergent non moussant, dans ce dernier cas un séchage est nécessaire avant reutilisation.

Quantite d'air nécessaire : cylindrée x régime x taux d'admission

2 x 1000

Pour un moteur tI 2 temps :

Quantité d'air nécessaire :

cylindrée x régime x taux d'admission 1 O00

-:LL-

Sortie

Coupe schématique du filtre d'air Purflux modéle 9658 avec élément cônique.

1. Joint - 2. Elément filtrant cônique.

Pour les moteurs à aspiration atmosphérique on prendra le coefficient 0,9 pour un moteur à 4 temps et 0,7 pour ceux à 2 temps. Pour les moteurs suralimentés cette valeur est fournie par le constructeur du moteur.

Pour les moteurs à aspiration atmosphérique à partir de cinq cylindres et pour les moteurs suralimentés, la quantité d'air nécessaire correspond au débit nominal du filtre ce qui correspond à la taille du filtre d'air.

En ce qui concerne les moteurs ayant moins de cinq cylindres, le flux d'air est soumis à des pulsations à I'intérieur du système d'admission.

Les très hautes vitesses alternantes qui surviennent doivent être prises en considération pour la définition de la taille du filtre.

l l Facteurs de pulsation

! 1 4 temps 1 2 temps l Nombre 1 cylindres

Filtre d'air sec MANN et Hummel version Piclon avec valve d'évacuation de poussières.

La dimension du filtre sur un moteur ayant moins de cinq i cylindres sera déterminée en multipliant la quantité d'air nécessaire i"

par le facteur de pulsation indiqué dans le tableau ci-dessus.

Moteur

1 Nota : La quantité d'air et le débit de référence sont donnés en

j m3/mn. Dans le cas où l'on ne dispose pas de données pour v a l c u l e r la quantité d'air nécessaire on peut se référencer sur les 1 + valeurs suivantes : 1 - Moteur Diesel à aspiration atmosphérique : 0,08 m3/mn pour i 1 kw ce qui correspond à 0,06 m3: mn pour 1 ch.

Moteur

i - Moteur Diesel suralimenté : 0,09 m3/mn pour 1 kw ce qui

correspond à 0,065 m3/mn pour 1 ch.

Nota : Pour les moteurs ayant moins de cinq cylindres il faut multiplier cette valeur par le facteur de pulsation.

En prenant pour exemple un moteur industriel de 4 litres de cylindrée à 4 cylindres fonctionnant suivant le cycle à quatre temps à aspiration atmosphérique au régime de 2800 tr/mn, la quantité d'air nécessaire sera de :

Pour déterminer la taille du filtre il faut multiplier cette valeur par le facteur de pulsation ce qui donne : 504 x 1,l = 534 m3/mn.

1

i L'INDICATEUR DE COLMATAGE

atteint une valeur préalablement déterminée suite à une obturation progressive de I'élément filtrant.

Lorsque I'anneau (témoin) d'indication de couleur rouge apparaît dans la fenêtre de l'appareil quand le moteur est à l'arrêt, il est nécessaire de procéder à l'échange ou au nettoyage de I'élément filtrant.

Après l'entretien du filtre, le bouton de réarmement sera actionné pour que l'anneau de couleur verte apparaisse. Les indicateurs de colmatage seront installés pour avoir le bouton de réarmement vers le sol.

Certains matériels sont équipés d'un indicateur électrique de colmatage, lorsque le moteur est mis en fonctionnement, cet appareil déclenche un signal sonore ou optique quand un entretien de I'élément filtrant est nécessaire, ces signaux disparaissent lorsque le régime du moteur baisse ou quand le moteur est arrêté.

Le témoin sonore ou acoustique est généralement disposé dans le poste de conduite ou de pilotage du matériel, dans le champ de vision du conducteur.

Filtre d'air sec MANN et Hummel version Picton avec Olbment filtrant de sécurité. II est interdit de faire fonctionner le moteur sans I'élément principal, ce qui est également valable pour les

autres marques de filtres.

FILTRE D'AIR IMBIBE D'HUILE Ce modèle de filtre d'air est à utiliser dans une ambiance peu

poussièreuse, sur les moteurs stationnaires, les groupes électrogènes, en applications marines.

L'élément filtrant peut être constitué de fibre de nylon, de tissus métalliques ou d'une combinaison des deux. Imbibé d'huile cet élément filtrant possède des propriétés de captation par effet électrostatique et la faculté de retenir par tension superficielle une certaine quantité d'huile qui améliore le rendement en une plus grande quantité de poussière.

Filtre d'air imbibé d'huile MANN et Hummel. Ce modèle de filtre 4 est destiné b des moteurs stationnaires, des applications marines fonctionnant dans une

ambiance peu poussiéreuse.

L'indicateur de colmatage sur filtre d'air sec intervient pour signaler qu'un entretien de I'élément filtrant est nécessaire. Le signal est déclenché lorsque la perte de charge à I'intérieur du filtre

FILTRE D'AIR A BAIN D'HUILE l L'efficacité du filtre d'air à bain d'huile est de l'ordre de 99 %

dans le meilleur des cas à plein régime du moteur et à 97 % au ralenti. Comparativement au filtre d'air sec avec élément papier, les performances sont inférieures, c'est une des raisons pour laquelle le filtre à bain d'huile est moins utilisé que le filtre sec.

Comme pour un filtre sec, le filtre d'air à bain d'huile doit être determiné en fonction du moteur et correspondre autant que possible à la quantité d'air maximale nécessaire au fonctionnement du moteur et en aucun cas jamais inferieur. Si l'on choisit un filtre d'air de trop grande dimension, le taux de séparation des poussières baisse. En cas d'utilisation d'un filtre d'air à bain d'huile de capacité trop faible, I'huile et les impuretés sont entraînées par I'air d'où, un manque d'efficacité de filtration en provoquant une usure prematurée des cylindres et pistons. Lors du choix d'un filtre d'air à bain d'huile, il faut tenir compte des facteurs de pulsations sur les moteurs disposant moins de 5 cylindres.

l 1 Facteurs de pulsation I I Nombre

cylindres Moteur Moteur 4 temps 2 temps i

- 4 1,1

L'avantage de ces filtres est de pouvoir accumuler une quantité importante de poussières sans augmenter la perte de charge. En contrepartie, le filtre à bain d'huile nécessite une position verticale et une disposition judicieuse des tubulures d'entrée et de sortie ainsi qu'un respect des vitesses de passage des sections et des densités des bourrages filtrants.

Avec la présence de I'huile dans la cuve inférieure, ce filtre doit «travailler,, en position verticale.

Afin de maintenir le niveau d'huile uniforme dans la cuve, ce qui n'est pas toujours possible sur certains matériels : travaux publics, matériels de lutte contre l'incendie en forêts, marine etc ...

Les supports de fixation du filtre à bain d'huile doivent être calculés et si nécessaire sur silentblocs pour obtenir un montage sans vibration, d'autre part l'aspiration d'air chaud doit être évitée, car I'huile risque d'être entrainée par I'air aspiré par le moteur.

Dans ce type de filtre, I'air pollué est dirigé sur la surface de I'huile contenue dans la cuve en léchant I'huile. Une partie des poussières sont ainsi captées par I'huile avant que I'air passe dans l'élément filtrant, constitué généralement de bourrage métallique ou d'un élément plastique pour retenir les poussières qui n'ont pu se déposer dans I'huile.

L'entretien de ce filtre doit être effectué périodiquement, I'huile contenue dans la cuve doit être remplacée avant qu'elle soit devenue boueuse et l'élément filtrant sera nettoyé. Le niveau d'huile doit être respecté, trop bas le filtre n'est pas efficace, trop haut I'huile peut être aspirée par le moteur en provoquant un emballement de ce dernier. "

FILTRE D'AIR EN MOUSSE

Ce type de filtre est encore en application sur des moteurs Diesel pour voitures de tourisme mais de plus en plus ils sont remplacés par des éléments filtrants en ~apier. Ces derniers sont

i Préfiltre MANN et Hummel version Zyklon. Les séparateurs de poussière peuvent faire doubles ou même triple la longévité d'une cartouche filtrante, différentes formes de préfiltres

cycloniques sont commercialisés.

imbibés d'huile pour assure; une filtration efficace l LES CUVES DE FILTRE D'AIR I

Dans le secteur des voitures de tourisme, les cuves de filtre d'air sont le plus souvent aujourd'hui en matière plastique, ce qui permet d'en réduire le poids en supprimant les risques d'oxydation et en abaissant le niveau sonore.

Sur les véhicules industriels, en travaux publics et en agriculture, les cuves de filtre d'air sont le plus souvent en tôle d'acier, suite aux productions en faibles séries, les cuves en matière plastique commence à apparaître en série sur certains matériels récents.

Filtre d'air B bain d'huile Permatic commercialisé par les Etablissements Proust pour moteurs Diésel sur véhicules industriels, travaux publics, moteurs stationnaires. La hauteur du niveau d'huile doit être respectée pour ne pas risquer l'emballement du moteur. L'entretien consiste par le remplacement de I'huile et le nettoyage de l'élément filtrant constitué de filtre de nylon, de tissus métalliques ou d'une

combinaison des deux.