dewimille_v52n6

Un des objectifs de la politique environnementale de l'Union euro-penne est de rduire les missions des vhicules automobiles.Les normes Euro 96 et Euro 2000 s'intressent en particulier auxmissions par vaporation dues la permation du carburant travers les matriaux polymres.

Dans ce papier, nous exposons la mthode d'essai des lignes decarburant dveloppe l'IFP avec PSA et Renault. Nous prsen-tons galement des rsultats obtenus avec divers types de canali-sations et plusieurs fluides d'essai. Au vu de ces rsultats et de lasvrit des nouvelles normes, les quipementiers et les fournis-seurs de matires doivent dvelopper de nouvelles solutions afind'amliorer la rsistance la permation.

EMISSIONS DUE TO PERMEATIONTHROUGH THE VEHICLE FUEL LINES

The aim of the environmental policy of the European Union is toreduce the automotive hydrocarbon emissions. The Euro 96 andfuture Euro 2000 standards are particularly dealing with the emis-sions due to fuel permeation through polymeric materials.

In this paper, the testing procedure for fuel lines developed at IFP,PSA, and Renault, is described. Results obtained with varioustypes of fuel lines and several fuels are detailed. According tothese results and to the new stringent standards, equipment andmaterial suppliers will have to develop new solutions with improvedpermeation resistance.

LAS EMISIONES POR EFECTO DE PERMEABILIDADA TRAVS DE LAS CANALIZACIONESDE LOS VEHCULOS AUTOMVILES

Uno de los objetivos de la poltica medioambiental de la UninEuropea reside en reducir las emisiones procedentes de losvehculos automviles. Las normas Euro 96 y Euro 2000 tratanfundamentalmente, de las emisiones por evaporacin derivadas dela penetracin del carburante a travs de los materiales polmeros.

En el presente artculo, los autores exponen el mtodo de ensayode las lneas de carburante que se han desarrollado por el IFP conPSA y Renault. Tambin se presentan los resultados conseguidoscon diversos tipos de canalizaciones y varios fluidos en ensayo.Habida cuenta de estos resultados y del grado de severidad de lasnuevas normas, los fabricantes de equipos y los proveedores dematerias deben desarrollar nuevas soluciones con objeto de mejo-rar la resistencia a la penetracin.

NOTE TECHNIQUE

REVUE DE LINSTITUT FRANAIS DU PTROLEVOL. 52, N 6, NOVEMBRE-DCEMBRE 1997

643

LES MISSIONSPAR PERMABILIT TRAVERS LES CANALISATIONSDES VHICULES AUTOMOBILES

B. DEWIMILLE, G. DURIEZ et J.-M. RABILLOUDInstitut franais du ptrole1

F. BONHOUREPSA2

P. MOULINIER et C. BEZIAURenault3

1 1 et 4, avenue de Bois-Prau,92852 Rueil-Malmaison Cedex - France

2 DETA/Matriaux et Technologies,Route de Gisy,78140 Velizy-Villacoublay

3 DIMAT/Polymres et Mise en uvre67, rue des Bons Raisins,92500 Rueil-Malmaison

bihorelcopyright C 1997, Institut Franais du Ptrole

INTRODUCTION LIMITATIONDES MISSIONS

L'Union europenne a dfini une politique environ-nementale visant amliorer la qualit de l'air et notam-ment rduire les missions d'hydrocarbures par lesvhicules automobiles.

Malgr les importants progrs techniques qui ontpermis une rduction sensible des missions, l'augmen-tation constante du trafic routier impose de nouvellesavances, et un durcissement des rglements europensest prvu l'horizon 2000.

La rglementation europenne prvoit notammentune mesure plus svre des missions, inspire d'unemthode californienne et qui consiste dterminerdans une chambre d'essai (dite VT SHED) le niveaud'hydrocarbures mis par vaporation pour un vhicule l'arrt [1]. La figure 1 donne les droulements simpli-fis de l'essai Euro 96 et de la proposition d'essai Euro2000.

Le durcissement consiste soumettre le vhiculeprconditionn 25 heures de mesure, ce qui est com-parer aux 2 heures du test Euro 96. Le carburant d'essaiest, dans un premier temps, un fluide sans plomb et nonalcoolis, mais il n'est pas impossible que les directiveseuropennes voluent dans les annes venir. En effet,il semble quventuellement la rglementation puisses'appliquer des vhicules usags et surtout la prsencede produits oxygns pourrait encore rendre l'essai plussvre. Le niveau d'exigence sur les missions demeureinchang : 2 g maximum de perte par vaporation lorsde l'essai pour l'ensemble du vhicule.

Les travaux mens par les constructeurs au seinde l'ACEA montrent que les vhicules doiventncessairement progresser afin de satisfaire cettefuture rglementation. Les progrs raliser concernentprioritairement l'ensemble du circuit carburant estimresponsable des trois quarts des vaporations consta-tes, mais des progrs sont galement ncessaires surles peintures plastiques et autres fluides du moteur.

Les matires plastiques composant les rservoirs etcanalisations du circuit carburant sont sujettes desphnomnes de permabilit [2] qu'il est ncessaire dequantifier afin de pouvoir les rduire efficacement, souspeine de devoir revenir des solutions mtalliques.

Des chambres d'essai rduites ont t pralablementmises au point pour tudier la permabilit et/ou l'tan-chit des rservoirs et des circuits complets.

PSA, Renault et l'IFP se sont particulirement int-resss la mise au point d'un dispositif permettantd'valuer la contribution des canalisations et desconnexions aux missions d'un vhicule. Le dispositifporte le nom d'AMEC (Appareillage de Mesure desmissions de Carburant).

1 APPAREILLAGE DE MESURE DESMISSIONS DE CARBURANT (AMEC)

1.1 Objectifs

La ncessit de matriser les missions de carburant travers les diffrents lments du circuit carburant, icientre le rservoir et le moteur (canalisations, raccords,

LES MISSIONS PAR PERMABILIT TRAVERS LES CANALISATIONS DES VHICULES AUTOMOBILES


644

prconditionnement4 cycles urbains + 2 extra-urbains

roulage 3000 km

macration 10-36 h 20-30oC

missions chaud 1 h 23-31oC

missions diurnes 1 h 16-30oC

essai banc rouleaux4 cycles urbains + 1 extra-urbain

prconditionnement1 cycle urbain + 2 extra-urbains

roulage 3000 km

roulage cycle urbain

saturation canister

macration 6-36 h 20-30oC

macration 6-64 h 20oCmissions chaud 1 h 23-31oC

missions diurnes 24 h 20-35oC

essai banc rouleauxcycles urbain et extra-urbain

EURO 96 EURO 2000

mesure possible des missions l'chappement

mesure des missions par vaporationvhicule l'arrt dans la chambre VT SHED

le total des missionsdoit tre infrieur 2 g

Figure 1

Droulements simplifis des proc-dures Euro 96 et Euro 2000.

Succinct development of the Euro 96and Euro 2000 procedures.

rampe d'injection), a conduit PSA et Renault se doterd'un outil de caractrisation et d'tude. Les construc-teurs franais et l'IFP ont donc financ partir de 1994la ralisation d'un appareillage (l'AMEC) permettant lamesure des missions sur des lments du circuit sou-mis une circulation de carburant sous pression et tem-prature.

Les objectifs principaux sont les suivants : permettre aux constructeurs de disposer d'un outil

indpendant ; raliser la mise au point des procdures d'essai, en

particulier grce des essais interlaboratoires ; valuer et comparer les solutions proposes par les

fournisseurs ; raliser des tudes de base sur les mcanismes de

permation, les effets des paramtres, l'analyse desmissions, etc. ;

et bien entendu, de mettre la disposition des four-nisseurs cet appareillage d'essai.

1.2 Mthode d'essai

Cette mthode est en cours de dfinition et elle estbase sur les travaux dj raliss chez la plupart desproducteurs de matires plastiques dont les produitssont, ou peuvent tre, utiliss pour la ralisation descanalisations [3] [4] [5].

Des communications prcdentes ont fait le pointsur les interactions entre les matriaux polymres etles fluides automobiles [6] [7], nous y dcrivions enparticulier la permation des carburants travers cesmatires.

Nous ne donnerons ici qu'un rsum du principe del'appareillage et de la mthodologie.

La canalisation tester (de prfrence d'une lon-gueur de 2 m) soumise une circulation de carburant,est place dans une cellule rgule en temprature danslaquelle circule un flux d'azote qui entrane les vapeursde carburant qui ont diffus travers les parois de lacanalisation. Ces vapeurs sont ensuite adsorbes sur descharbons actifs, lesquels sont rgulirement pess pouren dduire la masse de carburant capte.

Le circuit de carburant comprend, outre la canali-sation tester, une pompe et un rservoir rgul entemprature sous pression d'azote. Des capteurs detemprature, de dbit et de pression permettent derguler et contrler les diffrents paramtres de fonc-tionnement de l'appareillage.

L'essai se droule de la faon suivante : Afin de limiter le temps d'essai sur l'appareillage, les

canalisations peuvent tre prconditionnes en tuveaprs avoir t remplies de carburant, ceci pendant500 heures la temprature de l'essai. On effectuedes peses et des renouvellements de fluide.

Les canalisations sont ensuite montes dans les cel-lules tanches avec leurs raccordements l'extrieur.La mesure proprement dite des missions peut trelance.

Le calcul de la vitesse de permation s'effectue aprsobtention de l'quilibre, sur une priode d'missionsstables d'au moins 300 heures. Les variations dimen-sionnelles sont galement observes.Les missions de carburant, ou vitesses de perma-

tion sont exprimes en masse de carburant par unit detemps et par unit de longueur des tubes ou de surfaceen contact avec le fluide. Le vritable coefficient depermabilit devrait, lui, tre calcul en tenant comptede l'paisseur de la paroi.

1.3 Appareillage AMEC

L'installation ralise l'IFP comporte deux ensem-bles spars comprenant chacun trois cellules. Chaqueensemble dispose d'un rservoir carburant et desmoyens de chauffage et de pompage du fluide d'essaiainsi que dazote. La figure 2 donne le schma de prin-cipe d'un poste de l'installation et la photographie de lafigure 3 montre trois des six postes.

1.4 talonnage et analysespar chromatographie

Nous avons vrifi dans les conditions habituelles demesure que l'efficacit des charbons actifs se situaitentre 95 et 98 %. D'autre part, nous avons exprimentdes prlvements sur le circuit de rcupration desvapeurs afin d'effectuer des analyses dtailles parchromatographie en phase gazeuse sur les vapeurs decarburant qui ont travers les parois de la canalisation.Des analyses peuvent galement tre effectues sur leliquide d'essai.

2 EXEMPLE DE RSULTATS

La figure 4 montre une courbe type de permabilitd'un fluide passant travers une paroi. La phase 1



645



646

PT

P T

T

T

T

T

T

P

tube tester

un rservoirpour troiscellules

charbons actifs

N2

N2

Circuit carburant Circuit azote

connexions

vannes

dbitmtres

chauffage

pression

temprature

pompes

P

T

Appareillage de mesure des missions de carburantAppareil IFP / PSA / RENAULT

Figure 2

Schma d'un des six postesde mesure de l'AMEC (lerservoir alimente 3 postes).

The testing apparatus AMEC:one of the six cells (the fueltank supplies 3 cells).

Figure 3

Vue partielle (3 postes) de l'installation AMEC :

baie de commande et de contrle gauche ;

3 cellules d'essai en haut et rservoir de carburant en haut droite ;

pigeage des missions par charbons actifs, pompes N2 etcarburant au centre ;

bains de chauffage des cellules et du rservoir en bas.

Partial view (3 cells) of the AMEC apparatus:

control on the left;

3 cells at the top and fuel tank at the top right;

activated carbon traps, N2 and fuel pumps on the center;

thermostated baths for the cells and the fuel tank below.

durant laquelle la matire s'imprgne du liquide d'essaiest de prfrence ralise lors du prconditionnement.La phase 2 permet la mesure de la vitesse de perma-tion et est parfois suivie d'une troisime phase montrantun comportement anormal. Cette anomalie peut tredue une volution du matriau (par exemple la dispa-rition d'un plastifiant) ou du fluide d'essai (puisementdu ou des constituants qui prsentent les vitesses depermation les plus leves) et se caractrise souventpar une baisse de la permabilit.

2.1 Rsultats obtenus avec des canalisations commerciales

La figure 5 donne les courbes obtenues avec 4 typesde canalisation en prsence d'un fluide synthtiquecontenant du mthanol (fluide O) 60 C. Ces condi-tions d'essai sont svres et induisent des comporte-ments trs diffrents.

La canalisation sous chssis la plus classique est icireprsente par le polyamide PA 11 : la courbe prsentedeux pentes probablement lies au dpart du plastifiant.Le polyamide PA 12 est ici beaucoup plus plastifi quele prcdent ce qui provoque une augmentation impor-tante de la permabilit.

Une faon de rduire la permabilit est d'utiliser untube multicouche, ici PVDF/PA 12, le polyfluorure devinylidne (PVDF) favorisant moins le passage dumthanol que les polyamides.

La quatrime canalisation (tudie pour tre utili-se prs du moteur) est un multicouche d'lasto-mres, la couche interne tant un lastomre fluorbeaucoup plus performant que les caoutchoucs habi-tuels. Une canalisation base de caoutchouc nitrile

aurait une permabilit au fluide O beaucoup plus le-ve que celle de ce fluorolastomre (dans un rapport10 environ).

La figure 6 montre l'effet du type de fluide d'essai.La canalisation base d'lastomre fluor voit son tauxd'missions passer de 13,4 g/m.24 h avec le fluide syn-thtique O (contenant 15 % de mthanol) 3 g/m.24 havec le carburant L (sans plomb et sans alcool, actuelle-ment utilis pour les essais SHED). De mme les poly-amides ont un bien meilleur comportement en l'absencede mthanol.

Afin de mieux illustrer la slectivit des matriauxvis--vis des constituants des carburants, nous avonspratiqu des analyses dtailles par chromatographiedes vapeurs mises par les canalisations. La figure 7donne pour les quatre canalisations (dj mentionnessur la figure 5) la rpartition des 3 constituants dufluide d'essai.

Le fluide O circulant dans la canalisation a pourcomposition : 15 % de mthanol, 42,5 % de tolune et42,5 % d'isooctane en volume (les teneurs en masseaprs analyse du liquide taient respectivement 15,4 %,47,3 % et 37,3 %). Nous retrouvons dans les missionsde tous les tubes le mthanol comme constituant majo-ritaire. Le tolune (hydrocarbure aromatique) passeensuite nettement mieux que l'isooctane (hydrocarbureisoparaffinique).

Les polyamides sont trs sensibles au mthanol etla forte plastification du PA 12 (ici double par rap-port celle du PA 11) augmente fortement la perma-bilit globale et en particulier celle au tolune. Si lacouche PVDF du multicouche a un effet importantsur le niveau d'mission, elle est, elle aussi, prfren-tiellement permable au mthanol. Dans le cas de



647

3 :anomalie (modification du matriau ou du fluide d'essai)

2 :tat d'quilibre

1 :imprgnation de la matire par le fluide

1 2 3

Vitesse de permation

Temps

Flu

ide

mis

Figure 4

Courbe type de permabilit.

Typical curve of a permeation testing.

l'lastomre, la part du tolune est presque aussi leveque celle du mthanol.

Ces quelques exemples illustrent les informationsqu'il est possible d'acqurir avec cet appareillage et cecidans les conditions d'essai reprsentatives de l'utilisa-tion sur vhicule.

Figure 7

Analyse par chromatographie des missions travers descanalisations commerciales.

Chromatographic analysis of the emissions through com-mercial fuel lines.

CONCLUSION

La mthode d'essai que nous avons dcritedemande des moyens assez importants, cependant leprincipe en est relativement simple, en particulier lamesure par adsorption sur des charbons actifs. Lesmesures que nous avons effectues jusqu' prsent don-nent une gamme trs large de permabilit (de 0,02 20 g/m.24 h). Si lon compare cette procdure avec lamthode de mesure de la permabilit par pese depetites cellules fermes par un disque du matriau tester, elle prsente plusieurs avantages : la surface dematire en contact avec le fluide est beaucoup plusimportante (au moins 10 fois suprieure), de plus legrand volume de fluide permet de limiter l'volution desa composition et enfin, les conditions sont beaucoupplus reprsentatives, d'une part, de l'application rellesur vhicule et d'autre part, du point de vue mise enuvre de la matire (moulage et extrusion peuventconduire des proprits diffrentes).

L'volution prvue de notre appareillage d'essai estl'installation sur le site d'un systme d'analyse par chro-matographie gazeuse des missions. Ces analysesdevront permettre de faire des mesures globales avec undtecteur FID (mthode analogue celle utilise par letest SHED) mais aussi de dtailler les constituants dansle cas des faibles missions.

tolune

0

5

10

15

m

issi

ons

(g/

m.2

4 h)

89 %86 %

60 %

36,4 %

49 %

PA 11+ PVDF/PA 12+

PA 12++ fluoro-lastomre

9 %

42 %

10,4 %

0,6 % 13,5 %

0,6 %

3,6 %

plastifiant :+ : 6,5 %++ : 13 %

isooctane

mthanol

Fuel O 60oC



648

PA12

++

16,5

g/m

.24

h

fluoro

lasto

mre

13,4

g/m.24

h

PA 11+3,3 g/m

.24 h

PVDF/PA 12+ 1,1g/m.24 h

m

issi

ons

(g/

m)

0

5 0

100

150

200

250

0 100 200

Temps (heure)

missions - Fluide 0-60oC

300 400 500

plastifiant :+ : 6,5 %++ : 13 %

m

issi

ons

(g/

m)

0

20

40

60

80

140

100

120

0 100 200

Temps (heure)

missions - 60oC

300 400 500

+ : plastifiant 6,5 %

Fluo

rol

ast.

Fuel

O13

,4g/

m.2

4h

Fluorolas

t. Fuel L

3 g/m.24 h

PA 11+ tolune 0,68 g/m.24 h

PA11+

Fuel O

3,3 g/m.2

4 h

PA 12+ Fuel L0,52 g/m.24 h

Figure 5

missions de carburant mesures 60 C sur des canalisationsutilises sur les vhicules.

Permeation rates at 60C of various commercial fuel lines.

Fuel O: 42.5% isooctane + 42.5% toluene + 15% methanol(% volume).

Figure 6

Effets de divers carburants sur les missions travers unlastomre fluor et des polyamides.

Effects of various fuels on the permeation rates of afluoroelastomer and two polyamides.Fuel O: 42.5% isooctane + 42.5% toluene + 15% methanol(% volume).Fuel L: unleaded fuel without alcohol.

Le choix des fluides d'essai est trs important sur lapermabilit des matriaux. Il est clair que l'utilisationd'un carburant contenant du mthanol augmente sensi-blement les missions, or, dans le cadre des procduresEuro 96 et Euro 2000, c'est le fluide L (carburant sansplomb et sans alcool) qui est spcifi. C'est donc avecce carburant que sont actuellement effectus les essaisSHED sur vhicule et il en est de mme pour les essaisde qualification sur les lments des circuits carbu-rant. Cependant, le choix des constructeurs franaisprendra galement en compte les performances desnouvelles solutions avec des carburants oxygns, enparticulier pour l'exportation des vhicules dans despays dont les normes sont diffrentes.

De plus, il semble possible que la procdure Euro2000 volue vers l'utilisation d'un carburant oxygn,non seulement pour l'homologation des vhicules neufsmais peut-tre pour des vhicules usags.

Les nouvelles exigences demandent donc une vo-lution sensible des canalisations actuelles (typique-ment en polyamide 11 ou 12 pour les tubes rigides, et base de caoutchouc nitrile PVC pour les tubessouples). Les nouvelles solutions moins permables(tubes multicouches, etc.) devront galement satisfaire l'ensemble des cahiers des charges (rsistances auxchocs, aux vibrations, au feu, facilit de raccordementet de mise en place, tanchit des raccords, etc.). Il estdonc clair qu'un saut technologique non ngligeablepourrait s'avrer ncessaire aussi bien au niveau des

matriaux employs que des structures des canalisa-tions. Cependant un bilan conomique devra prouver lasupriorit des polymres par rapport aux matriauxmtalliques absolument impermables ; les construc-teurs choisiront en effet les solutions qui prsenterontle meilleur compromis performances/cot.

BIBLIOGRAPHIE

1 Dtermination des missions par vaporation provenant desvhicules moteur allumage command. Essai type IV.JO des Communauts europennes, n C 81/87, 30 mars 1990.

2 Comportement des plastiques et des caoutchoucs au contactdes carburants futurs. tude Renault/Elf/Atochem/IFP.Bulletin technique Renault, n 66, p. 22, juillet 1990.

3 Ries-Hls H. (1995), Advanced Mutilayer Tubing to CutPetrol Emissions. British Plastics & Rubber, p. 28, fvrier1995.

4 Alternate fuel compatibility test data for engineering plastics.Document Hochst-Celanese. SAE Cooperative ResearchReport, septembre 1990.

5 Stahl W.M. et R.D. Stevens (1992), Fuel-Alcohol permeationrates of fluoroelastomers, fluoroplastics, and fuel resistantmaterials. DuPont. SAE Technical Paper series 920163, SAEInternational Congress & Exposition, Detroit, 24-28 fvrier1992.

6 Dewimille B., B. Flaconneche, J. Jarrin, J.-M. Rabilloud,G. Serpe et P. Detournay (1994), Matriaux polymres etfluides automobiles. JEMA 94, Le Havre, 27-28 septembre1994.

7 Jarrin J., B. Dewimille, B. Flaconneche et E. Vinciguerra(1997), Permabilit aux hydrocarbures d'associations depolymres. Colloque SAGE, 19-20 mars 1997, Paris.

Manuscrit dfinitif reu en septembre 1997



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Documents

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