Automobile : applications de filtration innovantes dans l'industrie automobile

Les procédés de filtration et de séparation sont largement utilisés dans l'industrie automobile. Anthony Bennett passe en revue certains de ces processus utilisés dans la fabrication de moteurs, la production de véhicules et l'assemblage de voitures.

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Cet article se concentre sur un certain nombre de technologies innovantes de filtration et de séparation utilisées dans l'industrie automobile. Il se concentre sur la fabrication des moteurs, passant brièvement en revue les tendances technologiques dans le fonctionnement des moteurs et l'impact de celles-ci sur les exigences de filtration, avant de décrire les progrès de la technologie de filtration et de séparation utilisée dans la fabrication des moteurs, en se concentrant sur l'élimination des brouillards d'huile, la filtration magnétique des fluides de refroidissement et le lavage des pièces du moteur. Dans la production de véhicules automobiles, il existe des problèmes de filtration dans la production de moules de coulée pour la fabrication de pièces de carrosserie, et la séparation des solides des solutions de traitement de carrosserie, des revêtements et de la peinture. Enfin, une technologie innovante est passée en revue, utilisée à la fois dans les processus d'assemblage et de maintenance des véhicules.

Au sein du moteur à combustion interne, la filtration utilise désormais des matériaux plus efficaces, à la fois dans les filtres à liquide et à air, avec diverses innovations dont par exemple l'introduction de nano-matériaux sur les filtres de Porvair Filtration. Ils intègrent la technologie de nano-revêtement brevetée de P2i Limited qui utilise un gaz ionisé pulsé (plasma), créé dans une chambre à vide, pour lier moléculairement une couche de polymère nanométrique sur toute la surface du produit de filtration.

Richard Canepa, consultant en développement commercial chez RTC Consulting, rapporte qu'en ce qui concerne la conception du boîtier de filtre, une tendance se développe pour les systèmes de filtration compacts tels que les filtres plissés en Z. Richard Canepa a déclaré : "Il y a également une évolution vers des boîtiers de filtre plus écologiques pour minimiser les matériaux éliminés lors du recyclage, comme avec les cartouches de filtre à huile où le boîtier devient une partie du moteur."

Richard Canepa a ajouté : « À mesure que l'automobile évolue vers l'élimination progressive des moteurs à combustion interne vers l'électronique, le besoin d'une filtration combinée de l'air et des gaz sera nécessaire, en particulier dans l'utilisation des piles à combustible.

En nous concentrant sur les processus de filtration utilisés dans la fabrication de moteurs automobiles plutôt que sur le fonctionnement des moteurs, nous nous concentrons désormais sur trois technologies innovantes utilisées pour l'élimination des brouillards d'huile, la filtration magnétique des fluides de refroidissement et le lavage des pièces du moteur.

Les améliorations évidentes de la technologie des moteurs et des techniques de fabrication ont entraîné un resserrement des tolérances sur les pièces usinées. Cela a renforcé le besoin de technologies de filtration et de séparation pour éliminer les particules et les débris des fluides de refroidissement, de lubrification et de coupe. Une courte durée de vie de l'outil peut être évitée en utilisant une filtration efficace pour réduire les défauts et les retouches des pièces usinées.

La filtration des brouillards d'huile devient une préoccupation de plus en plus importante pour de nombreux constructeurs automobiles. Avec des machines-outils fonctionnant à des vitesses élevées et des pressions de liquide de refroidissement plus élevées, les systèmes de collecte de brouillard d'huile électrostatiques et centrifuges traditionnels peuvent permettre au brouillard de liquide de refroidissement de s'échapper dans l'atmosphère de l'atelier, ainsi que d'autres contaminants, tels que les copeaux fins et les bactéries. Cela a provoqué des enquêtes de santé et de sécurité sur le lien potentiel entre le brouillard d'huile et les affections respiratoires graves, telles que l'asthme professionnel industriel et l'alvéolite allergique extrinsèque.

Une nouvelle approche de l'élimination des brouillards d'huile a été développée par Vokes Air Group. La technologie ScandMist de la société fonctionne à l'aide d'un processus de filtration en trois étapes. Les deux premières étapes éliminent l'huile de l'air et le filtre final nettoie l'air en lui permettant d'être renvoyé dans l'environnement local.

Un ventilateur haute performance aspire l'air contaminé à travers la série de filtres. Les filtres d'élimination d'huile fonctionnent en collectant l'huile ou le liquide de refroidissement et en le laissant s'écouler à la base de l'unité ScandMist (voir Figure 2). L'air contaminé passe à travers le média filtrant et les particules d'huile sont attirées par les fibres oléophobes. Les gouttelettes d'huile continuent d'entrer en collision avec la fibre et la gouttelette d'huile gagne en masse. Au fur et à mesure que la goutte d'huile grossit, elle devient suffisamment lourde pour tomber contre le flux d'air vers la base de l'unité ScandMist, où elle peut être collectée ou évacuée directement vers le puisard de la machine-outil.

L'air lavé passe ensuite à travers un coalesceur très efficace où le processus de coalescence est répété. Après cette deuxième étape de filtration, Vokes-Air Group indique que l'air est en moyenne exempt de brouillard d'huile à 95-98 %.

La troisième étape de filtration est conçue pour nettoyer complètement l'air restant à un niveau bien supérieur à l'air ambiant environnant. À l'aide d'un filtre HEPA, cette dernière étape garantit que les particules submicroniques (par exemple, les traces d'huile, la fumée, les bactéries, le pollen et les spores) sont piégées et ne sont pas autorisées à retourner dans l'atelier. Les filtres HEPA utilisés fonctionnent à 99,95 % d'efficacité et sont évalués à 0,3 μm. Cela signifie que dans un environnement d'atelier, toutes les particules dangereuses sont effectivement piégées, garantissant que seul de l'air cliniquement propre est renvoyé dans l'atelier.

De nombreux constructeurs automobiles ont installé des systèmes de filtration des brouillards d'huile dans leurs installations de production. Le groupe Vokes-Air enregistre de fortes commandes pour son système ScandMist malgré le ralentissement économique.

Désormais largement utilisé dans les processus d'alésage et d'alésage pour l'élimination des particules et des débris, le filtre magnétique Micromag d'Eclipse Magnetics peut réduire les coûts d'usinage et améliorer la qualité, la précision et la finition de surface du produit usiné.

Honda s'est tourné vers Eclipse Magnetics pour utiliser la technologie Micromag sur une aléseuse et une aléseuse sur mesure dans son usine de Swindon au Royaume-Uni. La machine, conçue et fabriquée par la division Ingénierie de Honda, est utilisée pour la fabrication de sièges de soupapes de moteur - un composant de moteur où la précision et la qualité de la finition de surface sont essentielles.

Les ingénieurs de Honda ont découvert que les microparticules de métal transportées dans le liquide de refroidissement de la machine pouvaient nuire à la finition de surface du siège de soupape usiné, ce qui pouvait à son tour nuire à l'efficacité du moteur.

L'ingénieur en charge de ce procédé sur place, Peter Jones, pensait que la filtration magnétique pourrait apporter la réponse. Peter Jones a déclaré : "Depuis l'intégration de Micromag dans notre processus, nous avons constaté qu'en plus d'éliminer efficacement les particules métalliques potentiellement nocives, les caractéristiques d'entretien de l'unité garantissent que nous subissons désormais un temps d'arrêt minimal de la machine."

Le noyau magnétique du Micromag comprend des aimants néodyme fer bore qui génèrent un champ magnétique de haute intensité. Le liquide pénètre dans le boîtier et est réparti uniformément autour de la face inférieure d'un couvercle en aluminium via des canaux d'écoulement coniques radiaux. Le fluide passe à l'extérieur du noyau magnétique où les particules magnétiques sont attirées par le champ magnétique de haute intensité.

Le noyau magnétique positionné au centre utilise un circuit magnétique géométrique. Les aimants sont disposés autour d'un bouclier de retour de flux magnétique central pour garantir que toutes les performances des aimants sont utilisées tout en permettant un écoulement de fluide non affecté même lorsque le noyau est complètement saturé de contamination.

Les processus de lavage aqueux ou chimiques reposent sur une filtration fine pour garantir que les pièces du moteur sont exemptes de particules. De l'eau de haute pureté est nécessaire pour produire des solutions aqueuses avec la technologie de membrane d'osmose inverse (RO) utilisée pour répondre aux spécifications requises.

Le prétraitement OI électropositif a été largement utilisé pour prolonger la durée de vie de la membrane sur les systèmes d'eau de haute pureté. Pratiquement tous les fabricants de membranes d'osmose inverse spécifient une qualité minimale pour les eaux d'alimentation de leurs systèmes afin de maintenir l'intégrité du système et un retour sur investissement économique. Les spécifications typiques incluent une eau d'alimentation avec < 1,0 NTU (unités de turbidité néphélométrique) et un indice de densité de limon (SDI) < 3,0.

Argonide a testé sa cartouche filtrante plissée électropositive NanoCeram® contre plusieurs préfiltres RO disponibles dans le commerce. Argonide affirme que sa cartouche filtrante NanoCeram présente un avantage significatif dans l'élimination des particules submicroniques par rapport à ces autres cartouches filtrantes disponibles dans le commerce. Sous une charge extrême, NanoCeram donne des valeurs NTU inférieures aux limites détectables et des valeurs SDI comparables aux membranes UF - offrant une protection durable des membranes RO sensibles à l'encrassement prématuré.

Des filtres NanoCeram ont été installés sur un système d'osmose inverse dans une usine de fabrication de moteurs Toyota qui utilise une source d'eau municipale. Avant l'installation des filtres électropositifs, le SDI sur l'eau d'alimentation du système était en moyenne de 4,42. Après l'installation des cartouches filtrantes NanoCeram, les niveaux de SDI étaient en moyenne de 1,19.

Avant l'installation des filtres NanoCeram, Toyota nettoyait ses membranes RO toutes les 1 à 2 semaines et remplaçait ces membranes tous les 2 à 3 mois en raison d'un encrassement prématuré et irréversible des membranes. Après l'installation des cartouches filtrantes NanoCeram et une période initiale de démarrage de deux mois, les membranes ont fonctionné pendant douze mois sans qu'il soit nécessaire de les nettoyer.

Dans cette section, nous nous concentrons sur les technologies innovantes utilisées dans la production de pièces de carrosserie automobile, leur lavage, la préparation de surface et la peinture multicouche ultérieure. Nous examinons le nettoyage au dioxyde de soufre dans la production de moules, la séparation des solides des solutions de préphosphate et une autre application innovante du magnétisme dans la cuisine de peinture pour prolonger la durée de vie des installations existantes de filtres à cartouches et à manches.

La production de panneaux de carrosserie de véhicule nécessite la fabrication de moules en sable spécialisés. Pendant les processus de durcissement des moules en sable, un nettoyage au dioxyde de soufre est nécessaire. Götaverken Miljö a livré un système de nettoyage au dioxyde de soufre à la fonderie de Volvo Powertrain Corporation à Skövde, en Suède (voir Figure 3). Le flux de gaz nécessaire au nettoyage contient de grandes quantités de dioxyde de soufre, à environ 70 g/Nm3. La nécessité de traiter le gaz se pose parce que les moules en sable, utilisés dans le processus de coulée, sont durcis avec du dioxyde de soufre.

Le dioxyde de soufre contaminé est extrait du moule à l'aide d'un système d'extraction par soufflerie. La soufflante pressurise le gaz dans un réacteur où il réagit avec la chaux et forme du gypse. Une petite quantité de dioxyde de soufre se diffuse hors du moule vers l'armoire environnante. Ce gaz est collecté et ventilé vers un épurateur où le dioxyde de soufre est converti en acide sulfurique. Dans une deuxième étape, l'acide sulfurique formé est transformé en gypse.

Le procédé ne libère pas de sulfates dans l'eau et la concentration de dioxyde de soufre rejeté dans l'air est très faible. Le gypse est le seul produit résiduel formé et il peut être réutilisé, par exemple, dans l'industrie du ciment.

L'assemblage de la carrosserie d'un véhicule automobile nécessite plusieurs étapes, dont chacune peut produire des particules de déchets entraînant une contamination au cours des processus de peinture ultérieurs. Le soudage des panneaux de voiture et des montants latéraux sur le châssis du véhicule génère des éclaboussures de soudure, tandis que le meulage de finition contribue à ajouter des fines de meulage et des scories. La saleté présente dans l'atmosphère de l'atelier peut également adhérer aux panneaux. Cette contamination doit être éliminée du véhicule avant la préparation initiale de la surface afin de fournir une surface lisse pour le processus de peinture.

Les systèmes de filtration à cartouche et à sac sont largement utilisés dans les processus de fabrication automobile et dans de nombreuses industries de transformation pour l'élimination des particules grossières et fines. Dans l'industrie automobile, ils sont principalement utilisés dans la préparation de surface et pour la filtration des différentes peintures et revêtements trouvés dans la cuisine de peinture.

La préparation de surface initiale utilise généralement des liquides à base de phosphate. Dans le processus de peinture ultérieur, plusieurs revêtements (généralement cinq couches) sont appliqués pour obtenir l'aspect final. La contamination de la surface métallique avant la première couche de phosphate peut entraîner une tache visible sur le véhicule fini une fois recouvert de cinq couches de revêtements. Alors que des références ont été établies dans l'industrie pour permettre un certain nombre de défauts par panneau de carrosserie, les nombres au-delà des limites acceptables nécessitent une inspection manuelle et une finition à la main, ce qui entraîne des coûts plus élevés et des inefficacités pour les constructeurs automobiles.

Un grand constructeur automobile, basé à Detroit, aux États-Unis, a été confronté à des niveaux inacceptables de défauts de peinture et de taches visibles sur les voitures finies en raison de la sous-performance inadéquate de son système de filtration à manches existant.

Alors que la filtration sur sac utilisée était efficace pour l'élimination des fines de fibres (dans la plage de 150 à 400 μm), elle était inefficace pour l'élimination des autres grands contaminants attribués aux imperfections, tels que les billes de soudure et les fines de meulage. L'utilisation de sacs filtrants plus fins a entraîné des problèmes d'entretien et de coût, tandis que les sacs plus gros ont causé trop de défauts de peinture potentiels. De toute évidence, les filtres à manches étaient inefficaces pour éliminer les billes de soudure et les fines de meulage.

Reconnaissant la nécessité d'éliminer tous les solides présents dans leur opération de lavage corporel pré-phosphate, le constructeur automobile a installé des séparateurs Lakos comme système de prétraitement sur la ligne de recirculation de l'eau de lavage avant les filtres à manches, préfiltrant efficacement pour éliminer les grosses particules telles que les billes de soudure, les fines de meulage et les scories.

L'utilisation des séparateurs pour éliminer ces solides plus lourds permet désormais aux filtres à manches de supporter une charge plus élevée de particules plus petites, en éliminant les fibres et le mastic, en maximisant la durée de vie des sacs filtrants et en augmentant l'efficacité des sacs plus grands au micron. En conséquence, Lakos indique que les défauts de peinture ont été réduits jusqu'à 85 % dans certaines usines automobiles. Le procédé est désormais adopté dans le monde entier pour ce constructeur automobile.

Le préfiltre magnétique Amazon FerroStik est une autre application innovante du magnétisme, également conçue pour prolonger la durée de vie des filtres à manches ainsi que des filtres à cartouche sur les applications de filtration de peinture et de revêtement. Les performances de ces filtres peuvent être considérablement améliorées en les protégeant en amont avec la technologie de préfiltration magnétique et le système FerroStik nettoyable peut augmenter la durée de vie du filtre et améliorer la qualité du filtrat.

Le système d'Amazon comprend quatre tiges magnétiques à haute intensité qui sont suspendues dans un boîtier de sac standard (voir Figure 4). Le filtre magnétique élimine à la fois les grosses et les petites particules ferreuses qui bloqueraient autrement le filtre final ou le traverseraient et resteraient dans le liquide. Une fois encrassés, les aimants peuvent être nettoyés sur place et remis en service.

Les systèmes Amazon FerroStik peuvent être installés de manière permanente ou utilisés comme unités portables avec des tuyaux flexibles. Les systèmes de filtration magnétique peuvent être utilisés en mode passe unique ou dans un système de recirculation pour une élimination maximale des particules. Les principaux avantages identifiés par Amazon incluent une qualité de filtrat améliorée, une meilleure protection des équipements en aval, une durée de vie accrue du filtre et des coûts de fonctionnement réduits.

De nombreux composants sont montés sur les véhicules une fois la construction de base terminée, et une vaste gamme de procédés de filtration et de séparation sont utilisés dans leur fabrication, leur installation et leur fonctionnement. Nous nous concentrons ici sur une technologie innovante qui utilise une technique simple de séparation des gaz et peut être utilisée dans l'atelier et au garage local.

Les systèmes TyreSaver développés par Parker Hannifin ont été spécialement conçus pour gonfler les pneus à l'azote. La technologie peut être installée dans les chaînes de production ou à plus petite échelle pour être utilisée par le personnel d'entretien automobile dans les processus de montage et d'entretien des pneus (voir Figure 5). Parker indique que l'azote sec s'échappe moins rapidement des pneus (trois à quatre fois) que l'air comprimé normal généralement utilisé pour gonfler les pneus, offrant divers avantages, notamment une stabilité à long terme de la pression des pneus, moins de résistance, moins d'usure (jusqu'à 25 %), moins de consommation de carburant (jusqu'à 8 %), moins d'émissions de dioxyde de carbone, de meilleures performances et une sécurité accrue.

Le système de Parker comprend une technologie de membrane pour la séparation des gaz à base de fibres creuses. Le principe de fonctionnement implique un faisceau de milliers de fibres creuses qui permettent à l'oxygène de circuler sélectivement. Un module membranaire est constitué d'un faisceau de fibres fixé aux deux extrémités dans un tube. L'air comprimé entrant dans ce module à membrane contient des proportions atmosphériques normales de gaz, constitués principalement d'oxygène et d'azote, avec des ajouts mineurs d'autres gaz tels que la vapeur d'eau, l'hélium et les gaz traces. En plus de l'oxygène, la vapeur d'eau, l'hélium et l'oxygène traversent sélectivement la paroi de la membrane, laissant derrière eux principalement de l'azote pour gonfler le pneu.

Nous avons vu qu'un certain nombre de technologies de filtration utilisées ont été modernisées pour améliorer le fonctionnement d'équipements sous-performants existants. Cela a fourni aux constructeurs automobiles des solutions rentables impliquant l'installation d'équipements de prétraitement avancés comprenant des séparateurs, des filtres magnétiques et un prétraitement OI électropositif. Cela a entraîné des économies de coûts ainsi que des avantages environnementaux découlant de l'utilisation réduite de composants de filtration consommables.

Alors que nous commençons à nous éloigner du moteur à combustion interne, les spécifications sur l'élimination des particules dans la production et le fonctionnement du moteur deviendront plus strictes, ce qui augmentera le besoin d'une utilisation généralisée des technologies de prétraitement sur les lignes de production existantes. Le développement prévu des systèmes électroniques dans les véhicules, l'utilisation de moteurs électriques et de piles à combustible, ainsi que l'introduction de moteurs HCCI et de techniques de recirculation des gaz d'échappement, sont autant de facteurs qui exigeront à moyen terme des produits de filtration supérieurs avec des spécifications d'élimination élevées. Cela devrait stimuler le développement de la technologie de nano-revêtement et accélérer la tendance actuelle vers des solutions de filtration plus compactes et intégrées.