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RÉSUMÉ
Dans le domaine des transports et plus précisément celui de l’automobile, l'énergie mécanique reste essentiellement produite par des moteurs à combustion interne. Ces dernières années, la technologie des processus de combustion a grandement évolué, les spécifications des carburants également. Pour autant, outre le dioxyde de carbone, l’eau, l’azote et l’oxygène, un grand nombre de polluants réglementés sont encore retrouvés à l’échappement des véhicules. La reconnaissance des effets nocifs sur la santé des émissions gazeuses et particulaires a conduit à une réglementation au niveau mondial, et à l’utilisation de dispositifs de post-traitement, comme les catalyseurs et les filtres. Dans l’objectif de réduction des molécules polluantes au sein des mécanismes catalytiques, le rôle de la chimie apparaît fondamental. Dans le cas des moteurs à allumage commandé, les gaz résiduels renferment autant d'espèces oxydantes que d'espèces réductrices. Le post-traitement se fait alors, avec un très bon rendement, sur un catalyseur dit trois-voies.
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Within the domain of transports and more specifically the automobile sector, mechanical energy is mainly produced by internal combustion engines. Over the last few years, combustion process technology has massively evolved as well as fuel specifications. However, aside of carbon dioxide, water, nitrogen and oxygen, a significant number of pollutants are still to be found in vehicles exhausts. Acknowledgment of the harmful effects on health induced by gaseous and particulate emissions has led to global regulation and the usage of after-treatment devices such as catalysts and filters. The role of chemistry is essential in reducing the amount of polluting molecules within catalytic mechanisms . In the case of positive-ignition engines, residual gases contain as many oxidant species as reducing ones. Post-treatment can thus be successfully carried out by means of a three-way catalyst.
Auteur(s)
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Alain SASSI : Docteur en chimie - Responsable du service Chimie des systèmes de dépollution chez PSA Peugeot Citroën
-
Emmanuel ROHART : Docteur-Ingénieur Chimiste - Responsable du développement des matériaux pour la catalyse automobile, Rhodia Rare Earths Systems
-
Gérard BELOT : Docteur ès Sciences physiques - Consultant indépendant en technique automobile, spécialités Énergies, Combustion, Émissions
INTRODUCTION
Les sources anthropiques de polluants atmosphériques sont pour l'essentiel : les transports, la production d'énergie, l'industrie, le résidentiel, l'agriculture...
Dans le cas des transports et plus précisément automobile, l'énergie mécanique est produite par des moteurs à combustion interne (essence et Diesel) pour lesquels les processus de combustion, bien que constamment optimisés, restent incomplets.
Ainsi, à partir d'un mélange air-carburant à l'admission, on retrouve à l'échappement, outre le dioxyde de carbone, l'eau, l'azote, l'oxygène, et de la chaleur, les polluants réglementés que sont les hydrocarbures (carburant imbrûlé ou partiellement transformé), le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d'azote (NOx = NO + NO2), les particules (PM = Particulate Matter) et des polluants non réglementés comme le dioxyde d'azote NO2 , le protoxyde d'azote (N2O), les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), le dioxyde de soufre (SO2), les aldéhydes (réglementés aux États-Unis), les cétones...
La reconnaissance des effets nocifs des émissions gazeuses et particulaires sur la santé, a conduit à la mise en place de réglementations (voir [BM 2 506] et [BM 2 507] « Émissions polluantes des moteurs thermiques » par Anne Jaecker-Voirol) limitant ces émissions à des niveaux qui ont imposé l'utilisation de systèmes de post-traitement des émissions automobiles.
L'histoire du post-traitement est jalonnée d'événements clés qui ont souvent précédé les réglementations au niveau mondial :
– aux États-Unis :1975, catalyse d'oxydation pour les véhicules essence ;
1981, catalyse 3-voies pour les véhicules essence ;
– au Japon :1980, catalyse 3-voies pour les véhicules essence ;
1985, catalyse DeNOx pour les véhicules essence mélange pauvre ;
– en Europe :1992, catalyse 3-voies pour les véhicules essence ;
1995, catalyse d'oxydation pour les véhicules Diesel ;
2000, filtre à particules avec additif carburant pour les véhicules Diesel ;
2003, filtre catalysé pour les véhicules Diesel.
Ces dispositifs de post-traitement des émissions gazeuses et particulaires des moteurs thermiques sont décrits conceptuellement et fonctionnellement dans cet article et le suivant [BM 2 509].
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Post-traitement des émissions polluantes : notions techniques sur la catalyse automobile1. Typologie des émissions à l'échappement selon les technologies des moteurs
Les moteurs thermiques à combustion interne sont des convertisseurs énergétiques qui extraient de l'énergie mécanique d'une source de chaleur issue de la combustion d'un carburant hydrocarboné.
La combustion est organisée et se déroule selon des processus contrôlés au mieux de ce que permettent les technologies.
Les composés issus de la combustion sont essentiellement de l'eau et du dioxyde de carbone mais, quel que soit le degré de sophistication des technologies de combustion, celle-ci reste perfectible et ces composés majoritaires sont accompagnés de monoxyde de carbone (CO), d'hydrocarbures imbrûlés (HC), d'oxydes d'azote (NOx) et de matière particulaire (PM) qui constituent les polluants réglementés.
Les moteurs à combustion interne se distinguent selon deux types qui diffèrent par le mode d'allumage de la charge combustible et par la nature du carburant utilisé :
-
allumage commandé par étincelle électrique, carburant essence ;
-
allumage par compression (Diesel), carburant gazole.
Les émissions « brutes », c'est-à-dire en sortie de la chambre de combustion, de ces deux types de moteur diffèrent en nature et concentration du fait de modes de combustion distincts et de carburants différents.
Les températures en sortie de chambre de combustion sont également différentes, impliquant des conditions spécifiques de post-traitement par catalyse.
Le tableau 1 et la figure 1 rassemblent respectivement les données d'émissions à la source et de températures pour chaque type de motorisation ; afin d'être représentatives et comparables, ces valeurs ont été mesurées de la même manière, sur un véhicule « moyen » dans les conditions d'essais réglementaires selon la procédure européenne (cycle MVEG – Motor Vehicle Emissions Group ).
Dans des conditions hors cycle, les températures peuvent varier entre 200 et 900 oC, et 100 et 550 oC, respectivement pour les moteurs essence et Diesel.
Les dispositifs de post-traitement des moteurs à combustion interne (catalyseurs, filtres...), ainsi que leur positionnement au sein de l'architecture de la ligne d'échappement seront largement tributaires de ces profils de température.
Au cours de la décennie écoulée, les technologies des moteurs à combustion interne ont considérablement...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MAJEWSKI (W.A.), KHAIR (M.K.) - Emission control catalysts. - Diesel emissions and their control, chapitre 18, SAE International, p. 367 (2006).
-
(2) - Advanced ceramic substrates : catalytic performance by high geometric surface area and low heat capacity. - SAE paper 1997-1029.
-
(3) - Study of ceramic catalyst optimization for emission purification efficiency. - SAE paper 1994-0784.
-
(4) - Impact of ultra thinwall catalyst substrates for Tier 2 emission standards. - SAE paper 2003-01-0658.
-
(5) - Ultra thinwall substrates – Trends for performance in FTP and US 06 tests. - SAE paper 2002-01-0356.
-
(6) - Next generation catalysts are turbulent : development of support and coating. - SAE paper 2004-01-148.
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ANNEXES
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