Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Le post-traitement des composés polluants des moteurs thermiques se différencie suivant le type de combustion. Le cas des moteurs à allumage par compression fait appel à des dispositifs spécifiques. En effet, à l’inverse des moteurs à allumage commandé, les émissions polluantes ne peuvent être traitées simultanément, de par l’écart important à la stœchiométrie et la forte hétérogénéité entre les polluants gazeux et solides. Les dispositifs des moteurs à allumage par compression imposent donc le traitement des hydrocarbures imbrûlés et du monoxyde de carbone, la réduction des oxydes d’azote et la filtration des particules solides. Au final, tout élément de post-traitement doit s’intégrer dans un système complexe, sans dégrader les performances du moteur thermique, tout en présentant une bonne durabilité et un coût attractif.
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The post-treatment of polluting components of combustion engines varies according to combustion types. Compression ignition engines involve specific devices. Indeed, unlike in the case of positive-ignition engines, polluting emissions cannot be treated simultaneously due to significant stoichiometry variance and heterogeneity between gaseous and solid pollutants. The devices of compression ignition engines must treat unburnt hydrocarbons and carbon monoxide, reduce nitrogen oxides emissions and filter solid particles. Each post-treatment device must be integrated within a complex system without impairing the performances of combustion engines and present satisfactory sustainability and an attractive cost.
Auteur(s)
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Alain SASSI : Docteur en chimie - Responsable du service « Chimie des systèmes de dépollution » chez PSA Peugeot Citroën
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Emmanuel ROHART : Docteur-Ingénieur Chimiste - Responsable du développement des matériaux pour la catalyse automobile, Rhodia Rare Earths Systems
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Gérard BELOT : Docteur ès Sciences physiques - Consultant indépendant en technique automobile, spécialités Énergies, Combustion, Émissions
INTRODUCTION
Les moteurs à allumage commandé reposent sur un processus de combustion homogène selon lequel les quantités d'air et de carburant (essence) mises en jeu sont proches de la stœchiométrie oxydoréductrice, dans la plupart des conditions de fonctionnement du moteur. Il en résulte que, à l'issue de la combustion, les gaz résiduels sont proches de l'équilibre oxydoréducteur, renfermant autant d'espèces oxydantes (oxygène et oxydes d'azote) que d'espèces réductrices (hydrocarbures et monoxyde de carbone).
Le post-traitement de ces composés gazeux est décrit dans l'article [BM 2 508] ; il a lieu sur un catalyseur dit trois-voies qui permet la conversion simultanée des espèces oxydantes et réductrices avec un excellent rendement (cf. figure 13 de [BM 2 508] pour illustration).
Dans le cas des moteurs à allumage par compression (Diesel), le processus de combustion du carburant (gazole) est hétérogène et se déroule en excès d'air ; dans de telles conditions, outre les polluants gazeux que sont les hydrocarbures imbrûlés, le monoxyde de carbone et les oxydes d'azote, se forment des particules carbonées solides, inhérentes à l'hétérogénéité de la combustion ; celles-ci présentent également un caractère polluant. De plus, l'excès d'air admis dans la chambre de combustion se traduit par la présence d'oxygène en quantité significative à l'échappement. Dans de telles conditions, les émissions polluantes ne pourront être traitées simultanément (écart important à la stœchiométrie des gaz) et hétérogénéité des polluants (gazeux et solides) à traiter.
Ainsi, le post-traitement des émissions polluantes des moteurs à allumage par compression fera appel à des systèmes spécifiques complémentaires dédiés :
-
catalyseur d'oxydation pour traiter les hydrocarbures imbrûlés et le monoxyde de carbone ;
-
catalyseurs DeNOx pour réduire les oxydes d'azote en présence d'oxygène ;
-
filtres pour éliminer les particules solides.
Ces dispositifs sont décrits en détail sous les aspects organique et fonctionnel dans cet article qui est la suite du [BM 2 508].
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5. Conclusion générale
Chaque constructeur ayant des cibles clientèle, des choix de conception véhicule et une stratégie industrielle propre, la solution optimale unique de post-traitement applicable à tous les véhicules n'est pas réaliste. On a donc vu l'émergence de différentes configurations de systèmes de dépollution en fonction des constructeurs et des gammes ciblées.
La dernière étape du processus de conception d'un système de dépollution réside dans l'identification des possibilités de compacter le dispositif pour créer des systèmes multifonction permettant d'en maîtriser la taille et l'encombrement (et si possible le coût).
Une fois la qualité des carburants et lubrifiants ajustée, la qualité du post-traitement catalytique repose sur le design du catalyseur et, plus précisément sa formulation. La démarche de « design catalytique» est complexe et multiple. Comme il n'existe pas un seul type de motorisation, il n'existe évidemment pas un seul type de catalyseur. La réponse à la dépollution d'un modèle donné est une savante combinaison des critères propres à chaque constructeur.
Il est à prévoir que des composés indésirables, aujourd'hui non réglementés comme le dioxyde d'azote NO2 , le protoxyde d'azote N2O, l'ammoniac NH3 , certains composés aldéhydiques, fassent l'objet de limitations lors d'une future étape de réglementation européenne Euro 7, échéance 2018/2019 ou 2019/2020 en conjonction avec la seconde étape CO2 (95 g/km).
L'évolution remarquable des performances des moteurs à combustion interne ces dix dernières années est liée à une meilleure maîtrise de la combustion résultant des progrès des systèmes d'injection (hautes pressions...) en combinaison avec le contrôle précis des gaz à l'admission.
Les émissions automobiles sont maîtrisées par la synergie combustion moteur et système de post-traitement, grâce à la flexibilité du système d'injection qui permet une gestion pointue de la température et de la composition des gaz d'échappement, clé du management du post-traitement.
Tout élément de post-traitement doit s'intégrer dans un système complet et complexe et ne pas dégrader les performances, et, notamment la consommation.
L'enjeu des systèmes de post-traitement n'est plus seulement la performance à neuf mais sa durabilité et son coût.
En effet,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HARAMAYA et coll - Effects of sulfate adsorption on performance of Diesel oxidation catalyst. - SAE Paper 920852.
-
(2) - LAMBS (J.L.) et coll - The influence of Diesel oxidation catalysis on NO2 in Diesel exhaust. - SAE 032494.
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(3) - COOPER (B.J.), THOSS (J.E.) - Role of NO in Diesel particulate emission control. - SAE 890404.
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(4) - MAUNULLA (T.) et coll - Particle oxidation catalyst for heavy duty Diesel engines. - Autotechnology, p. 57, mai 2002.
-
(5) - BRUECK (R.) et coll - Metal supported flow-through particulate trap a non blocking solution. - SAE 2001-01-1950.
-
(6) - FARRAUTO (R.J.) et coll - Ceria-alumina oxidation catalyst. - US patent 5627124 (1997).
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