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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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Lire l’articleAuteur(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 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 pour moteurs à allumage commandé : catalyse trois voies
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2. Post-traitement des émissions polluantes : notions techniques sur la catalyse automobile
Les paragraphes qui suivent visent à informer le lecteur sur les différentes stratégies de post-traitement catalytique existantes ou en développement. Le rôle fondamental occupé par la chimie sera illustré au travers des mécanismes catalytiques mis en jeu dans les schémas de réduction des molécules polluantes ainsi que dans la formulation chimique des catalyseurs ; cet aspect « organique » du post-traitement fait l'objet d'un développement approfondi au meilleur niveau des technologies matériaux les plus avancées. L'analyse fonctionnelle proposée en préambule de chaque technologie catalytique vise à illustrer le lien entre besoins d'application et nature chimique des matériaux utilisés.
2.1 Notion de chaîne de valeur
En 2009, environ 90 % du marché des catalyseurs automobiles proprement dit sont contrôlés par trois compagnies – Johnson Matthey, BASF et Umicore. Ces sociétés maîtrisent la formulation des catalyseurs, leur design, leur production et leur commercialisation. Elles sont les interlocuteurs directs des constructeurs automobiles. Leurs principaux fournisseurs sont :
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des céramistes pour la fourniture des substrats (Corning, NGK, Ibiden) ;
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des chimistes de spécialité pour la fourniture :
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des oxydes minéraux (Rhodia, MEL Chemicals, Daichi Kigenso, Sasol, Zeolyst, Tosoh),
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des sels de métaux précieux (Johnson Matthey, Heraeus, BASF),
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des additifs chimiques (BASF, Bayer, Rhodia).
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La mise en boîte (canning ) des substrats catalytiques est confiée aux concepteurs de lignes d'échappement – Faurecia, Arvin Meritor, Tenneco, Bosal. L'expertise de ces derniers repose sur l'optimisation de la géométrie de la ligne d'échappement (pour favoriser les transferts thermiques et massiques par exemple) et sur le contrôle des phénomènes acoustiques, vibratoires (pour éviter les risques de casse des substrats) et de contre-pression .
Dernier maillon de la chaîne, le constructeur automobile aura à charge de définir un système de dépollution respectant le meilleur compromis entre la norme...
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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).
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(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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