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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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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 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 ;
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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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Conclusion générale
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4. Catalyse DeNOx
4.1 Introduction
L'élimination catalytique des oxydes d'azote émis par les moteurs Diesel ou les moteurs essence fonctionnant en mélange pauvre est imposée par la réglementation notamment aux États-Unis à partir de 2010 et en Europe dès 2014. Elle constitue un véritable défi technique pour les chercheurs puisque la fenêtre de richesse de ces moteurs est défavorable aux réactions de réduction des NOx (le milieu étant globalement très oxydant) (figure 27).
L'aspect réglementaire n'est pas le seul à être pris en compte dans la stratégie de réduction des NOx. Parallèlement, les objectifs de réduction de la consommation (et donc des émissions de CO2) constituent depuis peu une priorité pour les constructeurs. Ces objectifs peuvent être en partie atteints grâce à un réglage de la combustion favorisant les émissions de NOx (tout en diminuant les émissions de CO2) à la condition unique de disposer d'un système de post-traitement catalytique performant vis-à-vis des NOx (figure 28) . En adoptant cette stratégie, le catalyseur DeNOx devient un « outil » pour répondre aux exigences réglementaires et pour diminuer la consommation des véhicules.
Il existe quatre technologies majeures de réduction des NOx :
-
la décomposition catalytique du NO ;
-
le stockage des NOx (NOx-trap catalysts ) ;
-
la réduction sélective des NOx en présence d'hydrocarbures (HC-DeNOx) (tableau 2) ;
-
la réduction sélective des NOx par l'urée (SCR-urée).
Les deux premières technologies citées ont fait l'objet de nombreuses études principalement d'ordre académique. Les niveaux de performance atteints par les technologies HC-DeNOx sont relativement faibles (inférieurs très souvent à 60 % (figure 29) ...
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Catalyse DeNOx
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.
-
(3) - COOPER (B.J.), THOSS (J.E.) - Role of NO in Diesel particulate emission control. - SAE 890404.
-
(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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