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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 :
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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 ;
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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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Catalyse DeNOx
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3. Filtre à particules (FAP®)
3.1 Filtration des particules : pourquoi, comment ?
Les émissions particulaires constituent un problème de santé publique avéré, elles sont associées à une image ancienne et persistante du moteur Diesel : fumées, bruit, odeurs... Les technologies moteur sont arrivées à leurs limites et les progrès résiduels ne permettront pas de les annihiler à la source, ni de satisfaire les normes EURO 5 et 6 très sévères. Ainsi, le filtre à particules est devenu indispensable pour assurer la pérennité du moteur Diesel qui reste le mieux placé vis-à-vis du rendement et donc des émissions de CO2 .
Les particules se forment dans la chambre de combustion dans les zones localement riches en carburant. Leur structure est invariablement un agglomérat d'une centaine de particules primaires de carbone amorphe (d ≈ 30 nm) qui se sont agglomérées en îlots à la surface desquels sont adsorbés des hydrocarbures lourds en présence des métaux d'usure oxydés (principalement le fer), d'eau et de sulfate. La taille moyenne de ces agglomérats avoisine les 400 nm (cf. figure 14).
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La séparation physique des particules solides du flux gazeux peut être réalisée de deux façons différentes :
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Par impact sur les parois d'un système ouvert permettant d'atteindre des niveaux d'efficacité de filtration inférieurs à 60 % en masse. La structure en nid-d'abeilles est composée alternativement de fibres et de cellules en acier inoxydable jouant le rôle « d'impacteur » pour les particules (figure 15) . La surface de ce filtre est imprégnée d'une phase catalytique à base de platine qui permet la combustion des suies lorsque les conditions de température le permettent. Ce « filtre » permet également le traitement d'une partie du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures (HC) contenus dans les gaz d'échappement.
Ce type d'impacteur ouvert ne se colmatera jamais mais laissera s'échapper régulièrement des bouffées de particules. Cette solution sera rapidement écartée...
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Filtre à particules (FAP®)
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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