Pollution Atmospherique( Post-traitement)

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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique B 2 711 1 Pollution atmosphérique Post-traitements par Paul DEGOBERT Ingénieur de l’École Nationale Supérieure du Pétrole et des Moteurs et de l’École Nationale Supérieure de Chimie de Lille Ancien Ingénieur à l’Institut Français du Pétrole e but des post-traitements est d’amener l’ensemble chimique présent dans le système d’échappement à une composition la plus proche possible d’un mélange de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone, dans la mesure où ce dernier était considéré comme non polluant avant l’apparition des problèmes d’effet de serre. On traitera donc successivement des réacteurs d’oxydation, puis des réac- teurs multifonctionnels appliqués aux gaz d’échappement des moteurs à allu- mage commandé ; les catalyseurs d’oxydation installés sur moteurs Diesel seront ensuite décrits avant de considérer la question des filtres à particules Diesel et les problèmes posés par la combustion de la suie qui y est piégée. L’ensemble Pollution atmosphérique se décompose en trois chapitres : Origine et réduction des émissions au niveau moteur Post-traitements Réglementations des véhicules automobiles. Pour plus d’information, le lecteur se reportera utilement à l’ouvrage du même auteur Automobile et pollution [1], duquel ce texte est issu. 1. Composition des gaz d’échappement avant traitement ............... B 2 711 - 2 2. Rappel historique : réacteurs thermiques......................................... 2 3. Mécanismes catalytiques ...................................................................... 2 4. Constitution des catalyseurs ................................................................ 4 4.1 Supports de catalyseurs.............................................................................. 4 4.2 Espèces actives ............................................................................................ 6 4.3 Élaboration des catalyseurs ........................................................................ 6 4.4 Empoisonnement des catalyseurs ............................................................. 7 5. Amorçage des catalyseurs .................................................................... 7 6. Usure des catalyseurs............................................................................. 9 7. Effet des catalyseurs sur les polluants non réglementés ............ 10 8. Catalyseurs d’oxydation ........................................................................ 11 9. Filtres Diesel.............................................................................................. 12 9.1 Pièges ........................................................................................................... 12 9.2 Régénération des filtres .............................................................................. 13 9.3 Filtres Diesel : les problèmes en suspens.................................................. 15 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. B 2 714 L
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    - 19

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    Pollution atmosphrique

    Post-traitementspar Paul DEGOBERT

    Ingnieur de lcole Nationale Suprieure du Ptrole et des Moteurset de lcole Nationale Suprieure de Chimie de LilleAncien Ingnieur lInstitut Franais du Ptrole

    1. Composition des gaz dchappement avant traitement ............... B 2 711 - 2

    2. Rappel historique : racteurs thermiques......................................... 2

    3. Mcanismes catalytiques ...................................................................... 2utorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique B 2 711 1

    e but des post-traitements est damener lensemble chimique prsent dansle systme dchappement une composition la plus proche possible dun

    mlange de vapeur deau et de dioxyde de carbone, dans la mesure o cedernier tait considr comme non polluant avant lapparition des problmesdeffet de serre.

    On traitera donc successivement des racteurs doxydation, puis des rac-teurs multifonctionnels appliqus aux gaz dchappement des moteurs allu-mage command ; les catalyseurs doxydation installs sur moteurs Dieselseront ensuite dcrits avant de considrer la question des filtres particulesDiesel et les problmes poss par la combustion de la suie qui y est pige.

    Lensemble Pollution atmosphrique se dcompose en trois chapitres :Origine et rduction des missions au niveau moteurPost-traitementsRglementations des vhicules automobiles.

    Pour plus dinformation, le lecteur se reportera utilement louvrage dumme auteur Automobile et pollution [1], duquel ce texte est issu.

    4. Constitution des catalyseurs................................................................ 44.1 Supports de catalyseurs.............................................................................. 44.2 Espces actives ............................................................................................ 64.3 laboration des catalyseurs........................................................................ 64.4 Empoisonnement des catalyseurs ............................................................. 7

    5. Amorage des catalyseurs .................................................................... 7

    6. Usure des catalyseurs............................................................................. 9

    7. Effet des catalyseurs sur les polluants non rglements ............ 10

    8. Catalyseurs doxydation ........................................................................ 11

    9. Filtres Diesel.............................................................................................. 129.1 Piges ........................................................................................................... 129.2 Rgnration des filtres .............................................................................. 139.3 Filtres Diesel : les problmes en suspens.................................................. 15

    Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. B 2 714

    L

  • POLLUTION ATMOSPHRIQUE ____________________________________________________________________________________________________________

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    1. Composition des gaz dchappementavant traitement

    Un gaz dchappement de moteur allumage command est unmlange relativement complexe qui contient les trois catgoriessuivantes de composs :

    des composs chimiques oxydants : loxygne (0,2 2 % envolume) et des oxydes dazote : NO (0,01 0,4 %), N2O (< 100 ppm) ;

    des composs chimiques rducteurs : le monoxyde de carbone(0,1 6 %), lhydrogne (0,5 2 %) et les hydrocarbures imbrls(0,5 1 %), catgorie incorporant les hydrocarbures proprement ditset leurs produits doxydation partielle (aldhydes, etc.) ;

    dautres composs : lazote (70 75 %), la vapeur deau (10 12 %), le dioxyde de carbone (10 13,5 %), le dioxyde de soufre (15 60 ppm) et des traces dautres composs en gnral additifs descarburants et des lubrifiants, pouvant dsactiver les catalyseurs(plomb, phosphore, zinc, etc.).

    Les valeurs relles prcdentes diffrent notablement des valeursthermodynamiquement [B 2 710]. Par consquent,possibles entre les constiturduire notablement les conles compositions lquilib

    2. Rappel hiracteurs

    Ces racteurs ont t urglements anti-pollution.

    Le monoxyde de carbondans la chambre de combutielle pendant les temps decherch prolonger cet effpar ladjonction lchconstitu dun collecteur dsions, directement attachmlange rapide des gaz secondaire inject (en cas damliore lhomognit composition, et accrot sonplus avant le CO et les HC

    Le niveau de tempratuHC et du CO (600 et 700 lev que celui ncessaireniveau de temprature nede fonctionnement du mconu de faon minimistemps de sjour ; en outrethermique pour bnficier dmarrage. Pour ce faire, uchemisage en tle fine dafonte calorifug permet dissoupapes dchappement (

    Linconvnient majeur mlanges riches tient lapar des augmentations pacarburant (de 15 25 %).plus basses atteintes nuiseappliqu parfois pour accro son tour aux performancaux racteurs thermiqueconsommation accrue paraction nulle sur le nivea reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    accessibles lquilibre (tableau en lacclration catalytique des ractionsants de lchappement doit permettre decentrations de polluants, en tendant vers

    re.

    storique : thermiquestiliss lors de la parution des premiers

    e et les hydrocarbures imbrls formsstion subissent dj une oxydation par- dtente et dchappement. On a doncet doxydation des polluants rducteursappement dun racteur thermique,chappement de plus grandes dimen- sur la culasse. Ce racteur assure undchappement chauds avec de laire fonctionnement en mlange riche) ; il

    du mlange en temprature et en temps de sjour chaud, pour oxyder

    quittant la chambre de combustion.

    re minimal requis pour loxydation desoC respectivement) est nettement plus la conversion catalytique. Comme cest pas atteint dans toutes les conditionsoteur, le racteur thermique doit treer les pertes thermiques et accrotre le, il lui faut prsenter une faible inertie

    dune rapide mise en temprature aprsn montage concentrique enfermant un

    cier rfractaire au sein dun cylindre enoler thermiquement les gaz en aval desfigure 1).du racteur thermique appliqu auxccroissement de richesse qui se traduitrfois prohibitives de consommation de En mlange pauvre, les tempraturesnt son efficacit ; le retard lallumagetre la temprature dchappement nuites du moteur. Les difficults inhrentess (complexit, rendement insuffisant, le fonctionnement en mlange riche,u des NOx ) les ont fait totalement

    abandonner au profit des systmes catalytiques, tant donn queleur seul avantage spcifique, celui dadmettre sans problme lescarburants plombs, disparat avec lavnement gnralis des car-burants sans plomb.

    3. Mcanismes catalytiques Mcanisme doxydation du CO

    En prsence dun excs doxygne dans le gaz dchappement,un catalyseur doxydation permet de raliser la raction globale :

    CO + 1/2 O2 CO2

    Sur mtaux prcieux (Pt ou Pd), la vitesse doxydation du CO enconditions stationnaires passe par un maximum vers 230 oC. Surrhodium, au-dessus de 280 oC, loxygne chimisorb a une actioninhibitrice sur loxydation du CO en CO2 .

    Mcanisme doxydation des hydrocarburesEn prsence doxygne excdentaire et dun catalyseur

    doxydation, on ralise la raction globale suivante :

    Mcanisme de rduction des oxydes dazoteSauf aux trs hautes tempratures, la molcule de NO est

    thermodynamiquement instable. Elle devrait donc thoriquementpouvoir tre dcompose en azote et en oxygne molculairedaprs la raction :

    Cette raction exothermique est cependant trs difficile raliseraussi bien thermiquement quen prsence dun catalyseur. Un cata-lyseur efficace, capable de rduire le NO en prsence doxygne(cas des chappements Diesel) reste toujours dcouvrir.

    Les rducteurs envisags peuvent tre les espces prsentes danslchappement ct du NO : CO, H2 ou les hydrocarbures imbrls.

    Figure 1 Schma dun racteur thermiquepour loxydation de CO et HC

    Cx Hy x y4---+ O 2 + x CO 2 y 2 --- H 2 O +

    NO 12---

    N 2 12

    --- O 2 +

  • ___________________________________________________________________________________________________________ POLLUTION ATMOSPHRIQUE

    Toute reproduction sans a

    Pour loxydation des rducteurs chimiquecomptition entre loxygne issu de la dloxygne molculaire prsent dans le gaz dla pression partielle de loxygne molculaila pression partielle du NO prsent, la vitesNO devient trs faible (figure 2). Cest la railes catalyseurs actuellement connus, il nesner le NO des gaz dchappement de moteexcs dair (moteurs allumage commandmoteurs Diesel) ; en effet, le rapport air/camoteur Diesel, mme pleine charge, exc

    Par contre, en mlange riche, quand lessont en grand excs, lazote atomique provedu NO peut subir une rduction plus poussractions implique la formation dammonia

    Double catalyseDans le cas o il subsiste un excs de rd

    parasite dammoniac, il est ncessaire de prsrie. Le premier ralise la rduction du NOou moins importante de NH3) ; le mlange second racteur doxydation qui limine le Cpar oxydation. Pour obtenir ces conditions odair additionnelle entre les deux racte(figure 3). Ce systme est utilis sur des gallumage command.

    Cette technique dpuration par double cadant des inconvnients : pour rduire le NOil faut que le moteur soit rgl riche, ce qui amaccrue du moteur. En outre, lammoniac formpeut, ct de son oxydation souhaite en aune oxydation plus pousse sur le second ltat initial de NO. La proportion dammdpend du type de catalyseur, de la temprpartielle doxygne.

    Catalyse trois-voiesLes inconvnients prcits de la doub

    abandonner sur moteurs de faible cylindre3-voies qui, comme son nom lindique, lim3 polluants rglements CO, HC et NOx .

    Lorsque le mlange air-carburant alimentatenu strictement la stchiomtrie, il ny a NO et O2 pour loxydation du monoxyde de cet des hydrocarbures imbrls ; il nexiste enrelatif de lune ou lautre de ces deux catgcatalyseur appropri, appel catalyseur 3-vomination quasi-complte des trois polluants

    Figure 2 Effet de la teneur en O2 des gaz traitssur le taux de conversion de CO et NO, et sur la formation de NH3

    Figure 3 puration des gaz dchappement par double catalyse

    utorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    B 2 711

    3

    s CO, HC et H

    2

    , il y aissociation du NO etchappement ; lorsquere excde notablementse dlimination de ce

    son pour laquelle, avect pas possible dlimi-urs aliments avec un mlange pauvre etrburant atteint sur unde toujours 1,2.

    rducteurs chimiquesnant de la dissociatione ; la principale de ces

    c.

    ucteurs avec formationvoir deux racteurs en (avec production plus

    passe ensuite dans unO et les hydrocarburesxydantes, une injectionurs est indispensable

    ros moteurs marins

    talyse prsente cepen- dans le premier tage,

    ne une consommation dans le premier tagezote molculaire, subircatalyseur le ramenantoniac roxyd en NO

    ature et de la pression

    le catalyse lont fait au profit de la catalyse ine simultanment les

    nt le moteur est main-plus comptition entre

    arbone, de lhydrogne effet plus aucun excs

    ories de composs. Un

    ies

    , permet alors lli-.

    Lorsque, ladmission du moteur, le rglage nest plus parfai-tement stchiomtrique, lefficacit (ou taux de conversion) ducatalyseur diminue (figure

    4

    ) : en cas dappauvrissement (excs dair), le rendement dli-

    mination de NO diminue ; en cas denrichissement (excs de carburant), cest lefficacit

    pour loxydation du CO et des HC qui dcrot.

    En mlange riche, une fois tout loxygne et le NO disponiblesconsomms, llimination du CO et des HC peut encore se pour-suivre grce au rformage par la vapeur deau prsente :

    CO + H

    2

    O

    H

    2

    + CO

    2

    Hydrocarbures + H

    2

    O

    CO + CO

    2

    + H

    2

    Ltroitesse de la

    fentre

    (figure

    4

    ) dans laquelle le catalyseur3-voies fonctionne correctement ncessite une rgulation et uncontrle permanents de la richesse ladmission par un systmeen boucle ferme, hors de porte des capacits de contrle dun car-burateur ordinaire. Le dlai de rponse du systme de rgulationde richesse en boucle ferme en fonction des acclrations etdclrations amne des oscillations autour de la richesse 1, valeurde consigne. La frquence des pulsations varie entre 0,5 et 5 Hzautour de la valeur de consigne, avec une amplitude telle que larichesse soit maintenue entre 0,93 et 1,07 ( 0,07).

    Un accroissement de lamplitude des pulsations se traduit par unechute de lefficacit maximale correspondant au point de croisementdes courbes relatives au NO et au CO et HC. Le contrle de la st-chiomtrie du mlange carbur est assur de faon permanente enboucle ferme par lintermdiaire dune sonde oxygne (figure 8,

    Figure 4 volution des taux de conversion des polluantsen fonction des variations de richesse autour de la stchiomtrie

  • POLLUTION ATMOSPHRIQUE ____________________________________________________________________________________________________________

    TouteB 2 711 4

    [B 2 710]), dite sonde (pile de concentration en oxygne lec-trolyte solide) ; cette sonde est associe une alimentation parinjection car, malgr des tentatives pour raliser des carburateurscomplexes et fragiles avec boucle de rtroaction, les carburateursse sont rvls incapables dassurer, un prix comptitif, une fiabilitsuffisante dans le dosage du mlange carbur *. Le signal engendrdans la sonde par les carts la stchiomtrie pilote le dosage dumlange air-carburant pour le ramener la valeur stchiomtrique.

    * La solution carburateur peut toutefois tre conserve dans le cas dune rgulationboucle ouverte (sans sonde ), amenant une moindre efficacit dans llimination du COet du NO, si les limites admises le permettent.

    Les pots doxydation 3-voies peuvent entraner des augmen-tations de consommation de quelques pourcents, notamment faible vitesse, par suite desur les vhicules europendes pots catalytiques doxyplus pauvres, les rpercusCertains additifs incorporsles performances en rgimen soxydant de faon rapoxydo-rducteurs : loxygnniveau de valence suprieuimbrls dans les priodes

    4. ConstitutiPar rapport aux catalyseu

    chimique et ptrochimiquautomobile se distinguent composition de la phase a

    4.1 Supports de c

    Comme lactivit catalytiqde surface, pour tirer le medont les quantits utilises dde mtaux prcieux), il fautsant les contacts possibles evitent les frittages, causes les qualits gomtriques automobile.

    Le support doit permetdchappement sans provcontrepression lchappmoteur. Il doit en plus offrtristiques poreuses condispersion * de la phase asuffisamment rapide ; unedistribution bimodale desdiffusion des ractifs gazeucatalytiques (fraction macret fraction microporeuse a

    * Fraction de la masse despce

    Les proprits mcaniqulcrasement et lattritioncatalyseurs particulaires. Lchocs thermiques entrafonctionnement des moteuque permet de rpondre raseur lors des dmarrages.

    Selon la svrit des normes satisfaire, on rencontrera doncdes

    pots doxydation

    nliminant que le CO et les HC utilissessentiellement sur moteur Diesel et des

    pots catalytiques3-voies

    utiliss sur moteur allumage command qui limi-neront en outre les NO

    x

    .

    reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.

    Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    s rglages plus riches que ceux utilisss non dpollus, alors que dans le casdation, fonctionnant avec des mlangessions sur la consommation sont nulles. aux catalyseurs permettent damliorere puls ; ce sont des lments capables,ide et rversible, de servir de tamponse excdentaire oxyde ces lments unr, ces derniers peuvent alors oxyder les de fonctionnement rductrices.

    on des catalyseurs

    rs classiques employs dans lindustriee, les catalyseurs de post-combustionpar la nature de leurs supports et par lactive.

    atalyseurs

    ue est essentiellement le fait des atomesilleur parti de lactivit des catalyseurs,oivent tre minimises (surtout sil sagit

    les disperser sur des supports. En rdui-ntre particules catalytiques, ces supportsde pertes dactivit ; ils assurent en outreet mcaniques requises pour un usage

    tre, en particulier, le passage des gazoquer daccroissement prohibitif de laement, nuisible au fonctionnement duir une surface dveloppe et des carac-venables pour permettre une bonnective et assurer un transfert de masse rpartition poreuse optimale est une

    pores qui permet la fois une bonnex et une bonne dispersion des espces

    oporeuse de diamtre moyen 1 2

    mutour de 20 nm).

    active accessible la phase gazeuse.

    es requises concernent la rsistance (usure par frottement) dans le cas dese support doit galement rsister auxns par les variations brutales ders. De plus, une faible capacit thermi-pidement la mise en action du cataly-

    Les catalyseurs quipant les vhicules automobiles comportentdes

    supports du type particulaire (billes ou extruds) ou du type

    monolithe

    (figure

    5

    ). Comme les ractions catalytiques dpendentdes pressions partielles des ractifs, les vitesses de ractiondcroissent mesure que les polluants spuisent ; malgr unegrande vitesse en tte, il faut, pour obtenir un taux de conversionglobal suprieur 90 %, une longueur suffisante de racteur ; il nesten effet pas possible ici, comme dans un racteur chimique, de recy-cler les fractions nayant pas ragi.

    Supports particulaires

    Des particules en cramique poreuse sont ralises sous formede pastilles, dextruds cylindriques, ou de billes de diamtre inf-rieur 5 mm. Le plus souvent, il sagit de petites billes dalumine grande surface formes partir de la phase de transition

    ,pouvant tre dope par certains lments (BaO, La

    2

    O

    3 , etc.) am-liorant ses proprits mcaniques ou sa stabilit thermique.

    Ce type de support est actuellement presque totalement sup-plant par les monolithes.

    Supports monolithesCe sont des supports monoblocs raliss en cramique ou

    en mtal. Monolithes cramiques

    Malgr des essais sur dautres matriaux (alumine, zircone,mullite, titanate daluminium, carbure de silicium), la cramique estpratiquement toujours de la cordirite : 2 MgO, 2 Al2O3 , 5 SiO2 .

    Remarque : la cordirite est constitue dune phase dfinie du systme triplemagnsie-silice-alumine mlange des traces de spinelle et dalumine. Ces matriauxsont bon march, facilement disponibles ; la fabrication se fait partir dun mlangedargile (type kaolinite), de talc, de silice et dalumine. Les matriaux constitutifs sontrduits en poudre (grains de < 50 m), puis additionns de liant (par exemple mthyl-cellulose ou carboxymthylcellulose), de lubrifiant (par exemple thylneglycol) facilitantla mise en forme avant cuisson, et de fondants (hydroxydes alcalins et alcalinoterreux)favorisant le frittage. La pte ainsi constitue est alors extrude sous la forme souhaite.Un prfrittage limine les composs volatils comme les liants et lubrifiants. Le cycle decuisson ralis ensuite haute temprature (entre 800 et 1 300-1 450 oC) permet dobtenirun matriau poreux capable daccrocher le mlange catalytique, mais disposant dunesurface BET (Brunauer Emmet Taylor) trop faible pour assurer sa dispersion correcte. Cettecramique prsente lavantage de possder un coefficient de dilatation thermique trsfaible qui lui permet de rsister particulirement bien aux chocs thermiques. Sa tempra-ture de fusion denviron 1 450 oC lui permet de conserver jusque vers 1 300 oC une las-ticit suffisante pour rsister aux dformations permanentes dans les conditions defonctionnement normal des moteurs, bien que, lors dincidents de carburation oudallumage, des fusions locales puissent se produire.

    Figure 5 Pots catalytiques billes et monolithe [3]

  • ___________________________________________________________________________________________________________ POLLUTION ATMOSPHRIQUE

    Toute reproduction sans a

    Les monolithes utiliss sont des cylindreovale ou en forme de champ de courenferment une multitude de petits canautriangulaire ou carre, disposs en nids dabsouvent la forme champ de course (figumoteurs autour de 100 kW, une sectio(170 80 mm) ; pour les plus fortes cylindmonolithes identiques sont disposs en pvolume variant entre 0,02 et 0,03 dm3 par kW

    Les caractristiques principales des monodonnes dans le tableau 1.

    Monolithes mtalliques

    Les monolithes mtalliques sont fabriqus partir de tles dacierinoxydable (contenant du chrome et de laluminium) trs minces,40 50 m dpaisseur (figure 6b ). Cette qualit dacier, structureferritique, sest rvle particulirement rsistante la corrosion parles gaz dchappement chauds jusqu 1 100 oC.

    Remarque : grce une teneur en aluminium dau moins 4 %, les tles se recouvrentdune couche dalumine protectrice par oxydation haute temprature. En outre, ladditionde 0,2 0,3 % de zirconium accrot la rsistance loxydation haute temprature et vitele grossissement de grain ; un ajout de calcium augmente aussi ladhsion de la couchedoxydes. Une teneur relativement forte en yttrium ( 0,3 %, type Fecralloy ) permetdamliorer la durabilit du matriau au contact des gaz dchappement chauds ; pour desraisons de cot de lyttrium, cette valeur est souvent limite 0,05 % et remplace par0,02 % de Mischmetall, mlange de terres rares riche en crium qui vite galement legrossissement de grain. Aprs recuit vers 1 200 oC, les tles sont ondules sur un laminoirspcial pour donner une structure sinusodale ou trapzodale. Leur assemblage se fait parsoudure lectrique, par bombardement lectronique ou plus gnralement par brasagesous vide vers 1 200 oC directement sur lenveloppe extrieure, ce qui vite la mise enplace de matelas encaissant les dilatations ; pour viter les dformations au cours dutemps par suite des cycles thermiques, un brasage entre lenveloppe et le support mtal-lique uniquement en amont du pot catalytique est plutt recommand ; un tel assemblagepeut tre plac directement en sortie du collecteur dchappement , ce qui est trs favo-rable pour rduire le temps damorage.

    Les caractristiques moyennes du matriau mtallique sont citesdans le tableau 1. Ce sont des supports plus coteux mais mcani-quement plus rsistants que les monolithes cramiques. Ils per-

    Figure 6 Diffrents supports monolithes : c

    Tableau 1

    Monolithe

    Composition ..................................................

    Nombre de cellules par cm2.........................paisseur des parois.....................................Porosit ..........................................................Surface gomtrique ....................................Masse volumique du matriau ....................Masse volumique apparente........................Capacit thermique massique .....................Capacit thermique volumique....................Conductivit thermique radiale ...................Coefficient de dilatation thermique .............Temprature limite demploi .......................Taille des macropores ..................................Taille des micropores ...................................Surface BET (Brunauer Emmet Taylor) .......

    utorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    B 2 711

    5

    s de section circulaire,rse (

    race-track

    ). Ilsx parallles sectioneille. On utilise le plusre 6a ) avec, pour desn denviron 130 cm2

    res (3 et 3,5 L), deuxarallle. On utilise un de puissance moteur.

    lithes cramiques sont

    mettent plus de souplesse dans le choix de la densit des canaux.Outre lavantage en rduction du volume (environ 55 %) quilsprsentent par rapport aux cramiques classiques (25 % par rapportaux nouvelles cramiques), ils offrent une rduction de perte decharge lchappement de lordre de 15 20 % aprs dpt duwash-coat ( 4.3) ; leur meilleure conductivit thermique rduit lesrisques de surchauffe locale amenant leur fusion, et leur capacitthermique plus faible rduit leur temps de mise en action aux dmar-rages, raison essentielle de leur dveloppement. Leur tenue en tem-prature serait plus faible que celle de la cordirite, les risques dedcollement du wash-coat sont estims plus importants malgr lesessais qui tendent nier ce risque, ainsi que les risques doxydationet de corrosion haute temprature, surtout aprs contact avec lesacides halogns vhiculant les mtaux prcieux au moment delimprgnation.

    Comme ces tles sont, de mme que les cramiques, recouvertesdune couche dalumine , avant imprgnation par les mtaux pr-cieux, le choix daciers rfractaires contenant une certaine teneur enaluminium permet la formation en surface dune pellicule trsadhrente doxydes riches en alumine, qui favorise laccrochage duwash-coat. En outre, les additifs type Y ou Ce permettent la crois-sance pitaxique de cristaux (whiskers ), qui serviront de pointsdancrage.

    (0)

    oupes (doc. IFP)

    Caractristiques des monolithes cramiques et mtalliques

    cramique mtallique

    ................................................. cordirite 15-20 % Cr, 4-5 % AI,0,1-0,3 % Y, reste Fe

    ................................................. 46 ou 62 62 ou 93

    ...................................... (mm) 0,10, 0,15 ou 0,30 0,05

    .......................................... (%) environ 30

    ..................................... (m2/L) 2,19 ou 2,79 3,2

    ................................... (g/cm3) 1,68 7,2

    ................................... (g/cm3) 0,58 ou 0,41 1,25

    ................................. (J/g oC) 0,84 0,46

    .......................... [J/(cm3 oC)] 0,36 0,20 0,33

    ....................... [J/(cm s oC)] 0,02 0,12

    ................................. (106/oC) 0,7 12

    ......................................... (oC) 1 100 1 100

    ........................................ (nm) 700 1 000

    ........................................ (nm) 7 9

    ..................................... (m2/g) < 1

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    TouteB 2 711 6

    4.2 Espces actives

    Malgr un grand nombre de tentatives pour dvelopper et mettreau point des catalyseurs meilleur march base doxydes demtaux plus courants, seuls les catalyseurs base de mtaux pr-cieux sont utiliss industriellement lheure actuelle car aucunautre compos nest mme de raliser de manire fiable lacatalyse 3-voies.

    Par rapport aux oxydes mtalliques, les mtaux prcieuxpossdent une grande activit intrinsque, ils prsentent une activit des tempratures relativement basses, ils conservent cette activit plus haute temprature en rsistant au frittage qui tend rduireleur surface spcifique ; enfin il rsistent mieux lempoisonnementpar le soufre toujours prsent dans les carburants.

    Les catalyseurs doxydation contiennent comme lments actifsdu platine ou du palladium, seuls ou en mlange.

    Remarque : pour loxydation du CO, des olfines ou du mthane, lactivit initiale dupalladium est suprieure celle du platine ; cette activit est pratiquement identique pourloxydation des aromatiques et le platine lemporte pour loxydation des paraffines. Laraction catalytique dmarrant toujours par une tape dadsorption, exigeant dans le casdes hydrocarbures saturs une dshydrognation pralable, ce sont les catalyseursconnus pour leur activit en dshydrognation, comme le platine, qui se rvlent alorsles plus efficaces. Le platine subit en o

    plus lent en milieu rducteur ; au milieu oxydant et, associ un washau moins aussi bonnes que le copoisons, comme le plomb et le pversible les sites actifs du catalyserapide que celle du palladium ; le pinfrieur pour NOx et CO en mlabimtalliques est donc essentiellemment. Cependant, malgr ses dfapalladium-rhodium se substituant pratiquement identiques et tirant av

    Au couple platine-palladidation, il est ncessaire, darhodium.

    Remarque : lactivit du Pt et du suite de laction inhibitrice du CO scapacit de stockage pour loxygpossible. En outre, le rhodium est pmoins de NH3 lors des passages enlempoisonnement par le plomb et temprature en Rh2O3 qui peut formcet oxyde peut galement dsactive

    En plus de lalumine du suseurs de post-combustion avarit dadjuvants, par exements jouent diffrents rlestabilisation du support et f

    4.3 laboration d

    Mise en place du wash-ctant donn la surface d

    mtalliques, surface beaucdispersion des mtaux pdappliquer sur les paroiscouche dalumine grandement divise (wash-coat ), dqui multiplie environ par 10couche intervient pour env

    La qualit de ladhrencemonolithe a une grande imde lefficacit du catalyseude dtachement de la couchde dilatation du support etrents. Une formulation de wtre dans ce cas favorable p

    Dans le cas des monolithest plus dlicate, car la surparticulier, indispensable dsouvent intressant doxyd

    Incorporation des catalyseursLa teneur en espces actives (Pt-Pd-Rh) des catalyseurs pour auto-

    mobiles est trs variable. Les catalyseurs dposs sur billes ou surextruds peuvent contenir de 0,07 0,22 % en masse (10 30 g/cubicfoot) de platine-palladium avec un rapport Pt/Pd allant de 15/1 1/3.Des techniques de dpts appropries permettent de concentrer lesespces actives la surface des billes pour assurer un maximumdefficacit.

    Aprs application du wash-coat, le monolithe est imprgn partrempage ou par injection laide dune solution contenant des selsde mtaux prcieux ; par exemple H2PtCl6 , PdCl2 , Rh(NO3)3 , RhCl3ou des solutions actoniques contenant (n butyl4N)2Rh2(CO)2Br8ou H2PtCl6 . 6H2O.

    Remarque : pour viter la migration au schage des espces catalytiques vers lesextrmits des canaux, nuisant lhomognit de rpartition des catalyseurs, il est sou-vent ncessaire de fixer les composs actifs avant de monter en temprature. Lacidit dumilieu dimprgnation a un effet important sur la profondeur de pntration du catalyseurdans le support ; cette profondeur doit rester faible pour assurer un bon contact avec lesractifs gazeux, mais nanmoins suffisante pour viter lentranement par abrasion et lecontact avec les poisons plomb et phosphore. Lacide chloroplatinique formerait ainsi parattaque de lalumine un compos PtCl4 qui resterait en surface. Lors de la premiremonte du catalyseur sur vhicule, les chlorures de mtaux prcieux ne sont pas toujoursrduits, et lactivit initiale nest ainsi pas optimale ; la rduction de ces sels par les reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    tre 600 et 900 C un frittage rapide en milieu oxydant,contraire, le palladium rsiste mieux au frittage en-coat appropri, prsente en dure des performancesuple platine-rhodium. Par contre, en prsence deshosphore, qui par exemple bloquent de faon irr-ur, la dsactivation du platine est nettement moinsalladium prsente galement un taux de conversion

    nges riches. Le rle du platine dans les catalyseursent de rduire les pertes dactivit par empoisonne-

    uts, on sefforce de mettre au point des catalyseursau couple platine-rhodium avec des performancesantage du cot moindre du palladium.

    um, suffisant pour les catalyseurs doxy-ns les catalyseurs 3-voies, dajouter du

    Pd est insuffisante dans la rduction du NO en N2 parur ces catalyseurs. Le rhodium possde une grandene et permet ainsi dlargir la fentre de richesseeu sensible cet effet inhibiteur du CO et il produit phases riches. Par contre, le rhodium est sensible

    le phosphore. En milieu oxydant, il est oxyd hauteer des solutions solides avec lalumine du support ;

    r les cristallites de platine en les recouvrant.

    pport et des mtaux prcieux, les cataly-utomobile peuvent contenir une grandemple Ni, Ce, La, Ba, Zr, Fe, Si, etc. Ces l-s : renforcement de laction catalytique,

    reinage du frittage des mtaux prcieux.

    es catalyseurs

    oat

    veloppe des supports, cramiques ououp trop faible pour assurer une bonnercieux ( 0,2 m2/g), il est ncessaire des canaux, avant imprgnation, une surface (de 100 200 m2/g BET) et fine-une paisseur variant entre 20 et 50 m,

    0 la surface dveloppe du support. Cetteiron 5 20 % dans la masse du support.

    du wash-coat aux parois des canaux duportance pour le maintien dans le tempsr, par suite des risques de fissuration ete active, en particulier si les coefficients

    de la couche dadhsion sont trs diff-ash-coat faible module dlasticit peutour viter la formation de microfissures.

    es mtalliques, ladhsion du wash-coatface des mtaux est plus lisse. Il est, enliminer toute trace de graisse et il ester la surface du mtal.

    rducteurs de lchappement amne alors la formation de chlore qui sadsorbe fortementet rduit ainsi au dbut le taux de conversion du CO. Il faut un passage des cramiquesvers 500-600 oC pour dsorber dfinitivement ce chlore.

    Mise en place des catalyseurs dans la ligne dchappementLe support imprgn de ses catalyseurs est incorpor dans une

    enveloppe mtallique destine le maintenir en place sur la lignedchappement en lui vitant toute dtrioration (figure 7). Cetteenveloppe, gnralement en acier inoxydable rfractairenickel-chrome austnitique ou ferritique, est ralise partir de deuxdemi-coquilles embouties ; elle pouse la forme du supportcorrespondant, avec un cne dentre et un cne de sortie, souventde 7o de conicit ; elle se substitue au pot de dtente primitivementen place sur lchappement. La position du pot catalytique dans lesystme dchappement rsulte dun compromis entre le tempsdamorage du catalyseur, qui doit tre le plus rduit possible aprsun dmarrage froid et conduit placer le pot le plus prs possibledu moteur, et la protection contre les tempratures maximalesadmissibles sans risque pour le lit catalytique (800-900 oC). Des tubesde liaison double paroi sont parfois employs pour acclrer cettemise en temprature. Lenveloppe est gnralement aussi doubleparoi avec une isolation acoustique et thermique intrieure ; lcranthermique vite une temprature externe trop leve par suite dela radiation de chaleur pleine charge et il amliore la mise en tem-prature du catalyseur au dmarrage du moteur.

    Les monolithes mtalliques sont directement brass sur lenve-loppe, mais dans le cas des cramiques, un matelas en matriau mouest dispos entre le monolithe et lenveloppe (figure 7) pour main-tenir le monolithe en place, viter sa dtrioration par les vibrations,conserver ltanchit autour du monolithe en encaissant les dila-tations diffrentielles de la cramique et du mtal, plus difficiles compenser pour les formes ovale et champ de course que pourla section circulaire.

    Remarque : aprs avoir t ralis dabord en fil mtallique tiss ou tricot, il est main-tenant constitu dun coussin thermorsistant base de fibres cramiques de silicatedaluminium lies par un liant acrylonitrile et contenant 45 60 % en masse de particulesde vermiculite (mica). Ce matriau complexe possde un fort coefficient de gonflementet conserve sa rsilience haute temprature ; il se dilate jusque vers 750 oC, puis au-delsubit une rtractation. Le matelas est renforc sur les bords par un cordon en fibre deverre pour viter lrosion par le courant gazeux. En plus de sa fonction de maintien dumonolithe, le coussin assure ltanchit autour de la cramique et renforce lisolationthermique du support. Si pour maintenir en place ce coussin et assurer une meilleurerigidit, il est ncessaire de munir lenveloppe mtallique de ctes, il est prfrable queces dernires soient orientes vers lintrieur et soient les plus larges possible.

    Dans le cas des catalyseurs billes, ces dernires sont placesdans lenveloppe entre deux tles perfores, les gaz traversant dehaut en bas le lit catalytique. Le volume de billes employ est engnral voisin de la cylindre du moteur. Pour les monolithesmtalliques, on ralise lenveloppe en acier rfractaire austnitiquequi possde un coefficient de dilatation suprieur celui du mono-lithe ferritique, ce qui permet de minimiser les diffrences de dila-tation haute temprature entre lintrieur et lextrieur du pot.

  • ___________________________________________________________________________________________________________ POLLUTION ATMOSPHRIQUE

    Toute reproduction sans a

    Pour assurer un taux de conversion optimet un vieillissement uniforme du systme cpensable de soigner la rpartition du flucatalyseur ; la forme champ de course (avvue mise en place sous la carrosserie) avefluides est dfavorable cet gard.

    4.4 Empoisonnement des ca

    La dsactivation des catalyseurs sous lacments provenant du carburant (Pb, S, halogCa, Zn, B, etc.), peut tre plus ou moins rapiagit par combinaison avec la phase active duaction mcanique en obstruant la porositfreinant laccs du gaz jusquaux sites actifs.

    Empoisonnement par le plombDiverses espces plombes (oxydes, halog

    responsables de lempoisonnement par le pltifs antidtonants base de plomb contien(chlorures et bromures) permettant la vo lchappement. Aprs combustion de ledonnent naissance loxyde PbO et aux ac

    Leffet nfaste du plomb peut tre d soitcatalyseur, soit un bouchage des pores exerce un empoisonnement plus prononcsur le platine, surtout aux faibles tempraturde circulation, une teneur rsiduelle en plompas de problmes, mme en endurancentranent une dsactivation des catalyseur

    Empoisonnement par le phosphoreLa contamination par le phosphore p

    impurets du carburant et des additifs (dialzinc du lubrifiant) ; la teneur en phosphorplomb est variable mais faible ( 0,02 mg/Llubrifiants ( 1,2 g/L) et on peut estimer qulyseur 3-voies peut tre expos 13 g de P du lubrifiant. Le phosphore agit la fois su oxygne et sur le vieillissement du catalyle taux de conversion du CO que celui du N

    Figure 7 Pot catalytique 3-voies deux moutorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique B 2 711 7

    al au sein du monolitheatalytique, il est indis-x gazeux au sein duantageuse du point de

    c une seule entre des

    talyseurs

    tion des diffrents l-nes) ou du lubrifiant (P,de selon que le poison catalyseur ou bien par du catalyseur et en

    nures et sulfates) sontomb. En effet, les addi-nent des halognureslatilisation du plomb

    ssence, ces compossides HCl et HBr.

    un recouvrement dudu support. Le plomb sur le palladium quees. Dans les conditions

    b de 3 mg/L namnee, alors que 10 mg/Ls prcieux.

    rovient la fois deskyldithiophosphates dee des carburants sans) compare celle desen 80 000 km, un cata-dont 93 % proviennentr la drive de la sondeseur, en rduisant plusO la stchiomtrie.

    Empoisonnement par le soufreLe SO2 lui-mme affecte lactivit des catalyseurs 3-voies, en

    reduisant les taux de conversion des trois polluants CO, HC et NOx ;en outre, en mlange riche, il bloque la raction du gaz leau etde rformage la vapeur et il peut se dissocier la surface desmtaux prcieux en oxygne et soufre adsorbs, le soufre tant for-tement li au mtal.

    5. Amorage des catalyseursUne grande partie des trajets urbains est ralise avant davoir

    atteint la temprature normale de fonctionnement du moteur ; cestpourquoi la majorit des essais rglementaires de mesures des pol-luants (avec ou sans catalyseur) sont faits sitt un dmarrage froid.

    Or, temprature ambiante, un pot catalytique est sans actionsur les polluants mis par le moteur. Le catalyseur doit atteindreune temprature minimale, entre 200 et 300 oC, pour commencer agir : il existe donc un dlai damorage du catalyseur, pendantlequel les missions du moteur ne sont pas traites, et qui estresponsable dune part importante des missions. Des essais surdiffrents modles montrent que, pour que le catalyseur atteigne300 oC, correspondant sensiblement des taux de conversion de90 %, il faut parcourir de 1 3 km en site urbain, distance variableavec le modle de voiture et la temprature extrieure. Sur cycleFTP [B 2 712], le passage de la temprature rglementaire de 25 oC un domaine de tempratures variant entre 13 et 17 oC multiplieles missions de HC par 3 6 et celles de CO environ par 4, touten laissant inchanges celles de NOx .

    Cest pourquoi on mesure de faon rglementaire, la sortie dunpot catalytique, les missions dpart froid aprs 40 s de ralenti dansle cycle ECE [B 2 712]. Par dfintion, on appelle temprature damor-age (light-off ) la temprature laquelle on atteint un taux deconversion de 50 %.

    On observe que lors des 120 premires secondes du cycle urbainECE (qui dure 13 min) sont mis environ 50 % du CO, 75 % des HCet 50 % des NOx (figure 8). Cette part relative de polluants mis pen-dant les premires phases est encore plus grande avec les car-burants oxygns, le formaldhyde tant le compos dominantdans le cas dune alimentation en mthanol : avec du mthanol pur,on observe une multiplication par 6 7 des missions de HCHOentre cycles FTP froid et chaud.

    nolithes (doc. ETAI [3] et IFP)

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    TouteB 2 711 8

    Il est donc de premire dlai damorage des catalyet rduire la pollution urba

    Le temps ncessaire udpend :

    des caractristiques pinstantan (tat doxydatioen surface) ;

    de la composition des de lapport de calories

    donc des rglages moteur mage), des transferts therm

    ment, de la distance entre collecteur dchappement et pot et descaractristiques du pot lui-mme (gomtrie, capacit thermique,isolation thermique, conductivit thermique, etc.).

    Influence des catalyseursEn catalyse doxydation, le palladium prsente une temprature

    damorage infrieure celle du platine. Laugmentation des concen-trations en mtaux prcieux tend abaisser la tempraturedamorage ; sur catalyseur vieilli, en passant la teneur en mtal de0,53 2,12 g/L, on a pu gagner environ 30 oC. Pour loxydation duCO, la vitesse doxydation et la temprature damorage dpendentde la surface expose au CO et non de la taille des crystallites.

    Action des additifs du supportLes additifs interviennent, dune part, pour freiner le frittage des

    mtaux prcieux et ralentir le vieillissement et, dautre part, pourabaisser la temprature damorage. Cette dernire est ainsi abais-se presque linairement en fonction de la teneur en CeO2 , dautantmieux que la taille des particules doxyde de crium est plus petite.Les autres adjuvants, ajouts en particulier pour promouvoir la capa-cit de stockage de loxygne (Fe2O3 , etc.) ou stabiliser les mtauxprcieux (oxydes de terres rares), ragissent sur la tempraturedamorage.

    Figure 8 missions de COdu temps sur la totalit du p reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    importance de chercher minimiser leseurs pour la fois satisfaire les normesine.

    n pot catalytique pour devenir efficace

    ropres au catalyseur : formulation et tatn, de vieillissement, composs prsents

    gaz dchappement ; par les gaz dchappement. Cela dpend(notamment richesse et avance lallu-

    iques la paroi du circuit dchappe-

    Effet de la composition de la phase gazeuseAu moment du dmarrage du moteur, la phase gazeuse initiale

    qui circule dans le pot catalytique contient plus ou moins de CO,O2 , NO ou HC imbrls suivant limportance de lenrichissementau dpart (effet du starter ), fonction des conditions ambiantes detemprature et de pression. Une teneur en oxygne leve et unefaible teneur en CO (cas du moteur Diesel) abaissent latemprature damorage des catalyseurs doxydation.

    Effet de la richessePour un catalyseur doxydation classique Pt + Pd utilis sans

    appoint dair sur un moteur rglage pauvre, la tempraturedamorage augmente fortement avec lenrichissement au dmar-rage. Cet effet est moins important sur catalyseur 3-voies contenantdu rhodium, ce dernier tant moins sensible que Pt et Pd leffetinhibiteur du CO ; par contre, sur un catalyseur doxydation auplatine, lorsque la teneur en CO passe de 0,05 % 7 %, la tem-prature, pour obtenir 50 % de conversion, passe de 160 300 oC.

    En dehors du CO, les hydrocarbures imbrls peuvent avoir uneaction inhibitrice plus ou moins grande selon leur nature et leurconcentration. NO, comme CO, retarde galement lamorage tandisque la teneur en oxygne aurait plutt un effet favorable. Par contre,la teneur en soufre du carburant nexerce apparemment pas deffetsur lamorage.

    Pour matriser le plus rapidement possible la richesse de mlangedes systmes contrle boucl, qui dpend des performances dela sonde oxygne, la sonde lambda peut tre chauffe lectrique-ment pour atteindre plus rapidement sa temprature optimale.

    Rle de ltat de surface du catalyseurUn catalyseur de plus grande surface dveloppe aura tendance

    avoir une plus faible temprature damorage, mais cela au dtri-ment du maintien dans le temps de cette qualit. En pratique, uncatalyseur prsente un comportement au dmarrage qui dpendbeaucoup de son histoire prcdant ce dmarrage ; en effet, la tem-prature damorage est plus leve si le catalyseur a subi prc-demment un traitement thermique en conditions oxydantes, maiselle est au contraire abaisse si ce traitement a eu lieu en conditionsrductrices.

    Influence de la nature et de la position du supportPour atteindre rapidement la temprature damorage des cata-

    lyseurs aprs dmarrage froid, lensemble catalytique a intrt se situer au plus prs du collecteur dchappement, avoir unefaible capacit thermique et parfois un fort coefficient dchangethermique ; ces conditions sont toutefois souvent contradictoiresavec les risques de surchauffe lors des fonctionnements pleine

    , HC et NOx cumules en fonctionarcours normalis ECE [B 2 712]

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    Toute reproduction sans a

    charge. Cependant, condition de ne jamais dpasser 950 oC pourles systmes Pt-Rh, lavantage apport par le rapprochement du potcatalytique lemporte sur la dtrioration dans le temps des per-formances due au fonctionnement plus haute temprature.

    Un compromis consiste dcomposer le pot catalytique en deuxlments : un mini-convertisseur, de faible capacit thermique,plac au plus prs du collecteur dchappeplus rapidement, en rduisant CO et HC auaval, le convertisseur principal (figure 9). Dlithes mtalliques, le convertisseur de dmau plus prs du moteur grce sa meilleuchauffes ventuelles forte charge. Des soun mini-monolithe mtallique directement monolithe cramique plus en aval.

    Une mthode tudie pour amener le catalde fonctionnement avant le dmarrage du mfer lectriquement, grce lnergie de la bsystme catalytique. Une puissance appliquron 5,5 kW est en gnral utilise pour porter300 350 oC.

    Remarque : pour acclrer la mise en temprature cherch raliser ces supports en matriau rfractaire cotivit lectrique convenable pour tre chauff par effet JouOn a ainsi ralis des lments catalytiques poreux bachauffent en moins dune minute avec 1 kW de puissanmonolithes mtalliques, pour atteindre plus rapidement lon tire parti de la rsistivit des tles dacier alumin pourJoule ; avec une puissance denviron 3 kW, ce systme pe350 oC en 20 s.

    Cependant, le simple passage de la cramique au mtalmissions froid par suite de lenrichissement du mlanconsquent, pour pouvoir rduire de 50 % les missions dde temps de 20 s, il peut parfois tre ncessaire dadjoind

    Pour ce faire, le monolithe mtallique est spar en deuen aval nest pas chauffe, au contraire de la section amoplus faible ; entre les deux sections, est inject par une pdenviron 140 L/min pendant 140 s pour un moteur de 2 Lde diviser respectivement par 3 et 5 les missions initialesfroid. Des hacheurs de puissance permettent de fournir l(700-800 A). Dautres configurations proposent un mini-lectriquement en amont du monolithe cramique classiq

    Dans le domaine des monolithes cramrduire les paisseurs de parois (passage la capacit thermique des ensembles. En oudes monolithes mtalliques a t autant suscplus faible capacit thermique que dune pmcanique. Lisolation thermique de lenvtemps damorage en accroissant lefficacitmaintien des monolithes lintrieur des envpot catalytique, lemploi de coussins de fibrrence aux treillis mtalliques, assure une isgrande et une plus rapide mise en tempra

    Remarque : dans certains cas, lisolation thermique decollecteur dchappement et le pot peut tre ncessaire ; eliaison doubles parois minces de masse plus faible perconductivit thermique et la capacit thermique de lappropri des veines gazeuses permet galement un gain pot catalytique en deux lments successifs placs en sr

    le brassage des gaz dans lespace catalytique et surtout de favoriser la mise en tempra-ture de llment amont, en rduisant ainsi le temps damorage, comme dans le cas dumini-convertisseur cit prcdemment.

    Une autre technique pour rduire le temps damorage consiste envoyer, laide dune pompe ailettes, de lair en aval dessoupapes dchappement pendant la priode de mise en action dustarter ; de cette faon, la combustion, dans le collecteur dchap-pement, du mlange riche prsent lchappement permet derchauffer plus rapidement le catalyseur ; la pompe est entranepar le moteur grce une courroie et un accouplement lectro-magntique qui est dsactiv ds la fin de la priode de chauffe.

    Remarque : lors des dmarrages froid, une partie des imbrls lchappement,constitue souvent de gouttelettes dessence non vaporise dans ces conditions, atendance venir se condenser sur les tubulures dadmission. mesure que le systmeva chauffer, le carburant se vaporise nouveau et vient enrichir plus fortement lemlange alimentant le moteur, avec un surcrot dimbrls lchappement, dans lapriode o le catalyseur nagit pas encore. Pour viter cet inconvnient, une solutionconsiste prchauffer partiellement (entre 40 et 55 oC) la tubulure dadmission par unlment chauffant consommant 20 A, qui est dconnect quand le liquide de refroidis-sement atteint 60-65 oC.

    Une autre technique pour favoriser lamorage des catalyseursconsiste drgler provisoirement le point dallumage : un retard lallumage entrane une combustion tardive avec accroissementde la temprature des gaz dchappement ; une injection dair fraisderrire les soupapes dchappement favorise alors la post-

    Figure 9 Systme dchappement employant un mini-convertisseur en amont du pot principalutorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique B 2 711 9

    ment qui se rchauffe dmarrage et, plus en

    ans le cas de mono-arrage peut tre placre rsistance aux sur-lutions mixtes placentsur le collecteur et un

    yseur sa tempratureoteur consiste chauf-atterie, lensemble du

    e pendant 15 s denvi- le catalyseur environ

    du support catalytique, on anducteur prsentant une rsis-le dans les mmes conditions.se de carbure de silicium qui

    ce lectrique. Dans le cas desa temprature de dmarrrage, chauffer le monolithe par effetrmet de porter le monolithe

    est insuffisant pour rduire lesge apport par le starter. Pare CO et HC au bout de ce lapsre une injection dair.

    x sections : la plus importantent dun volume environ 6 foisompe palettes un dbit dair. Ce systme permet en outre de benzne et tolune dpartintensit lectrique ncessairemonolithe mtallique chauffue.

    iques, on a cherch 0,10 mm) pour rduiretre, le dveloppement

    it par lavantage dunelus grande rsistance

    eloppe rduit alors le du catalyseur. Dans leeloppes mtalliques dues minrales, de prf-olation thermique plusture du monolithe. la tubulure de liaison entre len particulier, des tubulures demettent la fois de rduire laensemble ; un dessin mieuxde temprature. La coupure duie permet la fois damliorer

    combustion des imbrls forms et rchauffe plus rapidement lecatalyseur : le temps de chauffe est alors rduit de 105 35 s et lesmissions de HC sont ramenes 35 % de la valeur obtenue sansce dispositif, donc laction est interrompue au bout de 2 min.Associe un enrichissement du mlange de courte dure, cettetechnique permet de porter le catalyseur 500 oC en moins de 90 s,ce qui sinon demande plus de 3 min. Cette faon de faire permettraitdviter lemploi de mini-convertisseur amont et la mise en placedu catalyseur proximit du moteur, vitant tout risque de sur-chauffe pleine charge.

    6. Usure des catalyseursEn dehors des causes externes de fonctionnement dfectueux des

    catalyseurs (dconnexion de la sonde oxygne, dfaut dallumage,consommation dhuile excessive, etc.), plusieurs mcanismes sont lorigine de la perte de performance dans le temps des catalyseurs(tableau 2). Pour des moteurs correctement rgls avec des potscatalytiques soigneusement monts, la pollution ou les dtriora-tions mcaniques sont peu importantes. Ce sont surtout les phno-mnes chimiques ou thermiques qui interviennent. Cependant,malgr les craintes exprimes ce propos, le fonctionnement dansdes conditions denrichissement pleine charge sur autoroute nesemble pas amener de dtriorations sensibles des taux deconversion des catalyseurs. (0)

    (0)Plusieurs phnomnes de dsactivation thermique peuventapparatre mesure que slve la temprature laquelle sjournele catalyseur (tableau 3).

    Loxydation du ct oxydant avec formation en surface de Rh2O3dans le cas des systmes Pt-Rh et de PdO dans le cas des systmesPd-Rh semble le facteur de dgradation le plus important devantle frittage et la formation dalliages de mtaux prcieux ou leur inte-raction avec le crium.

    Remarque : en particulier, loxyde de rhodium provenant de loxydation du mtal estpartiellement incorpor dans le rseau cristallin de lalumine, avec pour consquence uneaugmentation du rapport massique Pt/Rh, qui peut passer de 5,5 12. Dans le cas desmonolithes, la dsactivation thermique intresse plus fortement le centre du support ; parcontre, lempoisonnement concerne surtout lamont du support avec une rpartitionhomogne des divers poisons.

    Lautre phnomne contribuant la dsactivation dans le tempsdes catalyseurs tient leur frittage qui entrane une perte de surfaceactive ; on constate aprs vieillissement des rductions de surfaceBET de 22,3 14,6 m2/g ; les passages des catalyseurs hautetemprature (900 1 100 oC) contribuent acclrer ce frittage.

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    TouteB 2 711 10

    Remarque : un viellissement dusvres (haute temprature, coupurmontre des rductions rapides de smtaux, la coalescence des particulde lalumine (passage progressif deun accroissement exponentiel de la de stabilit, des rductions des taroulage en pays froids, ncessitancourte distance, entranent une dtpeine conserver leurs performanc

    Les gaz dchappementhaute temprature provoqformation dalliages entre

    Remarque : pour minimiser ces surtout Pd) et Rh sur des supports sur ZrO2 avant dimprgner laluminle temps des catalyseurs consiste performances initiales moindres stemps de la dispersion des espcescatalyseurs amliors permettent eloxydation du CO et des HC, mmegrande dispersion du platine le renpar le plomb rsiduel.

    Un autre mcanisme impartir du support : ce dcoltion entre la forme -Al2O

    passage de la forme cubique la forme octadrique avec une rduc-tion de volume et un accroissement de densit qui relche les pointsdaccrochage avec le support. Le crium et les autres lanthanidescontribuent inhiber cette transition ; ces oxydes intercals entreles plans dalumine ralentiraient la transition en forme .

    Remarque : lamplitude et la dure des excursions de part et dautre de la stchio-mtrie dans les domaines riche et pauvre est un facteur important de perte deperformance ; par consquent, la qualit du contrle boucl de richesse en matire derduction de lamplitude des carts et de temps de rponse du systme est primordiale,surtout avec les systmes Pd-Rh ; en particulier, un catalyseur us mont sur un vhiculedont le contrle de richesse est performant donnera de meilleurs rsultats quun cataly-seur plus neuf coupl un contrle de richesse moins performant.

    La mise en place de deux sondes lambda, respectivement en amont et en aval du potcatalytique, combine un algorithme de traitement appropri, devrait permettre dedtecter la qualit de fonctionnement du catalyseur, en particulier en se basant sur lesmesures en acclration et en rgime de croisire.

    Le vieillissement des catalyseurs na pas un effet homogne sur les diffrentesfamilles dhydrocarbures : il se rvle nfaste pour les aromatiques avec une acclrationfonction de limportance de lalkylation ; cet effet sur les paraffines et les olfines est ga-lement dautant plus grand que leur masse molculaire est plus leve.

    Tableau 2 Mcanismes de dsactivationdes catalyseurs

    Mcanismes chimiques

    Empoisonnement : adsorption ou raction irrversible sur ou avec la surface.

    Inhibition : adsorption comptitive et rversible des prcurseurs de poisons.

    Restructuration des surfaces catalytiques induites par les poisons.

    Blocage physique ou chimique de la structure poreuse du support.

    Mcanismes thermiques

    Oxydations (sgrgation des alliages).Frittage : redispersion.Formation dalliages.Modifications du support.Interactions entre mtaux de base

    et mtaux prcieux.Interactions entre mtaux ou oxydes et support.Orientation de surface des mtaux nobles.Volatilisation des mtaux.

    Pollution Dpts de carbone (cokage, etc.).

    Phnomnesmcaniques

    Chocs theAttrition.Destructi

    Tableau 3 Pr

    Temprature (oC)

    1 300 C

    1 200 P

    1 100 O

    1 000 -

    900 OFr

    800 R

    700 FrR

    600 R reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    systme catalytique dans des conditions de marchees dallumage et de carburant, consommation dhuile)urface spcifique dveloppe, un frittage acclr deses doxyde de crium, des transformations de phases phases et en phase ) ; ces volutions entranenttemprature damorage et, aprs une courte priodeux de conversion des polluants. Les conditions det lemploi prolong du starter pour les parcours derioration plus rapide des catalyseurs, qui ont de laes jusqu 80 000 km.

    fortement rducteurs ou oxydants uent, la surface des catalyseurs, la

    mtaux prcieux actifs.alliages, on a cherch au laboratoire dposer Pt (etdiffrents, en dposant par exemple au pralable Rhe . Une des techniques pour amliorer la tenue dansaccrotre (tripler) la teneur en CeO2 du wash-coat ; lesont compenses en dure par le maintien dans le mtalliques grce la stabilisation par le crium. Cesn particulier de conserver une grande activit dans en acclration grande vitesse. Cependant, la plusd ainsi beaucoup plus sensible lempoisonnement

    plique le dcollement du wash-coat lement peut tre provoqu par la transi-3 et la forme -Al2O3 qui entrane un

    7. Effet des catalyseurssur les polluantsnon rglements

    Polluants oxygnsIl sagit dabord des alcools (mthanol et thanol), dans le cas

    des moteurs aliments avec une forte proportion de ces alcools.Les taux de conversion du mthanol sont plus levs que ceux delthanol ; avec platine sur alumine, on atteint 95 % de conversionds 150 oC pour le mthanol, alors quil faut 240 oC pour lthanol.

    Les polluants surtout concerns sont les aldhydes, pour lesquelson a mesur des taux de rduction de 95 % sur des racteursthermiques et de 50 80 % sur des pots catalytiques doxydationou des systmes oxydation + rduction, lefficacit sur les aldhydesaromatiques tant pratiquement totale. Dans le pire des cas, laconversion en formaldhyde ne dpasse pas 5 % du mthanolimbrl. Par contre, les conceptions de moteur mlange pauvre,efficaces sans catalyseur sur les polluants classiques, se rvlentnfastes en matire dmissions daldhydes, par suite de leurcomportement particulier en fonction de la richesse.

    Polluants soufrs oxydsIl sagit du SO2 et des sulfates. Les pots catalytiques doxydation

    oxydent au degr le plus lev les composs soufrs initialementprsents dans le carburant ; le SO2 est, dans les conditions dexcsdair, dautant plus aisment transform en SO3 et sulfates que lecatalyseur contient du platine.

    Par consquent : les catalyseurs doxydation mettent des niveaux de sulfates

    suprieurs ceux trouvs en labsence de catalyseur ; les pompes air augmentent encore les niveaux mis ; par contre, les catalyseurs 3-voies nmettent pas plus de

    sulfates quen labsence de catalyseur.

    Composs rduits du soufreIl sagit maintenant de lhydrogne sulfur H2S et du sulfure de

    carbonyle COS, qui peut lui-mme redonner H2S au contact de lairhumide. Les missions correspondantes se produisent toujours enprsence de mtaux prcieux, plus frquemment avec des cata-lyseurs doxydation fonctionnant mal et plus facilement avec descatalyseurs neufs quavec des catalyseurs usags.

    Remarque : si, en prsence de loxygne stock sur le catalyseur dans les conditionsdexcs dair, il y a formation, catalyse par le platine, de SO3 partir du SO2 , lors duretour en conditions de dfaut doxygne, la rduction du SO2 et du SO3 peut allerjusqu donner H2S. Ce processus parat favoris par un faible dbit de gaz (cas duralenti) et par la prsence du platine. Les missions dhydrogne sulfur sont trs fugaceset de trs courtes dures avec des concentrations toujours trs infrieures au seuil detoxicit ; elles se produisent parfois au dmarrage froid, mais surtout au ralenti chaud larrt aux feux rouges aprs dclration, ou lors de mise en stationnement, toutefoisrarement en circulation. Les formulations de catalyseurs sefforcent dviter en toutescirconstances les bouffes de produits sulfurs.

    rmiques.

    on physique.

    ocessus de dsactivationthermique

    Phnomne

    ordirite Mullite

    erte du wash-coat

    xydation alliage Pt-Rh

    Al2O3 -Al2O3xydation alliage Pt-Pdittage de -Al2O3

    duction alliages Pt-Pd, Pt-Rhittage du platineaction Rh-Al2O3action Ni-Al2O3

  • ___________________________________________________________________________________________________________ POLLUTION ATMOSPHRIQUE

    Toute reproduction sans a

    En dehors de lalimentation en carburant sans soufre, les mesures prises pour limiterles bouffes dhydrogne sulfur consistent en une restriction des excursions en mlangeriche par une meilleure qualit du contrle boucl de la richesse : maintien du rapportair/carburant = 1 0,05. On utilise galement des formulations de catalyseur limitantle niveau de soufre stock ou contenant un getter ou balayeur comme le nickel, qui formeun sulfure stable en mlange rducteur, mais qui soxyde en SO2 en mlange pauvreoxydant.

    Protoxyde dazoteEn sortie moteur, N2O ne reprsente, avec un mlange brlant

    la stchiomtrie, que moins de 1 % de la totalit du NO, lEGR ayanten outre tendance rduire cette concentration. La majorit du pro-toxyde dazote mis (moins de 1 % du NO) lest pendant la priodedamorage, par exemple par un vhicule roulant lentement aprsun dpart froid.

    8. Catalyseurs doxydation Moteurs allumage command

    Le dveloppement des moteurs allumage command fonc-tionnant en mlange pauvre permettait de savues par la lgislation communautaire en mapour liminer par contre les hydrocarbures imces conditions, ladjonction dun catalyseurncessaire. Les exigences concernant ce tymoins draconiennes que pour la catalyse 3-sans mtaux prcieux ne sont pas ici excllemploi de rhodium, constituant le plus racatalyseurs 3-voies, nest plus indispensable

    Remarque : les qualits requises pour les contrles mopauvre nintressait que la catgorie moyenne dfinie paattractive, par rapport la solution 3-voies dj bien audoxydation pour moteur allumage command, car le faipas mriter de dvelopper cette alternative.

    Moteurs 2TLa composition des chappements des m

    ment diffrente de celle des moteurs 4T : ilsment de faibles concentrations de NOxdoxydation se rvle ici suffisant. Par contrevariable dans le temps dhydrocarbures imbrgne prsent et la perte de charge supplmpot doxydation peut accrotre le recyclage inl les missions de HC et de CO. Sauf pour dfonctionnant surtout en mlange pauvre (limien Suisse), une alimentation en air secondapour raliser une combustion catalytique efbures. Par ailleurs, les gaz en sortie moteur sfroids que sur les moteurs 4T mais la combusde la forte quantit dhydrocarbures risque la temprature du catalyseur ; linjection dacontrle de la temprature.

    Remarque : dun point de vue pratique, une solution cotique en deux lments : le premier en sortie directe du cfaciliter lamorage de la combustion, le second plus loin adaire pour parfaire loxydation des HC, avec des tubuluisoles ; llment catalytique retenu est dans ce cas le pdposs sur monolithe. Le palladium prsente une assez bdes HC, combine une temprature damorage assez adapter sur motocycle les pots catalytiques mtalliques placs sur voiture pour acclrer lamorage, en en disposaavec des taux de conversion sur CO de 88 99 % et surdazote restant inchangs.

    Moteurs DieselLes chappements Diesel peuvent tre tra

    catalyseurs doxydation, en particulier par tiques analogues ceux employs pour les c allumage command (flow through monoline collectent pas les particules, prsergnrables ( 9) lavantage de ne pas posernration et doffrir de moindres pertes de chIls ont t mis au point et utiliss primitiveme

    de CO mis par des engins Diesel travaillant en milieu confin,comme les engins travaillant dans les mines.

    Remarque : ils ont essentiellement pour effet doxyder la partie extractible SOF des par-ticules sans affecter le carbone lmentaire ; en effet, mme en ajoutant des catalyseursdoxydation (incorpors au carburant par exemple) les particules de carbone constituent lchappement un arosol trop dilu pour pouvoir brler, sans avoir besoin daccumu-lation sur un filtre. Mais comme la SOF peut constituer la phase la plus nfaste du pointde vue sanitaire et reprsenter une fraction trs importante de la masse des particulesmesure de faon rglementaire, ces dispositifs peuvent ainsi permettre, dune manirepositive, de satisfaire les valeurs lgales actuelles. En outre, si au cours du temps la dt-rioration des missions de particules affecte plus la SOF que le carbone lmentaire, lecatalyseur doxydation permet dassurer une bonne maintenance de la dpollution. Desrductions de 40 90 % des missions de SOF ont pu ainsi tre mesures.

    Compars lchappement des moteurs allumage command,les gaz dchappement Diesel se caractrisent par un mlangecontenant une forte proportion doxygne rsiduel, une plus faibleteneur en polluants CO, HC et, dans une moindre mesure, NOx . Ilssont galement plus froids en circulation urbaine (100-450 oC),natteignant 750 oC que sur route ou autoroute ; ce niveau de temp-rature limite donc loxydation possible aux substances organiquesadsorbes ou gazeuses lexclusion du carbone lmentaire.Lchappement Diesel contient en outre, par rapport lchappementdes moteurs essence, une plus forte teneur en soufre, sous formeutorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique B 2 711 11

    tisfaire les normes pr-tire doxydes dazote ;brls engendrs dans doxydation est alorspe de catalyseur sont

    voies ; les formulationsues ou tout au moinsre (et le plus cher) des.teur et le fait que le mlanger la lgislation ont rendu peu point, la solution catalyseurble avantage de cot ne parat

    oteurs 2T est sensible- contiennent gnrale-, donc un catalyseur, ils possdent un excsls par rapport loxy-entaire apporte par leterne et augmenter pares moteurs particulierstation de vitesse svreire est donc essentielleficace de ces hydrocar-ont gnralement plustion, une fois amorce,

    dlever anormalementir secondaire facilite le

    nsiste sparer le pot cataly-ollecteur dchappement pourprs une injection dair secon-res de liaison thermiquementlatine ou mme le palladiumonne activit pour loxydationbasse. Pratiquement, on peutanalogues aux pots primairesnt deux en srie si ncessaire,

    HC de 88 96 %, les oxydes

    its galement par desdes monolithes cataly-atalyseurs des moteursths ). Ces systmes, quintent sur les filtres de problmes de rg-arge lchappement.nt pour limiter les taux

    SO2 , dont il faut minimiser la transformation en SO3 par les cata-lyseurs, car les sulfates et leur eau associe contribuent alors for-tement la masse des particules recueillies selon les mthodesdanalyse normalises.

    Les espces organiques oxydables sont prsentes dans lchap-pement sous trois formes diffrentes :

    ltat gazeux, pouvant se condenser ultrieurement sur lesparois ou sur les particules de carbone ;

    sous forme de gouttelettes darosol dans lchappement ; dj adsorbes sur les particules.

    En outre, au-del de 300 oC, sur les mtaux prcieux loxydationdu SO2 en SO3 commence devenir apprciable. Il existe donc unefentre de temprature optimale pour le catalyseur doxydation.

    Support de catalyseur : il y a intrt choisir un support de cata-lyseur qui minimise le stockage et le relargage des sulfates ; en effet,lors des acclrations, des brouillards de H2SO4 peuvent tre mispar suite de la dcomposition thermique du sulfate daluminium cr la surface du wash-coat dpos sur le support. De ce fait, deswash-coats base de silice ou doxyde de titane qui stockent moinsde sulfates sont prfrables.

    Choix de lespce catalytique : le type de mtal catalytique influeaussi sur loxydation du SO2 en sulfates ; en effet, si basse tem-prature (200-300 oC), platine et palladium ont une efficacit mini-male pour cette raction, aux plus hautes tempratures de 400 oCrencontres lors des acclrations sur camions, le platine oxydeplus fortement le SO2 et le palladium est prfrable ; le palladiumseul ou la combinaison Pd-Rh se rvlent prfrables la combi-naison Pt-Rh.

    Traitement des NOx : lexcs doxygne toujours prsent danslchappement Diesel rend difficile jusqu maintenant la rductiondes NOx par les composants rducteurs du gaz dchappementcomme dans le cas des catalyseurs 3-voies. On est donc amen,lorsque cest possible comme par exemple dans le cas des moteursDiesel fixes ou de grandes puissances, rduire les oxydes dazotepar des rducteurs chimiques additionnels, qui peuvent prsenterune alternative lEGR, sans avoir linconvnient daccrotre lesmissions de particules.

    Remarques :

    Une des techniques proposes consiste ajouter de lammoniac qui passe, simulta-nment aux gaz dchappement, sur des catalyseurs tels que les mtaux de transition oudes zolithes changes par des mtaux et possdant une forte capacit dabsorption,donc de stockage, de lammoniac. Il faut, pour obtenir lazote comme produit de ractionsans consommation excessive dammoniac ni formation excessive de N2O, respecter lafois une fourchette troite de temprature (200-300 oC) et une fourchette troite deteneurs en oxygne.

    Une autre technique utilise aussi la catalyse par les zolithes mais en faisant ragirNO avec lure, qui possde, par rapport lammoniac, lavantage de ntre ni toxique niodorant.

  • POLLUTION ATMOSPHRIQUE ____________________________________________________________________________________________________________

    TouteB 2 711 12

    9. Filtres Diesel

    Les limites imposes sur les missions de particules devenant deplus en plus svres, les rglages moteur, malgr lapport de llec-tronique, ne suffisent plus pour atteindre les niveaux assigns. Parconsquent, on est amen mettre au point des dispositifs en sortiemoteur Diesel (essentiellement des filtres) pour collecter ces parti-cules et viter leur envoi dans latmosphre.

    tant donn la faible masse volumique globale des particulesmises par les moteurs Diesel (0,075 g/cm3), il nest pas possible destocker bord la suie pige, pour sen dbarrasser (comment ?)de temps autre dans les stations service par exemple. En effet,non seulement les particules piges amnent lchappement descontrepressions nfastes au bon fonctionnement du moteur pouvantaccrotre les missions des autres polluants, mais encore les quan-tits recueillies sont rapidement normes : sur une voiture, plus de13 L au bout de 5 500 km * et, dans le cas dun poids lourd, de lordrede 62 L de suie aux 1 000 km **. Par ailleurs, un filtre monolithe typedun volume total de 2 L possde seulement 0,7 L de vide pour stoc-ker environ 40 g de particules. Dans ces conditions, il est donc indis-pensable de prvoir des systmes de pigeage rgnrables, enparticulier par limination continue ou priodique de la suie retenue.

    * (en admettant que la voiture filtre de 0,37 g/km et doive respede 1 000/ (0,37 0,19) 5 500 kmde 1 000/0,075 13 300 cm3).

    ** (un camion de 40 t consommvolumique 0,85 environ 35 MJ/L, gazole : 2 40 6/(0,85 0,075) 7moyen de 25 %, sur 100 km on rcula rglementation nautorise en sortde suie aux 100 km, il faut piger 7,5

    La meilleure solution coloxygne toujours en exc

    Mais en labsence de catdoxydation que vers 380 o

    vitesse apprciable que ve700 oC. Ces conditions derencontres lchappemefigure 10 que, sans catalcombustion nest atteinte qEn prsence de catalysedinflammation dune valeuvers 210-260 oC) et atteindque sans catalyseur on na

    9.1 Piges

    Nature des filtres (pigeMme facilite par ladjo

    la suie reste un phnomtemps de sjour des partipour des raisons cintiquemination de cette suie en dpige des particules danatteinte une masse critiquetion, inflammation et comveillant toutefois ce que importante pour amener drsistance thermique du pibonne efficacit de pigeagminimales et une bonne rtableau 4 rsume les cadisponibles, encore au stad reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    respecte la rglementation antrieure obtenue sanscter la nouvelle limite de 0,19 g/km, dj au bout, on rcupre 1 kg de suie qui occupe un volume

    ant en moyenne 2 L/100 t km de gazole de massemet en considrant un facteur dmission de 6 g/kg de,5 L de suie aux 100 km. Avec un rendement moteurpre sur le moteur 2 40 35 0,25/3,6 194 kWh. Siie que 0,5 g/kWh soit 194 0,5/(0,075 1 000) 1,3 L 1,3 = 6,2 L de suie aux 100 km).

    nsiste brler la suie pige grce s dans lchappement Diesel.

    alyseur, la suie Diesel ne subit un dbutC et la combustion ne procde avec uners 550-600 oC, pour devenir totale vers temprature sont exceptionnellementnt dun vhicule Diesel ; on voit sur la

    yseur, la temprature requise pour lauen rgime maximal et pleine charge.ur, on peut abaisser la tempraturer allant jusqu 170 oC (dbut doxydationre ainsi ds 360 oC un taux doxydationtteignait qu 600 oC (figure 11).

    s)

    nction de catalyseurs, la combustion dene lent et sa dure excde toujours lecules dans le systme dchappement ;s, il est donc ncessaire de raliser lli-eux temps : filtration et rtention sur un

    s une premire phase, puis, une fois suffisante pour lentretien de la combus-bustion dans une seconde phase, en

    la masse brler ne soit pas alors tropes tempratures incompatibles avec lage. Ces piges doivent dmontrer unee, couple avec des pertes de charge psistance aux hautes tempratures. Leractristiques des diffrents pigese des tudes prototypes. (0)

    Figure 10 Isothermes dchappement dans un diagramme charge/rgime

    Figure 11 Oxydation de suies Diesel seules ou mlanges une phase active

  • ___________________________________________________________________________________________________________ POLLUTION ATMOSPHRIQUE

    Toute reproduction sans a

    Piges monolithiques

    Cest le systme actuellement le plus tudIls sont drivs des supports utiliss dans (type flow through monolith ) en bouchant ualternativement chaque extrmit, de fatraverser les parois sparant les canaux (wobtient ainsi des filtres cylindriques filtraune excellente efficacit de filtration (figure

    Remarque : obtenues par extrusion, les parois poreuseavec une large distribution de pores fins et irrguliers ; cvariant entre 10 et 35 m, sont tortueux mais ne dbouchela paroi. Ce type de filtre est mieux appropri pour des v profit la capture par diffusion. Leur bonne efficacit de cplus souvent 80 90 % de taux de rtention) est au dtrimimportantes, croissantes avec la charge du filtre. Toutefois,(13 m) et grande efficacit de filtration (90 95 %) prseaux chocs thermiques en endurance que les structures plufaible efficacit (60 85 %).

    On emploie en gnral un volume de filtre au minimumet dans le cas des poids lourds, o les problmes dencomparfois le double de la cylindre du moteur, pour limiter lesraisonnable (de lordre de 10 kPa) ; la longueur du filtre est eUn filtre de grandes dimensions permet en particulier sur la rgnration quune fois par jour, lors du retour au gar

    Piges en mousse cramique

    Il sagit de mousses cramiques fabriqude silicium SiC ou de cordirite. Elles prsassez troite de larges pores quasi circula250 500 m, tortueux en profondeur, avecdbouchent pas. Ces filtres apparaissent micas de dbits importants ; ils offrent de faibmettent profit la collecte par impaction. Lsont infrieurs (60 70 %) ceux des moincolmatables.

    Tableau 4 Types de filtres particules Diesel

    Filtres Efficacit(%) Avantages Inconvnients

    Monolithe cramique 60-90 grande efficacit p modr cot modr fort gradient de p peut tre recouvert de catalyseur fissurable aux chocs thermiques

    Mousse cramique 30-75 rsiste aux chocs thermiques peut tre recouvert de catalyseur

    trs grand p rgnration difficile faible efficacit

    Bougies tissesen fibre de silice > 75

    grande efficacit faible p grande exigence en volume rsistance aux chocs thermiques

    ponge de fibres cramiques > 75 trs grande efficacit rsiste aux chocs thermiques

    dlitage des fibres fort p fort gradient de p volume et poids importants

    ponge mtallique alumine (catalyseur mtaux prcieux) 50-80

    faible gradient de p p modr

    p perte de charge

    Figure 12 Structure des filtres monolithesutorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique B 2 711 13

    i et le plus dvelopp.les catalyseurs 3-voiesn canal sur deux et ce,on forcer larosol all flow monolith ). Ontion totale prsentant

    12).s prsentent une surface lissees pores, de diamtre moyennt pas tous des deux cts de

    aleurs de dbit faibles mettantapture (suprieure 60 % et leent de pertes de charge assez

    les structures faible porositntent une moindre rsistance

    s ouvertes (33 et 21 m) plus

    gal la cylindre du moteurbrement sont moins critiques, pertes de charge une valeurn gnral voisine du diamtre.

    autobus de ligne de neffectuerage.

    es partir de carbureentent une distributionires, dun diamtre de peu de canaux qui neeux appropris dans leles pertes de charge eteurs taux de rtentionnolithes, mais ils sont

    Remarque : ils peuvent tre mis en place sous la forme de bougies filtrantes. La techniquede fabrication consiste en une imprgnation dune matrice de mousse de polyurthanepar une pte de matire cramique (pte de cordirite) ; lensemble obtenu est ensuite cal-cin pour obtenir une mousse de cordirite prsentant entre 20 et 30 pores/cm. Les tauxde rtention de ce type de filtre sont dautant meilleurs que les vitesses linaires des gazsont plus faibles ; les volumes importants ncessaires les rservent plutt aux poids lourdset autobus, sur lesquels la place disponible est moins mesure.

    Piges en fibres non tisses

    Ce sont des fibres cramiques calandres par voie humide et liespar une rsine. Cette structure possde un trs grand nombre depores fins (denviron 10 m), rpartis sur une surface pluttrugueuse, avec un cheminement trs tortueux en profondeur.Lefficacit de filtration est dautant plus grande que les fibres sontplus fines, mais ceci est aux dpens de la rsistance du filtre dansles conditions de rgnration.

    Remarque : les fils cramiques subissent un traitement spcial destins les hrisserdune multitude de poils ultra fins qui amliorent la rtention des particules. Ce type defiltre a en moyenne un taux de rtention des particules suprieur 80 % sur cycletransient [B 2 712]. Des filtres ont t galement fabriqus partir dponges mtalliquesen acier recouvertes dun revtement dalumine . Le mtal choisi doit rsister loxydation en atmosphre oxydante environ 1 000 oC. Ce type de filtre prsente uneefficacit variant entre 68 et 80 %.

    9.2 Rgnration des filtres

    Pour liminer la suie accumule sur les filtres et rduire en parti-culier la contrepression engendre par les dpts, il est ncessaire,de faon permanente ou intermittente (en fonction de la contre-pression acceptable par le moteur : 10 15 kPa), de brler les parti-cules en profitant de lexcs doxygne prsent dans lchappement.La combustion de la suie pige doit tre conduite de faon trela plus rapide et la plus complte possible, sans toutefois entranerde risques de rupture des filtres cramiques par surchauffe exces-sive. Cela exigera donc un compromis soign entre la tempraturedamorage, la concentration en oxygne, le dbit de gaz et la massede particules accumules. Les rgnrations ralises au ralenti(faible dbit) et pour de faibles charges en suie sont rapides et doncintressantes.

    Deux possibilits se prsentent pour cette rgnration : soit amener, par apport de chaleur, les dpts la tempra-

    ture dignition de la suie vers 550-600 oC ; soit abaisser la temprature dignition de la suie vers 250 oC

    au moyen de catalyseurs.Remarque : la combustion de la suie amne temporairement des missions accrues

    de CO (+ 70 % pour une rgnration au cours du cycle FTP, [B 2 712], qui restent engnral infrieures aux limites rglementaires, et des missions accrues de HC, dues

    autorgnrable faible efficacit, surtout grande vitesse rduit HC, CO et odeur produit des sulfates

  • POLLUTION ATMOSPHRIQUE ____________________________________________________________________________________________________________

    TouteB 2 711 14

    lvaporation momentane des hydrocarbures adsorbs, librs par le chauffage de lasuie avant combustion. La contribution des missions dues la rgnration ne changetoutefois pas significativement les missions globales. Lamorage par brleur apporteencore des polluants supplmentaires.

    La rgnration des filtres par ces procds permet ainsi dassu-rer des dures de vie sur poids lourds ou autobus allant jusqu100 000 ou 150 000 km ; cependant, au bout de ce laps de temps,il est indispensable de changer le filtre par suite daugmentationirrversible de perte de charge due au bouchage par des produitsnon combustibles (cendres minrales, etc.). Il apparat galementquil ny a pas toujours avantage disposer dun filtre grandecapacit de pigeage de particules avant quune perte de chargetrop importante ncessite sa rgnration ; en effet, dans ce cas,limportance de la masse de suie brler risque de demander destemps de rgnration trop longs et damener des tempraturesexcessives nuisibles la tenue mcanique du filtre. La grande capa-cit du filtre entrane galement une inertie trop forte du systme,nuisible lamorage rapide de la combustion.

    Sur les moteurs turbocomprims, pour maintenir le filtre la plushaute temprature possible et viter le refroidissement par la dtentedans le turbocompresseur, le filtre est gnralement plac entre lemoteur et la turbine ; mais cela pose des problmes de casse desailettes de la turbine en cas dattrition du monolithe.

    Rgnration thermiqueLa rgnration thermiq

    autres techniques de rgnmique. Pour rduire leur imfiltres ayant de faibles coeminimiser les gradients deration. Ces filtres sont successives, des phnomassocis aux fatigues de viagit galement sur le niveadbit puissant refroidit le mais peut empcher lallumdu dbit permet ainsi daugthermique, la masse de sumtre de pores moyen ausupportable et la quantitthermique exige la fois unsuffisantes pour assurer latemprature requise est dest faible : 570 oC pour 6 %prature minimale de 570 raction dignition de la su

    Amorage par brleur

    Des brleurs aliments epoint et tests, avec allum

    Bien que compliqu et chest gnralement retenu ponration peut, dans ce cas,et surtout, cest le systmede carburant, facteur trs distance.

    Amorage par chauffag

    De faon conomiser lles rsistances ncessairesmm) en amont du filtre ; leuen contact direct avec le filtriores par oxydation. Elleslirement rpartis et activ

    Lamorage lectrique dpour les chariots de levaralenti la fin de leur serviaffect la rgnration.

    Vannage ladmission

    En tranglant ladmission du moteur, on augmente la richesse, cequi permet datteindre des tempratures lchappementsuffisantes dans un domaine de conditions opratoires du moteurplus large que dans le cas du fonctionnement pleine charge. Eneffet, le vannage rduit la pression dans le collecteur dadmission,introduisant ainsi un travail de pompage supplmentaire ; pourcompenser la perte de puissance, on a tendance augmenter laquantit de carburant injecte, provoquant ainsi un surcrot de tem-prature lchappement. Il y a toutefois lieu de conserver danslchappement une teneur en oxygne suffisante (de 2 5 %) pourviter une formation excessive de fumes et de particules.

    Vannage lchappement

    Ce procd augmente la quantit de gaz rsiduels dans lachambre de combustion et y amne des tempratures suprieuresau dbut du temps de compression, avec une diminution durendement volumtrique et de la puissance sur larbre de sortie etune augmentation du travail de pompage dans le cycle, dissip sousforme de chaleur dans lchappement ; cette chaleur sajoute celledue la chute de rendement dans ces conditions. Ce phnomneapparat naturellement par suite du bouchage progressif des poresdu filtre qui, la fois, augmente la contrepression et diminue le fluxde gaz refroidissant le filtre ; un filtre charg diminue la puissance reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

    ue pose, plus particulirement que lesration, des problmes de stabilit ther-portance, il est prfrable de choisir desfficients de dilatation thermique et de

    temprature obtenus lors de la rgn-soumis, au cours des combustions

    nes de fatigue haute tempraturebrations. Le dbit de gaz dchappementu thermique du support catalytique : unsupport au moment de la combustionage de la combustion ; le doublement

    menter de 40 %, sans risque de ruptureie accumule. Laccroissement du dia-

    gmente aussi la temprature maximale de suie accumulable. La rgnratione temprature et une teneur en oxygne combustion des particules de suie ; laautant plus grande que la teneur en O2 et 750 oC pour 2 % de O2 . Cette tem-oC est due lnergie dactivation de la

    ie.

    n propane ou en gazole ont t mis auage par tincelle ou par catalyse.

    er, le systme de rgnration par brleurur les poids lourds routiers car la rg-

    tre ralise dans toutes les conditions qui pnalise le moins la consommationimportant pour les transports longue

    e lectrique

    nergie lectrique prise sur la batterie, sont disposes au plus prs (quelquesr efficacit est meilleure lorsquelles sontre, mais elles sont plus rapidement dt- peuvent tre divises en lments rgu-s successivement.

    e la rgnration se rvle intressantge, car il peut tre ralis moteur auce journalier dans un local spcialement

    disponible par suite de la contrepression, pour maintenir le rgime,le moteur est soumis une plus forte charge spcifique, ce quientrane une temprature dchappement plus leve et uneconsommation plus importante ( 8 %) ; un filtre bien charg peutainsi se rgnrer autour de 30 km/h.

    Remarque : mont sur camion, ce systme combin au by-pass peut tre commandpar une limite suprieure de contrepression qui ouvre le by-pass en attendant quunetemprature suffisante dchappement apparaisse (forte acclration, monte de cte,etc.) ; la vanne se referme alors et envoie lchappement chaud sur le filtre pour initier lacombustion. Il peut tre ici aussi ncessaire de supprimer leffet de la vanne decontrepression lors de conditions dfavorables (ralentis prolongs en