Comme promis, la partie 2 bien que ce topic n'est pas le succes voulu.Il présente les techniques de dépollutions actuelles et futurs.
Pour ne pas risquer de paraître trop « barbant », je vous donne des indications :
Le plus important à retenir : chapitres 1 / 3.3 / 4.2
PARTIE 2 : Les gaz d’échappements automobile et leur traitement.
1 Les émissions polluantes des automobiles. Normalisations.
La directive européenne 98/69 EC définit les valeurs maximales des émissions de gaz toxiques à l’échappement. Les polluants sont mesurés au cours d’un cycle de conduite du véhicule qui est réalisé sur un banc à rouleaux selon une procédure définie par cette même directive. La procédure utilisée ainsi que les seuils d’émission dépendent du pays considéré et font de toute façon l’objet de niveaux de sévérité croissants au cours des années.
Seuils autorisés en g/Km :
En complément, la réglementation EOBD (European On Biard Diagnoses) pour l’Europe impose que toute anomalie du système, susceptible de dégrader les émissions polluantes au-delà d’un niveau prédéfini, soit détectée et signalée au conducteur. L’évolution prévue pour les émissions :
2 Le rôle important de l’électronique dans les moteurs à combustion interne.
En ce qui concerne les moteur essences, souvenez vous du Delco et son variateur d’avance mécanique, dispositif permettent de moduler l’avance à l’allumage en fonction de l’état du moteur (charge, vitesse de rotation). Le variateur utilisait des masselottes s’écartant progressivement de la tige de l’allumeur sous l’action de la force centrifuge en fonction du régime moteur. Une capsule à dépression permettait de corriger d’un point de vue dynamique cette avance lorsque la charge du moteur était plus élevée. Ces variateurs mécaniques ne pouvaient pas prendre en considération des réglage très fin en accords avec les conditions acoustiques, thermiques, bref inhérents au moteur. En donc ne pouvaient pas lutter contre l’émission des polluants. Un exemple typique : la concentration des NOx et des imbrûlés peuvent être sensiblement influencée par les angles d’avance à l’allumage.
Donc la maîtrise de la combustion passe (en partie) par un réglage de l’avance à l’allumage en fonction de la charge, du régime moteur, de la température de l’air d’admission / du liquide de refroidissement / des gaz d’échappement et de la position du papillon.
Aujourd’hui, les calculateurs moteurs intégrant des cartographies d’allumages, d’injection permettent d’avoir une finesse, une précision nettement plus importante. L’information étant délivré par une multitude de capteur travaillant en temps réel.
Pour historique, le tout premier contrôle date de 1950 lorsque l’on a généralisé l’emploi d’un dispositif agissant, au moyen d’un élément dilatable, sur le débit du liquide de refroidissement pour réguler la température du moteur de façon à la rendre indépendante des conditions de fonctionnement. La régulation de température a amélioré le comportement du moteur en maîtrisant mieux les échanges thermiques, en améliorant la combustion et en réduisant la durée de l’enrichissement du mélange qui est nécessaire à froid, elle a permis également une augmentation de sa durée de vie par une meilleure stabilisation des jeux mécaniques.
En ce qui concerne les moteurs Diesel, on retrouve l’utilisation de l’électronique sur la commande des injecteurs. D’injecteur à pilotage mécanique (l’avance à l’injection était régulé mécaniquement puis électriquement par la pompe), on est passé à un pilotage par solénoïde puis dernièrement par le piézo-électrique.
Le pilotage des injecteurs associé à la haute pression type « common rail » ou « pompe » permet d’établir plusieurs phases d’injection par cycle, jusqu'à 6 ou 7 actuellement permettant de réduire le bruit, les vibrations, la pollution bref optimiser grandement la pollution.
3 Combustion dans les moteurs à allumage commandé.
3.1 Commençons…par les généralités:
Le noyau initial généré par l’étincelle dans le mélange carburé se développe en formant un front de flamme dont la vitesse et la géométrie dépendent de la richesse du mélange, des conditions de température et de pression et des mouvements aérodynamiques dans
la chambre de combustion. Un mélange riche et une turbulence élevée sont des facteurs favorables à la propagation de la flamme. Au contraire, un mélange pauvre dans une chambre calme sont autant d’éléments défavorables, surtout s’il y a mélange avec des gaz brûlés provenant de cycles précédents (les gaz résiduels). Cette conjugaison peut entraîner à la limite le non-départ ou l’extinction de la flamme (ratés de combustion).
La combustion parfaite d’un hydrocarbure conduit à la formation de dioxyde de carbone et d’eau. Ce schéma idéal est rarement réalisé dans un moteur : les gaz d’échappement sont constitués d’un grand nombre de molécules, dont certaines sont des polluants identifiés, tels le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azote (NO, NO2, N2O, représentés comme NO x) et les hydrocarbures imbrûlés (HC). Le paramètre déterminant pour la production de ces polluants est la richesse du mélange carburé dans lequel s’est développée la combustion.
Les mélanges riches produisent du CO et des imbrûlés ; le CO disparaît en dessous du rapport stoechiométrique et réapparaît avec des HC lorsque se manifestent les ratés de combustion de la limite pauvre. Les oxydes d’azote sont caractéristiques des mélanges pauvres, leur maximum est atteint à la richesse 0,9 et ils disparaissent en dessous de 0,7. Les CO, HC et
NOx étant identifiés comme nuisibles, leurs émissions sont réglementées, mais les spécialistes ont répertorié d’autres molécules susceptibles de s’ajouter à la liste. Ainsi, le dioxyde de carbone est entré dans la réglementation depuis qu’il est fortement soupçonné de contribuer à l’effet de serre et au réchauffement de l’atmosphère. C’est en fait un marqueur des consommations et sa limitation est un des motifs de la réduction des consommations.
3.2 Injection directe et indirecte.
Les images parlent d’elle même.
3.3 Moyens de réduction des polluants des moteurs essences.
Vannes EGR.
La réduction des émissions de polluants peut s’envisager de plusieurs manières : en amont en contrôlant la richesse du mélange carburé, dans le cylindre en intervenant sur les processus de formation et dans l’échappement en transformant les polluants en effluents inoffensifs.
Le contrôle de la richesse du mélange carburé peut s’effectuer de façon à se situer dans la zone de mélange pauvre où il n’y a plus ni CO, ni NO x, et encore peu d’imbrûlés. La difficulté réside dans l’obtention de combustions correctes avec des richesses aussi faibles (0,6 à 0,8), ce qui impose des études approfondies sur la combustion et ses relations avec les processus internes au cylindre. La limitation de la formation des polluants pendant la combustion a jusqu’à maintenant été appliquée aux seuls oxydes d’azote. Le procédé le plus usuel est la recirculation des gaz d’échappement (RGE), qui consiste à prélever des gaz à l’échappement et à les envoyer à l’admission en aval du papillon. L’action sur la formation des NO x est très efficace (jusqu’à 50 % de réduction globale) ; elle s’interprète par une diminution des températures des gaz de combustion due à la dilution et un ralentissement conséquent de la cinétique de formation du polluant. La quantité de gaz recyclée peut atteindre 20 % en masse du débit admis.
Le traitement catalytique.
Le moyen de dépollution le plus répandu et le plus efficace actuellement est le traitement catalytique des gaz d’échappement : oxydation du CO et des imbrûlés, réduction des oxydes d’azote. Il est parfaitement opérationnel puisque pratiqué en série depuis 1975 aux États-Unis. La catalyse multifonctionnelle (ou pot catalytique « 3 voies ») réalise les trois opérations simultanément, avec pour contrainte de ne pouvoir fonctionner qu’avec un mélange carburé stoechiométrique. L'efficacité de la catalyse est mise en évidence par les courbes suivantes, qui montrent, en fonction du facteur d'air (l'inverse de la richesse), les réductions obtenues dans les émissions des divers polluants.
Sonde lambda
Les moteurs ainsi dépollués sont équipés d’un système d’injection électronique, le réglage à la richesse 1 étant effectué en boucle fermée au moyen d’une sonde à oxygène dans l’échappement (sonde l).
On constate que si l'on veut à la fois diminuer les émissions d'oxydes d'azote NOx, des imbrûlés HC et de monoxyde de carbone CO, il faut impérativement que la valeur du facteur d'air soit comprise dans une bande très étroite (entre 0,99 et 1 pour une transformation de 90 % des polluants). Cela signifie une légère perte de rendement du moteur par rapport à l'optimum (obtenu pour l » 1,2) Ceci provient de ce que l'on poursuit deux objectifs a priori contradictoires : d'une part réduire les oxydes d'azote, ce qui impose de travailler en l'absence d'oxygène, et d'autre part poursuivre l'oxydation en CO2 et H2O des imbrûlés et du monoxyde de carbone, ce qui en demande. Grâce aux catalyseurs, il est possible de mener de front ces différentes opérations, mais à la condition impérative de parfaitement contrôler le dosage en oxygène pour que la combustion soit stoechiométrique, ce que permet l'utilisation d'une sonde dite Lambda placée dans le collecteur d'échappement. Si la valeur de l diminue en deçà de 0,99 ou dépasse 1, l'efficacité du pot catalytique chute rapidement : 65 % pour l = 0,98 ou 1,01, 40 % pour l= 0,97 ou 1,02.
Pour arriver à maintenir la richesse dans une plage aussi étroite, il faut pouvoir déterminer avec une précis ion suffisante la quantité d'air aspirée, et y mélanger la quantité de carburant correspondante. Les travaux des constructeurs ont donc dans un premier temps porté sur l'amélioration des conditions de carburation en fonction de l'état de charge du moteur.
L'utilisation d'un pot catalytique "trois voies" ne peut se justifier qu'avec une régulation extrêmement précise de la carburation et de la combustion, c'est-à-dire avec des dispositifs d'injection et de commande de l'allumage électroniques. La régulation Lambda vient ainsi compléter la commande par cartographie d'allumage, en lui associant une boucle fermée sur la teneur en oxygène des gaz d'échappement, permettant d'affiner encore les réglages pour faire travailler le moteur en maintenant l dans la bande [0,99 - 1] désirée.
La catalyse ne s’amorce qu’à partir d’un seuil de température (environ 400 °C), qui impose un délai de fonctionnement dans les phases froides de démarrage. L’efficacité d’un catalyseur en bon état est supérieure à 90 %, elle diminue progressivement avec le vieillissement. Les démarrages à froid restent une cause importante de pollution du fait des enrichissements nécessaires pour assurer une carburation correcte et du délai de mise en température des catalyseurs. Des techniques existent pour en diminuer les conséquences, c’est ainsi que l’on peut rapprocher les pots catalytiques de la sortie du moteur, isoler thermiquement les conduits d’échappement ou insérer un catalyseur de démarrage près du moteur. Par ailleurs, le moteur fonctionnant en mélange riche pendant ces phases, il est nécessaire d’injecter de l’air supplémentaire à l’échappement afin d’assurer une oxydation suffisante du CO et des imbrûlés. Cet air secondaire est introduit en amont du moteur au moyen d’une pompe électrique et d’un système de vannes commandées électroniquement.
Catalyseur DeNox
Les moteurs à injection directe présentent la particularité de fonctionner en mélange globalement pauvre au cours des faibles charges, et d’émettre cependant des oxydes d’azote. La stratification de la charge en est la cause et fait qu’il y a localement des combustions se développant en mélange riche. Ainsi, des oxydes d’azote se retrouvent à l’échappement dans un milieu riche en oxygène, donc peu propice à une réduction chimique par les méthodes habituelles. Le peu d’efficacité des catalyseurs déNO x actuellement disponibles pour réaliser une telle réduction a conduit à une solution qui consiste à fixer les oxydes d’azote sous forme de nitrates lors des fonctionnements en mélange pauvre et de réduire ces derniers par des excursions périodiques en mélange stoechiométrique ou riche .
Ces procédés sont rendus possibles grâce à un contrôle précis de la richesse et, comme les catalyseurs mis en oeuvre sont très sensibles au soufre, les carburants doivent contenir un très faible taux de soufre. Pour cette raison, le taux de soufre des essences sera progressivement réduit (de 150 ppm masse en 2000 à 50 ppm en 2005).
4 Combustion dans les moteurs Diesel.
Quel que soit le type de moteur Diesel considéré, nous avons affaire à :
— un allumage par compression, éventuellement assisté par des artifices (par exemple, réchauffage de l’air admis ou bougie de préchauffage) ;
— une combustion par diffusion, c’est-à-dire une introduction séparée de l’air et du combustible dans le cylindre et une combustion pilotée par le mélange air + combustible.
Que le moteur fonctionne en 2 temps ou en 4 temps, qu’il soit suralimenté ou non, le cylindre est rempli à chaque cycle d’air frais, sans limitation volontaire du remplissage par un papillon.
4.1 Injection directe et indirecte.
Quelque soit les modes d’injection.
L’air est comprimé avec un rapport volumétrique élevé de façon à obtenir, une compression supérieure à la température d’auto-inflammation du combustible utilisé. Au voisinage du point mort haut (PMH), le combustible est injecté sous forme d’un ou plusieurs jets, avec une vitesse et une pression suffisantes pour qu’il soit très finement pulvérisé.
L’air chaud se mélange au combustible introduit, l’échauffe et le vaporise. Lorsque les conditions de température et de temps de séjour sont atteintes en un point particulier du jet, celui-ci s’enflamme, et la combustion se propage très rapidement à l’ensemble du jet. La combustion se poursuit au fur et à mesure que les mécanismes de mélange utilisés provoquent la rencontre à échelle moléculaire du combustible et de l’oxygène contenu dans l’air. Le mécanisme de mélange entre l’air et le combustible introduit est donc capital, tant pour la combustion proprement dite que pour la phase initiale d’échauffement du combustible jusqu’à son auto-inflammation.
4.2 Moyens de réduction des moteurs diesels.
Trois objectifs apparaissent prioritaires pour les évolutions à court et moyen terme :
- obligation de réduire la production d’oxydes d’azote dans la chambre de combustion, puisqu’il est en pratique très difficile de les éliminer a posteriori dans les gaz d’échappement.
- obligation de réduire les consommations du fait de l’effet de serre provoqué par les émissions de gaz carbonique.
- abaissement des émissions d’imbrûlés.
1. Traitement des NOx.
Les oxydes d’azote NOx sont formés, en majeure partie, au moment où la température maximale de flamme est atteinte.
Combustion retardée
La première solution utilisée pour réduire les émissions NOx consiste à retarder l’injection pour que la combustion ait lieu avec des températures de flamme plus faibles.
De fortes contre-indications apparaissent :
- réduction de la course de détente disponible pour faire travailler l’énergie chimique libérée par la combustion, d’où une augmentation de la consommation et donc des émissions de CO2 , du fait de la dégradation du rendement indiqué du moteur
- réduction de la puissance massique et du travail indiqué pour des pertes par frottement identiques, d’où une dégradation du rendement mécanique du moteur. Cette tendance, néfaste pour la consommation et les émissions de CO2, est compensable par un niveau de suralimentation plus élevé
- dégradation du rendement: de très forts retards à l’injection conduisent à dégrader très fortement le rendement sans réduire de manière significative les émissions de Nox ;
-injection après le PMH, dans des gaz dont la masse volumique et la température décroissent, réduisant la vaporisation du fioul injecté et augmentant la pénétration des jets et le délai d’allumage. Ces trois effets tendent à produire des arrosages des parois par du fioul liquide et des augmentations inacceptables des émissions d’hydrocarbures imbrûlés et de particules solides.
Les variations d’avance à l’injection ont, selon le point de fonctionnement du moteur, des effets très variables sur les émissions de NOx, d’hydrocarbures imbrûlés et de particules solides. Il y a donc intérêt à faire varier l’avance à l’injection en fonction du point de fonctionnement, en particulier en fonction du régime et de la charge, mais aussi en fonction de l’état thermique du moteur.
Refroidissement de l’air admis
L’obtention de faibles émissions de NOx passe par des températures de combustion aussi faibles que possible. La teneur en NOx étant proportionnelle à la température. Un des éléments actuellement largement utilisé pour les moteurs suralimentés est le refroidissement intermédiaire entre la sortie du compresseur et l’admission du moteur. Il permet d’utiliser au mieux la suralimentation en conservant la pression qui accroît le remplissage des cylindres et en éliminant la température qui tend à le réduire. Le refroidissement intermédiaire apporte en majorité des avantages :
- accroissement des quantités d’air disponible ;
- accroissement du couple et de la puissance ;
- réduction des émissions de fumées ;
- réduction des émissions d’oxydes d’azote.
Pour les points de fonctionnement à faible charge où il y a arrosage des parois, il est préférable de fonctionner avec des températures d’admission plus élevées pour réduire ces arrosages et les émissions d’hydrocarbures et de particules résultantes. Dans ces cas, le refroidisseur intermédiaire est directement néfaste, les gains en quantité d’air qu’il apporte sont peu utiles puisqu’il s’agit de fonctionnements à faible charge. Il est alors préférable de by-passer le refroidisseur pour profiter de l’échauffement de l’air dans le compresseur. Cette solution peu coûteuse est largement généralisée sur les moteurs Diesel suralimentés pour véhicules de tourisme.
Recirculation des gaz d’échappement
Comme sur le moteur essence, il permet d’abaisser efficacement les émissions de NOx , en réduisant les concentrations locales en oxygène et en abaissant plus ou moins les températures de flamme selon le refroidissement préalable des gaz recirculés. À pression de suralimentation constante, la dilution de l’air admis par des gaz d’échappement réduit la quantité d’oxygène présente dans le cylindre, ce qui tend à augmenter les émissions de fumées. En pratique, pour obtenir des réductions significatives des émissions de NOx , une recirculation de gaz d’échappement bien dosée pénalise moins la puissance, la consommation et les émissions de particules que de forts retards à l’injection qui ont un effet saturant sur la réduction des oxydes d’azote. De forts taux de récirculation de gaz d’échappement permettent d’obtenir des émissions de NOx très faibles qu’il est impossible de réaliser par de forts sous-calages. Dans ce cas, en l’absence de modifications du système de suralimentation, la réduction de la quantité d’oxygène disponible accroît considérablement les émissions de fumées du moteur. Il faut alors utiliser un filtre à particules pour ramener les émissions à des niveaux acceptables.
Injection d’eau
L’injection d’eau dans l’air admis par le moteur permet d’abaisser les températures de combustion et de réduire les concentrations en oxygène par une dilution à la vapeur d’eau. Du fait de la forte capacité thermique massique de la vapeur d’eau et avec une introduction d’eau partiellement vaporisée dans le cylindre, on obtient des réductions importantes des émissions de NOx en dégradant très peu les émissions de fumées du moteur. Les quantités d’eau introduites peuvent représenter 50 % de la masse de fioul injecté. Ce procédé, intéressant sur le plan des émissions et de la consommation, pose des problèmes de mise en oeuvre à bord du
Véhicule :
- un réservoir d’eau de la moitié environ de celui du combustible ;
- un système de dosage et d’injection d’eau ;
- un approvisionnement du véhicule avec de grandes quantités d’eau à minéralisation modérée
- des risques d’erreurs de remplissage entre le réservoir d’eau et celui du combustible ;
- un risque que les véhicules fonctionnent sans dépollution si le plein d’eau n’est pas fait. Ces objections font que cette solution est actuellement rarement employée malgré son avantage sur le compromis entre les émissions et la consommation.
2 Traitement des particules solides
Filtre à particules
Dans la mesure où toutes les suies n’ont pas pu être brûlées dans la chambre de combustion, il est possible de les détruire en aval par un filtre à particules. De par son principe, il ne peut agir que sur les particules qui sont captables à la température où les gaz d’échappement les traversent :
- pour des températures de gaz supérieures à 180 °C environ, les hydrocarbures HC imbrûlés sont présents en phase gazeuse. Il ne faut donc pas compter sur le filtre à particules pour réduire les émissions de HC pour des charges supérieures à 1/4 de la pleine charge.
- à basse charge, une partie des HC peut se condenser en amont du filtre à particules et y être captée. Les gouttelettes de HC condensées sont mouillantes et colmatent les pores du filtre beaucoup plus rapidement que les suies.
Le filtre permet de réduire la contribution des suies aux émissions de particules solides. Dans ce type de filtre, on retrouve, comme dans la chambre de combustion, le problème de température minimale nécessaire pour permettre la combustion des suies :
- en pratique, on constate, sans effets catalytiques, que les suies brûlent à des températures supérieures à 650 °C, soit environ 920 K. Par rapport aux températures de 1 000 à 1 100 K nécessaires dans la chambre, le gain lié au temps de séjour accru est en pratique très insuffisant ;
- l’utilisation d’un filtre catalytique classique permet d’abaisser le seuil de combustion des suies à 520 oC, soit environ 800 K. Ce gain est très insuffisant pour assurer une combustion des suies sur toute la plage de fonctionnement du moteur :
- au ralenti, les températures des gaz d’échappement en sortie de la turbine sont rarement supérieures à 150 oC
- compte tenu du rapport de détente et du rendement élevé des turbocompresseurs, les températures des gaz en sortie de la turbine sont rarement supérieures à ce seuil
- l’utilisation du filtre entre la soupape d’échappement et l’entrée de la turbine permettrait de bénéficier de températures de gaz plus élevées, mais au prix d’une dégradation des conditions de suralimentation qui n’est pas toujours acceptable.
La température des gaz d’échappement étant le plus souvent insuffisante pour assurer la combustion des suies captées, il est obligatoire d’utiliser des apports de chaleur extérieurs pour brûler les suies qui colmatent le filtre. La régénération n’est possible que s’il y a une température suffisante, elle est plus rapide si la concentration en oxygène disponible est élevée. Cela est en contradiction avec les caractéristiques naturelles des moteurs Diesel :
- les fortes concentrations en oxygène disponible se rencontrent à basse charge où les forts excès d’air conduisent à des températures de gaz d’échappement faibles ;
- inversement, les températures les plus élevées sont obtenues avec de très faibles excès d’air et des concentrations en oxygène disponible réduites qui freinent la vitesse de régénération.
Chez PSA, par une gestion appropriée du système d'injection "common rail", l'opération d'augmentation de la température s'effectue en deux étapes :
1. une post-injection de carburant en phase de détente crée une postcombustion dans le cylindre et entraîne une hausse de la température de 200 à 250° C ;
2. une postcombustion complémentaire, générée par un catalyseur d'oxydation placé en amont du filtre, traite les hydrocarbures imbrûlés issus de la post-injection. La température peut ainsi augmenter de plus de 100° C.
Même dans les conditions de roulage les plus défavorables où le moteur n'a pas le temps de monter en température, ces opérations, lorsqu'elles sont déclenchées, permettent de dépasser le seuil des 450° C dans les gaz de combustion.
Pour atteindre le seuil de régénération, le carburant est additivé avec de l'Eolys®, un composé à base de cérine mis au point par la société Rhodia, qui abaisse la température naturelle de combustion des particules à 450° C.
Catalyseur d’oxydation
À défaut de pouvoir supprimer complètement la production d’hydrocarbures HC imbrûlés dans les chambres de combustion, l’utilisation de catalyseurs d’oxydation permet de les détruire en aval des soupapes d’échappement. Par rapport aux filtres à particules, les catalyseurs d’oxydation ne posent pas le problème de colmatage par accumultaion d’un produit solide retenu. La combustion catalytique des HC nécessite une température minimale allant de 250 à 350 oC environ selon le type de catalyseur utilisé. Malheureusement, les émissions de HC dues aux arrosages des parois sont maximales sur les points de fonctionnement à faible charge, pour lesquels les températures d’échappement sont trop faibles pour que la combustion catalytique puisse avoir lieu. De plus, c’est aux faibles charges que le rendement de transformation de l’huile consommée en hydrocarbures imbrûlés est maximal. De manière générale, les catalyseurs qui fonctionnent aux températures les plus faibles ont tendance à convertir le soufre présent dans le combustible et dans l’huile brûlés en sulfates. Par rapport à un rejet du soufre brûlé sous forme de SO2 gazeux, la formation de sulfates peut accroître très sensiblement les émissions de particules du moteur, malgré une réduction des hydrocarbures imbrûlés. Il faut, dans ce cas, utiliser des combustibles à teneur en soufre réduite, minimiser la consommation d’huile du moteur et éventuellement réduire la teneur en additifs anti-usure de l’huile du moteur. Il faut signaler que la recirculation des gaz d’échappement permet de relever les températures d’échappement et d’élargir légèrement le domaine où le catalyseur peut fonctionner. L’utilisation d’un catalyseur d’oxydation ne peut donc apporter de résultats vraiment appréciables que si tout a déjà été fait pour réduire les émissions de HC à basse charge, là où il est inopérant.
Le piège à NOx ou catalyseur DeNox
Le principe de fonctionnement d’un piège à NOx est basé sur l’alternance de 2 phases :
– un fonctionnement normal en mélange pauvre durant lequel les oxydes d’azote, après avoir été oxydés en NO2, sont stockés sous forme de nitrates sur une masse adsorbante ;
– un fonctionnement en mélange riche durant lequel les NOx sont déstockés puis réduits pas les réducteurs (CO, HC) présents à l’échappement. Le déstockage et la réduction des oxydes d’azote nécessitent donc un fonctionnement à une richesse du mélange air/carburant supérieure ou égale à 1, inhabituel pour un moteur diesel. Ce fonctionnement est obtenu par modification des réglages moteur (débit d’air, phasage et durées des injections, taux d’EGR). L’objectif des développements en cours est d’optimiser ces basculements de richesse pour atteindre le meilleur compromis NOx/surconsommation de carburant. Les conditions de déstockage (niveau de richesse, réglages) influent sur sa durée et son efficacité : le déstockage, par exemple, est plus court à richesse élevée (> 1,15) et meilleur pour des réglages privilégiant les émissions de CO plutôt que d’HC. La régénération provoque également une forte montée en température du piège qui peut conduire à sortir de la fenêtre de stockage du piège et donc limiter l’efficacité de la phase de piégeage suivante.
La conjugaison de l’influence de ces différents paramètres tant sur le stockage que sur le déstockage montre que le meilleur compromis NOx/consommation est obtenue pour des richesses élevées de déstockage. Grâce à l’optimisation de l’ensemble du système, on peut ainsi atteindre des efficacités de réduction d’environ 80 % pour des surconsommations en gazole de 2 à 5 %. Pour éviter les relargages de CO et d’HC qui peuvent se produire lors des passages riches, on prévoit l’installation en aval du piège d’un catalyseur d’oxydation permettant de les traiter. Le piège à NOx exige également l’utilisation d’un carburant sans soufre (< 10 ppm). En effet en présence de soufre, le piège se sature progressivement de sulfates, plus stables que les nitrates, qui font chuter rapidement son efficacité et vont nécessiter de désulfater périodiquement le piège par des passages riches à haute température
Cumul FAP + DeNox
La mise au point d’un système combinant piège à NOx et filtre à particules va nécessiter de définir la technologie de filtre la mieux adaptée au traitement combiné (FAP, filtre catalytique, régénération avec additif dans le carburant), de définir la position respective des deux systèmes et de combiner les stratégies de contrôle moteur nécessaires au bon fonctionnement des deux systèmes (stockage/déstockage des nitrates, désulfatation du piège à NOx, régénération du filtre à particules) afin d’optimiser le compromis global NOx/ Particules/surconsommation. Lors de cette optimisation, la gestion thermique du système complet sera particulièrement importante puisqu’elle devra tenir compte de la fenêtre d’efficacité du piège, de la fenêtre d’efficacité du FAP ou du filtre catalytique selon le choix retenu, de l’impact de la régénération sur la durabilité du piège si celui-ci est placé en aval du filtre.
Le système de dépollution par plasma froid
Le système de dépollution par plasma froid ou plasma non-thermique est une solution innovante de traitement des gaz d'échappement. Encore au stade exploratoire, le concept est basé sur la création d'un milieu ionisé en créant un champ électrique pulsé au travers des gaz à traiter. Sous l'effet de ce champ électrique, les molécules de gaz se fragmentent et réagissent plus efficacement sur le catalyseur placé en aval.
Le concept global agit en deux étapes complémentaires. La première est associée au réacteur plasma non-thermique qui produit des électrons hautement énergétiques et des radicaux libres (O, N) qui entrent en collision avec les molécules stables du gaz d'échappement. L'effluent contenant un excès d'oxygène, les réactions chimiques qui découleront de cette modification du milieu conduiront à l'oxydation du NO en NO2. La seconde étape fait intervenir un catalyseur spécifique pour compléter la réaction de transformation des molécules polluantes. Ce catalyseur transforme le NO2 produit par le réacteur plasma froid en azote (N2, constituant normal de l'air). Au bilan, ce concept permet de traiter les émissions polluantes, notamment les oxydes d'azote, bien que la composition du gaz d'échappement (riche en oxygène) ne soit pas favorable à leur élimination.
Le système plasma non-thermique n'est pas sensible à l'empoisonnement par le soufre contenu dans le carburant, empoisonnement qui s'accompagne d'une diminution de l'efficacité des catalyseurs conventionnels après plusieurs milliers de kilomètres. Cet impact est particulièrement important pour les constructeurs compte tenu de la sévérisation des normes internationales vis-à-vis de l'endurance des véhicules.
Contrairement aux catalyseurs conventionnels, le système plasma non-thermique est efficace à haute comme à basse température. Le traitement électrique du gaz est bien sûr efficace à haute température (400°C en diesel et 600°C en essence) mais également pendant les périodes de démarrage du véhicule (températures inférieures à 100°C). Cet avantage est particulièrement intéressant dans la mesure où les émissions d'oxydes d'azote produites au cours de cette phase ne sont pas traitées par les catalyseurs conventionnels.
Les tests réalisés sur bancs d'essais montrent une réduction des émissions des oxydes d'azote (NOx) supérieur à 70 %.
Contrairement aux autres catalyseurs, le réacteur plasma n'est pas sensible au soufre contenu dans le carburant et fonctionne à basse température.
3 Une voie complémentaire sur les véhicules Industriels.
Normes d’emissions sur les Poids Lourds.
La SCR
La réduction catalytique sélective par l’ammoniac, employée depuis très longtemps sur les installations fixes de combustion, possède une efficacité de 90 % lorsque les gaz sont situés dans la fenêtre de température du catalyseur (200- 500 °C). Sur véhicule, le réducteur employé n’est pas l’ammoniac mais une solution aqueuse d’urée (NH2CONH2) qui injectée à l’échappement va libérer de l’ammoniac par une réaction d’hydrolyse.
La figure 4 donne une vue schématique d’un système SCR. Le catalyseur d’oxydation placé en amont permet d’augmenter le rapport NO2/NO des gaz d’échappement et ainsi d’accroître l’efficacité de conversion notamment à basse température en tenant compte du fait que la réaction de NO2 avec NH3 est plus rapide que la réaction de NO avec NH3.
Le catalyseur dit de « clean-up » placé en aval du système permet de traiter les éventuels rejets d’ammoniac excédentaire, notamment pendant les phases transitoires.
La mise au point du système pour une application véhicule va nécessiter de calibrer très précisément la quantité d’urée injectée en fonction de la quantité de NOx émis par le moteur, de la température d’échappement, des caractéristiques du catalyseur. À ce titre, la présence du catalyseur de clean-up offre une latitude supplémentaire et permet d’atteindre des taux de conversion des NOx plus élevés sans réémission d’ammoniac à l’atmosphère.
La figure 5 donne un exemple du système implanté sur un véhicule. Pour les applications envisagées pour Euro 4, les consommations volumiques d’urée représentent de l’ordre de
4 à 8% de la consommation de gazole.
A l’entrée : échappement moteur : NO
A la sortie : N2
La SCR est une technique de traitement des NOx très efficace dont la sortie en série est prévue par de nombreux constructeurs comme DaimlerChrysler, DAF, Volvo, Iveco et Renault Trucks à partir de 2005. Son principal avantage est d’être sans impact majeur sur le fonctionnement du moteur qui peut donc bénéficier d’une optimisation accrue du rendement énergétique et donc autoriser une diminution des émissions de CO2. Son inconvénient réside dans la nécessité d’embarquer à bord du véhicule et donc de distribuer dans des réseaux appropriés, l’urée nécessaire à son bon fonctionnement.
Message édité par bg45 le 11-04-2005 à 11:51:14
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