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Introduction aux technologies de réduction des émissions

Convertisseurs catalytiques

Ce terme désigne le boîtier en acier inoxydable monté dans le système d'échappement. Ce boîtier renferme le catalyseur, un substrat céramique ou métallique pourvu d'un revêtement actif incorporant des composés chimiques (la couche catalytique) qui agit comme support physique à une association de métaux ou minéraux catalytiques, choisis pour leur efficacité à réduire les émissions. Le catalyseur peut aussi être une structure nid d’abeille en céramique homogène dans laquelle les composés actifs ont été incorporés lors de son extrusion. Le catalyseur peut être protégé des vibrations et des chocs par une nappe résiliente. Pour plus de détails sur les différents types de catalyseurs automobiles, se reporter à la page Catalyseurs.

Convertisseur catalytique dans une nappe protectrice, à l'intérieur d'une enveloppe en acier fort	Convertisseur à substrat métallique

Filtres à particules

En fonction de la technologie des moteurs et des spécificités des applications, plusieurs technologies de filtres peuvent être employées pour réduire les émissions de particules. Le filtre à parois filtrantes est un substrat céramique par les parois duquel le gaz est forcé de passer, permettant ainsi la filtration des particules avec plus de 99% d'efficacité. Ce substrat est également monté dans un boîtier en acier inoxydable et protégé par une nappe résiliente. Ces filtres peuvent aussi posséder un revêtement actif semblable à celui utilisé pour les catalyseurs automobiles, pour assurer leur régénération. Des additifs catalytiques solubles ou le contrôle moteur peuvent égalent être utilisés pour permettre la régénération.

Le filtre partiel est un dispositif qui sépare typiquement 30 à 60% des particules du gaz d'échappement. Ces filtres sont disponibles dans divers matériaux allant de la fibre au métal.

Pour plus d'informations, se reporter à la page Filtres à particules.

Pièges et adsorbeurs

Les pièges et les adsorbeurs sont semblables aux catalyseurs automobiles mais sont utilisés pour réduire les émissions de certains polluants spécifiques - généralement les NOx ou les HC - lorsque les conditions de fonctionnement ou la composition des gaz d'échappement ne conviennent pas à une action catalytique en continu. Ces systèmes stockent le polluant pendant un certain temps puis le relâchent lorsque les conditions lui permettent de réagir sur les matériaux catalytiques, réduisant ainsi les émissions. Pour plus d'informations, se reporter à la page Adsorbeurs.

Substrats

Les substrats qui supportent la couche catalytique peuvent être céramiques ou métalliques, chaque type offrant des avantages particuliers selon les applications et leur position dans le système d'échappement. Le développement de substrats à parois ultra-minces renforcées avec des densités de cellules allant jusqu'à 1 200 cellules par pouce carré (cpsi) (186 cellules/cm2) a largement contribué à l'efficacité accrue des catalyseurs automobiles.

2) Substrats de filtres à particules à parois filtrantes	3) Substrats métalliques

La technologie des substrats qui supporte la couche catalytique a considérablement progressé. En 1974, les substrats céramiques présentaient une densité de 200 cellules par pouce carré (cpsi) de section transversale (31 cellules/cm2) et une épaisseur de paroi de 0,012 pouce ou 12 millièmes de pouce (0,305 mm). A la fin des années 70, la densité des cellules était passée de 300 à 400 cpsi, et l'épaisseur des parois avait diminué de 50% pour atteindre 6 millièmes de pouce. Il existe désormais des substrats de 400, 600 et 900, et même 1 200 cpsi, et l'épaisseur des parois peut être réduite à 2 millièmes de pouce, soit presque 0,05 mm.

En parallèle, à la fin des années 70 sont apparus sur le marché les substrats dérivés des feuilles ultrafines d'acier anti-corrosion. Dans un premier temps, ces feuilles étaient produites dans un matériau n'excédant pas 0,05 mm d'épaisseur pour atteindre une densité élevée des cellules. A présent, on peut concevoir des structures internes complexes ; il existe des substrats métalliques de 800 et 1 000 cpsi, et l'épaisseur de leurs parois a pu être abaissée à 0,025 mm.

Cette évolution de la technologie des substrats céramiques et métalliques offre des avantages considérables. Il est désormais possible d'intégrer dans un volume de convertisseur donné une surface de catalyseur plus importante et d'assurer ainsi une meilleure performance et une plus longue durée de vie. La finesse de paroi réduit la capacité thermique en limitant les pertes de charge. On peut aussi obtenir des résultats comparables avec un convertisseur catalytique de moindre volume, qui facilite la pose du catalyseur près du moteur, dans des voitures d'une conception de plus en plus compacte.

Revêtement catalytique

Des formulations catalytiques ont été développées pour permettre une efficacité maximum et l'utilisation optimale des métaux précieux : platine (Pt), palladium (Pd) et rhodium (Rh). La nanotechnologie utilisée pour la fabrication des composants de la formulation catalytique résulte en une stabilité accrue des cristallites ; une large surface spécifique jusqu'à une température d'environ 1 000°C ; et une amélioration de la capacité de stockage de l'oxygène. Ces améliorations, associées aux nouveaux procédés d'enduction qui permettent d'optimiser la distribution du revêtement catalytique, jouent un rôle primordial dans la performance exceptionnelle des catalyseurs automobiles.

Catalyseurs homogènes

Le catalyseur homogène est une alternative au substrat à revêtement catalytique. Dans ce cas, seuls les composés actifs ont été incorporés lors de son extrusion. Aujourd’hui, cette technologie est utilisée pour les catalyseurs SCR.

Solutions durables

La performance dans le temps en matière d'émissions est déterminante pour tirer tout le profit écologique possible d'une technologie avancée dans ce domaine. La technologie utilisée doit s'accorder avec la durée de vie anticipée des véhicules ; il convient par ailleurs de soumettre ces véhicules à des contrôles réguliers pour s'assurer que les systèmes installés fonctionnent correctement et qu'ils n'ont été ni endommagés ni mal entretenus. Dès 2000, l'Europe a adopté des systèmes de contrôles embarqués (OBD), conçus pour contrôler le fonctionnement du système de gestion du moteur et des éléments du dispositif de réduction des émissions, y compris l'efficacité du convertisseur catalytique. Des systèmes équivalents ont été mis en place pour les moteurs lourds (camions et bus) en 2005.