Fonctionnement du piège à NOx

Le moteur Diesel émet un taux d’oxydes d’azote NOx plus élevé que le moteur essence en raison de son principe de combustion en excès d’air. En effet, en théorie, la combustion effectuée dans le moteur est complète, ce qui engendre une production du dioxyde de carbone,CO2 et d’eau, H2O. Mais en réalité, ce n’est pas le cas, ce qui provoque une émission de gaz toxiques : d’une part la combustion est incomplète d’où l’apparition des hydrocarbures imbrûlés,HC, et d’autre part la présence de réactions parasites entraîne la présence en sortie des oxydes d’azotes,N O,N O2 que l’on note NOx et du monoxyde de carbone,CO.

Malgré les efforts déployés pour réduire à la source les émissions polluantes des moteurs à combustion interne, c’est-à-dire en optimisant le processus de combustion et les carburants, les normes de pollution de plus en plus sévères (cf figure 1.1a) imposent de recourir à des dispositifs de post-traitement des gaz de combustion de plus en plus perfectionnés. Les seuils de rejet de NOx que les normes du futur imposeront, seront inférieurs à ceux que peut garantir un pot catalytique conventionnel. Une des solutions envisagées pour répondre à leurs exigences est de compléter son action par un nouveau filtre baptisé piège à NOx, ou NOx trapen anglais.

(a) Évolution des normes anti-pollution européennes (b) En grisé, contribution des transports aux émissions globales de polluants en Europe (2001)

Figure 1.1 – Informations relatives aux polluants, Pinchon [128]

Le piège à NOx retient les oxydes d’azote et les stocke dans une structure microporeuse, ce qui impose des phases de régénérations régulières. Le piège à NOx remplit le rôle à la fois de catalyseur d’oxydation traditionnel (oxydationHC/CO) et piège à NOx. Contrairement à sa fonction d’oxydation qui est continue, la fonction de piège à NOx est discontinue. Plus de détails quant à son fonctionnement précis sont donnés dans la section 1.1.2.

Pourquoi réduire les NOx ? Il faut tout d’abord rappeler le fait que le transport (véhicules lourds et véhicules légers confondus) représente la première source d’émissions de NOx (environ 70% en Europe en 2001, voir figure 1.1b), il est donc logique que les normes soient sévérisées car les effets de ce polluant sur la santé et l’environnement sont préoccupants. Les NOx sont responsables de l’augmentation de la teneur en ozone (O3) dans la basse atmosphère, entrainant des pics de pollution estivaux se manifestant en général aux abords des grandes agglomérations, provoquant des irritations respiratoires et oculaires.

Figure 1.2 – Localisation du piège à NOx

Le piège à NOx est un système de post-traitement catalytique qui se situe dans la ligne d’échappement diesel (voir figure 1.2). Il s’agit d’une structure alvéolaire avec un support poreux imprégné de produits chimiques. Son principe consiste à faire passer les gaz d’échappement à travers cette structure, dans laquelle une réaction de catalyse se produit au contact de métaux précieux et transforme ainsi les polluants. Plus précisément, il s’agit d’adsorber puis d’oxyder des polluants grâce à l’action catalytique de métaux précieux, généralement du platine (Pt) ou plus rarement du palladium (Pd). Ensuite, les NOx résultant de cette oxydation sont stockés grâce à un autre composant, du baryum (Ba). Les NOx sont ensuite réduits et libérés par l’action d’un troisième métal, le rhodium (Rh), lors des périodes de régénération du filtre. Tout ceci étant contenu dans un canning, pour l’insertion dans la ligne d’échappement (voir figure 1.3).

Figure 1.3 – Constitution d’un piège à NOx

Néanmoins, ces filtres ont des problèmes de fiabilité dans le temps et ne peuvent fonctionner de façon durable tant que les carburants contiennent du soufre, car le soufre conduit à l’empoisonnement du piège. De plus une des difficultés majeures est de gérer efficacement le passage entre la phase de stockage et de déstockage du piège, qui, pour cela, nécessite une bonne compréhension du système cinétique c’est-à-dire une bonne modélisation du fonctionnement du piège.

Pour des raisons de simplicité et pour contrôler précisément les paramètres qui entrent en jeu, les expériences effectuées afin d’étudier le comportement du piège à NOx, ne sont pas directement opérées sur un véhicule, mais en laboratoire sur un échantillon de catalyseur. Plus précisément, celles-ci sont menées sur banc gaz synthétique (BGS), un système expérimental reproduisant au mieux les conditions d’utilisations réelles. Chacun des essais correspond à des cas où la composition varie, de manière à couvrir le domaine d’utilisation du piège à NOx. Dans chacune des expériences réalisées, on applique une rampe de température afin de balayer l’intervalle de tempé-rature dans lequel le piège à NOx fonctionne en aval du moteur. La figure 1.4 est un schéma de fonctionnement du BGS. Une photo du BGS d’IFP Energies nouvelles sur lequel nos expériences ont été effectuées est également donnée (figure 1.5).

Figure 1.4 – Dispositif expérimental : Banc Gaz Synthé-tique (BGS)

La réalisation d’une expérience se déroule de la ma-nière suivante :

– le dosage des proportions de chaque espèce que l’on souhaite dans notre gaz s’effectue au moyen de dé-bitmètres placés après les vannes d’arrivées, – le mélange obtenu est ensuite envoyé dans un

réac-teur en quartz, contenant, au centre, un échantillon du catalyseur de dimensions 2,5cm de diamètre et 5cm de longueur,

– ce réacteur est placé dans un four reproduisant la chaleur dégagée par le moteur, qui permet la mise en action du piège à NOx, les caractéristiques de chauffe étant choisies (température initiale, évolu-tion de la température),

– le gaz en sortie du réacteur passe par les analyseurs qui mesurent et enregistrent la proportion de chaque espèce.

L’expérience se déroule sur 4000 secondes, et toutes les demi-secondes, nous enregistrons les différentes mesures : composition duHC, duCO et des NOx en sortie, et température amont/aval.

Figure 1.5 – Photo du BGS d’IFP Energies nouvelles, sur lequel les expériences ont été réalisées On peut voir sur cette photo du BGS, les vannes d’arrivée des espèces que l’on souhaite dans notre gaz en entrée (cercle n°1), les débitmètres contrôlant la proportion de chacune des espèces (cercle n°2), le four contenant le réacteur en quartz (cercle n°3) et enfin les analyseurs et enregistreurs de la composition des gaz en sortie du four (cercle n°4).