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Jean-Charles Ricaud

AVL LMM S.A.S.LES TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION

Atelier dépollution moteur, 21/04/2015Chaînes de traction thermique, Mov'eo

Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 2Public

LES TECHNOLOGIES DE DÉPOLLUTION

1. Contexte normatif passé et actuel

2. Contexte normatif à venir

3. Technologies de dépollution "in-cylinder"

4. Technologies de dépollution en post-traitement

5. Conclusions

1. CONTEXTE NORMATIF PASSE ET ACTUEL

Rappel des polluants actuellement réglementés en Europe :

• Masse de monoxyde de carbone CO

• Masse d'hydrocarbures imbrûlés CxHyOz, communément désignés par "HC"

• Masse de particules (en diesel mais aussi en essence depuis Euro 6b/6c)

• Nombre de particules (depuis Euro 6 ; en diesel mais aussi en essence)

• Masse d'oxydes d'azote "NOx" (regroupant NO, NO2 et N2O). Polluants les plus difficiles à traiter.

1. CONTEXTE NORMATIF PASSE ET ACTUEL

Évolution des normes : exemple des émissions de NOx et de particules(véhicules diesel des catégories M1 et N1 classe-1)

Euro 1 (1993) → Euro 2 (1996) → Euro 3 (2000) → Euro 4 (2005) → Euro 5 (2012) → Euro 6 (2014).

Forte réduction

des particules.

Forte réduction

des NOx.

-97% -82%-82%

5. Conclusion

2. CONTEXTE NORMATIF A VENIR

Évolutions à venir Euro 6b → Euro 6c :

• Valeurs définitives pour le nombre de particules des moteurs à allumage commandé

• Nouveaux carburants de référence (E10 et B7)

• Mise en place de la procédure d'homologation GTR-15 (ou WLTP), et du cycle WLTC associé.

• Mise en place des limites RDE (Real Driving Emissions)

Réglementation GTR-15 :

Réglementation GTR-15 : remplacement du cycle NEDC par le cycle WLTC

Réglementation GTR-15 : nouveaux polluants ?

Homologation RDE (1/6) :

5. Conclusions

3. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION "IN-CYLINDER"

Sur moteur diesel : système de combustion (1/3)

Chambre de combustion

Système d'injection

Bols étroits → bols élargis → lèvre abaissée/étagée

Injection multiple Réduction

du bruit

Optimisation de

la combustion

Traitement des gaz

d'échappement

Système pour traiter les émissions brutes de NOx.

Généralisation en cours de l'EGR "basse-pression"

Gestion liée au système de suralimentation

Sur moteur essence à injection directe : système de combustion (1/1)

Principaux challenges : émissions de particules (combustion diffusive), surtout à froid.

Injection

Injecteurs multi-trous.

Injection multiple.

Combinaison injection directe/ injection indirecte

Au-delà de la distinction diesel/essence : (1/1)

Combustion homogène pauvre, "froide"

Émissions de NOx et de particules très faibles

Émissions de CO et HC très élevées

"Reactivity Controlled Compression Ignition" (RCCI)

5. Conclusions

4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT

Pourquoi les systèmes de "post-traitement" sont devenus nécessaires ?

Les normes sur les émissions polluantes sont devenues de plus en plus sévères.

Les mesures internes ne suffisent plus pour respecter les normes !

Action générale des systèmes de "post-traitement"

Transformer, par réactions chimiques, les composés toxiques réglementés en composés "neutres" :

NO, NO2

particules

Système de

post-traitement

…sans créer d'autres composés toxiques (NH3, …) !

Le catalyseur 3-voies (1/2)

Définition

Système pour traiter simultanément les émissions brutes de CO, HC et NOx.

Principale technologie utilisée pour réduire les émissions des moteurs à essence à richesse 1.

Fonctionnement

Réactions chimiques d'oxydo-réduction entre les espèces oxydantes (NOx) et les espèces réductrices (CO,

Ces réactions sont catalysées (= facilitées) en présence d'autres

espèces chimiques (souvent des métaux précieux Pt, Rh, …).

Elles sont d'autant plus actives que la température (des

gaz d'échappement et du catalyseur lui-même) est élevée.

Le catalyseur 3-voies (2/2)

Développements actuels

Réduction du temps d'amorçage du catalyseur

• par la formulation ;

• en le rapprochant au plus près du moteur (mais attention à sa tenue à chaud).

Performances à froid

• Capacité de stockage des HC

• Capacité de stockage d'oxygène.

Réduction de la charge en métaux précieux.

Le catalyseur d'oxydation (1/4)

Définition

Fonctionnement

Système pour traiter les émissions brutes de CO, HC et la partie SOF des particules.

Monté sur tous les moteurs diesel depuis ~1997.

Le moteur diesel fonctionnant toujours à richesse < 1, il y a un excès d'espèces chimiques oxydantes dans

les gaz d'échappement. Seules les réactions d'oxydation peuvent avoir lieu.

Conversion du CO et des HC :

Ces réactions sont d'autant plus rapides que le catalyseur est chaud.

Lorsqu'il est froid (juste après le démarrage du moteur), la conversion

est quasiment nulle :

Fonctionnement (suite)

Action sur les NOx :

La quantité de NOx (NO + NO2) est quasiment inchangée dans le

catalyseur d'oxydation. Mais le ratio NO2/NO augmente :

Action sur les particules :

Rappel : les particules sont composées d'une partie IOF (carbone pur) + une partie SOF (fraction organique

≈ HC).

Le catalyseur convertit efficacement la partie SOF.

Cette production de NO2 est exploitée lorsqu'un filtre à particules ou

un catalyseur SCR est installé en aval du catalyseur d'oxydation.

Développement en cours :

Élargissement des fonctionnalités du catalyseur :

• Oxydation des espèces gazeuses et des SOF. Nécessite une charge élevée en métaux précieux (Pt, Pd) pour la

conversion à froid.

• Cracking et/ou oxydation des SOF ;

• Stockage temporaire des HC (lorsque le catalyseur est froid, pour pouvoir les convertir ultérieurement lorsqu'il est

monté en température). Stockage dans des zéolites ajoutées au wash-coat.

Adaptation aux combustions à basse température, fortement émissives en CO et HC.

Implantation particulière

Cas particulier de l'implantation en amont de la turbine :

Avantages : Montée en température plus rapide du

catalyseur meilleure efficacité.

Le catalyseur d'oxydation des particules (1/3)

Définition

Fonctionnement

Système pour traiter les émissions brutes de particules.

Diverses appellations :POC (Partial Oxydation Catalyst), flow-through filter, open particulate filter, partial flow filter, partial filter technology, PM

oxydation catalyst, PM filter catalyst.

C'est un catalyseur d'oxydation qui a la capacité de retenir les particules solides. Lorsque la quantité de

particules stockée augmente, le POC ne se colmate pas (comme un filtre à particules) mais son efficacité de

conversion diminue.

Filtration des particules. Capture et stockage dans le media poreux du POC.

Régénération. Oxydation des particules stockées, par le NO2 et, si le matériau est catalysé, par une catalyse

de contact.

Rejet. Entraînement par le flux gazeux des particules stockées, surtout lorsque le POC est chargé et lors des

fonctionnement en transitoire du moteur.

Exemples :

PM-Metalit de la société Emitech :

Feuille de métal fritté

En mousse de céramique :

En mousse métallique :

Avantages et inconvénients

Taux de réduction des particules > 50 % (en terme de masse et de nombre).

Compromis entre le catalyseur d'oxydation simple (ayant un taux de réduction inférieur) et le filtre à

particules à régénération forcée (plus efficace mais beaucoup plus complexe).

Régénération "aléatoire"

Faible retenue des particules lors des transitoires.

Fiabilité

Pas utilisé en automobile

Le catalyseur de-NOx ou HC-SCR (1/2)

Définition

Fonctionnement

Système pour traiter les émissions brutes de NOX.

Appellations :

LNC (Lean NOx Catalyst), DeNOx catalyst, HC-SCR (Selective Catalytic Reduction par les HC)

Le moteur diesel fonctionnant toujours à richesse < 1, il n'y a pas d'espèces chimiques réductrices dans les

gaz d'échappement pour réduire les oxydes d'azote NO et NO2.

1ère solution : apporter "artificiellement" une espèce chimique réductrice disponible à bord du véhicule

apport de carburant (= HC)

catalyseur de-NOx (ou HC-SCR) et NOx-trap

2ème solution : apporter "artificiellement" une espèce chimique réductrice supplémentaire

apport d'urée

catalyse SCR

Le catalyseur de-NOx ou HC-SCR (2/2)

Fonctionnement (suite)

Réaction chimique souhaitée :

CXHY + (2x+0,5y)·NO → x·CO2 + 0,5y·H2O + (x+0,25y)·N2

Réaction chimique non souhaitée :

CXHY + (x+0,25y)·O2 → x·CO2 + 0,5y·H2O(le carburant réagit avec l'oxygène au lieu de réagir avec le

Formulation du catalyseur spécifique pour favoriser la réaction

Avantages et inconvénients

Traitement des NOx sans apport extérieur d'une espèce

chimique supplémentaire

Faible taux de conversion, mais R&D très active sur le sujet…

Le catalyseur SCR à l'urée (1/3)

Définition

Fonctionnement

Apport "artificiel" une espèce chimique réductrice supplémentaire pour réduire les NOx.

Schéma général de la ligne d'échappement :

Le catalyseur SCR à l'urée (1/3)

Développement en cours :

Amélioration de la conversion (actions sur la catalyse, sur la conception, sur le contrôle).

Efficacité possibilité d'avoir des émissions de NOx brutes supérieures consommation

Amélioration de la conversion à basse température.

Rendement des moteurs température d'échappement efficacité de la conversion SCR

Maintien de l'efficacité au cours du vieillissement du catalyseur.

Réduction du relargage de NH3 (NH3-slip).

Réduction de la sensibilité au soufre contenu dans le carburant (pour certains marchés).

Le NOx-trap (1/3)

Définition

Diverses appellations :LNT (Lean NOx-Trap), NAC (NOx Storage Catalyst), DNT (DeNOx Trap), NSC (NOx Storage Catalyst), NSR

(NOx Storage/Reduction Catalyst).

Fonctionnement

Phase de chargement : Durée de ~10 min (pour ~10 km de roulage). Le NOx-trap stocke

les oxydes d’azote contenus dans les gaz d’échappement en les

piégeant chimiquement.

Phase de purge : Durée de ~5 s. Après cette purge, le NOx-trap est

nettoyé et prêt à poursuivre son rôle de piège à NOx.

"Trap" = "piège". Les NOx sont "piégés" pour être traités et convertis en gaz "neutres".

Fonctionnement par alternance de phases de chargement du piège et de phases de purge.

Opérations totalement transparentes pour le conducteur.

Le NOx-trap (1/3)

Développement en cours

Amélioration du stockage (= adsorption) des NOx à basse température.

Prise en charge de la fonction d'oxydation du catalyseur DOC par le NOx-

Combinaison avec un catalyseur SCR amélioration de l'efficacité globale du

traitement des NOx.

Le filtre à particules pour moteur diesel (DPF) (1/2)

Définition

Fonctionnement

Système de post-traitement pour traiter les émissions brutes de particules.

Classification selon le mode de régénération :

Fonctionnement : phases de stockage / phases de régénération

Le filtre à particules pour moteur diesel (DPF) (2/2)

L'efficacité sur la masse de particules n'est pas un problème. Le développement se focalise sur la

réduction du coût.

Faciliter la régénération passive des particules par le NO2 (approche systémique).

Intégration de la catalyse SCR sur le filtre.

Filtration pour réduire le nombre de particules

Le filtre à particules pour moteur essence (GPF) (1/2)

Définition

Fonctionnement

Système de post-traitement pour traiter les émissions brutes de particules (nombre).

Principe similaire au DPF mais…

… fonctionnement sans régénération active car :

• Température de gaz d'échappement supérieure facilitant la régénération passive

(lors des décélérations, seuls moments où on peut avoir des espèces oxydantes

en excès)

• Vitesse d'oxydation des particules plus élevée.

… matériau cordiérite (généralement SiC pour les DPF).

Le filtre à particules pour moteur essence (GPF) (2/2)

Réduction de la contre-pression générée à l'échappement.

Filtre incluant un revêtement catalytique "3-voies" → catalyseur "4-voies"

Développements pour réduire la contre-pression à l'échappement

réduire le temps de light-off.

Le remplacement du catalyseur 3-voies par un GPF catalysé est

parfaitement envisageable.

Les systèmes combinés/complets (1/2)

Combinaison des fonctions SCR et filtre à particules

Filtre à particules revêtu d'un substrat pour la catalyse SCR.

Intérêts :

• Catalyse SCR placée plus près de la sortie du moteur montée en température plus rapide

efficacité de conversion à froid.

• Meilleure efficacité à iso-température ?

• Encombrement réduit.

Les systèmes combinés/complets (2/2)

Association d'un NOx-trap passif et d'un SCR

Intérêts :

• Stockage des NOx par le NOx-trap lors des démarrages à froid (SCR inopérant) puis relargage

passif lorsque la température (SCR efficace).

Association d'un NOx-trap et d'un SCR

Intérêts :

• Génération de l'ammoniac (NH3) nécessaire à la catalyse SCR au sein du NOx-trap placé en

amont, lors des phases de fonctionnement riche.

• Conversion des NOx à froid (SCR inopérant).

Autres applications

Catalyseur d'oxydation pour refroidisseur d'EGR

Solution alternative :

Implantation d'un catalyseur d'oxydation

devant le refroidisseur. Vanne

Refroidisseur

Catalyseur

Problématique :

Encrassement du refroidisseur d'EGR réduction de sa capacité de refroidissement.

obstruction qui, à la limite, ne peut plus être compensée par le contrôle-

moteur (boucle fermée).

les émissions brutes (NOx) du moteur augmentent et peuvent dépasser les

limites autorisées.

Solution généralement adoptée :

Sur-dimensionnement du refroidisseur au stade de la conception.

5. Conclusions

5. CONCLUSIONS

Toute innovation technologique est évaluée vis-à-vis de ses répercussions sur les

émissions polluantes.

Parmi les systèmes de post-traitement, seuls les systèmes dédiés au post-traitement

des NOx apportent un avantage pour l'utilisateur du moteur.

L'innovation sur le "hardware" est indissociable de l'innovation sur le "software"

(calibration "model-based").

Le développement se focalise aujourd'hui davantage sur les émissions de CO2.

www.avl.com

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