Deux en un : filtre à particules diesel et catalyseur de la réduction des oxydes d’azote

La combustion du diesel dans les moteurs des véhicules génère un mélange d’émissions toxiques pour l’homme et l’environnement, notamment des oxydes d’azote et des particules de suie. Jusqu’à présent, ces émissions sont retenues, et partiellement neutralisées, dans des parties distinctes du système de traitement des gaz d’échappement des véhicules. En raison de cette séparation spatiale, le traitement des gaz d’échappement prend de la place. Mais pour les fabricants de véhicules, chaque centimètre cube susceptible d’être économisé compte. Raison pour laquelle figure en bonne place dans leur liste de priorités le développement de systèmes compacts de traitement des gaz d’échappement. Un dispositif qui capterait les particules issues de la combustion de diesel, tout en réduisant les oxydes d’azote en azote gazeux inoffensif : tel est l’objectif visé depuis quelques années par les ingénieurs des départements de développement, chez de nombreux constructeurs automobiles.

Oxydes d’azote transformés en azote gazeux inoffensif

Lors du traitement des gaz d’échappement, les oxydes d’azote sont transformés en azote gazeux inoffensif, par le biais de ce qu’on appelle la réduction catalytique sélective (RCS). Pour ce faire, comme l’indique le terme, il faut un catalyseur. La fonction de ce dernier consiste à accélérer et à augmenter l’efficacité de la réduction des oxydes d’azote, en les faisant réagir avec de l’ammoniaque. Cette ammoniaque provient avant tout de la dégradation de l’urée stockée à bord, dans un réservoir, et qui n’est injectée qu’au besoin dans le flux des gaz d’échappement.

Si l’on veut réduire les oxydes d’azote et filtrer la suie au même endroit, il faut s’assurer que la suie du diesel ne perturbe pas la catalyse de la réduction des oxydes d’azote. Car le carbone qui compose la suie est réactif, et dans un système de traitement des gaz d’échappement combiné de ce genre, il entre en contact avec des oxydes d’azote, de l’oxygène, de l’ammoniaque et de l’urée. Comparé aux composants spatialement séparés, les possibilités de réactions sont donc multipliées.

La suie constitue-t-elle un obstacle éventuel ?

Dans le cadre de sa thèse de doctorat, Max Mehring, doctorant au PSI, a analysé l’effet du dépôt de la suie sur la fonction du catalyseur RCS, en conditions réalistes. Ses résultats montrent qu’au lieu d’être un facteur perturbateur, la suie peut même venir en renfort de la transformation catalytique des oxydes d’azote en azote inoffensif.

Max Mehring et ses collègues du Laboratoire de bioénergie et de catalyse l’ont démontré grâce à des expériences, au cours desquels ils ont analysé différents échantillons de suie : des échantillons de suie artificielle, et des échantillons de suie réelle, comme celle que produisent les moteurs de camions. Les chercheurs ont testé l’effet catalytique de la suie à des températures et à des vitesses de flux de gaz, typiques de celles que l’on observe avec un véhicule fonctionnant en charge partielle. En règle générale, des températures élevées et des flux de gaz lents favorisent la réduction catalytique des oxydes d’azote. Ce rapport de cause à effet est connu, et a été une fois encore confirmé. Les scientifiques ont par ailleurs découvert que la suie favorisait la réduction des oxydes d’azote, mais uniquement si le mélange gazeux contenait du dioxyde d’azote. Heureusement, dans la pratique, le dioxyde d’azote est présent dans le flux des gaz d’échappement : dans la chaîne de transformation des gaz d’échappement disponible sur le marché, il se constitue dans le catalyseur d’oxydation diesel, avant de passer dans le catalyseur RCS. Sauf que, la plupart du temps, le dioxyde d’azote est produit en quantités insuffisantes, ce qui représente un facteur limitatif dans la pratique. Une fois que le dioxyde d’azote est consommé, la suie cesse d’avoir un effet catalytique sur la réduction des oxydes d’azote.

Une nouvelle réjouissante pour les développeurs

Mais tant que le dioxyde d’azote est présent, la suie participe en total à la réduction des oxydes d’azote, à hauteur d’au moins 5%. « La contribution n’est pas gigantesque, mais c’est une nouvelle réjouissante pour les développeurs, qui redoutent une chose avant tout : que les dépôts de suie n’étouffent la réduction des oxydes d’azote», explique Oliver Kröcher, directeur du Laboratoire de bioénergie et de catalyse. «Nos travaux montrent que ce n’est certainement pas le cas.»

Text: Paul Scherrer Institut/Leonid Leiva