une usine chimique sur roues
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une usine chimique sur roues

Apparu au début des années 90, le catalyseur n'a cessé d'évoluer. C'est principalement sur cet équipement que comptent les ingénieurs pour rendre la voiture complètement propre.

Par Stéphane Guilbaud
Publié le

La catalyse, dans une automobile, consiste à rendre les gaz d'échappement moins nocifs en transformant les polluants en produits inoffensifs. Cette transformation est un procédé chimique. Elle intervient en modifiant la structure des plus petites parties des corps composant ces gaz : les molécules.

Ces molécules n'ont aucune raison de se modifier naturellement. On les y oblige donc en utilisant le phénomène de catalyse.

Lorsqu'ils pénètrent dans le pot catalytique, les gaz sont forcés dans un bloc percé de plusieurs centaines d'alvéoles dont la largeur n'excède pas quelques dixièmes de millimètre. Ce bloc est appelé substrat. La base est la plupart du temps une céramique appelée cordiérite. Des substrats en acier inoxydable commencent à faire leur apparition. Ils montent en température plus vite que leurs équivalents en céramique. Mais le coût de fabrication est environ deux fois plus élevé.

Chacune des alvéoles de ce substrat est recouverte d'une fine couche de métaux précieux, le catalyseur proprement dit. Il s'agit de palladium, de rhodium ou de platine. A leur contact et sous l'effet de la chaleur, les gaz réagissent, leur structure est modifiée. Pour que ce processus chimique fonctionne, la température dans le pot catalytique doit être supérieure à 250 °C pour le traitement du monoxyde de carbone (CO) et de 340 °C pour les hydrocarbures. Cette température est appelée « point d'amorçage » du catalyseur. Pendant les premiers kilomètres, le catalyseur ne fonctionne donc pas. Les équipementiers réfléchissent donc à des solutions pour accélérer la montée en température du catalyseur. L'une de ces solutions pourrait être un réchauffeur électrique placé devant le substrat. Il est également possible d'isoler le substrat avec un écran thermique qui permet de le garder chaud pendant 24 heures. Mais l'option la plus répandue aujourd'hui est une implantation du catalyseur au plus près du collecteur d'échappement.

Les catalyseurs employés en automobile utilisent les principes de la modification des polluants par oxydation et par réduction. L'oxydation consiste à ajouter un atome d'oxygène au monoxyde de carbone (CO) afin de le transformer en gaz carbonique inoffensif (CO2) (*). Dans le cas des hydrocarbures imbrûlés (HC), composés d'hydrogène et de carbone, cet apport d'oxygène permet d'obtenir du gaz carbonique et de la vapeur d'eau.

La réduction est en fait le contraire de l'oxydation puisque l'on enlève un atome d'oxygène à l'oxyde d'azote (NOx), ce qui permet d'obtenir de la vapeur d'eau et de l'azote.

Le traitement simultané dans un même catalyseur de ces trois polluants, gaz carbonique, hydrocarbures et oxydes d'azote, fait que l'on parle de catalyse à « trois voies ». Les premiers catalyseurs étaient composés de deux compartiments distincts, l'un traitant le CO et les HC, l'autre les NOx. La catalyse des oxydes d'azote est pour l'instant l'apanage des moteurs à essence. Le problème est certes aussi important pour les Diesel, mais le taux important de particules qu'ils engendrent a pour l'instant freiné le développement de systèmes de traitement des NOx sur ce type de moteurs. PSA vient d'apporter une partie de la réponse à ce problème en présentant un filtre à particules qu'il a mis au point avec Rhône-Poulenc. Cette solution va permettre le développement d'une véritable catalyse DeNOx (nom donné au traitement des oxydes d'azote) dans un pot catalytique semblable à celui d'une voiture à essence.

Pour pouvoir être traités dans le pot catalytique, les gaz doivent résulter de la combustion d'un mélange air et carburant parfaitement équilibré. Ce rapport est ce que l'on appelle la stoechiométrie. Lorsque le mélange est parfaitement stoechiométrique, il est composé de 14,5 parts d'air pour une part de carburant. Les catalyseurs ont, en effet, été conçus pour fonctionner parfaitement dans ces proportions. Si ce rapport change, le traitement des gaz sera plus difficile, voire impossible. Si le mélange est trop riche (lorsqu'il contient trop de carburant et pas assez d'air), ou trop pauvre, un capteur placé à l'entrée du catalyseur renseigne le calculateur d'injection. Si nécessaire, il ajuste la richesse du mélange pour le ramener à la stoechiométrie. Ce capteur est la sonde lambda. Son influence peut aller au-delà de la simple gestion de l'épuration des gaz d'échappement. En cas de défaillance de sa part, le calculateur ne reçoit plus d'informations sur la qualité du mélange. Dans le meilleur des cas, le moteur ne fonctionne plus correctement, dans le pire des cas, il ne démarre plus. Dans un proche avenir, cette première sonde sera complétée par une deuxième sonde placée derrière le catalyseur. Elle permettra de comparer le taux d'hydrocarbures imbrûlés avant et après le passage dans le pot catalytique. De cette façon, on arrivera à vérifier en permanence l'efficacité du traitement des gaz et à s'assurer du bon état du catalyseur. Un autre développement attendu dans ce domaine est l'avènement des sondes capables de mesurer non plus le seul niveau d'oxygène mais également le taux d'oxydes d'azote. Ces sondes NOx, dont les premiers exemplaires ont été présentés par NGK en 1997, permettront un réglage encore plus fin de la richesse du carburant.

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