Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Système d'échappement

Le pot catalytique est un pot d'échappement particulier, faisant partie d'un ensemble d'éléments visant à limiter la nocivité des gaz d'échappement des véhicules motorisés.

Il est constitué d'une boite en inox par laquelle transitent les gaz d'échappement. Cette boite renferme une structure en nid d'abeille qui offre une grande surface de contact entre les éléments catalyseurs (une combinaison de métaux précieux : platine, palladium et rhodium) qui sont déposés dessus en fine couche et les gaz d'échappement. Les éléments catalyseurs accélèrent les réactions chimique qui tendent à transformer les constituant les plus toxiques des gaz d'échappement (monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrûlés, oxydes d'azote), en éléments moins toxique (eau et CO₂).

Technologie

Le pot catalytique fait passer les gaz chauds dans une boite en inox renfermant le catalyseur (généralement déposé sur un substrat céramique ou métallique pourvu d'un revêtement actif composé d'alumine, de cérine et d'autres oxydes ainsi que de métaux précieux combinés : par exemple platine, palladium et rhodium).
Le substrat est parfois protégé des vibrations et des chocs par une nappe céramique ou métallique résiliente.

Il y a deux types de pot catalytique qui sont chacun adapté à la nature du carburant utilisé. Les moteurs à essences sont équipés du catalyseur dit à trois voies, et les moteurs au diesel sont équipé du catalyseur dit à deux voies ainsi que d'un filtre à particule.

Catalyseur à trois voies (moteur à essence)

Il provoque trois réactions simultanées :

1. Une réduction des oxydes d'azote en azote et en oxygène : NO + CO → 1/2 N₂ + CO₂
2. Une oxydation des monoxydes de carbone en dioxyde de carbone : 2CO + O₂ → 2CO₂
3. Une oxydation des hydrocarbures imbrulés (HC) en dioxyde de carbone et en eau : 2C_xH_y + (x+y)O₂ → 2xCO₂ + yH₂O

Le pot ne devient efficace que lorsque sa température atteint environ 400°C. Le système est donc inefficace pour de petits trajets.

Les réactions d'oxydations (demande une forte présence d'oxygène) et de réduction (demande une faible présence d'oxygène), ne se produisent simultanément que si la quantité d'air dans le carburant est optimale. Ceci est assuré par la sonde lambda.

Il y a une réaction parasite dans ce type de catalyseurs, elle se produit naturellement aux température élevées :

2NO + CO → N₂O + CO₂

Sonde lambda

Les modèles récents sont équipés d'une double sonde à oxygène (dite "lambda") liée à un calculateur électronique qui gère la quantité d'air à injecter dans le carburateur (le rapport idéal air/carburant est de 14,7/1). Si la proportion de carburant augmente, les rejets de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures (HC) augmentent aussi, si elle diminue (mélange pauvre), c'est le taux d'oxydes d'azote (NOx) qui augmente, et par suite la probabilité de production d'ozone et peut-être de PANs (autre type d'oxydant produit par la circulation).

Pour limiter les dysfonctionnements induits par les variations brutales de la composition des gaz, les fabricants ont ensuite ajouté des composés-tampon qui peuvent stocker un peu d'oxygène quand il est en excès et le rejeter quand il manque (rhodium, mais surtout oxyde de Cerium ajouté à l'alumine du support).

Catalyseur à deux voies (moteur diesel)

Les catalyseurs d’automobiles vendus dans les années 1990-2000 assure la conversion du monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC) en dioxyde de carbone (CO2) et en eau, tout en réduisant la masse de particules du carburant diesel. Ils n’éliminent pas les oxydes d'azote (NOx) ni ne diminuent la quantité de particules émises.

Filtre à particules

Pour plus de détails voir : Filtre à particules.

Le pot catalytique ne retient pas les particules, qui par ailleurs gênent son fonctionnement. Un filtre peut donc utilement lui être adjoint, qui diminue le rejet de suies et particules polluantes cancérigènes et/ou mutagènes suspectées ou avérées. Les moteurs à carburant non gazeux (type GPL) et surtout fonctionnant au diesel émettent des particules (suies, fumée noire). Pour éviter leur diffusion dans l'atmosphère, on utilise un filtre, installé dans le pot, qui va les retenir. Certaines particules comme les suies (noir de carbone) peuvent trouver un usage commercial.
Les normes d'émissions Euro 4 sont applicables aux poids lourds à partir du 1er octobre 2006 et l'Amérique du Nord vend désormais le gaz-oil à teneur réduite en soufre.

Selon l’AECC :

Les catalyseurs à amorçage rapide sont maintenant plus efficaces à une température d'échappement moindre, ce qui permet une réduction des gaz d'échappement non traités lors des déplacements courts (de plus en plus fréquents). Des innovations ont amélioré la capacité thermique des substrats. La composition du catalyseur en métaux précieux actifs a également été améliorée.
Des catalyseurs plus stables à haute température permettent un montage plus près du moteur et allonge la durée de vie utile des catalyseurs, notamment lors de conditions de conduite difficiles (vibrations). Ceci nécessite :

1. une dispersion stable des cristallites de métaux précieux
2. une couche d'imprégnation permettant de maintenir une large surface à des températures avoisinant les 1000°C.

Des composants améliorés (stockage d'oxygène stabilisant la surface imprégnée) optimisent la "fenêtre" air/carburant du dispositif trois voies et rétro-informent le système sur l'état du catalyseur (système d'auto-diagnostic OBD).

- Les substrats des catalyseurs progressent. En 1974, les substrats céramiques présentaient une densité de 200 cellules par pouce carré (cpsi) de section transversale (31 cellules/cm2) pour une épaisseur de paroi de 0,012 pouce ou 12 millièmes de pouce (0,305 mm).

- Au début des années 1980, la densité en cellules passaient à 400 cpsi, pour une épaisseur de parois diminuée de 50% (jusqu'à 6 millièmes de pouce). On a ensuite produit des substrats de 400, 600 et 900 cpsi, et des parois réduites presque à 0,05 mm (2 millièmes de pouce d'épaisseur).

- À la fin des années 70 apparaissent des substrats dérivés des feuilles ultra-fines d'acier inoxydable, d'abord 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 de 800 et 1000 cpsi, et l'épaisseur des parois a pu être abaissée à 0,025 mm.

- On peut se demander si ces progrès n'ont pas aussi été accompagnés par une fragilisation du matériel lorsqu'il est utilisé dans des conditions non optimales (vibrations, nombreux démarrages à froid, etc).

Pour atteindre les normes certains constructeurs renvoient les gaz d'échappement refroidis dans le moteur mais la technologie la plus efficace est l'injection de 32,5% d´urée (CO₂ et ammoniaque) et d´eau chimiquement pure.

Impact environnemental

Face à l'augmentation du nombre de véhicules motorisés et aux besoins de limiter la pollution de l'air, depuis la fin des années 1990, un nombre croissant de pays a rendu un élément catalyseur obligatoire pour les moteurs à essence et/ou diesel. Cependant les véhicules sont beaucoup plus nombreux, ils parcourent des distances croissantes, et certains polluants ne sont pas traités par les catalyseurs. Enfin, il semble que certains pots catalytiques vieillissent mal et puissent perdre une partie de leur contenu dans l'environnement.

Diminution des polluant visés

Les pots catalysés ont indéniablement contribué à diminuer les émissions de 3 polluants monoxyde de carbone (CO, toxique), oxydes d'azote (précurseurs de l'ozone) et hydrocarbures imbrûlés (polluants et parfois mutagènes et cancérogènes), et indirectement du plomb.

Limites du système

Le système ne résout pas tous les problèmes de pollution des gaz d'échappement, et il en crée de nouveaux lié à sa composition chimique.

Lenteur de lancement

L'effet catalytique ne devient efficace qu'à partir d'une température d'environ 400°C. Il faut souvent une dizaine de kilomètres avant que le pot catalytique fonctionne correctement et c'est au démarrage que les émissions de gaz toxiques sont les plus importantes.

Certains polluants ne sont pas traités

La température de fonctionnement du catalyseur à trois voies provoque une réaction parasite qui crée du N₂O, un puissant gaz à effet de serre. Il ne traite pas le CO₂. Ce sont donc deux gaz à effet de serre qui ne sont pas traités.

Remplacement du plomb

Le plomb était utilisé pour relever l'indice d'octane. Il a été remplacé car il détruit les pots catalytique (signalons qu'il ést lui même un métal lourd toxique, neurotoxique, non dégradable et facteur de saturnisme).

Les anti-détonants qui ont remplacé le plomb, notamment le benzène et certains métaux lourds (ex : Manganèse) posent d'autres problèmes écologiques et sanitaires (le benzène est cancérogène). Ils sont de plus en plus présents dans l'air et l'environnement urbain et aux abords des routes à fort trafic.

Pollution par les métaux lourds

Selon des études citées par la revue scientifique américaine Environmental Science and Technology – paradoxalement - les métaux lourds des pots catalytiques polluent notre environnement, localement et jusque dans les neiges et les glaces polaires. (100 fois plus de retombées dans les zones polaires avec très forte augmentation en deux décennies).

Les pots sont soumis à un flux corrosif et encrassant, à de fortes variations de température et de pression, parfois à des chocs thermiques ainsi qu'aux vibrations qui expliquent qu'une partie des métaux lourds utilisés soient peu à peu arrachés de leur support et expulsés avec les gaz d'échappement.

Les pots de voitures n'ont commencé à être catalysés que dans les années 1975 aux USA et fin des années 1980 en Europe de l'Ouest. Ils émettent néanmoins des quantités sans cesse croissantes de platine, rhodium et de palladium, qu'on a par exemple trouvé dans l'herbe des prairies jouxtant des routes, mais aussi dans l'urine des habitants de Rome, ce qui laisse penser que les organismes urbains y sont très exposés. Ces métaux sont rares dans la nature, mais on en trouve maintenant dans la poussière des routes à des concentrations parfois plus élevées que dans le précieux minerai de platine des mines de platine (source : Pr. Claude Boutron).

La pollution est locale et globale : Contrairement aux principaux gaz émis par les pots d'échappement, les métaux lourds ne sont pas biodégradables ni dégradables. Ils ne peuvent qu'être stockés éventuellement provisoirement dans les sols, sédiments ou végétaux, voire s'accumuler, et pour certains très rapidement dans les chaînes alimentaires.

Les Pr. Claude Boutron (Grenoble) et Carlo Barbante (Venise) ont analysé le platine, le rhodium et le palladium de carottes de glace et de neige prélevées au centre du Groenland dans le cadre des programmes européens GRIP et EUROCORE, à l'aide de techniques analytiques sophistiquées (ICP - MS à haute résolution). Les taux de platine, rhodium et palladium sont 100 fois plus élevés dans la neige tombée au milieu des années 1990 que dans la glace datant d'il y a 7000 à 8000 ans, avec une brutale augmentation ces dernières années.

D'autres analyses sont en cours pour voir si l'Antarctique et l'Hémisphère-Sud sont également touchés, bien que beaucoup moins industrialisés et peuplés.

Il semble ne pouvoir y avoir de doute sur l'origine de cette pollution : le rapport d'abondance du platine et du rhodium mesuré dans la neige récente du Groenland est le même que celui mesuré directement à la sortie de pots d'échappement catalytiques.

Risque sur la santé

Sans nier les avantages des pots catalytiques, on manque de données toxicologiques et écotoxicologiques quant aux impacts des métaux qu'ils perdent dans l'environnement, et quant à leurs dérivés et métabolites. On sait qu'ils ne sont pas neutres chimiquement, car c'est justement pour leur propriété de catalyseur qu'ils sont utilisés (et parfois de médicament anticancéreux par exemple pour une forme oxydée du platine, non sans effets secondaires, puisque c'est la substance qui cause la perte des cheveux dans certaines chimiothérapie)

Conclusion provisoire et perspectives

Les études citées ci-dessus apportent une confirmation supplémentaire au fait que la pollution automobile diffuse très rapidement à l'ensemble de la planète, car les pots catalytiques sont récents et ne se sont développés à ce jour que dans les pays riches.
Si des études écotoxicologiques ou de santé publique montrent que les impacts de ces émissions de métaux sont importants, on se trouvera face à un nouveau choix : "pot catalytique" amélioré + filtre, ou nouveau carburant (type hydrogène, qui est déjà une priorité en Islande, qui veut le généraliser d’ici 50 ans) et développement des transports en commun.

Sources principales : 1) Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de L'Environnement / Grenoble - Université Joseph Fourier (Science, technologie, médecine) et CNRS 2) Département des sciences de l'Environnement de l’université Ca Foscari de Venise et du CNRS

Remarques

Il est à noter que les scientifiques indépendants et les autorités locales ont des difficultés à travailler sur l'impact des carburants. Leurs formules varient selon les provenances, la saison, les fabricants, la durée de stockage, mais aussi elles sont, de même que les quantités consommées localement, considérées comme des informations confidentielles.

Des questions se posent aussi concernant les installations catalytiques qui équipent certaines installations industrielles, incinérateurs, etc. surtout si elles sont placées en aval d’un filtre, ou non suivies de très bon filtres capables de récupérer les métaux catalytiques arrachés de la surface interne de l’équipement.

Voir aussi

liens internes

• Environnement
• Transport
• Source mobile

liens externes

• AECC (Association for Emissions Control by Catalyst) ;

Association internationale regroupant les entreprises européennes qui élaborent des technologies de réduction des émissions automobiles http://www.aecc.be/fr/AECC.html