Les gaz d’echappement bruts, tout juste sortis de la chambre de combustion, sont veritablement toxiques : monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrules et oxydes d’azote (NOx), tous reglementes car tous nocifs a respirer. Une voiture moderne ne se contente pas d’evacuer ce melange par l’arriere — elle le fait passer a travers un pot catalytique, un nid d’abeilles en ceramique recouvert de metaux precieux, a peu pres de la taille d’une boite a chaussures, qui declenche des reactions chimiques convertissant la plupart de ces polluants en dioxyde de carbone, vapeur d’eau et azote avant meme que les gaz d’echappement ne quittent le pot. La chimie qui s’y deroule est plus precise, et plus fragile, que ce que le conducteur moyen imagine.
Trois reactions, un seul nid d’abeilles, simultanement
Le pot catalytique d’une voiture essence est techniquement un catalyseur trois voies (TWC, Three-Way Catalyst), ainsi nomme pour les trois reactions qu’il declenche en meme temps sur un substrat ceramique recouvert d’une fine couche de platine, de palladium et de rhodium : il oxyde le monoxyde de carbone en CO2, oxyde les hydrocarbures imbrules en CO2 et en eau, et reduit simultanement les NOx en azote et oxygene inoffensifs. Faire fonctionner une reaction d’oxydation et une reaction de reduction sur la meme surface au meme moment ne marche que dans une bande etroite de rapport air-carburant autour du stoechiometrique (lambda = 1) — exactement l’oxygene necessaire pour bruler completement le carburant, ni plus ni moins — raison precise pour laquelle les moteurs essence font fonctionner une sonde a oxygene en boucle fermee qui ajuste en permanence l’injection de carburant pour maintenir ce rapport, plutot que de simplement fonctionner riche ou pauvre pour gagner en puissance ou en economie.
Le probleme du demarrage a froid : l’essentiel des degats se produit dans la premiere minute
Un pot catalytique ne fait pratiquement rien tant qu’il n’a pas atteint sa temperature d’amorcage (light-off), generalement autour de 200-300°C — en dessous de ce seuil, les reactions catalytiques ne se produisent quasiment pas, si bien que les gaz d’echappement d’un moteur froid passent en grande partie non traites. C’est pourquoi une part disproportionnee des emissions totales d’une voiture sur un trajet donne — couramment citee autour de 70 a 80% — sort dans les 60 premieres secondes environ apres un demarrage a froid, avant que le catalyseur n’ait eu le temps de chauffer. Les constructeurs combattent ce probleme en placant le catalyseur au plus pres du collecteur d’echappement plutot que plus loin sous le plancher, pour qu’il chauffe le plus vite possible avec les gaz d’echappement les plus chauds disponibles, ainsi qu’avec des strategies comme le retard delibere de l’allumage juste apres le demarrage, qui brule moins efficacement mais pousse des gaz d’echappement plus chauds vers le catalyseur plus rapidement.
Le diesel obeit a une chimie totalement differente
Un catalyseur trois voies ne fonctionne que parce que les moteurs essence tournent dans cette plage stoechiometrique etroite ; les moteurs diesel tournent en permanence en melange pauvre, avec un exces d’oxygene toujours present dans l’echappement, ce qui rend la reduction des NOx en azote chimiquement beaucoup plus difficile — il y a trop d’oxygene present pour une simple reaction de reduction. Le post-traitement diesel est par consequent un systeme a plusieurs etages plutot qu’un seul composant : un DOC (Diesel Oxidation Catalyst) traite le CO et les hydrocarbures de la meme maniere que la moitie oxydante d’un TWC, un FAP (Filtre a Particules, DPF en anglais) piege physiquement les particules de suie dans un filtre ceramique poreux et les brule periodiquement lors d’un cycle de “regeneration” a haute temperature, et le SCR (Selective Catalytic Reduction) injecte une solution d’eau et d’uree — vendue a la pompe sous le nom d’AdBlue — dans le flux d’echappement chaud, ou elle se decompose en ammoniac qui reagit avec les NOx sur un catalyseur dedie pour produire de l’azote et de l’eau. Trois technologies distinctes resolvant trois problemes distincts, toutes en aval du meme pot d’echappement.
Les moteurs essence ont eux aussi eu besoin de leur propre filtre a particules
Les moteurs essence a injection directe, traites dans notre precedent article sur l’injection directe, se sont averes produire nettement plus de particules que les anciens moteurs essence a injection indirecte, car le carburant pulverise directement dans le cylindre a moins de temps pour se vaporiser et se melanger completement avant l’allumage. La reponse reglementaire a ete le FAP essence (GPF, Gasoline Particulate Filter), essentiellement le meme piege ceramique poreux qu’un FAP diesel adapte a l’echappement essence, desormais equipement standard sur les voitures GDI vendues dans l’UE depuis que les normes d’emissions se sont durcies precisement pour repondre a ce probleme — une consequence directe et tracable de l’effet secondaire d’une technologie moteur ayant cree la demande pour une autre.
Pourquoi les pots catalytiques continuent d’etre voles
Le platine, le palladium et le rhodium ne sont pas seulement chers — ils sont veritablement rares, concentres geographiquement dans une poignee de mines (principalement en Afrique du Sud et en Russie), et valent, gramme pour gramme, plus que l’or dans le cas du rhodium lors de plusieurs pics de prix recents. Cette combinaison de valeur elevee et d’acces physique facile depuis le dessous d’une voiture garee a fait du vol de pots catalytiques un delit reel et repandu, des voleurs pouvant en decouper un a la scie sur batterie en moins de deux minutes et revendre les metaux precieux recuperes a des ferrailleurs. C’est une consequence directe, peu reluisante, de la meme chimie qui fait fonctionner le pot catalytique en premier lieu, et c’est en grande partie pourquoi les chercheurs tentent activement de reduire ou de remplacer le contenu en metaux precieux decrit ci-dessous.
La recherche europeenne qui reduit ce qu’il y a dans la boite
Trois projets europeens H2020 complementaires s’attaquent a differents niveaux de la technologie de post-traitement catalytique. REWARD (“REal World Advanced Technologies foR Diesel Engines”, coordonne par AVL List en Autriche, €9,97M, 2015-2018) a developpe une technologie complete de motorisation diesel et de post-traitement visant a depasser les limites Euro 6 specifiquement en conditions de conduite reelles, pas seulement sur le cycle de test en laboratoire. PARTIAL-PGMs (“Development of novel, high Performance hybrid TWV/GPF Automotive afteR treatment systems… substitution of PGMs and Rare earth materials”, coordonne par Tinexta Innovation Hub en Italie, €4,65M, 2016-2019) s’est attaque directement au probleme du cout et de l’approvisionnement en metaux precieux, en concevant des systemes hybrides catalyseur-trois-voies/FAP penses precisement pour reduire le contenu en metaux du groupe du platine decrit plus haut. np-Gold (“Thermally stable nonporous gold for improved automotive catalytic converters”, une subvention ERC Proof of Concept au Technion en Israel — pays associe au programme Horizon de l’UE — €150 000, 2020-2022) a vise specifiquement le probleme du demarrage a froid, en developpant un catalyseur a nanoparticules d’or thermiquement stable comme alternative moins chere et plus active a froid aux revetements classiques en metaux du groupe du platine, citant comme motivation principale precisement le pic d’emissions des 60 premieres secondes decrit plus haut.
Photo : © Car-Shooters