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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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 3Public
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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 4Public
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.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 5Public
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%
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 6Public
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. Conclusion
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 7Public
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)
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 8Public
2. CONTEXTE NORMATIF A VENIR
Réglementation GTR-15 :
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 9Public
2. CONTEXTE NORMATIF A VENIR
Réglementation GTR-15 : remplacement du cycle NEDC par le cycle WLTC
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 10Public
2. CONTEXTE NORMATIF A VENIR
Réglementation GTR-15 : nouveaux polluants ?
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 11Public
2. CONTEXTE NORMATIF A VENIR
Homologation RDE (1/6) :
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 12Public
2. CONTEXTE NORMATIF A VENIR
Homologation RDE (2/6) :
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 13Public
2. CONTEXTE NORMATIF A VENIR
Homologation RDE (3/6) :
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 14Public
2. CONTEXTE NORMATIF A VENIR
Homologation RDE (4/6) :
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 15Public
2. CONTEXTE NORMATIF A VENIR
Homologation RDE (5/6) :
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 16Public
2. CONTEXTE NORMATIF A VENIR
Homologation RDE (6/6) :
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 17Public
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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 18Public
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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 19Public
3. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION "IN-CYLINDER"
Sur moteur diesel : système de combustion (2/3)
Injection multiple Réduction
du bruit
Optimisation de
la combustion
Traitement des gaz
d'échappement
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 20Public
3. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION "IN-CYLINDER"
Sur moteur diesel : système de combustion (3/3)
EGR
Système pour traiter les émissions brutes de NOx.
Généralisation en cours de l'EGR "basse-pression"
Gestion liée au système de suralimentation
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 21Public
3. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION "IN-CYLINDER"
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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 22Public
3. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION "IN-CYLINDER"
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)
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 23Public
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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 24Public
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
HC
CO
particules
N2
CO2
H2O
…
Système de
post-traitement
…sans créer d'autres composés toxiques (NH3, …) !
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 25Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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,
HC) :
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.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 27Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 28Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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 :
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 29Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
Le catalyseur d'oxydation (2/4)
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.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 30Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
Le catalyseur d'oxydation (4/4)
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.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 31Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 32Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
Le catalyseur d'oxydation des particules (2/3)
Exemples :
PM-Metalit de la société Emitech :
Feuille de métal fritté
En mousse de céramique :
En mousse métallique :
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 33Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
Le catalyseur d'oxydation des particules (3/3)
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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 34Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 35Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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
NO !)
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…
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 36Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
Le catalyseur SCR à l'urée (1/3)
Définition
Fonctionnement
Système pour traiter les émissions brutes de NOx.
Apport "artificiel" une espèce chimique réductrice supplémentaire pour réduire les NOx.
Schéma général de la ligne d'échappement :
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 37Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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).
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 38Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
Le NOx-trap (1/3)
Définition
Système pour traiter les émissions brutes de NOx.
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.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 39Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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-
trap.
Combinaison avec un catalyseur SCR amélioration de l'efficacité globale du
traitement des NOx.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 40Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 41Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
Le filtre à particules pour moteur diesel (DPF) (2/2)
Développement en cours
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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 42Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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).
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 43Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
Le filtre à particules pour moteur essence (GPF) (2/2)
Développement en cours
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.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 44Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 45Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
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).
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 46Public
4. TECHNOLOGIES DE DEPOLLUTION EN POST-TRAITEMENT
Autres applications
Catalyseur d'oxydation pour refroidisseur d'EGR
Solution alternative :
Implantation d'un catalyseur d'oxydation
devant le refroidisseur. Vanne
EGR
Refroidisseur
d'EGR
Catalyseur
EGR
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.
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 47Public
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
Jean-Charles Ricaud | PTE | 21/04/2015 | 48Public
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
THANK YOU