Pot catalytique - Définition

Introduction

Le pot catalytique ou catalyseur est une amélioration récente du pot d'échappement des moteurs à combustion interne. C'est un des éléments visant à limiter la nocivité des gaz d'échappement des véhicules motorisés.

Constitution

Structure intérieure d'un pot catalytique.

Il est constitué d'une chambre d'acier inoxydable dans laquelle sont conduits les gaz d'échappement, lesquels traversent les conduites capillaires d'une structure en nid d'abeille généralement faite en céramique. L'intérieur des conduits est recouvert d'une fine couche de cristaux combinant des métaux précieux : alumine, cérine, métaux rares du groupe du platine (dits platinoïdes (Pd-Pt-Rh) ; qui outre le platine, le palladium et le rhodium contiennent aussi jusqu'à 228 ppt d'osmium de composition isotopique non-radiogénique (187Os/188Os <0.2) ; en faibles quantités). La structure interne du pot est conçue pour offrir une grande surface de contact entre les éléments catalyseurs et les gaz d'échappement.

Améliorations et tendances (selon l’AECC)

• Des catalyseurs récents « à amorçage rapide » améliorent leur fonctionnement à température d'échappement moindre et donc sur les déplacements courts (de plus en plus fréquents).
• Des catalyseurs mieux fixés sur leur substrat, et plus résistants aux dilatations propres aux hautes températures et aux vibrations permettent un montage plus près du moteur, allongeant la durée de vie utile des catalyseurs
• La composition en métaux précieux actifs a été améliorée grâce :
  1. à une dispersion stable des cristallites de métaux catalytiques (métaux précieux)
  2. à une couche d'imprégnation permettant une large surface vers 1 000 °C.
• Des composants améliorés (stockage d'oxygène stabilisant la surface imprégnée) optimisent la « fenêtre » air/carburant du dispositif trois voies. Un système rétro-informe le pilote informatique sur l'état du catalyseur (Système d'auto-diagnostic OBD).

• Les substrats 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).
  • À la fin des années 70 les substrats dérivés des feuilles ultra-fines d'acier inoxydable, n'excédaient pas 0,05 mm d'épaisseur pour atteindre une densité élevée des cellules. En 2009, des structures internes complexes utilisent des substrats de 800 et 1000 cpsi, pour des parois affinées (jusqu' à 0,025 mm).
  • Au début des années 1980, la densité en cellules doublait (400 cpsi), pour une épaisseur de parois diminuée de 50% (jusqu'à 6 millièmes de pouce). Des substrats de 400, 600 et 900 cpsi ont suivi, avec des parois réduites presque à 0,05 mm (2 millièmes de pouce d'épaisseur), mais dont la tenue dans le temps devra être confirmée par l'usage.

Pour atteindre les normes, certains constructeurs renvoient des gaz d'échappement refroidis dans le moteur ou mieux (du point de vue de l'efficacité) injectent 32,5% d´urée et d'eau chimiquement purs.

Fonctionnement

Les éléments catalyseurs déclenchent ou accentuent les réactions chimiques qui tendent à transformer les constituant les plus toxiques des gaz d'échappement (monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrûlés, oxydes d'azote), en éléments moins toxiques (eau et CO₂).

Il existe deux grands types de pot catalytique, chacun adapté à la nature du carburant utilisé.

1. catalyseur dit à trois voies (pour les moteurs à essences) ;
2. catalyseur dit à deux voies associé ou non à un filtre à particule pour les moteurs au diesel.

Catalyseur à trois voies

Il provoque trois réactions simultanées :

1. Une réduction des oxydes d'azote en azote et en dioxyde de carbone : 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 : 4C_xH_y + (4x+y)O₂ → 4xCO₂ + 2yH₂O

Le pot n'est efficace qu'à partir d'environ 400 °C, ce qui explique que ces pots sont relativement inefficaces pour de petits trajets ne laissant pas le temps au moteur de chauffer.

Les réactions d'oxydations (demandant une forte présence d'oxygène) et de réduction (demandant une faible présence d'oxygène) sont contradictoires. Elles ne se produisent simultanément que si la quantité d'air dans le carburant est optimale. Ceci est assuré par la sonde lambda qui renseigne le calculateur de gestion du moteur.

Une réaction parasite ce type de catalyseurs 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 pilote la quantité d'air à injecter dans le moteur (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 (peroxyacetyl nitrate, autre type d'oxydant produit par la circulation).

Composés-tampons : Ce sont des composés (rhodium, mais surtout oxyde de cérium) ajouté à l'alumine du support pour limiter l'impact des variations de composition des gaz en stockant un peu d'oxygène quand il est en excès pour le rejeter quand il manque.

Catalyseur à deux voies (moteur diesel)

Les catalyseurs d’automobiles vendus dans les années 1990-2000 visent à convertir le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC) en dioxyde de carbone (CO) 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.