Convertisseur catalytique - Catalytic converter

Un convertisseur catalytique à trois voies sur une Dodge Ram 1996 à essence
Simulation d'écoulement à l'intérieur d'un pot catalytique

Un convertisseur catalytique est un dispositif de contrôle des émissions d'échappement qui convertit les gaz toxiques et les polluants contenus dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne en polluants moins toxiques en catalysant une réaction redox . Les convertisseurs catalytiques sont généralement utilisés avec les moteurs à combustion interne alimentés à l' essence ou au diesel , y compris les moteurs à mélange pauvre , et parfois sur les appareils de chauffage et les poêles au kérosène .

La première introduction à grande échelle des convertisseurs catalytiques a eu lieu sur le marché automobile américain. L'industrie automobile a été accusée de complot par le ministère américain de la Justice pour s'être entendue pour retenir la technologie entre 1953 et 1969 alors que le smog dévastait la qualité de l'air des centres urbains. Pour se conformer à la réglementation plus stricte de l' Environmental Protection Agency des États - Unis sur les émissions d'échappement, la plupart des véhicules à essence à partir de l' année modèle 1975 sont équipés de convertisseurs catalytiques. Ces convertisseurs « bidirectionnels » combinent l' oxygène avec du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures imbrûlés (C n H n ) pour produire du dioxyde de carbone (CO 2 ) et de l' eau (H 2 O). En 1981, les convertisseurs catalytiques à deux voies ont été rendus obsolètes par des convertisseurs « à trois voies » qui réduisent également les oxydes d'azote ( NO
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); cependant, les convertisseurs bidirectionnels sont toujours utilisés pour les moteurs à mélange pauvre. En effet, les convertisseurs à trois voies nécessitent une combustion riche ou stoechiométrique pour réduire avec succès le NO
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.

Bien que les convertisseurs catalytiques soient le plus souvent appliqués aux systèmes d'échappement des automobiles, ils sont également utilisés sur les générateurs électriques , les chariots élévateurs , les équipements miniers, les camions , les bus , les locomotives , les motos et les navires. Ils sont même utilisés sur certains poêles à bois pour contrôler les émissions. C'est généralement en réponse à une réglementation gouvernementale , soit par le biais d'une réglementation environnementale directe, soit par des réglementations en matière de santé et de sécurité.

Histoire

Les prototypes de pots catalytiques ont été conçus pour la première fois en France à la fin du XIXe siècle, alors que seuls quelques milliers de « voitures à huile » circulaient sur les routes ; ces prototypes avaient un matériau inerte recouvert de platine, d'iridium et de palladium, scellé dans un double cylindre métallique.

Quelques décennies plus tard, un convertisseur catalytique a été breveté par Eugène Houdry , un ingénieur mécanicien français et expert en raffinage catalytique du pétrole, qui a déménagé aux États-Unis en 1930. Lorsque les résultats des premières études sur le smog à Los Angeles ont été publiés, Houdry est devenu préoccupé par le rôle des gaz d'échappement des cheminées et des automobiles dans la pollution de l'air et a fondé une société appelée Oxy-Catalyst. Houdry a d'abord développé des convertisseurs catalytiques pour les cheminées appelées « chats » en abrégé, puis a développé des convertisseurs catalytiques pour les chariots élévateurs d'entrepôt qui utilisaient de l'essence sans plomb de qualité inférieure. Au milieu des années 1950, il a commencé des recherches pour développer des convertisseurs catalytiques pour les moteurs à essence utilisés sur les voitures. Il a reçu le brevet américain 2 742 437 pour son travail.

Les convertisseurs catalytiques ont été développés par une série d'ingénieurs dont Carl D. Keith , John J. Mooney , Antonio Eleazar et Phillip Messina chez Engelhard Corporation, créant le premier convertisseur catalytique de production en 1973.

La première introduction à grande échelle des convertisseurs catalytiques a eu lieu sur le marché automobile américain. Pour se conformer à la nouvelle réglementation de l' Environmental Protection Agency des États - Unis sur les émissions d'échappement, la plupart des véhicules à essence à partir de l' année modèle 1975 sont équipés de convertisseurs catalytiques. Ces convertisseurs « bidirectionnels » combinaient de l' oxygène avec du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures imbrûlés (C n H n ) pour produire du dioxyde de carbone (CO 2 ) et de l' eau (H 2 O). Ces réglementations strictes en matière de contrôle des émissions ont forcé l'élimination du plomb tétraéthyle, agent antidétonant, de l'essence automobile, afin de réduire le plomb dans l'air. Le plomb est un poison de catalyseur et détruirait efficacement un convertisseur catalytique en recouvrant la surface du catalyseur. Exiger l'élimination du plomb a permis l'utilisation de convertisseurs catalytiques pour répondre aux autres normes d'émission dans les règlements.

William C. Pfefferle a développé une chambre de combustion catalytique pour turbines à gaz au début des années 1970, permettant une combustion sans formation significative d'oxydes d'azote et de monoxyde de carbone.

Construction

Coupe d'un convertisseur à noyau métallique
Convertisseur à noyau en céramique

La construction du pot catalytique est la suivante :

  1. Le support ou substrat du catalyseur . Pour les convertisseurs catalytiques automobiles, le noyau est généralement un monolithe en céramique qui a une structure en nid d'abeille (généralement carrée, pas hexagonale). (Avant le milieu des années 1980, le matériau catalytique était déposé sur un lit tassé de pastilles d'alumine dans les premières applications GM.) Les monolithes en feuille métallique en Kanthal (FeCrAl) sont utilisés dans des applications où une résistance à la chaleur particulièrement élevée est requise. Le substrat est structuré pour produire une grande surface . Le substrat en céramique cordiérite utilisé dans la plupart des convertisseurs catalytiques a été inventé par Rodney Bagley , Irwin Lachman et Ronald Lewis de Corning Glass , pour lequel ils ont été intronisés au National Inventors Hall of Fame en 2002.
  2. Le blouson. Un washcoat est un support pour les matériaux catalytiques et est utilisé pour disperser les matériaux sur une grande surface. L'oxyde d'aluminium , le dioxyde de titane , le dioxyde de silicium ou un mélange de silice et d' alumine peuvent être utilisés. Les matériaux catalytiques sont suspendus dans le washcoat avant d'être appliqués sur le noyau. Les matériaux Washcoat sont sélectionnés pour former une surface rugueuse et irrégulière, ce qui augmente la surface par rapport à la surface lisse du substrat nu.
  3. Ceria ou ceria-zircone . Ces oxydes sont principalement ajoutés en tant que promoteurs de stockage d'oxygène.
  4. Le catalyseur lui-même est le plus souvent un mélange de métaux précieux , principalement du groupe du platine . Le platine est le catalyseur le plus actif et est largement utilisé, mais ne convient pas à toutes les applications en raison des réactions supplémentaires indésirables et du coût élevé. Le palladium et le rhodium sont deux autres métaux précieux utilisés. Le rhodium est utilisé comme catalyseur de réduction , le palladium est utilisé comme catalyseur d' oxydation et le platine est utilisé à la fois pour la réduction et l'oxydation. Le cérium , le fer , le manganèse et le nickel sont également utilisés, bien que chacun ait ses limites. L'utilisation du nickel n'est pas légale dans l'Union européenne en raison de sa réaction avec le monoxyde de carbone en nickel tétracarbonyle toxique . Le cuivre peut être utilisé partout sauf au Japon .

En cas de panne, un convertisseur catalytique peut être recyclé en ferraille . Les métaux précieux à l'intérieur du convertisseur, notamment le platine, le palladium et le rhodium, sont extraits.

Placement des pots catalytiques

Les convertisseurs catalytiques nécessitent une température de 400 °C (752 °F) pour fonctionner efficacement. Par conséquent, ils sont placés aussi près que possible du moteur, ou un ou plusieurs convertisseurs catalytiques plus petits (appelés "pré-cats") sont placés immédiatement après le collecteur d'échappement.

Les types

bidirectionnel

Un convertisseur catalytique à 2 voies (ou "à oxydation", parfois appelé "oxi-cat") a deux tâches simultanées :

  1. Oxydation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone : 2 CO + O 2 → 2 CO 2
  2. Oxydation des hydrocarbures (carburant non brûlé et partiellement brûlé) en dioxyde de carbone et eau : C x H 2x+2 + [(3x+1)/2] O 2 → x CO 2 + (x+1) H 2 O (une combustion réaction)

Ce type de convertisseur catalytique est largement utilisé sur les moteurs diesel pour réduire les émissions d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone. Ils ont également été utilisés sur les moteurs à essence des automobiles des marchés américain et canadien jusqu'en 1981. En raison de leur incapacité à contrôler les oxydes d'azote , ils ont été remplacés par des convertisseurs à trois voies.

Trois façons

Les convertisseurs catalytiques à trois voies ont l'avantage supplémentaire de contrôler les émissions d' oxyde nitrique (NO) et de dioxyde d'azote (NO 2 ) (tous deux abrégés par NO
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et à ne pas confondre avec l'oxyde nitreux (N 2 O) ), qui sont des précurseurs des pluies acides et du smog .

Depuis 1981, des convertisseurs catalytiques « à trois voies » (oxydation-réduction) sont utilisés dans les systèmes de contrôle des émissions des véhicules aux États-Unis et au Canada; de nombreux autres pays ont également adopté des réglementations strictes sur les émissions des véhicules qui exigent en fait des convertisseurs à trois voies sur les véhicules à essence. Les catalyseurs de réduction et d'oxydation sont généralement contenus dans un boîtier commun ; cependant, dans certains cas, ils peuvent être logés séparément. Un convertisseur catalytique à trois voies a trois tâches simultanées :

Réduction des oxydes d' azote en azote (N 2 )

Oxydation du carbone, des hydrocarbures et du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone

Ces trois réactions se produisent le plus efficacement lorsque le convertisseur catalytique reçoit les gaz d'échappement d'un moteur tournant légèrement au-dessus du point stoechiométrique . Pour la combustion d'essence, ce rapport est compris entre 14,6 et 14,8 parties d'air pour une partie de carburant, en poids. Le rapport pour les carburants au gaz automobile (ou gaz de pétrole liquéfié GPL), au gaz naturel et à l' éthanol peut varier considérablement pour chacun, notamment avec les carburants oxygénés ou à base d'alcool, l' e85 nécessitant environ 34 % de carburant en plus, nécessitant un réglage et des composants du système de carburant modifiés lorsque utilisant ces carburants. En général, les moteurs équipés de convertisseurs catalytiques à 3 voies sont équipés d'un système informatisé d'injection de carburant à rétroaction en boucle fermée utilisant un ou plusieurs capteurs d'oxygène , bien qu'au début du déploiement des convertisseurs à trois voies, des carburateurs équipés d'un contrôle du mélange à rétroaction aient été utilisés.

Les convertisseurs à trois voies sont efficaces lorsque le moteur fonctionne dans une bande étroite de rapports air-carburant près du point stoechiométrique, de sorte que la composition des gaz d'échappement oscille entre riche (excès de carburant) et pauvre (excès d'oxygène). Le rendement de conversion chute très rapidement lorsque le moteur fonctionne en dehors de cette bande. En fonctionnement pauvre, les gaz d'échappement contiennent un excès d'oxygène et la réduction de NO
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n'est pas favorisé. Dans des conditions riches, l'excès de carburant consomme tout l'oxygène disponible avant le catalyseur, ne laissant que l'oxygène stocké dans le catalyseur disponible pour la fonction d'oxydation.

Les systèmes de commande de moteur en boucle fermée sont nécessaires pour un fonctionnement efficace des convertisseurs catalytiques à trois voies en raison de l'équilibrage continu requis pour un NO efficace.
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réduction et oxydation des HC. Le système de contrôle est destiné à empêcher le NO
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catalyseur de réduction de devenir complètement oxydé, tout en reconstituant le matériau de stockage d'oxygène de sorte que sa fonction en tant que catalyseur d'oxydation soit maintenue.

Les convertisseurs catalytiques à trois voies peuvent stocker l'oxygène du flux de gaz d'échappement, généralement lorsque le rapport air-carburant devient pauvre. Lorsque suffisamment d'oxygène n'est pas disponible dans le flux d'échappement, l'oxygène stocké est libéré et consommé (voir oxyde de cérium(IV) ) . Un manque d'oxygène suffisant se produit soit lorsque l'oxygène dérivé du NO
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la réduction n'est pas disponible ou lorsque certaines manœuvres telles qu'une forte accélération enrichissent le mélange au-delà de la capacité du convertisseur à fournir de l'oxygène.

Réactions indésirables

Les réactions indésirables entraînent la formation de sulfure d'hydrogène et d' ammoniac , qui empoisonnent les catalyseurs. Du nickel ou du manganèse sont parfois ajoutés au washcoat pour limiter les émissions de sulfure d'hydrogène. Les carburants sans soufre ou à faible teneur en soufre éliminent ou minimisent les problèmes liés au sulfure d'hydrogène.

Moteurs diesel

Pour les moteurs à allumage par compression (c'est-à-dire diesel ), le convertisseur catalytique le plus couramment utilisé est le catalyseur d'oxydation diesel (DOC). Les COD contiennent du palladium et/ou du platine soutenus par de l' alumine . Ce catalyseur convertit les particules (PM), les hydrocarbures et le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone et en eau. Ces convertisseurs fonctionnent souvent à 90 % d'efficacité, éliminant pratiquement les odeurs de diesel et aidant à réduire les particules visibles. Ces catalyseurs sont inefficaces pour le NO
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, donc NON
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les émissions des moteurs diesel sont contrôlées par la recirculation des gaz d'échappement (EGR).

En 2010, la plupart des fabricants de moteurs diesel légers aux États-Unis ont ajouté des systèmes catalytiques à leurs véhicules pour répondre aux exigences fédérales en matière d'émissions. Deux techniques ont été développées pour la réduction catalytique du NO
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émissions dans des conditions d'échappement pauvre, réduction catalytique sélective (SCR) et le NO
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adsorbeur
.

Au lieu de NO contenant du métal précieux
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absorbeurs, la plupart des fabricants ont sélectionné des systèmes SCR en métal de base qui utilisent un réactif tel que l' ammoniac pour réduire le NO
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en azote et eau. L'ammoniac est fourni au système catalytique par l'injection d' urée dans les gaz d'échappement, qui subit ensuite une décomposition thermique et une hydrolyse en ammoniac. La solution d'urée est également appelée fluide d'échappement diesel (DEF).

Les gaz d'échappement diesel contiennent des niveaux relativement élevés de particules. Les convertisseurs catalytiques n'éliminent que 20 à 40 % des particules, de sorte que les particules sont nettoyées par un piège à suie ou un filtre à particules diesel (DPF). Aux États-Unis, tous les véhicules routiers légers, moyens et lourds à moteur diesel construits après le 1er janvier 2007, sont soumis à des limites d'émission de particules diesel et sont donc équipés d'un convertisseur catalytique à 2 voies et d'un filtre à particules diesel. . Tant que le moteur a été fabriqué avant le 1er janvier 2007, le véhicule n'est pas tenu d'avoir le système DPF. Cela a conduit à une augmentation des stocks par les fabricants de moteurs à la fin de 2006 afin qu'ils puissent continuer à vendre des véhicules pré-DPF jusqu'en 2007.

Moteurs à mélange pauvre à allumage commandé

Pour les moteurs à mélange pauvre à allumage commandé, un catalyseur d'oxydation est utilisé de la même manière que dans un moteur diesel. Les émissions des moteurs à allumage commandé à mélange pauvre sont très similaires aux émissions d'un moteur diesel à allumage par compression.

Installation

De nombreux véhicules ont un convertisseur catalytique à couplage direct situé près du collecteur d'échappement du moteur . Le convertisseur chauffe rapidement, en raison de son exposition aux gaz d'échappement très chauds, ce qui lui permet de réduire les émissions indésirables pendant la période de réchauffement du moteur. Ceci est réalisé en brûlant les hydrocarbures en excès qui résultent du mélange extra-riche nécessaire pour un démarrage à froid.

Lorsque les convertisseurs catalytiques ont été introduits pour la première fois, la plupart des véhicules utilisaient des carburateurs qui fournissaient un rapport air-carburant relativement riche . Les niveaux d' oxygène (O 2 ) dans le flux d'échappement étaient donc généralement insuffisants pour que la réaction catalytique se produise efficacement. La plupart des conceptions de l'époque incluaient donc une injection d'air secondaire , qui injectait de l'air dans le flux d'échappement. Cela a augmenté l'oxygène disponible, permettant au catalyseur de fonctionner comme prévu.

Certains systèmes de convertisseur catalytique à trois voies ont des systèmes d'injection d'air avec l'air injecté entre le premier ( NO
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réduction) et deuxième (oxydation HC et CO) du convertisseur. Comme dans les convertisseurs bidirectionnels, cet air injecté fournit de l'oxygène pour les réactions d'oxydation. Un point d'injection d'air en amont, en amont du pot catalytique, est également parfois présent pour fournir un complément d'oxygène uniquement pendant la période de mise en température du moteur. Cela provoque l'inflammation du carburant non brûlé dans le conduit d'échappement, l'empêchant ainsi d'atteindre le convertisseur catalytique. Cette technique réduit le temps de fonctionnement du moteur nécessaire pour que le convertisseur catalytique atteigne sa température de "démarrage" ou de fonctionnement .

La plupart des véhicules plus récents sont équipés de systèmes d' injection de carburant électroniques et ne nécessitent pas de systèmes d'injection d'air dans leurs échappements. Au lieu de cela, ils fournissent un mélange air-carburant contrôlé avec précision qui alterne rapidement et continuellement entre une combustion pauvre et riche. Les capteurs d'oxygène surveillent la teneur en oxygène des gaz d'échappement avant et après le convertisseur catalytique, et l' unité de commande du moteur utilise ces informations pour régler l'injection de carburant afin d'éviter le premier ( NON
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réduction) du catalyseur de se charger en oxygène, tout en veillant simultanément à ce que le deuxième catalyseur (oxydation des HC et du CO) soit suffisamment saturé en oxygène.

Dommage

L'empoisonnement du catalyseur se produit lorsque le convertisseur catalytique est exposé à des gaz d'échappement contenant des substances qui recouvrent les surfaces de travail, de sorte qu'elles ne peuvent pas entrer en contact et réagir avec les gaz d'échappement. Le contaminant le plus notable étant le plomb , les véhicules équipés de convertisseurs catalytiques ne peuvent fonctionner qu'avec du carburant sans plomb . D'autres poisons de catalyseur courants comprennent le soufre , le manganèse (provenant principalement de l'additif pour essence MMT ) et le silicium , qui peuvent pénétrer dans le flux d'échappement si le moteur présente une fuite permettant au liquide de refroidissement d' entrer dans la chambre de combustion. Le phosphore est un autre contaminant du catalyseur. Bien que le phosphore ne soit plus utilisé dans l'essence, il (et le zinc , un autre contaminant de faible niveau du catalyseur) était largement utilisé dans les additifs anti - usure d' huile moteur tels que le dithiophosphate de zinc (ZDDP). À partir de 2004, une limite de concentration de phosphore dans les huiles moteur a été adoptée dans les spécifications API SM et ILSAC GF-4.

Selon le contaminant, l'empoisonnement du catalyseur peut parfois être inversé en faisant tourner le moteur sous une charge très lourde pendant une période prolongée. L'augmentation de la température des gaz d'échappement peut parfois vaporiser ou sublimer le contaminant, le retirant de la surface catalytique. Cependant, l'élimination des dépôts de plomb de cette manière n'est généralement pas possible en raison du point d'ébullition élevé du plomb.

Toute condition qui amène des niveaux anormalement élevés d'hydrocarbures non brûlés (carburant ou huiles bruts ou partiellement brûlés) à atteindre le convertisseur aura tendance à élever considérablement sa température, entraînant un risque de fusion du substrat et une désactivation catalytique résultante et une restriction sévère des gaz d'échappement. Ces conditions incluent la défaillance des composants en amont du système d'échappement (ensemble collecteur/collecteur et colliers associés sensibles à la rouille/corrosion et/ou à la fatigue, par exemple l'éclatement du collecteur d'échappement après des cycles thermiques répétés), le système d'allumage, par exemple les packs de bobines et/ou l'allumage primaire. composants (par exemple, capuchon de distributeur, fils, bobine d'allumage et bougies) et/ou composants endommagés du système de carburant (injecteurs de carburant, régulateur de pression de carburant et capteurs associés). Les fuites d'huile et/ou de liquide de refroidissement, peut-être causées par une fuite de joint de culasse, peuvent également provoquer une forte teneur en hydrocarbures non brûlés.

Règlements

Les réglementations sur les émissions varient considérablement d'une juridiction à l'autre. La plupart des moteurs automobiles à allumage commandé en Amérique du Nord sont équipés de convertisseurs catalytiques depuis 1975, et la technologie utilisée dans les applications non automobiles est généralement basée sur la technologie automobile. Dans de nombreuses juridictions, il est illégal de retirer ou de désactiver un convertisseur catalytique pour une raison autre que son remplacement direct et immédiat. Néanmoins, certains propriétaires de véhicules retirent ou « vident » le convertisseur catalytique de leur véhicule. Dans de tels cas, le convertisseur peut être remplacé par une section soudée de tuyau ordinaire ou un "tuyau d'essai" à bride, censé vérifier si le convertisseur est bouché en comparant le fonctionnement du moteur avec et sans convertisseur. Cela facilite la réinstallation temporaire du convertisseur afin de réussir un test d'émission.

Aux États-Unis, il est une violation de l' article 203 (a) (3) (A) de 1990 modifié Clean Air Act pour un atelier de réparation du véhicule pour enlever un convertisseur d'un véhicule, ou provoquer un convertisseur à être retiré d'un véhicule, sauf dans le but de le remplacer par un autre convertisseur, et l'article 203(a)(3)(B) interdit à toute personne de vendre ou d'installer toute pièce qui contournerait, neutraliserait ou rendrait inopérant un système de contrôle des émissions , appareil ou élément de conception. Les véhicules sans convertisseurs catalytiques fonctionnels échouent généralement aux inspections des émissions. Le marché secondaire de l'automobile fournit des convertisseurs à haut débit pour les véhicules dotés de moteurs améliorés ou dont les propriétaires préfèrent un système d'échappement d'une capacité supérieure à celle d'origine.

Effet sur le débit d'échappement

Des convertisseurs catalytiques défectueux ainsi que les premiers types de convertisseurs non endommagés peuvent restreindre le flux d'échappement, ce qui affecte négativement les performances du véhicule et l'économie de carburant. Les convertisseurs catalytiques modernes ne limitent pas de manière significative le débit d'échappement. Un test de 2006 sur une Honda Civic 1999, par exemple, a montré que la suppression du convertisseur catalytique d'origine n'a entraîné qu'une augmentation de 3% de la puissance maximale; un nouveau convertisseur à noyau métallique ne coûte à la voiture que 1% de puissance, par rapport à aucun convertisseur.

Dangers

Les carburateurs des véhicules antérieurs à 1981 sans contrôle du mélange carburant-air à rétroaction pourraient facilement fournir trop de carburant au moteur, ce qui pourrait provoquer une surchauffe du convertisseur catalytique et potentiellement enflammer des matériaux inflammables sous la voiture.

Période d'échauffement

Les véhicules équipés de pots catalytiques émettent l'essentiel de leur pollution totale pendant les cinq premières minutes de fonctionnement du moteur ; par exemple, avant que le pot catalytique ne se soit suffisamment réchauffé pour être pleinement efficace.

Au début des années 2000, il est devenu courant de placer le convertisseur catalytique juste à côté du collecteur d'échappement, près du moteur, pour un réchauffement beaucoup plus rapide. En 1995, Alpina a introduit un catalyseur chauffé électriquement. Appelé "E-KAT", il a été utilisé dans le B12 5,7 E-KAT d'Alpina basé sur la BMW 750i . Les serpentins de chauffage à l'intérieur des ensembles de convertisseurs catalytiques sont électrifiés juste après le démarrage du moteur, amenant le catalyseur à la température de fonctionnement très rapidement pour qualifier le véhicule pour la désignation de véhicule à faibles émissions (LEV). BMW a ensuite introduit le même catalyseur chauffé, développé conjointement par Emitec, Alpina et BMW, dans sa 750i en 1999.

Certains véhicules contiennent un pré-catalyseur, un petit convertisseur catalytique en amont du convertisseur catalytique principal qui chauffe plus rapidement au démarrage du véhicule, réduisant ainsi les émissions associées aux démarrages à froid. Un pré-cat est le plus souvent utilisé par un constructeur automobile lorsqu'il essaie d'atteindre la cote de véhicule à très faibles émissions (ULEV), comme sur le Toyota MR2 Roadster.

Impact environnemental

Les convertisseurs catalytiques se sont avérés fiables et efficaces pour réduire les émissions nocives d'échappement. Cependant, ils présentent également quelques défauts d'utilisation, ainsi que des impacts environnementaux négatifs en production :

  • Un moteur équipé d'un catalyseur à trois voies doit fonctionner au point stoechiométrique , ce qui signifie que plus de carburant est consommé que dans un moteur à mélange pauvre . Cela signifie environ 10 % d' émissions de CO 2 en plus du véhicule.
  • La production de pots catalytiques nécessite du palladium ou du platine ; une partie de l'approvisionnement mondial de ces métaux précieux est produite près de Norilsk , en Russie , où l'industrie (entre autres) a fait que Norilsk a été ajoutée à la liste des endroits les plus pollués du magazine Time .
  • La chaleur extrême des convertisseurs eux-mêmes, peut provoquer des incendies de forêt , en particulier dans les zones sèches.

Vol

En raison de l'emplacement extérieur et de l'utilisation de métaux précieux précieux, notamment le platine , le palladium et le rhodium , les convertisseurs catalytiques sont une cible pour les voleurs. Le problème est particulièrement courant parmi les camions et les VUS récents, en raison de leur garde au sol élevée et de leurs convertisseurs catalytiques boulonnés faciles à retirer. Les convertisseurs soudés présentent également un risque de vol, car ils peuvent être facilement coupés. Les coupe - tubes sont souvent utilisés pour retirer silencieusement le convertisseur, mais d'autres outils tels qu'une scie alternative portable peuvent endommager d'autres composants de la voiture, tels que l'alternateur, le câblage ou les conduites de carburant, avec des conséquences potentiellement dangereuses. La hausse des prix des métaux aux États-Unis pendant le boom des matières premières des années 2000 a entraîné une augmentation significative des vols de convertisseurs. Un convertisseur catalytique peut coûter plus de 1 000 $ à remplacer, plus si le véhicule est endommagé pendant le vol.

De 2019 à 2020, les voleurs au Royaume-Uni ciblaient les voitures hybrides plus anciennes qui contiennent plus de métaux précieux que les véhicules plus récents, valant parfois plus que la valeur de la voiture, ce qui entraîne une rareté et de longs délais de remplacement.

En 2021, une tendance est apparue en République démocratique du Congo où les convertisseurs catalytiques ont été volés dans le but d'être utilisés dans la production de drogue.

Diagnostique

Diverses juridictions exigent désormais des diagnostics embarqués pour surveiller le fonctionnement et l'état du système de contrôle des émissions, y compris le convertisseur catalytique. Les véhicules équipés de systèmes de diagnostic OBD-II sont conçus pour alerter le conducteur d'une condition de raté d'allumage en allumant le voyant "vérifier le moteur" sur le tableau de bord ou en le faisant clignoter si les conditions de raté d'allumage actuelles sont suffisamment graves pour endommager potentiellement le convertisseur catalytique.

Les systèmes de diagnostic embarqués prennent plusieurs formes.

Les capteurs de température sont utilisés à deux fins. Le premier est un système d'avertissement, généralement sur les convertisseurs catalytiques bidirectionnels tels qu'ils sont encore parfois utilisés sur les chariots élévateurs GPL. La fonction du capteur est d'avertir de la température du convertisseur catalytique au-dessus de la limite de sécurité de 750 °C (1 380 °F). Les conceptions modernes de convertisseurs catalytiques ne sont pas aussi sensibles aux dommages causés par la température et peuvent résister à des températures soutenues de 900 °C (1 650 °F). Des capteurs de température sont également utilisés pour surveiller le fonctionnement du catalyseur : généralement deux capteurs seront installés, un avant le catalyseur et un après pour surveiller l'élévation de température sur le cœur du convertisseur catalytique.

Le capteur d'oxygène est la base du système de contrôle en boucle fermée sur un moteur à combustion riche à allumage par étincelle; cependant, il est également utilisé pour le diagnostic. Dans les véhicules avec OBD II , un deuxième capteur d'oxygène est installé après le convertisseur catalytique pour surveiller les niveaux d' O 2 . Les niveaux d' O 2 sont surveillés pour voir l'efficacité du processus de combustion. L'ordinateur de bord effectue des comparaisons entre les lectures des deux capteurs. Les lectures sont effectuées par des mesures de tension. Si les deux capteurs affichent la même sortie ou que l'O 2 arrière "commute", l'ordinateur reconnaît que le convertisseur catalytique ne fonctionne pas ou a été retiré, et actionnera un témoin de dysfonctionnement et affectera les performances du moteur. De simples « simulateurs de capteurs d'oxygène » ont été développés pour contourner ce problème en simulant le changement à travers le convertisseur catalytique avec des plans et des dispositifs pré-assemblés disponibles sur Internet. Bien que ceux-ci ne soient pas légaux pour une utilisation sur route, ils ont été utilisés avec des résultats mitigés. Des dispositifs similaires appliquent un décalage aux signaux des capteurs, permettant au moteur de fonctionner avec une combustion pauvre plus économique en carburant qui peut cependant endommager le moteur ou le convertisseur catalytique.

NON
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les capteurs sont extrêmement coûteux et ne sont en général utilisés que lorsqu'un moteur à allumage par compression est équipé d'un convertisseur catalytique sélectif (SCR) ou d'un NO
X
absorbeur dans un système de rétroaction. Lorsqu'il est monté sur un système SCR, il peut y avoir un ou deux capteurs. Lorsqu'un capteur est installé, il s'agit du pré-catalyseur ; lorsque deux sont installés, le second sera post-catalyseur. Ils sont utilisés pour les mêmes raisons et de la même manière qu'un capteur d'oxygène ; la seule différence est la substance surveillée.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Keith, CD, et al. Brevet US 3 441 381 : "Appareil pour purifier les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne". 29 avril 1969
  • Lachman, IM et al. Brevet US 3 885 977 : « Anisotropic Cordierite Monolith » (substrat en céramique). 5 novembre 1973
  • Charles H. Bailey. Brevet US 4 094 645 : "Combiné silencieux et convertisseur catalytique à faible contre-pression". 13 juin 1978
  • Charles H. Bailey. Brevet US 4 250 146 : '"Caseless monolithic catalytic converter". 10 février 1981
  • Srinivasan Gopalakrishnan. GB 2397782  : "Process And Synthesizer For Molecular Engineering of Materials". 13 mars 2002 .

Liens externes