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Définition et implications du concept de voiture propre

 

2. M. Gérard BELOT, Direction de l'environnement automobile et du développement durable, PSA

Messieurs les Députés, Mesdames et Messieurs. J'ai au sein de la Stratégie et du Plan du groupe PSA Peugeot-Citroën la responsabilité de coordonner les positions techniques dans le domaine des carburants et des émissions. C'est donc à ce titre que j'ai eu l'honneur d'être invité pour parler des techniques de dépollution des moteurs, et notamment pour faire un bilan en ce qui concerne leur maturité et leur efficacité.

Il existe deux convertisseurs énergétiques utilisés dans l'automobile : l'essence et le diesel. L'essence est un moteur que l'on qualifie de moteur à allumage commandé, qui fonctionne sur une combustion dite stéochiométrique homogène. Stéochiométrique signifie que l'on s'applique à ce qu'il y ait en permanence dans la chambre de combustion autant de carburant que d'air nécessaire à la combustion complète du carburant. C'est donc un équivalent d'oxydo-réduction, pour parler plus savamment. Homogène signifie que le mélange air/essence est fabriqué avant d'être introduit dans la chambre de combustion pour avoir dans cette chambre de combustion un mélange très intime entre l'air et l'oxygène, qui va permettre la combustion, et le carburant vaporisé.

Le diesel fonctionne sur un mode totalement différent, qui est un mode d'allumage par compression. Cela consiste à comprimer de l'air par le mouvement du piston vers le haut. Dans cet air comprimé, qui est de ce fait échauffé, on injecte une petite quantité de carburant qui va donner l'énergie, par combustion. Cette combustion est dite en excès d'air, parce que, quelles que soient les conditions de fonctionnement, ou pratiquement, on admet toujours dans le moteur, à chaque temps moteur, la même quantité d'air qui est celle imposée par la volumétrie du cylindre du piston. C'est hétérogène parce qu'on injecte le carburant dans une masse d'air chaude, et que cela donne lieu à une combustion essentiellement hétérogène. Le moteur thermique est un système. Ce n'est pas un dispositif destiné à fabriquer de l'énergie uniquement, mais il doit s'intégrer totalement dans la chaîne que l'on appelle thermomécanique, qui doit prendre en compte les systèmes de dépollution.

Un moteur doit être optimisé car il doit satisfaire un certain nombre de critères et d'obligations, liées notamment au rendement énergétique que l'on souhaite le plus élevé possible, à la consommation de carburant, ce qui n'est pas tout à fait équivalent au rendement, à la puissance et au couple, c'est-à-dire la qualité qu'aura un moteur de donner de l'énergie au moment où l'on a besoin, et de la façon la plus régulière possible. Les émissions gazeuses et particulaires font partie de ce que l'on appelle l'optimisation, et l'acoustique et les vibrations sont également prises en compte. Ce n'est pas une liste limitative, mais elle montre que souvent, cette optimisation est basée sur des antinomies, et que l'on est amené à gérer en permanence des compromis.

Je vais parler du moteur essence et de ce que l'on appelle couramment la catalyse trois voies, en m'appuyant sur un schéma qui peut paraître complexe, mais qui est relativement simple. C'est un catalyseur, et c'est donc la pièce de céramique qui est placée dans la ligne d'échappement (cela représente deux litres de volume). Ce catalyseur est constitué d'un support de céramique, forme nid d'abeille, et donc les gaz peuvent traverser ce support. Sur celui-ci sont déposés des matériaux réfractaires, des oxydes métalliques, alumines, sur lesquels sont dispersés les métaux précieux (platine, palladium, rhodium) à la surface desquels les réactions catalytiques vont avoir lieu. Pour donner une idée, le rôle de ce que l'on appelle le washcoat, c'est-à-dire la phase active sur laquelle sont dispersés les métaux précieux, offre une surface de contact très importante au gaz d'échappement. Pour avoir une référence simple, c'est la taille d'un terrain de football. Autrement dit, le washcoat, du fait de sa très haute porosité, offre au gaz d'échappement une surface d'échange très vaste sur laquelle sont déposés les métaux précieux où s'effectuent les actes catalytiques.

Sur le schéma de fonctionnement de la catalyse trois voies, on voit qu'elle exige que la stéochiométrie soit respectée. Cela signifie qu'en permanence, on va mesurer la quantité d'oxygène présente dans le gaz d'échappement, pour que celle-ci soit le plus près possible de ce que l'on appelle la stéochiométrie, c'est-à-dire la richesse 1. Si l'on s'écarte de cette richesse, si l'on va du côté pauvre ou du côté riche, le catalyseur ne va plus remplir sa fonction trois voies, de convertir simultanément le monoxyde de carbone et les hydrocarbures, qui sont des réducteurs, et l'oxyde d'azote, qui est un oxydant, plus les restes d'oxygène qui sont présents dans les gaz d'échappement. Moyennant un maintien aussi strict que possible au voisinage de la richesse 1, le dispositif va offrir un taux de conversion optimal pour les trois polluants (CO, HC, NOx) et de ce fait, exercer sur les gaz d'échappement une conversion qui va ramener les niveaux de ces trois polluants à des valeurs très basses. Cette catalyse trois voies est en action depuis très longtemps. Elle remonte aux années 70, où elle a été introduite aux Etats-Unis. Aujourd'hui, on peut dire qu'elle a fait ses preuves, sachant que pour la mettre en oeuvre, il faut également respecter des conditions de température, de vitesse d'écoulement, qui permettent d'obtenir son optimum d'efficacité.

En ce qui concerne le diesel, je vais parler des nouveaux moteurs, qui font appel à une technologie d'injection dite « common rail haute pression », qui chez PSA Peugeot-Citroën a pris l'appellation HDI. Cette technologie, lancée en 1998, a la propriété de découpler complètement l'injection de la mécanique. Cela signifie que le système d'injection est devenu autonome. Il peut être commandé de façon électronique, séparément, sur chaque injecteur, de façon à gérer la combustion, cylindre après cylindre, dans tout le cycle moteur. C'est un avantage considérable, car cela permet d'une part de très hautes pressions d'injection et une vaporisation ou dispersion du carburant de très haute qualité, qui donne une combustion que je ne qualifierai pas d'homogène mais qui tend à s'en rapprocher. De ce fait, cela diminue d'une part les NOx et d'autre part les particules. C'est le carré magique, que l'on a pour habitude d'utiliser pour qualifier ces nouveaux moteurs diesel, avec un gain de 15 à 20 % au niveau de la consommation par rapport au moteur remplacé. Cela place le diesel à 25 % de l'essence, avec un agrément de conduite, grâce au couple, le silence de fonctionnement, en raison d'une injection pilotée très finement, ce qui évite les bruits liés à la combustion brutale, et les émissions qui sont réduites de facto par ce nouveau système d'injection.

Grâce à ce système d'injection très performant, qui permet une gestion très précise du mode d'injection, il a été possible de développer le filtre à particules, qui les éradique totalement. Lorsqu'on mesure le nombre de particules, la diminution est de quatre ordres de grandeur. On divise par dix mille le nombre de particules grâce à ce dispositif. Celui-ci repose sur trois contribuants importants :

· le filtre proprement dit, en carbure de silicium, qui a des propriétés thermomécaniques exceptionnelles, permettant de stocker et de régénérer régulièrement et sans dommages, tout en conservant l'efficacité ;

· le système d'injection « common rail », qui permet de gérer l'injection de façon précise. On peut observer que dans le même cycle moteur, on est capable de générer trois injections distinctes, la première étant appelée pilote, qui va préparer la combustion et diminuer le bruit, la seconde, qui va donner l'énergie, et la troisième, que l'on active uniquement lorsque c'est nécessaire, qui permet la régénération du filtre à particules, tout simplement parce qu'en injectant du carburant dans la phase de détente du cycle moteur, on fabrique des calories, on réchauffe les gaz d'échappement, on fabrique dans le même temps des hydrocarbures excédentaires qui vont brûler sur le catalyseur d'oxydation en amont du filtre à particules, et qui vont de ce fait contribuer à réchauffer les gaz pour assurer la combustion ;

· le troisième élément indispensable est l'additif. Les véhicules équipés du système filtre à particules disposent d'un petit réservoir renfermant un additif à base d'oxyde de cérium, qui est ajouté au carburant chaque fois qu'on fait le plein. Ainsi, chaque plein est détecté par l'électronique, dont on mesure le volume, et l'on injecte la quantité adéquate de cet additif qui a des propriétés très importantes pour le bon fonctionnement. D'une part, on abaisse la température de combustion des particules d'environ cent degrés, puisque l'on retrouve cet additif dans les particules. D'autre part, la régénération va avoir lieu très rapidement car cet additif joue le rôle de médiateur de l'oxydation, et la combustion des particules va être rapide et complexe (trois à quatre minutes pour nettoyer complètement le filtre).

Voici donc un dispositif qui aujourd'hui confère au diesel une qualité en termes d'émissions particulaires que j'ose qualifier de parfaite. Nous revendiquons cette technologie diesel et nous avons des raisons de le faire, puisque nous avons produit un million et demi de moteurs en 2004. Le filtre à particules (il y en a environ un million quatre cent mille), sans failles et sans difficultés, c'est également la possibilité pour PSA Peugeot-Citroën d'implanter du diesel sur d'autres continents, la Chine et l'Amérique du Sud notamment grâce à ses qualités d'économie et de propreté maintenant.

Le point dur du diesel, ce sont les oxydes d'azote. Pour les particules, comme on vient de l'indiquer, le traitement est assuré et il fonctionne. La gestion des émissions d'oxyde d'azote pour le diesel relève de technologies de post-traitement. Nous en avons identifié deux sur lesquelles nous travaillons depuis longtemps, et pour lesquelles nous souhaitons vous faire part de l'état des lieux. La première, c'est la technologie dite piège à NOx. Sur le schéma descriptif du mécanisme de fonctionnement du piège à NOx, on a changé complètement d'échelle et l'on est pratiquement à l'échelle moléculaire. On voit sur le support catalytique les actes catalytiques qui permettent de traiter les oxydes d'azote de façon différée par piégeage. Les oxydes d'azote, NO et NO2, sont transformés grâce à l'oxygène résiduel des gaz d'échappement, sur du platine en NO2, qui va être piégé par un matériau qui a l'aptitude de réagir avec les oxydes d'azote pour former les nitrates. Pour simplifier, on va dire que c'est du baryum. Le catalyseur comprend des sites renfermant des petites quantités de baryum, qui vont capturer le dioxyde d'azote, pour en faire du nitrate de baryum. Celui-ci est stable tant et aussi longtemps qu'on ne le perturbe pas du point de vue thermochimique. Dans un moteur diesel, qui est essentiellement pauvre à l'échappement (excès d'oxygène), on va fonctionner pendant typiquement soixante secondes dans les conditions pauvres, pendant lesquelles on va piéger les oxydes d'azote. Périodiquement, on va obliger le diesel à fonctionner dans des conditions riches ou stéochiométriques, et dans ces conditions, on déstabilise le nitrate de baryum. Autrement dit, celui-ci va se décomposer pour redonner des oxydes d'azote qui vont être convertis comme sur un catalyseur trois voies sur le rhodium, dans l'atmosphère riche en azote, dioxyde de carbone et eau. On a réussi, par cet artifice, à stocker les oxydes d'azote, puis à les déstocker en les traitant, de façon à les éliminer à l'échappement. Le problème, c'est que les oxydes d'azote et le soufre ont le même comportement vis-à-vis des matériaux chargés de leur piégeage, et que l'on va lentement, mais sûrement, sulfater ces sites de capture des oxydes d'azote, et que périodiquement, il va falloir les désulfater. Cela signifie que l'on monte à des températures supérieures à 600 ou 650 degrés pour que cette désulfatation libère en quelque sorte les sites actifs et les rende disponibles de façon permanente pour traiter les oxydes d'azote. Lorsqu'on combine ces deux opérations, c'est complexe et cela consomme de l'énergie.

Nous étudions les systèmes filtre à particules. Ils fonctionnent, mais leur durabilité n'est pas garantie. A partir de quarante à cinquante mille kilomètres, le dispositif perd de l'efficacité, qui initialement était aux environs de 60-70 % pour tomber à 20-25 %, ce qui est insuffisant pour assurer la dépollution de façon pérenne pour le diesel. La catalyse SCR est une alternative à la catalyse des NOx par piège, basée sur un concept qui existe depuis très longtemps utilisé dans les stations fixes, et qui fonctionne bien. Cela consiste à injecter du gaz d'ammoniaque, NH3, sur un catalyseur spécifique à base d'oxyde de vanadium, et dans ces conditions les oxydes d'azote sont traités de façon sélective, même en présence d'oxygène, pour donner de l'azote, du dioxyde de carbone et de l'eau.

L'application aux véhicules, aux sources mobiles, est possible. Sur les poids lourds, elle est déjà envisagée et elle entre en action. Elle est possible moyennant un réservoir supplémentaire et un dispositif que je ne vais pas commenter intégralement, mais qui consiste, dans les phases détectées comme particulièrement émettrices d'oxyde d'azote, à injecter de l'urée, sous forme solution aqueuse, qui à température convenable va se décomposer pour donner de l'ammoniaque. C'est cet ammoniaque, réducteur sélectif, qui va détruire les oxydes d'azote sur un catalyseur qui est tout aussi spécifique. Si cela marche bien dans les stations fixes, c'est parce que la température y est fixe, ainsi que les vitesses spatiales. Sur un moteur, on change en permanence de régime. Cela signifie que l'on va devoir gérer un dispositif de traitement qui prend en compte ce que l'on appelle les transitoires. Sur un poids lourd, c'est faisable, parce qu'il fonctionne sur des rythmes constants. Un véhicule automobile fonctionne essentiellement sur des rythmes variables. Il existe une perspective claire d'amélioration de la situation, mais elle doit être gérée en évitant d'envoyer de l'ammoniaque dans l'atmosphère, en construisant un dispositif de contrôle très précis, dont je rappelle qu'il doit être couplé avec le filtre à particules comme doit être également couplé le piège à NOx. Cela veut dire que c'est la gestion simultanée de deux systèmes séquentiels, et cela nécessite une mise au point.

La technologie SCR à l'urée convertit très bien les NOx. Le réducteur est disponible et M. LE BRETON en a fait état. Dans les stations-service la situation ne fera que s'améliorer. Il reste quelques obstacles à gérer, comme le gel de la solution, ce qui paraît banal. Sur un poids lourd, cela peut être géré, mais pas sur un véhicule particulier. Le volume du réservoir, ce sont vingt litres à implanter ; l'infrastructure de distribution n'est pas encore disponible mais elle se définit. Surtout, le fonctionnement est totalement défaillant à moins de deux cents degrés.

Concernant le post-traitement des émissions gazeuses et particulaires des véhicules particuliers, nous avons fait un bilan technologique. La catalyse trois voies, c'est éprouvé robuste ; l'amélioration du rendement de la conversion est liée essentiellement à une charge en métaux précieux, ce qui signifie une dépendance vis-à-vis de la fourniture des métaux précieux (il est important de le souligner car on l'oublie souvent) ; le filtre à particules additivé PSA Peugeot-Citroën fonctionne, la technologie est éprouvée et robuste, avec un million quatre cents véhicules en circulation, et le déploiement se poursuit ; on observe une surconsommation modérée (moins de 1 %) ; le piège à NOx est un principe validé, avec un rendement de conversion voisin de 50 %, et une durabilité insuffisante ; la charge en métaux précieux est sûrement très importante, et l'on observe surtout une surconsommation de 5 %. La réduction catalytique sélective est un dispositif qui a besoin d'être amélioré et validé pour trouver un fonctionnement satisfaisant dans les situations transitoires.

Je vous remercie de votre aimable attention.

· M. Christian CABAL

Merci, cette présentation était très importante. M. HERRIER va nous présenter les nouvelles techniques de combustion.