Réduction des émissions de moteur diesel

Une mousse métallique faite d’un alliage de nickel pourrait réduire émissions et consommation de carburant
par Carroll McCormick

Revue Nickel, juin 2007 -- Les véhicules à moteur diesel, qui sont reconnus pour leur plus faible consommation de carburant, attirent de plus en plus l’attention, alors que le secteur des transports produit environ 20 % des émissions en dioxyde de carbone à l’échelle mondiale.

En Europe, le diesel est utilisé dans un grand nombre de véhicules destinés aux particuliers, de même que dans la plupart des camions de transport. En Amérique du Nord, ce sont surtout les fourgonnettes de tourisme, les autobus et les camions qui l’utilisent. Malgré le fait qu’ils aient été conçus pour se conformer aux normes d’émission, les systèmes actuels de traitement des émissions de moteur diesel augmentent la consommation de carburant de 5 à 10 %. Cette différence s’explique par le fait que la suie accumulée nécessite une injection périodique de diesel dans le système d’échappement qui doit l’éliminer par combustion, ce qui crée une contre-pression. Toutefois, une récente innovation pourrait atténuer cet inconvénient, grâce à l’utilisation d’une mousse d’alliage de nickel permettant d’améliorer l’efficacité de tels systèmes d’échappement.

La technologie de traitement des émissions de moteur diesel, qui permet aux automobiles et aux camions de se conformer aux règlements actuels et à court terme en matière d’émissions, est fondée sur un procédé en trois volets : un catalyseur d’oxydation transforme le monoxyde de carbone et les hydrocarbures résiduels en bioxyde de carbone et en vapeur d’eau; un filtre à particules diesel piège les particules de suie; et un dispositif de dénitration élimine les oxydes d’azote en les réduisant à leurs composés d’oxygène et d’azote gazeux.

La société Inco Special Products (ISP), une filiale de CVRD Inco Limited, a entrepris d’améliorer le filtre et les matériaux (substrats) servant de support au catalyseur dans les systèmes de traitement des émissions, qui sont la céramique, les feuilles métalliques et les fibres. Cette filiale a mis au point un substrat de mousse d’alliage de nickel, qui résiste aux températures élevées et à la corrosion, à partir d’une mousse de nickel pur qu’elle fabrique en Chine, pour la vendre à des fabricants de batteries de nickel rechargeables, un peu partout dans le monde.

La société ISP crée des produits de nickel spéciaux destinés à des applications de pointe. Elle a mis au point ses premières mousses d’alliage de nickel haute température en 2003. Les mousses permettent aux fabricants d’élaborer des systèmes de traitement des émissions de moteur diesel qui présentent de multiples avantages par rapport aux systèmes traditionnels. Par exemple, elles permettent de fabriquer des systèmes de formes diverses, alors que ceux-ci sont habituellement cylindriques; les systèmes sont également plus légers et plus petits, nécessitent moins de catalyseur au platine pour produire le même effet de conversion et peuvent réduire la consommation de carburant.

Les essais vont bon train et quelques fabricants d’automobiles installeront le nouveau système dans un certain nombre de modèles, dès la fin de 2007. La société ISP vise également le marché nord-américain des camions, où de nouvelles directives en matière d’émissions diesel exigeront que les fabricants de camions installent des systèmes de traitement dans tous leurs modèles de véhicules construits en 2007. Récemment, la proposition de la Environmental Protection Agency des États-Unis, selon laquelle de nouvelles normes seraient établies en matière d’émissions concernant les locomotives à partir de 2009, a ouvert la voie sur un autre marché pour de tels systèmes.

La mousse de nickel pur est le résultat de l’électrodéposition de nickel sur de la mousse de polyuréthanne atteignant jusqu’à quatre millimètres (mm) d’épaisseur et un mètre (m) de largeur. Un procédé spécial élimine ensuite le polyuréthanne par combustion, ne laissant que la mousse de nickel pur. « Cette forme de nickel est un matériau précurseur pour de nombreux autres produits, tels que la mousse d’alliage », affirme M. Dirk Naumann, Ph.D., directeur, new technology and market development (développement de nouvelles technologies et marchés) pour la société ISP. « Nous pouvons ajouter d’autres éléments métalliques à la mousse pour lui prêter des qualités telles que la résistance aux températures élevées. »

La mouse d’alliage créée par ISP se compose de 50 % de nickel, de 22 % de fer, de 22 % de chrome et de 6 % d’aluminium et présente une bonne résistance à l’oxydation à des températures pouvant atteindre 1 100 °C. Un procédé utilisant la métallurgie des poudres sert à recouvrir la mousse de nickel d’un liant en solution, puis d’une poudre d’alliage. Une phase de frittage, pendant laquelle la poudre d’alliage et la mousse de nickel se diffusent ensemble, produit un alliage homogène de la composition désirée et possédant les propriétés physiques requises. Ces dernières comprennent notamment la résistance mécanique, la résistivité chimique et une taille des pores variant entre 450 micromètres (µm) et 2 mm, selon le composé précurseur.

« La mousse d’alliage est un excellent moyen de piéger la suie et cette technologie fonctionne différemment de celles qui utilisent traditionnellement des filtres », déclare M. Alexander Boehm, Ph.D., qui a inventé le procédé de transformation de nickel en alliage et supervise la mise au point de mousses d’alliage de nickel à ISP. « C’est un filtre qui saisit des particules à travers un lit épais de matière. Nous comptons sur l’action combinée de la diffusion, de l’impact par inertie et de l’interception de ligne d’écoulement pour piéger la suie qui se trouve dans le gaz. Ces mécanismes fixent des particules de tailles différentes, y compris celles dont les dimensions sont de l’ordre critique du nanomètre. »

La mousse d’alliage sert également de substrat sur lequel un catalyseur peut être appliqué aux fins d’oxydation et de dénitration.

L’action catalytique est beaucoup plus efficace dans la mousse d’alliage que dans un filtre traditionnel, en raison de l’effet de mise en suspension de la mousse. De plus, sa surface supérieure expose beaucoup plus de gaz d’échappement diesel au catalyseur, puisqu’il faut plus de temps aux émissions pour traverser le lit épais.

Le résultat est un système de traitement faisant la moitié de la taille d’un système ordinaire et utilisant la moitié moins de catalyseur coûteux (habituellement du platine) pour purifier les gaz d’échappement de diesel au point requis en vertu des règlements en vigueur.

Pour que les filtres continuent de fonctionner adéquatement, ils doivent être régénérés périodiquement, afin que s’élimine par combustion la suie accumulée. Une régénération passive se produit à des températures supérieures à 250 °C, par la réaction de la suie et du dioxyde d’azote formant du dioxyde de carbone. Toutefois, dans la plupart des systèmes, lorsque le cycle de fonctionnement d’un véhicule n’est pas suffisant pour accroître la température du système d’échappement et entraîner une régénération passive, du carburant diesel est ajouté par intervalles pour éliminer la suie à des températures pouvant atteindre
1 000 °C. Ce phénomène s’appelle la régénération active.

Étant donné que les petits filtres ont une masse thermique moins élevée, ils atteignent la température de régénération active plus rapidement, ce qui réduit les émissions lors du démarrage à froid. De plus, puisque la mousse d’alliage peut tolérer une charge de suie supérieure par rapport aux filtres de céramique, le système ainsi doté a besoin moins souvent d’être soumis à une régénération active. Comme il faut moins de carburant pour atteindre la température requise, la mousse est donc susceptible d’entraîner des économies. Selon la relation complexe avec la contre-pression, le résultat pourrait se traduire par une diminution de la consommation de carburant et une réduction des émissions pour le véhicule en général.

C’est une bonne nouvelle pour le secteur des transports qui contribue considérablement aux émissions de dioxyde de carbone relâchées dans l’atmosphère et qui fait l’objet d’une surveillance très attentive de la part des organismes de réglementation.

Carroll McCormick est un collaborateur indépendant établi à Montréal.

ILLUSTRATIONS : CVRD Inco et iStock

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