Par rapport aux moteurs à essence, les moteurs diesel utilisent plus efficacement leur carburant – et émettent ainsi comparativement moins de ce gaz à effet de serre qu’est le dioxyde de carbone (CO2). Ceci, entre autres, parce que les moteurs diesel fonctionnent avec un excès d’air, on parle alors de fonctionnement en régime pauvre. Du fait de «l’excès d’oxygène» dans leurs gaz d’échappement il n’est toutefois pas possible d’utiliser sur les moteurs diesel le catalyseur 3 voies bien connu des voitures à essence qui est capable de décomposer plus de 98% des oxydes d’azote (NOx) toxiques sur ces véhicules.

Pour épurer tout de même les gaz d’échappement diesel de leurs oxydes d’azote, on a recours à un procédé développé à l’origine pour l’épuration des effluents gazeux des centrales thermiques. Il y bientôt dix ans qu’on a vu sur les routes tout d’abord les premiers camions équipés de catalyseurs utilisant cette technologie. Ce procédé utilise une solution aqueuse d’urée, commercialisée sous la dénomination de «AdBlue», pour transformer les oxydes d’azote en azote gazeux inoffensif à travers différentes réactions chimiques dans un catalyseur SCR (de l’anglais «selective reduction catalyst») optimisé spécialement pour la réduction des NOx. L’AdBlue est transporté sur les véhicules dans un réservoir spécial qui doit être périodiquement rempli, normalement lors du service du véhicule.

Les catalyseurs SCR sont toutefois notablement plus complexes que les catalyseurs 3 voies usuels des voitures à essence. Par exemple, le dosage de la solution d’urée AdBlue doit être exactement adapté à la quantité d’oxydes d’azote rejetée par le moteur; avec un dosage trop faible, la réduction des NOx prescrite par la législation n’est pas atteinte alors qu’un dosage trop élevé provoque des émissions d’ammoniaque indésirables. A cela vient encore s’ajouter qu’aux températures inférieures à 200°C, l’AdBlue a tendance à former des dépôts qui obstruent à plus ou moins long terme le catalyseur SCR. C’est aussi pourquoi les catalyseurs SCR doivent être adaptés et optimisés spécifiquement pour les différents types de moteurs et les variations de charge attendues – autrement le mode de conduite, ce qui est très compliqué et par là aussi coûteux.

The analyses at Empa’s engine lab reveal the planar distribution of AdBlue in diesel exhaust gas (red = high concentrations; blue = low concentrations). An even distribution of the “cleaning substance” AdBlue would be optimal.

Les catalyseurs SCR ne sont utilisés que depuis peu sur les voitures de tourisme. Les prescriptions actuelles applicables Europe et aux USA exigent que les catalyseurs SCR réduisent de plus de 95% la teneur en oxydes d’azote des gaz d’échappement diesel. De plus, avec l’entrée en vigueur de la norme EURO-6 au mois de septembre 2014, les véhicules à essence et diesel doivent désormais respecter les mêmes valeurs limites de NO_x; auparavant on avait toujours toléré en Europe des émissions de NO_x légèrement plus élevées sur les véhicules diesel.

Le laboratoire Technologies de motorisation de l’Empa dirigé par Christian Bach travaille depuis plusieurs années sur les catalyseurs et a équipé pour cela un laboratoire des fluides hautes températures spécial. Deux doctorants de l’équipe de Bach étudient actuellement différents procédés d’injection d’AdBlue dans le but d’obtenir une pulvérisation optimale et une distribution homogène de la solution aqueuse d’urée dans le flux des gaz d’échappement. Ces chercheurs utilisent pour cela un équipement de mesure optique laser pour quantifier et visualiser les minuscules gouttelettes d’AdBlue dans le flux des gaz d’échappement et étudier leur vaporisation et leur transformation chimique.

Les résultats expérimentaux ainsi obtenus sont utilisés en collaboration avec des collègues de l’EPF de Zurich et du «Politecnico di Milano» pour paramétriser des simulations sur ordinateur de l’injection d’AdBlue physiquement correctes et valider des modèles de simulation qui permettent de prévoir le taux de conversion d’un catalyseur dans différentes conditions d’exploitation. «Avec ces travaux, l’Empa apporte une contribution à la poursuite de la réduction des émissions polluantes des gaz d’échappement des véhicules diesel» explique Bach. «Mieux nous comprendrons cette technologie dans ces moindres détails, plus les véhicules diesel circulant sur les routes deviendront propres.» Ces projets sont soutenus par l’Office fédéral de l’environnement (OFEV) et le Centre de compétence énergie et mobilité (CCEM) du Domaine des EPF et sont réalisés en collaboration avec différents partenaires industriels.

Les photographies peuvent être téléchargées ici. http://plus.empa.ch/images/2015-09-29-Dieselabgase/