Procédé Innovant de Réduction des Emissions Particulaires 2 – PIREP2

PIREP2 associe des laboratoires de recherche académique et des entreprises autour de trois volets principaux. Le premier porte sur la compréhension des phénomènes qui gouvernent l’efficacité d’un catalyseur pour l’élimination des particules de suies. Le consortium développe des catalyseurs spécifiques qui ont la particularité de présenter une mobilité dans leur volume de l’oxygène à l’état ionique. Ces oxygènes sont actifs pour brûler les suies. L’élucidation du mécanisme, à l’échelle nanométrique, qui aboutit à l’oxydation totale des particules de suies par les ions oxygènes, va permettre d’optimiser à la fois la formulation et la morphologie du
catalyseur retenu pour le second volet des recherches. Celui-ci consiste à élaborer et optimiser des mini-filtres à particules auto-régénérant (FAPauto) à l’échelle du laboratoire (25 mL). Afin de concilier les propriétés mécaniques et thermiques nécessaires au bon fonctionnement d’un FAP avec de bonnes performances catalytiques, les mini-FAPautos sont constitués du catalyseur et d’un additif, dont la sélection est en cours. Ce volet aboutira à la réalisation de prototypes de FAPauto à l’échelle 1 dont les performances en termes de filtration et de catalyse seront évaluées sur un banc moteur. En parallèle, le consortium élabore des prototypes de 1ere génération dans lesquels le catalyseur conducteur ionique est finement dispersé dans les canaux d’entrée d’un FAP commercial en carbure de silicium. Le troisième volet du projet PIREP2 porte sur la caractérisation, sur un banc moteur, des émissions gazeuses et particulaires d’un moteur diesel. Les performances des différents prototypes sont comparées à celles des FAP commerciaux de technologie actuelle.

Les faits marquants du projet PIREP2, à mi-parcours, sont les suivants :
* Elaboration et mesures des performances catalytiques pour l’oxydation de la suie d’un mini-FAPauto entièrement composé d’un conducteur ionique.
Un mini-FAPauto, à l’échelle du laboratoire (25 mL), a été élaboré entièrement en zircone yttriée, une céramique conductrice ionique. En présence de suies modèles (2 108 particules de suie/cm3) sous fort débit (20 L/min), ce mini-FAPauto est capable de s’auto-régénérer à 530°C.

* Compréhension des mécanismes d’oxydation de la suie sur zircone yttriée.
Des mesures d’oxydation de la suie sur zircone yttriée en présence d’oxygène isotopique 18 ont clairement montré le rôle prépondérant à basse température des oxygènes de réseau de la zircone yttriée. C’est bien l’oxygène de réseau de la céramique qui active la combustion de la suie dès 300°C. Les mesures montrent que 60% des atomes d’oxygène du réseau de la zircone yttriée participent à la combustion de la suie. Par conséquent, l’amélioration des performances catalytiques passe certainement par l’optimisation de la conductivité ionique et du contact solide/solide (suie/catalyseur) puisque les oxygènes actifs arrivent par cette interface. Afin de s’affranchir de la qualité du contact suie/catalyseur et donc de l’effet de la granulométrie sur les performances catalytiques, des essais de craquage in-situ de propène ont été réalisés sur une poudre de YSZ. Le craquage du propène produit du carbone qui se dépose sur toute la surface accessible aux gaz du catalyseur. Dans les tests classiques réalisés à partir de mélange de suies et de poudre, le contact suie/catalyseur est vraisemblablement limité à la surface des grains d’agglomérats. L’oxydation du carbone déposé à la surface de zircone yttriée débute vers 250°C. Ce résultat démontre une nouvelle fois la très bonne activité catalytique de la zircone yttriée pour l’oxydation du carbone et donc de la suie.

Le traitement en continu des suies dans les filtres à particules (FAP) ouvrirait la porte à des technologies de post-traitement ne supportant pas à ce jour les contraintes thermiques et thermo-mécaniques du cycle des régénérations. D’un point de vue pratique les retombées attendues sont : (1) une réduction significative de la température de régénération du FAP ; (2) une limitation de la pénalité carburant liée à régénération ; (3) une réduction du coût du dispositif de post-traitement des particules.

B. Cartoixa, J. Lavy, K. Pajot, K. Sellegri, M.C. Steil, P. Vernoux, “Innovative Process for Reducing Emissions of Particulates”, Proceeding of the International Conference and Exhibition, DIESEL POWERTRAIN, 5-6 juin 2012, Rouen, France. Communication orale et publication portant sur les performances catalytiques et en filtration de mini-FAPs en carbure
de silicium imprégnés par de la zircone yttriée.

E. Obeid, L. Lizarraga, M.N. Tsampas, A. Boréave, L. Retailleau-Mevel, B. D’Anna, C. George, A. Giroir-Fendler, M.C. Steil, G. Blanchard, K. Pajot, P. Vernoux, « Catalytic performances of Yttria-Stabilized Zirconia for soot oxidation. Mechanistic study with 18O2 isotopic exchange. », affiche présentée au 15th International Congress on Catalysis 2012, 01-07 juillet 2012,
Munich, Allemagne et également au 7th International Conference on Environmental Catalysis, 2-6 septembre 2012, Lyon, France. Résultats sur le mécanisme d’oxydation de la suie sur conducteur ionique.

A. Cordier, M. Kleitz, M. C. Steil, Journal of the European Ceramic Society, 32 (2012) 1473-1479. Publication sur la mise en forme (frittage sous courant) de la zircone yttriée.

Le projet PIREP2 porte sur la caractérisation et l’élimination des particules de suies émises par les futures voitures hybrides à motorisation Diesel. Son principal objectif est de développer une nouvelle génération de filtres à particules autorégénérants (FAPauto) à partir des compétences acquises sur les catalyseurs électrochimiques filtrants lors du projet PIREP1 (Programme ADEME, 2007-2010) coordonné par IRCELYON avec l’appui de PSA.

Les voitures hybrides Diesel (VHD) pourraient permettre une baisse importante de la consommation en carburant et donc des rejets de gaz à effet de serre tout en contribuant à la réduction de la dépendance aux énergies fossiles. Ces enjeux sont capitaux pour limiter le réchauffement climatique de la planète et ses effets désastreux. La consommation cible en carburant des VHD est de 3 L pour 100 km pour un moteur de cylindrée moyenne (1,6 L), soit une réduction de 50% par rapport à une motorisation conventionnelle. Cependant, afin de respecter les futures législations européennes (EURO 6 en 2014 et EURO 7 en 2018-2020) sur les rejets de polluants (NOx, HC, CO, particules), les VHD seront nécessairement équipées d’un dispositif de post-traitement catalytique complexe. Or, les technologies de filtres à particules actuelles entraînent toutes une surconsommation de carburant incompatible avec l’ambition des VHD.

PIREP2 est un projet de recherche industrielle dont les principaux objectifs sont :

o le développement et l’optimisation de FAPauto constitués de céramiques conductrices ioniques, capables de brûler en continu les suies dès 250°C sans surconsommation de carburant et sans ajout de métal noble,
o la compréhension des mécanismes d’activation de la suie par les céramiques conductrices ioniques par les ions oxydes,
o et le diagnostique précis des émissions gazeuses et particulaires des VHD et l’impact des FAPauto sur les processus de nucléation (formation de nouvelles particules ultrafines).