Catalyseur DPF à substrat en nid d'abeille

Principe de fonctionnement du DPF : Filtration et régénération
Comprendre le DPF nécessite la compréhension de ses deux processus principaux :
1. Processus de filtration
Le substrat DPF est généralement une structure en nid d'abeille constituée de parois poreuses en carbure de silicium ou en cordiérite, avec des canaux alternés bloqués aux extrémités d'entrée et de sortie.
Les gaz d'échappement sont forcés de traverser les parois poreuses entre les canaux.
Les particules sont piégées sur les parois car leur taille est supérieure au diamètre des pores des parois.
Ce procédé est très efficace, avec une efficacité de filtration des suies supérieure à 95 %.
2. Processus de régénération
C'est l'essence même de la technologie DPF. Si la suie est seulement collectée mais non éliminée, les particules s'accumuleront continuellement, provoquant une forte augmentation de la contre-pression des gaz d'échappement, conduisant éventuellement à un dysfonctionnement du moteur. Par conséquent, les particules collectées doivent être périodiquement brûlées, un processus appelé régénération.
Défi principal : La température d'inflammation de la suie pure est très élevée (environ 550 à 600 °C), alors que les températures normales des gaz d'échappement diesel, en particulier lors de la conduite urbaine, ne varient que de 150 à 300 °C et ne peuvent pas brûler naturellement la suie.
Rôle du catalyseur : L'objectif principal du catalyseur DPF est d'abaisser considérablement la température d'oxydation de la suie par le biais de réactions chimiques, lui permettant d'être brûlée dans la plage normale de température d'échappement pendant le fonctionnement du moteur.

Types et composition des catalyseurs DPF
Les catalyseurs DPF ne sont pas des unités indépendantes mais sont intégrés au substrat DPF sous la forme d'un revêtement. Il existe trois méthodes principales de mise en œuvre :
1. DPF avec revêtement catalytique
Il s'agit du type le plus courant, dans lequel le revêtement catalytique est appliqué directement sur les parois poreuses du substrat DPF.
Substrat : Carbure de silicium poreux ou cordiérite DPF.
Revêtement : Semblable au DOC, une alumine gamma à grande surface spécifique est utilisée comme revêtement de base.
Composants actifs :
Les métaux précieux tels que le platine et le palladium : ils ont été des choix courants dans les premiers systèmes et dans de nombreux systèmes actuels.
Mécanisme d'action :
Oxydation du NO en NO₂ : Le catalyseur oxyde le NO présent dans les gaz d'échappement en NO₂. Le NO₂ est un agent oxydant puissant qui réagit avec la suie à des températures relativement basses (~250–300°C) : C 2NO₂ → CO₂ 2NO. Cette réaction est essentielle pour parvenir à une régénération passive.
Oxydation directe : À des températures plus élevées, le catalyseur favorise également la réaction directe entre l’oxygène et la suie.
2. Catalyseur de type additif pour carburant
Dans cette méthode, le catalyseur n'est pas déposé sur le DPF mais ajouté directement au carburant sous la forme d'un additif à base de métal.
Additif : Généralement, composés organométalliques de cérium ou de fer.
Principe : Après la combustion, les particules métalliques de l'additif pénètrent dans le DPF avec les gaz d'échappement et s'incrustent uniformément dans la couche de suie collectée. Lors de la régénération, ces particules métalliques agissent comme des catalyseurs, abaissant considérablement la température d'oxydation des suies (jusqu'à ~450°C).
Avantages : Le catalyseur se mélange uniformément à la suie, garantissant un contact suffisant et une efficacité de régénération élevée.
Inconvénients : Nécessite des systèmes supplémentaires de stockage et d'injection d'additifs, augmente les coûts et les résidus de cendres d'oxyde métallique s'accumulent dans le DPF, nécessitant un nettoyage périodique.
3. FAP catalytique
Il s’agit d’un concept facile à confondre mais important. Il s'agit de l'intégration des fonctionnalités DOC et DPF dans un seul composant, c'est-à-dire l'application d'un catalyseur d'oxydation à haute dose (tel que le platine ou le palladium) à l'entrée du DPF.
Fonction : Il peut oxyder le CO et les HC comme un DOC et générer du NO₂ pour une régénération passive, tout en capturant également les particules comme un DPF.
Application : Couramment utilisé dans les systèmes de post-traitement compacts où l’espace est limité.

Stratégies de régénération du DPF
La présence d'un catalyseur DPF permet les stratégies de régénération suivantes :
1. Régénération passive
Processus : lors du fonctionnement normal du véhicule, lorsque la température des gaz d'échappement atteint un certain niveau (par exemple, lors d'une croisière sur autoroute), le catalyseur DPF génère en continu du NO₂, qui oxyde progressivement la suie accumulée.
Caractéristiques : Ce processus est imperceptible pour le conducteur et constitue la méthode de régénération la plus souhaitable. Cependant, cela nécessite une température d'échappement suffisante et une coordination avec le DOC en amont pour fournir du NO₂.
2. Régénération active
Processus : Lorsque l'ordinateur de bord du véhicule détecte via le capteur de pression différentielle que le DPF est suffisamment encrassé et que la régénération passive n'est pas possible, le système intervient activement.
Méthodes d'intervention : En retardant l'injection de carburant ou en effectuant une post-injection, le carburant non brûlé pénètre dans le DOC, subit une oxydation et produit des gaz d'échappement à haute température supérieure à 600 °C, qui sont ensuite dirigés vers le DPF, permettant à la suie de s'oxyder rapidement avec l'oxygène à haute température.
Rôle du catalyseur : Dans ce mode, la suie peut être brûlée même sans catalyseur à des températures élevées. Cependant, la présence du catalyseur abaisse la température de régénération requise, raccourcit le temps de régénération et réduit la consommation de carburant.
3. Régénération des services
Processus : Si le véhicule est constamment utilisé sur de courtes distances ou dans des conditions de faible vitesse, empêchant ainsi l'achèvement de la régénération active, un équipement spécialisé doit être utilisé par le personnel d'entretien pour effectuer une régénération forcée.

Principaux défis et considérations
1. Accumulation de cendres : Les additifs contenus dans l’huile moteur (tels que le calcium, le zinc, le phosphore, le soufre, etc.) produisent des cendres non combustibles lors de la combustion. Les cendres obstruent définitivement les canaux du DPF, provoquant une augmentation progressive de la contre-pression. Il s'agit du facteur limitant ultime pour la durée de vie du DPF et nécessite un démontage, un nettoyage ou un remplacement périodique (généralement après plusieurs centaines de milliers de kilomètres).
2. Empoisonnement du catalyseur : Des substances telles que le soufre et le phosphore peuvent empoisonner le revêtement du catalyseur du DPF, réduisant ainsi son activité catalytique.
3. Gestion thermique : Le contrôle de la température pendant la régénération active est essentiel. Des températures excessives peuvent provoquer la fonte ou la fissuration du substrat DPF en raison de contraintes thermiques.
4. Qualité du carburant : un carburant à haute teneur en soufre peut gravement dégrader les performances du catalyseur et générer une augmentation des cendres sulfates.