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Le catalyseur : ou se trouve-t-il et comment il fonctionne

Aujourd’hui, nous allons consacrer une partie de notre temps aux pot catalytiques, un petit trésor que beaucoup d’entre nous possèdent sous nos voitures. Beaucoup d’entre vous savent qu’il s’agit d’une pièce incorporée dans la plupart des véhicules actuels, mais peut-être ne savez-vous pas très bien à quoi elle sert, et encore moins comment elle fonctionne.

Nous allons essayer de résoudre tous ces doutes de manière complète et simple, et vous pourrez même avoir une explication de ce qui se passe lorsque les gaz d’échappement les traversent.

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Qu’est-ce qu’un catalyseur ?

Les convertisseurs catalytiques, pots catalytiques ou catalyseurs ont été introduits pour la première fois en 1975, lorsque les constructeurs automobiles américains ont commencé à en équiper leurs modèles en réponse au plan américain pour un air pur exigé par l’Agence de protection de l’environnement (EPA). L’objectif était de réduire de 75% la pollution émise par les véhicules à combustion postérieurs à 1975.

En conséquence, le catalyseur est rapidement devenu un élément commun à tous les types de transport, des véhicules privés aux bus et aux trains. À l’extérieur, ce n’est rien d’autre qu’un cylindre en acier inoxydable, mais à l’intérieur, il contient des matériaux très intéressants dont nous allons vous parler.

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Une définition simple d’un catalyseur, également appelé pot catalytique, est un composant du moteur à combustion interne qui sert à contrôler et à réduire les gaz nocifs expulsés par le moteur. Aujourd’hui, ils constituent un excellent moyen de réduire les émissions polluantes des voitures.

La plupart des véhicules à combustion interne modernes utilisent généralement deux convertisseurs catalytiques : un catalyseur plus petit et plus compact (appelons-le « secondaire »), suivi d’un catalyseur principal plus grand. Nous y reviendrons lorsque nous parlerons du fonctionnement d’un catalyseur, afin que vous compreniez la fonction de chaque catalyseur.

Quels sont les composants d’un catalyseur ?

Comme tous les composants mécaniques d’un moteur, les convertisseurs catalytiques sont constitués de divers éléments qui leur permettent de remplir efficacement leur fonction. Tout d’abord, en raison des températures élevées qu’il atteint, le catalyseur est recouvert d’un bouclier thermique métallique qui empêche la chaleur d’endommager le véhicule.

Celui-ci abrite une matrice céramique qui prend la forme d’un nid d’abeille, environ 70 cellules par centimètre carré, et est imprégné d’une résine dans laquelle on trouve des éléments métalliques nobles, comme le palladium (Pd), le platine (Pt) et le rhodium (Rh). Cela rend les catalyseurs très chers et en fait une cible pour les voleurs.

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Actuellement, le substrat le plus couramment utilisé dans les catalyseurs de purification des gaz d’échappement pour les moteurs à essence est en céramique (cordiérite), qui utilise une structure en nid d’abeille créée par des cellules carrées ou hexagonales.

La fonction de ces éléments nobles est d’initier et d’accélérer les réactions chimiques entre les différentes substances atteignant le catalyseur, avec lesquelles ils entrent en contact (il est important de noter que les métaux nobles eux-mêmes ne participent pas à ces réactions). Alors que les deux premiers permettent la fonction d’oxydation, le rhodium est impliqué dans la réduction des gaz nocifs.

Comment fonctionne un catalyseur ?

La fonction des convertisseurs catalytiques est peut-être l’une des plus importantes en matière d’environnement, car elle vise à réduire les polluants contenus dans les gaz d’échappement d’un véhicule au moyen de la catalyse.

Ce procédé permet d’augmenter la vitesse d’une réaction chimique grâce à la participation d’une substance appelée catalyseur, transformant ainsi 98 % des gaz très polluants formés lors du processus de combustion, tels que le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC) ou l’oxyde d’azote (NOx), en d’autres gaz moins nocifs tels que l’eau (H2O) ou le dioxyde de carbone (CO2).

Les gaz d’échappement polluants générés dans le moteur, une fois qu’ils entrent en contact avec la surface active du catalyseur, sont partiellement transformés en non polluants.

Initialement, les particules de NOx se dissocient par paires en azote (N₂) et en oxygène (O₂) à des températures supérieures à 500 °C – [2NO → N₂ + O₂]. Ensuite, l’azote (N₂), le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures (HC) et l’oxygène (O₂) réagissent à nouveau :

  • Le monoxyde de carbone et l’oxygène sont transformés en dioxyde de carbone (CO₂), qui est moins toxique – [2CO + O₂ → CO₂].
  • Les hydrocarbures et l’oxygène s’associent en vapeur d’eau (H₂O) et en plus de dioxyde de carbone (CO₂) – [HC + O₂ → H₂O + CO₂].

Une température élevée pour pouvoir fonctionner

Comme ce dispositif doit atteindre des températures comprises entre 400 et 700 degrés Celsius pour une performance optimale, le catalyseur est situé dans le tuyau d’échappement, à proximité du moteur, où les gaz conservent une température élevée. Ainsi, toute l’énergie thermique passe dans le catalyseur et ce dernier augmente sa propre température, permettant la transformation des gaz.

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Comme indiqué plus haut, de nombreux véhicules actuels possèdent en fait deux convertisseurs catalytiques, un catalyseur plus petit et plus compact (appelons-le « secondaire »), suivi d’un catalyseur principal plus grand. Tous deux restreignent le flux des gaz d’échappement, mais entraînent également une perte de puissance en raison de la contre-pression (ou traînée).

Le problème est que, dans la plupart des systèmes d’échappement, ce catalyseur plus compact reste en fonction même lorsque le catalyseur principal est déjà actif, créant une redondance inutile qui génère davantage de contre-pression. Koenigsegg a déposé plusieurs brevets pour éviter cette perte de puissance.

Le premier catalyseur est utilisé lorsque le moteur est froid et que le catalyseur principal n’a pas encore chauffé, ce qui l’empêche de fonctionner efficacement.

Il convient également de noter qu’il y a quelques années, Toyota Motor Corporation a annoncé la sortie d’un nouveau catalyseur qui utilise 20 % de métaux précieux en moins et réduit son volume de 20 %, tout en conservant les mêmes performances d’épuration des gaz d’échappement. Vous pouvez lire tous les détails dans le lien.

Le catalyseur d’une voiture a une durée de vie utile d’environ 120 000 kilomètres, bien que cela puisse dépendre de l’entretien et de l’utilisation du véhicule. Découvrez les causes de défaillance de catalyseur et comment la réparer.

L’absence de catalyseur peut-elle m’affecter ?

Nous sommes sûrs que la question du vol du pot catalytique vous a préoccupé. Sachez donc que, en ce qui concerne le moteur, son fonctionnement et ses performances, l’absence du pot catalytique ne les affecte pas, mais c’est une pièce que, lorsqu’elle est volée, les conducteurs sont obligés de remplacer pour passer le contrôle technique.

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Par exemple, le prix d’un nouveau catalyseur pour un camion, main-d’œuvre comprise, peut varier de 2 000 à 5 000 euros. C’est pourquoi beaucoup de ceux qui sont touchés par la vague de vols se tournent vers les parcs à ferraille pour les remplacer, bien que ceux-ci n’aient pas non plus été épargnés par les agressions des bandes de trafiquants de métaux précieux.

Dans une voiture, la facture finale entre la pièce et la main-d’œuvre dépasse facilement les 1 000 euros. Le plus souvent, l’assurance du véhicule couvre environ 80% du prix total de la pièce, mais il faut bien lire les petits caractères, car certains assureurs ne couvrent pas le vol du pot catalytique s’il s’agit du seul élément volé.

Un recyclage compliqué et controversé

En raison de leur teneur en métaux précieux, le recyclage des catalyseurs est devenu un élément essentiel du processus de recyclage des voitures en fin de vie. Le nombre de véhicules équipés de ce composant mis à la casse est en augmentation, et la logistique de récupération des métaux précieux est donc très importante.

Une fois leur vie utile terminée, les convertisseurs catalytiques sont traités comme une source potentielle de métaux nobles, subissant des processus hydrométallurgiques complexes utilisant des agents hautement agressifs et corrosifs, et produisant de grandes quantités de déchets solides et liquides.

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