Comment le convertisseur catalytique a-t-il sauvé le moteur à combustion interne ?

Le convertisseur catalytique est un dispositif de contrôle des émissions après échappement qui transforme par réactions chimiques le monoxyde de carbone, les hydrocarbures et les oxydes d'azote des gaz d'échappement en composés inoffensifs, et qui depuis 1975 maintient le moteur à combustion interne en dessous de la limite imposée par les lois sur les émissions d'échappement. Alors que le Clean Air Act des États-Unis dans les années 1970 forçait à repenser entièrement le moteur, ce petit cylindre en céramique s'est révélé être le moyen le plus pratique de respecter l'échéance ; or le résultat était en réalité le point de départ d'une chaîne technologique allant de la mort du carburateur à l'injection électronique de carburant.

Villes sales et échéance de la réduction de 90 %

À la fin des années 1960, la qualité de l'air des villes américaines s'était mesurablement dégradée avec la croissance du transport routier. Le smog de Los Angeles fut le premier grand cas démontrant qu'il était possible d'identifier la source du problème un polluant à la fois, et la Californie fut, à la fin des années 1960, le premier État à mettre en œuvre les premières réglementations sur les émissions à l'échappement (tailpipe). En 1967, les efforts à l'échelle de l'État furent regroupés sous une même bannière ; l'infrastructure institutionnelle était en place, mais le véritable tournant allait venir du niveau fédéral.

Le Clean Air Act de 1970 fut rédigé avec un pari audacieux sur le plan technique : le Congrès exigea que les automobiles réalisent, d'ici l'année-modèle 1975, une réduction de 90 % de leurs émissions d'hydrocarbures, de monoxyde de carbone et de NOx. Le détail frappant est que ceux qui ont pris cette décision savaient que la technologie permettant d'atteindre cette réduction n'existait pas encore. La loi était le produit d'une philosophie de réglementation qui fixait d'abord l'objectif pour ensuite forcer la solution, et non celle d'un département d'ingénierie. L'exigence plus ancienne de la Californie au niveau de l'État avait préparé le terrain pour cette approche du Congrès.

Pour saisir l'échelle, quelques chiffres suffisent : les véhicules non réglementés produisaient environ 90 grammes de CO par mile, les modèles 1974 avaient réduit ce chiffre à 28 grammes, et l'objectif de 1975 était de 15 grammes par mile. De plus, l'Europe n'adopterait une réglementation similaire qu'en 1992. Les constructeurs automobiles ont considéré l'investissement dans les technologies après échappement comme une voie plus rapide et moins risquée qu'une refonte radicale du moteur lui-même : l'avantage du convertisseur était de pouvoir être ajouté à la ligne d'échappement sans modifications profondes de la conception de base du moteur.

La longue lignée de développement du convertisseur

Le dispositif n'a pas été inventé du jour au lendemain en 1975. Les premiers prototypes avaient été conçus en France à la fin du 19e siècle ; il s'agissait de structures à cylindres bimétalliques revêtues de platine-rhodium-palladium. Le principal détenteur de l'idée proche de la production en série fut l'ingénieur mécanicien français Eugene Houdry fut. Houdry, qui inventa le craquage catalytique dans les années 1930 et émigra aux États-Unis, commença à s'intéresser au smog de Los Angeles au début des années 1950, fonda la société Oxy-Catalyst et, après avoir développé des convertisseurs pour cheminées et chariots élévateurs, obtint son brevet pour une application automobile au milieu des années 1950.

L'obstacle devant Houdry n'était pas la technologie, mais l'essence elle-même : le tétraéthylplomb recouvrait la surface du catalyseur, rendant le dispositif inutilisable ; en langage d'ingénieur, l'empoisonnement du catalyseur. C'est pourquoi Houdry abandonna l'automobile et se tourna vers les applications industrielles. Autrement dit, la naissance du convertisseur automobile et l'arrêt de mort de l'essence plombée se trouvaient dans la même équation ; le délai accordé à l'un déterminait le destin de l'autre.

Le passage à la production en série s'accomplit grâce à la rencontre de deux compétences industrielles différentes. Chez Engelhard, Carl D. Keith, John J. Mooney, Antonio Eleazar et Phillip Messina développèrent le premier convertisseur de production en série en 1973 . Du côté de la technologie du verre, chez Corning Glass, Rodney Bagley, Irwin Lachman et Ronald Lewis inventèrent le substrat monolithe en céramique de cordiérite, hôte du catalyseur ; ces trois noms entrèrent au National Inventors Hall of Fame en 2002. Chrysler présenta à l'EPA des données de test avec les véhicules prototypes à convertisseurs jumeaux d'Engelhard et fut l'une des premières marques à entrer en scène avec le pack de l'année modèle 1975.

Fin de l'essence plombée : le prix du convertisseur

Il y avait une équation fonctionnant dans le sens inverse du camion : l'essence plombée fut supprimée d'abord moins pour des raisons de santé que parce qu'elle endommageait les convertisseurs. La réduction du plomb débuta en 1974 avec l'autorité des amendements au Clean Air Act, et à partir de l'année modèle 1975, l'essence plombée fut interdite dans les véhicules équipés de convertisseurs. Pour notre réservoir et à la pompe, cela signifiait en pratique une seconde révolution ; l'essence sans plomb exigeait un retraitement plus complet que la production à laquelle les raffineries habituelles à augmenter l'indice d'octane avec du plomb étaient accoutumées. La formule de l'essence était devenue une pièce d'un système changeant en même temps que la conception du moteur.

La transition ne fut pas totale : l'essence plombée put être vendue jusqu'en 1995 pour les anciens véhicules sans convertisseur ; à cette date, les amendements au Clean Air Act interdirent toute essence plombée dans les véhicules. Une seule mesure résume le rendement social de cette transition : après la réduction du plomb, une baisse de 88 % fut enregistrée dans la proportion d'enfants présentant des niveaux élevés de plomb dans le sang. La chaîne partant de la régulation des émissions, sortant de l'échappement et s'étendant à la santé publique, donna son résultat le plus concret dans la production du raffinage du pétrole.

La sonde lambda et la naissance du contrôle en boucle fermée

Pour libérer tout le potentiel du catalyseur trois voies (TWC), un autre composant que le convertisseur lui-même était nécessaire. Le TWC ne convertit efficacement les trois polluants que lorsque le rapport air-carburant se situe dans une bande très étroite autour du point stœchiométrique ; si le mélange est pauvre, la réduction des NOx chute, s'il est riche, l'oxydation du CO et des hydrocarbures diminue. Un moteur à carburateur ne pouvait pas fournir cette précision, c'est pourquoi dans les premiers véhicules à convertisseur, l'oxygène des gaz d'échappement était utilisé en complément injection d'air secondaire était utilisée.

La solution fut un capteur d'oxygène placé sur la ligne d'échappement : dans le monde automobile, ce composant est connu sous le nom de sonde lambda et tire son nom du rapport d'équivalence air-carburant λ. Son principe de fonctionnement est d'une simplicité parfaite ; si le capteur voit de l'oxygène dans l'échappement, le mélange est pauvre, s'il n'en voit pas, il est riche. Le calculateur (unité de contrôle électronique) ajuste l'alimentation en carburant selon ce signal et maintient le rapport au point stœchiométrique. Les sondes à oxygène ont rendu possible un véritable contrôle des émissions en boucle fermée en fournissant une mesure précise du rapport air-carburant ; les premiers véhicules équipés n'avaient qu'une seule sonde.

Le moteur moderne a poussé cette architecture à l'extrême. L'injection électronique de carburant produit un mélange précis oscillant en permanence entre pauvre et riche ; les deux sondes à oxygène situées avant et après le convertisseur fournissent un flux continu de données au calculateur, et l'injection d'air n'est plus nécessaire. La seule exception est une décision d'ingénierie délibérée : lorsqu'une charge élevée et une puissance maximale sont demandées, le contrôle en boucle fermée est suspendu et un mélange riche est commandé. Autrement dit, la boucle lambda est une zone de protection qui peut être volontairement interrompue pour la performance.

Du bidirectionnel au tridirectionnel : capturer le trio de polluants

Les convertisseurs de première génération étaient bidirectionnels : ils oxydaient le monoxyde de carbone et les hydrocarbures en CO2 et en eau, mais ne touchaient pas du tout aux NOx. Dans les années 1970, des systèmes à double catalyseur furent développés pour les NOx ; une unité de réduction à base de rhodium-platine et une unité d'oxydation à base de palladium-platine étaient disposées en série. Le système fonctionnait, mais il était volumineux et coûteux. Le vrai bond en avant vint avec le catalyseur tridirectionnel : la conversion simultanée des NOx, des HC et du CO dans un seul dispositif.

Le calendrier commercial fut rapide. Volvo réalisa la première application commerciale de TWC sur la Volvo 240 modèle Volvo 240 avec la spécification Californie ; pour l'année modèle 1981, presque tous les constructeurs satisfirent aux exigences fédérales en NOx avec un catalyseur tridirectionnel. Toyota, quant à elle, appliqua le premier convertisseur tridirectionnel à pastilles du Japon en 1978 et développa le premier TWC à stockage d'oxygène au monde ; les composés de cérium/cérium-zirconium comme promoteurs de stockage d'oxygène dans la céramique relâchèrent légèrement la tolérance de bande étroite, facilitant le fonctionnement du système.

Le convertisseur fait-il vraiment perdre de la puissance ?

C'était l'argument principal des sceptiques en 1975 : une restriction d'échappement supplémentaire qui étouffe le moteur. Les archives historiques ne fournissent aucun tableau quantitatif sur les chevaux engloutis par cette première génération ; cependant, le fait que le convertisseur puisse être ajouté à la ligne d'échappement sans toucher à la conception fondamentale du moteur constituait le choix d'ingénierie le plus rationnel de cette année-là. Les décennies suivantes ont donné raison aux sceptiques d'une autre manière : combinant le contrôle du carburant en boucle fermée, l'injection de précision et un TWC fonctionnant en bande étroite, les conceptions de moteurs modernes sont parvenues à produire autant ou plus de puissance qu'avec moins de carburant que les générations précédentes. La technologie de post-traitement de l'échappement est devenue le partenaire naturel de l'objectif d'efficacité.

Le tableau valable aujourd'hui pour les pannes est différent et figure dans les sources des services techniques : un convertisseur obstrué ou défectueux se manifeste par une perte de puissance, une baisse des accélérations et une dégradation de la consommation de carburant. Un convertisseur en bon état, lui, est silencieux ; il peut même contribuer non seulement à l'objectif d'émissions, mais aussi à l'efficacité du moteur. Sa physique de fonctionnement est conçue en conséquence : le convertisseur doit atteindre sa température de fonctionnement (light-off), qui est d'environ 400 °C ; c'est pourquoi il est monté aussi près que possible du moteur, ou en plus, sous forme de pré-catalyseur (pre-cat).

Après l'échappement : l'ère diesel et les problèmes d'aujourd'hui

Le duo réglementation-ingénierie n'a jamais cessé de faire évoluer la technologie de post-traitement de l'échappement. Du côté diesel, les filtres à particules (DPF) sont devenus obligatoires sur tous les diesels de tourisme produits après le 1er janvier 2007 ; en 2010, la plupart des fabricants de diesels utilitaires légers aux États-Unis ont ajouté des systèmes SCR pour la réduction des NOx, et cette architecture à base d'urée (DEF) est devenue un équipement standard. Chaque étape a suivi le modèle établi par le TWC essence : d'abord une limite légale, puis une solution chimique, et enfin une architecture de capteurs et de contrôle alimentant cette solution.

Le bilan de 55 ans du Clean Air Act est tangible et mesurable : amélioration durable des émissions des véhicules, sortie totale de l'essence plombée, intervention sur les problèmes de pluies acides et de couche d'ozone, et réduction de 78 % sur l'un des polluants. Il y a aussi un résultat inverse : la hausse des prix des métaux précieux a amplifié le vol de convertisseurs catalytiques, devenus la cible des métaux du groupe du platine ; le prix du platine corrigé de l'inflation est monté d'environ 800 dollars l'once en 1986 à 1 400 dollars l'once, et un convertisseur volé peut se revendre jusqu'à 150 dollars chez le ferrailleur. Autrement dit, le moteur qu'il a sauvé en 1975 est devenu aujourd'hui un composant qui a besoin d'une protection physique.

Au final, le convertisseur catalytique a sauvé le moteur à combustion interne de la disparition légale en 1975 ; mais plus important encore, il a fait passer le moteur du monde mécanique du carburateur au monde en boucle fermée des capteurs et de l'ECU. L'objectif de réduction de 90 % ressemblait à un pari, mais le prix payé était l'essence plombée, et le reste s'est transformé en une histoire d'efficacité qui dure depuis un demi-siècle.

Sources

• Clean Machine - Science History Institute
• Catalytic converter - Wikipedia
• Clean Air Act Requirements and History - EPA
• Gasoline and the Environment: Leaded Gasoline - U.S. EIA
• The History of the Clean Air Act and Corning's Role - Corning
• Catalytic Converter: Big 'If' of 1975 - The New York Times (1974)
• Evaluation of a 1975 Prototype Chrysler Passenger Car - EPA NEPIS
• The Evolution of Catalytic Converters - Royal Society of Chemistry
• 75 Years of Toyota - Catalytic Converters
• Oxygen Sensor History - Walker Products
• Oxygen sensor - Wikipedia
• Evolution of the Catalytic Converter - Walker Exhaust
• The US Experience with the Phasedown of Lead in Gasoline - MIT
• Phasing Out Leaded Gasoline - WorstPolluted.org
• Twenty-Five Years of the Clean Air Act in Perspective - Oklahoma Law Review
• 55 Years of the Clean Air Act - Clarity.io
• History - California Air Resources Board