Catalyseurs trois voies

Les catalyseurs trois voies (TWC) représentent la principale technologie utilisée pour réduire les émissions des moteurs à essence. Le catalyseur utilise un substrat céramique ou métallique pourvu d'un revêtement actif composé d'alumine, de cérine et d'autres oxydes ainsi que des associations de métaux précieux: platine, palladium et rhodium. Les catalyseurs trois voies opèrent dans un système en boucle fermée comprenant une sonde lambda, ou à oxygène, destinée à réguler le rapport air:carburant dans les moteurs à essence. Le catalyseur peut ainsi oxyder simultanément le CO et les HC en CO2 et en eau tout en réduisant les NOx en azote.

Convertisseur catalytique trois voies

Les catalyseurs à amorçage rapide permettent une entrée en action plus rapide des convertisseurs catalytiques, à une température d'échappement moins élevée, et par conséquent une réduction des émissions de gaz d'échappement non traités qui se produisent pendant la première phase du cycle de tests d'homologation et lors de courts trajets. Les innovations dans la capacité thermique des substrats, d'une part, et dans la composition du catalyseur, d'autre part, ont permis des améliorations sensibles.

Les catalyseurs à stabilité accrue à haute température permettent un montage plus près du moteur. Ce gain de stabilité allonge la durée de vie des catalyseurs, notamment lorsque les conditions de conduite les exposent à des sollicitations importantes. A cet avantage deux conditions : une dispersion stable des cristallites de métaux précieux et des composants de la formulation catalytique permettant de maintenir une large surface à des températures avoisinant les 1 000°C. Les composants améliorés pour le stockage d'oxygène stabilisent la surface imprégnée, maximisent la 'fenêtre' air:carburant pour le fonctionnement en mode trois voies et renseignent le système de contrôle embarqué (OBD) sur l'état du catalyseur. Les catalyseurs rapprochés, montés immédiatement après le collecteur d'échappement du moteur, permettent au catalyseur de commencer à fonctionner en quelques secondes.

Convertisseurs catalytiques rapprochés, près du moteur pour un amorçage plus rapide, avec catalyseur et sonde à oxygène sous plancher

Les systèmes de catalyseurs chauffés électriquement font intervenir un catalyseur d'appoint en amont du catalyseur principal. Le substrat sur lequel est enduit le catalyseur est en métal, de sorte que lorsqu'un courant le traverse, il se réchauffe rapidement. Ainsi, le catalyseur est opérationnel en quelques secondes.

Les catalyseurs chauffés électriquement sont opérationnels en quelques secondes

Des systèmes optimisés incorporant ces nouvelles technologies sont en cours de production. L'utilisation de convertisseurs catalytiques d'appoint à proximité du collecteur d'échappement réduit le temps d'amorçage lors du démarrage à froid et, par conséquent, la quantité totale d'émissions. Des temps d'amorçage d'une à deux minutes ont ainsi été ramenés à quelques secondes. Substrats sophistiqués, formulations catalytiques et composants de stockage d'oxygène à grande stabilité thermique, tous ces éléments réunis permettent aux véhicules équipés d'un catalyseur rapproché du moteur d'être conformes aux normes Euro 4, 5 et 6 ainsi qu'aux règlements californiens LEV (Low Emission Vehicle), ULEV (Ultra Low Emission Vehicle) et SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle).

Catalyseurs d'oxydation

Les catalyseurs d'oxydation ont été les premiers catalyseurs conçus pour les automobiles et étaient utilisés pour les voitures essence à partir du milieu des années 70 jusqu'à leur remplacement par les catalyseurs trois voies. Ces deux types de catalyseurs sont très similaires et leur construction ainsi que leur composition sont semblables même si les catalyseurs d'oxydation sont un peu moins complexes. Les catalyseurs d'oxydation transforment le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures (HC) en dioxyde de carbone (CO2) et en eau mais ont peu d'effet sur les oxydes d'azote (NOx). Ils sont désormais rarement utilisés pour les voitures à essence en Europe à cause des avantages offerts par les catalyseurs trois voies mais on en trouve encore dans certaines parties du monde où la législation en matière d'émissions est moins sévère. Ils peuvent aussi être utilisés sur des bus roulant au Gaz naturel comprimé (GNV), sur des motocycles ou pour de petits moteurs essence comme ceux que l'on trouve sur certains matériels portables comme les débrousailleuses.

Les catalyseurs d'oxydation diesel (DOC) restent une technologie clé pour les moteurs diesel du fait que la forte teneur en oxygène des gaz d'échappement empêche l'utilisation des catalyseurs trois voies. Les DOC transforment le CO et les HC mais diminuent également la masse de particules diesel en oxydant certains hydrocarbures qui sont adsorbés par les particules de carbone.

Traitement des émissions de NOx des moteurs diesel et des moteurs essence à injection directe

Les moteurs diesel et les moteurs essence à injection directe mélange pauvre offrent l'avantage de plus faibles émissions de dioxyde de carbone et d'une consommation réduite de carburant. Pour pouvoir réduire les émissions de NOx de ces moteurs, la technologie du catalyseur trois voies conventionnel utilisée pour les moteurs à essence n'est pas adaptée car elle exige un gaz d'échappement plus riche en HC et par conséquent avec moins d'oxygène. De nouvelles approches sont donc nécessaires. La réduction catalytique sélective, les catalyseurs De-NOx mélange pauvre et les adsorbeurs de NOx sont les technologies à utiliser pour les applications mélange pauvre.

Réduction catalytique sélective

La réduction catalytique sélective (SCR) a trouvé ses premières applications dans les groupes électrogènes et les moteurs stationnaires, puis dans les gros moteurs comme ceux des navires. La plupart des nouveaux moteurs diesel poids lourds (camions et bus) en Europe en est maintenant équipée. La plupart des camions américains en seront équipé à partir de 2010. Des systèmes sont aussi introduits sur des véhicules diesel légers. L'efficacité de la SCR pour réduire les émissions de NOx offre également l'avantage de ne pas augmenter la consommation de carburant. Les motoristes peuvent bénéficier du compromis NOx/PM/consommation de carburant en réglant les moteurs sur un mode plus économe en carburant, au lieu de réduire les émissions de NOx en utilisant uniquement le contrôle moteur. Les émissions de particules sont également réduites et les convertisseurs catalytiques SCR peuvent être utilisés seuls ou avec un filtre à particules.

Réduction catalytique sélective

Dans le système SCR, l'ammoniac est utilisé comme agent réducteur sélectif, en présence d'un excès d'oxygène, pour convertir plus de 70% (jusqu'à 95%) des NO et NO2 en azote grâce à un système catalytique spécial. Différents précurseurs d’ammoniac peuvent être utilisés ; une des option les plus répandues est une solution aqueuse d’urée (par exemple AdBlue®) précisément dosée depuis un réservoir séparé et vaporisée dans le système d'échappement en amont du catalyseur SCR, où elle est hydrolysée en ammoniac.

Catalyseur SCR avec injecteur d'urée et dispositif de mélange

AdBlue® est un fluide stable, ininflammable et incolore contenant 32,5% d'urée qui n'est pas classifié comme nocif pour la santé et ne nécessite pas de précautions particulières de manipulation. Ce produit est fabriqué selon des normes reconnues au niveau international. L'urée est utilisée comme engrais chimique et on en trouve dans les produits cosmétiques. La consommation d'AdBlue® représente typiquement 3 à 4% de la consommation de carburant pour un moteur Euro IV, et 5 à 7% pour un moteur Euro V, suivant les conditions de conduite, de chargement et de la route. Un camion peut disposer d'un réservoir d'AdBlue® suffisamment grand pour durer 10 000 km. Un dispositif embarqué alerte le conducteur lorsque le réservoir d'AdBlue® a besoin d'être rempli.

Un site internet spécial, www.findadblue.com, indique où trouver les distributeurs d'AdBlue®.

Système de dosage d'urée	® = Marque déposée par Verband der Automobilindustrie

Catalyseurs De-NOx mélange pauvre (SCR-Hydrocarbures)

Les catalyseurs De-NOx mélange pauvre, également connus comme systèmes SCR-hydrocarbures, font appel aux propriétés structurelles spéciales du revêtement catalytique pour générer un 'microclimat' riche permettant aux hydrocarbures issus des gaz d'échappement de réduire les oxydes d'azote en azote alors que la composition moyenne de ces gaz d'échappement demeure globalement pauvre. Ces hydrocarbures peuvent être ceux issus des gaz d'échappement d'origine ou ils peuvent être ajoutés aux gaz d'échappement par l'injection d'une petite quantité supplémentaire de carburant. Ceci offre l'avantage de ne pas nécessiter de source additionnelle d'agents réducteurs (urée) mais ces systèmes ne sont pas, actuellement, aussi performants que les systèmes SCR à l'ammoniac.