Publié par European Patent Office, Octobre 2021
Visant à limiter les émissions de polluants atmosphériques et surtout à les réduire dans le temps, les normes européennes s’appliquant aux véhicules lourds sont de plus en plus contraignantes. Depuis 2015, tous les véhicules neufs doivent ainsi être conformes à la norme Euro VI, qui fixe des seuils d’émission de 0,4 g/kWh d’émissions NOx, 1,5 g/kWh de monoxyde de carbone (CO), 0,13 g/kWh d’hydrocarbures (HC) et 0,01 g/kWh de particules (PM) pour les poids lourds, bus et cars[1].
Les futures normes EURO 7 prévues pour 2025 sont encore inconnues mais s’annoncent plus restrictives encore, et intégreront de nouveaux polluants tels que le dioxyde d’azote (NO2), l’ammoniac (NH3), le protoxyde d’azote (N2O), le méthane imbrulé (CH4) ou encore les particules fines issues du freinage. Ces éléments sont encore discutés à l’heure actuelle, mais face à ce durcissement attendu de la régulation, l’amélioration des performances environnementales des moteurs thermiques constitue un objectif essentiel pour les constructeurs. Le développement de catalyseurs plus performants fait donc aujourd’hui l’objet de nombreuses recherches, tant par des acteurs académiques que privés (cf. veilles précédentes).L’intégration prévue de l’ammoniac au sein des futures normes EURO soulève notamment des questions pour les moteurs GNV. L’ammoniac fait l’objet d’une attention particulière en raison de son rôle de précurseur dans la formation d’aérosols inorganiques secondaires qui dégradent la qualité de l’air et présentent des risques importants pour la santé.
Pour traiter les émissions d’un moteur CNG en régime stœchiométrique, le catalyseur à trois voies est la solution généralement utilisée, mais peut donner lieu à des émissions importantes d’ammoniac[2]. Ces émissions sont généralement traitées par l’ajout d’un catalyseur de glissement de l’ammoniac[3]. Ce dernier est constitué d’un catalyseur d’oxydation ou d’un catalyseur d’oxydation combiné avec une fonction de réduction catalytique sélective (SCR), avec un support constitué de zéolite[4] à tamis moléculaire.
Il existe selon les auteurs peu d’efforts visant à résoudre le problème des émissions d’ammoniac pour le moteur GNC stœchiométrique avec un catalyseur trois voies sans ajout de catalyseur de glissement de l’ammoniac, ce qui permettrait de réduire le temps de traitement et de diminuer les coûts totaux.
Johnson Matthey a ainsi déposé un brevet pour un catalyseur destiné aux moteurs GNC sous calibrage stœchiométrique pouvant non seulement contrôler les émissions principales (HC, CO, NOX), mais aussi simultanément résoudre le contrôle des émissions d’ammoniac grâce à l’ajout de régions multi catalytiques.
Le catalyseur comporte un substrat et deux, trois ou quatre régions catalytiques superposées. Il est composé d’un monolithe à écoulement libre, avec un matériau de type céramique (exemple : cordiérite, carbure de silicium). Les régions du catalyseur sont constituées d’une combinaison de métaux du groupe platine tels que le palladium, le platine et le rhodium.
[1] Les protocoles de mesure d’émissions comprennent le cycle WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures) en laboratoire et les tests en conditions de conduite réelles (RDE).
[2] Voir : Ammonia of a natural gas engine at the stoechiometric operation with TWC
[3] Voir : JM Stationary Emissions Control – Catalyseurs de glissement d’ammoniac
[4] 2. La zéolite est un cristal formé d’un squelette microporeux d’aluminosilicate, dont les espaces vides connectés sont initialement occupés par des cations et des molécules d’eau.
Le brevet propose plusieurs configurations différentes pour la réalisation du nouveau catalyseur à régions multiples. La configuration la plus efficace, avec deux régions est présentée sur le schéma ci-contre.
Par rapport à plusieurs autres configurations et aux catalyseurs présents sur le marché, les tests montrent que les émissions d’ammoniac sont significativement réduites mais aussi que les performances en matière de conversion du méthane, autre enjeu spécifique aux véhicules GNV, sont améliorées.
Pour pouvoir se conformer aux seuils d’émissions prévus par Euro 7, que plusieurs constructeurs jugent difficilement atteignables, la recherche se concentre ainsi sur ces sujets de pointe. Malgré de bons résultats en matière d’émissions de façon générale, la filière GNV se doit de répondre aux enjeux qui lui sont spécifiques. En effet, la filière s’est historiquement développée en utilisant des technologies dérivées des filières diesel, pas forcément optimales pour traiter les émissions de méthane ou encore d’ammoniac. L’amélioration des catalyseurs constitue un premier levier permettant d’optimiser les émissions, qui doit être approfondi en parallèle des travaux visant à optimiser les moteurs et les conditions de combustion.