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Dossier: réduction des oxydes d'azote par SCR

Dossier: réduction des oxydes d'azote par SCR

Guillaume Darding - 29 mars 2013
Temps de lecture : environ 9 minutes

Dispositif de dépollution appelé à se généraliser à partir de septembre 2014 avec l'application des normes Euro 6, le SCR (Selective Catalytic Reduction) permet de réduire de manière importante les rejets d'oxydes d'azote (NOx) émis par les moteurs diesels.

Cette technologie est en mesure d'éliminer jusqu'à 95% des oxydes d'azote: un atout certain pour les moteurs diesel qui ne devront pas émettre plus de 80 mg/km de NOx contre 180 mg/km actuellement sur le cycle mixte pour être conforme à la réglementation européenne Euro 6 (applicable aux nouveaux modèles commercialisés au 1er septembre 2014).

Principe général du SCR

Le système se compose d'un catalyseur, d'un injecteur d'AdBlue, d'un mixeur et d'un programme électronique (généralement intégré dans la centrale électronique ECU du véhicule), sans oublier le réservoir contenant l'AdBlue sous forme liquide.

Ligne d'échappement SCR Volkswagen Passat par Eberspächer

Le catalyseur a pour rôle d'accélerer les réactions chimiques nécessaires au traitement des oxydes d'azote. Le substrat est fabriqué avec de la cordierite, un matériau à base de silicate d'aluminium et de magnésium ayant la particularité de résister à des hautes températures (1200 °C) et aux variations rapides de température. Les gaz vont traverser le catalyseur par de multiples canaux de petites dimensions, chaque canal étant pourvu d'un revêtement apte à accélérer les réactions chimiques propres au traitement des NOx.

L'injecteur et le mixeur ont pour rôle de distribuer de manière homogène l'Adblue au sein de la ligne d'échappement. L'Adblue est pulvérisé sous forme de très petites goutelettes de manière à faciliter la vaporisation (passage de l'état liquide à l'état gazeux) de l'AdBlue. Ensuite, le mixeur permet de mélanger de manière la plus uniforme possible les gaz d'échappement et l'Adblue.

Injecteur et Mixeur pour système SCR

L'injecteur est contrôlé par l'intermédiaire de la centrale électronique, véritable chef d'orchestre du système SCR. Cette dernière gère avec précision la quantité d'AdBlue à injecter dans la ligne d'échappement en fonction de la température des gaz et des oxydes d'azote émis par le moteur.

Une multitude de réactions chimiques

L'AdBlue est un liquide composé à 32,5% d'urée et de 67,5% d'eau. En règle générale, les gaz d'échappement passent d'abord par un catalyseur d'oxydation qui, par réaction chimique, va générer des NO2. Ces NO2 sont nécessaires pour un bon fonctionnement du filtre à particules. Idéalement, il est important d'avoir une quantité égale de NO et de NO2 pour favoriser le traitement des NOx.

A la sortie du moteur, les NO2 représentent entre 0 et 30% de la quantité de NOx. Après le passage dans le catalyseur d'oxydation, ce ratio sera alors compris entre 20% et 50%. Une valeur qui pourra être sensiblement réduite après le passage des gaz dans le filtre à particules FàP.

Description réactions chimiques système SCR Passat Eberspächer

L'Adblue est injecté dans la ligne d'échappement. Sous l'effet de la température des gaz, l'Adblue s'évapore et se décompose en molécules d'amoniaque NH3 et en acide isocyanique HNCO. Cet acide réagit à son tour avec l'eau pour former des molécules supplémentaires d'ammoniac.

Ces molécules d'amoniaque vont interagir avec les molécules de NOx des gaz d'échappement dans le catalyseur SCR. La réaction la plus rapide s'opère à partir de 4 molécules d'ammoniac NH3, 2 de monoxde d'azote NO et 2 de dioxyde d'azote NO2. Elle forme alors 4 molécules de diazote N2 et 6 d'eau H2O.

D'autres réactions chimiques se produisent en présence de l'ammoniac et des oxydes d'azote, elles sont toutefois bien plus lentes que la réaction précedente.

Le dosage d'Adblue en regard des NOx réellement présents dans les gaz d'échappement étant difficile à évaluer, la stratégie consiste à injecter plus d'Adblue qu'il n'en faut réellement. Toutefois, l'ammoniac étant un gaz nocif, il faut éviter de rejetter ce gaz dans l'atmosphère. A ce titre, un catalyseur supplémentaire (intégré dans le SCR la plupart du temps) permet d'oxyder les molécules d'ammoniac pour les transformer en diazote N2 et en eau H2O.

Si le système SCR est placé généralement après le FàP, certains constructeurs, dont PSA (nouveau Citroën C4 Picasso 2.0l 150ch Blue HDi prévu pour juin 2013), ont fait le choix de placer le système SCR avant celui-ci. Cette configuration a pour avantage de réduire le temps de la montée en température du SCR, temps durant lequel la conversion des NOx se fait mal ou pas du tout.

Système SCR PSA Citroën C4 Picasso

Inconvénient de cette disposition, le catalyseur SCR a tendance à s'encrasser à basse température et le FàP est plus froid. Or, ce dernier a lui aussi besoin d'une température haute pour éliminer les suies. PSA prévoit un additif qui permet de réduire la température à laquelle la régénération se fait (la mise à niveau de l'additif doit s'effectuer tous les 120.000 km environ).

Une technologie éprouvée

Le SCR est un dispositif couramment utilisé en milieu industriel: les moteurs stationnaires des usines, navires, etc. Outre les camions équipés pour la plupart de ce dispositif, la majorité des voitures diesel vendues aux Etats-Unis sont équipées d'un SCR (Mazda CX-7, Mercedes Bluetec, Volkswagen Clean TDI,...). En Europe, très peu de modèles utilise cette technologie.

Le SCR appliqué à l'automobile représente toutefois un vrai défi pour les constructeurs. Dans le cas d'une usine ou d'un poids lourd, les moteurs fonctionnent à régime et charge quasi-constants. C'est loin d'être le cas pour un véhicule particulier. Il faut donc calculer à chaque instant, en fonction des différents paramètres de fonctionnement (température des gaz, débit,...), la quantité précise à injecter dans le système d'échappement.

Mercedes Actros, usine avec traitement SCR

Au quotidien

La technologie SCR ne sera pas tout à fait transparente pour le conducteur. La consommation d'AdBlue représente un peu moins de 4% de la consommation de diesel. Or, le reservoir d'AdBlue, logé à la place de la roue de secours, est limité à un volume de 25l environ. Considérant ces données, l'AdBlue est donc consommé en un peu plus de 11.000km (en faisant l'hypothèse d'un véhicule consommant 5,5 l/100km de diesel en moyenne). Cet intervalle est sensiblement inférieur aux intervalles d'entretien préconisés par les constructeurs (entre 15.000 et 30.000km), il incombera donc au conducteur de faire le plein d'AdBlue par lui-même.

C'est naturellement une contrainte supplémentaire pour le conducteur. D'autant que les orifices de remplissage d'Adblue ne sont pas forcément placés dans un endroit pratique: si Audi fait l'effort de placer l'orifice de remplissage au même endroit que l'orifice servant à remplir le réservoir de diesel pour le Q7 V12 TDI, il faut chercher cet orifice dans le coffre dans le cas de Volkswagen.

voyant niveau bas AdBlue - consumerreports

Néanmoins, les constructeurs pourront aussi faire le choix de diminuer la consommation d'AdBlue au détriment des rejets d'oxyde d'azote. En théorie, un dispositif SCR permet de diminuer de 80% à 90% les rejets de NOx. Or, le passage d'Euro 5 à Euro 6 n'impose qu'une réduction de 180 mg/km à 80 mg/km, soit une réduction de l'ordre de 44%. En diminuant la consommation d'AdBlue, les constructeurs pourraient alors limiter le remplissage du réservoir d'AdBlue au même intervalle que les entretiens.

Les limitations

Le coût est le principal défaut de la technologie SCR. Elle vient en complément des technologies actuelles nécessaires à respecter les normes Euro 5 (EGR - recirculation des gaz d'échappement, filtre à particules). Il faut donc ajouter le coût d'un catalyseur, d'un injecteur, de capteurs supplémentaires (sondes à NOx, capteurs de température), d'un réservoir d'AdBlue et d'un logiciel (généralement intégré dans le calculateur principal du véhicule) pour gérer le fonctionnement du SCR.

La technologie SCR nécessite de la place sous le véhicule: le tunnel de transmission sera plus imposant (moins de place pour les jambes du passager central arrière) et le réservoir d'AdBlue prend la place de la roue de secours. Cette dernière est déjà fréquemment retirée par les constructeurs au profit d'un kit de réparation (gain de poids et de place).

Si la température d'AdBlue descend en-dessous de -11 °C, l'AdBlue commence sa solidification. A titre de comparaison, le diesel vendu en hiver par les pétroliers est garanti pour que son point de filtrabilité (point en-desous duquel le carburant ne peut plus passer par le filtre à gazole sans l'obstruer) soit inférieur à -20 °C. Lorsque l'AdBlue est gelé, le SCR devient inopérant: les émissions de NOx ne sont plus conformes à la normes Euro 6. Le moteur n'est pas affecté en terme de puissance ou de couple.

route verglacée Ouest France

D'autre part, les réactions chimiques nécessaires pour traiter les oxydes d'azote nécessite que les gaz d'échappement atteignent une certaine température, au même titre qu'un filtre à particules. En dessous de 200 °C, l'efficacité du SCR est sensiblement réduite voire nulle. Plus que jamais, un moteur diesel Euro 6 ne sera pas adapté aux courtes distances. Si tel était le cas, les rejets d'oxyde d'azote resteraient élevés et à terme, il y a un risque non négligeable d'endommager la ligne d'échappement.

Si la thermolyse (voir paragraphe "Une multitude de réactions chimiques" ci-dessus) ne s'effectue pas, l'urée peut s'accumuler dans la ligne d'échappement et devenir solide au fil du temps (cristallisation). En conséquence, les gaz d'échappement auront plus de difficultés à circuler dans la ligne et le moteur se mettra alors en sécurité, nécessitant un passage au garage. Dans la majeure partie des cas, une simple intervention solutionnera le problème (nettoyage de la ligne d'échappement). Dans de très rares cas, ces cristaux auront endommagé le catalyseur nécessitant une intervention plus lourde (changement du catalyseur SCR).

Le futur du SCR

La technologie SCR devrait rester incontournable pour les gros moteurs diesel (6 cylindres et plus). Pour les autres, il faudra attendre les nouvelles générations de moteurs pour envisager de se passer du SCR: Mazda propose déjà un moteur diesel à même de respecter les normes Euro 6 sans SCR (voir présentation moteur) et il y a fort à parier que d'autres constructeurs suivront le même chemin (diminution du taux de compression, levée variable des soupapes,...). 

Si les résultats affichés par la technologie Skyactiv sont prometteurs, les émissions polluantes peuvent rester importantes lorsque le moteur est démarré à froid. Le cycle d'homologation actuel NEDC nécessite bien un démarrage à froid. Toutefois, la première partie du cycle est peut contraignante (faibles accélérations) et la température ambiante relativement élevée (entre 20 °C et 30 °C), ce qui permet au moteur d'atteindre sa température de fonctionnement sans émettre de gaz polluants de manière excessive.

Mazda 6 vue de face

Les futures normes (Euro 6 phase 2, Euro 7) devraient être plus strictes de ce point de vue. Les constructeurs pourraient préférer multiplier les systèmes pour réduire au maximum les émissions néfastes des moteurs diesel: levée et calage variable des soupapes, circuit de recirculation des gaz à haute et faible pression... et le SCR.

Le SCR pourrait aussi connaître une évolution majeure en remplaçant l'AdBlue par de l'ammoniac dite solide. Faurecia, leader mondial en matière de systèmes d'échappement, a investi dans une société danoise, Amminex. Cette entreprise a developpé une cartouche où l'ammoniac est stockée sous forme solide. Dès que la cartouche atteint la température de 60 °C, l'ammoniac peut être distribuée sous forme gazeuse dans les gaz d'échappement. Cette technologie a l'avantage de permettre un traitement des oxydes d'azote bien plus rapide. Dans le cas d'un démarrage à froid, il peut s'écouler 10 minutes avant d'atteindre la température idéale pour convertir les NOx avec l'AdBlue. L'ammoniac solide promet de ramener ce laps de temps à 2 minutes.

SCR solide ammoniac Amminex

Crédits photos:
- image d'accueil: Mercedes
- ligne d'échappement Volkswagen Passat: Eberspächer
- usine: Power Engineering International
- cargo Santa Vista: The Maritime executive
- tableau de bord: ConsumerReports.org
- route verglacée: Ouest France
- modélisation ammionaque solide: Amminex

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Les 10 derniers commentaires sur le sujet (voir les 23 commentaires):

Guillaume Darding [administrateur]

15 juin 2021 à 15h43

Bonjour Pascal29,

à noter que, en particulier dans le cas de Peugeot et de Citroën, le réservoir d'AdBlue, pour les premières générations équipées, est logé sous le coffre et que l'appoint est normalement fait par un mécanicien de la marque lors de l'entretien (c'est le même principe l'ensemble des véhicules équipé d'un système SCR dont le bouchon de remplissage est sous le coffre)... un appoint facturé bien cher d'ailleurs (au même titre que l'appoint de lave-glace... 🤐).

Aussi, la responsabilité du trop plein ou du mauvais vissage du bouchon reste au garage et au constructeur, mais pas du côté du conducteur dans tous les cas.

Désormais la trappe de remplissage se situe généralement au niveau de la trappe à carburant, ce qui permet de faire l'appoint soi-même (à l'aide de bidon dont le prix au litre peut varier du simple au triple) ou en station-essence (pour les quelques-unes qui en sont équipées).
Pascal29

15 juin 2021 à 15h50

Oui, bien qu'il soit possible de le faire soi même (je parle pour le réservoir au fond du coffre), je ne le fais pas moi même; je vais chez un agent PSA; et je ne trouve pas que cela soit excessif niveau tarif : 24€ pour 17 L, ça va, surtout que je fais pas loin de 25000 kms avec ! (le garagiste n'en revient pas d'ailleurs, que je fasse autant avec !)
Guillaume Darding [administrateur]

16 juin 2021 à 09h35

Bonjour Pascal29,

il est possible de le faire soi-même quand l'orifice de remplissage est dans le coffre. Par contre, il faut absolument éviter de faire l'appoint à l'aide d'une pompe distributrice en station (risque important de débordement) et se limiter aux bidons.

Effectivement, 24€ pour 17l, c'est tout à fait convenable. Tout cela dépend des garages... certains surfacturent allègrement (j'ai déjà vu des factures de 40€ et plus pour la même quantité...), d'autres sont raisonnables.

Concernant la consommation d'AdBlue, elle dépend vraiment de votre profil de conduite : si vous faites beaucoup d'autoroutes / voies rapides / nationales, alors votre consommation sera plus faible.
Chevallier

16 juin 2021 à 14h20

Bonjour M Darding,

Merci pour votre réponse...surtout le tuyau du "vice caché" à faire valoir auprès du service clients de PSA, pour éponger la facture...

Mais voilà, sans me satisfaire complètement sur le mode opératoire en place, gérant l'ensemble des composants liés à la dépollution véhicule...

S'agissant de cette fiabilité prévisionnelle....

Une science qui permet d'approcher au plus près, la durée de vie globale d'un véhicule, fixée par les constructeurs...

Une science qui a fait ses preuves, notamment sur les "liaisons au sol" bras de suspension, ressorts, pivots de fusée...etc. et bien utilisée, à cause de l'accidentologie, provoquée par des trop nombreuses
casses inopinées, casses qui n'existent plus aujourd'hui...

Et avec tous ces composants liés à la dépollution, on voit bien que cette démarche n'a pas encore été entreprise, tout se passant, comme si la pollution de nos mobilités thermiques ne tuaient pas....

...Le denni des pouvoirs publics à ne pas encore avoir reconnu officiellement les 50 000 décès/an par maladies respiratoires & cardio-vasculaires, qu'engendrent les polluants recrachés dans l'atmosphère des villes...

L'efficience de ces matériels sensibles est donc très perfectible, sauf, qu'avec la montée en puissance de l'électrification, ces travaux de fond ne seront probablement jamais entrepris, car obsolètes, sans amortissements possibles, des composants dans la prime adolescence qui termineront leur existence dans les musées de l'archéologie technologique...



Guillaume Darding [administrateur]

18 juin 2021 à 15h47

Bonjour Chevallier,

on ne peut pas comparer 2 domaines bien différents dans leurs problématiques comme les liaisons au sol et les systèmes d'échappement. Les problématiques sont bien différentes. De plus, nous sommes dans un cas dans un système en évolution sur le long terme, dans l'autre, on parle d'un domaine qui doit faire sa révolution en un temps record (4 évolutions significatives de la norme Euro 6 en 7 ans...).

Il est bien évident que les constructeurs font des projections sur la fiabilité quel que soit le domaine, donc sur l'échappement aussi. Seulement, ces analyses ne sont peut-être pas aussi précises et fiables que dans d'autres domaines du fait que l'évolution est rapide et que de nombreuses problématiques entrent en jeu.

Pour en rester dans le domaine de l'échappement, vous devez gérer un système qui voit des températures (très) élevées, des vibrations et en plus, parlant du SCR, on injecte du liquide, sans parler de l'électronique et des capteurs pour contrôler le tout, composants qui acceptent mal la chaleur ! Et ce n'est qu'une petite partie des contraintes en jeu...
Simon83

16 août 2021 à 20h20

Bonjour Monsieur Darding,
Merci pour votre article très intéressant ! Je tente ma chance et vous demande ici un renseignement. Nous possédons une C8 2.0l 120ch euro 4, crit'air 3. Je cherche un moyen de la passer en crit'air 2, savez-vous s'il est possible d'ajouter un dispositif SCR afin d'arriver à mon objectif ? Si oui est ce que Citroën fait ce type d'aménagement ?
Je vous remercie
Bien à vous
Simon83
Guillaume Darding [administrateur]

16 août 2021 à 22h48

Bonjour Simon et merci pour vos encouragements ! Malheureusement, ce que vous envisagez n'est pas réalisable car il n'y a aucun cadre légal (simple) pour le faire.
Techniquement, l'ajout d'un système SCR est possible (on le fait bien en rétrofit sur des bus et des camions) et ça marche relativement bien. Néanmoins, il faut avoir en tête que le coût de l'adaptation serait certainement prohibitif (certainement plus que la valeur résiduelle du véhicule) et que le marché est certainement restreint (coût du catalyseur SCR + injecteur + calculateur + intégration du système sous le véhicule incluant un dispositif d'alerte en cas de réservoir vide. Passé ce cap, il faudra aussi monter un dossier d'homologation complet, ce qui est long, fastidieux et coûteux, encore une fois. La seule parade consisterait à voter une loi permettant un agrément à titre de prototype (il s'agit du même type de démarche pour homologuer les boîtiers E85).
Simon83

17 août 2021 à 11h31

Merci beaucoup Guillaume pour votre réponse détaillée !
Bon bon me voici fixé ... je n'ai plus qu'à espérer que les restrictions ZFE soient repoussées pour les crit'air 3 ou qu'il y ait des dérogations accordées pour les familles nombreuses.. comme cela existe pour le malus CO2 à l'achat d'un véhicule neuf.
Bonne journée
Simon
Zach9277

09 janvier 2023 à 20h15

Bonjour,
Merci pour cet article intéressant, je possède un Opel Crossland X diesel de 2019 équipé d'un réservoir AdBlue, en raison des années covid je n'ai pas beaucoup roulé avec. Lorsque j’ai commencé à bien roulé avec, en l’espace de huit mois et à deux reprises le véhicule m'a signalé un "défaut moteur faites réparer le véhicule sinon démarrage impossible dans X kms", ma question le fait que le véhicule a peu roulé peut-il affecté le système Adblue dans son ensemble ? Y a-t-il dans ce cas des additifs prévu et homologué par les constructeurs pour fluidifier le circuit Adblue dans de tels cas ?
Merci
Zach
Guillaume Darding [administrateur]

11 janvier 2023 à 10h49

Bonjour Zach, merci pour vos encouragements !

Ce n'est pas tant le fait de peu rouler qui peut affecter le système SCR, mais le fait de cumuler des petits trajets (au même titre que cela entraîne aussi des problèmes au niveau du filtre à particules).

A ma connaissance, il n'existe pas de produit miracle pour déboucher un échappement qui serait entravé avec de l'urée cristallisée. Si l'échappement est légèrement bouché, il suffit d'un trajet long (30-40 km) sur voie rapide (ligne d'échappement chaude) pour que les cristaux solides d'urée repassent à l'état gazeux. En somme, la solution est très similaire à ce qu'il faut faire lorsque le filtre à particules est trop chargé en suie : il faut rouler hors de la ville.

Par contre, j'attire votre attention sur le fait qu'il y a un défaut connu avec les réservoirs d'AdBlue des moteurs diesel du groupe Stellantis (1.6l en particulier, mais il semble que le 1.5l soit aussi touché chez Peugeot, Citroën et Opel) et plus particulièrement la prise d'air de la pompe du réservoir qui se bouche au niveau du bouchon de remplissage (cristallisation de l'urée). Voir les commentaires précédents de cet article et sur ce forum par exemple : https://forum-auto.caradisiac.com/topic/462030-defaut-adblue-r%C3%A9servoir-a-changer/ . Dans ce cas, il n'y a pas d'autre solution que de changer l'ensemble réservoir/pompe et, étant donné que votre véhicule est récent (même si la période de garantie est passée), Opel devrait prendre en charge le remplacement (et si ce n'est pas le cas, il faut absolument insister).

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