Dossier: systèmes de dépollution des moteurs essence

Dossier: systèmes de dépollution des moteurs essence

Publié le 30 novembre 2017

Si les systèmes d’échappement des moteurs essence étaient jusqu'à présent relativement simples, les récentes évolutions des normes d’émissions ont contraint les constructeurs d’y apporter d’importants changements afin de pouvoir réduire la consommation de carburant des moteurs tout en garantissant de faibles niveaux d’émissions de gaz polluants.

Emissions de gaz polluants

A la sortie des gaz d’échappement, la réglementation européenne (actuellement Euro 6d temp) impose des limites d'émissions pour les gaz polluants suivants:

  • Le monoxyde de carbone (CO)
  • Les hydrocarbures (HC)
  • Les oxydes d’azote (NOx)
  • Les particules fines en masse (PM) et en nombre (PN)

Audi SQ7 TDI - moteur et ligne d'échappement

Si le dioxyde de carbone (CO2) n’est pas considéré, en tant que tel, comme un gaz nocif pour les êtres vivants, c’est un gaz à effet de serre lorsqu’il atteint de fortes concentrations, c’est-à-dire qu’il contribue au réchauffement climatique. Pour cette raison, le CO2 est donc aussi règlementé: les émissions de CO2 ne doivent pas dépasser un certain seuil sur l'ensemble des véhicules vendus par un constructeur.

Tableau - évolution des normes Euro 6 - Guillaume Darding

Architecture générale

La majeure partie des véhicules à moteur essence n'est équipée que d'un catalyseur trois voies (plus généralement appelé pot catalytique). Les pots catalytiques se sont généralisés dans les années 90 avec la mise en application des normes Euro 1.

A l'origine, les pots catalytiques étaient plutôt positionnés sous le plancher du véhicule. Désormais, la tendance consiste à les positionner au plus proche du collecteur d'échappement, afin d’accélérer leur montée en température lors d’un démarrage à froid.

Position dans le véhicules des dispositifs de dépollution essence

Pour les motorisations les plus puissantes ou les véhicules les plus lourds, il est parfois indispensable d'avoir un pot catalytique près du moteur et un autre sous le plancher, de manière à avoir suffisamment de volume de dépollution.

Avec l'évolution des normes de dépollution, des volumes supplémentaires, tels que le filtre à particules ou le piège à NOx, viennent compléter le catalyseur 3 voies, que ce soit sous plancher ou au niveau du collecteur d'échappement.

Catalyseur 3 voies

Les catalyseurs traitent les émissions de oxydes d’azote (NOx), de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrocarbures non brûlés (HC) selon trois réactions principales. Le monoxyde de carbone et les hydrocarbures réagissent avec l’oxygène (O2) pour former du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O). Enfin, les NOx réagissent avec le monoxyde de carbone pour rejeter de l’azote (N2) et du CO2.

Illustrations principales réactions chimiques catalyseurs 3 voies

Outre ces 3 réactions, il y a en tout une quinzaine de réactions qui se produisent au sein du catalyseur 3 voies. Afin de faciliter toutes ces réactions, le catalyseur est chargé en métaux précieux (platine Pt, palladium Pd et rhodium Rh). Ces métaux (tout ou en partie) sont indispensables pour obtenir des réactions chimiques beaucoup plus rapides au sein du catalyseur.

Initialement, les catalyseurs utilisaient plutôt du platine pour accélérer les réactions chimiques relatives au traitement des CO et HC. Toutefois, face à l’envolée des prix de ce métal, il a été progressivement remplacé par du palladium, moins cher et plus efficace. Ce changement a surtout été rendu possible grâce à la diminution de la teneur en soufre dans l’essence. Enfin, le rhodium s’occupe d’accélérer les réactions entre les NOx et le CO.

Corning - substrat en cordiérite

En fonction de la richesse air/carburant, l’efficacité du catalyseur 3 voies peut être significativement amoindrie. De fait, le pot catalytique atteint son pic d’efficacité lorsque le moteur fonctionne en conditions stoechiométriques, avec un rapport air/carburant de 1 (correspondant environ à 14,7 grammes d’air pour 1 gramme de carburant).

Avec un mélange riche (trop de carburant injecté par rapport à la quantité d’air admise dans le cylindre), il n’y a pas assez d’oxygène présent dans les gaz pour oxyder le monoxyde de carbone et les hydrocarbures. A l'inverse, lorsque le moteur fonctionne en excès d’air, le pot catalytique obtient des taux importants de réduction des émissions de CO et de HC. En revanche, il devient inefficace pour réduire les émissions d’oxyde d’azote.

Efficacité catalyseur 3 voies en fonction de la richesse mélange air/carburant

A cet effet, il est indispensable de mesurer en continu la quantité d’oxygène présente dans les gaz d’échappement grâce à une sonde lambda (autrement appelée sonde à oxygène) afin de s’assurer que le moteur fonctionne toujours dans des conditions proches des conditions stœchiométriques.

La généralisation des pots catalytiques a été permise grâce à l’abandon généralisé à travers le monde de l’essence plombée. Outre les risques sanitaires connus, le plomb a aussi la particularité de réduire significativement l'efficacité les pots catalytiques.

Le catalyseur est fabriqué à partir de cordiérite. Il s’agit du même matériau que celui utilisé pour les catalyseurs d’oxydation utilisés dans les lignes d’échappement des moteurs diesel.

PSA Peugeot Citroën 1.2l Puretech turbo - système échappement catalyseur 3 voies

Filtre à particules

Comme son nom l’indique, le filtre à particules a pour fonction de limiter les émissions de particules. S’ils partagent le même nom, le filtre à particules essence et le filtre à particules diesel font face à des conditions de fonctionnement distinctes et reposent sur des technologies différentes.

Dans le cas d’un moteur essence, les particules sont beaucoup plus fines et plus nombreuses tandis que la température des gaz d’échappement est élevée. En l'état, les moteurs essence peuvent difficilement respecter les niveaux d’émissions de 6x1011 particules fines par kilomètre requis par les normes Euro 6c sans l’adjonction d’un filtre.

Doosan -  principe fonctionnement filtre à particules

Grâce à la température élevée des gaz d’échappement, la régénération du filtre à particules essence se fait essentiellement de manière passive, sans qu’il ne soit donc besoin d’élever artificiellement la température des gaz d’échappement.

Du fait des régénérations uniquement passives, le risque d’élévation incontrôlée de la température (à des niveaux supérieurs à 1.000 °C) est très faible. Pour cette raison, le filtre à particules essence est fabriqué à partir de cordiérite (la même matière que les catalyseurs trois voies et les catalyseurs d’oxydation diesel), un matériau plus léger et plus économique que le carbure de silicium utilisé pour les filtres à particules diesel.

Volkswagen 1.4 TFSI - coupe filtre à particules essence GPF

Recirculation des gaz d’échappement

Si la recirculation des gaz d’échappement (EGR pour Exhaust Gas Recirculation) est devenue la norme pour un moteur diesel, elle peine à se généraliser sur les moteurs essence. Dans la plupart des cas, la recirculation se fait de manière interne. Dans ce cas, le moteur doit être équipé du calage variable des soupapes à l’échappement.

Lors du temps de l’admission (le piston passant du point mort haut au point mort bas), les soupapes à l’échappement se ferment alors tardivement, ce qui a pour effet d’aspirer une partie des gaz d’échappement présents dans le collecteur. Par cette méthode, il est possible d’obtenir un taux d’EGR d’environ 40% de gaz d’échappement.

Dans le cas d’un dispositif externe, les gaz d’échappement sont prélevés directement dans le collecteur (dans la plupart des cas) ou après avoir passé à travers les systèmes de dépollution. Dans les deux cas, les gaz doivent généralement être refroidis afin d’être réinjectés dans le circuit d’admission.

EGR Toyota Prius Génération 4

Par rapport à un dispositif de recirculation interne, les dispositifs externes permettent d’atteindre des taux de recirculation plus importants et surtout, sur une plus large plage du fonctionnement du moteur.

Du fait de la teneur plus faible en oxygène (moins de 1% contre plus de 20% pour l’air ambiant), la recirculation des gaz d’échappement permet de diminuer significativement la température et la vitesse de combustion. Ce phénomène a pour effet de diminuer le risque de cliquetis (ce qui permet d’optimiser le rendement et de réduire alors la consommation de carburant) ainsi que la formation des oxydes d’azote.

Système de traitement des oxydes d’azote

A ce jour, la plupart des moteurs essence n’ont pas besoin de dispositif de traitement des NOx pour satisfaire aux normes en vigueur, que ce soit lors de mesures sur banc à rouleaux (de type WLTC) ou en conditions de conduite réelle.

Il y a pourtant une exception avec les moteurs à injection directe fonctionnant à charge stratifiée en mélange pauvre. La combustion en mélange pauvre offre un avantage significatif en matière de réduction de la consommation de carburant (et par là-même des émissions de CO2).

Moteur BMW N53 - combustion en mélange pauvre

Néanmoins, la combustion en mélange pauvre génère une quantité importante d'oxydes d'azote que ni l'EGR, ni le catalyseur 3 voies ne sont capables de traiter en suffisance.

Il faut donc recourir à un dispositif spécifique tel que le piège à NOx. Ce dernier se présente sous la forme d'un catalyseur classique en cordiérite enrichi en métaux précieux et terres rares, au coût non négligeable.

Ces matériaux ont pour rôle de retenir les oxydes d'azote lors du passage des gaz d'échappement. Périodiquement, le piège est purgé grâce à un passage en mode riche du moteur (toutes les minutes environ). Les NOx sont alors réduits en azote.

Mercedes CLS 350 CGI

D'autre part, leur développement a été, jusqu'à présent, limité du fait de la présence importante de soufre dans le carburant qui annihilait les fonctions du piège à NOx.

Il faut ajouter à ce dispositif un capteur spécifique mesurant la quantité d’oxydes d’azote présente dans les gaz d'échappement afin de lancer une régénération du piège lorsque ce dernier est rempli. Ce type de capteur a un coût significativement plus élevé que les sondes à oxygène classiques.

Crédits photos: Alpine / Audi / Volkswagen / Corning / Peugeot / Doosan / Toyota / BMW / Mercedes
Tableaux et graphiques: Guillaume Darding

Les 10 derniers commentaires sur le sujet (voir les 20 commentaires):

Damso

26 novembre 2018 à 15h09

Bonjour Guillaume, premièrement bravo pour ton article c'est devenu difficile de trouver des informations claires sur le sujet. Ensuite je voudrais te demander si tu as des sources fiables sur internet ou ce genre de chose, bénéficierais-tu de données constructeur ? Je prépare moi-même un article sur le GPF essence dans le cadre de mon BTS et les infos sur le sujet sont encore trop rares. J'imagine que tu dois être occupé néanmoins si tu as 5min pour lire ce com' sache que j'accepte toutes les infos qu'on peut me donner.
Merci d'avance et bonne continuation
Guillaume Darding [administrateur]

26 novembre 2018 à 23h42

Bonjour Damso,

merci pour tes encouragements. Concernant mes sources, il s'agit principalement de données auxquelles j'ai accès dans le cadre de mes activités professionnelles. Tu peux éventuellement me contacter par mail (mon adresse est accessible depuis la page d'accueil du site) pour discuter des questions que tu as autour du GPF.
Artaches

28 novembre 2018 à 17h12

Le benzène est peut-être cancérigène mais il est combustible: qu’en reste-t-il au niveau de l’échappement ?
Par ailleurs je suis sidéré par le haro sur le diesel alors que vos chiffres montrent qu’il n’est plus polluant que marginalement.
Guillaume Darding [administrateur]

29 novembre 2018 à 22h41

Bonjour Artaches,

les émissions de benzène ont largement diminué depuis 20 ans, non seulement avec la diminution de la quantité de benzène dans les carburants, mais aussi avec la généralisation des catalyseurs trois voies (diminuant de plus de 70% les émissions de benzène).

A ma connaissance, la concentration en benzène dans l'atmosphère est inférieure aux normes européennes. Néanmoins, comme je l'évoquais dans ma précédente, il n'est pas exclu que ces émissions deviennent problématique dans le futur avec la progression des moteurs essence et des modes de combustion qui pourraient favoriser les émissions de benzène.

Concernant le diesel, on peut considérer, pour un moteur répondant aux dernières normes (Euro 6d temp), que les émissions d'oxydes d'azote sont bien moins problématiques que par le passé. Il ne faut toutefois pas oublier que les systèmes de dépollution diesel nécessite des gaz d'échappement à haute température. Or, ces hautes températures sont difficilement atteignables en milieu urbain. On peut donc tirer la conclusion que le diesel est bien adapté pour un véhicule effectuant des trajets extra-urbains relativement longs. Le diesel a certainement sa place, mais certainement pas au point d'atteindre près de 80% des ventes de véhicules neufs comme cela était le cas il y a encore peu dans certains pays.

Il est en revanche dommage de tomber dans l'excès inverse et de vouloir tuer le diesel à tout prix. Les moteurs essence, diesel, électriques répondent chacun à des besoins différents et, à mon avis, une seule technique n'est pas à même de couvrir les besoins de l'ensemble des automobilistes.
Grégoire

06 décembre 2018 à 08h56

Bonjour Guillaume,

Merci pour ces articles mais la question de la « dangerosité «  des particules émises lors des régénérations n’est que très rarement évoquée tant en essence qu’en diesel. L’additif Eolys est par essence dangereux pour le système respiratoire, chargé de métaux rares, mais qu’en est-il de son bilan complet ?

Piéger pour relâcher par la suite même transformé :existe t’il un bilan sanitaire ?
Guillaume Darding [administrateur]

06 décembre 2018 à 16h24

Bonjour Grégoire,

merci pour vos encouragements. Concernant la question des particules fines durant la régénération d'un filtre, plusieurs études ont caractérisé ces émissions et il est certain que durant une régénération, une quantité de particules fines supérieure à la normale est émise, surtout en début de régénération.
Cette démarche n'a pas encore été caractérisée pour les moteurs essence, mais on peut raisonnablement penser qu'on fera face à des phénomènes similaires, peut-être moins important néanmoins du fait de régénérations passives (c'est notamment la post-injection lors des régénérations actives du FàP diesel qui tend à favoriser les émissions de particules fines).

Concernant la cérine utilisé dans les FàP PSA notamment pour diminuer la température minimale de régénération, c'est effectivement un produit qu'il faut manipuler avec précaution. A ma connaissance, l'Eolys est retenu dans le filtre et il n'y a pas d'émissions de ce produit dans les gaz d'échappement. En résumé, l'Eolys peut être surtout dangereux pour le technicien qui remplit le réservoir de cérine. En cas d'accident et de combustion, l'incendie de ce produit est contrôlé avec les méthodes classiques d'exctinction de feu.
Mustapha

23 janvier 2019 à 18h17

Bonjour Guillaume,
Merci beaucoup pour cet article qui, comme déjà souligné dans les commentaires précédents, est très clair. Je suis tombé dessus car je cherche à savoir quels sont les liens entre la puissance que l'on peut espérer récupérer d'un moteur et sa dépollution.
Peux-tu m'éclairer à ce sujet ?
D'avance merci.
Guillaume Darding [administrateur]

23 janvier 2019 à 23h37

Bonjour Mustapha,

merci pour tes encouragements!
Je ne suis pas sûr de bien comprendre ta question, donc corrige-moi si je me trompe.

J'ai compris que tu cherchais à savoir quelle était l'incidence des systèmes de dépollution sur la puissance moteur. Si on parle bien de cela, dans le cas d'un moteur essence, on peut estimer qu'un moteur équipé simplement d'un catalyseur 3 voies voit sa puissance être pénalisée de 2 à 3 % contre 5 à 7 % environ dans le cas d'un moteur équipé d'un filtre à particules en complément. Cela donne un ordre de grandeur, parlant de la puissance maximale du moteur.
Mustapha

24 janvier 2019 à 18h50

Bonjour Guillaume, Merci pour ta réponse, tu as bien cerné ma question :-).
Guillaume Darding [administrateur]

24 janvier 2019 à 21h01

Super alors! Tip top :-)

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Commentaires
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Bonjour Manu, pour ce qui est des capacités de franchissement, j'ai une expérience limitée en conduite tout-terrain et il serait difficile de vous dire ce qui est le mieux entre la boîte automatique et la boîte manuelle. Mon sentiment toutefois, au regard des caractéristiques techniques, c'est que la boîte automatique me semble gloutonne (ce qui occasionne par ailleurs un malus conséquent à l'achat) et qu'elle me semble indiquée uniquement si vous ne supportez plus de jouer avec l'embrayage.

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Bonjour Guillaume, après avoir tout lu j'avoue ne rien comprendre, je suis complètement hermétique. J'aurais aimé pourtant être bon bricoleur mécanique. Trop tard j'ai 67 ans. Je voudrais acquérir le nouveaux 4x4 Suzuki Jimny soit en boite manuelle 5 rapports ou automatique 4 rapports. Je suis incapable de me décider sur ce qui est préférable pour moi. Malgré mon age j'aime toujours autant le franchissement avec de l'énergie et du couple. Lorsque j'avais 30 ans je possédais un 4x4 Toyota BJ42 chassis court, boite manuelle 4 rapports, j'en garde des souvenirs impérissables ( dans le week end 1000 kms de route aller, zones de trial tout le samedi dimanche et retour 1000 kms de route avec le même véhicule). merci si tu peux m'aider dans ma décision.

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