Dossier: systèmes de dépollution des moteurs essence

Dossier: systèmes de dépollution des moteurs essence

Guillaume Darding - 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 42 commentaires):

Julien31

03 août 2020 à 11h03

Merci pour votre retour, vous ne pensez pas qu'il est mieux de l'enlever ?
Guillaume Darding [administrateur]

03 août 2020 à 14h12

Bonjour Julien, je ne peux pas vous conseiller de l'enlever du fait qu'il réduit significativement les émissions de particules. Même s'il y a encore des questions à propos des émissions de particules lors des régénérations, ce n'est pas une raison suffisante à mes yeux.
D'autre part, vous pourreiz être embêté lors du contrôle technique car c'est un point qui sera certainement vérifié dans les années à venir.
Julien31

03 août 2020 à 18h14

D'accord merci bien pour tout ce que vous faites !
Olivier1050

16 septembre 2020 à 15h26

Votre article est très intéressant.
Guillaume Darding [administrateur]

17 septembre 2020 à 22h05

Bonjour Olivier, merci beaucoup pour vos encouragements !
pjmdur

17 juillet 2021 à 10h25

Bonjour,

J'aimerais avoir des explication sur ces observations suivantes:

Sur mon précédant moteur PT130 version FAP, j'avais une fois démarré puis arrêté immédiatement le moteur.
Le lendemain, le voyant FAP s'est allumé puis s'est éteint après un certain nombre de Km.

Sur mon 3008 HY 225CV, il est précisé dans le manuel qu'en cas de roulage uniquement en électrique, il peut y avoir de la condensation de l'essence dans l'huile qui entraine une période imposée de roulage en mode thermique.
Il faut savoir que le moteur thermique démarre de temps en temps au démarrage à vitesse de rotation relativement élevée(peut être 30 secondes max environ). Pour assurer une certaine lubrification du moteur?

Pour moi, le capteur de NOX spécifique ou la sonde lambda détecte de l'essence imbrulée dans les deux cas. Il y a donc un processus de régénération du FAP qui s'enclenche, et singulièrement sur le PHEV par un roulage suffisant en thermique. Il est précisé dans le manuel sur 80km environ.

J'aimerais comprendre quel est le processus de détection dans les deux cas via les sondes?

Cordialement.
Guillaume Darding [administrateur]

19 juillet 2021 à 23h16

Bonjour pjmdur,

à priori, le critère de démarrage du moteur thermique ne devrait se faire que sur un critère de temps (démarrage du moteur forcé si le moteur n'a pas été démarré depuis 10 jours ou si le moteur n'a pas démarré sur les 5 dernières heures d'utilisation par exemple) et éventuellement sur un critère de température / humidité de l'air. Cela permet d'éviter de diluer trop d'essence dans l'huile, ce qui dégrade la qualité de l'huile (l'essence se dilue dans l'huile principalement lors des démarrages et lorsque le moteur est froid - lorsque l'huile atteint près de 80 °C, alors l'essence s'évapore naturellement et l'huile retrouve ses capacités).
Lorsqu'il n'y a pas de débit de gaz (le moteur est donc éteint), les sondes à l'échappement ne sont pas fonctionnelles (d'ailleurs, à ma connaissance, il n'y a pas de sonde NOx sur les moteurs essence - en règle générale).

Si le moteur ne fonctionne pas, le FàP ne se charge pas non plus. Le chargement du FàP est surveillé par des sondes différentielles de pression (on messure la différence de pression entre l'entrée et la sortie du filtre), parfois, on ajoute aussi des sondes de température pour avoir une estimation plus précises.

D'autre part, il est normalement compliqué de chargé complètement un FàP essence car, grâce à la température des gaz plus élevée que celle des gaz d'échappement d'un moteur diesel, c'est la régénération passive qui est quasi-systématique (dans le cas d'un moteur diesel, il faut élever artificiellement la température pour déclencher la régénération). Ceci dit, la configuration est moins favorable avec une hybride rechargeable car, selon les conditions de conduite, le moteur pourrait enchaîner les démarrages à froid et accumuler des particules dans le filtre. En conséquence, il faudra alors déclencher une régénération du filtre, mais cette phase devrait durer plusieurs minutes (80 km me paraît très généreux...).

Les sondes lambda vont servir à ajuster la richesse du mélange air/essence et elles vérifient si le catalyseur 3 voies est bien fonctionnel.
pjmdur

20 juillet 2021 à 09h27

Merci Guillaume,

Je comprends bien qu'il faut que pour qu'il y ait détection, il faut que le moteur tourne.
Ce que je n'ai pas bien compris:

Pour le PT130, quelle détection a entrainé l'allumage du voyant de FAP?

Dans le cas du PHEV Peugeot, comme j'ai indiqué, même si on utilise en permanence uniquement l'électrique, ce qui est possible, le thermique démarre de temps en temps à régime soutenu durant une trentaine de secondes.
Ce temps n'est pas suffisant pour une montée en température du moteur, cela génère de l'essence dans l'huile.
Lors de l'un de ces démarrages sporadiques suivants, il y a un mécanisme qui entraine le mode thermique obligatoire jusqu'à régénération satisfaisante du FAP.
Il faut noter que ces démarrages du thermique sont indépendants de l'utilisation. Ils se produisent à l'arrêt au démarrage du véhicule.
Dans les deux cas, PT130 ou HY225CV, il y a détection de ces imbrulés ou via tout autre mécanisme?.
C'est juste mon hypothèse, je ne suis pas spécialiste.
Ce que je n'ai pas correctement compris est comment se fait cette détection?
Guillaume Darding [administrateur]

21 juillet 2021 à 13h54

Bonjour pjmdur,

dans le cas de l'allumage du voyant de votre PT130, ce sont normalement le capteur différentiel de pression qui a déclenché l'allumage du voyant. La coupure soudaine et rapide de votre moteur aura peut-être générée une importante quantité de particules stockée par la suite dans le filtre (il y avait certainement d'autres circonstances particulières qui ont accentuées le phénomènes). Puisque vous avez roulé suffisamment longtemps le lendemain, le filtre a pu se régénérer passivement et le voyant s'est donc éteint.

Concernant l'hybride : effectivement, en 30 sec, il ne va pas se passer grand chose en matière de montée en température, donc ces phases courtes vont essentiellement servir à s'assurer qu'il y a toujours un minimum d'huile dans l'ensemble du moteur.
Si vraiment le moteur thermique n'est jamais sollicité (roulage permanent en mode électrique), alors la gestion du véhicule finira par déclencher un allumage plus long du moteur afin de faire chauffer les fluides suffisamment longtemps (ce qui permettra, entre autres, d'évaporer l'essence diluée dans l'huile), d'évacuer les vapeurs d'essence stockées dans le canister (dûes aux variations de température extérieure notamment), de lubrifier complètement l'ensemble du moteur et de s'assurer que le filtre est bien régénéré. Il n'y a aucune détection physique qui va déclencher cette phase : il s'agit uniquement de la durée d'utilisation / fréquence d'utilisation du moteur thermique par rapport à la durée totale d'utilisation du véhicule.
pjmdur

22 juillet 2021 à 08h58

Merci Guillaume, cette explication est une fois de plus compréhensible a propos de ce mécanisme de passage obligé en thermique sur le PHEV.

Cordialement.

Commentaire:

Nom d'utilisateur :

Adresse mail (non visible) :

Site internet (optionnel) :

Quelle est la forme géométrique du logo utilisé par Renault ?

Réseaux sociaux
Commentaires
Guillaume Darding à propos de l'article «Dossier: utilisation du superéthanol E85»

Hier

Bonjour à tous, @Purmok oui, c'est possible en théorie de monter un boîtier éthanol sur un véhicule bicarburation essence/GPL. D'ailleurs, un fabricant de boîtier le fait des véhicules (quasi-)neufs : Borel. A titre personnel, je ne suis pas favorable à ce type de configuration car cela à un coût qu'il va être difficile d'amortir (le véhicule fonctionnant déjà au GPL, cela ne sera pas beaucoup plus économique de rouler avec l'E85, d'où un amortissement bien plus long que si on compare par rapport à un véhicule essence). D'autre part, si on roule régulièrement au GPL, on utilisera moins le carburant contenu dans le réservoir d'essence et, dans un cas extrême, on pourrait se retrouver en plein hiver avec de l'E85 en spécification été, ce qui peut compliquer le démarrage du véhicule dans ces conditions. @Medhi Il n'y a pas vraiment de risque de fiabilité. Le plus gros risque, c'est que, si vous avez affaire à un boîtier de mauvaise qualité, le fonctionnement avec de l'E85 pourrait ne pas être optimal (démarrages difficiles, broutages lors des accélérations). Concernant le contrôle technique, il est recommandé, lorsque la carte grise n'est pas modifiée, de passer le contrôle avec un plein d'essence. Parfois, les valeurs de sonde lambda peuvent être faussées, ce qui peut amener à un refus.

Mehdi à propos de l'article «Dossier: utilisation du superéthanol E85»

Hier

Bonsoir. Je m'apprête à faire l'acquisition d'un véhicule d'occasion avec un boîtier éthanol non homologué. C'est une très bonne affaire, mais quel est le risque? Je m'explique : si j'enlève l'étiquette du boîtier (qui vaut 440 euros vérifié sur internet), aucune raison d'être embêté au contrôle technique? Ou faudra-t-il que je fasse un plein de sp98 avant le passage pour le contrôle pollution. C'est un Freelander V6 2.5L. Je ne sais pas quel est le risque et si je serais embêté plus tard. Je me dis qu'au pire je pourrais payer l'installation d'un kit dans 2 ans ou l'enlever pour le prochain CT. Merci d'avance pour vos conseils.

Djabou à propos de l'article «Présentation moteur: Volkswagen 1.5l TSI»

Avant-hier

Bonjour, Merci pour cet article très complet. Après presque 2 ans, qu'en est-il de la fiabilité de ce tsi 150 evo ? Merci

© Guillaume Darding

Mentions légales