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 51 commentaires):

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.
havaniti

02 octobre 2021 à 10h17

Bonjour Guillaume je cherche désespérément une réponse à mon problème : Sur Corvette de 2006 soit moteur V8 ( récent à cartographie et injecteurs électriques ) de 6 L le témoin moteur s'allume sur une seule rangée de cylindres, toujours la même et c'est un problème récurrent sur ce modèle.
Je constate que l'ajout de 30% d'éthanol (E85) règle totalement et définitivement le problème. POURQUOI ???? un intervenant sur un forum me dit que cette rangée de cylindres est trop riche et que l'ajout d'éthanol appauvrit, un re-programmeur de cartographie me dit que non ! j'ai changé les 2 lambdas et le pot à 50.000 kms ne peut pas être incriminé. Avez vous une explication et une solution ? Bien à vous.
Guillaume Darding [administrateur]

03 octobre 2021 à 10h05

Bonjour havaniti,
il se peut que, si les capteurs de l'autre banc de cylindres ne déclenchent pas d'alerte car ils sont toujours dans les seuils définis, mais qu'ils soient juste à la limite. Dans ce cas, cela indiquerait un manque d'alimentation en air du moteur et le problème serait à chercher du côté de l'admission plutôt que de l'échappement (problème avec le débimètre, fuite dans le circuit,...).

Si votre mélange est trop riche, c'est qu'il y a soit trop de carburant injecté, soit pas assez d'air présent dans le cylindre. Effectivement, si on part sur l'hypothèse que le témoin moteur s'allume parce que le calculateur moteur considère que le mélange est trop riche (si je comprends bien, ce sont les sondes O2 qui renvoient des valeurs élevées dans votre cas), le fait de mettre une bonne part d'E85 va appauvrir votre mélange (car le rapport stoechiométrique de l'éthanol est plus faible que celui du supercarburant - voir mon article sur l'E85 pour plus d'informations à ce sujet - https://www.guillaumedarding.fr/dossier-utilisation-du-superethanol-e85-3187198.html ) et faire revenir les valeurs des sondes O2 dans les clous : seulement, c'est un palliatif et non la source du problème.
Jean-Christophe PLOTKA

08 juin 2022 à 14h50

Bonjour.
Après avoir été recalé lors d'un contrôle technique pour anomalie de pollution, j'ai changé le catalyseur sur ma Scénic 1.6 essence d'aout 2003 (moteur 4KM). La voiture a ensuite été présentée et acceptée lors de la contrevisite.

Après 3 mois de circulation (max 200km/mois), le message "ANTI-POLUTION A CONTROLER" est apparu. Lorsque je roule, le catalyseur produit un bruit identique à ce qui se passerait si un écrou de 12 était présent et libre dans l’enveloppe du catalyseur. Une sorte de « gling gling …… ». J’ai démonté le catalyseur et le bruit est très facile à reproduire en le secouant. En le secouant successivement avec la première ouverture (coté pipe échappement) puis la seconde (coté pot d’échappement) vers le bas, rien ne sort.
J’ai contacté le vendeur de l’équipement qui me dit que la garantie est de deux ans mais assujettie à l’analyse des gaz (CO/CO2/HC/O2). A cela j’ai répondu que le problème n’était pas un disfonctionnement de la partie traitement de la pollution mais une rupture mécanique d’un des constituants qui induit un « gling gling » lorsque je roule. Sa réponse a été « Si cela a cassé c’est que la composition des gaz était anormale et cela a entrainé la destruction d’une des parties du catalyseur ».
Septique, j’ai ressorti le contrôle technique de la voiture. Dans ce dernier ne figure pas le taux de HC. On y trouve les résultats suivants ; CO ralenti (inf. ou égal à 0.3%) : 0%, CO ralenti accéléré (inf. ou égal à 0.2%) : 0%, Lambda (0.97 à 1.03) : 1.010
Mes questions sont les suivantes : Un taux de HC anormal peut-il endommager le pot catalytique ? En moins de 1000km ? Je précise que je roule au 98 ?
J’ai le sentiment que non car si le taux de HC est de nature à endommager les système anti-pollution, il me semblerait logique d’imposer son analyse lors du CT pour inciter le propriétaire à faire réaliser un réglage de la voiture (injection je suppose) afin de protéger ladite voiture.
Merci d’avance pour votre analyse.
Jean-Christophe
Jean-Christophe PLOTKA

08 juin 2022 à 15h01

Suite du message précédent. J'ai oublié de préciser la condition d'acceptation ou de refus de la garantie telle qu'imposée par l'équipementier est la suivante : Si le taux de HC est supérieur à 40 la garantie ne sera pas prise ne compte.
Et à la suite du 40 ci-avant ne figure aucune unité.
Jean-Christophe
Guillaume Darding [administrateur]

15 juin 2022 à 00h10

Bonjour Jean-Christophe,

concernant le taux de HC, il s'agit de ppm (partie par million) qui représente la concentration d'hydrocarbone dans les gaz d'échappement. Les HC (qu'on peut assimiler directement à de l'essence non brûlée) peuvent causer une défaillance au niveau du catalyseur car le carburant peut s'enflammer juste avant le catalyseur et générer des températures anormalement élevées au niveau de ce dernier. D'autre part, une concentration élevée en sortie moteur est signe d'un mauvais fonctionnement moteur (notamment un mélange trop pauvre) qui pourrait aussi générer des températures anormalement élevées au niveau des gaz d'échappement et endommager le catalyseur. Dans ce cas, c'est le catalyseur qui "fond" et cela ne génère pas de bruit, juste une alerte de mauvais fonctionnement du dispositif de dépollution.

Pour en revenir aux symptomes que vous décrivez, j'ai le sentiment que le problème vient d'une casse physique d'une sonde lambda. Si la casse était purement mécanique (casse d'une béquille par exemple), alors il n'y a aucune raison qu'une alerte se déclenche au tableau de bord.
Jean-Christophe PLOTKA

22 juin 2022 à 11h52

Bonjour Guillaume.
Je vous remercie pour ces explications.
Bien Cordialement.
Jean-Christophe
didt11

29 juin 2022 à 09h18

Bonjour Guillaume j'ai acheté un gmc sierra 5.3l bioethanol d'origine de 2014 donc norme euro5 il s'avère que l'homologateur envoie le véhicule à l'UTAC Montlhéry pour passer tests émissions résultats taux d'émission cinq plus élevés
CO 5.19 au lieu de 1.00
HC 0.557 au lieu de 0.100
NMHC 0.485 au lieu de 0.068
en ce qui concerne le NOX c'est bon 0.058 inférieur 0.060
avez vous une idée du problème le véhicule fonctionne à merveille seul bémol voyant moteur qui clignote à haut régime en vous remerciant
Lucgiroud

19 juillet 2022 à 23h39

Bonjour Guillaume , j ai un problème similaire à DDMidt111
Véhicule Maserati Granturismo de 2010 passage à l Utac taux de CO 1,36 pour 1 . HC a 0.143 pour 0.1
Nox ok à 0.038 pour 0.080.
Norme euro4

Bougie changées
Filtres changés
Vidanges 500km

Faut il selon vous changer les sondes lambda ou les catalyseurs ( possible de les nettoyer)
Ou autre chose quelle essence mettre pour le contrôle
UTAC homologation (98, 95 ou ÉTHANOL)

D avance merci pour votre aide
Luc

20 juillet 2022 à 19h08

Lucgiroud c'est didt11 pour ma part je vais changer les cata ,bougies,bobines,sondes lambda amont aval , cables,injecteurs,filtre à air,filtre à huile+vidange + vidange boîte auto crépine etc...., et pour l'essence on m'a confirmé sp98 + d'explosion donc moins de résidus et si ça passe pas revente à perte à l'étranger du simple au double

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