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 37 commentaires):

Guillaume Darding [administrateur]

15 mai 2020 à 00h25

Bonjour Taha, merci pour vos encouragements.

selon les conditions de fonctionnement du moteur (charge) et de l'EGR (taux de recirculation), la température des gaz à l'admission peut augmenter de 10 °C (faible charge / faible taux de recirculation) à une centaine de degrés du fait de la recirculation des gaz d'échappement.
ali

19 mai 2020 à 12h08

Bonjour,

je souhaite acheter un BMW x1 20i, mais non équipé d'un fap.

Comment savoir si le véhicule est équipé ou non du fap? Comment vérifier cette information ?

Merci beaucoup
Guillaume Darding [administrateur]

21 mai 2020 à 22h51

Bonjour ali,

il n'existe pas vraiment de moyen direct de le savoir car ce n'est pas une pièce visible facilement sous le capot et le filtre à particules est généralement intégré dans la même boîte que celle précedemment utilisée pour le catalyseur 3 voies.

Par contre, en fonction de la date d'immatriculation et de la norme d'homologation, on peut estimer si le véhicule est equipé d'un filtre ou non. Il s'agit des véhicules immatriculés après mars 2018 environ et homologués selon la norme Euro 6c ou Euro 6d-TEMP (se référer au certificat d'immatriculation - champs V.9 pour connaître la norme - https://www.guillaumedarding.fr/normes-euro-6-comment-s-y-retrouver-3723380.html )
Julien31

29 juillet 2020 à 00h00

Bonjour, si j'ai bien compris le fap n'est pas sur les tsi 1.5 de 2018 ??
J'aimerais acheter une golf 7 1. 5 tsi 130 mais elle a le fap dessus car elle est de 2019...
Comme vous dites on n'a pas assez de recul dessus.
Que me conseillez vous ?
Car je suis en tdi 150 Fap et il déconne tout le temps car je fais quasiment que de la ville.
Merci de votre réponse.

Julien
Guillaume Darding [administrateur]

29 juillet 2020 à 22h52

Bonjour Julien,

à ma connaissance, les filtres à particules ont équipé les 1.5 TSI à partir de l'été 2018. Si l'appellation est identique, les filtres à particules essence et diesel ont des fonctionnements largement différents et les versions essence ne devraient pas être affectées par les mêmes problèmes que ceux vécus avec des moteurs diesel (certains le vivent encore aujourd'hui quand le moteur diesel est - presque - exclusivement utilisé en ville, ce qui semble être votre cas). Autrement dit, les soucis que vous rencontrez aujourd'hui avec votre FàP diesel ne devraient pas se reproduire avec un FàP essence.

J'ai pu lire que quelques utilisateurs avaient pu faire face à des alertes au niveau du FàP essence. Il me semble que cela touche un nombre vraiment très limité de conducteurs et que cela n'a pas abouti à d'autres conséquences autre qu'une alerte au tableau de bord demandant d'aller "décrasser" le filtre en effectuant un parcours autoroutier ou assimilé.
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 !

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Commentaires
Guillaume Darding à propos de l'article «Normes Euro 6 : vue d'ensemble»

Hier

Bonjour Chevallier, votre commentaire à propos de l'efficacité des systèmes SCR repose sur des données qui sont obsolètes car elles reposent sur les normes Euro 6b. Les SCR ont largement évolué depuis : plus proches du moteur et injecteurs plus performants en particulier. D'autre part, je rappelle que les SCR existent depuis de nombreuses années sur les poids lourds, donc les constructeurs n'ont pas attendus de les implanter dans les lignes d'échappement des automobiles pour découvrir subitement des problèmes de températures, "niant" tous les problèmes comme vous l'affirmez ! Concernant Amminex, si la technologie est prometteuse, elle est identique, dans son concept à de l'Adblue !!! Le SCR consiste à faire réagir du NH3 avec le NOx. La différence dans le cas d'Amminex (ou Faurecia ASDS, c'est selon), c'est que le NH3 est stocké directement à l'état gazeux tandis que dans le cas de l'Adblue, il faut convertir le liquide en gaz puis l'urée en NH3. Soit, mais le NH3 gazeux, il faut le stocker, ne pas le relâcher dans la nature (c'est un gaz toxique) et contrôler le débit dans les gaz d'échappement. Donc, la solution Amminex a aussi ses défauts, mais surtout, comment concevez-vous le changement de cartouche une fois celle-ci vide ? D'ailleurs, il faut un minimum de 2 cartouches (le temps de pouvoir changer la cartouche vide, la réduction des NOx doit impérativement être opérationnelle - donc question encombrement, c'est franchement discutable) et il y a un grand risque d'avoir un nombre incalculable de références de cartouche. Et qui va les changer ? Pensez-vous que tous les constructeurs vont s'entendre sur une seule référence de cartouche ? La manipulation de cartouche NH3 ne peut pas être faite pas n'importe qui (notamment, il est impensable de se retrouver avec des cartouches dans la nature). La technologie Amminex a fait ses preuves sur des flottes de bus, mais vous la survendez allègrement. En l'état, elle ne peut pas être déployée sur des véhicules particuliers : en raison de ses contraintes, probablement de son coût, mais surtout, les systèmes SCR avec AdBlue sont largement compétitifs en terme d'efficacité.

Guillaume Darding à propos de l'article «Présentation moteur : Mazda Skyactiv-X»

Hier

Bonjour David, le Skyactiv-X est effectivement équipé d'un système EGR et d'un filtre à particules (voir le paragraphe au sujet de l'échappement). Concernant la fréquence plus élevée du changement des bougies pour le Skyactiv-X, elle est surtout due à la présence de l'EGR refroidi par eau (même phénomène pour le Skyactiv-G 2.5 turbo, non commercialisé en Europe) et non au mode de combustion du moteur.

Chevallier à propos de l'article «Normes Euro 6 : vue d'ensemble»

Hier

Normes Euros 6, entre la poire et le fromage. ….s’agissant des moteurs diesel, dont la critique des systèmes Adblue (injection d’urée dans un catalyseur de réduction des Nox SCR) reste à faire. Les constructeurs automobiles ont mis une chape de plomb sur le manque patent d’efficience et de fiabilité des systèmes d’injection d’Adblue (solution aqueuse (32,5% d’Urée + 67, 5% d’eau distillée) qu’ils ont développés …de l’aveu même des sous-traitants comme Faurecia que le fabrique pour PSA, ne parvenant qu’à réduire seulement 32% des Nox d’un moteur diesel, violant délibérément la norme Euro 6b. Des réservoirs d’Adblue, curieusement sans évent d’arrivée air atmosphérique, ceux de 2015 de 1ère génération, des constructeurs ayant oublié leurs classiques (ce vase d’Eme Mariotte, des années 1660, qui l’avait…) avec des pompes immergées très vite défaillantes, des causes de surcharges, mal identifiées, conduisant aussi à des injecteurs obturés par une Urée assez corrosive, au même titre que la soude caustique, corrodant les aiguilles… Des définitions de composants mal calibrées eu égard à l’endurance qu’en attendaient les automobilistes diésélistes, un plancher de 160 000 Km, sans ennui… Des constructeurs qui ont sous-estimé la stabilité dans le temps de cet Adblue, niant sa décomposition avec la température entre 30-41°C, niant l’évaporation de l’eau de la solution, liée à l’agitation du roulage, faisant croitre dans le temps la viscosité cinématique de cette solution (coagulation partielle des molécules d’Urée)… de même que la cristallisation de celles-ci sous température négative de -11°C, obligeant à installer un réchauffeur dans le réservoir. Des automobilistes abusés, dans la p’urée au regard de cette norme Euro-6b, en vigueur depuis septembre 2015, qui croyaient ne pas polluer l’environnement (Nox) brutalement contraints, sous OBD inquisiteur, aux remplacements forcés de leur Kit Adblue défaillant, souvent à leurs frais, remplacés par de flambants Kits réservoirs-pompes, qui, sans améliorer le petit 32% d’efficience de dépollution, sont en évolution masquée par des constructeurs voulant en améliorer l’endurance, sans se mouiller, sans en informer les propriétaires des véhicules, y ayant fait intégrer, à la hussarde, un mécanisme d’auto-nettoyage qui se manifeste par une nette émission de décibels durant 5 à 6 secondes, à chaque mise à l’arrêt du véhicule... des automobilistes cobayes, alimentant les comptes d’exploitation des Faurecia-Plastic-Omnium & consorts. …Quantité de ceux-là, échaudés, qui, s’ils avaient eu vent de cette galère, auraient reporté leurs achats sur des véhicules à essence, dès 2015. Un Diesegate à l’intérieur de l’autre… que l’on ne veut pas voir ? D’autant plus que cette technologie de l’Adblue est clairement dans l’obsolescence, depuis la prise de contrôle de la startup danoise, Amminex, à 91,5 % par l’équipementier Faurecia au mois de décembre 2016, 5 années déjà... Une startup qui a développé, dans les années 2012, une solution innovante, économique et très performante, venant à bout des 99 % d’émissions d’oxyde d’azote d’un moteur diesel, un procédé de stockage de l’ammoniac sous forme solide, par l’utilisation de sels métalliques de chlorure de Strontium, agissant comme une éponge, stockant de grande quantité d’ammoniac, sous un très faible volume, aisément utilisable à travers un classique catalyseur SCR, pour réduire ces Nox en Azote gazeux et en vapeur d’eau, des gaz inoffensifs pour l’environnement. Un système ASDS (Ammonia Storage and Delivery System), dont on attend fébrilement les Kits de remplacement pour les installer sans difficulté, en lieux et place, puisque beaucoup moins encombrant que leurs aïeux "Kits Adblue" défaillants et obsolètes, l’atmosphère des villes n’en pouvant plus d’attendre… On peut se poser la question si ces 5 années n’ont pas plutôt, chez Faurecia, servi à développer cette catalyse, sans poison, de l’Ammoniac ou l’Hydrazine pour en tirer l’Hydrogène nécessaire à la pile à combustible des futurs véhicules de tourisme, électrifiés... ? Un moyen danois pour d’abord permettre à ces automobilistes, d’amortir l’investissement de leur véhicule diesel sur plus longue période de roulage, sans interdiction d’utilisation… Donner du temps au temps pour qu’ils puissent économiquement passer à l’électrique ensuite…

© Guillaume Darding

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