Dossier: systèmes de dépollution des moteurs essence

Dossier: systèmes de dépollution des moteurs essence

Publié le 30 novembre 2017
Par Guillaume Darding

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

Commentaires sur l'article:

Christian

04 février 2018 à 18h14

Bonjour Guillaume
A propos des nouvelles normes, Renault vient de sortir un nouveau moteur tce 1,3 pour le moment monté uniquement sur le Scenic et il semblerait qu'il ne soit pas à la norme euro 6d temp, qu'il n'aurait pas de filtre à particule si c'est le cas on comprendrait mal la stratégie de Renault qui d'ailleurs communique trés peu sur ce sujet;
Merci pour le temps que tu passes, les sujets que tu traites sont trés intéressants
Bravo
Guillaume Darding [administrateur]

05 février 2018 à 23h20

Bonjour Christian, je n'ai malheureusement pas plus d'information quant à la présence ou non d'un filtre à particules sur le 1.3l TCe. Selon toute vraisemblance, il s'en passerait (les fiches techniques relatives à ce moteur indiquent que le moteur est conforme à la norme Euro 6 et non Euro 6d temp ou Euro 6c).
qca

08 février 2018 à 11h21

Bonjour,

En effet l'article est très intéressant, en plus il met en avant que les normes de dépollution essence sont à ce jour moins restrictives que celles des diesels.
Ce qui rend d'autant plus "drôle" le classement critair plus favorables aux derniers essences qu'aux diesels qui au final rejettent en réalité moins de particules et d'HC...

Par contre je pense qu'il serait intéressant de faire un article sur les technologies du GMP de la Prius 4, car certains choix sont plutôt intéressant (cycle atkinson, EGR refroidit, injection indirecte je crois, ...) et pas si communs.
Guillaume Darding [administrateur]

08 février 2018 à 22h10

Bonjour qca,

merci pour votre commentaire! Je vais étudier la pertinence de faire un article sur la motorisation de la Prius 4.
Raoul

05 mars 2018 à 17h52

Bonjour,
Super article, bravo et merci.
J'aimerais savoir à quels moments on va chercher à faire de l'egr sur un moteur essence à injection indirecte. Dans quels conditions se forment les NOx dans ces moteurs ?
Merci.
Guillaume Darding [administrateur]

06 mars 2018 à 12h55

Bonjour Raoul, merci pour vos encouragements!

dans le cas d'un moteur essence à injection indirecte, la formation de NOx est normalement limitée car le carburant est injecté dans des proportions légèrement supérieures aux conditions stoechiométriques et que le mélange air/essence est homogène lorsqu'il pénètre dans le cylindre.
De fait, l'EGR n'est pas vraiment utile pour ce type de moteur, le catalyseur 3 voies étant suffisamment efficace pour réduire le peu d'oxydes d'azote présents.

Dans le cas d'un moteur à injection directe, l'essence va avoir tendance à être concentrée aux alentours de la bougie, malgré les turbulences d'air internes, laissant des zones avec une quantité très faible d'essence (proche des parois par exemple), conditions propices à la formation de NOx.
Jacques

04 mai 2018 à 22h25

Bonjour, quelques questions: que savez vous de la composition des particules ultra fines essences? Et concernant la formation de protoxyde d'azote (N2O) dont les SCR semblent fortement augmenter la production sur les diesels, quid des essences ?
Merci d'avance
Guillaume Darding [administrateur]

04 mai 2018 à 23h19

Bonjour Jacques,

il est difficile de répondre à votre question concernant la composition des particules fines émises par les moteurs essence car elle est encore mal connue et, surtout, il a été mis en évidence que la composition de ces particules étaient très variable en fonction du fabricant / génération du moteur.

Concernant la formation du N2O, il n’y a pas lieu d’être pour le moment parlant d’un moteur essence, sachant que la formation de ces gaz est principalement dû aux réactions annexes dans le SCR (utilisé uniquement dans les systèmes d’échappement des moteurs diesel) en présence d’ammoniaque.

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Commentaires
Guillaume Darding à propos de l'article «Dossier: les différents types de boîtes de vitesses»

Il y a 5 jours

Bonjour Jean-Jacques, la boîte TCT proposée sur les Alfa Romeo est une boîte robotisée à double embrayage. L'apparition du message d'erreur me semble quand même prématurée, mais elle peut s'expliquer par le fait que vous restez longtemps en côte avec une faible accélération. Vraisemblablement, l'un ou l'autre embrayage n'est pas complètement fermé, ce qui crée du frottement et génère donc de la chaleur. Si, de plus, lors d'un démarrage à froid, la puissance de refroidissement de la boîte est réduite (le temps que la température d'huile monte et que l'huile devienne moins visqueuse, générant ainsi moins de frictions, au bénéfice de la consommation de carburant), on se retrouve dans une situation critique où la température de la boîte devient potentiellement trop élevée. Il n'y a pas de réglage possible (autrement que par une mise à jour du constructeur ou à prendre le risque de reprogrammer la boîte par un spécialiste) et je n'ai pas le sentiment qu'un changement de boîte solutionnerait ce problème (puisqu'il s'agit vraisemenblablement d'un problème de calibration du logiciel de la boîte). Vu votre kilométrage, j'imagine que votre Giuletta est toujours sous garantie. Le cas échéant, n'hésitez donc pas à faire vérifier votre véhicule par votre concessionnaire.

Jean-Jacques Payan à propos de l'article «Dossier: les différents types de boîtes de vitesses»

Il y a 5 jours

Bonjour, Votre document est très intéressant. Je profite de votre site pour vous poser une question pratique. Je possède une Giulietta 170 TCT (dont vous ne parlez pas beaucoup .. de la boite) qui en remontant de mon 3eme sous sol avec un accès difficile cause un message d'erreur : Température élevée de la boite . Existe t il un réglage possible , changement de la boite ou tt simplement un défaut de conception ????? j'ai 15000 kms ... Avec mes remerciements.

Guillaume Darding à propos de l'article «Normes Euro 6c: filtre à particules et casse-tête hybride»

Il y a 7 jours

Bonjour Gabrielle, la Golf GTE fait partie des modèles dont l'homologation Euro 6c / Euro 6d temp est retardée en raison des faibles volumes de vente (en 2017, sur un total de 480.000 Golf construites, seules 10.000 étaient des GTE). De fait, sans cette homologation, il n'est plus possible d'immatriculer un nouveau véhicule. En théorie, quelques véhicules pourraient être encore vendus avec l'ancienne homologation (à titre d'une fin de série), à condition que le constructeur en fasse la demande. En fait, Volkswagen avait même stoppé les commandes sur ce modèle (et d'autres modèles de la gamme) en début d'année afin d'éviter de se retrouver dans la situation à laquelle vous faites désormais face. Vous concernant, votre concessionnaire aurait dû immatriculer votre Golf GTE avant le 1er septembre pour éviter les tracas (à condition que le véhicule était déjà en sa possession avant cette date). Désormais, il n'y a pas d'autre choix que de patienter jusqu'à ce que le modèle soit homologué (et cela pourrait prendre encore plusieurs semaines) pour débloquer la situation. Il faut aussi espérer, sans vouloir être (trop) pessimiste, qu'il ne s'agisse que d'une nouvelle homogation sans changement technique car si des changements techniques devaient intervenir (ajout d'un filtre à particules / calibration moteur), la livraison de votre véhicule pourrait être encore allongée.

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