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.
A la sortie des gaz d’échappement, la réglementation européenne (actuellement Euro 6d temp) impose des limites d'émissions pour les gaz polluants suivants:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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
Je vous remercie pour ces explications.
Bien Cordialement.
Jean-Christophe