Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Système d'échappement

Organe d'un véhicule doté d'un moteur à combustion interne, le pot d'échappement sert à évacuer les gaz de combustion du moteur vers l'extérieur du véhicule. Il est constitué d'un ensemble de tubes collectant les gaz d'échappement en sortie des cylindres (collecteur d'échappement), prolongé par un dispositif d'évacuation ayant plusieurs fonctions ; il canalise les gaz chauds, atténue le bruit de l'échappement et peut comprendre un filtre ou un catalyseur réduisant les émissions de certains polluants. Un même moteur peut disposer de plusieurs pots d'échappement.

Sortie de pot d'échappement.

Fonction

Le pot d'échappement sert d'abord à évacuer les gaz de combustion hors de la zone où se trouve le moteur. Ces gaz brûlés sont susceptibles de provoquer dysfonctionnement du moteur et représentent un danger pour les opérateurs à proximité. C'est pourquoi les lignes d'échappement débouchent souvent à l'arrière des véhicules, ou sont situées en hauteur sur les motorisations fixes.

Il sert aussi à réduire le bruit et la pollution, il est composé :

• d'un système permettant de réduire le bruit, le silencieux ;
• d'un système permettant de réduire les émissions polluantes par catalyse et ou par filtration.

Le pot d'échappement participe au fonctionnement du moteur :

• trop libre, le moteur augmente sa puissance (le cylindre se vide mieux après chaque combustion), mais chauffe davantage et consomme plus ;
• trop étouffé, le moteur manque de puissance ;
• sur les moteurs à deux temps, le pot de détente permet d'améliorer aussi bien l'extraction des gaz d'échappement que la compression.

Réglementation

Depuis la fin des années 1990, un nombre croissant de pays ont rendu obligatoire le pot catalytique pour les véhicules neufs. Leur performance est indiscutable pour certains polluants, moindre ou nulle pour d'autres. Ils sont parfois équipés d'un filtre à particules.

Nombre de pots d'échappement

D'une manière générale, on a plutôt intérêt à regrouper les échappements de plusieurs cylindres à un collecteur d'échappement pour un bruit plus « lisse » et un meilleur rendement du moteur, le temps d'échappement ne représente qu'environ 1/4 du temps total pour un cylindre et pour que les bouffées de gaz d'échappement s'intercalent d'une manière harmonieuse lorsqu'on relie plusieurs échappements (il faut tenir compte du coût, du poids, de l'encombrement).

Malgré les avantages des échappements reliés, les services de marketing ont souvent imposé des échappements multiples lorsqu'ils sont visibles, dans le cas de technologie multisoupape, un moteur peut avoir plusieurs échappements par cylindre. C'était très répandu entre les deux guerres. La plupart du temps, la justification était uniquement esthétique. Le dessin des système d'échappement témoigne d'une imagination sans limite de la part des concepteurs.

Les modèles à turbocompresseur ont généralement tous leurs échappements regroupés afin de n'avoir à utiliser qu'un seul turbo. Les modèles haut de gamme à grand nombre de cylindres peuvent avoir plusieurs échappements indépendants avec autant de turbocompresseurs. Sur les moteurs à deux temps, le pot d'échappement fait partie intégrante du fonctionnement du cylindre, ce qui impose des échappements entièrement séparés.

Pot d'échappement et environnement

Paradoxalement, les pots d'échappement qui réduisent le bruit et certains polluants, dans le cas des pots catalytiques, peuvent aussi perdre une partie des éléments catalytiques qu'ils contiennent ; ce sont des métaux lourds du groupe du platine, susceptibles de développer à long terme des impacts environnementaux.

Pot catalytique

Le pot catalytique ou catalyseur est un élément de l'ensemble du pot d'échappement des moteurs à combustion interne qui vise à réduire la nocivité des gaz d'échappement.

Constitution

Vue « en écorché » d'un pot catalytique à enveloppe en acier inoxydable. Les enveloppes peuvent contenir des accès pour des sondse de température ou de mesure du taux d'oxygène. L'intérieur est une structure de type « nid d'abeille », en céramique, recouverte de fines particules de métaux catalyseurs.

Vue de la structure interne d'un pot catalytique.

Il est constitué d'une chambre d'acier inoxydable dans laquelle sont conduits les gaz d'échappement, lesquels traversent les conduits d'une structure en nid d'abeille généralement faite en céramique. L'intérieur des conduits est recouvert d'une fine couche de cristaux combinant des « métaux précieux ». La structure interne du pot est conçue pour offrir une grande surface de contact entre les éléments catalyseurs et les gaz d'échappement. Au milieu des années 1990, un pot catalytique contenait de 3 à 7 grammes de platine et de 0,5 à 1,5 gramme de rhodium.

Fonctionnement

Les éléments catalyseurs déclenchent ou accentuent les réactions chimiques qui tendent à transformer les constituants les plus toxiques des gaz d'échappement (monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrûlés, oxydes d'azote), en éléments moins toxiques (eau et CO₂).

Catalyseur à deux voies (moteur Diesel)

Les catalyseurs d’automobiles vendus dans les années 1990-2000 visent à convertir le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC) en dioxyde de carbone (CO2) et en eau (H2O), tout en réduisant la masse de particules du carburant Diesel. Ils n’éliminent pas les oxydes d'azote et ne diminuent la quantité de particules émises.

Améliorations et tendances (selon l’AECC)

• Des catalyseurs récents « à amorçage rapide » améliorent leur fonctionnement à température d'échappement moindre et donc sur les déplacements courts (de plus en plus fréquents).
• Les catalyseurs sont mieux fixés sur leur substrat et plus résistants aux dilatations propres aux hautes températures et aux vibrations. Ils permettent un montage plus près du moteur, allongeant la durée de vie utile des catalyseurs
• La composition en métaux précieux actifs a été améliorée grâce :
  1. à une dispersion stable des cristallites de métaux catalytiques (métaux précieux)
  2. à une couche d'imprégnation permettant une large surface vers 1 000 °C.
• Des composants améliorés (stockage d'oxygène stabilisant la surface imprégnée) optimisent la « fenêtre » air/carburant du dispositif trois voies. Un système rétro-informe le pilote informatique sur l'état du catalyseur (Système d'auto-diagnostic OBD).

• Les substrats progressent également ;
  • En 1974, les substrats céramiques présentaient une densité de 200 cellules par pouce carré (cpsi) de section transversale (31 cellules/cm²) pour une épaisseur de paroi de 0,012 pouce ou 12 millièmes de pouce (0,305 mm).
  • À la fin des années 1970 les substrats dérivés des feuilles ultra-fines d'acier inoxydable, n'excédaient pas 0,05 mm d'épaisseur pour atteindre une densité élevée des cellules. En 2009, des structures internes complexes utilisent des substrats de 800 et 1000 cpsi, pour des parois affinées (jusqu' à 0,025 mm).
  • Au début des années 1980, la densité en cellules doublait (400 cpsi), pour une épaisseur de parois diminuée de 50 % (jusqu'à 6 millièmes de pouce). Des substrats de 400, 600 et 900 cpsi ont suivi, avec des parois réduites presque à 0,05 mm (2 millièmes de pouce d'épaisseur), mais dont la tenue dans le temps devra être confirmée par l'usage.

Pour atteindre les normes, certains constructeurs renvoient des gaz d'échappement refroidis dans le moteur ou mieux, du point de vue de l'efficacité, injectent 32,5 % d´urée et d'eau chimiquement pures (ce qui demande des réservoirs supplémentaires).

Garanties et recommandations actuelles : une durée de vie de 150 000 km est garantie par les constructeurs dans les conditions suivantes : éviter les démarrages en poussant qui engendrent une expulsion du carburant non brûlé dans l'échappement et une destruction du pot ; vérifier l'allumage régulièrement (Bougie d'allumage, faisceaux de fils électriques), les ratés d'allumage engendrant le même phénomène ; éviter les routes pavées ou dégradées, ne pas monter les trottoirs ou passer les dos d'âne trop rapidement pour éviter d'endommager ou cogner le pot catalytique ; pratiquer les entretiens et vidanges recommandés par le constructeur.

Prospective : Les constructeurs doivent encore améliorer plusieurs points :

• catalyse plus complète au moment du démarrage à froid (où le véhicule pollue le plus) par un meilleur traitement des rejets azotés (ces composés contribuent à l'acidification des pluies, à l'eutrophisation de l'environnement ou contribuent à l'effet de serre.
• recherche de catalyseurs moins coûteux, moins rares ou plus performants.
• limitation ou suppression des pertes de nanoparticules ou microparticules toxiques dans l'environnement.
• meilleure recyclabilité des composants.

Impacts environnementaux, positifs et négatifs

Face au nombre croissant des véhicules motorisés et pour limiter la pollution de l'air, depuis la fin des années 1990, de nombreux pays ont rendu le catalyseur obligatoire pour les moteurs. Cependant les véhicules sont toujours plus nombreux, ils parcourent des distances croissantes et certains polluants ne sont pas traités par les catalyseurs. Enfin, il semble que certains pots catalytiques vieillissent mal et perdent une partie de leur contenu dans l'environnement. Outre que ces métaux sont précieux, ils peuvent polluer.

Impacts positifs : les pots catalysés ont permis de diminuer les émissions de 3 polluants : monoxyde de carbone (CO, toxique), oxydes d'azote (précurseurs de l'ozone), hydrocarbures imbrûlés (polluants et parfois mutagènes et cancérogènes), et indirectement du plomb.

Limites du système : la catalyse ne résout pas tous les problèmes de pollution des gaz d'échappement et elle en crée de nouveaux.

1. Le catalyseur n'est efficace qu'au-dessus d'environ 400 °C, température qui n'est généralement atteinte qu'après 10 à 15 kilomètres de conduite. Or, c'est au démarrage que les émissions de gaz toxiques sont les plus fortes.
2. Des polluants importants ne sont pas traités : la température de fonctionnement du catalyseur à trois voies provoque une réaction parasite qui crée du N₂O, un puissant gaz à effet de serre, et il ne traite évidemment pas le CO₂, résidu naturel de la combustion. Ce sont donc deux gaz à effet de serre qui sont produits et/ou non traités.
3. Les pots catalytiques pour automobiles sont apparus vers 1975 aux États-Unis et à la fin des années 1980 en Europe de l’Ouest. Ils émettent des quantités croissantes de platine, de rhodium et de palladium.
4. Pollution locale et globale :contrairement aux principaux gaz d'échappement, les métaux lourds ne sont ni biodégradables ni dégradables. Ils ne peuvent qu'être stockés éventuellement provisoirement dans les sols, sédiments ou végétaux. Ce phénomène est récent et peu étudié : on ignore encore s'ils peuvent être fortement bioaccumulés dans les chaînes alimentaires.
5. L'osmium des catalyseurs passe effectivement en phase vapeur aux températures de fonctionnement des pots d'échappement : une expérience a consisté à chauffer l'élément catalytique d'un pot d'échappement dans un four durant 330 h (délai correspondant à environ un an d'utilisation à raison d'une heure/jour, à 400 ° C, soit la température la plus basse pour que le catalyseur fonctionne). À cette température, 75 % à 95 % de l'osmium quitte le substrat catalytique pour passer dans l'air sous forme gazeuse (OsO₄). Or la température dans un pot catalytique dépasse souvent 500 °C et peut atteindre 1 100 °C. L'auteur suppose donc qu'en usage normal, près de 100 % de l'osmium présent dans le catalyseur pourrait être perdu dans l'air.

Risques pour la santé?

Sans nier les avantages des pots catalytiques, on manque de données toxicologiques et écotoxicologiques sur les effets des métaux perdus dans l'environnement, et notamment sur les conséquences sanitaires et écologiques des dérivés (oxydes en particulier) et métabolites de ces métaux. Les métaux du groupe du platine, lorsqu'ils sont présents dans les particules en suspension, ne sont en effet pas chimiquement neutres (c'est pourquoi ils font de bons catalyseurs), et notamment à l'état de particules ultrafines (moins de 1 µm) ou de nanoparticules lorsque leur effet catalytique est dopé par une surface de contact très augmentée à poids égal de matière.

Par ailleurs, un quart des particules composées de métaux du groupe du platine sont émises avec une taille si fine qu’elles sont susceptibles d’avoir un comportement de particules en suspension plutôt que de rapidement retomber au sol. Or ce sont des métaux à fort pouvoir catalytique qui pourraient contribuer à la pollution photochimique et dont les impacts sur les organismes vivants après inhalation ou bio-intégration par des plantes. Le fait que les pots catalytiques perdent de l'osmium sous forme de vapeur (forme oxydée la plus toxique de l'osmium) est également préoccupant). Le kérogène est une source naturellement riche en osmium radiogène, peut laisser penser que l'osmium peut être bioaccumulé mais son cycle « naturel » est encore mal étudié.

Conclusion provisoire ; alternative et perspectives

La pollution automobile diffuse très rapidement à l'ensemble de la planète, des alternatives sont étudiées, par exemple pour le Diesel ; le japonais Daihatsu Diesel et l'université d'Osaka testent en 2007 un traitement de gaz d'échappement, sans catalyseur, détruisant 80 à 90 % des oxydes d'azote et des particules par un plasma, qui produit du CO, transformé en CO2 éliminé par une solution de sulfite, pour un coût annoncé très inférieur aux solutions catalytique.

Pour les NOx, une alternative écologique (mais aussi couteuse), déjà commercialisée aux États-Unis, est d'utiliser un stock d'urée (composant peu coûteux, pouvant facilement être produit à partir de l'urine), qui injecté dans le pot se décompose en ammoniac qui réagit avec les NOx en formant de l'azote et de la vapeur d'eau, mais l'urée a tendance à geler par temps froid et le réservoir d'urée doit être fréquemment rempli.

Remarques sur la connaissance

Les scientifiques indépendants et les autorités locales peinent à travailler sur l'impact des carburants dont les formules varient selon les provenances et producteurs, mais aussi selon la saison, les fabricants, la durée de stockage. Elles sont de plus, de même que les quantités consommées localement, considérées comme des informations confidentielles par les fabricants.

Des questions se posent aussi concernant les installations catalytiques équipant des installations industrielles, incinérateurs, etc, surtout lorsqu'elles sont placées en aval d’un filtre ou non suivies de très bons filtres capables de récupérer les métaux catalytiques arrachés de la surface interne de l’équipement.

Les pots catalytiques ne sont pas obligatoires pour les voitures à essence mises en circulation avant le 1^er janvier 1994, celui-ci peut donc être remplacé par un simple tube ou autre, ceci ne modifie pas la validation du contrôle technique pour les voitures à essence mises en circulation avant le 1^er janvier 1994 si le moteur est correctement réglé.

Silencieux

Sur un véhicule à moteur, le silencieux est un dispositif destiné à limiter le bruit produit par les gaz d'échappement (détente des gaz et amortissement des ondes sonores) des moteurs thermiques.

Description

Un silencieux est généralement constitué d'une enceinte située entre un tuyau d'entrée et un tuyau de sortie. Des chicanes servent à ralentir et homogénéiser le flux des gaz d'échappement, donc à en atténuer le bruit. Pour diminuer les basses fréquences on utilise soit deux silencieux et la portion de tube qui les sépare, soit un ensemble de volumes à l'intérieur même du silencieux, reliés entre eux par des conduites à trous ou à fentes.

Pour diminuer les hautes fréquences, on a recours au passage des gaz à travers un piège à son composé de tubes perforés et placés dans des chambres contenant un isolant acoustique comme la laine de verre, de basalte ou d'acier.

Le système d'échappement des gaz commence au moteur. Les collecteurs d’échappement sont vissés aux culasses, où ils recueillent les gaz brûlés. Dirigés vers le système d’échappement, ces gaz sont d’abord analysés par les détecteurs d’oxygène, puis débarrassés de certains composants polluants par le convertisseur catalytique et, finalement, assourdis par le silencieux.

Filtres à particules

L'apparition des filtres à particules, en complément du pot catalytique, devrait contribuer à diminuer la pollution particulaire des moteurs Diesel. Ils doivent être périodiquement régénérés par brûlage des suies, souvent avec l'aide de catalyseurs intégrés dans le filtre.

Un filtre à particules est un système de filtration utilisé pour retenir les fines particules, cancérogènes pour l'homme, contenues dans les gaz de combustion, particulièrement ceux des moteurs diesel. Ces particules de suie sont essentiellement composées de carbone et leur taille est typiquement comprise entre 10 nm et un micromètre.

Filtres à particules sur moteurs Diesel

L'utilisation du filtre à particules sera probablement généralisée à l'horizon 2009 avec l'entrée en vigueur de la norme d'émission Euro 5. Les particules les plus fines (nanoparticules) sont cependant mal retenues par les filtres existants.

Géométrie

Sur les véhicules légers à moteurs Diesel, les filtres à particules sont constitués d'un nid d'abeille extrudé en céramique frittée. Les canaux du nid d’abeille sont bouchés alternativement en entrée et en sortie du filtre afin de forcer le passage des gaz à travers les parois poreuses pour collecter les particules. Différentes formes géométriques des canaux sont possibles, couramment de section carrée, mais des canaux de section triangulaire peuvent également être envisagés.

À l'origine, ces filtres étaient réalisés en cordiérite. Les contraintes spécifiques associées au fonctionnement embarqué sur les véhicules a conduit les différents fabricants de filtres à remplacer la cordiérite par une autre céramique. Le carbure de silicium dispose notamment d’une conductivité thermique plus élevée qui permet de mieux dissiper la chaleur dégagée par la combustion des suies ; cela permet d’obtenir une bien meilleure résistance à la fonte et à la fissuration.

Fonctionnement

Phase 1 - Filtration

La capture des particules dans le filtre est obtenue par filtration. L'accumulation des particules conduit à la formation d'une couche de suie sur les parois qui, dans un premier temps, améliore l'efficacité de la filtration (95 à 99 % en masse des particules peuvent être collectées dans le filtre). Cependant, cette couche poreuse augmente fortement la perte de charge imposée dans le pot d'échappement. Ceci tend à nuire au bon fonctionnement du moteur en entraînant notamment une perte de puissance et de rendement. Un nettoyage (ou régénération) du dispositif devient alors indispensable après quelques centaines de kilomètres.

Phase 2 - Régénération

Plusieurs méthodes de régénération ont été envisagées, la plus classique est basée sur la combustion des suies par une élévation de la température des gaz d'échappement à l'entrée du filtre. Cette opération nécessite la présence d'une catalyse. Les moteurs Diesel récents permettent de contrôler finement la quantité de carburant injectée ainsi que le moment de l'injection : pré-injection, injection principale et post-injection. C'est la post-injection qui aide à la régénération du filtre en envoyant une grande quantité de gazole imbrûlé dans le catalyseur où il va s'enflammer, afin d'élever de façon significative la température des gaz d'échappement pour activer l'oxydation des suies piégées dans le filtre.

Certains modèles de filtres nécessitent l'ajout d'un composé catalyseur dans le carburant afin d'abaisser la température de combustion des suies contenues dans le filtre pour faciliter la régénération de ce dernier. Avec l'introduction de matériaux précieux déposés directement dans le « pain » du filtre. La température de combustion des suies non additivées étant plus élevée, la régénération du filtre est plus difficile, surtout lorsque le véhicule ne circule qu'en ville.

Limitations

L'efficacité des filtres à particules diminue avec la taille de celles-ci. Même si seulement 1 à 5 % (en masse) des particules échappent aux filtres, leur nombre est très important étant donné que leur taille varie de 0,1 à 1 micromètre. Le problème est que ce sont justement ces particules de moins d'un micromètre qui sont les plus nocives.

Rejets

D'après les chiffres de certains constructeurs, en fonctionnement normal, la masse totale des particules rejetées par un moteur Diesel après filtration ne dépasse pas 4 mg par km. Mais cela peut représenter des milliards de particules, tout dépend de leur masse individuelle, et les plus fines sont celles qui pénètrent le plus les poumons. Partant du fait que la masse volumique des particules est de 100 kg/m³, en supposant que le diamètre moyen des particules qui traversent le filtre est de 0,5 micromètre et qu'elles sont sphériques, leur volume est de $\textstyle {\frac {4\pi (0,25\cdot 10^{-6})^{3}}{3}}=\mathrm {} \scriptstyle 6,545\cdot 10^{-20}\mathrm {m^{3}}$, ce qui donne une masse de 6,545×10^-18 kg par particule.

En divisant la masse des particules échappant au filtre par la masse d'une particule d'un demi micromètre, on obtient 6×10¹¹, soit plus de 600 milliards de particules par km. Les filtres à particules sont donc loin d'être efficaces à 100 % en nombre de particules filtrées, notamment pour les particules les plus fines comme les benzopyrènes. Ils sont pourtant présentés comme la solution au problème du rejet de particules, en partie à cause de la méthode de mesure des normes Euro basée sur la masse.

Remarques

• L'évolution des matériaux utilisés, l'optimisation de la géométrie du dispositif et les progrès apportés au fonctionnement des moteurs a permis d'améliorer fortement la durée de vie des filtres à particules.
• La difficulté de mise au point de l'intégration de ce système au moteur est avant tout la préservation d'un comportement neutre du moteur pour le conducteur, car dégrader le fonctionnement ne se fait pas sans désagréments.
• Le filtre à particules produit, par l'oxydation des particules Diesel, des gaz à effet de serre supplémentaires, contribuant ainsi au réchauffement climatique. Son impact à long terme est ainsi loin d'être négligeable et la question de son intérêt réel doit donc être soulevée (ceci sans compter les dépenses énergétiques nécessaires à sa production). Une alternative est la récupération des particules carbonées.