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Fonctionnement des systèmes de dépollution des moteurs thermiques à combustion interne

Catalyseur d’oxydation, filtre à particules, SCR : cette note détaille les principes physiques et chimiques des trois grandes familles de systèmes de post-traitement des gaz d’échappement des moteurs diesel.

Les émissions de gaz polluants
1. Catalyseur d'oxydation
2. Filtres à particules
3. SCR

Les émissions de gaz polluants

Les différentes réglementations applicables aux émissions des moteurs à combustion interne imposent des limites pour les gaz polluants, variables selon le contexte de fonctionnement du moteur et le type de carburant utilisé (Diesel, gaz, hydrogène…).
Ces systèmes de dépollution nécessitent des températures élevées pour fonctionner correctement et doivent en conséquence être placés au plus près de la sortie du moteur.

Pour les moteurs Diesel, les limitations s’appliquent aux polluants suivants :

Monoxyde de carbone (CO)
Hydrocarbures imbrûlés (HC)
Oxydes d’azote (NOx : NO, NO₂, N₂O)
Particules fines en masse (PM) et en nombre (PN)

Les solutions pour limiter les émissions de gaz polluants

Catalyseur d’oxydation : Positionné en tête de ligne au plus près du moteur. Traite HC, CO et COV par oxydation catalytique.
Filtre à particules (FAP/DPF) : Réduit significativement les émissions de particules fines PM et PN par filtration à travers des parois poreuses.
SCR : Technique la plus efficace pour réduire les NOx. Injection d’AdBlue en amont du catalyseur SCR.

NR2023-001 rev0.00 - Principe de fonctionnement des systèmes de dépollution des moteurs thermiques à combustion interne[29]

Système de dépollution en ligne d’échappement d’un moteur Diesel

1. Le catalyseur d’oxydation

Les polluants de type HC, CO et autres COV sont oxydés à très haute température en H₂O et CO₂ : c’est l’oxydation thermique. Pour que ces réactions s’opèrent à des températures plus faibles, un catalyseur est utilisé pour réaliser une oxydation catalytique.

Sa fonction principale est de traiter les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO), mais aussi les composés organiques volatils (COV), les aldéhydes, et autres polluants nocifs de l’air. C’est un système passif qui ne demande pas d’injection d’additif ou de régénérations régulières pour fonctionner.

Réactions principales d’un catalyseur d’oxydation

Oxydation des hydrocarbures : HC + O₂ → H₂O + CO₂
Oxydation du monoxyde de carbone : CO + O₂ → CO₂

Le substrat du catalyseur est constitué de multiples petits canaux maximisant la surface de réaction. Il est imprégné de métaux précieux (platine, palladium) pour que les réactions s’opèrent aux températures normales des gaz d’échappement. Le volume du catalyseur est directement lié au débit des gaz et à leur température.

Note : les moteurs à essence utilisent des catalyseurs dits « 3 voies », réalisant 3 réactions chimiques — deux d’oxydation (HC et CO) et une de réduction (NOx). Ce système est composé d’un catalyseur de réduction et d’un catalyseur d’oxydation.

Réactions principales d’un catalyseur d’oxydation

2. Le traitement des particules des moteurs Diesel

Les particules de suie émises par les moteurs diesel peuvent être réduites à différents niveaux d’efficacité en fonction du système de post-traitement choisi.

Le filtre à particules (FAP / DPF)

Le FAP (Filtre À Particules) ou DPF (Diesel Particulate Filter) réduit significativement les émissions de particules des moteurs diesel. Il est constitué de multiples canaux bouchés alternativement de part et d’autre du filtre, ce qui oblige les gaz d’échappement à traverser les parois poreuses où les particules s’accumulent.

La régénération du filtre s’effectue en consumant les particules accumulées qui se transforment en produits gazeux. La maîtrise des pertes de charge induites par l’accumulation des particules est un élément important de la conception d’un FAP.

Régénération active
La température des gaz doit être augmentée en agissant sur les paramètres d’injection du moteur (série de post-injections, augmentation de la charge) pour atteindre la température requise au processus de régénération.

Régénération passive
La charge du moteur et l’imprégnation du filtre par des matériaux spéciaux permettent d’atteindre une température suffisante en continu. Attention au risque d’obturation des FAP des moteurs de secours fonctionnant périodiquement à charge nulle.

Réactions lors de la régénération : les particules de carbone s’oxydent pour former du CO₂ et possiblement du CO (indésirable). Elles réagissent aussi avec le NO₂ pour former du NO.

Efficacité de réduction des particules

Principe de filtration d’une cellule de FAP

Le filtre ouvert (POC — Particle Oxidation Catalyst)

Le POC est un système de « filtre ouvert », contrairement au FAP qui est un « filtre fermé ». Il capture et stocke les particules un temps suffisant pour qu’une oxydation catalytique puisse les convertir.

Un POC saturé assurera toujours la circulation des gaz d’échappement mais perdra en capacité de conversion. Contrairement au FAP, il n’y a pas de risque de blocage du système de dépollution. Son substrat est typiquement métallique, constitué de feuilles plates et ondulées enroulées autour d’elles-mêmes.

L’oxydation des particules est réalisée grâce au NO₂ généré par le catalyseur d’oxydation (DOC) placé en amont, qui entre en réaction avec les particules de suie pour les transformer en produits gazeux.

Substrat métallique constitutif d’un POC

3. SCR — Selective Catalytic Reduction

La dépollution des oxydes d’azote (NOx)

Deux technologies sont principalement utilisées pour réduire la production des NOx : l’EGR (Exhaust Gas Recycling) et le SCR (Selective Catalytic Reduction).

L’EGR recycle une partie des gaz d’échappement à l’admission, réduisant l’apport en oxygène et limitant la production de NOx. Il peut être réalisé par croisement de soupapes (EGR interne) ou par un circuit externe reliant l’échappement à l’admission via une vanne EGR (EGR externe). Bien qu’effectives, ces technologies présentent une efficacité insuffisante pour atteindre les taux de réduction de NOx demandés aujourd’hui.

Le SCR permet en complément de l’EGR une réduction significative des taux de NOx et est à ce jour la technique la plus efficace. Une solution liquide d’urée (AdBlue) est injectée dans la conduite d’échappement en amont du SCR — elle se décompose en ammoniaque sous l’effet de la chaleur et entre en réaction chimique pour transformer les NOx en azote (N₂), en vapeur d’eau (H₂O) et en gaz carbonique (CO₂).

EGR interne

EGR externe

Système SCR

La réduction catalytique sélective

Le convertisseur catalytique SCR est de type monolithique, formé en structure de nid d’abeilles. La réaction catalytique se produit sur les zones actives de conversion déposées en couche fine solide sur le substrat. L’AdBlue comprend 67,5 % d’eau et 32,5 % d’urée.

Les 4 réactions de réduction des NOx dans un SCR à injection d’urée

CO(NH₂)₂ → NH₃ + HNCO·Thermolyse de l’urée
HNCO + H₂O → NH₃ + CO₂·Hydrolyse du HNCO
4NH₃ + 4NO + O₂ → 6H₂O·Réaction SCR standard
2NH₃ + NO + NO₂ → 2N₂ + 3H₂O·Réaction SCR rapide
Point de vigilance : un problème courant est l’oligomérisation et la polymérisation de l’HNCO en un dérivé solide de l’urée qui se décompose lentement même à haute température. Les conséquences sont une dispersion hétérogène de l’ammoniaque et une obturation potentielle du catalyseur. Le système d’injection doit assurer une bonne homogénéité de la dispersion de NH₃ sur la surface du catalyseur.