2. L'achèvement de la dépollution des émissions
Pour satisfaire les normes passées comme pour atteindre les normes futures, les constructeurs ont mis au point ou étudient trois systèmes principaux :
* la catalyse trois voies,
* le filtre à particules,
* les pièges à NOx ou la catalyse quatre voies.
Les traitements post-combustion des gaz d'échappement sont sans doute les plus connus du grand public qui y est directement confronté lors de l'achat ou de l'entretien de son véhicule, et sur lequel une longue pédagogie a été entreprise par les pouvoirs publics ou les constructeurs depuis les pots catalytiques.
• La catalyse trois voies
La catalyse trois voies est en place sur les voitures neuves depuis le début des années 1990. Elle consiste à faire passer les gaz d'échappement par un filtre dans lequel une réaction de catalyse se produit au contact de métaux précieux et transforme ainsi les polluants, une partie des NOx, le CO et les hydrocarbures imbrûlés (HC) en N 2 , H 2 O et CO 2 , selon le schéma ci-dessous :
Source : PSA
Le taux de conversion maximum est atteint si la richesse du mélange air-carburant est égale à 1. Elle demande donc un réglage optimum du moteur pour y parvenir et explique que dans certaines conditions de charge, la catalyse soit moins efficace.
Taux de
conversion
(%)
Richesse
1
Riche
Pauvre
Zone de fonctionnement
HC
CO
NOx
100
|
|
Des recherches sont en cours pour améliorer encore le fonctionnement des catalyseurs qui peuvent mettre quelques minutes pour atteindre la température à partir de la quelle ils commencent à être efficaces et émettre à froid une grande quantité de polluants.
A titre d'exemple, lors du Challenge Bibendum de Shanghaï en octobre 2004, Volvo a présenté une S 60, aujourd'hui commercialisée en Californie, émettant moins de 500 g de polluant tous les 24.000 km. Cette performance est atteinte par une gestion très fine des soupapes d'admission, pour optimiser le mélange air-carburant, de la combustion - débutant par les parois -, et réintroduisant les gaz d'échappement résiduels dans la chambre pour brûler les HC.
• La généralisation progressive des filtres à particules
Selon l'ADEME aujourd'hui seuls 5 % des véhicules diesel commercialisés en sont dotés.
Leur généralisation ne se fera pas sans difficulté, comme l'ont d'ores et déjà montré les problèmes de ressources en matières premières - céramiques notamment - et en capacités industrielles, quelques équipementiers seulement étant à même de fournir le marché.
Leur mise au point et leur généralisation au niveau européen est le résultat des recherches menées par les constructeurs les plus avancés en matière de diesel, et notamment par le groupe PSA Peugeot-Citroën qui propose un FAP extrêmement performant.
Le filtre à particules mis au point par ce constructeur succède au catalyseur trois voies. Il ne s'agit pas seulement d'un filtre supplémentaire mais d'une gestion de l'ensemble du groupe motopropulseur permettant d'optimiser le fonctionnement du filtre - capture et nettoyage- en cohérence avec le régime moteur. En outre est ajouté un additif qui facilite la régénération du filtre à 450°C au lieu de 600.
Ce système, mis au point par PSA, est extrêmement efficace. Les études menées par l'ADEME en situation réelle le confirment.
L'ADEME a équipé après construction des bus, bennes à ordures ménagères et des poids lourds et comparé les performances entre véhicules équipés et non équipés. L'efficacité du système de filtration est apparue très clairement.
Sur les voitures particulières, le filtre à particules est intégré au groupe motopropulseur, il n'existe pas de version non équipée. La comparaison rigoureuse n'a pas été possible. Cependant la comparaison des niveaux réels avec les niveaux requis par les normes Euro III et Euro IV (2005) montre bien la grande efficacité du système sur tous les types de particules.
• Les pièges à NOx et la catalyse trois voies
Le filtrage généralisé des émissions de NOx est le second progrès indispensable des moteurs diesel. Ces pièges sont aujourd'hui expérimentaux. La Commission européenne semble avoir renoncé à en imposer la généralisation rapide, les constructeurs n'étant pas unanimes sur leurs performances et leur fiabilité.
Le fonctionnement de ces pièges repose sur un principe similaire à celui de la catalyse trois voies. Il s'agit de capturer des polluants grâce à l'action catalytique de métaux précieux (platine) puis de les fixer grâce à un autre composant, du baryum, et enfin de libérer un nouveau composé par l'action d'un troisième métal, le rhodium, lors des périodes de régénération du filtre.
Ces filtres ont des problèmes de fiabilité dans le temps et ne peuvent fonctionner tant que les carburants ne seront pas sans soufre, car le soufre conduit au colmatage du piège.
Certains constructeurs travaillent sur la catalyse dite « quatre voies », c'est-à-dire éliminant les quatre polluants que sont les NOx, les HC, le CO et les particules. Ces dispositifs permettent de filtrer les suies et de piéger les Nox sur le même support. Toyota commercialise un système de ce type appelé DPNR pour « Diesel particulate Nox Reduction System ». La principale difficulté est d'éviter que les sites actifs destinés à piégés les NOx ne soient occultés par les suies.
Ce système concerne, comme le FAP, l'ensemble du groupe motopropulseur. Il s'appuie sur une injection directe à rampe commune à 1.800 bars avec multi-injections, un système de contrôle de combustion à basse température avec recyclage des gaz d'échappement, un injecteur de port d'échappement et le système de filtre lui-même. Cet injecteur de port d'échappement est situé à la tête de cylindre. Il injecte du carburant pour réduire les oxydes d'azote dans le pot catalytique, oxyder les particules fines et contrôler la régénération du filtre par le soufre du carburant.
Le système DPNR fonctionne pour partie comme un piège à NOx et un FAP classique avec un mélange pauvre. Les NOx sont oxydés par le métal précieux et sont stockés sous forme de nitrates. L'oxygène libéré par les NOx lors de leur stockage sert à oxyder les particules.
En revanche, lorsque le mélange est rendu plus riche que la stoechiométrie par l'ajout de carburant via l'injecteur de port d'échappement, l'azote et une grande quantité d'oxygène sont libérés du matériau de stockage des NOx. Les NOx réagissent alors avec l'azote et une importante quantité d'hydrocarbures imbrûlés et de monoxyde carbone présents dans le gaz d'échappement, tandis que les particules sont oxydées par l'oxygène libéré par les NOx.
La difficulté est bien entendu de gérer le passage d'un mélange pauvre à un mélange riche. Elle doit notamment permettre d'éviter la formation de fumée.
L'injecteur de port d'échappement est aussi utilisé pour augmenter temporairement la température du catalyseur à plus de 600°C pour régénérer le filtre.
Les essais menés en Europe montrent qu'il est ainsi possible d'atteindre un niveau d'émission de particule inférieur à la future norme Euro V et un niveau d'émission de Nox de 150 mg/km par rapport à une future norme de 200 mg/km.