Post-traitement des gaz d'échappement : Structure, fonctionnement et diagnostic

Nous vous fournissons ici des informations précieuses et utiles pour l’atelier sur la structure, le fonctionnement et le diagnostic du post-traitement des gaz d'échappement.

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Structure et fonctionnement du post-traitement des gaz d'échappement: Principes

Le post-traitement des gaz d'échappement désigne les processus qui épurent les gaz d'échappement par voie mécanique, catalytique ou chimique après qu'ils ont quitté la chambre de combustion.

 

Un post-traitement est effectué afin de transformer les polluants produits lors de la combustion en gaz d'échappement inoffensifs. Parmi les composants du traitement des gaz d'échappement, on trouve notamment les catalyseurs et les filtres à particules. De nos jours, ces deux composants peuvent être montés aussi bien sur un moteur à essence à injection directe que sur un moteur diesel.

 

Les systèmes suivants peuvent par exemple être posés dans la ligne d'échappement pour réduire les émissions de substances nocives :

 

 

Moteur à essence

  • Catalyseur 3 voies
  • Catalyseur accumulateur de NOx (moteurs à mélange pauvre)
  • Filtre à particules essence (moteurs à injection directe)

 

Moteur diesel

  • Catalyseur d'oxydation
  • Filtre à particules
  • Catalyseur accumulateur de NOx
  • Catalyseur SCR

Catalyseur

Le catalyseur le plus couramment utilisé aujourd'hui sur les moteurs à essence traditionnels est le catalyseur 3 voies régulé. Le rôle du catalyseur est de transformer, par réaction chimique, les polluants issus du processus de combustion du carburant en gaz d'échappement non toxiques. En liaison avec le calculateur et la sonde lambda, le mélange air/carburant est régulé avec précision afin que le catalyseur puisse réduire les émissions polluantes. La plage de température de travail optimale des catalyseurs se situe entre 400 et 800 °C.

Structure

Le catalyseur renferme un noyau en nid d'abeille composé de céramique ou de métal et comportant plusieurs milliers de pores. Une couche intermédiaire en oxyde d'aluminium, appelée washcoat, est appliquée sur les pores, ce qui en multiplie la surface d’environ 7 000 fois. En outre, une couche catalytique, contenant les métaux précieux rhodium, palladium et platine, est déposée par évaporation sur la couche intermédiaire. Dans le boîtier en acier inoxydable, le catalyseur est fixé par une natte isolante qui compense en même temps les dilatations thermiques.

Fonctionnement

Les gaz d'échappement nocifs du moteur sont acheminés vers le catalyseur via le collecteur d'échappement et traversent les pores du support en céramique ou en métal. Le contact des gaz d'échappement avec la couche catalytique déclenche une réaction chimique de.

 

Sur les métaux précieux que sont le platine et le palladium, le monoxyde de carbone et les hydrocarbures sont oxydés en dioxyde de carbone et, sur le rhodium, les oxydes d'azote sont réduits en azote (N2). La désignation catalyseur trois voies signifie que trois transformations chimiques se déroulent simultanément côte à côte dès que la température de service est atteinte. Ainsi, le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures (HC) et les oxydes d'azote (NOx) sont transformés en azote (N2), en dioxyde de carbone (CO2) et en eau (H2O).

 

La surveillance du fonctionnement du catalyseur est assurée par une deuxième sonde lambda, également appelée sonde de surveillance, placée en aval du catalyseur. La sonde de surveillance mesure la teneur en oxygène et transmet la valeur de mesure au calculateur. Le calculateur compare les valeurs de la sonde en amont et de celle en aval du catalyseur pour évaluer le fonctionnement du catalyseur. Si les deux valeurs sont élevées et pratiquement identiques, il faut en conclure que la capacité de stockage d'oxygène du catalyseur est faible en raison d’un catalyseur défectueux.

Vidéos correspondant au sujet

Catalyseur

Dans cette courte vidéo, vous retrouverez un aperçu global des catalyseurs.

Filtre à particules diesel

Pour réduire les émissions de suie, des filtres à particules sont posés dans la ligne d'échappement du moteur diesel. Le filtre à particules diesel (FAP) stocke les particules solides qui ne sont pas entièrement brûlées dans le moteur. Ces nanoparticules, dont la taille a été réduite, sont très nocives pour l'homme et l'environnement. L'intérieur du filtre à particules de suie est constitué d'un filtre en céramique avec de nombreux petits canaux. Ces canaux aux parois poreuses sont bouchés alternativement et sont divisés en canaux d'entrée et de sortie. Les gaz d'échappement traversent les parois du filtre et les particules de suie se déposent sur les parois du filtre. Les parois poreuses permettent d'obtenir un bon effet de filtrage et un degré de séparation élevé. Les particules de suie s’accumulant au fur et à mesure ont pour effet d’augmenter la contre-pression dans le système d’échappement. Le degré de saturation ou la résistance au débit du filtre à particules est surveillé par le calculateur moteur. Un capteur de pression différentielle saisit les données en amont et en aval du filtre à particules et transmet cette information au calculateur. Si la différence de pression a dépassé une certaine valeur, le calculateur déclenche une régénération afin de brûler les particules.

 

Pour que les particules de suie puissent être brûlées, la température des gaz d'échappement doit être portée à 600 / 650 °C dans le filtre à particules. Pour cela, la commande moteur effectue une injection de carburant supplémentaire ou une post-injection pendant la régénération active, ce qui entraîne une augmentation de la température des gaz d'échappement.

 

Selon le véhicule et le système, une régénération peut être effectuée tous les 400-700 km.

 

Afin d’éviter des plages de température supérieures à 700 °C, la température est surveillée par un capteur de température des gaz d'échappement placé juste en amont du filtre à particules.

 

Les cendres produites pendant la régénération ne sont pas entièrement évacuées par le flux des gaz d'échappement et s'accumulent donc dans le filtre. Cela peut entraîner l'obturation du filtre et nécessiter un nettoyage ou un remplacement. Il en résulte des intervalles de remplacement du filtre, par ex. tous les 120 000 km.

Remarque

Pour calculer la saturation en suie du filtre à particules, le calculateur moteur utilise les signaux du capteur de pression différentielle, des capteurs de température en amont et en aval du filtre à particules et du débitmètre d'air massique. Par conséquent, les signaux sont considérés comme une seule unité.

Vidéos correspondant au sujet

Filtre à particules diesel

Cette vidéo offre un rapide rappel de connaissance : Vous serez formés sur les données de structure, de fonction ainsi que les méthodes de contrôle appropriées. Notre objectif commun : réduire les émissions !

La régénération

Selon le constructeur automobile et le système, différents processus de régénération du filtre à particules peuvent être mis en œuvre.

 

La régénération passive
La régénération passive a lieu dès que la température des gaz d'échappement dans le filtre à particules atteint une valeur entre 350 et 500 °C, lors de trajets sur autoroute à des vitesses élevées.

 

La régénération active
La régénération active est effectuée par la gestion du moteur. À partir d’un certain seuil de saturation du filtre à particules, la température des gaz d'échappement est augmentée de manière ciblée à 600 / 650 °C via la commande moteur afin de brûler les particules de suie.

 

La régénération forcée
Ce type de régénération peut être effectué par un atelier via un appareil de diagnostic selon des instructions prédéfinies pour la mise en œuvre.

Filtre à particules combiné

Le filtre à particules de suie et le catalyseur d'oxydation peuvent être montés dans un seul boîtier comme un filtre à particules diesel pourvu d'un revêtement catalytique. Dans le cas de cette combinaison, le catalyseur est installé en amont du filtre à particules de suie. Il regroupe les fonctions catalyseur d'oxydation diesel et filtre à particules diesel en un seul composant. Ainsi, les hydrocarbures (HC) et le monoxyde de carbone (CO) peuvent être transformés en eau (H2O) et en dioxyde de carbone (CO2) et les gaz d'échappement débarrassés des particules de suie par filtration. Le catalyseur d'oxydation est aussi le rôle de modifier le rapport entre l'azote (NO) et le dioxyde d'azote (NO2) afin de permettre la régénération passive du FAP et d'augmenter les performances du catalyseur SCR. Pendant que les gaz d'échappement traversent le catalyseur, leur température augmente sous l'effet de processus chimiques. Avec le flux de gaz d'échappement, la chaleur est transférée au filtre à particules de suie. Cela signifie que le catalyseur aide à chauffer le filtre à particules de suie.

Catalyseur accumulateur de NOx

Le catalyseur accumulateur de NOx est utilisé sur les moteurs diesel et les moteurs à essence à injection directe. Le catalyseur est pourvu d'une couche catalytique composée de substances comme l'oxyde de potassium ou l'oxyde de baryum qui fixent les molécules d'oxyde d'azote. Dès que le catalyseur accumulateur a atteint une certaine capacité d'absorption, la commande moteur graisse le mélange air-carburant et augmente ainsi la température des gaz d'échappement. La modification de la composition des gaz d'échappement entraîne une régénération, les oxydes d'azote (NOx) étant réduits en azote (N2) et en eau (H2O).

Catalyseur SCR

La réduction catalytique sélective (SCR) est l'un des développements les plus récents et les plus avancés en matière de réduction des gaz d'échappement des véhicules. Cette technologie est appliquée depuis 2014 et répond aux normes d'émission EURO 6. En ajoutant de l'urée (AdBlue) au flux de gaz d'échappement, les oxydes d'azote (NOx) sont transformés en azote (N2), en vapeur d'eau (H2O) et en une petite quantité de CO2 par une réaction catalytique sélective dans le catalyseur accumulateur de NOx. La structure d'un catalyseur accumulateur de NOx correspond à celle d'un catalyseur d'oxydation.

Capteurs de post-traitement des gaz d'échappement

Les systèmes modernes de post-traitement des gaz d'échappement ne se composent pas uniquement des composants du système d'échappement, mais nécessitent en outre différents capteurs pour surveiller la composition des gaz d'échappement et transmettre leurs informations au calculateur.

Sonde lambda

La sonde lambda détermine la teneur résiduelle en oxygène dans les gaz d'échappement et fournit un signal électrique à la commande moteur pour le réglage de la composition du mélange. Afin de garantir un taux de conversion idéal du catalyseur, il est nécessaire d'avoir une combustion optimale. Celle-ci est obtenue sur un moteur à essence avec une composition de mélange de 14,7 kg d'air pour 1 kg de carburant (mélange stœchiométrique). Ce mélange optimal est désigné par la lettre grecque λ (lambda). Lambda indique le rapport d'air entre le besoin théorique en air et la masse d'air réellement admise :

 

λ = quantité d'air fournie : quantité d'air théorique = 14,7 kg : 14,7 kg = 1

Capteur de température des gaz d'échappement

Sur les modèles de véhicules modernes, les capteurs de température des gaz d'échappement sont installés en différents endroits de la ligne d'échappement, aussi bien sur les véhicules diesel que sur les véhicules à essence. Le capteur de température des gaz d'échappement mesure la température, par exemple en amont du catalyseur ou du filtre à particules diesel. Cette information est ensuite retransmise au calculateur sous forme d'un signal de tension. Le calculateur a besoin de cette information pour gérer le dosage air-carburant ou la régénération du filtre à particules et réduire ainsi efficacement les émissions. Les capteurs haute température aident également à protéger les composants d'une surchauffe critique, notamment dans la section de l'échappement où la température des gaz est élevée.

Capteur de pression différentielle

Le capteur de pression des gaz d'échappement, appelé également capteur de pression différentielle, est requis sur les moteurs diesel pour surveiller le système de filtre à particules. La pression différentielle subit des variations dans le filtre à particules, variations causées par les dépôts de suie et de cendre. Le capteur de pression différentielle mesure la différence de pression des gaz d’échappement en entrée et en sortie du filtre à particules. Cette valeur de mesure est requise par la commande moteur électronique comme information supplémentaire pour le calcul du moment de la régénération du filtre à particules. Ce capteur est ainsi un élément supplémentaire des systèmes de gestion des émissions de substances polluantes pour les moteurs diesel s'appuyant sur la législation européenne en matière d émissions.

Capteur d'oxyde d'azote

Le capteur NOx (capteur d’oxyde d’azote) se compose d'une sonde et d'un calculateur qui sont reliés en permanence l’un à l’autre en tant qu'unité via un faisceau de câbles. Cette unité de capteur est installée dans la ligne d'échappement et sert à détecter les oxydes d'azote dans le flux des gaz d'échappement. Le capteur NOx est le composant essentiel du système de post-traitement des gaz d’échappement pour réduire les émissions de NOx. Ce capteur est utilisé dans les véhicules diesel équipés de systèmes SCR (réduction catalytique sélective) à base d'urée et garantit le respect des valeurs d'émission strictes imposées à partir de la norme Euro 5. Ainsi, le capteur NOx permet la réalisation d’un dosage optimal d'AdBlue par le système moteur et donc de réduire efficacement les oxydes d'azote polluants. Si le système SCR dispose d'un capteur NOx en amont et en aval du système, celui situé en aval a pour fonction de surveiller l'efficacité du catalyseur SCR.

Diagnostic du système d'échappement: Dépannage

Avant de démarrer un diagnostic du calculateur sur le véhicule, il convient d'abord de procéder à un contrôle visuel de l'ensemble du système d'échappement. Les dommages extérieurs se manifestent généralement par une modification du comportement sonore et peuvent être causés par des tubes, des raccordements ou des silencieux fissurés voire corrodés. Les bruits provenant de l'intérieur des composants du système peuvent être localisés en secouant ou en tapant sur le composant concerné. Bien entendu, dans ce contexte, il convient également de vérifier la solidité des raccordements à vis, des tôles de rayonnement et des supports en caoutchouc. Il ne faut pas non plus oublier les capteurs de gaz d'échappement, qui peuvent être montés de manière répartie sur toute la ligne d’échappement. Le câblage ou les connecteurs électriques peuvent avoir été endommagés en raison d'influences environnementales comme la saleté, l'eau ou le sel de déneigement.

Diagnostic du calculateur

Le contrôle de fonctionnement du système d'injection ou du post-traitement des gaz d'échappement ne peut être effectué qu'avec un appareil de diagnostic approprié.

 

Le fonctionnement des différents composants du post-traitement des gaz d'échappement est surveillé par des capteurs et transmis au calculateur correspondant hiérarchiquement supérieur. Les éventuels défauts sont enregistrés dans la mémoire des défauts du calculateur moteur et peuvent être lus à l'aide d'un appareil de diagnostic approprié. Selon le véhicule et le système, d’autres fonctions telles que des paramètres ou des tests d’actionneurs peuvent être sélectionnées et affichées dans l’appareil de diagnostic. Les données de la communication du calculateur sont la base pour le dépannage en situation réelle et pour la réussite d'une réparation. De plus, les valeurs d’émissions peuvent être contrôlées et évaluées par une mesure en sortie du tube d’échappement.

 

Les informations suivantes sont illustrées à l'exemple d'une Mercedes-Benz E350 24 V CDI (212) et d’une VW Golf 5 Plus.

Lire la mémoire des défauts commande moteur

Cette fonction permet de lire et d'effacer les codes défaut enregistrés dans la mémoire des défauts. Des informations sur le code défaut peuvent être également appelées.

 

Dans notre exemple, le capteur NOx défectueux a été détecté, ce qui a entraîné l'enregistrement du code défaut P220317 dans la mémoire des défauts.

 

  • P220317 / Capteur NOx 1 Banque 1
  • Court-circuit vers le plus / valeur limite de tension dépassée

Lecture des paramètres

Cette fonction permet de sélectionner et d'afficher les valeurs de mesure actuelles comme le régime moteur, la température ou l'état de chaque composant de l’échappement.

 

  • Catalyseur SCR / capteurs NOx
  • Contrôle de fonctionnement du catalyseur / comparaison des sondes lambda
  • État de saturation du filtre à particules / capteur de pression différentielle

Informations sur le système

Pour faciliter le dépannage, des informations spécifiques au système peuvent être tirées des informations fournies sur le véhicule. Ici, par exemple, une vue d'ensemble du système de post-traitement des gaz d'échappement peut être utilisée pour un dépannage ultérieur.

Mesure en sortie de tube d'échappement

La mesure prise en sortie de tube d'échappement permet de saisir et d'évaluer les gaz d'échappement qui en sortent directement sur la ligne d’échappement. Les défauts du système d'échappement ou du post-traitement des gaz d'échappement sont détectés et peuvent être pris en compte pour la poursuite du dépannage.

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