DPF-FAP-GPF-SCR-CAT

Genèse et application.

L'histoire des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement dans les automobiles est longue, liée à une prise de conscience environnementale croissante et à des réglementations visant à réduire la pollution de l'air.

Dans les années 1960, le problème de la pollution de l'air causée par les voitures a commencé à retenir l'attention aux États-Unis. La Californie, en particulier Los Angeles, connaissait de graves problèmes de smog. En 1966, la Californie a introduit les premières réglementations pour contrôler les émissions des voitures. Elle a été suivie en 1970 par des réglementations fédérales sur les émissions dans le cadre de la loi sur la qualité de l'air (Clean Air Act).

Les premiers convertisseurs catalytiques trifonctionnels sont apparus dans les années 1970, principalement en réponse aux réglementations plus strictes en matière d'émissions aux États-Unis. Les catalyseurs trifonctionnels étaient capables de réduire trois polluants principaux : les oxydes d'azote (NOx), le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures (HC).

Les années 1980 ont vu l'introduction de systèmes de contrôle des émissions plus avancés, tels que la recirculation des gaz d'échappement (EGR), l'injection de carburant et les capteurs d'oxygène (sondes lambda), qui ont amélioré l'efficacité des convertisseurs catalytiques. Les pays européens ont également commencé à introduire leurs réglementations en matière d'émissions, comme Euro 1 en 1992.

Les années 1990 ont été marquées par un nouveau durcissement des normes d'émission, tant aux États-Unis qu'en Europe. Les normes Euro 2 (1996), Euro 3 (2000) et Euro 4 (2005) ont été introduites, exigeant des technologies de post-traitement des gaz d'échappement de plus en plus avancées, notamment l'utilisation de catalyseurs d'oxydation et de filtres à particules diesel (DPF/FAP) dans les voitures diesel.

La popularité croissante des voitures diesel a nécessité l'introduction de nouvelles technologies de post-traitement des gaz d'échappement, telles que les systèmes de réduction catalytique sélective (SCR), qui utilisent l'AdBlue® (solution aqueuse d'urée) pour réduire les NOx. Des filtres à particules GPF ont également été introduits pour les voitures à essence. Les réglementations actuelles, telles que les normes Euro 6d en Europe, exigent l'utilisation de technologies de post-traitement des gaz d'échappement encore plus avancées, y compris une combinaison de catalyseurs SCR, de filtres DPF/FAP et de systèmes de neutralisation de l'ammoniac (NH3).

Construction et principe de fonctionnement.

Catalyseur trifonctionnel et catalyseur d'oxydation.

Le convertisseur catalytique à trois fonctions (également appelé convertisseur catalytique à trois voies ou réacteur catalytique) est l'un des composants les plus importants du système de post-traitement des gaz d'échappement des voitures modernes à moteur à essence. Sa tâche consiste à convertir les trois principales substances nocives produites lors de la combustion du carburant en composés moins nocifs :

1. Monoxyde d'azote (NOx) - réduction en azote (N2) et en oxygène (O2)
2. Monoxyde de carbone (CO) - oxydation en dioxyde de carbone (CO2)
3. Hydrocarbures (HC) - oxydation en dioxyde de carbone (CO2) et en eau (H2O) 

Le catalyseur tri-fonctionnel est composé de :

1. Le noyau, en céramique ou en métal, a une structure en nid d'abeille qui offre une grande surface de contact pour les réactions chimiques.
2. Couche active recouvrant le noyau, constituée de métaux précieux tels que le platine (Pt), le palladium (Pd) et le rhodium (Rh).
3. Boîtier - généralement en métal, qui protège le convertisseur catalytique et le maintient en place dans le système d'échappement.

Pour qu'un convertisseur catalytique trifonctionnel soit efficace, il doit fonctionner dans certaines conditions :

1. Température - le catalyseur atteint sa pleine efficacité à des températures comprises entre 250°C et 900°C environ. Si la température est trop basse, les réactions chimiques ne se produisent pas assez rapidement.
2. Composition du mélange air/carburant - la composition optimale du mélange (rapport air/carburant) est d'environ 14,7:1 (rapport stœchiométrique). Un mélange trop riche (trop de carburant) ou trop pauvre (trop d'air) peut réduire l'efficacité du convertisseur catalytique.
3. Sondes à oxygène (sondes lambda) - Situées en amont et en aval du convertisseur catalytique, elles contrôlent le niveau d'oxygène dans les gaz d'échappement, ce qui permet au système de gestion du moteur (ECU) d'ajuster avec précision la composition du mélange carburant-air.

Alors qu'un convertisseur catalytique trifonctionnel est utilisé dans le système d'échappement des moteurs à essence, les moteurs diesel sont généralement équipés d'un catalyseur d'oxydation. Celui-ci oxyde les oxydes de carbone et les hydrocarbures, mais n'a pas la capacité de réduire les NOx car les moteurs diesel fonctionnent avec des mélanges pauvres.

Filtres à particules diesel (DPF/FAP) et moteurs à essence (GPF).

Le filtre à particules diesel (DPF) est un composant clé utilisé dans les voitures diesel pour réduire les émissions de particules, qui sont l'une des principales sources de pollution de l'air. 

Le DPF est généralement constitué de matériaux à structure poreuse, tels que le carbure de silicium (SiC) ou la cordiérite. La structure du filtre ressemble à un nid d'abeille, les canaux d'entrée et de sortie étant fermés alternativement, ce qui oblige les gaz d'échappement à passer à travers les parois poreuses du filtre. Les particules (suie, cendres) sont piégées sur les parois poreuses et le reste des gaz d'échappement s'échappe du filtre. Au fur et à mesure que les particules s'accumulent à l'intérieur du filtre, la résistance au flux des gaz d'échappement augmente, ce qui entraîne une diminution des performances du moteur. Le contrôleur du moteur surveille le niveau de remplissage du filtre à particules à l'aide, entre autres, d'un capteur de pression différentielle, qui compare la pression des gaz d'échappement en amont et en aval du filtre. Dès que les valeurs programmées sont dépassées, il lance des procédures de nettoyage (régénération) du filtre à particules. La conduite fréquente sur de courtes distances empêche le DPF de se régénérer efficacement, ce qui peut entraîner un encrassement du filtre et un mauvais fonctionnement du moteur.

Les constructeurs automobiles utilisent deux solutions principales pour les filtres à particules diesel :

• Filtres "secs
• Filtres "humides

Les systèmes dotés d'un filtre "sec" n'utilisent aucun additif chimique, et l'augmentation de la température des gaz d'échappement nécessaire pour régénérer et vider le filtre à particules des particules de suie accumulées est obtenue par des mesures telles que l'augmentation de la dose de carburant injecté, le retardement de l'injection, la désactivation du système de recirculation des gaz d'échappement, etc. Certains constructeurs ont également utilisé des solutions sous la forme d'un injecteur supplémentaire monté dans le système d'échappement, qui alimente directement en carburant le flux d'échappement en amont du filtre à particules pendant sa phase de régénération.

Les systèmes de filtres "humides" utilisent un additif spécial qui, ajouté au carburant, réduit la température de combustion de la suie, ce qui permet au processus de régénération du DPF de se dérouler à une température plus basse. La suie accumulée dans un DPF nécessite normalement une température élevée (environ 600°C) pour brûler. L'additif abaisse cette température à environ 450°C, ce qui facilite et accélère le processus de régénération, en particulier à des régimes et des températures de moteur plus faibles. Le fluide est stocké dans un réservoir spécial dans la voiture et automatiquement dosé dans le réservoir de carburant en petites quantités. Le système de gestion du moteur (ECU) contrôle le dosage de l'additif afin d'assurer une quantité correcte dans le carburant. Lorsque le carburant est brûlé dans le moteur, le cérium contenu dans l'additif reste sous forme de particules, qui sont capturées par le DPF avec la suie. Lorsque les particules de cérium s'accumulent dans le DPF, elles réduisent la température à laquelle la suie commence à brûler. Cela permet au processus de régénération du filtre de se dérouler efficacement, même en conduite urbaine normale.

Les constructeurs automobiles d'aujourd'hui s'efforcent de mettre au point le système de post-traitement des gaz d'échappement le plus efficace et le plus compact possible. Il en résulte des filtres à particules équipés de la technologie SCR qui combinent les fonctions de deux composants - un DPF et un convertisseur catalytique SCR.

Le filtre à particules (GPF) est également utilisé dans les voitures à essence, en particulier celles à injection directe. En effet, ces moteurs émettent des niveaux plus élevés de particules que les moteurs traditionnels à injection indirecte. De nombreux pays, en particulier dans l'Union européenne, ont adopté des normes d'émission de plus en plus strictes, telles que la norme Euro 6. Ces normes exigent que les véhicules émettent moins de particules, ce qui oblige les constructeurs à utiliser des technologies telles que le GPF pour répondre à ces normes. Le GPF est conçu pour capturer efficacement ces particules, réduisant ainsi les émissions de particules du système d'échappement. Comme dans le cas d'un DPF, les gaz d'échappement traversent le filtre et les particules sont piégées sur ses parois poreuses. Contrairement aux DPF, les GPF posent moins de problèmes car la température des gaz d'échappement des moteurs à essence est généralement plus élevée. Le processus de régénération implique la combustion des particules de suie accumulées, ce qui se produit automatiquement lors du fonctionnement normal du moteur, en particulier à des charges et des températures élevées.

Catalyseurs SCR.

Il s'agit d'un élément clé du système de réduction catalytique sélective (SCR), dans lequel des réactions chimiques ont lieu pour convertir les NOx en azote (N2) et en eau (H2O). Ceci est rendu possible par le dosage d'un agent réducteur spécial, une solution aqueuse d'urée (AdBlue®), dans le flux de gaz d'échappement en amont du convertisseur catalytique SCR. Le système d'échappement en amont du convertisseur catalytique SCR comporte souvent un mélangeur spécial (blender) utilisé pour mélanger l'additif injecté de manière complète et régulière dans les gaz d'échappement.

Sa structure est similaire à celle d'un catalyseur trifonctionnel ou d'oxydation. Le convertisseur catalytique SCR a un noyau en céramique ou en métal en nid d'abeille recouvert d'un revêtement catalytique. Il contient des composés tels que des oxydes métalliques (par exemple, oxyde d'aluminium, oxyde de titane) et des métaux précieux (par exemple, platine, palladium).

Processus de régénération.

Notre service consiste à nettoyer chimiquement les filtres à particules et les convertisseurs catalytiques à l'aide d'une méthode sûre, rapide et efficace. Le filtre, qui a été retiré du véhicule, est soumis à un processus de nettoyage utilisant des produits chimiques et un jet d'eau à la température et à la pression appropriées. Ce procédé permet d'éliminer toutes les particules PM10, l'huile et les dépôts de cérium (dans le cas des filtres "humides"). Il s'agit d'une méthode très efficace, qui ne risque pas d'endommager la cartouche du filtre (comme cela peut arriver avec les méthodes de nettoyage basées sur une température élevée). La méthode utilisée garantit que les performances du filtre sont rétablies jusqu'à 98% sans aucune interférence avec la structure du filtre. L'appareil permet de mesurer le débit à travers le filtre avant et après le cycle de nettoyage et d'imprimer les résultats de ces tests, ce qui permet d'évaluer clairement l'efficacité du processus.

Cette méthode de nettoyage du filtre à particules présente de nombreux avantages par rapport à la régénération dite de service :

• pas d'augmentation de la charge mécanique sur le moteur en raison d'un fonctionnement à grande vitesse pendant le processus de régénération de l'entretien
• pas d'augmentation de la charge thermique sur les composants du système d'échappement (turbocompresseur, convertisseur catalytique, noyau du filtre à particules)
• aucune vidange d'huile moteur n'est nécessaire après la régénération de l'entretien

La seule condition pour le nettoyage du filtre est qu'il n'y ait pas de dommages mécaniques, en particulier au niveau du noyau du filtre. Chaque filtre que nous acceptons fait l'objet d'un contrôle approfondi de son état et d'une inspection visuelle de la cartouche filtrante à l'aide d'une caméra endoscopique. Si l'intérieur du filtre ou du catalyseur est mécaniquement endommagé, nous sommes souvent en mesure de proposer sa régénération, ce qui implique le remplacement de la cartouche filtrante.

Causes et types de dommages

Symptômes d'un filtre à particules/catalyseur endommagé ou sursaturé :

1. Diminution des performances du moteur
2. Fonctionnement irrégulier du moteur à bas régime
3. Augmentation de la consommation de carburant
4. Voyant moteur ("check engine") ou filtre (DPF/SCR) allumé
5. Fumée provenant du système d'échappement

Les défaillances les plus courantes des filtres à particules et des convertisseurs catalytiques :

1. Contamination - fuite d'huile moteur, de liquide de refroidissement, saturation excessive du filtre à particules par de la suie ou des cendres.
2. Surchauffe - processus anormal de combustion du carburant, défaut dans le système d'injection, recirculation des gaz d'échappement, réglage du moteur, etc.
3. Dommages mécaniques au noyau - chaleur, choc thermique, impact, vibration.