Systèmes pour réduire les émissions de gaz d’échappement des moteurs diesel

La recirculation des gaz d’échappement (RGE) fait partie intégrante du système de contrôle du moteur diesel, car sa haute efficacité continue d’avoir un effet très positif sur la réduction de la concentration d’oxydes d’azote (NOx). Elle consiste à introduire des gaz d’échappement dans le système d’admission du moteur afin de réduire la quantité d’oxygène et baisser la température de combustion. En tant que gaz inertes, les gaz d’échappement contiennent une grande quantité de vapeur d’eau, ce qui contribue à faire baisser la température du moteur réchauffé, alors que lorsque le moteur est froid, la recirculation des gaz d’échappement augmente efficacement sa température dans les premières minutes de fonctionnement. 

 

Il existe deux types de systèmes de recirculation de base :

• Le système de recirculation haute pression consiste à prélever les gaz d’échappement du collecteur d’échappement et à les introduire dans le collecteur d’admission,
• Le système de recirculation basse pression consiste à prélever les gaz d’échappement derrière le filtre à particules et à les introduire avant le turbocompresseur.

2.1. Système de recirculation haute pression

La recirculation haute pression est un système classique qui a beaucoup évolué dans le secteur automobile. Les systèmes de recirculation d’aujourd’hui sont élaborés. En plus de la vanne EGR, il existe souvent un refroidisseur de gaz d’échappement et un système de commutation avec lequel ils peuvent être désactivés. Un amortisseur à air est également un composant important, à l’aide duquel le contrôleur du moteur peut faire intervenir davantage les gaz d’échappement dans le processus de recirculation. Pratiquement toutes les voitures à moteur diesel modernes sont dotées d’une vanne de recirculation des gaz d’échappement, car elle est très efficace dans la réduction des oxydes d’azote, déjà au stade de fonctionnement du moteur.

Les gaz d’échappement chauds du collecteur d’échappement sont acheminés via la soupape 7 au radiateur 5 ou la soupape supplémentaire 6. Si la soupape 6 est fermée, les gaz d’échappement sont acheminés via le refroidisseur ; lorsque la soupape 6 est ouverte, les gaz d’échappement contournent le refroidisseur. Dans la plage de température du moteur jusqu’à environ 30 °C, il est avantageux de contourner le refroidisseur des gaz d’échappement afin de chauffer la chambre de combustion plus rapidement. L’algorithme de gestion peut varier en fonction du système, car le refroidisseur des gaz d’échappement est souvent utilisé pour chauffer le liquide de refroidissement dirigé vers le chauffage de l’habitacle. À des températures de fonctionnement élevées et à des charges moteur élevées, le refroidisseur doit fonctionner car il abaisse la température des gaz d’échappement en circulation, ce qui réduit leur volume. Ce processus est très bénéfique pour les faibles émissions d’oxydes d’azote et, en même temps, a un effet positif sur le processus de combustion : le moteur tourne beaucoup plus silencieusement et son fonctionnement est « plus doux ». L’introduction de gaz d’échappement dans le collecteur d’admission entraîne une réduction du volume d’air aspiré dans le circuit d’admission du moteur. Le contrôleur du moteur enregistre le changement de volume dans la masse d’air à l’aide du débitmètre (élément 10) et ajuste le fonctionnement de la vanne EGR. Si le volume d’échappement n’est pas suffisant, le contrôleur du moteur ferme le clapet d’air, ce qui force un débit d’échappement supplémentaire. Lorsque le moteur est soumis à une charge, la recirculation des gaz d’échappement doit être désactivée, car elle interférerait avec le turbocompresseur et le moteur a alors besoin de la quantité d’air maximale. Lorsque le moteur est soumis à une charge, les émissions d’oxydes d’azote augmentent fortement.

 

2.2. Système de recirculation basse pression

Sur les véhicules conformes à la norme Euro 6, à l’exception de la recirculation haute pression, une recirculation basse pression est également utilisée, c’est-à-dire que les gaz d’échappement recirculés sont extraits du système d’échappement et introduits dans le système d’admission du moteur avant le turbocompresseur (Fig. 2).

Les gaz d’échappement sont introduits devant la roue de compression du turbocompresseur, ce qui exige qu’elle soit très propre. Un filtre supplémentaire est donc nécessaire pour ce type d’EGR. Ce rôle est repris par le filtre à particules déjà utilisé (composant 6). Ce système utilise également un refroidisseur de gaz d’échappement (9), mais sans possibilité de le déconnecter (de le contourner). Il est monté en permanence. La vanne EGR se présente sous la forme d’une manette des gaz d’échappement (8). En raison de la légère différence de pression entre le tuyau d’échappement et l’entrée du compresseur, un volet d’accumulation des gaz d’échappement est utilisé pour forcer le débit correct des gaz d’échappement. Lorsque le moteur est soumis à une charge (fonctionnement du turbocompresseur), le volet des gaz d’échappement est fermé. Le contrôle du débit des gaz d’échappement est réalisé par le débitmètre d’air massique. Dans les systèmes en mode mixte (EGR LP + EGR HP), un « capteur de pression différentielle supplémentaire pour la recirculation basse pression » est monté entre la sortie du filtre à particules et l’entrée du compresseur.

En fonction du code de problème de diagnostic, il peut s’agir d’un dysfonctionnement du débit, d’un blocage mécanique, d’un signal incorrect en provenance du capteur de position, d’une tension de sortie trop basse ou trop élevée et de bien d’autres choses encore.  La liste suivante est un exemple de codes de problème de diagnostic associés au système de recirculation des gaz d’échappement.

3.1. Interprétation des codes défauts (DTC) P0403 - P0404

Les codes défauts (DTC) de P0400 à P0402 font référence à un débit anormal. Le diagnostic de ces erreurs est principalement basé sur le fonctionnement du débitmètre d’air massique. Le contrôleur de moteur compare la masse d’air mesurée à la masse de référence dérivée du map de contrôle de la vanne RGE (Figure 4). Le map de la vanne RGE possède deux entrées et une sortie. Les entrées sont la vitesse du moteur et le dosage du carburant en mg/cycle, tandis que la sortie est la masse d’air nécessaire également en mg/cycle. Le contrôleur de moteur ouvre la vanne RGE pour égaliser ces masses, et en cas de défaut contribuant à la perturbation du débit (accumulation de carbone, radiateur obstrué, manette RGE défectueuse), l’ECU enregistre le code défaut (DTC) correspondant.

3.2. Interprétation des codes défauts (DTC) P0403 - P0404

Les codes défauts (DTC) P0403 et P0404 sont liés à la mécanique de l’actionneur de la vanne EGR. Après avoir commandé un signal électrique PWM à polarité variable (moteur électrique à courant continu actionnant le mécanisme de la vanne), le module de pilotage de moteur à courant continu à l’intérieur de l’ECU analyse la consommation de courant du moteur et détermine sa position à l’aide d’un capteur de position potentiométrique intégré. Si le courant d’appel du moteur électrique entraînant le mécanisme de la vanne RGE est trop faible ou trop élevé, l’ECU détecte une erreur P0403. Cela peut être causé non seulement par un défaut de la vanne EGR, mais également par un dysfonctionnement du circuit électrique. L’erreur P0404 se produit lorsque les valeurs de tension requises du capteur de position de la vanne ne sont pas atteintes lors du test de fin de course. Le test des positions de fin de course de l’actionneur s’effectue très souvent, par exemple après la coupure du moteur et du commutateur d’allumage.

 

3.3. Autres problèmes de diagnostic du système EGR

 

Si le diagnostic effectué a révélé un défaut dans la vanne de recirculation des gaz d’échappement qui qualifie son remplacement, il faut se rappeler que le contrôleur du moteur diagnostique l’efficacité de l’ensemble du système EGR et qu’il est constitué de composants supplémentaires qui doivent également être vérifiés. Dans le processus de diagnostic du système EGR, il est impératif de faire attention aux composants tels que les flexibles, les conduits de gaz d’échappement, le refroidisseur des gaz d’échappement, le régulateur d’air et le débitmètre d’air massique. Sur les voitures à recirculation mixte, cette liste s’étend pour inclure des composants supplémentaires, à savoir : le volet des gaz d’échappement, le refroidisseur d’air de suralimentation, le filtre à particules avec capteur de pression des gaz d’échappement, le capteur de pression différentielle pour la recirculation basse pression et la vanne EGR basse pression elle-même. L’ensemble de ces composants peut générer un certain nombre de codes d’erreur, il convient donc de s’assurer qu’ils fonctionnent correctement.

 

Après le remplacement de la vanne EGR, il est nécessaire de procéder à une adaptation à l’aide d’un appareil de diagnostic afin que le contrôleur du moteur « apprenne » à nouveau les plages de fonctionnement du composant installé. L’absence d’adaptation du système peut à nouveau causer des dommages rapides à la vanne EGR. 

Comment vérifier si le système de recirculation des gaz d’échappement fonctionne correctement ?

 

Une fois que nous connaissons la structure et le principe de fonctionnement du système de recirculation, nous pouvons nous concentrer sur l’analyse de son fonctionnement. Pour ce faire, il faut un appareil de diagnostic capable de lire de nombreuses valeurs, de préférence toutes les valeurs mesurées possibles, appelées paramètres en temps réel (valeurs réelles). L’analyse peut être effectuée à l’arrêt et pendant la conduite. Dans le dispositif de diagnostic, vous devez rechercher des paramètres tels que :

 

• La valeur de masse d’air requise 
• La valeur de masse d’air mesurée (à partir du débitmètre)
• La pression du collecteur d’admission (pression de suralimentation)
• La valeur de pression de suralimentation requise
• Position d’ouverture de la vanne EGR HP (haute pression)
• Position d’ouverture de la vanne EGR LP (basse pression)
• Position du volet du gaz d’échappement (pour une RGE basse pression)
• Dose d’injection de carburant - Rapport lambda (sonde lambda à large bande)
• Concentration en NOx (s’il existe une sonde NOx)
• Débit de gaz d’échappement requis pour la recirculation haute pression (se produit dans certains types)
• Débit de gaz d’échappement requis pour la recirculation basse pression (se produit dans certains types)
• Débit réel des gaz d’échappement pour la recirculation haute pression (se produit dans certains types)
• Débit réel des gaz d’échappement pour la recirculation basse pression (se produit dans certains types)
• Charge de cylindre (pertinent pour la recirculation basse pression)

En plus de ces éléments, beaucoup d’autres sont indirectement affectés par la recirculation des gaz d’échappement. 

 

La façon d’analyser l’exactitude des paramètres détaillés répartis en EGR HP, EGR basse pression et systèmes mixtes sera présentée dans les articles suivants dans une série sur les systèmes de post-traitement des gaz d’échappement.

 

Références :

[1] Konrad Reif. : Diesel Engine Management Systems and Components, Bosch Professional Automotive Information, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014.