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Echappement, le lien avec la dépollution

Publié le 19 août 2013
Par Jean-Marc Felten
4 min de lecture
Avec l’émergence des turbocompresseurs, l’importance des catalyseurs et filtres à particules dans la technologie des moteurs et des systèmes d’échappement, les progrès réalisés par constructeurs et équipementiers sur la ligne d’échappement sont masqués. Pourtant, ils sont majeurs dans la fiabilité et le traitement des gaz.
Le système d’échappement est soumis à rude épreuve, les solutions se multiplient pour en améliorer les performances.
Le système d’échappement est soumis à rude épreuve, les solutions se multiplient pour en améliorer les performances.

Le rôle initial du système d’échappement consiste à réduire le niveau sonore du moteur et diriger les gaz d’échappement vers une zone du véhicule moins dérangeante pour les passagers. Le tout doit se faire en limitant au maximum la baisse de puissance du moteur. Or, depuis l’arrivée des systèmes de dépollution, l’échappement présente de nombreux freins à l’écoulement des gaz.

Collecteur, maîtriser la température

Intégré à la culasse ou doublé en mécano soudure, le collecteur a définitivement délaissé la fonte. Ce matériau remportait la faveur des constructeurs pour sa grande résistance thermique et son faible coût. Mais les impératifs de maîtrise de la combustion font aujourd’hui préférer des techniques différentes. Le collecteur d’échappement draine les gaz d’échappement depuis les soupapes jusqu’au tube ou, plus souvent, sur les véhicules actuels, jusqu’à un turbocompresseur et, à défaut, directement au pot catalytique.

Le collecteur d’échappement doit désormais préserver la température des gaz d’échappement, soit pour apporter plus de puissance au turbocompresseur, qui convertit de l’énergie thermique en énergie mécanique, soit pour permettre au catalyseur de monter plus rapidement en température.

Pour gagner en isolation, le collecteur en tôle est utilisé avec une doublure. Le volume d’air emprisonné agit comme amortisseur des pertes thermiques. La montée en température est rendue plus rapide et le catalyseur ou le turbocompresseur, placés plus proches du moteur, peuvent entrer en action plus rapidement. Cette disposition améliore le rendement et abaisse les consommations.

Volkswagen utilise, pour ses moteurs TSI, une intégration du collecteur dans la culasse. Cela permet de placer le turbocompresseur encore plus près des cylindres, et la température des gaz d’échappement est tenue chaude par l’environnement des chambres de refroidissement liquide. Le turbocompresseur en profite, puisqu’il fait l’objet d’un échange thermique avec le liquide du moteur. L’un des profits de ce montage est une baisse de consommation de carburant du moteur à pleine charge.

EGR, le traitement actif des NOx

La combustion optimisée dans les moteurs dépollués entraîne une hausse de la température de combustion et la formation d’oxydes d’azote (NO ou NO2), particulièrement nocifs pour la santé. Pour les réduire sans affecter le rendement, il faut baisser la température dans la chambre de combustion, limiter le volume d’oxygène présent et se rapprocher du rapport stœchiométrique. L’EGR (Exhaust Gas Recirculation – recirculation des gaz d’échappement) est un circuit régulé entre le collecteur d’échappement et la tubulure d’admission, qui permet la diminution du taux d’oxygène. Une soupape commandée par la gestion du moteur ouvre le circuit dans les phases où les émissions de NOx sont les plus importantes. Dans des montages sophistiqués, un refroidissement des gaz en recirculation peut être réalisé. Ce sont les moteurs Diesel, qui émettent plus d’oxydes d’azote, qui sont désormais tous équipés d’un EGR. Les moteurs essence à injection directe sont également concernés par cette solution. La réinjection de gaz d’échappement à l’admission permet de limiter l’usage d’un convertisseur de NOx et l’injection d’AdBlue pour permettre la réduction. Le recyclage de gaz d’échappement peut atteindre 20 à 60 % du volume de gaz d’admission, selon les moteurs et les phases de fonctionnement.

La ligne, étanche et sonore

Les tubulures qui joignent les différentes parties actives du système ont pour seul but d’amener les gaz jusqu’à l’arrière du véhicule, où ils sont relâchés dans la nature. Les tubes doivent ne présenter aucune fuite qui puisse modifier la composition des gaz. Les montages récents présentent donc de moins en moins de raccords d’assemblage. En cas de remplacement, des éléments partiels de la ligne sont prévus par les fabricants et les points de découpes sont pré-indiqués par les constructeurs.

La longueur des tubes et leur diamètre jouent leur rôle dans la signature sonore d’un moteur. Les constructeurs et fabricants d’échappements consacrent une partie des tests et du développement sur cette problématique. Pendant longtemps sujets à une corrosion importante due à la forte présence d’humidité et à la forte proportion de gaz acides dans les émissions d’échappement, les tubes, dont les aciers ont également progressé, sont désormais plus résistants.
Beaucoup de lignes d’échappement reçoivent un raccord souple qui assure la souplesse du montage entre le groupe propulseur et la ligne sous caisse, et l’amortissement de certaines vibrations du moteur qui pourraient remonter dans la coque par la ligne de l’échappement. Ces raccords sont constitués d’un conduit mobile en acier enroulé, enrobé dans une garniture souple et isolante, et enfermé dans un treillis métallique. La suspension de l’échappement sous la caisse est réalisée avec des supports élastiques (caoutchoutés), qui doivent limiter la propagation des vibrations du moteur à l’ensemble de la caisse. Un support en mauvais état peut conduire à la destruction de la ligne d’échappement.

Le silencieux

Les silencieux ont vu leur nombre souvent réduit à un seul élément, car turbocompresseur et pot catalytique absorbent une partie des vibrations. Les silencieux sont de plusieurs types : à réflexion ou à absorption. Le silencieux à réflexion laisse les gaz se détendre dans un volume vide ou constitué de chambres qui amortissent les vibrations des gaz. Le système à absorption comporte un tube continu traversant le pot, percé de nombreux trous calibrés. L’ensemble est revêtu d’un matériau absorbant les vibrations, tel que la laine de roche.

Le volume des silencieux représente 8 à 12 fois la cylindrée du moteur. Leur positionnement sous la caisse fait donc l’objet de développements de plus en plus complexes, pour limiter leur impact sur l’aérodynamisme du dessous du véhicule.

La limitation et l’amortissement des vibrations sonores conduisent quelquefois à une obstruction excessive de l’écoulement des gaz, qui réduit les performances du moteur, ou confère une sonorité qui n’est pas en accord avec le modèle du véhicule. L’homologation sonore du véhicule fait que, dans les conditions normales d’utilisation, le seuil normal peut être dépassé. Les fabricants ont donc installé des clapets sur la sortie ou l’entrée du silencieux, qui réduisent le passage, pour réduire le son. Les gaz passent alors par les circuits “silencieux” de l’échappement, qui s’ouvrent pour permettre un passage quasiment libre. Ces vannes sont commandées soit par une dépression (moins de fragilité aux éléments extérieurs), soit par électronique.

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FOCUS - La vanne de régulation d’EGR

Un nouvel équipement apparaît sur la ligne d’échappement : la vanne de régulation de fonctionnement de l’EGR. Pour optimiser le fonctionnement de la recirculation des gaz d’échappement sur des véhicules récents qui comportent un turbocompresseur de dernière génération, les fabricants installent une vanne commandée par la gestion du moteur. Pour augmenter la contre-pression dans le circuit d’échappement, la vanne est fermée et les gaz refluent dans le circuit de recirculation. Totalement ouverte, cette soupape permet une meilleure respiration du système d’échappement et une meilleure efficacité à fortes charges.

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FOCUS - Equipement de l’atelier

Bien que l’échappement ne soit plus une activité importante dans l’atelier, il est possible d’optimiser le poste en se dotant d’outils spécifiques innovants :

- Förch débloqueur 5463 1 : Débloquer par induction
- Facom DE.8 : Le coupe-tube rapide

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