Le catalyseur trifonctionnel

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Description détaillée

Le rôle du catalyseur trifonctionnel :

Malgré l'optimisation du système d'injection et du système d'allumage, le moteur essence émet une quantité non négligeable de gaz nocifs. On peut citer le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC) ou les oxydes d'azotes (NOx). Pour réduire efficacement ces 3 polluants, les constructeurs ont développés un système de dépollution en aval du moteur. Il s'agit du catalyseur trifonctionnel qui est positionné sur la ligne d'échappement au plus près de la culasse et dont le rôle est de traiter les 3 gaz incriminés.

Présentation du catalyseur trifonctionnel :

Ses différents noms :

• Catalyseur pour moteur essence,
• Catalyseur trifonctionnel,
• Catalyseur 3 voies.

Ses caractéristiques :

Il est constitué :

• D'une enveloppe construite en acier inoxydable.
• D'un support catalytique en "nid d'abeilles". Le matériaux généralement utilisé est la céramique (cordiérite), mais on rencontre aussi des supports métalliques.
• D'un revêtement catalytique déposé sur les alvéoles en nid d'abeilles du support catalytique. Ce revêtement souvent appelé "Wash Coat" sert de fixateur aux espèces actives.
• De métaux précieux (espèces actives) qui réalisent la réaction chimique (oxydoréduction). Les métaux précieux utilisés sont : le platine (Pt), le rhodium (Rh) et le palladium (Pd).

Ci-dessous des supports catalytique (Source Beihai Xiaoming)

Le catalyseur doit assurer la réaction chimique entre les gaz d'échappement et les métaux précieux. La structure en nid d'abeilles et le "Wash Coat" offrent une surface de contact très importante qui peut dépasser 4000 m².
Les catalyseurs dotés de support catalytique métallique (plus couteux) offrent une réduction des pertes de charge à l'échappement, une meilleure conductivité thermique et une résistance mécanique plus importante. Ils sont souvent associés à des moteurs "puissants et sportifs".

Son fonctionnement :

Les métaux précieux, qui tapissent le revêtement catalytique, jouent le rôle de catalyseur. Ils vont assurer deux types de réaction :

• L'oxydation : on ajoute de l'oxygène aux composants des gaz.
• La réduction : on retire de l'oxygène aux composants des gaz.

Lorsque les 2 réactions se produisent simultanément, on parle d'oxydoréduction.

Principe de l'oxydoréduction du catalyseur :

L'oxydation :

La réduction :

Les conditions nécessaires à la catalyse :

La température :
Après le démarrage d'un moteur froid, le manque de température ne permet pas l'oxydoréduction. Sur les moteurs essence modernes, les catalyseurs sont placés au plus près de la culasse ou du turbo pour réduire le temps d'amorçage. Certains catalyseurs peuvent être équipés d'un dispositif de chauffage électrique.

Le coefficient Lambda :
Le catalyseur trifonctionnel atteint son efficacité maximale sur les 3 polluants (CO, HC et NOx) lorsque le moteur fonctionne avec un Lambda proche de 1 (Dosage = 1/15). On parle de fenêtre catalytique qui doit être entre 0,97 et 1,03.

Les particularités :

Sur certains véhicules, par manque d'espace, le catalyseur ne peut pas être positionné au plus près de la culasse. Les constructeurs utilisent donc 2 catalyseurs :

• le premier de petite taille est placé au plus près de la culasse ou du turbo, on parle de "précatalyseur".
• Le second plus volumineux est placé sous le planché du véhicule, on parle de catalyseur principal.

Certains moteurs en "V" sont équipés de 2 catalyseurs. Un catalyseur pour chaque banc de cylindre. On parle de catalyseur "banc 1" et de  de catalyseur "banc 2".
Depuis le règlement de dépollution Euro 3 (véhicules après 2001), le dispositif E.O.B.D. surveille l'efficacité du catalyseur en condition de roulage. Un sonde à oxygène classique (saut de tension) est positionnée derrière chaque catalyseur. Le catalyseur est donc entouré de 2 sondes :

• Une sonde amont ou avant (sonde 1), elle permet au calculateur de réguler la richesse à Lambda = 1.
• Une sonde aval ou arrière (sonde 2), elle permet au calculateur de contrôler l'efficacité du catalyseur.

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Méthodes et pratiques

Lors de toute intervention sur le catalyseur, les règles d'hygiène et de sécurité énoncées par le constructeur doivent être respectées. Il faudra veiller :

• A porter les E.P.I.,
• A intervenir catalyseur froid.

Le remplacement d'un catalyseur se fera suite à une recherche de panne.

La recherche de panne :

Le catalyseur n'a pas de périodicité de remplacement. Avant de le remplacer, il faudra procéder à un diagnostic complet du système de gestion moteur et notamment de la boucle de régulation de richesse. Voici la liste des opérations qui pourront être mis en œuvre pour rechercher l'origine de la panne :

• Lecture des défauts et mesure des paramètres dans le calculateur de gestion moteur à l'aide d'une valise de diagnostic.
• Analyse des gaz d'échappement.
• Mesure des signaux des sondes à oxygènes amont et aval.
• Interprétation de l'analyse de gaz : Lambda = 1, présence de CO, d'HC, d'O2 et de NOx.

Plusieurs anomalies peuvent provoquer une destruction prématurée du catalyseur :

• Ratés de combustion (problème d'allumage ou d'étanchéité cylindre).
• Présence d'huile moteur ou de liquide de refroidissement dans la ligne d'échappement (consommation d'huile, joint de culasse H.S, casse turbo...).
• Excès de carburant.
• Carburant non conforme (présence de plomb).
• Additif au carburant.
• Erreur de carburant.
• Modification sur la gestion moteur (reprogrammation).
• Chocs thermique.
• Huile moteur non conforme.

Les contrôles avant remplacement :

Lorsque le catalyseur est incriminé, l'origine de la panne doit être identifiée !

• Usure normale liée à l'utilisation et au kilométrage du véhicule.
• Usure anormale liée à l'entretien.
• Destruction liée à une défaillance du moteur, du système de gestion moteur ou du système de suralimentation.

Penser à vérifier :

• L'absence d'huile ou de liquide de refroidissement dans l'échappement.
• L'état mécanique du moteur (niveau d'huile, niveau de liquide de refroidissement, compressions...).
• L'état du système de suralimentation.
• L'état du système de gestion moteur et notamment de l'allumage (absence de défaut lié à des ratés de combustion).
• L'origine et la qualité de l'huile moteur.

Le remplacement des éléments :

L'opération consiste à déposer la pièce hors service et à reposer un catalyseur neuf.
Lors du remplacement du catalyseur, certains constructeurs peuvent préconiser :

• D'effectuer la vidange du moteur,
• De remplacer le filtre à huile,
• De remplacer les sondes à oxygène.

Suite au remplacement :

• Effectuer si nécessaire une mise à zéro des autoadaptatifs à l'aide d'un outils de diagnostic.
• Penser au recyclage de la pièce usagée.

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Impact sur les compétences en atelier

• Connaitre le fonctionnement des systèmes de gestion moteur essence.
• Connaitre le fonctionnement de la boucle de régulation de richesse.
• Connaitre le fonctionnement du catalyseur trifonctionnel équipant les moteurs à essence.
• Savoir appliquer une méthode de diagnostic.
• Savoir utiliser un outil de diagnostic dans ses fonctions : lecture des paramètres, lecture et effacement des défauts, test des actionneurs...
• Savoir utiliser la fonction ScanTool d'un outil de diagnostic.
• Savoir utiliser un multimètre.
• Savoir utiliser un oscilloscope.
• Savoir utiliser un analyseur de gaz.
• Savoir interpréter une analyse de gaz.
• Savoir valider le bon état mécanique du moteur.

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Exemple d’outillage approprié

• Outil de diagnostic,
• Multimètre,
• Oscilloscope,
• Analyseur de gaz.