Que sont les NOx, le CO et les particules, et pourquoi sont-ils nocifs pour nous ?

Les NOx, le CO et les particules sont les trois principaux groupes de gaz et de substances polluants émis à l'échappement des véhicules à moteur à combustion interne : les oxydes d'azote naissent de la réaction de l'oxygène avec l'azote de l'air à hautes températures de combustion, le monoxyde de carbone est le produit d'une combustion incomplète due à un manque d'oxygène, et les particules sont constituées de fines particules de suie observées notamment dans les moteurs diesel. Tous trois nuisent aux systèmes respiratoire et circulatoire, c'est pourquoi ils sont dans le viseur des normes d'émission.

Qu'est-ce que les NOx et comment le moteur les produit-il ?

Les NOx sont le nom collectif des oxydes d'azote. Leurs deux composants les plus courants sont le monoxyde d'azote (NO, un atome d'azote et un atome d'oxygène) et le dioxyde d'azote (NO2, un atome d'azote et deux atomes d'oxygène). Le NO peut se transformer en NO2 par réactions dans l'atmosphère ; dans les rapports sur la qualité de l'air, le NO2 est utilisé comme indicateur de l'ensemble du groupe des NOx. Permettez-moi aussi de corriger une confusion fréquente : le protoxyde d'azote (N2O), qui est un gaz à effet de serre affectant le climat, est un polluant distinct des NOx.

Le mécanisme de formation est une simple question de chimie. La température à l'intérieur du cylindre du moteur est suffisante pour que les molécules d'azote (N2) et d'oxygène (O2) de l'air réagissent entre elles. Ce n'est pas un objectif recherché de la combustion, mais un sous-produit inévitable de la température élevée. Plus la température et la pression sont élevées, plus il y a de NOx.

C'est pourquoi les moteurs diesel se distinguent. Les diesels fonctionnent avec un excès d'air, c'est-à-dire une combustion « lean » riche en oxygène ; les quantités d'oxygène par unité de carburant et les valeurs de température-pression du cylindre rendent la production de NOx plus abondante et plus intense que dans un moteur à essence. C'est pourquoi le contrôle des NOx a toujours été centré sur le diesel ; les émissions de NOx d'origine automobile sont d'ailleurs réglementées depuis les années 1960.

Le monoxyde de carbone : inodore, incolore, toxique

Le monoxyde de carbone est un gaz toxique formé lorsque le carbone ne brûle pas complètement, sans odeur ni couleur. La physiologie qui sous-tend son danger est claire : lorsque le CO pénètre dans le sang, il perturbe le transport de l'oxygène. Il en résulte une fatigue, des maux de tête, des vertiges et un manque de concentration dus à un apport insuffisant d'oxygène au cerveau. Parmi les premiers symptômes figurent les maux de tête, la somnolence et les nausées ; une exposition avancée peut aller jusqu'aux vomissements et à la perte de connaissance. Comme il est inodore, une exposition grave peut atteindre un niveau mortel sans être remarquée.

Le tableau de l'exposition à long terme n'est pas non plus à prendre à la légère ; l'exposition chronique au CO est le plus souvent associée à des déficits de mémoire, d'attention et de concentration, ainsi qu'à des troubles moteurs de type parkinsonien. Il est également établi qu'une exposition régulière aux gaz d'échappement prépare le terrain à des problèmes respiratoires tels que la bronchite, l'asthme et le cancer du poumon.

La bonne nouvelle sur le plan technique est la suivante : le CO est un polluant qui peut être transformé en dioxyde de carbone inoffensif dans le catalyseur. Le risque réside dans les gaz qui n'atteignent pas le catalyseur ; en cas de fuite dans la ligne d'échappement, le CO peut s'échapper sans être traité. C'est pourquoi l'intégrité de la ligne d'échappement n'est pas seulement une question de bruit, mais aussi une question de sécurité.

Pourquoi les particules sont-elles aussi dangereuses que les PM2.5 ?

Les particules sont un mélange de petits morceaux solides et liquides présents dans l'air ; c'est ce que nous appelons couramment la « suie » ou le « noir de fumée ». L'ampleur du danger est directement liée à la taille des particules. Les particules PM2.5, dont le diamètre est inférieur à 2,5 microns, pénètrent grâce à leur petite taille jusque dans les profondeurs des systèmes respiratoire et circulatoire. Les particules ultrafines qui constituent 80 à 95 % de la pollution par la suie diesel sont quant à elles suffisamment petites pour pénétrer dans les cellules pulmonaires.

Les particules sont considérées comme le principal moteur des effets néfastes sur la santé associés à l'exposition aux gaz d'échappement diesel. Les autorités sanitaires recensent les effets suivants :

• Mortalité précoce chez les personnes atteintes de maladies cardiaques ou pulmonaires
• Infarctus du myocarde non mortels et battements cardiaques irréguliers
• Aggravation de l'asthme, inflammation respiratoire et difficultés à respirer
• Lors d'une augmentation de l'exposition à court terme, hausse du risque de mortalité aiguë chez les personnes atteintes de maladies cardiovasculaires ou de troubles respiratoires existants

L'impact ne se limite pas à la santé. La pollution particulaire réduit la visibilité, affecte négativement le climat et les écosystèmes et entraîne la dégradation des matériaux. Autrement dit, la suie qui sort de l'échappement est autant un problème d'ingénierie environnementale qu'un problème respiratoire.

Les hydrocarbures imbrûlés (HC) : d'où viennent-ils ?

Il existe un autre polluant qui figure dans le même tableau mais dont le nom apparaît moins souvent que celui des NOx : les hydrocarbures imbrûlés. Leurs sources sont familières. Les gaz de blow-by qui s'échappent du carter et retournent vers la chambre de combustion, le mélange air-carburant piégé dans les interstices des gorges de segments, le carburant liquide dans le collecteur d'admission et le film d'huile sur la paroi du cylindre en sont les principaux. En fonctionnement à charge élevée, les interstices des gorges de segments constituent la principale source d'émissions de HC.

Il existe également des sources extérieures à la chambre de combustion : l'évaporation du carburant. Aux émissions sortant de l'échappement s'ajoutent les pertes dues à l'évaporation du carburant depuis le réservoir et les conduites. Par exemple, les mélanges à faible teneur en éthanol peuvent faciliter l'évaporation de l'essence et ainsi augmenter les émissions par évaporation. La combustion incomplète, le manque d'oxygène ou de mauvaises conditions de combustion sont des facteurs côté combustion qui augmentent directement les HC.

Quel standard d'émissions vise quel gaz et pourquoi ?

Les normes d'émission Euro sont un ensemble de règles définissant la quantité maximale de polluants qu'un véhicule peut légalement émettre ; elles ont été introduites en 1992 avec l'obligation du catalyseur. La logique est simple : comme le mécanisme nocif de chaque polluant est différent, une limite distincte est fixée pour chacun. Le CO cible le transport de l'oxygène, le NO2 les voies respiratoires, les PM le cœur et les poumons, c'est pourquoi les normes mesurent les trois séparément.

L'historique des normes illustre également cette logique de distinction : depuis l'étape Euro 2, l'Europe fixe des limites différentes pour les véhicules diesel et essence. Les diesels sont soumis à des limites de CO plus strictes mais bénéficient d'un NOx autorisé plus élevé ; les véhicules essence, eux, étaient exemptés de la norme sur les particules jusqu'à l'Euro 4. Euro 6, en septembre 2014, est entrée en vigueur en resserrant considérablement les limites de NOx et de PM des véhicules diesel et a introduit une obligation limitant non seulement la masse mais aussi le nombre de particules fines dans les moteurs diesel comme dans les moteurs essence à injection directe (GDI). Côté diesel, cette obligation a nécessité l'adoption généralisée du filtre à particules diesel (DPF).

L'écart entre le laboratoire et la route réelle s'est retrouvé au cœur du débat après le Dieselgate. À partir de septembre 2017, les véhicules ont été soumis aux tests RDE, qui effectuent des mesures en conditions de conduite réelles. Le résultat est mesurable : sur la période couverte par les règles Euro, les émissions de NOx ont baissé de 84 % entre 2001 et 2017. Les limites strictes ont également rendu obligatoire la généralisation des systèmes SCR sur les diesels.

Comment ces gaz sont-ils épurés avant de sortir de l'échappement ?

La chaîne moderne de post-traitement des gaz d'échappement conçoit une solution distincte pour chaque polluant. La SCR (Réduction Catalytique Sélective) injecte dans le flux d'échappement le liquide d'échappement diesel à base d'urée - connu sous le nom courant d'AdBlue ; dans le catalyseur, les NOx sont réduits en azote et en eau inoffensifs. La réduction des NOx peut atteindre 90 %; dans le même temps, les HC et le CO diminuent de 50 à 90 %, et les PM de 30 à 50 %. Le Filtre À Particules (FAP), lui, piège physiquement la suie ; la combinaison FAP + SCR + DEF retient à la fois la suie et réduit les NOx, tandis que le SDPF, qui associe la fonction SCR au filtre, accomplit le même travail dans une seule unité. Une mesure existe également à l'intérieur du cylindre : la recirculation des gaz d'échappement (EGR) renvoie une partie des gaz d'échappement vers le cylindre, réduisant ainsi la quantité d'oxygène et la température de combustion ; comme la température baisse, la formation de NOx diminue.

Le profil d'émission des véhicules neufs a ainsi nettement évolué. Bien que les nouveaux modèles produisent un peu plus de CO2, ils réduisent considérablement la production de CO et de NOx par rapport aux générations précédentes. D'un point de vue technique, il s'agit d'un compromis acceptable : l'effet climatique et l'effet polluant sont des échelles différentes et, avant 2015, la définition de "véhicule à faibles émissions" se concentrait uniquement sur le faible CO2 ; après le Dieselgate, des polluants comme les NOx sont passés au premier plan.

Quel est le contexte du débat sur les NOx en Europe ?

En 2015, il a été révélé que Volkswagen avait manipulé les systèmes de contrôle des émissions de ses véhicules diesel pour passer les tests en laboratoire ; sur la route réelle, les véhicules produisaient jusqu'à 40 fois plus d'oxydes d'azoté que le chiffre déclaré. Ce seul événement n'est pas resté le problème d'un seul constructeur : au cours des années suivantes, des preuves ont émergé indiquant que presque tous les constructeurs diesel en Europe utilisaient des stratégies légales ou probablement illégales pour descendre sous les limites des tests. Le fait que les tests en laboratoire ne reflètent pas la conduite réelle explique également la persistance du débat en tant que question de fiabilité des normes.

Les chiffres du côté de la santé montrent la gravité du débat. Il a été calculé que les émissions excessives des véhicules Volkswagen vendus en Allemagne entraîneraient probablement 1 200 décès prématurés ; les émissions excessives de NOx diesel en 2015 ont été associées à environ 38 000 décès prématurés dans le monde, la majorité de ce fardeau se trouvant en Europe. En Europe, environ 10 000 personnes meurent prématurément chaque année en raison des émissions des véhicules diesel dépassant les limites légales ; on estime que l'exposition au NO2 dans les villes a contribué à environ 75 000 décès prématurés sur le continent européen en 2012. Le coût sanitaire de la pollution atmosphérique liée aux transports routiers dans l'UE est estimé à 67-80 milliards d'euros par an.

Les études sur l'exposition à long terme au NO2 rapportent des associations avec la mortalité toutes causes, respiratoire et cardiovasculaire, ainsi qu'avec les symptômes respiratoires et la fonction pulmonaire chez les enfants.

Le tableau n'évolue pas dans un seul sens. Entre 2005 et 2023, les décès attribués aux PM2.5 dans l'UE ont diminué de 57 % et l'objectif de réduction de 55 % pour 2023 a été atteint. Autrement dit, une amélioration mesurable est possible lorsque la réglementation, la technologie et le contrôle fonctionnent ensemble. Les opinions divergent également sur où chercher la solution : une approche se concentre sur les technologies de contrôle des émissions et l'application des normes, tandis qu'un autre point de vue soutient que la réduction la plus rapide des NOx passe par le passage aux véhicules électriques des utilisateurs de véhicules les plus consommateurs de carburant.

Questions fréquentes sur les NOx, le CO et les particules

Pourquoi les PM2.5 sont-elles plus dangereuses que les PM10 ?

La réponse est cachée dans la taille. Grâce à leur diamètre inférieur à 2,5 microns, les particules PM2.5 peuvent pénétrer au plus profond des systèmes respiratoire et circulatoire ; les particules plus grosses comme les PM10 ne peuvent pas atteindre cette profondeur. Plus la profondeur de pénétration augmente, plus l'effet au niveau cellulaire et le risque de transport vers le système cardiovasculaire s'élèvent.

Le diesel ou l'essence, lequel produit le plus de NOx ?

Le diesel. Comme les moteurs diesel fonctionnent à des températures et pressions plus élevées, avec une combustion riche en oxygène, ils produisent un plus grand volume de NOx. C'est aussi la raison pour laquelle le contrôle des NOx du diesel nécessite des systèmes supplémentaires comme la SCR et la recirculation des gaz d'échappement (EGR).

Quels sont les symptômes de l'intoxication au CO ?

Les premiers symptômes sont les maux de tête, les étourdissements, la somnolence et les nausées ; au stade avancé apparaissent des vomissements et une perte de conscience. Comme le CO est inodore et incolore, l'exposition n'est pas remarquée avant l'apparition des symptômes.

L'air à l'intérieur du véhicule peut-il vraiment être plus pollué ?

Oui, dans un trafic dense, l'air respiré à l'intérieur d'un véhicule peut être pire que celui respiré par une personne marchant sur la même route ; les gaz d'échappement peuvent pénétrer directement dans l'habitacle. C'est l'indicateur pratique de l'importance des réglages de fenêtres fermées et de recirculation de l'air.

En résumé : chaque polluant émis par l'échappement a son propre mécanisme de formation, sa voie de nocivité et une solution conçue pour le combattre. Les NOx sont la signature de la haute température, le CO de la combustion incomplète, les PM des suies et les HC des carburants imbrûlés ; comme les normes mesurent ces quatre éléments séparément, il devient facile de comprendre pourquoi chaque technologie existe.

Sources

• Vehicle NOx emissions: The basics
• Nitrogen Oxides (NOx)
• Basic Information about NO2 | US EPA
• What is nitrogen oxide and how do cars create it?
• Nitrogen Oxides | ToxFAQs™ | ATSDR
• Health and Environmental Effects of Particulate Matter (PM)
• Carbon Monoxide & Health | California Air Resources Board
• Border Agents Exposure to Carbon Monoxide (CO)
• Inhalable Particulate Matter and Health (PM2.5 and PM10)
• A systematic review of the health effects associated with diesel exhaust
• European emission standards
• Facts About SCR
• Impact of excess NOx emissions from diesel cars on air quality
• VW's excess emissions and premature deaths
• New study quantifies impact of NOx emissions from diesel vehicles
• Air pollution | European Environment Agency
• Unburned hydrocarbon emission mechanisms in small engines
• In-car air pollution