La depollution

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LYCEE PROFESSIONNEL
Antoine de St Exupéry
M
V
A
Les systèmes de dépollution.
1) POURQUOI CE PHENOMENE EXISTE T-IL ?
La combustion dans un moteur génère un certain nombre de résidus. Ceux-ci
découlent des réactions chimiques de la combustion et dépendent essentiellement :
-
du carburant utilisé
-
de la température de fonctionnement moteur
-
de la conception de la chambre de combustion
-
du système d'injection
-
des conditions d'utilisation
La pollution, engendrée par un moteur à combustion interne, se compose :
 D'une pollution gazeuse : gaz d'échappement (70%), vapeurs d'huile (20%)
et de carburant (10%).

D'une pollution sonore :
Le bruit est en fait une variation de pression de l'air, formant une fréquence de forme
sinusoïdale. Le principe du contrôle actif du bruit est alors de générer une fréquence
inverse qui, en s'additionnant, viendrait annuler le bruit ciblé. En d'autre terme, la
création d'un bruit supplémentaire dans une pièce peut la rendre silencieuse…
Pour fonctionner, il suffit d'un capteur de mesure du bruit, d'un logiciel de traitement
et d'un haut-parleur. (Nissan Bluebird) La réalisation est, bien sûr, un peu plus
complexe.
Des études ainsi que des réalisations ont pour but de perfectionner des matériaux
acoustiques
non
homogènes,
accompagnés de nouvelles stratégies de
contrôle
du
bruit,
qui
améliorent
l'absorption et l'atténuation du son aux
basses
fréquences.
Ces
matériaux
(mousses, fibres, feutres) sont évidemment
employés dans plusieurs composants
acoustiques des automobiles, comme le
plancher, les panneaux des portières et les
garnitures de pavillon. Ils contribuent
grandement à diminuer le bruit que les
(pare-boues acoustiques, montés sous les ailes des roues,)
occupants
véhicule
d'un
peuvent
entendre
dans les années 1930 et a commencé
sation commerciale a plutôt débutée
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ement de l'électronique,
dans des
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2) LES DISPOSITIFS ANTIPOLUTION SONORES
2.1 / L'insonorisation autour du moteur
Depuis 1970, la législation européenne a imposé quatre directives sur les émissions
sonores extérieures des véhicules. Ainsi, la limite est passée de 82 décibels à
seulement 74 dBA depuis 1995. A partir de 2005, une nouvelle norme sur le bruit
ambiant provoqué par les automobiles a fixé la limite supérieure à 71 dBA. Les
principales sources de bruit perçues dans l'habitacle d'un véhicule sont le roulage
des pneumatiques, la combustion du moteur et les turbulences aérodynamiques.
Le compartiment moteur est l'une des principales
sources d'émissions sonores, tant vers l'extérieur que
vers l'intérieur du véhicule. Les insonorisants souscapot, sur et sous-moteur et tablier côté moteur sont
autant de composants conçus pour arrêter et absorber
ces bruits.
Plusieurs accessoires du moteur contribuent à
l'absorption des vibrations. Les arbres d'équilibrages
sont de plus en plus répandus. Ils diminuent les
vibrations de second ordre et sont généralement placés
juste sous le vilebrequin. Le " booming ", c'est à dire la
résonance grave produite par le moteur, est réduit de 2
à 12 décibels selon le régime.
Sur le moteur Diesel Honda, la poulie d'entraînement
des accessoires est pourvue d'un anneau en
caoutchouc éliminant tout contact entre le moteur et la
courroie.
Cette poulie isole les accessoires des variations de
régime dues au cycle 4 temps du moteur 4 cylindres.
Elle est particulièrement efficace à très bas régime.
Les vibrations sont ainsi réduites de 15 à 20% à 1000
tr/mn.
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Moquettes, isolants sous tapis et insonorisation du tablier (séparation entre le
compartiment moteur et l'habitacle) empêchent le passage des bruits en provenance
du compartiment moteur et de la route.
3) LES DISPOSITIFS ANTIPOLLUTION GAZEUSE
3.1 / Recyclage des vapeurs d'huile moteur :
A l'intérieur du carter moteur s'accumulent des gaz qui possèdent une concentration
importante d'hydrocarbures imbrûlés (vapeurs d'huile et de carburant).
La législation contre la pollution précise que ces gaz ne doivent pas être rejetés dans
l'atmosphère, mais recyclés au sein même du moteur.
Ces vapeurs sont réintroduites par l'intermédiaire de durites dans le système
d'admission pour rejoindre la chambre de combustion.
Des calibreurs positionnés dans les conduits ou des systèmes plus évolués sont
utilisés pour contrôler la quantité de vapeurs admises dans le cylindre afin de ne pas
perturber le bon déroulement de la combustion.
Ventilation du carter et réaspiration des vapeurs d'huile
1 Collecteur admission
2 Séparateur huile / vapeur
3 Boîtier filtre à air
4 Clapet de recyclage
5 Raccordement soupape au
collecteur d'admission
A : piquage sur carter cylindre
B : déshuileur
C : collecte gaz gras
D : ré aspiration (filtre air)
A
C
B
D
3.2 / Réaspiration des vapeurs d'essence :
Le respect des normes antipollution passe également par le contrôle des vapeurs
d'essence, en évitant au maximum le rejet de celles-ci à l'atmosphère.
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Le rôle du canister est de récupérer les vapeurs d'essence du réservoir, parfois du
bloc moteur et du système d'admission (si carburateur), plutôt que de les envoyer
dans la nature.
Le canister est un récipient de charbons actifs (souvent situé dans l’une des ailes
avant). Les charbons actifs piègent les vapeurs d’essence.
Il est composé d'un filtre à charbon actif qui a la particularité de stocker les vapeurs
d'essence. Les vapeurs sont stockées lorsque le moteur est à l'arrêt et injectées
dans la tubulure d'admission pour recyclage lorsque le moteur est en
fonctionnement. Les circuits d'aspiration et de refoulement des vapeurs sont
contrôlés par des électrovannes commandées par le boîtier électronique de gestion
du moteur.
Mise en situation sur le véhicule du circuit anti-évaporation et recyclage
des vapeurs d'essence
1 Réservoir
2 Clapet de sécurité et ventilation
3 Clapet multifonction (dé) pression
4 Filtre à charbon actif (canister)
5 Electrovanne
6 Calculateur
La mise à l'air libre du réservoir de carburant se réalise au travers de l'absorbeur des
vapeurs d'essence, par l'intermédiaire d'une canalisation. Ces vapeurs sont retenues
par le charbon actif contenu dans l'absorbeur (canister).
1 Calculateur
2 Relais de commande
3 Electrovanne du réservoir .
charbon actif
4 Filtre de la pompe du
diagnostic de fuites
5 Pompe de diagnostic de
fuites
6 Soupape de purge
7 Réservoir. charbon actif
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Le calculateur de gestion moteur, en fonction de paramètres, autorise ou non, via
une ElectroVanne, le passage des vapeurs d'essence vers le collecteur d'admission.
L'EV permet une section de passage variable. Ex : La purge est effectuée lorsque le
moteur est en phase régulation de richesse, hors pied levé, t°C mot.>70°C et t°C
air>20°C.
3.3 / Injection d'Air à l'Echappement :
Une insufflation d'air secondaire sur la soupape d'échappement, qui, conjointement à
un enrichissement momentané, est réalisée par le calculateur. Cela crée une
postcombustion dans le collecteur d'échappement, laquelle va engendrer une
augmentation de la température des gaz d'échappement et ainsi accélérer le
fonctionnement du catalyseur.
L'objectif est de faire un apport d'air à l'échappement afin de pouvoir brûler les
hydrocarbures en excès, et, ainsi, d'accélérer la montée en température du
catalyseur afin qu'il soit efficace plus tôt (phase de démarrage froid).
1 Calculateur
2 Pompe à air (avec filtre)
3 Filtre à air
4 Boîtier papillon
5 Collecteur
échappement
6 Culasse
7 Collecteur admission
8 Vanne d'injection d'air
Vanne d'injection d'air 8
Collecteur
échappement
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Moteur froid au démarrage, le calculateur pilote la pompe à air permettant l'ouverture
de la vanne et l'injection d'air dans le collecteur d'échappement.
Lorsque que le moteur atteint sa température de fonctionnement, l'alimentation de la
pompe est interrompue. Le ressort ramène la soupape de la vanne, isolant les deux
circuits.
3.4 / Recyclage des gaz d'échappement :
Pour réduire la teneur en oxydes d'azote (NOx) contenus dans les gaz
d'échappement, on réintroduit une partie des gaz d'échappement dans l'admission.
En effet, la formation d'oxyde d'azote est due principalement aux températures très
élevées des chambres de combustion sous fortes charges. Pour diminuer ces
températures, une solution consiste à réinjecter des gaz inertes qui vont se mélanger
avec les gaz frais pour ralentir la vitesse de combustion. Or, les gaz d'échappement
sont des gaz déjà brûlés, donc inertes. Le procédé permet d'introduire des gaz
d'échappement, en quantité suffisante, et au moment opportun, dans le collecteur
d'admission. Un moteur peut fonctionner avec un mélange contenant jusqu'à 25 %
de gaz brûlés. Il existe deux solutions pour permettre cette recirculation des gaz
d'échappement :
- la recirculation interne au moteur;
- la recirculation externe.
Schéma de principe de la recirculation externe des gaz d'échappement
1 Admission
2 Echappement
3 Vanne EGR
4 Circulation
gaz
d'échappement
E.V.
Ech.
Adm.
Une partie des gaz d'échappement passe dans le collecteur d'admission au travers
d'une vanne EGR
(Exhaust Gaz Recirculation = recirculation des gaz
d'échappement).
Cette vanne est commandée par la dépression du moteur qui agit sur une membrane
solidaire d'un axe et d'un clapet autorisant ou non le passage des gaz.
Lorsque la dépression est suffisante pour vaincre la force du ressort, la membrane se
soulève et le clapet s'ouvre.
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Système avec vanne EGR avec
Électrovanne intégrée
4)
Le pot catalytique
Système avec vanne EGR
4.1 / Présentation, constitution
Le pot catalytique, positionné à la sortie de l'échappement du moteur, est l'élément le
plus important de l'épuration des gaz. En conduite normale, ce catalyseur transforme
jusqu'à 99% des composants chimiques nocifs contenus dans les rejets
d'échappement en composants normaux de l'atmosphère.
Isolant thermique en
fibre d'alumine
3
Supports monolithique
alvéolés (métal ou
céramique) dont les
parois sont revêtues
de matériaux précieux
à base de platine,
palladium, rhodium et
ruthénium (environ 2g)
4.2 /
Enveloppe en acier
inoxydable
Classification
La technique du catalyseur utilise 2 procédés chimiques :
► L'oxydation :
une substance se combine avec l'oxygène
► La réduction : une transformation dégage de l'oxygène
On distingue 2 types de pots catalytiques :
▓ Le pot catalytique d'oxydation (catalyseur : rhodium, ruthénium)
Il permet l'oxydation du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures (HC)
imbrûlés pour les transformer en gaz carbonique et en vapeur d'eau. Ce pot est
obligatoire sur les véhicules diesel depuis 1997.
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▓ Le pot catalytique trois voies ou trifonctionnel (catalyseur : platine, rhodium,
palladium)
En plus du monoxyde de carbone et des hydrocarbures, il traite également les
oxydes d'azote.
4.3 / Equations chimiques
N2
NO
Oxydation du Monoxyde de Carbone
2 CO + O2

2 CO2
Effet du Platine
Oxydation des hydrocarbures :
2 C2H6 + 7O2

4 CO2 + 6 H2O
Effet du Platine

N2 + 2 CO2
Effet du Rhodium
Réduction des oxydes d'azote :
2NO + 2 CO
La quantité d'oxygène résiduel dans les gaz d'échappement doit être maintenue
constante. La teneur en oxygène dépend à son tour du taux du rapport air/carburant
dans le cylindre lors de la combustion.
Le taux idéal est de 1 gramme de carburant pour 14,7 grammes d'air. Si la proportion
de carburant est supérieure, les rejets de monoxyde de carbone (CO) et
d'hydrocarbures (HC) augmentent et si elle est inférieure (mélange pauvre), c'est au
contraire le taux d'oxydes d'azote (NOx) qui augmente.
Pour qu'un catalyseur puisse fonctionner à plein rendement, la température doit
atteindre + 400°C.
Cela signifie donc que l'épuration des gaz n'intervient pas aussitôt après le
démarrage d'un moteur froid. A cet effet, les catalyseurs des moteurs récents sont
installés en sortie de collecteur et non plus au milieu de la ligne, sous la voiture
comme par le passé.
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Le catalyseur n'a, par contre, aucun effet sur les rejets de dioxyde de carbone (CO2),
qui sont directement proportionnels à la consommation de carburant.
Les parties mécaniques et chimiques du pot catalytique sont aussi des pièces d'usure. Il suffit de
contrôler s'il y a une émission de CO au ralenti pour connaître son état.
Les spécialistes multiplient le taux de CO par 333 pour évaluer le taux d'usure. Par exemple, si un
relevé vous donne 0,18% de CO, le taux d'usure est de 0,18% x 333 = 60%.
4.4 / Rôle de la sonde à Oxygène
Pour atteindre l'efficacité maximale du pot catalytique, et donc éliminer le plus grand
nombre de polluants contenus dans les gaz d'échappement, le mélange doit être
dosé avec beaucoup de précision et proche en permanence de la richesse 1.
Comme la teneur en Oxygène des gaz d'échappement est directement liée au
dosage du mélange, grâce à la mesure en continu de la quantité d'Oxygène, il est
possible de déterminer avec précision le dosage.
C'est la sonde lambda qui donne, en temps réel, l'information richesse du mélange
au calculateur (sous forme de tension électrique). Le pot catalytique, pour son
fonctionnement, est tributaire de celle-ci. A partir des informations fournies par la
sonde lambda, le calculateur corrige le temps d'ouverture des injecteurs, donc le
dosage et la richesse.
Trois sortes de sondes sont actuellement en service:
 La sonde classique
Cette sonde est un générateur. A ses bornes elle génère une tension entre 0 et 1Volt
selon que le mélange est riche ou pauvre.
Les ions d'oxygène traversent la
céramique et créent sur les faces
de celle ci une différence de
potentiel qui varie en général de
0V à 1V.
La différence en teneur d'oxygène crée une tension sur les faces de la sonde.
La tension créée est une information pour le calculateur. Celui-ci corrige la richesse
en fonction de l'information. Donc, si un voltmètre est branché aux bornes de la
Les sondes de dernière génération peuvent aller jusqu'à 5 Volts.
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Certaines d'entre elles fonctionnent en négatif soit jusqu'à - 5 Volts.
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sonde, la tension lue varie en permanence autour de la valeur "richesse 1" on dit
alors que la sonde "bat".
Sa température de fonctionnement est au minimum de 300°C.
C'est pourquoi la sonde est souvent positionnée proche du
moteur et qu'elle est actuellement souvent chauffée
électriquement. La température de 850 ° est sa limite supérieur
(longévité) ,930° en pointe. A trop faible température, elle ne
fonctionne plus car la céramique (oxyde de zirconium) est
insuffisamment conductrice.
Les véhicules nouvellement créés depuis 1999 doivent
posséder une deuxième sonde. Celle-ci, placée après le pot
catalytique contrôle le bon fonctionnement de celui-ci. Un
voyant placé au tableau de bord doit avertir d'un
disfonctionnement du pot catalytique. La prise diagnostic
EOBD doit être accessible (contrôles forces de l'ordre).
 La sonde au dioxyde de titane (TI O2 )
Cette sonde est une résistance variable de:
2 K Ohm en mélange riche
1 M Ohm en mélange pauvre
Elle est alimentée en 5 V
La valeur lue pour une température de
650°C est de:
3,85 V en mélange riche
0,07 V en mélange pauvre
Température minimum de
fonctionnement 500°
 La sonde à large bande
Ce système utilise une sonde classique comme base. Il
est monté en dérivation sur l'échappement.
Un circulateur d'air maintient en permanence un débit
de
gaz
d'échappement
dans
ce
circuit.
Le calculateur maintient, en pilotant le circulateur, une
valeur
constante
à
la
sonde
lambda.
Le calculateur prend en compte l'intensité de
commande du circulateur.
La valeur
mesurée
est plus fine que pour les
Lycéeainsi
St Exupéry
Limoges
autres systèmes.
Ce système est utilisé pour l'injection directe
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4.5 / Cas particulier de la charge stratifiée
Depuis quelques années,
l'injection directe essence
à charge stratifiée est
utilisée comme moyen de
réduction
de
la
consommation.
Mais si le mélange pauvre réduit la consommation de carburant, il n'est pas possible
d'utiliser un catalyseur normal à trois voies pour traiter les rejets d'oxyde d'azote
(NOx). Un deuxième catalyseur, appelé catalyseur De NOx, se charge alors de les
stocker. Le catalyseur De NOx est composé de métaux rares comme le sel de
baryum, le platine, le palladium et le rhodium.
Lorsque la capacité de
stockage arrive à son
maximum, le moteur
fonctionne en mélange
riche pour faire monter la
température à 650 °C.
Le baryum qui recouvre
les alvéoles de ce pot
catalytique
spécifique
transforme le (NOx) en
azote
pur
(N).
Si
l'essence contient une
proportion de soufre, ce
qui est encore le cas
aujourd'hui,
le
phénomène d'élimination
de l'oxyde de soufre est
le
même,
mais
à
température plus élevée.
Catalyseur De NOx de la Citroën C5
Il y a deux méthodes de mesure de la saturation du catalyseur :
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

soit le boîtier électronique calcule la quantité de NOx stockée en fonction de la
température en entrée du pot DeNox,
soit une sonde NOx, placée en sortie de pot DeNox, mesure la concentration
de NOx dans les gaz d'échappement.
4.6 / Le pot catalytique du moteur diesel
 Les pots catalytiques du moteur diesel sont des modèles deux voies (CO et HC).
Ils ne réduisent pas les oxydes d'azote dont la production est limitée. L'autre
différence est la taille supérieure des alvéoles pour éviter l'encrassement dû à la
suie.
 Le filtre à particules :
Bien que les moteurs diesel émettent moins de gaz nocifs que les moteurs essence,
ils gardent une mauvaise image de " pollueurs " à cause de ses émissions de
particules.
Ces dernières sont en effet à l'origine des dépôts noirs dans nos villes et, même si
cela
n'a
pas
été
prouvé,
sont
accusées
d'être
cancérigènes.
Peugeot apporte pour la première fois une solution :
Le Filtre A Particules (FAP). Le modèle Peugeot 607 est la première voiture à être équipée du filtre à particules.
 La particularité du FAP :
Le FAP est traversé par les gaz d'échappement, qu'il laisse passer si possible sans
les ralentir, sauf les particules, que sa structure lui permet de retenir. Ce filtre
s'encrassant, Ce système a longtemps été réservé aux véhicules utilitaires, où un
chauffeur professionnel pouvait se charger de l'entretien du filtre.
Tout a changé avec Peugeot, qui fut le premier à développer avec succès, puis à
commercialiser un filtre à particules avec un système intégré d'auto-nettoyage (Le
système FAP brûle les particules, avec une autonomie de 80 000 km avant le
remplissage du réservoir d'additifs).
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 Principe de fonctionnement
Les particules sont retenues par le filtre.
A l'aide du réactif, les particules sont brûlées.
L'injection à haute pression permet un dosage et
un timing d'une précision immense, pour pouvoir
élever la température des gaz d'échappement. On
ne saurait imaginer un FAP sans entretien ni additif
avec une vieille injection indirecte.
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Quand les particules sont en grande quantité, on
introduit un réactif. Ce peut-être un additif, ou les
gaz d'échappement à très haute température (ou
les 2). L'illustration montre l'arrivée d'un additif.
Le filtre est nettoyé, le cycle peut recommencer.
Un cycle dure plusieurs centaines de kilomètres.
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Mais comment atteindre les 550 C° nécessaires pour brûler les particules alors que
le moteur n'engendre que 200 C° à l'échappement ?
La solution pour brûler les particules vient de deux actions :




Pendant un court instant, le moteur crée une postcombustion. C'est à dire qu'il
continue d'injecter du carburant lorsque la soupape d'échappement est
ouverte.
Une combustion continue dans un pot pré-catalytique en carbure de silicium
qui fait monter la température à 450 C°.
Tout ceci est rendu possible grâce à la gestion électronique de l'injection, le
système " common rail " dans ce cas.
Pendant ce même temps, un produit spécifique à base de cérine, l'Eolys, est
injecté avec le carburant.
Ce produit fait baisser de 100 C° la température nécessaire pour brûler les
particules.
 Maintenance du système
Le nettoyage se fait à 450 C°. Il est automatique et complètement invisible par le
conducteur.
L'entretien à 80 000 km consiste au nettoyage du filtre à l'eau sous pression et au
remplissage du réservoir de 5 litres de Eolys.
5 ) Innovations technologiques
Plusieurs constructeurs et équipementiers mettent au point un pot catalytique au
plasma. Il aurait l'avantage de pouvoir détruire les molécules d'oxyde d'azote et de
soufre, molécules particulièrement émises par les moteurs essence à mélange
pauvre.
Le pot à plasma utilise un courant électrique de 42 volts et d'une puissance de 2 à
400 watts pour transformer les molécules de NOx. Sa température de
fonctionnement n'est que de 200°C.
Essai d'un pot
catalytique au
plasma
par
l'équipementier
Delphi
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Certains constructeurs utilisent des catalyseurs à substrat métallique au lieu du
traditionnel monolithe en céramique.
Il se présente comme une feuille métallique gaufrée, enroulée sur lui-même, et
revêtu des classiques métaux précieux. Ce catalyseur monte plus vite en
température, est moins fragile que la céramique et dure plus longtemps
( auto-innovations.com)
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