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ceyal » Pollution Automobile » Historique des systèmes antipollution

Historique des systèmes antipollution

1/ Les équations de combustion (formules approchées)
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Propane : C3H8 + 5 O2 = 3 CO2 + 4 H2O + Chaleur
Butane : C4H10 + 6,5 O2 = 4 CO2 + 5 H2O + Chaleur
Essence : CH1,8 + 1,45 O2 = CO2 + 0,9 H2O + Chaleur
Gazole : C16H34 + 24,5 O2 = 16 CO2 + 17 H2O + Chaleur
Plus généralement
CxHyOz + (x + y/4 – z/2) O2 = xCO2 + y/2 H2O + Chaleur

2/ Le rapport air/carburant idéal
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Le rapport Oxygène/Carburant (en masse) = (x + y/4 – z/2) O2 / CxHyOz
Masses molaires (approchées) : C=12, H=1, O=16, N=14
Le rapport Oxygène/Carburant est donc (x + y/4 – z/2)*32 / (12x + y + 16z)
L’oxygène, c’est 20.9% du volume & 23.1% de la masse d'air
Rapport idéal air/carburant, c’est celui qui permet d’avoir une combustion complète sans hydrocarbures (HC) imbrulés, sans CO, NO, etc… c’est donc en masse :
32(x + y/4 – z/2) / ((12x + y + 16z) * 0,231) soit pour les carburants classiques
Essence : 32 (1+0,45)/((12+1,8)*0,231) = 14,55, en fait c’est 14,71
Gazole : 32 (16+8,5)/((196+34)*0,231) = 14,75
Butane: 15,5 Propane: 15,7 en fait GPL (grosso modo 50/50 Butane/Propane) : 15,87

Il faut donc pour les carburants classiques environ 15 grammes d’air pour brûler 1 gramme de carburant. L’Ethanol et le Methanol font exception avec des valeurs bien inférieures.

3/ Mélange riche et mélange pauvre
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Le mélange est dit stoechiométrique quand on est à l’idéal (environ 15g d’air par gramme de carburant)… dans ce cas, on dit que le lambda = 1; c’est le cas des moteurs à essence classiques à injection indirecte et c’est cette valeur lambda = 1 près qui est vérifiée, à 3% près, au contrôle technique.

Le mélange est dit riche s’il y a un excès carburant par rapport au rapport idéal de 15 grammes d’air par gramme de carburant … dans ce cas, on dit que le lambda est <1. S'il y a par exemple 14g d'air pour un gramme de carburant, le lambda sera de 14/14.7 soit 0,95.

Le mélange est dit pauvre quand il y a un excès d’air avec un lambda > 1.
C’est le cas des moteurs diesel qui fonctionnent par construction en très large excès d’air avec un rapport de plus de 30g d’air par gramme de carburant. Il y a aussi des moteurs à essence à injection stratifiée qui fonctionnent en excès d’air. C’est le cas par exemple des moteurs PSA HPI apparus en 2000 et qui de facto sont carrément dispensés du test « lambda = 1 » au contrôle technique car, vu leur mode de fonctionnement, ils n’ont aucune chance d’y parvenir. C’est aussi le cas des moteurs BMW N43 (1L6, 1L8 ou 2L0) ou N53 (6 cylindres de 2L5, 2L8, 3L0) qui au contrôle technique doivent avoir un lambda entre 0,97 & 2,3. Si le lambda peut monter jusqu’à 2,3 cela veut dire que le rapport air/carburant peut monter jusqu’à 2,3*14.7 = 34 grammes d’air par gramme de carburant, loin du fonctionnement stoechiométrique à 15 grammes d’air par gramme de carburant.

4/ Historique des systèmes antipollution
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1956 : Eugène Houdry [1] un ingénieur des Arts et Métiers Français expatrié aux USA (car personne en France ne voulait de ses inventions sur l’essence aviation) dépose le brevet U.S. 2,742,437 dédié au catalyseur automobile dit catalyseur 2 voies. Considéré comme l’un des 100 plus grands scientifiques aux USA, il mourra sans voir son brevet jamais mis en œuvre car le catalyseur imposait une essence sans plomb ce qui n’arrivera que 20 ans plus tard.
Ce premier type de catalyseur est appelé catalyseur 2 voies car il traite 2 polluants: le monoxyde carbone CO et les Hydrocarbures HC ; il ne traite pas les oxydes d'azote NOx, un troisième polluant.

1975 : apparition de l’essence sans plomb ce qui permet l’introduction des catalyseurs 2 voies sur les voitures à essence aux USA [2]
CO + 1/2*O2 = CO2
2HC + 5/2*O2 = H2O + 2CO2
Ces catalyseurs sont des catalyseurs d’oxydation et vont donc oxyder le CO et les HC en CO2 et H2O non toxiques mais qui restent des gaz à effet de serre.

1979 Brevet Bosch de la sonde à oxygène alias sonde lambda qui délivre une tension entre 0 et 1 Volt selon l’oxygène qui la traverse. Cette invention permet à partir de 1981 la construction de catalyseurs 3 voies traitant en sus du HC et du CO, les NOx selon l’équation
NO = N + 0,5 O2
Cette opération de réduction consiste à retirer de l’oxygène des oxydes d’azote.

Cette opération de réduction (retirer l’oxygène des oxydes d’azote) est en parfaite contradiction avec l’opération d’oxydation (ajouter de l’oxygène) qui servait pour neutraliser le CO et les HC. Elle ne peut donc être effectuée simultanément avec cette dernière.

Puisque qu’il est donc strictement impossible d’effecteur en même temps une opération d’oxydation et une opération de réduction, le traitement antipollution complet conduit donc à faire ces 2 opérations consécutivement, schématiquement ½ seconde de réduction pour extraire l’oxygène suivie d’½ seconde d’oxydation pour l’ajouter.
Voilà pourquoi le calculateur d’une voiture à essence classique alterne les modes « légèrement riches » et « légèrement pauvres » 2 fois par seconde environ.
Pour qu’en final, le mélange soit macroscopiquement parfait (lambda =1), l’alternance riche/pauvre est réglée finement par le calculateur d’injection sur instruction de la sonde à oxygène alias sonde lambda) qui lui dit en temps réel si le mélange est légèrement riche ou légèrement pauvre.

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Oscillation entre 0 et 1000mV de la sonde lambda amont d’une Clio2 1L2 16V, moteur D4F

1981 : introduction des catalyseurs 3 voies sur les voitures US à essence
1989 : introduction des catalyseurs 3 voies sur les voitures à essence Françaises de plus de 2 litres
1992 : introduction des catalyseurs 3 voies sur toutes les voitures essence Françaises
1996 : introduction des catalyseurs 2 voies sur tous les Diesel en France
En effet, un moteur diesel fonctionnant TOUJOURS en mélange pauvre en TRES large excès d’air, il est strictement impossible d’y faire fonctionner un catalyseur 3 voies qui impose des phases de réduction. Les moteurs diesel de cette période étaient donc de gros émetteurs de NOx. A contrario, tout le carburant étant brulé avec ce large excès d’air, ces moteurs émettent globalement peu de HC/CO.
C’est évidemment la même chose pour les moteurs à essence fonctionnant en mélange pauvre aussi appelé lean burn ou mode stratifié comme par exemple les BMW dotés des moteurs essence N43 ou N53.

2000 : généralisation de l'injection directe haute pression sur les Diesels (HDI, dCI, etc...)
2000 : pour limiter la production de NOx sur les diesel et quelques véhicules essence, généralisation de la vanne EGR [3]. L’injection de gaz d’échappement contribue à abaisser la température de combustion donc la production de NOx. C’est le but de cette vanne.
2000 : introduction de voitures à essence à injection directe et mélange pauvre (PSA HPI reprenant le principe des Mitsubishi GDI en mode stratifié, Renault IDE fonctionnant au contraire avec un fort taux d’EGR, …) avec en corollaire les mêmes avantages, du moins en théorie, (consommation, CO2) et les mêmes défauts (particules dues à l’injection directe, NOx dues au mélange pauvre) que les Diesel ... en fait l'économie en carburant bien réelle sur les GDI au Japon ne sera pas complètement au rendez vous sur les PSA HPI car le carburant de l'époque était soufré contrairement au carburant Japonais.
2006 : introduction à grande échelle du FAP (Filtre à Particules) sur les Diesel

2010 : généralisation sur les voitures à essence, sauf petits véhicule urbains, des techniques des moteurs Diesel : injection directe common rail haute pression (200 bars versus 1500 bars pour les diesel ; en effet le gazole étant dix fois plus visqueux que le SP, la lubrification du nez de l’injecteur continue de s’effectuer même quand on augmente la fréquence et la pression d’injection)
2011 : obligation du FAP sur tous les Diesel, norme Euro5
2015 : normes de pollution Euro6 imposant un traitement des NOx sur les Diesel avec un catalyseur de NOx de type LNT [6] ou SCR (avec injection d’Urée) [4,5]
2018 : les moteurs à essence à injection directe (moins de 6000 milliards de particules par kilomètre) sont soumis à la même limite du nombre de particules que les diesel depuis 2011 (moins de 600 milliards de particules par km), ce qui dans la pratique impose la mise en place d’un FAP
2018 : comme suite au scandale Volkswagen, renforcement des systèmes anti-NOx des diesel conduisant dans la pratique en l’adoption quasi systématique d’un système SCR renforcé avec injection d’urée.

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/E​ugene_Houdry
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/C​atalytic_converter
[3] https://fr.wikipedia.org/wiki/ [...] chappement
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/ [...] _reduction
[5] https://fr.wikipedia.org/wiki/ [...] %A9lective
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/​NOx_adsorber
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