- Composition des gaz d'échappement
- Substances non nocives :
- Azote N2, oxygène O2, dioxyde de carbone CO2, vapeur d'eau H2O.
- Substances nocives :
Monxyde de carbone CO, hydrocarbures HC, oxydes d'azote NOx, composés au plomb Pb, dioxyde de soufre SO2, particules solides (suies, etc.).
- La relation entre les cinq composants les plus importants des gaz d'échappement (CO2, HC, CO, NOx et O2) est largement dictée par l'état du moteur et la qualité de la combustion, qui elle même dépend de la préparation du mélange, de l'allumage, de la condition mécanique du moteur ainsi que de sa condition de travail instantanée (émissions brutes, c'est-à-dire pour le domaine situé avant le catalyseur).
La proportion du mélange air/essence a une grande influence sur la formation des trois composants nocifs principaux, le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures non brûlés HC et les oxydes d'azote NOx.
Pour la combustion complète d'un kilo de carburant, il faut en moyenne 14.7 kilos d'air.
Dans ce mélange que l'on appelle stoechiométrique, la "proportion d'air" (lambda) est égale à 1.
La notion (allemande) de "proportion d'air" lambda correspond à la notion (française) de l'inverse de la richesse r, c'est-à-dire 1/richesse, ou, autrement dit, un lambda < 1 représente un mélange riche, alors qu'une richesse > 1 représente un mélange pauvre.
La valeur de lambda permet de voir immédiatement si un mélange est riche ou pauvre, lambda égal O.8, par exemple, correspondant à un rapport poids air/carburant de (O.8 * 14.7) / 1 = 11.76 / 1, mélange extrêmement riche.
La figure suivante montre l'étroitesse de la zone utilisable et la difficulté du problème des gaz d'échappement et illustre l'influence de la composition du mélange sur les gaz d'échappement (CO, C02, HC et NOx), la consommation d'essence et le couple lors d'une charge partielle (régime moyen et remplissage du cylindre constants).
Il est possible d'arriver à avoir de bonnes valeurs de gaz d'échappement uniquement dans une plage étroite de part et d'autre de lambda égal à 1.
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Monoxyde de carbone
C'est le réglage de la préparation du mélange qui a l'influence prépondérante sur la formation du monoxyde de carbone (CO2).
On arrive à des valeurs minimales de monoxyde de carbone pour des valeurs de lambda supérieures à 1.1 où la quantité de CO est presque indépendante du rapport air/carburant.
La préparation du mélange donne au moteur un excès d'air pour les besoins de la combustion.
Avec un mélange pauvre, il est impératif d'avoir un allumage en bon état pour obtenir un fonctionnement impeccable du moteur ; un mélange très pauvre - ou très riche - peut nécessiter jusqu'à quinze fois l'énergie d'allumage d'un mélange lambda égal 1.
La limite de marche des moteurs de construction conventionnelle se situe autour de lambda = 1.25, au-delà, le mélange n'est plus inflammable sans mesures spéciales.
Dans le domaine riche, c'est-à-dire pour lambda inférieur à 1.0, la teneur en CO est presque linéairement dépendante du rapport air/carburant.
En raison d'une législation renforcée, on essaye, pour les utilisations les plus courantes du moteur, de rester dans le domaine de lambda proche de 1 qui est le domaine de travail d'émission minimale de substances nocives.
L'adaptation exacte de la préparation du mélange ainsi que de l'allumage aux différents moteurs a fait diminuer fortement la production de monoxyde de carbone dans les moteurs modernes.
Des valeurs de 0.5 à 1.5 % de volume sont de règle aujourd'hui.
Une proportion de CO trop élevée est donc toujours signe d'une préparation de mélange trop riche, par exemple à cause d'un mauvais réglage des carburateurs ou d'un mauvais fonctionnement du système d'injection.
Un mauvais niveau du flotteur, une pression d'essence trop élevée, un filtre à air encrassé, un reniflard de carter principal défectueux ou un système de starter fonctionnant mal peuvent en être la raison.
- Hydrocarbures non brûlés
Même pour les hydrocarbures non brûlés, on peut atteindre un minimum aux environs de lambda = 1.1 à 1.2.
La proportion d'hydrocarbures, tout comme celle de monoxyde de carbone, augmente lors d'une combustion incomplète due à un mélange trop riche.
Néanmoins, l'émission de HC augmente à nouveau dans le domaine pauvre.
Des températures trop basses dans la tubulure d'admission et dans la chambre de combustion, une distribution non homogène du mélange, le mélange qui s'éteint trop tôt sur des parois de cylindres trop froides, une combustion tardive apparaissant lors de mélanges très pauvres et allant jusqu'au raté d'allumage, provoquent une augmentation importante de la teneur en HC.
L'émission d'hydrocarbures est aussi modifiée par la charge du moteur.
Le niveau de température dans la chambre de combustion croît par l'augmentation de la charge.
Dès lors, la limite de la zone où la flamme s'éteint sur la paroi du cylindre diminue à charge montante.
Par ailleurs, les plus hautes températures provoquent une post réaction dans les phases d'expansion et d'échappement.
Ces effets entraînent une réduction de l'émission d'hydrocarbures non brûlés durant une charge montante.
L'émission de CO suit un processus semblable.
Le réglage et le fonctionnement du système d'allumage ainsi que l'état mécanique du moteur influencent considérablement la quantité absolue de l'émission HC.
Un mauvais réglage de l'allumage, des bougies encrassées, des câbles de bougies défectueux, des trous d'allumage, un manque d'étanchéité à l'admission ou aux cylindres, des soupapes d'injection défectueuses, sont autant de raisons pour un surplus d'hydrocarbures non brûlés dans les gaz d'échappement.
Pour ces raisons, la teneur en HC dans les gaz d'échappement, ainsi que celle du CO, sont des grandeurs mesurables fondamentales pour un diagnostic étendu du moteur.
- Oxydes d'azote
La dépendance de l'émission d'oxydes d'azote (NOx) à lambda est exactement à l'inverse des hydrocarbures.
Il en existe un maximum dans la zone où lambda est environ égale à 1.1.
Bien que par l'appauvrissement du mélange les hydrocarbures soient le plus complètement brûlés, l'oxygène ainsi libéré réagit surtout avec l'oxyde d'azote lors d'une augmentation de pression et de température dans la chambre de combustion.
C'est ainsi qu'une mesure des oxydes d'azote au ralenti ne donne que très peu d'informations significatives.
C'est pourquoi l'utilisation d'un banc de mesures de performances est nécessaire pour mesurer vraiment les oxydes d'azote.
La raison pour laquelle le taux d'oxydes d'azote diminue à nouveau lors d'un appauvrissement plus poussé du mélange est qu'avec une dilution grandissante, la température dans la chambre de combustion baisse à nouveau et recule ainsi la condition pour la formation d'oxydes d'azote.
Une augmentation de l'avance à l'allumage et, en corollaire, une température plus élevée de la chambre de combustion, entraîne une augmentation des oxydes d'azote et ce pour tout le domaine du rapport air/carburant.
L'émission d'oxyde d'azote sur des voitures sans dispositif de réduction des substances nocives ne peut être diminuée par l'atelier, si ce n'est par le réglage du point d'allumage.
Ainsi, c'est seulement depuis que le contrôle des véhicules pauvres en substances nocives est effectué, que la mesure d'oxydes d'azote a son importance pour l'atelier de mécanique.
- Dioxyde de carbone
Le dioxyde de carbone (CO2) n'est pas une substance nocive proprement dite ; faisant partie d'un produit final de la combustion, il doit avoir son maximum au point stoechiométrique lambda = 1.
On peut dès lors, prendre la teneur en COx comme critère pour une combustion plus ou moins complète.
La valeur maximale possible à lambda 1 et à une combustion complète idéale se trouverait environ à 12 % de volume.
Plus la valeur de COx dans les gaz d'échappement approche cette valeur, plus la combustion est complète et plus la part des éléments CO ou HC non brûlés est faible.
D'autre part, à faibles niveaux de substances nocives, une trop basse teneur en COx indique une dilution des gaz d'échappement intolérable, causée par exemple par des fuites ou des trous dans le système d'échappement.
- Oxygène
L'oxygène libre (Ox) dans les gaz d'échappement apparaît lors d'un excès d'air dans le mélange. Dès que l'on dépasse lambda = 1, il apparaît une nette augmentation de la teneur en Ox.
De même que le maximum de dioxyde de carbone, la teneur en oxygène est une indication sans équivoque du passage de la zone riche à la zone pauvre, mais aussi de manques d'étanchéité dans les systèmes d'admission et d'échappement ainsi que d'interruptions de combustion.
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