Des millions de voitures empruntent les routes des Etats-Unis, elles sont toutes des sources potentielles de pollution de l'air. La pollution produite par l'ensemble des voitures peut provoquer d'énormes problèmes, notamment dans les grandes villes.
En vue de résoudre ces problèmes, les villes, les états et le gouvernement fédéral rédigent des lois sur l'assainissement de l'air et de nombreuses lois visant à limiter la pollution produite par les voitures ont été édictées. Les constructeurs automobiles ont perfectionné les moteurs et les circuits d'alimentation des voitures afin de respecter ces lois. Pour réduire davantage les émissions, ils ont conçu un dispositif fondamental appelé convertisseur catalytique, qui traite les gaz d'échappement des voitures avant leur rejet et réduit la pollution de façon considérable.
Emplacement du convertisseur catalytique dans une voiture.
Cet article vous explique quels sont les polluants produits par un moteur et, pourquoi et comment un pot catalytique traite chacun de ces polluants. Il est étonnant de constater l'extrême simplicité des convertisseurs catalytiques et l'extraordinaire étendue de leur impact !
Pour réduire les émissions, les moteurs automobiles modernes contrôlent de manière précise la quantité de carburant brûlée. Ils essaient de conserver le rapport air/carburant à un niveau très proche du point stœchiométrique, qui correspond au rapport air/carburant idéal calculé. Théoriquement, lorsque ce rapport est atteint, la totalité du carburant utilise la totalité de l'oxygène présent dans l'air pour la combustion. Le rapport stœchiométrique de l'essence est d'environ 14,7:1, ce qui signifie que pour 1 l d'essence, 14,7 l d'air sera brûlé. En fait, le mélange carburant s'éloigne légèrement du rapport idéal pendant l'utilisation de la voiture. Parfois, le mélange est pauvre (rapport air/carburant supérieur à 14,7 l), et parfois, il est riche (rapport air/carburant inférieure à 14,7 l). Les principales émissions d'un moteur de voiture sont :
- Azote (N2) : l'air est composé de 78 % d'azote, dont la plus grande partie passe directement dans le moteur de la voiture
- Gaz carbonique (CO2) : l'un des produits de la combustion. Le carbone contenu dans le carburant se lie avec l'oxygène présent dans l'air.
- Vapeur d'eau (H2O) : un autre produit de la combustion. L'hydrogène contenu dans le carburant se lie avec l'oxygène présent dans l'air.
La plupart de ces émissions sont bénignes (même si l'on pense que les émissions de gaz carbonique contribuent au réchauffement de la planète). En revanche, le processus de combustion n'étant jamais parfait, des petites quantités d'émissions plus nocives sont également produites par les moteurs automobiles :
- Monoxyde de carbone (CO) : gaz toxique incolore et inodore
- Hydrocarbures ou composés organiques volatiles (COV) : ils résultent principalement de l'évaporation du carburant non brûlé. Le soleil les décompose puis les transforme en oxydants, qui par réaction aux oxydes d'azote engendrent de l'ozone troposphérique (O3), composant principal du brouillard de pollution.
- Oxydes d'azote (NO et NO2, leur association étant appelé NOx) : ils engendrent du brouillard de pollution et des pluies acides et provoquent l'irritation des membranes muqueuses de l'être humain
Ce sont les trois principales émissions réglementées et celles que les convertisseurs catalytiques sont censés réduire.
La plupart des voitures modernes sont équipées d'un convertisseur catalytique trifonctionnel. Le terme « trifonctionnel » fait référence aux trois émissions réglementées qu'il permet de réduire : le monoxyde de carbone, les COV et les molécules NOx. Le convertisseur utilise deux différents types de catalyseurs : un catalyseur réducteur et un catalyseur à oxydation. Les deux catalyseurs sont constitués d'une structure céramique recouverte d'un catalyseur en métal, généralement du platine, du rhodium et/ou du palladium. L'idée est de créer une structure exposant la zone de surface maximale du catalyseur aux gaz d'échappement émis tout en réduisant la quantité de catalyseur requise (les catalyseurs sont coûteux).
Convertisseur catalytique trifonctionnel : remarquez les deux catalyseurs séparés
Deux principaux types de structures sont utilisés dans les convertisseurs catalytiques : le nid d'abeilles et les perles de céramique. De nos jours, la plupart des voitures utilisent une structure en nid d'abeilles.
Structure de catalyseur céramique en nid d'abeilles
Le catalyseur réducteur constitue la première étape du convertisseur catalytique. Il utilise du platine et du rhodium pour contribuer à la réduction des émissions NOx. Lorsqu'une molécule NO ou NO2 entre en contact avec le catalyseur, ce dernier arrache l'atome d'azote de la molécule et le retient, libérant l'oxygène (O2). Les atomes d'azote se lient à d'autres atomes d'azote également retenus par le catalyseur et forment le N2.
Le catalyseur d'oxydation constitue la deuxième étape du convertisseur catalytique. Il réduit les hydrocarbures et le monoxyde de carbone non brûlés en les brûlant (par oxydation) sur un catalyseur en platine et palladium. Ce catalyseur déclenche la réaction du CO et des hydrocarbures avec l'oxygène restant dans les gaz d'échappement.
Par exemple :
2CO + O2 => 2CO2
Mais d'où vient cet oxygène ?
La troisième étape est un système de contrôle qui surveille les gaz d'échappement émis et utilise ces informations pour contrôler le système d'injection de carburant. Une sonde à oxygène est installée en amont du convertisseur catalytique, ce qui signifie qu'elle est plus proche du moteur que le convertisseur ne l'est. Cette sonde indique à l'ordinateur de gestion du moteur la quantité d'oxygène contenue dans les gaz d'échappement. L'ordinateur du moteur peut augmenter ou réduire la quantité d'oxygène contenue dans les gaz d'échappement en modifiant le rapport air/carburant. Ce système de contrôle permet à l'ordinateur de gestion du moteur de vérifier, d'une part, que le moteur fonctionne à un niveau proche du point stœchiométrique et, d'autre part, que la quantité d'oxygène contenue dans les gaz d'échappement est suffisante pour permettre au catalyseur d'oxydation de brûler les hydrocarbures et le CO non brûlés.
Le convertisseur catalytique contribue à réduire considérablement la pollution mais il peut être nettement amélioré. L'un de ses plus importants inconvénients est le fait qu'il fonctionne uniquement à une température relativement élevée. Lorsque vous démarrez votre voiture à froid, le convertisseur catalytique ne réduit pratiquement pas la pollution des gaz d'échappement.
Une solution simple permet de remédier à ce problème : il suffit de rapprocher le convertisseur catalytique du moteur. Cela signifie que les gaz d'échappement plus chauds atteignent le convertisseur qui se réchauffe alors plus vite, toutefois, l'exposition du convertisseur à des températures extrêmement élevées réduit sa durée de vie. La majorité des constructeurs automobiles placent le convertisseur sous le siège passager avant, à une distance du moteur suffisante pour assurer le maintien des températures à un niveau suffisamment bas pour éviter que le convertisseur ne soit endommagé.
Le préchauffage du convertisseur catalytique est une solution efficace pour réduire les émissions. La façon la plus simple de préchauffer le convertisseur est d'utiliser des résistances électriques chauffantes. Malheureusement, les systèmes électriques à 12 volts dont sont équipées la plupart des voitures ne sont pas assez puissants pour réchauffer le convertisseur catalytique suffisamment vite. La plupart d'entre nous n'attendrait pas les quelques minutes nécessaires au réchauffement du convertisseur catalytique avant de démarrer. Les voitures hybrides munies d'importants blocs de batteries à haute tension sont capables de fournir une alimentation suffisante pour réchauffer le convertisseur très rapidement.
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