Thèmes:
- Général
- Fonctionnement du catalyseur à trois voies/oxydation
- Températures de travail
- Fonctionnement du catalyseur NOx
- Le vieillissement et ses causes
Général:
Le nom Catalyst vient à l’origine du mot grec Katalysis (qui signifie dissolution). Un catalyseur est nécessaire depuis fin 1992 pour répondre aux exigences environnementales. Les gaz d'échappement contiennent des substances nocives : CO (monoxyde de carbone), NOx (oxyde d'azote) et CH (hydrocarbure imbrûlé). Ces substances sont (oxydées) en substances non nocives. D'où le nom de catalyseur d'oxydation.
En chimie, un catalyseur est une substance qui provoque une réaction chimique et l’accélère ou la ralentit sans subir elle-même aucune modification.
Fonctionnement du catalyseur à trois voies/oxydation :
Un catalyseur n'est pas un filtre, mais peut être considéré comme un élément de conversion dans lequel ont été ajoutés des métaux précieux comme le platine, le rhodium ou le paladium. Si les gaz d’échappement entrent en contact avec celui-ci, une réaction chimique très rapide se produit. Les molécules des gaz nocifs sont décomposées et liées à d’autres molécules, ce qui donne un gaz non nocif. Le catalyseur est capable de purifier les gaz d'échappement à 90 %. Cependant, cela se fait au détriment d’une consommation plus élevée et d’une puissance moindre. En effet, cela crée une certaine résistance à l’air dans le chemin d’échappement.
Substances présentes dans les gaz d'échappement :
- CO2 : Dioxyde de carbone (Nocif pour l'environnement, les humains et les animaux à fortes concentrations)
- CO : Monoxyde de carbone (gaz incomplètement brûlé, également nocif pour la santé)
- CH : Hydrocarbures (parties essence non brûlées)
- O2 : Parties oxygénées (n'ayant pas participé à la combustion)
- NOx : Composé azoté (qui ne se forme qu'à des températures de combustion très élevées.
Le catalyseur convertit les 3 composants nocifs CO, HC et NOx en 3 composants inoffensifs : CO2, H2O et N2. Le nom de catalyseur à trois voies vient également d'ici.
Pour ajouter de l'O2 et du CO au catalyseur afin que la conversion puisse avoir lieu, le schéma d'injection du moteur doit être ajusté. Pour former de l'O2, le mélange doit être pauvre (moins de carburant, plus d'air). Pour former du CO, le mélange doit être riche (plus de carburant, moins d’air). Ce dernier cas n'est pas le cas avec les moteurs à mélange pauvre, voir le chapitre sur les catalyseurs de NOx plus bas dans la page.
En injectant toujours un peu trop et un peu trop peu de carburant dans les cylindres, on crée toujours un mélange riche et pauvre. Les surplus de CO et d'O2 finissent ainsi dans le catalyseur. Dans le catalyseur, le platine réagit avec le CO et les HC. Le rhodium assure la réduction des NOx. Cela explique également pourquoi une tension variable est mesurée lors de la mesure sur la sonde Lambda. La tension y varie entre 0,2 et 0,8 Volt (de faible à riche, etc.) Le système de gestion du moteur de la voiture (l'ECU) le régule lui-même. Il n’y a donc rien à régler.
| Substance nocive: | Ajouter depuis : | Résulte en: |
| CO+ | O2 = | CO2 |
| HC+ | O2 = | CO2 + H2O |
| NOx+ | CO = | N2 + CO2 |
Pour ajouter de l'O2 et du CO au catalyseur afin que la conversion puisse avoir lieu, le schéma d'injection du moteur doit être ajusté. Pour former de l'O2, le mélange doit être pauvre (moins de carburant, plus d'air). Pour former du CO, le mélange doit être riche (plus de carburant, moins d’air). Ce dernier cas n'est pas le cas avec les moteurs à mélange pauvre, voir le chapitre sur les catalyseurs de NOx plus bas dans la page.
En injectant toujours un peu trop et un peu trop peu de carburant dans les cylindres, on crée toujours un mélange riche et pauvre. Les surplus de CO et d'O2 finissent ainsi dans le catalyseur. Dans le catalyseur, le platine réagit avec le CO et les HC. Le rhodium assure la réduction des NOx. Cela explique également pourquoi une tension variable est mesurée lorsque le sonde lambda est mesuré. La tension y varie entre 0,2 et 0,8 Volt (de faible à riche, etc.) Le système de gestion du moteur de la voiture (l'ECU) le régule lui-même. Il n’y a donc rien à régler.
Ce que l’on peut voir dans le tableau ci-dessus, c’est que les substances sont toutes transformées, entre autres, en CO2. Le CO2 est désormais considéré comme une substance dangereuse pour l’environnement et responsable du réchauffement climatique. Cependant, une personne expire également du CO2. Celui-ci est reconverti en O2 (oxygène) par les arbres et les plantes. Trop de CO2 a un effet nocif. Les arbres et plantes sont minoritaires et ne sont pas capables de tout transformer en O2. Pour les moteurs à combustion, la teneur en CO2 doit être la plus élevée possible. Cela semble fou, car on pourrait penser que ce montant serait maintenu aussi bas que possible. La chose est comme ça ; plus la teneur en CO2 est élevée, moins les émissions de CO et de HC sont importantes. Le CO et les HC sont directement nocifs pour la santé lorsqu'ils sont inhalés. La seule façon de réduire les niveaux de CO2 est de passer à des carburants alternatifs, à des moteurs à combustion plus petits (plus économiques) et à une conduite plus silencieuse.
Températures de travail :
L'effet utile du catalyseur commence à une température de 250 degrés et atteint son maximum à une température de 450 degrés. Après le démarrage du moteur, il faut un certain temps avant que l'effet purifiant ne commence. Le pot catalytique est monté le plus près possible du collecteur d'échappement, car il atteint plus tôt sa température de fonctionnement. Des températures des gaz d'échappement comprises entre 800 et 1000 XNUMX degrés assurent un vieillissement thermique plus rapide, ce qui raccourcit la durée de vie et réduit donc la surface active.
Il existe également des pots catalytiques dotés d'un élément chauffant qui garantit que le catalyseur atteint sa température encore plus rapidement après un démarrage à froid. Celui-ci peut alors se réguler encore plus rapidement après la mise en marche du moteur, ce qui entraîne des gaz d'échappement plus propres.
Pour réchauffer le catalyseur le plus rapidement possible après un démarrage à froid, un pompe à air secondaire.
Fonctionnement du catalyseur NOx :
Il a été expliqué précédemment que les NOx peuvent être réduits par le catalyseur en obtenant un supplément de CO dans les gaz d'échappement. Cela n'est possible que pour enrichir le mélange. Dans les moteurs à mélange pauvre de Volkswagen (FSI) et BMW (Efficient Dynamics), entre autres, les moteurs fonctionnent toujours avec un mélange avec un surplus d'air à charge partielle et à bas régime (c'est-à-dire pauvre et jamais riche). Avec un catalyseur à trois voies normal, il est donc impossible de convertir les NOx en N2 + CO2. Pour éliminer les NOx des gaz d'échappement, un catalyseur spécial NOx (stockage) avec un composant spécial au baryum est nécessaire. En plus du composant baryum, ce catalyseur contient également des métaux précieux tels que le platine et le rhodium.
Le catalyseur à trois voies convertit les valeurs CO et HC en CO2 et H2O comme décrit précédemment. Le NOx est converti par le catalyseur NOx. Des capteurs de température supplémentaires et un capteur de NOx sont nécessaires pour surveiller en permanence les valeurs.
L'image ci-dessous montre un système d'échappement tel qu'utilisé par VW, BMW (et de plus en plus d'autres marques).
Les gaz NOx sont stockés à froid dans ce catalyseur. Les autres gaz d'échappement peuvent continuer leur chemin à travers l'échappement. Pendant la période riche en oxygène, les gaz NOx sont stockés dans le composant baryum. Les NOx s'accumulent (tout comme les suies sont stockées dans un filtre à particules). Au fil du temps, le catalyseur devient saturé. C'est le moment où il est plein de NOx. Le catalyseur doit ensuite être régénéré. Le capteur NOx le reconnaît et envoie un signal à l'ECU. A ce moment le mélange est enrichi, notamment pour régénérer le catalyseur de NOx. Cela ne se produit que lorsque le catalyseur de NOx a atteint une température de 800 degrés (cela est enregistré par le capteur de température et également transmis à l'unité de commande du moteur). Un enrichissement temporaire libère du CO supplémentaire. Grâce à ce CO, une conversion en N2 + CO2 peut avoir lieu grâce aux composants platine et rhodium. Après régénération, le moteur fonctionnera à nouveau avec un mélange pauvre jusqu'à ce que le catalyseur soit à nouveau saturé.
Des dysfonctionnements peuvent également survenir avec ce système. Si la voiture ne roule que sur de courtes distances (ce qui est mauvais pour l'ensemble de la voiture), le catalyseur de NOx ne pourra pas atteindre sa température de fonctionnement. Dès qu’il est saturé (plein), il faudra le régénérer. Ce n'est que si le capteur de température continue à mesurer une température trop basse que l'ECU n'enrichira jamais le mélange. Si le catalyseur n'est pas à la température de fonctionnement, les composants platine et rhodium ne peuvent pas encore effectuer de conversion. À ce moment-là, le voyant de panne du moteur s'allumera et la cause sera révélée lors du scan de la voiture. Le catalyseur sera ensuite régénéré à l'aide de l'armoire d'essai ou d'un essai routier rapide. Il est donc préférable de parcourir occasionnellement un long trajet (par exemple 50 km ou plus sur autoroute) et de préférence un trajet à une vitesse plus élevée. Le catalyseur atteindra alors facilement sa température de travail.
De nos jours, les moteurs diesel utilisent le Catalyseur SCR (Réduction Catalytique Sélective) appliqué. Ce catalyseur SCR stocke également les NOx, mais il en existe également un Système de dosage d'AdBlue ajouté à.
Le vieillissement et ses causes :
- Essence : Un pot catalytique à trois voies ne peut fonctionner qu'avec de l'essence sans plomb. Si l'on fait le plein d'essence au plomb, elle adhère au métal précieux en une fine couche, ce qui réduit le contact avec les gaz d'échappement et le rend même impossible au bout d'un certain temps. Une réaction chimique ne peut alors plus se produire. Le catalyseur est désormais en panne et doit être remplacé. C'est une affaire coûteuse. De l'essence au plomb a été ajoutée pour atteindre une certaine limite de détonation. Grâce à l'utilisation actuelle de capteurs de cliquetis, le plomb a été éliminé du carburant.
- Le pétrole a également un effet dévastateur sur l’intérieur. S'il y a beaucoup de fuites d'huile, par exemple au niveau des segments de piston, des guides de soupape ou du turbo, une grande quantité d'huile peut se retrouver dans le pot catalytique. L’huile fait également adhérer une couche au métal précieux, qui perd alors son efficacité.
- Conduite sur de courtes distances : En parcourant de nombreuses courtes distances, le catalyseur atteint rarement ou jamais sa température de fonctionnement. Les résidus de HC (essence) imbrûlés adhèrent à la surface céramique. S'il est parcouru sur une longue distance, ces résidus de HC sont toujours brûlés. Si vous continuez à rouler sur de courtes distances, ces résidus de HC adhéreront également à l'intérieur, faisant perdre au catalyseur son efficacité avec le temps.
La deuxième sonde lambda (la sonde de saut) mesure souvent si le catalyseur a correctement converti les gaz. Si le catalyseur vieillit ou si l'intérieur est défectueux, cette deuxième sonde lambda le mesurera. Un voyant de défaut s'allumera alors sur le tableau de bord. Le remplacement du catalyseur est alors nécessaire. Plus d'informations sur la sonde lambda peuvent être trouvées sur la page Sonde lambda.
