[Diesel] Polluants et dépollution

[Thibault03 0]

Un petit récapitulatif de quelques composés formés par les moteurs diesel.
Même s’il y en a moins sur le forum que les essences, les diesels qui envoient débarquent de plus en plus (Seat Leon TDi 150 par exemple, Audi R8 TDi …par exemple aussi !).

J’ai trouvé assez intéressant de savoir ce qu’il se passait pour le carburant lui-même, du coup, je fais un petit bilan de ce que j’ai retenu.

Désolé, je n'ai pas de belles images pour illustrer tout ça.


Les composés que je vais tenter d’aborder sont les CO, les hydrocarbures HC, les oxydes d’azote NOx et les particules. Il y en a bien évidement toute une ribambelle d’autres, mais là…je ne me souviens plus.



Les HC et CO :

La réaction principale lors de la combustion dans un moteur Diesel est le craquage de l’hydrocarbure HC

2HC=>H2+2C (crackage)

H2+2O2=>2H2O

C+O2=>CO2

2C+O2=>2CO (CO favorisé en mélange riche)

Enfin 2CO+2OH=>2CO2+H2 (OH étant un composé intermédiaire)

Une partie du HC peut être non craquée et se retrouver en sortie de la chambre. De même, en fonction de la richesse et de la température, du CO n’est pas oxydé en CO2 et se retrouve…dehors. Si la zone est trop riche localement et que du CO est formé, alors il n’y aura pas assez d’air pour oxyder le CO en CO2. Cela se produit à pleine charge ou même lorsque du carburant se plaque sur la paroi du cylindre par exemple.


Les Particules :

Les suies sont la partie carbonée des particules. Elles se forment à des températures supérieures à 1200° environ, et en mélange riche. Des températures supérieures à 1500° en combustion diesel étant courantes, la formation des suies est assez favorisée.

La combustion diesel est, de plus, hétérogène : elle commence avant le mélange Air-Carburant n’ait eu le temps de se faire ; du coup, localement, un mélange riche est forcément rencontré dans la chambre de combustion, et ce, même si la richesse globale est inférieure à 1 (excès d’air).

Leur taille est microscopique (de l’ordre de 10e-8 m) ; (1 gramme pourrait tapisser 200m² de surface ). Elles vont être la « source » des particules, plus grosses car les suies ne sortent pas toutes propres de la combustion.

En effet, divers composés (HC, NO2 par exemple) vont venir s’agglutiner autour lors du passage dans la ligne d’échappement, et l’abaissement de température (un peu brutal) va favoriser certaines réactions chimiques. La présence du catalyseur sert à brûler les hydrocarbures, encore à l’état gazeux (sinon, le cata n’est plus efficace), et surtout avant que les HC n’aient le temps d’être absorbés par une suie.
Cette succession d’agglutinations forme les particules.

Chimiquement, il se passe tout un tas de réactions, notamment d’oxydations, avant d’arriver à la particule « finale ». Les oxydations sont dues au contact des particules formées dans la chambre avec l’oxygène, causée par les mouvements du flux d’air, swirl et tumble (le swirl est le mouvement hélicoïdal global du flux, le tumble est lui aussi un mouvement hélicoïdal, mais lui au sein du tube subissant le swirl….).

Leur poids augmente donc au fur et à mesure de leur progression. Facteur supplémentaire, le soufre contenu dans le fuel donne des composés sulfates après combustion, sulfates qui viennent absorber un peu d’eau en passant, et qui sont à leur tour absorbés (éventuellement) par une particule.

Leur taille finale est de l’ordre de 0.1 micromètre (pour donner une idée, un cheveu fait environ 40 micromètres d’épaisseur).


NOx :

Les NOx sont formés de NO et NO2 ; ils se forment préférentiellement en zone pauvre. Leur formation est favorisée par un excès d’air donc, et une température élevée (2000°). Elle est d’autant meilleure que la richesse n’est pas éloignée des proportions stoechiométriques.
La combustion étant hétérogène, la quantité de NOx formée sera plutôt proportionnelle à la quantité de carburant injectée.

Une minorité se re-décompose avec le refroidissement, mais cette quantité est infime.
Les NOx ont plutôt tendance à se former entre le début de la combustion (à cause des zones de richesse favorables) et le point de pression maximale dans le cylindre (à cause des températures élevées ; un même volume de gaz comprimé s’échauffant…souvenir du lycée ).

Des solutions permettent de diminuer ceux-ci en sortie de l’échappement :
-si on retarde un peu la combustion, on a tendance à réduire la température du mélange (point maximal de pression un peu moins chaud)
-le système EGR (Exhaust Gas Recirculation) peut intervenir également : il y a moins d’oxygène dans la chambre, et les gaz d’échappement (neutres dans la réaction) vont créer un « voile » qui va absorber un peu de chaleur (un peu comme le rôle de l’azote dans un kit NOS ).
-les pièges à NOx, qui consistent à créer des réactions chimiques sur ces derniers pour les décomposer.


Voila pour ces quelques infos, pas forcément très « techniques », mais qui interviennent sous le capot de certaines de nos voitures

Les particules restent le facteur polluant le plus "différent" de ce qui est obtenu en essence (et un des plus préoccupants dans les post-traitements de dépollution). Pour les NOx, ils sont plus nombreux également en diesel qu’en essence.

Les normes EURO étant de plus en plus sévères, les solutions pour diminuer tous ces éléments ont fait un bond ces dernières années.


Les solutions résident soit dans les actuateurs (vannes EGR, pièges à NOx, filtres à particules, catalyseurs), soit dans les stratégies d’injection : le multipoint ou multi jet permet d’injecter en plusieurs fois le carburant.
On distingue :
-les injections "pilote" préparent le cylindre (chauffage avant point mort haut)
-les pré-injections
-l'injection principale qui fournit le couple
-les post-injections également là pour les réductions de polluants tels que les NOx et également pour faire monter les gaz d'échappement en température lorsqu'il faut régénérer un filtre à particule par exemple.

A noter que la somme de toutes ces injections reste inférieure à ce qu'on injectait en une fois il y a quelques années.

L’ECU donne l’ordre d’injection de chacune en fonction des paramètres mesurés (température échappement, taux de O2 etc….

Le piège à NOx (ou NOx trap) fait réagir les composés polluants qui passent au travers. Il permet de limiter NOx et SOx ( le soufre réagit avec le dioxygène pour donner du SO2 notamment).

On nettoie les NOx assez régulièrement (tous les 5 Km environ) en faisant tourner le moteur à richesse 1 (jeu par le biais d’un volet d’admission et des diverses injections). Les SOx sont nettoyés plus rarement (tous les 500 Km environ), et j’ai un gros doute sur la méthode employée !

Le filtre à particules va les pièger à leur passage, et est régénéré régulièrement (détection de la différence de pression entre l’entrée et la sortie ; quand la différence est trop importante, il est plein !). La régénération consiste alors à brûler les particules en augmentant la température des gaz d’échappement, par l’intermédiaire d’une post-injection comme écrit plus haut, ou en intervenant sur le taux d’EGR.


On n’arrête pas le progrès…