Le transport automobile et la pollution atmosphérique

Le transport automobile est à l’origine d’une part importante de la pollution atmosphérique. En effet, les véhicules à moteurs thermiques (Essence ou Diesel), qui représentent la majorité du parc automobile mondial, rejettent des gaz polluants (CO, HC, NOx,…) nocifs aussi bien pour l’homme que pour l’environnement. La mise en vigueur de normes démissions de gaz polluants, et leur durcissement, a contraint les constructeurs automobiles à produire des véhicules de moins en moins polluants. Pour cela, des améliorations ont été apportées au niveau du fonctionnement du moteur et par l’intégration de systèmes de post-traitement en ligne des gaz d’échappement. Cependant, il est aujourd’hui nécessaire de rendre les véhicules encore plus « propres » et donc de perfectionner les stratégies de dépollution. Il faut ainsi continuer la recherche et le développement des systèmes de post-traitement des gaz d’échappement, mais également des capteurs de gaz permettant de contrôler le bon fonctionnement de ces systèmes et d’agir sur les différents paramètres du moteur et des systèmes de post-traitement.

Le transport automobile et la pollution atmosphérique

Le moteur thermique

L’industrie automobile a vu le jour grâce à l’invention du moteur thermique au 19ème siècle qui repose sur la réaction chimique de « combustion » pour produire de l’énergie, c’est le moteur à « combustion interne ». Il existe aujourd’hui deux types de moteurs à combustion interne :
→ les moteurs à allumage commandé (Essence) pour lesquels un mélange d‟air et de carburant (essence) est introduit dans la chambre de combustion du cylindre (Figure 1) avant d‟être enflammé par l‟étincelle d‟une bougie lors de la compression du mélange par un piston,
→ les moteurs à allumage par compression (Diesel) qui fonctionnent par autoinflammation du carburant (gazole) lorsque celui-ci est injecté dans la chambre de combustion du cylindre, en fin de compression de l‟air par le piston.

Le principe du moteur à « combustion interne » repose sur le cycle d‟Otto, équivalent au cycle de Beau de Rochas, pour les moteurs Essence, et sur le cycle de Diesel pour les moteurs Diesel, suivant le schéma général suivant : Admission → Compression → Combustion/Détente → Echappement . Les moteurs automobiles utilisent un ou plusieurs cylindres pour effectuer la combustion. Dans chaque cylindre, un piston effectue un mouvement rectiligne alternatif qui est transformé en rotation par un vilebrequin relié au piston par une bielle. L‟arrivée du mélange air/carburant et l‟échappement des gaz brûlés sont gérés par deux soupapes dans la chambre de combustion du cylindre.

Le mélange idéal comburant/carburant est dit « stœchiométrique » et ne devrait émettre que du gaz carbonique et de la vapeur d‟eau à l‟échappement d‟un véhicule. Cependant, il est difficile de maintenir la stœchiométrie du mélange air/carburant à cause de l‟imperfection de la mécanique du moteur et des changements rapides de régime moteur provoqués par le « comportement du conducteur » qui rendent difficile un dosage parfait du carburant et de l‟air admis dans les cylindres. Seuls les moteurs à essence fonctionnent dans des conditions oscillant aux alentours de la stœchiométrie, les moteurs diesel, eux, fonctionnent en excès d‟air. Les différences entre un moteur à essence et un moteur diesel engendrent donc des émissions de gaz polluants différentes et donc des stratégies de posttraitement différentes.

Les principaux polluants

La composition des gaz polluants émis à l‟échappement dépend principalement de celle du carburant utilisé et de celle de l‟air admis. Malgré les progrès techniques des moteurs et la mise en œuvre d‟un post-traitement des gaz d‟échappement, les véhicules automobiles d‟aujourd‟hui continuent à émettre une certaine quantité de polluants et la pollution liée au transport automobile reste donc problématique. Les principaux polluants émis par les véhicules à moteur à « combustion interne » sont :

→ Le dioxyde de carbone (CO2) qui, avec l‟eau, est le principal produit de la combustion complète des carburants. Le CO2 est un gaz à effet de serre et n‟est pas réglementé à l‟heure actuelle.
→ Le monoxyde de carbone (CO), résultant de la combustion incomplète du carburant due à un apport d‟air insuffisant, est un gaz toxique, mortel à faible dose.
→ Les hydrocarbures (HC), principaux composés des carburants, sont issus de la combustion incomplète des carburants. Certains provoquent des irritations ou sont cancérigènes.
→ Les oxydes d’azote NOx (NO et NO2) : le monoxyde d‟azote (NO) se forme lors des combustions à température élevée puis s‟oxyde lentement au contact de l‟air aux plus faibles températures pour former le dioxyde d‟azote (NO2). Ces polluants, en particulier le NO2, sont irritants pour le système respiratoire. Ils jouent aussi un rôle dans la formation de l‟ozone.
→ Le dioxyde de soufre (SO2), dû à de faibles quantités de soufre dans les carburants.
→ Les particules diesel carbonées, provenant de la combustion incomplète du gazole. Elles accroissent les risques de maladies respiratoires et probablement de cancer.

Les normes d‟émissions de polluants ne concernent actuellement que le monoxyde de carbone (CO), certains hydrocarbures (HC), les oxydes d‟azote (NOx) et les particules. La quantité de gaz polluants générée par la combustion du carburant varie très sensiblement avec l‟écart à la stœchiométrie du mélange air/carburant (Figure 2). Un mélange riche en carburant (R1 >1 ou λ<1) produit du monoxyde de carbone et des hydrocarbures, alors qu‟un mélange pauvre en carburant (R<1 ou λ>1) produit des oxydes d‟azote .

Les normes européennes d’émissions de gaz polluants

Depuis le début des années 1990, l‟union européenne a mis en place des normes règlementaires d‟émissions des gaz polluants par les véhicules. Les réglementations concernent le monoxyde de carbone, les hydrocarbures, les oxydes d‟azote et les particules et sont actuellement définies à partir d‟un cycle de conduite normalisé appelé « NEDC » (New European Driving Cycle). Ce cycle simule un parcours typique comprenant un roulage urbain et extra-urbain. Les normes dépendent essentiellement du type de motorisation Diesel  et Essence .

Les systèmes de post-traitement des gaz d’échappement

La réglementation des émissions de polluants a amené les constructeurs automobiles à introduire sur les véhicules des systèmes capables de « dépolluer les lignes d‟échappement ». L‟implantation sur véhicule de systèmes de post-traitement s‟est faite progressivement depuis une vingtaine d‟années. Les performances de dépollution se sont considérablement améliorées par l‟incorporation de nouveaux systèmes capables de traiter les différents polluants ciblés. Cependant le bon fonctionnement des systèmes actifs de post-traitement demande un contrôle précis de leurs performances par l‟intégration de capteurs de gaz.

Le pot catalytique

Le pot catalytique est le premier système de dépollution à avoir été intégré en ligne d‟échappement automobile au milieu des années 1970, sur les véhicules nord américains. Ce système de post-traitement utilise la « catalyse hétérogène » pour dépolluer les lignes d‟échappement. Un catalyseur a pour seule fonction d‟augmenter la vitesse d‟une réaction chimique qui est thermodynamiquement possible. Le pot catalytique est constitué d‟une chambre en acier inoxydable dans laquelle un support céramique dit en « nid d‟abeille » est traversé par les gaz d‟échappement. Le support céramique est généralement en cordiérite et est composé de nombreux canaux (62 canaux/cm2 ) dans lesquels est déposé le matériau actif (Figure 4). L‟effet catalytique est assuré par un métal précieux (généralement platine, palladium ou rhodium) dispersé sur de l‟alumine (« Washcoat»).

L‟efficacité de conversion des gaz polluants par le catalyseur dépend de la température des gaz et/ou du catalyseur et du rapport air/carburant lors de la combustion (Figure 2). Il existe aujourd‟hui deux types de catalyseurs suivant la motorisation des véhicules (essence ou diesel) :
→ Le catalyseur dit « trois voies » pour les moteurs à essence, qui permet le traitement des hydrocarbures, du monoxyde de carbone et des oxydes d‟azote grâce à un fonctionnement moteur le plus proche possible de la stœchiométrie,
→ Le « Catalyseur d’Oxydation Diesel » (DOC) pour les moteurs diesel, qui permet uniquement le traitement des hydrocarbures et du monoxyde de carbone du fait que les moteurs diesel fonctionnent en excès d‟air. Le catalyseur est donc inefficace envers les NOx (Figure 5). Le DOC est associé à un filtre à particules (FàP) depuis la mise en vigueur des normes Euro 4 et Euro 5.

Le traitement des hydrocarbures et du monoxyde de carbone se fait par une réaction d‟oxydation catalysée par du platine ou du palladium, alors que le traitement des oxydes d‟azote est réalisé par une réaction de réduction catalysée par du rhodium .

Le taux de conversion du catalyseur dépend fortement de la quantité d‟oxygène présente dans les gaz d‟échappement, qui elle-même dépend de la richesse du moteur, c’est-à-dire du rapport entre le volume de carburant et le volume d‟air lors de la combustion (Figure 5). Le catalyseur n‟est donc efficace que sur une étroite fenêtre autour de la stœchiométrie du mélange air/carburant. C‟est pourquoi une sonde à oxygène (ou sonde Lambda) est intégrée en amont du pot catalytique pour contrôler en permanence la quantité d‟oxygène qui est directement reliée au ratio air/carburant. Cela permet, via un calculateur, d‟ajuster la quantité de carburant nécessaire pour garder un mélange air/carburant proche de la stœchiométrie lors de la combustion et donc d‟optimiser la conversion des gaz polluants par le catalyseur. Les moteurs diesel fonctionnant toujours en excès d‟air (mélange pauvre), il est donc inutile d‟utiliser un catalyseur trois voies et seule l‟oxydation du CO et des HC est effectuée par le catalyseur d‟oxydation diesel (DOC).

Table des matières

INTRODUCTION
A \ Le transport automobile et la pollution atmosphérique
A.I Le moteur thermique
A.II Les principaux polluants
A.III Les normes européennes d’émissions de gaz polluants
B \ Les systèmes de post-traitement des gaz d’échappement
B.I Chronologie des systèmes de post-traitement dans l’automobile
B.II Le pot catalytique
B.III Le traitement des oxydes d’azote (Catalyse DéNOx)
B.IV Le traitement des particules solides
B.V Les limites des systèmes de post-traitement actuels
C \ Capteurs de gaz et contrôle des émissions de gaz en ligne d’échappement automobile
C.I Introduction / Généralités sur les capteurs
C.II Technologies des capteurs de gaz en ligne d’échappement automobile
D \ Conclusion du chapitre 1
A \ Elaboration des capteurs
A.I La sérigraphie
A.II Pâtes utilisées
A.III Etapes de fabrication
A.IV Connectique et encapsulation des capteurs
B \ Bancs de tests capteurs
B.I Bancs d’essais à « Faibles Débit et Température de gaz »
CHAPITRE 1 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE 2 ELABORATION, MOYENS D’ESSAIS ET OPTIMISATION DES CAPTEURS DE GAZ
B.II Bancs d’essais à « Débit et Température de gaz élevés »
B.III Dispositif de mesure statistique de la conductance des capteurs
C \ Protocoles de tests
C.I Tests « statiques monogaz »
C.II Tests « statiques en mélanges binaires de gaz »
C.III Tests « dynamiques »
D \ Choix de la configuration des capteurs
D.I Elément sensible SnO2
D.II Couche protectrice passive
E \ Conclusion du chapitre 2
A \ Présentation et tri des capteurs
A.I Reproductibilité des résistances de chauffage des capteurs
A.II Sélection d’un lot de capteurs
B \ Influence de l’élaboration des capteurs sur leurs propriétés de détection
B.I Position des capteurs sur la plaquette alumine
B.II Ordre de passage des plaquettes alumine dans le temps
B.III Conclusion
C \ Etude de l’influence des variations des paramètres expérimentaux
C.I Effet de la concentration en vapeur d’eau
C.II Vitesse gaz : Température et débit total des gaz
C.III Température des capteurs
D \ Etude du temps de réponse des capteurs
D.I Réponses dynamiques sous monoxyde de carbone (CO)
D.II Réponses dynamiques sous dioxyde d’azote (NO2)
E \ Influence des couches catalytiques
E.I Présentation
E.II Etude sur « Banc Gaz Chauds EMSE »
CHAPITRE 3 ETUDE DE L’INFLUENCE DES PARAMETRES GAZEUX ET D’UTILISATION DES CAPTEURS POUR L’APPLICATION EN LIGNE D’ECHAPPEMENT
F \ Etude du vieillissement en laboratoire des capteurs
G \ Application en conditions réelles : Tests sur « Banc à Rouleaux »
G.I Le « Banc à Rouleaux »
G.II Tests et résultats des capteurs en ligne d’échappement
H \ Conclusion du chapitre 3
A \ Modélisation pour un seul gaz : « MONOGAZ »
A.I Préambule
A.II Influence de l’oxygène
A.III Réponse des capteurs sous gaz réducteur dans l’air
A.IV Réponse des capteurs sous gaz oxydant dans l’air
A.V Conclusion
B \ Réponses sous mélanges binaires de gaz
B.I Réponse en mélange de deux gaz réducteurs (CO et C3H8) dans l’air
B.II Réponse en mélange d’un gaz réducteur (C3H8) et d’un gaz oxydant (NO2)
C \ Conclusion du chapitre 4
CONCLUSION GENERALE

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