Comment contrôler l’efficacité d’un catalyseur

Comme nous le savons, la combustion d’un moteur essence génère des gaz nocifs et polluants pour les êtres vivants et pour notre planète. Il est également clair que les constructeurs automobiles mettent en oeuvre des solutions pour résoudre ce problème.

Une des principales solutions montée sur les moteurs essence depuis plusieurs années est le catalyseur à 3 voies.

Catalyseur

Comme son propre nom (“trois voies”) l’indique, cet élément constitué de monolithes en céramique et monté à l’échappement élimine les trois principaux gaz polluants qui émanent du moteur.

CO (Monoxyde de carbone) HC (Hydrocarbures) NOx (Oxydes d’azote)

Pour contrôler l’efficacité du catalyseur, le mécanicien doit s’aider d’un analyseur de gaz pour mesurer les gaz sortant de l’échappement et détecter un possible dysfonctionnement du catalyseur. 

Un analyseur de gaz d’échappement conventionnel exécute généralement cinq mesures. Voici une synthèse de ce que représente chacune de ces mesures.

CO: Le monoxyde de carbone est le résultat du processus de combustion et est toujours généré  lorsque celui-ci est incomplet. C’est un gaz toxique inodore et incolore. 

Valeur haute de CO:

 -Mélange riche. 

 -Combustion incomplète. 

 -Si la valeur de CO est très haute, il existe normalement un manque de O₂.

CO₂: Le dioxyde de Carbone est également le résultat du processus de combustion, il n’est pas toxique à faible niveau.

C’est un excellent indicateur de l’efficacité de la combustion.

En règle générale, des lectures basses de ce gaz reflètent d’un mauvais processus de combustion.

Valeur de CO₂:

-Excellent indicateur de l’efficacité de la combustion.

-Si la combustion est mauvaise, le CO₂ baisse toujours.

-Si la combustion est bonne, le CO₂ est toujours haut.

HC: Tout combustible est un hydrocarbure; cette donnée mesure l’essence, l’huile et les autres éléments de combustible qui sortent du moteur sous l’état d’imbrûlés.

L’unité de mesure est le ppm, partie par million.

Valeur haute de HC:

-Indique généralement un mélange riche.

-Combustion polluée par de l’huile, des gaz ou autres substances.

-Mauvaise combustion pour mélange pauvre.

-Le CO est haut également.

-Le CO₂ est bas.

O₂: C’est l’excédent d’oxygène résultant du processus de combustion.

Une valeur haute d’oxygène peut être due à un mélange pauvre, à une combustion qui ne consume pas tout l’air ou à une prise d’air sur la ligne d’échappement. 

Valeur haute de O₂:

Présence d’oxygène imbrûlé.

Indice d’un mélange pauvre.

Peut être le produit d’une combustion haute en  O₂ et en HC (défaut d’allumage).

Le CO₂ est bas.

Défaut efficacité du catalyseur (valeur de O₂ légèrement haute).

C’est le rapport du poids air-combustible réel du moteur à l’instant.

Le rapport idéal air-combustible est de 14.7 g d’air pour 1 g de combustible.

Si ce rapport est obtenu (idéal), le rapport lambda est égal à 1.

Rapport lambda:

Lambda = 1: mélange stoechiométrique (rapport 14,7 à 1).

Lambda < 1: indique mélange riche (excès de combustible ou manque d’air)

Lambda > 1: indique mélange pauvre (excès d’air ou manque de combustible).

Comme on peut l’observer, chaque mesure peut être altérée en fonction de la panne que présente le moteur.

Le tableau suivant indique les valeurs d’un véhicule catalysé sur un moteur fonctionnant correctement et dont les sondes lambda détectent donc des valeurs de gaz inaltérées.

	LECTURE DE GAZ AVANT LE CATALYSEUR	LECTURE DE GAZ APRÈS LE CATALYSEUR
CO	Entre 0,4 et 0,8 %	Inférieur à 0,2 %
CO₂	Supérieur à 13, %	Supérieur à 13,5 %
HC	Inférieur à 250 ppm	Inférieur à 100 ppm
O₂	Inférieur à 1,5 %	Inférieur à 0,2 %
LAMBDA	Entre 0.99 et 1.02	Entre 0.99 et 1.01
RPM	2000 rpm	2000 rpm

Comme on peut l’observer, les gaz traités (CO, HC) par le catalyseur sortent corrigés (les NOx ne sont pas inclus car la majorité des analyseurs ne mesurent pas cette valeur). On note également la variation significative de l’O₂ en sortie du catalyseur.

Voyons pourquoi s’effectue cette correction:

                                     Entrée des gaz - catalyseur - sortie des gaz

Deux réactions chimiques sont obtenues grâce aux métaux nobles contenus dans le monolithe du catalyseur:

Oxydation: addition d’oxygène aux composants des gaz d’échappement

CO + O₂ = CO₂

Le CO composé d’1 atome de Carbone + 1 d’Oxygène s’oxyde. C’est-à-dire qu’il gagne un atome d’oxygène et se transforme donc en CO₂.

HC + O₂ = H₂O y CO₂

Les HC composés d’1 atome d’Hydrogène + 1 de Carbone s’oxydent. D’une part s’unissent 2H (H₂) + 1 O dont le résultat est le H₂O. D’une autre le C et 2 O pour obtenir de nouveau du CO₂.

Réduction: extraction d’oxygène des composants des gaz d‘échappement.

NOx + CO = N y CO₂

L’oxygène est extrait du NOx (1 atome d’ Azote (N) + x atomes d’oxygène Ox = NOx) et l’azote (N) est ainsi libéré alors que l’oxygène restant s’unit au CO pour obtenir le CO₂.

En conclusion, il n’y a pas d’apparition ou de disparition d’atomes mais uniquement des combinaisons de formes différentes générant des composés différents.

O₂: Si l’on se fit au processus, on se rend compte qu’il y a un élément fondamental et essentiel pour obtenir ces réactions : c’est l’oxygène. Sans lui, il n’y aura pas ces processus de réaction.

De plus, il est important de rappeler que le catalyseur nécessite une température d’environ 300ºC pour fonctionner. Sans cette température, il n’y aura pas non plus ces processus de réaction.

Avec ces éléments clés, nous pouvons contrôler l’efficacité de notre catalyseur:

1ª test

Diagnostic avec l’analyseur de gaz, nous nous concentrons sur trois valeurs :

CO: la valeur doit être basse, inférieure à 0,2 %.

HC: la valeur doit être base également, inférieure à 100 ppm.

O₂: comme nous l’avons vu, si le catalyseur travaille bien, il utilise l’oxygène et le convertit. De cette façon, la valeur de l’O₂ à la sortie du catalyseur doit être très basse, inférieure à 0.2%. S’il y a une présence notable d’oxygène en sortie, cela indique que le catalyseur ne travaille pas correctement.

	LECTURE DE GAZ AVANT LE CATALYSEUR	LECTURE DE GAZ APRÈS LE CATALYSEUR
CO	Entre 0,4 et 0,8 %	Inférieur à 0,2 %
CO₂	Supérieur à 13, %	Supérieur à 13,5 %
HC	Inférieur à 250 ppm	Inférieur à 100 ppm
O₂	Inférieur à 1,5 %	Inférieur à 0,2 %
LAMBDA	Entre 0.99 et 1.02	Entre 0.99 et 1.01

Il est également utile de mesurer les valeurs avant et après le catalyseur. S’il existe un dysfonctionnement, nous verrons que les valeurs ne sont pas corrigées.

Insérer la sonde avant le catalyseur peut s’avérer difficile. Dans ce cas, nous pouvons profiter du fait que le catalyseur ne travaille pas avant l’obtention d’une température de 300ºC. Nous pouvons ainsi insérer la sonde en sortie, démarrer le moteur et lire les valeurs des gaz non traités pendant quelques minutes. 

Progressivement, la température augmentera et les valeurs des gaz seront corrigées.

2nd test

Diagnostic par température, les réactions chimiques générées dans le catalyseur produisent une augmentation de température de celui-ci. De cette façon, si les réactions sont effectuées correctement, la température à la sortie du catalyseur est plus élevée qu’à l’entrée d’une différence de température approximative de 20 à 50ºC.