Je vous propose aujourd’hui une petite session « technique » et de nous pencher sur le problème des particules, source de pollution visuelle pendant de nombreuses années et qui suscite de vives interrogations sanitaires.
Je vous saurai gré de ne pas faire preuve de talibanisme anti-Diesel 🙂
Par simplification je ne ferai pas la différence entre les fumées, les particules et les suies.
Pour rappel, la richesse d’un mélange air/carburant = 1 si on a la masse exacte d’air pour brûler la masse de carburant, <1 si on a plus d’air et >1 si on a plus de carburant.
Quel est le mécanisme physique responsable de la formation de particules ?
Comme vous vous en doutez, c’est au niveau de la combustion que tout se joue. Il existe en effet deux types de combustion :
– la flamme de prémélange : comme son nom l’indique la flamme se déplace dans un mélange carburant/comburant homogène.
Un moteur Essence utilise une telle combustion. En effet, le mélange air/carburant est réalisé dans les conduits d’admission, avant l’ouverture des soupapes d’admission. Pendant les phases d’admission et de compression, le mélange est terminé dans la chambre de combustion. Lors de l’allumage par la bougie, la flamme se propage dans la chambre.
– la flamme de diffusion : ici, la combustion a lieu dans un milieu hétérogène. La flamme se forme entre le carburant et le comburant.
Un moteur Diesel utilise une combustion de ce type. L’air est admis pendant la phase d’admission, puis comprimé. Une fois que le piston est arrivé au PMH (point mort haut), les conditions thermodynamiques (pression et température) sont suffisantes à l’auto-inflammation du Gazole. Les injecteurs haute pression injectent directement ce dernier dans la chambre de combustion. On a donc bien un mélange hétérogène entre l’air qui était présent dans la chambre et le Gazole qui arrive directement des injecteurs.
On peut ici faire le parallèle avec une bougie. L’air est le comburant et la bougie est le carburant. On a là aussi une hétérogénéité complète entre les deux milieux.
Puisqu’on est dans les exemples, on peut aussi citer le fameux bec Bunsen que vous avez sans doute utilisé à l’école dans votre jeunesse. La particularité de ce magnifique objet est qu’il est équipé d’une virole, que vous pouvez tourner, et soit :
– vous la fermez, le gaz sort directement du bec et est mis en contact avec l’air. On a donc une flamme de diffusion
– vous l’ouvrez, l’air est « aspiré » par effet venturi dans le corps du bec et on a ainsi formation d’un mélange plus ou moins homogène, en fonction de l’ouverture que vous avez réglée. On a donc une flamme de prémélange.
C’est ici que l’enchainement se fait parfaitement, quelle est la couleur de la flamme dans les deux cas ? Elle est bleue et peu visible dans le cas où vous avez ouvert la virole de la bonne manière. Dans le cas où vous la fermez totalement, on a une belle flamme jaune-orange : il s’agit de la combustion des particules formées à proximité de la flamme de diffusion.
Pourquoi donc a-t-on formation de particules principalement lors d’une combustion de diffusion ?
En réalité, des particules peuvent être formées pendant une combustion de prémélange, mais seulement à la condition que la richesse soit très élevée. Lorsque l’on a affaire à un moteur Essence à injection indirecte, pas de problème, le mélange est, comme je l’ai expliqué, correctement réalisé. Par contre on peut rencontrer cette situation dans le cas où on regarde un moteur Essence à injection directe, de plus en plus en présent compte tenu de la course au CO2. En effet, l’injection d’essence est effectuée directement dans la chambre pendant la phase d’admission et/ou la phase de compression. Attention, on ne cherche pas (dans ce cas) à auto-inflammer le carburant comme on le fait en Diesel mais bien à initier la combustion avec la bougie d’allumage. Bref, il est possible (fort probable) qu’au moment de l’allumage, le mélange ne soit pas parfaitement réalisé. On peut avoir des zones de richesse élevée et là, c’est le drame : si l’on se trouve dans une zone de température propice, tout un mécanisme chimique s’en suit et les particules apparaissent.
Dans le cas de la combustion de diffusion, même principe, mais étant donné qu’on a des richesses très élevées (oui, si on se place dans le jet de l’injecteur, il n’y a quasiment que du carburant) et si l’on se trouve dans une zone de température propice, la formation de particules est inévitable. C’est bien triste.
Voici ce qu’on peut voir à l’intérieur d’une chambre de combustion d’un Mazout’ :
Mais comment s’en débarrasser ?
Comme on l’a vu avec l’exemple de la bougie, les particules, une fois formées peuvent être brûlées. Tout dépend de la température dans la chambre après la combustion, de l’air disponible et également du temps disponible avant l’ouverture des soupapes d’admission.
Lors de la conception et de la mise au point d’un moteur, des choix peuvent être faits dans le but de limiter la production de particules et de favoriser leur destruction, c’est à dire :
– améliorer le mélange de l’air et du carburant
– obtenir une température de flamme plus faible
– obtenir une température des gaz à la fin de la combustion élevée
– garder de l’air disponible pour la fin de la combustion
– éviter l’impact du jet sur le piston et/ou les parois du cylindre
Plusieurs paramètres sont alors disponibles pour arriver à ses fins,
– l’injection (timing d’injection, diamètre des gouttes, pression, richesse globale dans la chambre)
Vue en coupe d’un injecteur Diesel
– la géométrie (forme de la chambre de combustion et des conduits d’admission)
Le swirl, mouvement aérodynamique dans la chambre de combustion
On gardera à l’esprit que les particules sont une partie du cahier des charges et que le développement d’un moteur est un compromis entre l’obtention de la courbe de couple, de la consommation, des émissions des divers polluants (HC, NOx, CO).
En bilan
L’émergence des moteurs Diesel a vu apparaître de magnifiques panaches de fumée à la sortie du pot d’échappement. Les travaux de R&D et les normes mises en place ont permis de réduire les émissions soit :
– à la source, en agissant sur les paramètres que j’ai cités précédemment
– par post-traitement des gaz d’échappement à travers les fameux filtres à particules. Reste le problème des fines particules qui passent tout de même à travers le FAP.
D’autres modes de combustion peuvent également permettre de fonctionner dans des zones où la formation des particules n’a pas lieu.
Je ne développe pas plus et je considère que la dose est suffisante pour aujourd’hui 🙂 N’hésitez pas si vous avez des questions, j’y répondrai dans la mesure du possible !
Sources images et vidéo : youtube.com, educationviews.org, Bosch, Renault, PSA
