Pourquoi et comment se forment les NOx dans un moteur ?
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Les NOx, ou oxydes d’azote, sont des polluants qui font souvent la une de l'actualité et qu’on retrouve en bonne quantité dans les gaz d’échappement des moteurs modernes. Mais contrairement à ce qu’on pourrait croire, ils ne sont pas le fruit d’un carburant de mauvaise qualité ou d’un moteur mal réglé. Leur apparition est en réalité une conséquence directe de la façon dont les moteurs modernes cherchent à gagner en efficacité.
C'est quoi le NOx exactement ?
Le terme NOx désigne en réalité un ensemble de molécules regroupées sous une même étiquette, le "x" étant justement une variable indéfinie, je m'explique ... Le "N" représente l’azote, et le "O" l’oxygène, deux éléments naturellement présents dans l’air ambiant. Le "x", lui, sert à indiquer qu’on parle de plusieurs types d’oxydes d’azote à la fois. Les plus courants sont le monoxyde d’azote (NO) et le dioxyde d’azote (NO2), mais il en existe bien d’autres, moins abondants.
Ces gaz ne sont pas issus du carburant mais de l’air lui-même. Lorsqu’on brûle du carburant dans un moteur, l’oxygène réagit avec l’hydrogène et le carbone du carburant pour produire de l’eau (H2O) et du CO2. Mais quand la température de combustion dépasse un certain seuil, l’azote présent dans l’air commence lui aussi à réagir avec l’oxygène, formant des NOx.
Ces NOX sont des irritants pour les poumons, et ils sont néfastes à la santé contrairement au CO2 qui est un gaz qui se révèle même indispensable à la vie sur terre (vous en produisez à chaque expiration, et les plantes et phytoplanctons l'adorent !).
Les oxydes d’azote (NO et NO?) sont des gaz incolores ou légèrement colorés, mais à des concentrations normales dans les gaz d’échappement, ils ne sont pas visibles.
Voici un petit détail sur chacun :
- NO (monoxyde d’azote) : totalement incolore et inodore, donc indétectable à l’œil nu.
- NO? (dioxyde d’azote) : peut être brun-rougeâtre à haute concentration, mais ce n’est jamais le cas à la sortie d’un pot d’échappement.
La fumée qu’on voit parfois sortir d’un pot d’échappement à froid ou sur un moteur fatigué est liée à de la vapeur d’eau, des particules fines, ou des imbrûlés (hydrocarbures) mais pas au NOx. Mon illustration du haut de page est donc fallacieuse, mais vous me pardonnerez hein !
Donc visuellement : pas de signe particulier. Il faut un capteur pour mesurer les NOx.
Qu'est-ce qui favorise la production de NOx par les moteurs ?
C’est l’élément clé à retenir : la production de NOx est directement liée à la température de combustion. Plus la température est élevée, plus le phénomène s’emballe. Ce lien est si fort qu’on peut quasiment prédire la formation des NOx en observant la courbe thermique interne du moteur. Et cette chaleur est souvent liée au dosage du mélange air/carburant qu'il y a dans le cylindre.
Un mélange pauvre contient plus d’air que nécessaire pour brûler la quantité de carburant injectée. On parle aussi d’excès d’air (vous comprenez maintenant pourquoi les diesels sont les plus concernés, ils fonctionnent en excès d'air justement ! Pas de papillon d'ailleurs). Ce fonctionnement en excès d'air est là pour améliorer le rendement, car il permet une combustion plus complète, plus efficace et logiquement avec moins de carburant par rapport à une dose d'air. Le souci, c’est qu’ils créent une flamme plus sèche et plus chaude qui permet justement la formation des NOx.
Dès qu’on dépasse un certain seuil thermique (vers 1800°C) la chaleur finit par les unir. Résultat, des oxydes d’azote se forment, principalement du monoxyde d’azote (NO) et dans une moindre mesure du dioxyde d’azote (NO?). C’est ce qu’on appelle la réaction thermique de Zeldovich.
Et ce n’est pas un hasard si on les retrouve de plus en plus souvent sur les moteurs modernes à injection directe qui fonctionnent fréquemment en mélange pauvre, dans le but clair de réduire la consommation. C’est donc une conséquence logique de l’optimisation moteur actuelle ... On a remplacé le CO2 inoffensif pour l'organisme (mais qui favorise l'effet de serre et le réchauffement) par le NOx qui est quant à lui toxique.
Le calculateur peut moduler les NOx ?
Les moteurs modernes sont comme vous le savez pilotés en temps réel par des calculateurs qui change sans cesse de cartographie d’injection. Il peut jouer sur la richesse du mélange pour réduire temporairement la température de combustion lorsque le contexte devient trop favorable à la formation des NOx ou que le moteur commence à être trop chaud. Le moteur peut ainsi s’enrichir légèrement en carburant dans certaines conditions pour faire baisser la température des combustions, et donc réduire au passage le NOx. Cela arrive sur les petits moteurs donwsizés qui fonctionnent en ville, parfois le fonctionnement en mélange pauvre induit une surchauffe et on réduit la température par un excès de carburant qui va absorber la chaleur (un peu comme avec la transpiration des êtres vivants, les liquides absorbent la chaleur, ce qui change l'état du liquide en vapeur : l'énergie chaleur est utilisée et convertie par ce changement d'état).
Dans certains moteurs essence à injection directe le calculateur utilise un mode de fonctionnement particulier appelé charge stratifiée. L’idée est d’injecter du carburant de manière très localisée autour de la bougie, tout en maintenant un excès d’air global dans la chambre. Cela permet de produire la combustion avec très peu de carburant tout en gardant une flamme stable. Le problème c’est que ce mode favorise à la fois la formation de NOx (parce que c’est pauvre donc chaud) et les particules fines du fait de zones riches mal mélangées à l’air. C’est donc une double peine en matière de pollution, et cette stratégie est désormais moins utilisée (Volkswagen adorait l'employer ... FSI = fuel STRATIFIED injection).
L’urée pour les faire disparaître les NOx ?
Pour éviter que ces NOx ne partent directement dans l’atmosphère, les moteurs modernes diesel sont équipés d’un système de réduction catalytique sélective (catalyseur SCR), qui fonctionne à l’aide d’un additif appelé AdBlue.
L’AdBlue c’est tout simplement de l’urée diluée dans de l’eau. Lorsqu’elle est injectée dans le flux d’échappement chaud, l’urée se transforme en ammoniac (NH?) qui va réagir avec les NOx dans le catalyseur pour produire... de l’azote (N?) et de la vapeur d’eau (H?O). En gros, on recrée artificiellement les molécules d’air initiales. C’est efficace à condition que le catalyseur soit à bonne température et que l’AdBlue ne vienne pas à manquer.
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