Automobiles et environnement

Lors de l’inflammation dans la chambre de combustion d’un moteur, l’essence produit des éléments inoffensifs comme de l’eau, du dioxyde de carbone et de l’azote mais aussi des émissions nocives telles que le monoxyde de carbone, l’oxyde de carbone et des hydrocarbures.

Les pouvoirs publics et l’industrie automobile ont engagé une bataille contre les émissions polluantes depuis de nombreuses années. Les véhicules à moteur essence sont équipés dès la fin des années 1980 d’un catalyseur (ou pot catalytique) de série qui permet une diminution importante des émissions nocives.

Quel rôle joue la sonde lambda pour le catalyseur ?

Un capteur indispensable pour le catalyseur

La politique environnementale évolue sans cesse, exigeant des gaz d’échappements toujours plus propres. Les taux d’émissions permis pour les nouveaux véhicules ont été définis par des normes européennes qui fixent des valeurs seuils pour la production d’hydrocarbures (HC), monoxyde de carbone (CO) et oxyde d’azote (NOx) (voir «Synthèses de la législation de l’UE»).

La sonde lambda permet de respecter ces valeurs pour les véhicules équipés d’un convertisseur catalytique à 3 voies, en mesurant la quantité d’oxygène du mélange air/carburant.

La fonction de la sonde lambda, également appelée sonde à oxygène, est d’optimiser les conditions de fonctionnement du catalyseur.  Le catalyseur convertit les émissions nocives en fonction de la mesure du rapport air/carburant transmis par la sonde au calculateur.

Automobile, 2-roues, poids lourds : tous concernés

Tous les véhicules sont aujourd'hui équipés au minimum d’une sonde par catalyseur et de deux sondes depuis 2001. Les motos et les poids lourds sont également équipés de sondes lambda.

Quelles sont les substances toxiques dans les gaz d'échappement ?

Les gaz d'échappement sont des produits de résidus gazeux qui résultent d'un processus de combustion.

Le terme « gaz d'échappement » s'est imposé pour les moteurs à combustion.

La combustion du carburant génère des substances inoffensives comme la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone ou l'azote, mais aussi des émissions nocives comme le monoxyde de carbone (CO), l'oxyde d'azote (NOx) et les particules d’hydrocarbures (HC).

Ces substances toxiques ne représentent qu’une faible part de l'ensemble des émissions d'un moteur moderne : 1,1 % pour un moteur essence et 0,2 % pour un moteur diesel. La plus grande partie des gaz d'échappement se compose d'azote, d'eau et de dioxyde de carbone.

Il est essentiel que cette petite quantité de substances toxiques soit neutralisée.

Le catalyseur : un piège à substances toxiques

Un catalyseur de manière générale est une substance qui influence la vitesse d'une réaction chimique, sans être elle-même consommée et en restant inchangée à la fin de la réaction.

Dans le catalyseur automobile, il se produit des réactions chimiques. On fait la distinction entre catalyseurs régulés et non régulés. Les processus chimiques qui se produisent dans les deux cas sont identiques.

Catalyseur trois voies

Un catalyseur automobile est composé de métaux précieux : le platine, le rhodium et le palladium. Dès que les substances toxiques des gaz d'échappement, c’est-à-dire le monoxyde de carbone, les hydrocarbures et l'oxyde d'azote, sont en contact avec ces métaux, ils sont immédiatement transformés :

• Le catalyseur est dit «trois voies » car il provoque 3 transformations simultanées.
• Réduction des oxydes d'azote en azote et en dioxyde de carbone
• Oxydation des monoxydes de carbone en dioxyde de carbone
• Oxydation des hydrocarbures imbrulés (HC) en dioxyde de carbone et en eau

Les catalyseurs modernes peuvent réduire jusqu’à 95 % des substances toxiques.

Le catalyseur dépollue de manière optimale grâce aux deux sondes lambda et à la régulation du mélange air/carburant effectué par la calculateur d’injection.

Le catalyseur régulé

Les réactions chimiques de transformation se produisent de façon optimale uniquement si le rapport air/carburant correspond à un dosage précis : 1 kg de carburant pour 14,7 kg d’air.

Le dosage du rapport air/carburant est assuré grâce à la sonde lambda qui mesure le taux d’oxygène dans les gaz d’échappement et informe le calculateur d’injection du moteur.

L’ensemble calculateur et sonde(s) forme le circuit ou la boucle de régulation qui assure le dosage idéal de mélange et permet une combustion homogène réduisant les imbrûlés.

Dans ce cadre, on parle parfois de catalyseur à « régulation lambda » ou « catalyseur régulé ».

Le catalyseur simple

Certains catalyseurs simples utilisés au début des années 80 ne possèdent pas de sonde lambda. Ils ne possèdent pas de système de régulation et leur action est beaucoup plus limitée.

Dans un catalyseur simple, donc non régulé, il n’existe aucun circuit de régulation du mélange air/carburant.

Quel est le rôle de la sonde lambda dans le système de dépollution ?

Nous l’avons vu, l’utilisation d’un catalyseur est nécessaire pour réduire, en les transformant, les substances toxiques générées par la combustion des différents types de carburant.

Le catalyseur ne peut transformer correctement les émissions toxiques que dans le cas d’un mélange air-carburant idéal, appelé dans ce cas « mélange  stœchiométrique".  Le rôle de la sonde lambda est d’analyser les gaz d’échappement et d’en mesurer la quantité d’oxygène, pour permettre au calculateur de doser le mélange air/carburant, de manière à ce qu’il soit idéal. C’est un rôle essentiel.

Les véhicules récents possèdent au moins deux sondes lambda :

Une sonde de régulation, dite sonde « amont », située avant le catalyseur,

Une sonde de diagnostic, appelée sonde « avale », située après le catalyseur, et ceci depuis l'introduction du diagnostic embarqué (OBD) en 2001.

Les véhicules récents possèdent au moins deux sondes lambda. Une sonde de régulation « amont », située avant le catalyseur et, depuis l’introduction du diagnostic embarqué (OBD) en 2001, une sonde de diagnostic « avale » située après le catalyseur.

La sonde de régulation située avant le catalyseur mesure l'oxygène se trouvant dans les gaz d'échappement. Elle envoie un signal au calculateur ("ECU" : "Engine Control Unit") pour modifier la composition du mélange via le système d’injection.

La sonde de diagnostic située après le catalyseur mesure l'oxygène se trouvant dans les gaz d'échappement traités par ce dernier. Le calculateur informé par la sonde détecte ainsi un éventuel dysfonctionnement de la boucle de dépollution (injection, sonde de régulation, catalyseur) et le signale au conducteur via le voyant OBD.

Le mélange air-carburant idéal ou mélange stœchiométrique

Un mélange air/essence idéal de 1kg de carburant pour 14,7 kg d’air aussi appelé mélange "stœchiométrique" génère une combustion homogène et complète non polluante.

Dans l’industrie automobile, ce rapport air-carburant est représenté par la lettre grecque lambda (λ). Le rapport est idéal lorsque λ = 1. Il garantit un fonctionnement optimum du catalyseur qui convertit les rejets nocifs en gaz non polluants pour l‘environnement.

Le rapport idéal d'air et de carburant d'un moteur essence est de 14,7 kg (12,250 L) d'air pour 1 kg (1,33 L) de carburant.

Mélange riche et mélange pauvre

Lorsque le mélange est stœchiométrique, cela signifie que les proportions des éléments du mélange air-carburant sont égaux au rapport idéal λ = 1.

Le rapport air-carburant détermine les proportions des éléments du mélange air-carburant.

Si la valeur lambda mesurée est inférieure à 1, le mélange est riche en carburant et présente un manque d’air.
Si la valeur lambda est supérieure à 1, le mélange est pauvre en carburant et présente un excès d’air.

Les différents types de carburants

Les carburants ou combustibles sont des combinaisons chimiques dont l'énergie est libérée par la combustion et génère un entraînement.

Ils alimentent le moteur à combustion, qui transforme l’énergie chimique en énergie mécanique.

Le principaux domaines d'application sont les transports des véhicules à deux et quatre roues, des avions, des bateaux et autres moto nautiques, les outillages et générateurs portatifs. Les carburants les plus courants sont l'essence, le diesel, le GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié), le GNV (Gaz Naturel pour Véhicule) et l’Ethanol.

Indice d’octane

L'indice d'octane, indiqué dans la désignation des carburants essence SP95 et SP98, mesure la résistance d’un carburant à l’auto-allumage, c’est-à-dire un allumage de manière incontrôlée sans intervention de la bougie. Cette capacité est également appelée "capacité détonante".

Quelles sont les conséquences d’une sonde lambda défectueuse ?

Les sondes lambda sont soumises aux gaz d’échappements brûlants, aux vibrations, aux aspersions d’eau ainsi qu’à des composés chimiques agressifs.

Une sonde lambda défectueuse peut délivrer un signal trop faible ou trop lent au calculateur qui ne peut plus déterminer la composition du mélange. Il commute alors sur un cycle d’urgence ou « mode dégradé ». Il enrichit le mélange air-carburant pour assurer la puissance demandée et protéger les composants de la surchauffe. Ceci a pour conséquence une augmentation de la consommation de carburant et l’encrassement du catalyseur ainsi que de la chaine de dépollution.
Le catalyseur ne fonctionnant pas correctement, il provoque une augmentation des substances toxiques émises dans l’atmosphère.

Il faut tester leur fonctionnement tous les 30 000 km et/ou à chaque contrôle de l’échappement à partir de 60.000 km car un mauvais fonctionnement de la sonde lambda n’influe pas uniquement sur le catalyseur.

Une sonde lambda défectueuse peut donc entraîner plusieurs problèmes :

• Echec au contrôle technique
• Augmentation de la consommation d’essence : +15% en moyenne
• Détérioration et défaillance du catalyseur
• Perte de performances sur route
• Augmentation des émissions nocives

Pour établir un diagnostic de la sonde lambda, il est préférable de s'adresser à un mécanicien professionnel. Un simple contrôle visuel n’est pas suffisant.

Une sonde défectueuse doit être remplacée par une sonde répondant strictement aux mêmes spécificités.

Pour aller plus loin

NGK Spark Plug, mondialement reconnu pour son expertise et son savoir-faire en matière d’innovation technologique, est devenu au fil des années la référence auprès des constructeurs, des distributeurs et des réparateurs dans l’univers automobile, deux roues, motoculture et marine.

Nous sommes spécialisés en produits d’allumage et capteurs, et notamment en deux éléments-clés permettant de respecter les normes anti-pollution : les bougies de préchauffage et les sondes Lambda.

Dès le début des années 1980, NGK a fait partie des pionniers en commercialisant des sondes lambda sous la marque NTK.

L'utilisation d'un élément chauffant en céramique performant dans la sonde lambda permet une réactivité extrême. Afin d’assurer une mesure toujours plus précise et pour respecter les normes environnementales européennes, les composants en céramique connaissent des améliorations permanentes.

NGK développe également des sondes lambda pour des applications spécifiques, comme les sondes lambda proportionnelles qui s’adaptent à différents mélanges, les sondes pour les motos et les sondes pour la compétition.

Pour en savoir plus, vous pouvez consulter :

notre site web : Sonde lambda : un rôle décisif dans la dépollution des véhicules

notre site de formation technique en ligne : TekniWiki

ainsi que notre playlist « Sondes et Capteurs » sur chaîne YouTube.