Soutien Walker

Échappement 101

Éléments et concept de système d'échappement

COLLECTEUR/TUBULURE D'ÉCHAPPEMENT

Généralement fabriqués en fonte ou en tube façonné, les collecteurs, qui sont raccordés au moteur au niveau du conduit d'échappement par les raccords à bride, sont conçus pour collecter les gaz d'échappement de chaque cylindre.

Ces gaz sont ensuite concentrés vers une sortie commune, qui est raccordée au tuyau ou à l'élément suivant du système d'échappement. Les collecteurs d'échappement peuvent avoir des raccords additionnels pour les éléments du contrôle des émissions.

TYPE DE TUYAU DU SYSTÈME D'ÉCHAPPEMENT

LE SILENCIEUX

Le silencieux est la source principale d'atténuation des bruits des gaz d'échappement. C'est une combinaison de chambres d'ajustement, formée par des cloisons et des tubes ventilés et pleins. Il est conçu pour contenir, absorber et disperser efficacement les pulsations sonores tout en déplaçant les gaz d'échappement et la vapeur doucement par et finalement hors du tuyau de sortie. De la laine minérale, un tapis de fibre ou un enroulement de fibre de verre placé dans les cavités du silencieux servt à absorber davantage et éliminer les sons indésirables d'échappement.

L'emplacement d'un silencieux varie considérablement selon le modèle de véhicule, mais la plupart des silencieux sont situés vers l'arrière du véhicule. La configuration interne du silencieux est déterminée par les " bruits " à contrôler. Le silencieux peut prendre plusieurs formes, de rond à ovale ou matricé sur mesure.

Pour bien faire son travail, un silencieux doit être conçu selon certaines spécifications, à l'intérieur et à l'extérieur. L'intérieur du silencieux doit favoriser le rendement du moteur et le contrôle du son, alors que l'extérieur du silencieux doit s'ajuster spécifiquement à la marque, au modèle et à l'année du véhicule. Aussi, l'intérieur et l'extérieur du silencieux doivent résister aux effets de la corrosion.

Quand un moteur de véhicule tourne, il brûle entre 1 200 et 15 000 " charges " d'air et d'essence par minute. Chaque fois qu'une charge d'air et d'essence est brûlée, le moteur expulse les gaz résiduels dans le système d'échappement sous forme de gaz haute pression. Les ondes sonores créées par le gaz haute pression sont très puissantes. Afin de contrôler le niveau sonore d'un moteur en marche, la puissance de ces ondes sonores doit être réduite.

C'est la responsabilité du silencieux de contenir et de contrôler la force et le bruit créés par un moteur en marche. Pour ce faire, le silencieux doit réduire efficacement les pulsations des gaz d'échappement, tout en permettant aux gaz de passer librement et éviter une contre-pression excessive. La contre-pression agit comme un frein contre le moteur, en réduisant la puissance et le rendement.

L'intérieur d'un silencieux

À l'intérieur, un silencieux est une combinaison de chambres, de cloisons, de tubes à persiennes et de tubes pleins. Ensemble, ces éléments sont équilibrés pour atténuer l'énergie sonore alors que les gaz d'échappement se déplacent efficacement dans le silencieux.

Le nombre d'arrangements des tubes et des cloisons utilisés dans un silencieux dépend des fréquences sonores produites par le moteur. Certaines chambres à l'intérieur du silencieux n'ont aucune sortie. Ce sont des dispositifs d'ajustement Hemholtz qui réduisent les sons à basse fréquence en fournissant un coussin aux ondes sonores. De plus petites chambres ou tubes pincés, annulent les ondes sonores à haute fréquence en canalisant les gaz d'échappement au travers de leurs ouvertures acoustiques vers de plus grandes chambres.

La structure interne d'un silencieux varie d'un véhicule à l'autre car un silencieux peut être " ajusté " à un moteur, pour offrir l'insonorisation la plus efficace tout en conservant la performance. Jumeler un silencieux à un modèle de véhicule individuel peut nécessiter 75 cm (30 po) ou plus de longueur d'ajustement. S'il n'y a de place sur le véhicule que pour un silencieux de 25 cm (10 po), alors ce tube doit être divisé en trois tubes de 25 cm (10 po), résultant en un triple routage. Il est important de noter que plus les gaz d'échappement sont forcés de tourner et de virer, plus il se crée de contre-pression dans le silencieux. Donc, la configuration interne du silencieux est un élément de première importance.

L'extérieur d'un silencieux

Extérieurement, un silencieux doit se conformer physiquement aux restrictions d'espace du dessous de caisse du véhicule. La grosseur hors tout et la forme d'un silencieux sont déterminées par la grandeur et la forme de l'espace disponible. Le bon modèle et l'emplacement physique sont importants pour les raisons suivantes :

• Fournit un espace libre suffisant au dessous de caisse du véhicule.
• Évite la surchauffe des parois du plancher.
• Assure un montage sans problème.
• Assure un bon serrage des brides pour prévenir les fuites dangereuses.
• Élimine les supports sous tension.

La construction du silencieux

Les silencieux doivent être suffisamment robustes pour supporter les vibrations pulsatoires d'un moteur haute puissance ainsi que les chocs des pires routes et le pire ennemi de tous, la corrosion. Certaines des principales causes de défaillance précoce du silencieux sont :

• Rupture par retour de flamme.
• La corrosion interne due à la condensation acide.
• La corrosion externe due aux produits chimiques utilisés pour déglacer les routes.
• Un mauvais support de suspension qui entraîne la fatigue et la fracture des coussinets.

Pour protéger de la rupture, les têtes de silencieux sont serties à l'enveloppe pour offrir la meilleure résistance aux retours de flamme. La coque interne et l'enveloppe extérieure sont montées à 180° l'une de l'autre par une joint bloqué mécaniquement. Les têtes serties et le joint soudé rabattu assurent aussi un ajustement antifuite entre la tête et la coque.

Pour chaque gallon d'essence brûlée dans un moteur, un gallon de vapeurs acides passent dans le système d'échappement. Les acides corrosifs se condensent et s'accumulent au fond du boîtier du silencieux entraînant la corrosion du silencieux de l'intérieur vers l'extérieur. Si toute la conduite était effectuée à haute vitesse sur les autoroutes, les pièces internes du silencieux seraient maintenues assez chaudes pour évaporer les acides corrosifs et l'intérieur du silencieux resterait sec. Mais avec la conduite en arrêts-départs successifs, le silencieux ne devient pas assez chaud à l'intérieur pour empêcher ces acides de se condenser et de commencer à corroder. Les silencieux sont munis d'éléments antirouille pour combattre ce problème. Cela comprend :

• Les tubes à persiennes - Ces tubes procurent un meilleur débit des gaz pour maintenir une température interne plus uniforme. En évitant les points froids dans le silencieux, la plupart de la condensation acide peut être évitée.
• Système de drainage interne - Un système complet de drainage interne prévient l'accumulation des acides entre les cloisons ou à la tête du silencieux.
• Manchons de silencieux - Les chocs et les vibrations de la route peuvent entraîner un bris prématuré du manchon du silencieux. Les manchons de silencieux se prolongent de la tête vers l'intérieur jusqu'à la première cloison interne. Le contact sur deux points en pont offre une plus grande solidité structurelle. On l'appelle " construction en pont " et c'est un bon exemple de l'effort consacré à la conception d'un silencieux de qualité.
• Des cloisons soudées par points - La soudure par points est utilisée pour fixer les cloisons à la coque du silencieux. Ce procédé offre plus de résistance et de rigidité que les autres méthodes de fixation. Des cloisons supplémentaires sont utilisées si une résistance additionnelle est nécessaire.
• Tubes internes joints mécaniquement - Pour assurer une longue durée de vie, les tubes internes sont joints mécaniquement à la cloison pour permettre une expansion et une contraction flottantes pendant les changements de température. Ce concept unique élimine la cassure des soudures par point et la déformation subséquente ou les problèmes de bruit causé par des pièces mobiles.

LE SILENCIEUX AUXILIAIRE

Le silencieux auxiliaire est un deuxième élément d'assourdissement du son utilisé sur certains véhicules qui ont des limites d'espace du dessous de caisse. Quand un silencieux requis pour éliminer le bruit d'échappement est trop gros pour s'ajuster facilement sous le véhicule; deux éléments d'assourdissement plus petits sont utilisés. Le silencieux auxiliaire sert à éliminer toute résonance ou son brutal qui n'est pas éliminé par le silencieux sous-dimensionné.

LE CONVERTISSEUR CATALYTIQUE

Depuis les années 1950, les constructeurs d'automobiles ont essayé de réduire la quantité de produits chimiques polluants produits par les moteurs à combustion interne. Il a fallu attendre au milieu des années 1960, pour voir les premiers dispositifs de contrôle des émissions installés sur des voitures de tourisme. Quand les années 1970 ont commencé à passer, les voitures étaient continuellement modifiées pour satisfaire aux lois de plus en plus contraignantes sur les limites des émissions.

Au cours des premières années où sont apparus les systèmes de contrôle des émissions, les constructeurs d'automobiles ont concentré leurs efforts sur les modifications conçues pour produire une automobile plus propre. Malheureusement, la plupart de ces modifications ont entraîné des pertes de puissance du véhicule, un efficacité énergétique diminuée et une diminution du plaisir de conduire avec un tel moteur.

En raison du fait que ces premiers dispositifs de contrôle des émissions faisaient en sorte que les voitures étaient moins polluantes au dépens de tout le reste, la plupart des conducteurs Nord-Américains ont développé une attitude très hostile à l'égard des dispositifs de contrôle des émissions. En fait, au milieu des années 1970, la désactivation et/ou le démontage des dispositifs de contrôle des émissions devint une entreprise répandue et rentable; les gens se disaient que s'ils pouvaient se débarrasser des éléments de contrôle des émissions de leur véhicule, la voiture fonctionnerait comme leurs voitures précédentes. Toutefois, la vérité est que la plupart des voitures fonctionnant plus mal quand les dispositifs de contrôle des émissions sont désactivés.

En plein climat défavorable, les convertisseurs catalytiques ont été lancés. Comme vous pouvez l'imaginer, l'introduction d'un nouveau dispositif de contrôle des émissions qui requiert l'utilisation d'un nouveau (et plus cher à ce moment-là) carburant " sans plomb " n'a pas aidé à la popularité du convertisseur. En plus, plusieurs groupes porte-parole de consommateurs disaient que les convertisseurs catalytiques représentaient un risque d'incendie. D'autres se plaignaient que les convertisseurs diminuaient substantiellement l'efficacité énergétique de la voiture.

L'effet déplorable de toute cette histoire est que dans presque tous les cas, les arguments négatifs contre les convertisseurs catalytiques n'étaient pas réellement vrai. Le fait est que les convertisseurs catalytiques étaient, et sont toujours, le meilleur moyen de réduire les polluants du moteur. Le convertisseur catalytique réduit les polluants du moteur plus efficacement que tout autre dispositif de contrôle des émissions sur la voiture, et il le fait d'une manière qui affecte à peine la puissance du moteur ou l'efficacité énergétique du véhicule. En aucune façon, les convertisseurs n'entravent les caractéristiques d'agrément de conduite d'une voiture et l'idée que les convertisseurs causent des incendies n'a jamais représenté un problème.

Tôt dans l'histoire du convertisseur, les gens ont remplacé leur convertisseur catalytique par des substituts ou " tuyaux de remplacement ". Il n'y a que depuis quelques années que les programmes de vérifications des émissions, les inspections obligatoires de véhicules et la mise en force par l'EPA de lois sur le " trafiquage " ont ralenti le démontage des convertisseurs catalytiques et autres équipements de contrôle des émissions. En fait, aujourd'hui, plusieurs convertisseurs catalytiques du marché de rechange sont vendus aux consommateurs qui, dans le passé, ont enlevé leur convertisseur d'équipement d'origine.

Types de convertisseurs

Comme vous le savez sans doute, il y a trois types de convertisseurs catalytiques :

• les convertisseurs par oxydation
• les convertisseurs à trois voies
• les convertisseurs à trois voies plus oxydation

Dans la plupart des cas, chacun de ces différents convertisseurs est arrivé parce que l'EPA a renforcé les règlements qui gouvernent la quantité de polluants provenant d'une nouvelle voiture. Voici un court résumé des événements qui ont généré nos trois différents types de convertisseurs catalytiques.

En 1975, l'EPA a renforcé les règlements limitant la quantité de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures (HC) produits par les nouvelles voitures. À la suite de la mise en place des règlements plus contraignants, les constructeurs d'automobiles ont commencé à utiliser les convertisseurs catalytiques par oxydation.

En 1979, l'EPA a renforcé les règlements limitant la quantité d'oxydes d'azote (NOx) produits par les nouvelles voitures. À la suite de la mise en place des règlements plus contraignants, les constructeurs d'automobiles ont commencé à utiliser les convertisseurs catalytiques à trois voies plus oxydation sur la plupart des modèles.

En 1981, l'EPA a renforcé à nouveau les règlements limitant la quantité d'oxydes d'axote (NOx) produits par les nouvelles voitures. À la suite de la mise en place des règlements plus contraignants, les constructeurs d'automobiles ont commencé à utiliser les convertisseurs catalytiques à réduction, ou convertisseurs catalytiques à trois voies sur plusieurs modèles.

Comment fonctionnent les convertisseurs?

À l'intérieur de l'enveloppe en acier inoxydable d'un convertisseur catalytique du marché de rechange, repose un substrat recouvert d'un mélange de platine, de palladium et parfois, de rhodium. Ces trois produits chimiques sont souvent appelés métaux précieux ou nobles. Généralement les convertisseurs par oxydation sont chargés de platine et de palladium. Les convertisseurs à trois voies et à trois-voies-plus sont chargés de platine, de palladium et de rhodium.

Les gaz d'échappement chauds contenus dans le " terrible trio " (monoxyde de carbone, oxydes d'azote et hydrocarbures) de polluants voyagent au travers du tuyau d'échappement et entrent en contact également avec les métaux précieux chargés sur le substrat du convertisseur. Le substrat est une structure alvéolaire composé de petits passages en céramique.

Quand les gaz d'échappement entrent en contact avec les métaux précieux ou catalyseurs, il se produit une réaction chimique qui affaiblit les liens des produits chimiques polluants et leur permet de se convertir facilement en deux sous-produits de combustion plus souhaitables, dont on a fait état plus tôt.

Les convertisseurs à deux voies ont été premièrement introduits au milieu des années 1970. Ils oxydent les émissions d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone seulement. Le nom de 2-voies fait référence au nombre de polluants affectés par le convertisseur.

Sur ce modèle, les gaz d'échappement sont dirigés pour s'écouler sur le substrat où ils entrent en contact avec le catalyseur. La température des gaz d'échappement augmente et ils continuent à oxyder. Les émissions d'hydrocarbures (HC) et de monoxyde de carbone (CO) sont converties en eau (H₂O) et en dioxyde de carbone (CO₂) avant d'entrer dans le silencieux.

En raison de la chaleur intense créée par ce procédé, les gaz d'échappement quittant le convertisseur devraient être plus chaud que les gaz qui entrent dans le convertisseur. Cela explique aussi pourquoi les écrans thermiques sont requis sur la plupart des catalyseurs.

Les convertisseurs 3-voies sans air furent introduits à la fin des années 1970. Ces convertisseurs réduisent les émissions de NOx tout comme ils oxydent les hydrocarbures et le monoxyde de carbone.

L'intérieur d'un convertisseur 3-voies sans ajout d'air ressemble à un convertisseur 2-voies. Mais le substrat du 3-voies sans ajout d'air est recouvert de rhodium et de palladium.

Si l'échapement d'un moteur est élevé en hydrocarbures et en monoxyde de carbone, une pompe à air et un tube alimentent le convertisseur directement en oxygène. À l'intérieur d'un convertisseur 3-voies avec injection d'air, il y a deux substrats.

La chambre avant est recouverte de rhodium et de palladium. Le rhodium réduit les émissions de NO_x en simple azote (N₂) et en oxygène (O₂). Ce processus est des plus efficaces quand il y a peu d'oxygène en présence. Voilà pourquoi ce substrat est situé en amont du tube d'admission d'air.

Un deuxième substrat de palladium et de platine est situé en aval de l'entrée d'air, pour que l'ajout d'air améliore l'oxydation des hydrocarbures et du monoxyde de carbone.

La défaillance du convertisseur

Peu importe le modèle de convertisseur, ils font tous défaut pour les mêmes raisons. Puisqu'il n'y a aucune pièce mobile dans un convertisseur, la raison la plus fréquente de défaillance est la contamination.

Quand un mélange d'essence trop riche ou si du carburant brut est introduit dans le convertisseur, sa température peut monter au point de faire fondre le substrat tout simplement. Cela s'appelle une défaillance thermique. La défaillance thermique désactive le catalyseur et, dans les cas extrêmes, bloque le débit d'échappement du convertisseur.

Le choc thermique se produit quand un convertisseur surchauffé est alimenté par du carburant brut ou entre en contact avec les éléments hivernaux. Le substrat en céramique refroidit trop rapidement et se contracte inégalement. Il commence à craquer et se brise. La vibration normale du système d'échappement entraînera encore plus de désintégration.

Le silicone qui fuit vers l'échappement, provenant de l'antigel ou des produits antifuite, recouvrira de la même manière, les catalyseurs, avec le même résultat - un convertisseur non-fonctionnel. En cas de contamination sérieuse ou de fusion, le convertisseur doit être remplacé.

De toute évidence, les restrictions de toutes sortes - à l'intérieur du convertisseur ou ailleurs dans le système d'échappement - affecteront le rendement du convertisseur. Si la restriction est interne, le convertisseur devra être remplacé.

Les convertisseurs peuvent aussi subir des dommages physiques. Des perforations ou des bris de soudure créent des fuites qui nécessitent un remplacement du convertisseur.

LES ACCESSOIRES DU SYSTÈME D'ÉCHAPPEMENT

• Un support est un dispositif doté de qualités de flexibilité et d'isolation du bruit, utilisé pour fixer les éléments du système d'échappement au dessous de caisse du véhicule.

LES TUYAUX À LAME D'AIR

Un tuyau à lame d'air est en fait un tuyau dans un autre tuyau. Il y a entre 1,5 mm (1/16 po) et 4,7 mm (3/16 po) d'espace d'air entre le tuyau interne et le tuyau externe qui agit comme isolant et élimine le besoin d'un écran thermique séparé. Les tuyaux à lame d'air ont des avantages distincts sur les tuyaux munis d'un écran thermique. Cela comprend:

• Une protection thermique autour du tuyau plutôt que seulement sur le côté comme dans le cas de l'écran thermique.
• Aucun problème de rouille des écrans thermiques.
• Plus facile à manipuler puisqu'il n'y a pas d'écrans pouvant être pliés ou arrachés au cours du transport.
• Espace libre plus grand pour le montage.

Certains modèles utilisent un tuyau à lame d'air sur les systèmes d'échappement d'équipement d'origine (É.O.). C'est parce que la lame d'air fait réellement partie de l'ensemble de contrôle des émissions. L'isolation accrue offerte par la lame d'air maintient une température plus élevée jusqu'au convertisseur catalytique. Il en résulte un réchauffement plus rapide au démarrage et un fonctionnement plus efficace par la suite.