Soutien Walker

Échappement 101

Contrôle des produits de la combustion

LE BRUIT

Le niveau croissant de bruit présent dans les régions urbaines, en banlieue ou dans les régions rurales est une préoccupation sérieuse pour les écologistes et le public en général. En conséquence, les législateurs municipaux, provinciaux et fédéraux ont promulgué des lois pour réduire le niveau de pollution par le bruit produite par les véhicules moteurs. Ce genre de règlement a mis l'emphase sur la recherche sur le son et l'étude de l'acoustique.

L'acoustique est une branche de la physique qui traite du son et des ondes sonores. Dans l'industrie de l'échappement automobile, l'intérêt va à un genre de son particulier car il vient du moteur et par le système d'échappement - le son agressant appelé bruit d'échappement. Le bruit est normalement défini comme un son déplaisant ou agressant pour l'auditeur. La musique rock par exemple, peut être de la musique pour certaines personnes alors que pour d'autres, c'est du bruit. Quand cela s'applique à l'automobile, certains peuvent aimer le son de collecteurs d'échappement ouverts, alors que d'autres (la plupart des gens) pensent que plus le véhicule est silencieux, mieux c'est.

L'analyse à savoir si un bruit est agressant ou non est basée sur notre propre perception subjective du son entendu; ainsi, le son subjectif est un terme qui s'applique à un des critères du concept des systèmes d'échappement. En plus de l'intensité du son, plusieurs autres caractéristiques jouent un rôle dans la qualité du son subjectif.

La législation sur le bruit met des limites strictes à la quantité ou l'intensité du bruit auquel les gens peuvent être exposés. À cet effet, l'analyse de l'intensité du bruit est effectuée à l'aide d'un compteur, et le résultat est appelé valeur de bruit objectif. Il est important de noter que les silencieux conçus pour des niveaux de bruit objectif acceptables n'ont pas nécessairement une qualité de " son subjectif " acceptable et vice versa. Les caractéristiques objectives et subjectives doivent être désignées indépendamment pour un silencieux.

LA PHYSIQUE DU SON

Le son est généré quand les molécules de l'air sont entraînées en ondes d'une grandeur donnée. Les molécules ne voyagent pas avec le son - elles se heurtent entre elles et rebondissent à nouveau, produisant des ondes rythmiques de pression qui s'étendent à partir de la source du son. Le mouvement du son peut être mesuré de plusieurs manières :

L'effet de la distance

Un autre facteur important dans la mesure du son, est la distance entre la source et l'instrument de mesure. Un son mesuré à 80 dB(A) à 8 mètres (25 pieds) ne serait plus qu'à 74 dB(A) à 16 mètres (50 pi). Nous n'aborderons pas les équations mathématiques pour expliquer l'effet de la distance sur le bruit. Qu'il suffise de dire que le niveau sonore d'un bruit décroît à mesure que la distance augmente.

La résonance

Un autre terme important à comprendre est la résonance. La résonance joue un rôle primordial dans le contrôle du bruit. Chaque surface de chaque objet possède une fréquence fondamentale à laquelle il commence à vibrer ou à émettre un son. Les instruments de musique le font ainsi que les silencieux. Quand les ondes sonores à cette fréquence fondamentale frappent la surface, elles sont amplifiées, ce qui est, une augmentation. Cela s'appelle la résonance. Avec la résonance, de faibles sons peuvent être amplifiés pour devenir très forts.

La maîtrise du son

Il y a trois approches de base pour contrôler le son :

1. Le confinement
2. Des dispositifs d'absorption
3. Des dispositifs réactifs

• Les dispositifs réactifs réduisent, changent, ou éliminent le bruit en réfléchissant les ondes sonores vers la source.
  
  Une application fréquente de dispositif sonore réactif est le tube à persienne qu'on retrouve dans la plupart des silencieux. Le but principal de ces tubes est de diriger les ondes sonores les unes contre les autres et d'utiliser leur énergie pour s'annuler entre elles.
  
  Il y a une variation de contrôle réactif du son qui nous offre un dispositif qui réduit les bruits d'échappement à basse fréquence. Ce dispositif est appelé dispositif d'ajustement Hemholtz. Le dispositif d'ajustement Hemholtz fonctionne en vertu de la théorie suivante : Quand les ondes sonores pulsent par une zone étranglée dans un endroit grand et fermé, l'énergie sonore est réduite. Cette action entraîne une réduction dans le bruit à basse fréquence des pulsations du gaz d'échappement.
  
  Dans un silencieux, le dispositif d'ajustement Hemholtz est la grande " chambre " vide qui généralement n'a pas de sortie. Cette " chambre " est là pour réduire le bruit à basse fréquence du système d'échappement.
  
  Un tube pincé est un autre exemple de dispositif réactif utilisé pour contrôler le son. Ce dispositif fonctionne selon une théorie qui est à l'opposée de la théorie du dispositif d'ajustement Hemholtz. Un tube pincé reçoit les ondes sonores et les force à entrer dans un espace confiné. Quand la pulsation sonore est exposée à un endroit restreint, le niveau de pression des pulsations diminue. Ce mouvement " d'abaissement " de l'énergie sonore, sert à éliminer le bruit à haute fréquence de l'échappement. La plupart des silencieux utilisent ce genre de tube pincé à l'intérieur du silencieux.

LA CHIMIE DES GAZ D'ÉCHAPPEMENT

Les moteurs à essence sont alimentés par deux composés chimiques; l'essence et l'air. Fondamentalement, l'essence est constituée de deux éléments; l'hydrogène (H₂) et le carbone (C). Sous forme d'essence, ces deux produits chimiques se combinent pour faire ce que nous appelons un hydrocarbure (HC). L'air est constitué à la base, de deux éléments; l'oxygène (0₂) et l'azote (N₂).

Si les moteurs à essence brûlent leur carburant aussi efficacement que possible, ils devraient produire trois sous-produits : de l'eau (H₂O), du dioxyde de carbone (CO₂) et de l'azote (N₂).

Dans la plupart des cas, aucun de ces composés chimiques n'est nuisible; toutefois, les écologistes disent que des quantités excessives de dioxyde de carbone favorisent la formation de l'effet de serre. Cependant, H₂O, CO₂ et N₂ sont les sous-produits de la combustion les plus désirables, et les ingénieurs de l'automobile s'efforcent de créer des systèmes de contrôle des émissions qui permettent au véhicule de produire seulement ces trois groupes de produits chimiques.

Malheureusement, les moteurs ne fonctionnent pas parfaitement et en conséquence, ils produisent aussi, trois sous-produits qu'on appelle souvent " le terrible trio" des polluants automobiles. Ce trio comprend les produits suivants :

• Le monoxyde de carbone (CO) - est un gaz empoisonné inodore et sans saveur qui peut entraîner une quantité de problèmes de santé et même la mort. Plusieurs régions urbaines sont aux prises avec des niveaux dangereusement élevés de monoxyde de carbone, particulièrement au cours des mois froids d'hiver, quand les moteurs ont besoin de plus de temps pour se réchauffer et pour tourner plus proprement.
• Les hydrocarbures non-brûlés (HC) - sont responsables de plusieurs problèmes respiratoires, de dommages aux récoltes et favorisent la formation de smog.
• Les oxydes d'azote (NOx) - comme les hydrocarbures non-brûlés, sont responsables de problèmes respiratoires et favorisent la formation de smog.

Les voitures et le monoxyde de carbone

Le monoxyde de carbone (CO) est constitué d'un atome de carbone et d'un atome d'oxygène liés ensemble.

Le monoxyde de carbone est le résultat de la combustion incomplète de l'essence et est émis directement au tuyau de sortie. La combustion incomplète se produit généralement à cause d'un ratio air-essence faible dans le moteur. Ces conditions sont très fréquentes lors des démarrages à froid en hiver :

• Quand l'alimentation en air est restreinte
• Quand l'alimentation en essence est enrichie sur les véhicules à essence injectée
• Quand une sonde de O₂ est défectueuse.

De plus, la formation de monoxyde de carbone est commune aux plus hautes altitudes où l'air "de faible densité" réduit grandement la quantité d'oxygène disponible pour la combustion (sauf sur les véhicules équipés de moteurs conçus ou réglés pour compenser l'altitude).

Les deux tiers des émissions de monoxyde de carbone au pays proviennent des moyens de transport, dont la plupart proviennent des véhicules motorisés circulant sur les routes. Dans les régions urbaines, la contribution des véhicules motorisés est encore plus grande. À Los Angeles, une ville aux prises avec un important problème de pollution au monoxyde de carbone, les véhicules motorisés sont responsables de 87 pourcent des émissions de monoxyde de carbone.

Le monoxyde de carbone entre dans le système de circulation sanguine par les poumons et forme le carboxyhémoglobine, un composé qui annule la capacité du sang à transporter l'oxygène aux organes et aux tissus. Les personnes ayant des problèmes cardiaques sont particulièrement sensibles à l'empoisonnement au monoxyde de carbone, et ils peuvent ressentir des douleurs thoraciques s'ils respirent le gaz pendant qu'ils font de l'exercice. Les enfants, les fœtus, les personnes âgées et les personnes souffrant de maladies respiratoires sont particulièrement sensibles. Le monoxyde de carbone peut affecter les personnes en santé, affaiblissant la capacité à faire de l'exercice, la perception visuelle, la dextérité manuelle, les fonctions d'apprentissage et la capacité à effectuer des tâches complexes. Tel qu'indiqué précédemment, les émissions de monoxyde de carbone par les automobiles, augmentent énormément quand il fait froid. Cela est dû au fait que les voitures ont besoin de plus d'essence pour démarrer par temps froid, et parce que certains dispositifs de contrôle des émissions (comme les sondes d'oxygène et les convertisseurs catalytiques) fonctionnent moins efficacement quand ils sont froids. À cause de l'inquiétude au sujet du monoxyde de carbone et des autres polluants, les constructeurs automobiles ont pris des mesures importantes pour améliorer le rendement des véhicules dans tous les milieux de fonctionnement.

Les automobiles et les hydrocarbures

L'ozone est une forme d'oxygène moléculaire constitué de trois atomes d'oxygène liés ensemble. L'ozone de l'atmosphère supérieure (la " couche d'ozone ") se produit naturellement et protège la vie sur la terre en filtrant les radiations ultraviolettes du soleil. Mais l'ozone au niveau du sol est un polluant nuisible. C'est le composant principal du smog et représente le problème de qualité de l'air urbain le plus sérieux au pays.

L'ozone n'est pas émis directement mais est formé dans l'atmosphère par un ensemble de réactions chimiques complexes impliquant les hydrocarbures, les oxydes d'azote et la lumière du soleil. Le taux auquel les réactions se produisent dépend de la température et de l'intensité de la lumière du soleil. À cause de cela, les niveaux d'ozone s'élèvent le plus souvent au cours des après-midis accablants d'été.

Les voitures sont de plus en plus propres, mais les gens conduisent davantage, annulant ainsi les progrès en matière de contrôle de la pollution.

L'ozone est un irritant sévère. Il est responsable de suffocation, de toux et de picotements des yeux associé au smog. L'ozone endommage les tissus pulmonaires, aggrave les maladies respiratoires et rend les gens plus sensibles aux infections respiratoires. Les enfants sont particulièrement vulnérables aux effets nocifs de l'ozone. Les niveaux élevés d'ozone affectent la croissance des plantes et peuvent causer des dommages généralisés aux récoltes et aux forêts.

L'automobile et les oxydes d'azote
L'oxyde nitrique (NO) est le principal oxyde d'azote produit par la combustion : il est déjà oxydé dans l'atmosphère pour devenir du dioxyde d'azote (NO₂). Collectivement, NO et NO2 sont appelés NO₂ ou oxydes d'azote. Les NO₂ peuvent irriter les poumons et diminuer la résistance aux infections respiratoires. Les oxydes d'azote sont un important précurseur à l'ozone et aux pluies acides.

Plus de la moitié des émissions de NO₂ au pays proviennent des sources de transport, dont la plus grande partie provient des véhicules légers à essence. (Étant donné que le monoxyde de carbone s'élève près des régions urbaines, la contribution des véhicules moteurs à produire de la pollution augmente.)

La possibilité de carburants propres

Les changements apportés aux carburants résultent en un fonctionnement plus propre du moteur. Certaines villes dont les niveaux de monoxyde de carbone sont insalubres requièrent l'utilisation de carburants " oxygénés " afin de réduire les émissions de monoxyde de carbone. Les carburants oxygénés sont des essences mélangées à des additifs contenant de l'oxygène tels que des alcools ou leurs dérivés. Le " Gazohol ", par exemple, est un mélange oxygéné contenant 10 pourcent d'éthanol. Le surplus d'oxygène dans l'essence, diminue les émissions de monoxyde de carbone en augmentant efficacement le ratio air-carburant.

Il en résulte une qualité de l'air améliorée de façon significative par rapport aux dernières années, même si le nombre de kilomètres par véhicule voyagés a aussi augmenté. Lors de relevés récents, le nombre de jours dont la qualité de l'air était mauvaise a diminué dans les zones urbaines du pays.

Certains carburants sont intrinsèquement plus propres que l'essence car ils émettent moins d'hydrocarbures non-brûlés et parce que les hydrocarbures qu'ils émettent ont moins tendance à réagir dans l'atmosphère pour former de l'ozone. Ces carburants comprennent :

• Les alcools - Le méthanol (fabriqué à partir de gaz naturel, de charbon ou de la biomasse) et l'éthanol (fabriqué à partir de graines ou de sucre) sont des carburants liquides à haut indice d'octane. Les véhicules conçus pour fonctionner avec des carburants à l'alcool pur, peuvent émettre de 80 à 90 pourcent moins d'hydrocarbures réactifs que les voitures à la technologie de pointe fonctionnant à l'essence.
• L'électricité - Les véhicules propulsés peuvent offrir zéro émission d'hydrocarbure par évaporation à la sortie, quoique les centrales électriques doivent être prises en considération. La technologie des véhicules électriques d'aujourd'hui est limitée, premièrement par la capacité de la batterie, mais des développements récents démontrent beaucoup de promesses pour une utilisation plus large dans l'avenir.
• Le gaz naturel - Le gaz naturel comprimé est aussi un excellent carburant pour automobile, particulièrement sur les véhicules de flottes où les longues distances ne sont pas importantes. Les véhicules au gaz naturel peuvent émettre de 85 à 95 pourcent moins d'hydrocarbures réactifs que les véhicules à la technologie de pointe fonctionnant à l'essence.
• Gaz de pétrole liquide (Propane) - Le propane est un sous-produit de raffinage du pétrole. Les véhicules au propane émettent considérablement moins d'hydrocarbures susceptibles de former de l'ozone que les véhicules alimentés avec de l'essence conventionnelle.
• L'essence reformulée - L'industrie pétrolière étudie des façons de modifier les procédés de raffinage pour produire de l'essence qui brûle plus proprement. Certaines essences " propres " ont récemment été lancées sur le marché et la recherche continue à développer des carburants encore plus propres.