Les gaz polluants émis par les voitures

La pollution de l'air et la circulation, un lien étroit?

L’air est pollué par plusieurs gaz, mais aujourd'hui nous nous focaliserons sur les polluants atmosphériques émis par les véhicules utilisant un moteur.

Tout d’abord il faut savoir qu’il existe plusieurs types de combustibles utilisés par les moteurs à combustion, plus précisément 4 qui sont: diesel, essence, hybride et électrique. Chacun de ces différents types de voitures émet différents gaz polluants et bien évidemment chaque combustible utilisé par le  moteur a ses avantages et ses inconvénients. Nous verrons en détail chaque type de voiture dans l’ordre respectif.

Différents polluants atmosphériques émis par les véhicules utilisant un moteur:

1) Les hydrocarbures imbrûlés sont des composants constitués d’atomes d’hydrogène et de carbone. Ils sont notamment formés par les moteurs de nos voitures de plusieurs façons :

transfert direct au moment du croisement des phases d’admission et d’échappement

combustion incomplète (trop lente ou trop tardive) comme nous le verrons plus tard

mélange de qualité insuffisante (ex: démarrage)

Les hydrocarbures imbrûlés participent ensuite, une fois éjectés dans l’air ambiant, à la formation de l’ozone qui est à la fois bénéfique dans la haute atmosphère et polluant dans la troposphère. D’autre part, les HC imbrûlés (ex: le benzène) ont des caractéristiques qui nuisent à la santé de l’Homme. Ils peuvent entraîner neurasthénie, dépression et anxiété (de par l’effet déprimant des HC sur le système nerveux). Les muqueuses et la peau peuvent également être irritées en cas d’exposition plus importante. Une exposition chronique et de longue durée peut finalement provoquer des dégénérescences cérébrales et des cancers.

2) Le gaz carbonique ou dioxyde de carbone est un gaz émis notamment lors de la combustion du pétrole et du gaz . À teneur "normale" dans l'atmosphère, il permet à la Terre, en piégeant la chaleur solaire (= effet de serre), d'afficher une température compatible avec la vie. Depuis la révolution industrielle, le gaz carbonique provoque un réchauffement rapide et important du climat.

3) Les oxydes d’azote sont des composés chimiques formés d'oxygène et d'azote. « NOx » est le terme générique qui englobe un groupe de gaz hautement réactifs, tous contenant de l’azote et de l’oxygène dans des quantités différentes. La famille d’oxydes d’azote regroupe: le monoxyde d’azote (NO) et le dioxyde d’azote (NO2). Le plus dangereux est le NO2 : d’une couleur jaune à brun rouge selon sa concentration et la température, il est nocif pour l’homme.  Le dioxyde d'azote NO2 intervient dans la formation d'oxydants photochimiques (ozone troposphérique) et par effet indirect dans l'accroissement de l'effet de serre. Les moteurs de nos voitures sont les plus gros fabricants de NOx : 50% des émissions!   Les NOx apparaissent lors des réactions de combustion, et leur production augmente avec la pression et la température. A la source de l’émission, c’est le monoxyde d’azote qui est prédominant (non toxique), mais 80% se transforme en NO2 au contact prolongé avec l’air ambiant! Les oxydes d’azote interviennent ensuite dans la formation d’un autre polluant, l’ozone (le NO2 est décomposé par le rayonnement solaire combiné aux hydrocarbures imbrûlés). Les oxydes restants peuvent finalement se retrouver sous forme de pluies acides (acides nitreux et nitriques)

4) Il existe également les particules fines en en masse (PM) ou particules en suspension, globalement appelées PM (de l’anglais particulate matter). Celles-ci sont classées par les scientifiques selon leur taille: les plus connues sont les PM10 et les PM2,5. Les PM10 ont donc une taille inférieure à 10 microns et les PM2,5, une taille inférieure à 2,5 microns. (1 micron = 0,001 millimètre). Ce sont donc des particules polluantes, comme des petit bouts de plastique.

Le diesel est vu comme un facteur de pollution dans les villes. Un des composants du gaz émis par une voiture moteur diesel sont les HC, l’autre composant est le gaz carbonique. La principale différence entre le diesel et l’essence est leur composition et leur allumage. L’essence nécessite une étincelle pour le démarrage, tandis que le diesel n’inclut pas de bougie d’allumage, la compression du diesel avec l’air lui suffit pour augmenter la température, il s’enflamme alors automatiquement.

Cependant, grâce aux nouvelles technologies le moteur diesel a le même niveau de performance qu’un moteur à essence. Les avantages du diesel sont qu’il rejette en moyenne 20% d’hydrocarbures imbrûlés et de gaz carbonique en moins par rapport au moteur à essence et consomment environ 15% de carburants en moins par rapport aux moteurs à essence . Cependant Le moteur diesel a aussi des inconvénients, il produit une quantité importante d'oxydes d'azote et de particules de carbone, néfastes pour l'environnement et pouvant provoquer des problèmes pulmonaires. Ce sont surtout les moteurs diesels, qui émettent 3 à 5 fois plus de NOx que les essences. C’est pourquoi le NO2 est sévèrement réglementé aux USA et au Japon par exemple. Pour le moment, l’Europe (et donc la France et l’Espagne) est à la traîne sur ce point.

GAZ ET PARTICULES ÉMISES PAR LA COMBUSTION DU DIESEL

• HYDROCARBURES

• CO2- GAZ CARBONIQUE

• NOX- OXYDES D’AZOTE

• PARTICULES DE CARBONE

Les voitures à moteur essence émettent également des gaz polluants comme: le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures (HC), les oxydes d’azote (NOx), les particules fines en nombre (PN). Ce moteur émet presque les mêmes gaz polluants que le diesel, cependant l’avantage du diesel est qu’au fur et à mesure que le temps passe, il en émet en moins quantité. Donc à courte distance il est mieux d’utiliser une voiture à moteur essence mais pour des longues distances il est conseillable d’utiliser une voiture à moteur diesel. Les moteurs de nos voitures sont de gros fabricants de HC : 58% des émissions. Et heureusement pour les moteurs essence, l’introduction des catalyseurs (=permettent d'oxyder certains résidus toxiques) a ramené les émissions de HC à moins de 0,1%. Or, le catalyseur n’est efficace qu’au dessus de 400°C, température atteinte au bout de 10 à 15 km. De plus, c’est au démarrage que les émissions toxiques sont environ 4 fois supérieures. Ainsi, les catalyseurs perdent leur efficacité avec le temps : au bout de 100 000 km ils ne fonctionnent plus qu’à 50% et plus du tout au delà de 200 000 km.

La majeure partie des véhicules à moteur essence n'est équipée que d'un catalyseur trois voies (plus généralement appelé pot catalytique). Les pots catalytiques se sont généralisés dans les années 90 avec la mise en application des normes Euro 1. Les catalyseurs traitent les émissions de oxydes d’azote (NOx), de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrocarbures non brûlés (HC) selon deux  réactions principales.

CO + HC + O2 -> CO2 + H2O

NOx + CO -> N2 + CO2

Le monoxyde de carbone et les hydrocarbures réagissent avec l’oxygène (O2) pour former du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O). Enfin, les NOx réagissent avec le monoxyde de carbone pour rejeter de l’azote (N2) et du CO2. Pourtant, l’efficacité du catalyseur peut être significativement amoindrie,  en fonction de la richesse air/carburant.

GAZ ET PARTICULES ÉMISES PAR LA COMBUSTION DE L’ESSENCE   

• HYDROCARBURES

• CO2 (27 TONNES PAR AN)

• NOX

• PARTICULES FINES

Les voitures à moteur hybride (essence + énergie électrique ou diesel + énergie électrique) ont beaucoup d’avantages puisqu’elles profitent d'une puissance plus importante grâce à la combinaison moteur thermique et bloc électrique. A l'inverse, le moteur électrique et la récupération d'énergie au freinage permettent à la voiture de moins consommer de carburant. L'apport des batteries électriques permet également de réduire les bruits de fonctionnement. Ces voitures hybrides émettent moins de CO2, de particules et de NOx que les diesel et essence mais elles en émettent quand même.

GAZ ET PARTICULES ÉMISES  PAR LA COMBUSTION DU COMBUSTIBLE  DES VOITURES À MOTEUR HYBRIDE

• CO2 en faible quantité

• Faible pollution sonore car batterie électrique

• NOX

• PARTICULES en faible quantité

Les voitures à moteur électrique émettent autour de 9 tonnes de CO2, contre 22 tonnes pour un véhicule diesel et environ 27 tonnes pour une voiture à essence par an. Même si elles émettent des particules fines (abrasion des pneus, freinage...), les véhicules électriques ne dégagent pas d'oxydes d'azote.  

GAZ ET PARTICULES ÉMISES PAR LES VÉHICULES À  MOTEUR ÉLECTRIQUE

• CO2 (9 TONNES PAR AN)

• PARTICULES FINES

• ABSENCE D’ÉMISSION D’OXYDES D’AZOTE

Nous concluons que la voiture qui pollue le moins est donc celle à moteur électrique, en considérant que l’électricité utilisé ne provient pas d’une source nucléaire ou à charbon mais d’une source qui produit de l’énergie renouvelable comme les éoliennes et les hydrauliques.

Les gaz émis par les voitures de moteur à carburant proviennent de la combustion incomplète de l’essence ou du diesel (exemples de carburants les plus utilisé). En effet la combustion est une transformation chimique où une substance brûle et délivre un gaz (souvent le CO2 ). Pour que la combustion se réalise, deux réactifs doivent être en contact : le combustible (la substance qui va brûler, comme le pétrole),  et le comburant (la substance qui est capable de faire brûler le combustible, comme par exemple le O2 ). En effet l’essence alimente le moteur qui transforme l’énergie chimique de l’essence en énergie mécanique. Nous pouvons voir ci-dessous la réaction de la combustion simple:

Schéma de la combustion

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Dans le cas de la combustion de l’essence, on ne peut pas écrire une équation de combustion car l’essence est un mélange d’hydrocarbures; il y a donc autant d’équations que d’espèces chimiques entrant dans la composition de l’essence.

Lorsqu’on parle de combustion incomplète de l’essence, il y a une quantité de comburant, dans ce cas le O2 , insuffisante qui empêche que la réaction soit complète. Elle produit par conséquence des résidus de combustion sous forme de cendres qui émettent des fumées toxiques pour l’homme et pour l’environnement, comme les gaz que nous avons cités précédemment.

Tous ces gaz nuisant à l’environnement et à l’homme proviennent majoritairement de la combustion incomplète de l’essence. Pour cela nous allons voir plus en profondeur d’où provient l’essence et sa constitution.

Le mot essence est un terme que nous employons très souvent sans savoir trop de quoi on parle. En effet, l’essence est un liquide inflammable, issu de la distillation du pétrole, utilisée comme carburant dans les moteurs à combustion.