Réchauffé au démarrage
Dübendorf, St. Gallen und Thun, 05.12.2017 - Pendant le démarrage à froid d'un moteur, beaucoup plus de matières particulaires et d'autres polluants sont générés que pendant la conduite, parce qu'un cat froid est beaucoup moins efficace dans le nettoyage des gaz d'échappement. Alors, que faire ? On pourrait préchauffer le cat, entre autres, au moyen de micro-ondes. Les chercheurs de l'Empa ont désormais mis cette idée en pratique.
Environ 90 pour cent de l'ensemble des polluants sont produits au cours de la première minute suivant le démarrage à froid d'un moteur à essence moderne. En d'autres termes, les 500 premiers mètres polluent l'air aussi fortement que les 5 000 kilomètres suivants, si on conduisait aussi loin sans escale. Afin d'améliorer encore plus la qualité de l'air, il faut des catalyseurs automobiles qui chauffent rapidement – ou, mieux encore, qui nettoient les gaz d'échappement efficacement dès le démarrage. Potis Dimopoulos Eggenschwiler, le spécialiste du traitement de l'échappement au laboratoire de recherche sur les moteurs à l'Empa et son équipe, a effectué des recherches pendant près de deux ans avec le soutien de la National Science Fondation suisse (FNS) et l'Office fédéral de l'environnement (OFEV) afin de trouver une solution au problème de démarrage à froid qui pollue fortement l'air, en particulier dans les villes et lors de températures extérieures très froides.
Pour que le cat puisse être chauffé par l'alimentation de la voiture avec une énergie minimale à 300 degrés Celsius avant que le moteur ne démarre, il doit être petit et transporter la chaleur aussi efficacement que possible. Dimopoulos Eggenschwiler a développé une structure à pores ouverts dotée d'un revêtement spécial qui peut être chauffé par un petit émetteur à micro-ondes en dix secondes – similaire au four à micro-ondes à la maison. Les chercheurs de l'Empa avaient déjà en 2012 mis au point un catalyseur particulièrement efficace – un moulage céramique d'une mousse de polyuréthane, qui fait tourbillonner les gaz d'échappement et génère moins de contre-pression qu'un catalyseur à structure en nid d'abeilles classique.
La céramique issue de l'imprimeur 3D
À partir du «cat-mousse» s'est développée une structure de grille géométrique constituée de minces arêtes en céramique, laquelle nécessite qu'un revêtement en métal précieux très mince afin de nettoyer les gaz d'échappement qui sont y tourbillonnés de manière efficace. «Au début, nous avons recherché la structure optimale sur ordinateur», explique Dimopoulos Eggenschwiler. «Une structure qui se réchauffe rapidement, accélère les réactions chimiques, cela n'entravera pas le flux autant que possible..»
Il fallait ensuite recréer la structure en céramique. Les spécialistes de la «Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana» (SUPSI) à Lugano ont produit les grilles conçues par ordinateur au moyen de la stéréolithographie, une sorte d'impression 3D issue des fluides et de la lumière UV. Les chercheurs de l'Empa ont ensuite recouvert la céramique de carbure de silicium, de zircone et d'alumine – et les substances catalytiques actives platine, rhodium et palladium.
Promesse tenue
Ce qui est probablement le premier convertisseur catalytique produit par une imprimante 3D a dépassé dans la pratique toutes les attentes: dans le flux d'échappement produit artificiellement par le réacteur à gaz modèle de l'Empa, la nouvelle géométrie de polyèdre a nettoyé les polluants encore mieux que le cat-mousse de l'année 2012. Après la réussite des premiers tests de laboratoire avec les petits modèles cats, les chercheurs sont maintenant en pourparlers avec des partenaires industriels pour intégrer un cat de taille d'origine dans un véhicule prototype et pour le tester dans la pratique.
Le premier projet d'application pour tester et développer les nouvelles technologies dans un véhicule d'essai sur banc d'essai et sur route est en préparation.
Le chauffage par micro-ondes sera intégré lors de l'étape suivante. «Il est important que nous ne chauffions pas toute la structure en céramique», explique Dimopoulos Eggenschwiler. Nous voulons focaliser les micro-ondes, générées avec l’énergie de batterie précieuse, uniquement sur la première partie du catalyseur.
«Un à deux kilowatts de puissance électrique pendant dix à vingt secondes, pourraient facilement être détournés de la batterie de voiture », dit le spécialiste des gaz d'échappement. «Cela devrait être suffisant.» Dès que le moteur tourne, les gaz d'échappement et les réactions chimiques dans le catalyseur lui-même fournissent suffisamment de chaleur pour le tenir au chaud. Ensuite, le micro-ondes peut être éteint. Les émissions de démarrage à froid pourraient donc bientôt appartenir au passé.
Box: Des particules au petit déjeuner
Ce ne sont pas seulement les véhicules diesel sans filtres qui sont responsables de la pollution particulaire dans les centres des villes. Aussi les moteurs à essence y contribuent – surtout s'ils démarrent à froid au parking ou au garage. Une équipe de recherche dirigée par André Prévôt de l'Institut Paul Scherrer (PSI) a été en mesure de prouver dans une chambre de smog comment ces fines particules de poussière sont crées. Les chercheurs ont recueilli les gaz d'échappement de véhicules d'essai dans une chambre gonflable de douze mètres cubes dont les parois sont constituées d'un film de téflon transparent. Les gaz d'échappement des voitures y sont mélangés à l'air humidifié et à quelques gaz traceurs typiques et exposés pendant plusieurs heures aux lampes UV afin de simuler une journée ensoleillée. Les gaz d'échappement «frais» se transforment maintenant en quelque chose de très différent: des particules de sel tel que le nitrate d'ammonium. En outre, les hydrocarbures non brûlés oxydent à l'air et deviennent donc liquides et/ou solides. Il en résulte un brouillard toxique qui se fixe sur les particules de sel nouvellement formées et les particules de suie provenant du moteur. Certains jours, jusqu'à 90 pour cent de la pollution particulaire peuvent ainsi être transformés en poussière fine «secondaire».
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