Émissions du trafic routier: Les catalyseurs bientôt plus petits et plus efficaces

23.11.2016 - Les pots d’échappement catalytiques usuels ne commencent à neutraliser les émissions polluantes que lusieurs minutes après le lancement du moteur. À l’initiative de l’OFEV, une équipe dirigée par l’institut de recherche Empa a cependant développé une solution qui maîtrise la phase critique du démarrage à froid. Nettement plus petit, ce nouveau catalyseur utilise aussi moins de métaux précieux.

Texte : Stefan Hartmann

Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler und Alberto Ortona
Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler (à droite), du département Technologies de propulsion de l’Empa, dirige un projet de recherche initié par l’OFEV, qui développe un nouveau catalyseur destiné aux véhicules à essence. Alberto Ortona (à gauche), de la Haute école spécialisée SUPSI, est un spécialiste des imprimantes 3D.
© Markus Forte, Ex-Press/BAFU

La question des pluies acides et du dépérissement des forêts était au centre des débats sur l’environnement au début des années 1980. Ces atteintes étaient notamment imputables aux oxydes d’azote rejetés par les moteurs d’automobiles – outre le dioxyde de soufre émanant des installations de chauffage. En 1986, les émissions des nouvelles voitures à essence ont été soumises à des prescriptions sévères, rendant indispensable le montage en série de catalyseurs. Depuis lors, ceux-ci éliminent 99 % des principaux polluants atmosphériques à la température de fonctionnement normale de 280 degrés. 

Le démarrage à froid particulièrement polluant

Le problème environnemental n’est pas résolu pour autant, car un catalyseur n’atteint la température nécessaire pour fonctionner efficacement qu’après deux ou trois minutes de route. Lors du démarrage à froid, les rejets de composés organiques volatils (COV) et de monoxyde de carbone (CO) sont 1000 à 10 000 fois plus élevés qu’en situation normale. Ils entrent respectivement pour 70 % et 90 % dans les émissions totales de CO et de COV des automobiles modernes qui satisfont à la norme Euro 6 sur les gaz d’échappement. Or les automobilistes empruntent fréquemment leur voiture pour faire de courts trajets. « Selon les statistiques, une course sur dix ne dépasse pas un kilomètre », relève Giovanni D’Urbano, chef de la section Trafic de l’OFEV.

La circulation en accordéon accroît les émissions

Les quartiers résidentiels densément peuplés sont particulièrement touchés, car leurs feux, stops, passages piétons ou bouchons exigent souvent plusieurs démarrages à froid consécutifs. Cette circulation discontinue, caractérisée par des arrêts et des redémarrages fréquents ou par des phases prolongées au point mort, empêche le moteur et le catalyseur de chauffer correctement. Les émissions polluantes dépendent aussi du style de conduite. Les voitures automatiques, qui changent de vitesse à un régime optimal, s’en sortent mieux sur ce point. Dans le cas des véhicules à boîte manuelle, une conduite préventive à bas régime aura une
influence positive. Quant à la pollution occasionnée par les motos à deux temps et les cyclomoteurs, elle est extrême : ils dégagent dix fois plus d’hydrocarbures qu’une voiture lors d’un démarrage à froid. En 2014, la part du trafic routier sur l’ensemble des émissions produites en Suisse se montait à 47 % pour les oxydes d’azote, 15 % pour les COV imbrûlés et 19 % pour les poussières fines. La qualité
de l’air représentant l’une de ses préoccupations majeures, l’OFEV poursuit donc ses efforts afin de réduire encore les rejets de ces substances nocives.

Partenariat de recherche

Les normes Euro 5 et Euro 6 sur les gaz d’échappement ont permis d’améliorer légèrement les émissions liées au démarrage à froid sur les voitures neuves. L’isolation des tuyaux et le montage de deux catalyseurs juste à la sortie du moteur et dans le soubassement des véhicules y ont contribué. « Mais il serait bien plus élégant
et meilleur marché de concevoir un nouveau type de catalyseur capable d’éliminer la plupart des émissions dès la mise en route du moteur et de fonctionner aussi efficacement à haute température que les modèles actuels », estime Giovanni D’Urbano. En août 2015, l’OFEV a lancé à cet effet un projet en partenariat avec des instituts suisses de recherche et des entreprises privées – un projet auquel il apporte un soutien notable par le biais de la Promotion des technologies environnementales. Prévu sur deux ans et dirigé par le Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (Empa) à Dübendorf, il vise à développer un catalyseur d’un genre nouveau. Les entreprises Hug Engineering AG à Elsau (ZH) et EngiCer SA à Balerna (TI), ainsi que l’institut de génie mécanique et de technologie des matériaux (MEMTi) de la Haute école spécialisée de la Suisse italienne (SUPSI), à Manno (TI), y sont également associés.

Efficace même à froid

« Notre objectif est de concevoir un catalyseur innovant, directement prêt à être produit et commercialisé », indique Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler, directeur de recherche à l’institut Empa. C’est pourquoi Hug Engineering AG et EngiCer SA, qui fabriquent eux-mêmes des catalyseurs, des filtres de pot d’échappement et des supports de
catalyseurs en céramique, ont été intégrés d’emblée au projet de recherche. Le but est d’obtenir un produit susceptible de réduire de 75 % les émissions liées au démarrage à froid dans toutes les conditions réelles de conduite. Il doit aussi parfaitement tolérer les arrêts répétés et les basses températures. « Notre projet convient très bien aux véhicules hybrides, dont le moteur à combustion est souvent interrompu au profit de la propulsion électrique, avec les fréquents redémarrages à froid que cela implique », souligne Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler.

À la recherche de la bonne structure

Le défi technique consistait à réaliser un catalyseur
à même de réagir quasi instantanément au démarrage, ce que ne permettent pas les systèmes usuels avec leur structure en nid d’abeille à canaux rectilignes. Les gaz effluents s’y écoulent régulièrement de manière laminaire, sans faire de tourbillons, si bien qu’ils s’échauffent lentement. Ces catalyseurs doivent en outre être suffisamment grands pour que les molécules de polluants puissent atteindre les parois catalytiques. Dans des projets précédents, les chercheurs de l’Empa ont réalisé des expériences positives en utilisant des mousses comme substrats catalytiques, car elles génèrent de fortes turbulences dans les gaz d’échappement. Il est ainsi possible de neutraliser la même quantité de polluants avec des catalyseurs nettement plus petits, qui contiennent en outre deux fois moins de
métaux précieux et onéreux. En revanche, ces substrats accroissent la
résistance à l’écoulement, ce qui se répercute sur la consommation de
carburant.  

Modèle d’un des premiers catalyseurs au monde présentant une structure polyédrique optimisée produite par une imprimante 3D. Pour sa fabrication dans le laboratoire de la Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana (SUPSI) à Lugano, le matériau est fondu à l’aide de rayons UV, le verre orange servant à filtrer ces rayons. La pièce est composée
d’une succession de couches de 50 à 200 millionièmes de mètres.

Issu d’une imprimante 3D

Les chercheurs en quête d’un substrat approprié ont eu recours à des simulations d’écoulements et de réactions pour trouver des structures offrant la meilleure réactivité et la plus faible résistance à l’écoulement possibles. Les bases nécessaires ont été élaborées dans le cadre d’un projet financé par le FNS (Fonds national suisse pour la recherche scientifique). Les chercheurs ont retenu des structures polyédriques à pores ouverts de petite taille, similaires à des mousses mais beaucoup plus régulières. Puis la SUPSI a développé un procédé utilisant des imprimantes 3D pour fabriquer des catalyseurs à structure polyédrique optimalisée. Leur matrice est ainsi produite par une de ces imprimantes, puis recouverte de couches de carbure de silicium (SiC), d’oxyde de zirconium (ZrO2) et d’oxyde d’aluminium (Al2O3). Le seul inconvénient reste pour l’instant le coût du procédé, regrette Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler. « Mais le prix des imprimantes 3D finira certainement par baisser. »

Préchauffage par micro-ondes

Le problème posé par les températures de fonctionnement insuffisantes a également été résolu. Le substrat du catalyseur est préchauffé au moyen de micro-ondes, relativement peu gourmandes en énergie, pour atteindre rapidement les 280 degrés requis. Grâce à un générateur de micro-ondes qui s’enclenche à l’ouverture des portières, le catalyseur est déjà suffisamment chaud pour neutraliser les substances indésirables au moment de la mise en route du moteur, ce qui règle la question du démarrage à froid. C’est en cherchant un nouveau revêtement capable d’absorber efficacement ces ondes que les chercheurs ont identifié le mélange de SiC, ZrO2 et Al2O3. Ce nouveau dispositif catalytique est d’autant plus intéressant que sa nouvelle structure nécessite deux fois moins de métaux précieux (platine, palladium et rhodium) au niveau de son revêtement. Les chercheurs ont en outre réussi à réduire de moitié la taille du catalyseur, ce qui offre de nouvelles possibilités pour son positionnement dans le soubassement exigu des véhicules et permet également de réduire leur coût de fabrication.

La fabrication en série comme objectif

« Grâce au projet de recherche, cette technologie a enregistré une telle
avancée qu’il est désormais possible d’envisager une production en série »,
constate Giovanni D’Urbano. « Pour transposer dans la pratique le niveau
technologique atteint, des entretiens avec des constructeurs automobiles
intéressés sont prévus dans une étape suivante. » S’il se confirme que le
nouveau catalyseur permet d’éliminer la quasi-totalité des émissions liées au démarrage à froid dans des conditions réelles d’utilisation, il serait alors
possible, selon Giovanni d’Urbano, de réduire davantage les valeurs limites des gaz d’échappement à l’échelle européenne.

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Dernière modification 08.06.2017

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