Pollution au démarrage: Les premières minutes sont décisives

Lors du démarrage d’un moteur à essence, le catalyseur n’agit encore presque pas. Pendant plusieurs minutes, de grandes quantités de gaz non traités s’échappent ainsi dans l’atmosphère. Le Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (Empa) a développé un catalyseur susceptible d’atténuer ce problème. Mais pour que l’industrie s’y intéresse, il faut renforcer les prescriptions sur les gaz d’échappement. 

Texte : Nicolas Gattlen

Kaltstart
© Connel_Design/iStock

Les catalyseurs modernes sont extrêmement efficaces : ils éliminent jusqu’à 99 % de tous les polluants dégagés par un moteur à essence. Mais ils ne parviennent à ce résultat qu’à chaud, entre 200 et 300 °C, des températures qui ne sont atteintes qu’après plusieurs minutes de conduite. Lorsqu’il fait froid, il faut encore plus de temps pour que le catalyseur chauffe et fonctionne pleinement.

Une équipe de l’Empa, menée par Viola Papetti et Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler, a étudié le fonctionnement du catalyseur d’un moteur essence 2,0 litres pendant les premières minutes après le démarrage. Leur modélisation concerne un jour d’hiver, par –13 °C. Dans les 30 premières secondes, il ne se passe presque rien. Ensuite, le premier quart du catalyseur commence à se réchauffer. Après une minute, c’est le deuxième quart et, après deux minutes, le troisième. Il faut trois minutes et demie pour que le catalyseur, aux trois quarts chaud, atteigne une température de 140 °C et élimine une grande part des gaz d’échappement.

Des quantités de polluants considérables

Des mesures de l’Empa ont montré que, pour un véhicule à essence respectant la norme Euro 6b, environ 40 % des émissions de monoxyde de carbone (CO), 90 % des émissions d’hydrocarbures (HC), 59 % des émissions d’oxydes d’azote (NOX) et 50 % des particules sont produites dans les 300 premières secondes après le démarrage à froid. « Les voitures à essence modernes rejettent plus de polluants dans les 300 premières secondes que sur un trajet de 1300 kilomètres avec un moteur chaud », précise Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler. Il en va de même pour les véhicules diesel : 73 % des émissions de CO, 39 % des émissions de HC, 33 % des émissions de NOX et 75 % des particules sont issues du démarrage à froid.

Les hydrocarbures aromatiques, dont les effets toxiques et cancérigènes sont connus depuis des décennies, sont particulièrement insidieux. En outre, avec les NOX, les hydrocarbures peuvent subir une transformation chimique dans l’atmo­sphère et former des microparticules. Les particules fines ayant des effets négatifs sur la santé, il convient de réduire ces particules fines « secondaires », de la même manière que les « primaires », qui sont émises directement par les moteurs automobiles et sont aujourd’hui en grande partie retenues par les filtres à particules.

Le démarrage à froid provoque de nombreuses émissions en particulier sur les voitures hybrides et les hybrides rechargeables : dans les embouteillages, leur système d’alimentation passe régulièrement sur le moteur électrique, provoquant le refroidissement du moteur à combustion, du système d’échappement et du catalyseur. Lorsque le moteur à combustion redémarre, les gaz d’échappement ne sont que partiellement transformés. Toutefois, le réchauffement du catalyseur commence à une température plus élevée que lors d’un véritable démarrage à froid, ce qui accélère les premières réactions d’épuration.

L’Empa a également simulé le démarrage à froid à l’entrée sur l’autoroute, un scénario typique pour les véhicules hybrides rechargeables, qui circulent sur batterie en ville et passent ensuite à l’essence. Dans ce cas aussi, des polluants toxiques sont émis pendant plusieurs minutes. Une situation d’autant plus préoccupante que la flotte hybride est en forte augmentation en Suisse : pour le seul premier trimestre 2020, ce sont plus de 6000 voitures hybrides (+75 % par rapport au même trimestre de l’année précédente) et plus de 2200 hybrides rechargeables (+194 %) qui ont été introduites sur nos routes.

Chauffer les catalyseurs en amont

Le problème du démarrage à froid ne peut être résolu que si le catalyseur est chauffé de manière ciblée dès l’allumage du moteur à combustion. Ou mieux encore : avant son allumage. Dans le cadre d’un projet soutenu par l’OFEV, une équipe menée par Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler a élaboré un système dans lequel le réchauffement, par micro-ondes, commence dès l’ouverture des portes de la voiture. Ce système utilise un magnétron ordinaire, comme les appareils ménagers. L’énergie nécessaire (1 kilowatt) est fournie par la batterie du véhicule.

Pour qu’un catalyseur puisse atteindre 300 °C en une trentaine de secondes, il doit être petit et bien absorber les micro-ondes. L’équipe de l’Empa a donc développé une structure novatrice, qui permet une meilleure transmission de la chaleur. L’intérieur ne se compose pas de canaux rectilignes, comme c’est habituellement le cas, mais de milliers de cavités cubiques provoquant un tourbillonnement des gaz d’échappement. Ces derniers étant ainsi davantage en contact avec les métaux nobles à action catalytique, les polluants sont transformés plus rapidement et plus efficacement. Les mesures les plus récentes effectuées sur un moteur à essence (approbation 2020) sont prometteuses : lors d’un démarrage à froid, les émissions polluantes ont été réduites de 40 %, alors même que le catalyseur et le magnétron n’étaient pas encore idéalement placés.

À la recherche de la meilleure méthode

Outre les micro-ondes, il existe d’autres options pour accélérer le chauffage du catalyseur. « Le moteur pourrait être conçu de manière à produire des gaz plus chauds lors du démarrage à froid », explique Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler. « Mais cela augmenterait la consommation de carburant. Sur les véhicules hybrides, on pourrait utiliser la batterie pour préchauffer électriquement les gaz d’échappement. » L’Empa a procédé à des simulations afin de définir quelle serait la méthode la plus efficace pour éviter les polluants sur un véhicule hybride, en utilisant le moins d’énergie possible. Pour les démarrages à froid en cas de circulation discontinue, le mieux est de simplement préchauffer les gaz. Mais, sur l’autoroute, l’énergie requise est trop importante, vu la grande quantité de gaz d’échappement. Il vaut donc mieux réchauffer le catalyseur avec des micro-ondes. « En fin de compte, résume le chercheur, c’est en combinant toutes les méthodes qu’on obtient les meilleurs résultats. »

Le problème est connu de l’industrie automobile, qui cherche elle aussi des solutions. Ainsi, BMW travaille sur des systèmes permettant d’emmagasiner la chaleur du moteur pour maintenir sa température, ainsi que celle du pot d’échappement et du catalyseur. L’accumulateur de chaleur fonctionne selon le principe d’un grand thermos dans lequel s’insère le moteur. Mais on ignore encore si le catalyseur peut ainsi rester chaud pendant douze heures.

Des essais harmonisés

Si des catalyseurs plus efficaces et des accumulateurs de chaleur ne sont pas encore produits en série, c’est essentiellement parce que les mesures des émissions de gaz d’échappement prévues par la loi ne nécessitaient pas de tels équipements jusqu’à présent. Le démarrage à froid ne constituait que la première partie des mesures requises, qui étaient ensuite réalisées à une température ambiante de 23 °C, les valeurs limites étant appliquées aux résultats de la totalité du cycle. Ces dernières années, les prescriptions sur les gaz d’échappement ont toutefois été régulièrement renforcées et assorties de nouvelles conditions de tests (cycle plus représentatif, émissions réelles sur route, températures ambiantes inférieures).

Dans le cadre du Forum mondial pour l’harmonisation des réglementations sur les véhicules, l’OFEV défend un durcissement des prescriptions sur le démarrage à froid, qui tienne compte des températures propres à notre pays. L’office soutient ainsi le développement de procédures d’essai adéquates par l’Empa (en collaboration internationale, voir encadré page 15). Au printemps 2020, une décision internationale a permis d’établir une nouvelle procédure harmonisée pour mesurer les gaz d’échappement à une température ambiante plus faible (démarrage à froid par –7 °C). Cette procédure intègre tous les polluants atmosphériques pertinents et s’applique à l’ensemble des véhicules (y compris hybrides). Elle pourra être reprise par exemple par la Commission européenne pour la nouvelle norme Euro 7, qui sera applicable également en Suisse.

Qualité de l’air et collaboration internationale

La Suisse aborde la protection de l’air sous deux angles : les valeurs limites d’immission et les valeurs limites d’émission. Pour les valeurs limites d’immission fixées par l’ordonnance sur la protection de l’air (OPair), c’est la protection qui est en première ligne : la population et l’environnement habité doivent être protégés contre les polluants atmosphériques. La Suisse a en outre adhéré à la Convention sur la pollution atmosphérique transfrontière à longue distance (CLRTAP), qui fixe des limites contraignantes pour différents polluants. La Confédération et les cantons procèdent à des relevés dans différents lieux. Si les immissions sont trop élevées, les cantons doivent prendre des mesures supplémentaires. Les limites d’émission sont défi-nies selon le principe de précaution, comme le prévoit la loi sur la protection de l’environne­-ment (LPE). Quant aux émissions de polluants, elles doivent être réduites à la source ou même supprimées.

Pour limiter les rejets polluants du trafic routier, la Confédération adapte constamment les prescriptions sur les gaz d’échappement et la qualité des carburants au progrès technique. Ainsi, la proportion de substances problématiques dans l’essence (plomb, benzène) et le diesel (soufre) a été peu à peu réduite. L’essence sans plomb à faible teneur en benzène et le diesel à faible teneur en soufre sont aujourd’hui la norme. De 1982 à 1995, la Suisse avait ses propres valeurs limites pour les gaz d’échappement, nettement plus strictes par rapport à d’autres États. C’est pourquoi le pot catalytique s’y est généralisé plus rapidement. Depuis 1995, les prescriptions helvétiques sont entièrement harmonisées avec celles de l’Union européenne, qui se sont durcies entre-temps. La Confédération (OFROU, OFEV) participe à l’élaboration des normes et des procédures d’essai, notamment dans le domaine du démarrage à froid, dans le cadre d’instances internationales telles que le Forum mondial pour l’harmonisation des réglementations sur les véhicules, un groupe de travail de la Commission économique des Nations unies pour l’Europe (CEE-ONU).

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Dernière modification 24.02.2021

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