Des chercheurs de l'Empa utilisent un catalyseur contre le démarrage à froid
Des chercheurs ont eu l'idée d'utiliser un catalyseur pour préchauffer le moteur à essence. Le démarrage à froid d'un moteur à essence produit bien plus de particules fines et d'autres polluants que pendant la conduite, car un catalyseur froid est bien moins efficace pour purifier les gaz d'échappement.
Un catalyseur pourrait faire l'affaire, car les moteurs à combustion actuels sont régulièrement critiqués. Il s'agissait tout d'abord de diesel en suie, que l'on pouvait toutefois "aider" avec des filtres à particules. Puis, toujours avec le diesel, les oxydes d'azote nocifs ont été mis sur le devant de la scène, que l'on a (soi-disant) réussi à maîtriser avec des systèmes compliqués de post-traitement des gaz d'échappement - ou pas, comme l'a montré le scandale du diesel. Ce que l'on oublie souvent dans le débat sur le diesel : Les moteurs à essence contribuent également à la pollution par les particules fines dans les villes. Surtout là où de nombreux moteurs sont démarrés à froid. Environ 90 pour cent de tous les polluants sont produits dans la première minute qui suit le démarrage à froid d'un moteur à essence moderne.
Solution au problème de démarrage à froid
En d'autres termes, les 500 premiers mètres de trajet polluent autant l'air que les 5'000 kilomètres suivants, si l'on roulait aussi loin sans s'arrêter. Pour améliorer encore la qualité de l'air, il faut donc des catalyseurs automobiles qui chauffent le plus rapidement possible - ou, mieux encore, qui purifient efficacement les gaz d'échappement dès le premier tour de moteur après le démarrage. Potis Dimopoulos Eggenschwiler, spécialiste du post-traitement des gaz d'échappement au laboratoire des moteurs de l'Empa, mène depuis près de deux ans des recherches avec le soutien du Fonds national suisse (FNS) et de l'Office fédéral de l'environnement (OFEV) pour trouver une solution au problème du démarrage à froid, qui pollue fortement l'air, surtout dans les villes et lorsque les températures extérieures sont froides.
Et les émissions élevées de démarrage à froid ne concernent pas seulement des millions de véhicules à essence, mais aussi des modèles hybrides. Ceux-ci passent régulièrement au moteur électrique en ville ou sur de courtes distances ; pendant ces phases, le moteur à combustion et surtout le catalyseur refroidissent à nouveau, et ce en partie en dessous de la température de fonctionnement optimale. Si la technique de régulation repasse ensuite au moteur à essence, les gaz d'échappement contenant des substances nocives s'écoulent à nouveau à travers le catalyseur (refroidi), presque comme après un démarrage à froid.
Pour que le catalyseur puisse être chauffé à 300 degrés Celsius par l'alimentation électrique de la voiture avec le moins d'énergie possible, avant même que le moteur ne démarre, il doit être petit et conduire la chaleur le mieux possible. Dimopoulos Eggenschwiler et son équipe ont développé une structure à pores ouverts avec un revêtement spécial qui peut être chauffée en dix secondes par un petit émetteur de micro-ondes - comme dans un four à micro-ondes à la maison. En 2012, le chercheur de l'Empa avait déjà mis au point un catalyseur particulièrement efficace - un moulage céramique d'une mousse de polyuréthane qui fait mieux tourbillonner les gaz d'échappement et génère moins de contre-pression qu'un catalyseur à structure alvéolaire traditionnelle.
Céramique imprimée en 3D
L'idée suivante est née de ce "chat en mousse" : une structure géométrique en treillis composée de fines entretoises en céramique, qui se contente d'un revêtement moins important en métal précieux, mais qui purifie tout de même efficacement les gaz d'échappement qui y tourbillonnent. "Nous avons d'abord cherché une structure optimale sur ordinateur", explique Dimopoulos Eggenschwiler. "Une structure qui s'échauffe rapidement, qui accélère les réactions chimiques tout en gênant le moins possible l'écoulement".
Il s'agissait ensuite de reproduire la structure en céramique. Des spécialistes de la "Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana" (SUPSI) à Lugano ont fabriqué la grille conçue sur ordinateur par stéréolithographie, une sorte d'impression 3D à partir de liquides et de lumière UV. Les chercheurs de l'Empa ont ensuite revêtu la céramique de carbure de silicium, d'oxyde de zirconium et d'oxyde d'aluminium - et des substances catalytiques actives que sont le platine, le rhodium et le palladium. L'entreprise tessinoise EngiCer SA se charge de la fabrication des premières petites séries et est en mesure d'étendre ses capacités en cas de besoin plus important. Le fabricant suisse de catalyseurs HUG Engineering AG est également de la partie.
La structure géométrique en céramique du catalyseur expérimental, conçue sur ordinateur. Les spécialistes de l'Empa l'ont recouverte de la couche active et ont testé son effet nettoyant dans un flux de gaz d'échappement artificiel.
Le probable premier catalyseur de gaz d'échappement au monde fabriqué par une imprimante 3D a répondu à toutes les attentes lors du test pratique : Dans le flux de gaz d'échappement généré artificiellement dans le réacteur à gaz modèle de l'Empa, la nouvelle géométrie du polyèdre a encore mieux purifié les polluants que le catalyseur en mousse de 2012. Après que les premiers essais en laboratoire avec de petits catalyseurs modèles ont été couronnés de succès, un projet de suivi est maintenant en préparation : un catalyseur 3D de taille originale sera monté dans un véhicule prototype et ensuite testé sur le banc d'essai et sur la route.
La prochaine étape consistera à intégrer le chauffage par micro-ondes. "Il est important que nous ne chauffions pas toute la structure céramique", explique Dimopoulos Eggenschwiler. "Nous voulons concentrer les micro-ondes générées par le précieux courant de la batterie uniquement sur la première partie du catalyseur. Si les premières réactions chimiques se déroulent, le reste du catalyseur se réchauffe très rapidement". Un à deux kilowatts de puissance pendant dix à vingt secondes pourraient facilement être détournés de la batterie de la voiture, explique le spécialiste des gaz d'échappement. "Cela devrait suffire". Dès que le moteur tourne, les gaz d'échappement et les réactions chimiques dans le catalyseur lui-même fournissent suffisamment de chaleur pour le maintenir chaud. Le micro-ondes peut alors être arrêté. Les émissions de démarrage à froid pourraient donc bientôt être de l'histoire ancienne.
