Saisir l'usure des disques de frein et des pneus

La VW Jetta Hybrid sur le banc d'essai à rouleaux de la Maison des moteurs de l'Empa a déjà derrière elle une carrière de plusieurs années comme véhicule de flotte. Depuis juillet 2020, elle sert, sanglée dans la chambre d'essai, à un nouvel objectif de recherche : elle doit produire de la poussière de frein, en suivant strictement le cycle de conduite normalisé WLTP, qui permet également de déterminer les émissions d'échappement.

L'intérêt pour les mesures des poussières de frein est relativement récent : en juin 2016, une division de la Commission économique pour l'Europe des Nations unies (CEE-ONU) appelée "Particle Measurement Programme Informal Working Group" (PMP IWG) a décidé qu'il était temps de mettre au point une méthode de test des poussières de frein utilisable par tous et permettant de déterminer de manière fiable la masse et le nombre de particules émises. Depuis lors, plusieurs instituts de recherche, constructeurs automobiles et entreprises spécialisées dans les appareils de mesure se sont penchés sur la question. Mais le problème n'est pas simple à résoudre.

Distribué dans toutes les directions

Contrairement à un tuyau d'échappement qui souffle de manière fiable dans une direction, un frein rotatif disperse ses particules dans toutes les directions de l'espace. Il faut donc d'abord capturer les particules, puis les faire voler à travers un entonnoir en direction de l'appareil de mesure. Au cours de ce processus, il faut en perdre le moins possible : Les particules légères ne doivent pas s'échapper et les particules lourdes ne doivent pas rester dans les conduits.

Deux autres complications viennent s'ajouter : Le frein d'une voiture est fixé à un arbre de transmission en rotation, qu'il faut soigneusement étanchéifier pour la mesure, afin qu'aucune particule ne s'échappe. Et un frein a besoin d'être refroidi. Dans le cas d'une voiture en mouvement, le vent de la route et les lamelles de ventilation entre les disques de frein assurent un courant d'air rafraîchissant. En revanche, un frein entièrement enfermé sur un banc d'essai peut rapidement chauffer - et produirait alors des particules totalement différentes de celles produites dans la circulation quotidienne réelle. Une telle mesure n'aurait que peu de valeur.

Mesurer toutes les émissions en même temps 

Le groupe de travail PMP IWG de la CEE-ONU résout le problème par une simplification : les tests de freinage souhaités doivent se dérouler dans des bancs d'essai entièrement fermés. De tels bancs d'essai existent. Ils ressemblent à de grandes armoires dans lesquelles les disques et les plaquettes de frein frottent les uns contre les autres. On ne teste donc qu'un seul composant, pas la voiture entière.

"Nous essayons d'une autre manière", explique Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler, qui conçoit le dispositif expérimental à l'Empa. "Nous voulons mesurer simultanément toutes les émissions d'une voiture lors d'un essai de conduite sur banc d'essai. Cela a une plus grande valeur informative que les données d'un banc d'essai de freinage isolé, qui doivent ensuite être converties en conditions réelles".

Une construction spéciale aérée

En collaboration avec l'ingénieur Daniel Schreiber, Dimopoulos Eggenschwiler a développé une variante Empa du test, dont les résultats doivent maintenant soutenir la comparaison avec d'autres groupes de travail internationaux. A l'Empa, c'est toute une voiture réelle qui est sur le banc d'essai, la VW Jetta Hybrid mentionnée au début. Le frein de la roue avant droite a été enveloppé dans un boîtier métallique spécialement conçu. Un tuyau d'air comprimé achemine de grandes quantités d'air de refroidissement depuis l'avant de la voiture vers l'enveloppe en tôle, l'air servant en même temps de moyen de transport pour les particules de frein abrasées. Celles-ci sont dirigées à côté du bas de caisse de la voiture dans un tube d'environ un mètre de long et atterrissent après un court temps de vol dans un impacteur en cascade à 13 niveaux, un appareil de mesure spécial qui trie les particules en fonction de leur taille. Après le test, les fractions de particules peuvent être pesées, analysées chimiquement et, selon les besoins, examinées au microscope électronique, par exemple en ce qui concerne leur morphologie.

"Lors d'essais préliminaires, nous avons déjà déterminé les éléments qui composent les particules", explique Dimopoulos Eggenschwiler. "Il s'agit surtout d'oxyde de fer, qui provient principalement du disque de frein, ainsi que d'une série d'éléments comme l'aluminium, le magnésium, le calcium, le potassium et le titane, qui proviennent des plaquettes de frein". Outre les grosses particules lourdes, il y en a aussi de plus petites qui peuvent tout à fait être inhalées et pénétrer dans les poumons.

Les voitures hybrides freinent-elles différemment ?

Maintenant que la procédure de mesure est stable, la VW Jetta va d'abord fonctionner selon le cycle WLTP prescrit par la loi et livrer ses particules de freinage à la machine de comptage. D'autres séries d'essais sont ensuite prévues. "Nous voulons par exemple savoir si les voitures hybrides freinent différemment des voitures à propulsion traditionnelle et si elles produisent donc aussi d'autres émissions", explique le chef de projet. Les voitures hybrides peuvent également freiner à l'aide de leur moteur électrique et doivent donc utiliser moins souvent les freins mécaniques. "Grâce aux valeurs mesurées, il sera possible d'optimiser les phases de fonctionnement des futures générations de véhicules et de mieux contrôler les émissions de poussières de freinage qu'aujourd'hui".