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25 march 2020 |
La Revue POLYTECHNIQUE
Le dilemme du démarrage à froid
Les moteurs thermiques des voitures hybrides démarrent à froid plus souvent que ceux des voitures traditionnelles. C’est en particulier le cas chaque fois que la voiture quitte la ville, passant du mode électrique au mode essence. Comment préchauffer le catalyseur pour qu’il épure rapidement les gaz d’échappement ? Quelle méthode choisir ? Une équipe de l’Empa en a fait le calcul.
De janvier à septembre 2019, quelque 17’000 voitures hybrides rechargeables ont été mises en circulation en Suisse, soit 60 % de plus que l’année précédente. Ces voitures peuvent rouler quelques kilomètres sur leurs batteries, généralement en ville. Elles n’utilisent leur moteur à combustion qu’en périphérie, lorsqu’elles s’élancent sur l’autoroute ou sur une route de campagne. Le hic est que le moteur démarre alors à froid et tourne immédiatement à pleine charge et plein régime. À l’inverse de ce qui se passe avec une voiture traditionnelle.
L’épuration des gaz d’échappement est-elle assurée dans ces conditions ? Les catalyseurs y sont-ils adaptés ? Viola Papetti et Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler ont étudié la question à l’aide de leur propre modèle mathématique. Ils en tirent des recommandations sur la manière dont on pourrait à l’avenir préchauffer les catalyseurs pour en assurer l’efficacité.
Pour leurs calculs, les chercheurs ont modélisé un catalyseur typique de moteur à essence de 2,0 l. Leur programme, réalisé sur la plate-forme ouverte OpenFOAM, leur a permis de déterminer la manière dont les gaz d’échappement chauffaient la structure en nid d’abeille et la fine couche de cristaux du catalyseur. Le pot est tout d’abord « foehné » à chaud par les gaz d’échappement. La chaleur se propage à la céramique et à l’enveloppe métallique du pot. Bientôt, les premières réactions chimiques s’opèrent dans la partie avant du catalyseur, décomposant partiellement les produits nocifs. Il en résulte un nouvel apport de chaleur qui portera le reste du pot catalytique à la température voulue.
L’une des simulations prend le cas d’une voiture normale démarrant un jour d’hiver par -13 °C. Durant les trente premières secondes, il ne se passe rien dans le catalyseur. Puis la température de son premier quart augmente. Après quelques minutes, c’est au tour du second quart de chauffer. Le troisième quart n’atteint la température requise qu’après trois minutes. En tout, trois minutes et demie sont nécessaires pour que les trois quarts du catalyseur atteignent 140 °C et assurent ainsi l’épuration d’une bonne part des gaz d’échappement.
Les chercheurs ont répété l’exercice avec une voiture hybride. Ils ont postulé que le pot avait déjà été chauffé une première fois, puis s’était refroidi dans le trafic urbain – marqué de nombreux arrêts et reprises – effectué en mode électrique, sur les batteries. La température du pot refroidi ne tombait généralement pas au-dessous de 90 °C, mais il fallait encore trois minutes pour bien le chauffer. Sa température initiale résiduelle s’est toutefois avérée utile à l’activation des premières réactions chimiques.
Finalement, les chercheurs ont simulé un départ à froid sur une entrée d’autoroute, scénario typique des hybrides rechargeables qui roulent en mode électrique jusqu’en périphérie urbaine, puis passent à l’essence. Il ne faut alors au catalyseur que 90 secondes pour atteindre une température assurant l’épuration de tous les gaz d’échappement.
De janvier à septembre 2019, quelque 17’000 voitures hybrides rechargeables ont été mises en circulation en Suisse, soit 60 % de plus que l’année précédente. Ces voitures peuvent rouler quelques kilomètres sur leurs batteries, généralement en ville. Elles n’utilisent leur moteur à combustion qu’en périphérie, lorsqu’elles s’élancent sur l’autoroute ou sur une route de campagne. Le hic est que le moteur démarre alors à froid et tourne immédiatement à pleine charge et plein régime. À l’inverse de ce qui se passe avec une voiture traditionnelle.
L’épuration des gaz d’échappement est-elle assurée dans ces conditions ? Les catalyseurs y sont-ils adaptés ? Viola Papetti et Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler ont étudié la question à l’aide de leur propre modèle mathématique. Ils en tirent des recommandations sur la manière dont on pourrait à l’avenir préchauffer les catalyseurs pour en assurer l’efficacité.
Pour leurs calculs, les chercheurs ont modélisé un catalyseur typique de moteur à essence de 2,0 l. Leur programme, réalisé sur la plate-forme ouverte OpenFOAM, leur a permis de déterminer la manière dont les gaz d’échappement chauffaient la structure en nid d’abeille et la fine couche de cristaux du catalyseur. Le pot est tout d’abord « foehné » à chaud par les gaz d’échappement. La chaleur se propage à la céramique et à l’enveloppe métallique du pot. Bientôt, les premières réactions chimiques s’opèrent dans la partie avant du catalyseur, décomposant partiellement les produits nocifs. Il en résulte un nouvel apport de chaleur qui portera le reste du pot catalytique à la température voulue.
L’une des simulations prend le cas d’une voiture normale démarrant un jour d’hiver par -13 °C. Durant les trente premières secondes, il ne se passe rien dans le catalyseur. Puis la température de son premier quart augmente. Après quelques minutes, c’est au tour du second quart de chauffer. Le troisième quart n’atteint la température requise qu’après trois minutes. En tout, trois minutes et demie sont nécessaires pour que les trois quarts du catalyseur atteignent 140 °C et assurent ainsi l’épuration d’une bonne part des gaz d’échappement.
Les chercheurs ont répété l’exercice avec une voiture hybride. Ils ont postulé que le pot avait déjà été chauffé une première fois, puis s’était refroidi dans le trafic urbain – marqué de nombreux arrêts et reprises – effectué en mode électrique, sur les batteries. La température du pot refroidi ne tombait généralement pas au-dessous de 90 °C, mais il fallait encore trois minutes pour bien le chauffer. Sa température initiale résiduelle s’est toutefois avérée utile à l’activation des premières réactions chimiques.
Finalement, les chercheurs ont simulé un départ à froid sur une entrée d’autoroute, scénario typique des hybrides rechargeables qui roulent en mode électrique jusqu’en périphérie urbaine, puis passent à l’essence. Il ne faut alors au catalyseur que 90 secondes pour atteindre une température assurant l’épuration de tous les gaz d’échappement.
