Lutter contre les émissions de démarrage à froid grâce aux micro-ondes

Potis Dimopoulos Eggenschwiler, un spécialiste du traitement des gaz d’échappement au laboratoire de recherche sur les moteurs de l’Empa et son équipe, ont effectué des recherches pendant près de deux ans avec le soutien du Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS) et de l’Office fédéral de l’environnement (OFEV), afin de trouver une solution au problème du démarrage à froid qui pollue fortement l’air, en particulier dans les villes et lors de températures extérieures très froides.

Pour pouvoir chauffer le catalyseur à 300 °C au moins avant que le moteur démarre, Potis Dimopoulos Eggenschwiler a mis au point une structure à pores ouverts dotée d’un revêtement spécial, qui peut être chauffée en dix secondes par un petit émetteur à micro-ondes, similaire aux fours domestiques. Les chercheurs de l’Empa avaient déjà développé, en 2012, un catalyseur particulièrement efficace, constitué d’un moulage en céramique d’une mousse de polyuréthane, qui fait tourbillonner les gaz d’échappement et génère moins de contre-pression qu’un catalyseur classique à structure en nid d’abeilles.

 

Potis Dimopoulos Eggenschwiler (à droite) est à la tête du projet initié par l’Office fédéral de l’environnement (OFEV), ayant pour but de mettre au point un nouveau catalyseur de gaz d’échappement pour les voitures à essence. Alberto Ortona (à gauche), de la Haute école spécialisée de la Suisse italienne (SUPSI), a imprimé en 3D la structure en céramique.

Une céramique issue de l’impression 3D

À partir du «catalyseur-mousse», une structure de grille géométrique constituée de minces arêtes en céramique a été développée, laquelle ne nécessite qu’un revêtement en métal précieux très mince afin d’épurer de manière efficace les gaz d’échappement qui tourbillonnent. «Au début, nous avons recherché la structure optimale sur ordinateur», explique Potis Dimopoulos Eggenschwiler. «Une structure qui se réchauffe rapidement, accélère les réactions chimiques, entravant le moins possible le flux», ajoute-t-il.

Il fallait ensuite recréer la structure en céramique. Les spécialistes de la Haute école spécialisée de la Suisse italienne (SUPSI) à Lugano ont produit les grilles conçues par ordinateur au moyen de la stéréolithographie, une technique de prototypage rapide, qui permet de fabriquer des objets solides à partir d’un modèle numérique, une sorte d’impression 3D. Les chercheurs de l’Empa ont ensuite recouvert la céramique de carbure de silicium, de zircone et d’alumine, ainsi que des catalyseurs actifs que sont le platine, le rhodium et le palladium.

 

Premiers tests réussis

Ce qui est probablement le premier convertisseur catalytique produit par une imprimante 3D a dépassé dans la pratique toutes les attentes: dans le flux d’échappement produit artificiellement par le réacteur à gaz de l’Empa, la nouvelle géométrie de polyèdre a permis d’épurer les polluants encore mieux que le catalyseur-mousse de 2012. Après la réussite des premiers tests de laboratoire, les chercheurs sont en pourparlers avec des partenaires industriels pour intégrer un tel catalyseur dans un véhicule prototype et pour le tester dans la pratique.

Le chauffage par micro-ondes sera intégré lors de l’étape suivante. «Il est important de ne pas chauffer toute la structure en céramique. Nous voulons focaliser les micro-ondes générées, uniquement sur la première partie du catalyseur. Un à deux kilowatts de puissance électrique pendant dix à vingt secondes, pourraient facilement provenir de la batterie de la voiture», explique Potis Dimopoulos Eggenschwiler. Dès que le moteur tourne, les gaz d’échappement et les réactions chimiques dans le catalyseur fournissent suffisamment de chaleur pour le maintenir chaud. Le générateur de micro-ondes peut alors être éteint.

 

La structure géométrique en céramique du convertisseur catalytique d’essai conçu sur ordinateur. Les spécialistes de l’Empa l’ont recouvert d’une couche catalytique active et ont testé l’effet nettoyant dans un flux artificiel de gaz d’échappement.

La genèse des particules toxiques

Ce ne sont pas seulement les véhicules diesel dépourvus de filtres qui sont responsables de la pollution par des particules dans le centre des villes. Les moteurs à essence y contribuent également – surtout lors du démarrage à froid.

Une équipe de recherche dirigée par André Prévôt de l’Institut Paul Scherrer a montré, dans une chambre de smog comment ces fines particules de poussière sont créées. Les chercheurs ont recueilli les gaz d’échappement de véhicules d’essai dans une chambre gonflable de 12 m³, dont les parois sont constituées d’un film de téflon transparent. Les gaz d’échappement y sont mélangés à l’air humidifié et à quelques gaz traceurs typiques, puis exposés pendant plusieurs heures à des lampes UV, afin de simuler une journée ensoleillée. Les gaz d’échappement «frais» se transforment alors en particules de nitrate d’ammonium. En outre, les hydrocarbures non brûlés s’oxydent à l’air et deviennent donc liquides ou solides. Il en résulte un brouillard toxique qui se fixe sur les particules de sel nouvellement formées et sur les particules de suie provenant du moteur. Certains jours, jusqu’à 90 % des particules polluantes peuvent ainsi être transformées en poussière fine «secondaire».

 

Potis Dimopoulos Eggenschwiler

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