Viola Papetti et Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler ont calculé le moment où un convertisseur catalytique, par exemple dans une voiture hybride rechargeable, commence à fonctionner après un démarrage à froid. Image : Empa

Empa : Préchauffer le catalyseur - le dilemme du démarrage à froid

(Empa) Les moteurs thermiques des voitures hybrides et hybrides rechargeables démarrent à froid plus souvent que ceux des voitures habituelles. C’est en particulier le cas chaque fois que la voiture quitte une 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 a calculé tout cela. (Text auf Deutsch >>)


Silencieux porté à chaud sous la caisse d’une voiture. On n’a compté jusqu’à présent que sur la chaleur du moteur pour épurer les gaz d’échappement. A l’avenir, on pourrait préchauffer électriquement les catalyseurs afin de prévenir l’émission des subs-tances nocives lors des démarrages à froid. Image: iStock

De janvier à septembre 2019, environ 17 000 voitures hybrides rechargeables ont été mises en circulation en Suisse, soit 60 % de plus que l’année précédente. La tendance est fortement à la hausse. Ces voitures peuvent rouler quelques kilomètres sur leurs batteries, généralement en ville. Elles n’utilisent leur moteur à combustion qu’en périphérie, lorsque la conductrice s’élance 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. A l’inverse de ce qui se passe avec une voiture normale.

L’épuration des gaz d’échappement est-elle assurée dans ces conditions? Les catalyseurs (ou pots catalytiques) prescrits depuis les années 1980 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.

Un pot n’est bon que chaud
Lors d’un départ à froid, les gaz de combustion issus du moteur arrivent dans un catalyseur froid. Or celui-ci doit être amené à bonne température pour assurer sa fonction. Tant qu’il est froid, le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azote (NOx) et les hydrocarbures non brûlés le franchissent sans autre et sont rejetés par l’échappement. Les plafonds d’émissions que les véhicules modernes Euro-6 doivent respecter ne peuvent l’être que lorsque le catalyseur est chaud. Entre froid et chaud, la différence est abyssale: dans les trois premières minutes suivant un démarrage à froid, une voiture émet plus de polluants que sur 1000 km parcourus avec un moteur chaud.

Chimie et échange de chaleur dans le convertisseur catalytique
Pour leurs calculs, les chercheurs ont modélisé un catalyseur typique de moteur à essence de 2,0 litres. Leur programme – réalisé sur la plateforme en open-source «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 dite washcoat 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 à la température voulue.

Plusieurs minutes sans épuration des gaz d’échappement
L’une des simulations prend le cas d’une voiture normale démarrant un jour d’hiver par -13°C. Durant les 30 premières secondes, il ne se passe strictement 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 une température intéressante qu’après trois minutes. En tout, trois minutes et demi 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.

Scénario pour les voitures hybrides rechargeables
Les chercheurs ont répété l’exercice pour une voiture hybride. Ils ont posé 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 sous 90°C, mais trois minutes restaient nécessaires 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. Dans ce cas, le catalyseur est initialement à -13°C et voit passer un double volume de gaz d’échappement. Il ne lui faut maintenant que 90 secondes pour atteindre une température assurant l’épuration de tous les gaz, cela grâce au "foehnage" plus intense par les gaz d’échappement qui activent plus rapidement et plus vigoureusement les réactions chimiques.

Peut-on préchauffer un pot catalytique?
La mauvaise nouvelle est donc que même les hybrides rechargeables les plus modernes rejettent des substances nocives durant plusieurs minutes après chaque démarrage à froid. Cela pourra s’avérer problématique lorsque, dans les années à venir, l’UE renforcera ses prescriptions sur les gaz d’échappement. La question ne peut être résolue que par le chauffage rapide du catalyseur lors du démarrage du moteur ou, mieux encore, avant son démarrage. Comment s’y prendre? «Je vois trois possibilités, explique Dimopoulos Eggenschwiler. Faire que le moteur rejette des gaz d’échappement plus chauds, mais cela a son coût en carburant; utiliser le courant des batteries pour préchauffer électriquement les gaz d’échappement; préchauffer le washcoat du catalyseur par micro-ondes, une idée développée par l’Empa et bientôt prête pour la production en série.» Mais laquelle de ces méthodes permet d’éviter le plus efficacement le rejet de produits nocifs? Laquelle consomme le moins d’énergie?

Nos chercheurs l’ont calculé: lors d’un démarrage à froid en ville, le plus avantageux est de ne préchauffer que les gaz. Lors d’un démarrage à froid sur l’autoroute, cela consommerait trop d’énergie eu égard à la quantité de gaz d’échappement en jeu. Il est alors préférable de préchauffer le washcoat. «Finalement, c’est en combinant les méthodes que nous obtenons les meilleurs résultats», précise Viola Papetti qui a effectué les simulations.

Egalement utile pour la mobilité électrique
«Une chose encore!» remarque Panayotis Dimopoulos en fin d’entretien. Il sourit comme Steve Jobs lors d’une présentation de iPhone. «Depuis quelque temps, nous appliquons également ces méthodes de calcul aux voitures électriques.» Le programme de simulation des chercheurs de l’Empa peut en effet, déterminer la répartition de la chaleur dans le pot d’échappement d’un moteur thermique, mais également dans les accumulateurs lithium-ion. Ce qui en fait un parfait outil d’optimisation du refroidissement des voitures électriques, également lors de la recharge des batteries en station. Cette deuxième application du logiciel n’est pas négligeable car la recharge rapide des batteries dépend d’un bon suivi de la température et du bon réglage du refroidissement.

Texte : Empa

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