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Poussières fines

La poussière de frein est-elle nocive ?

26 janv. 2021 | RAINER KLOSE

Depuis l'introduction des filtres à particules, les moteurs à combustion émettent de moins en moins de particules. Par conséquent, l'abrasion des disques de frein et des pneus est de plus en plus au centre de l'attention des experts et des ingénieurs de la santé. Parce qu'ils ne sont pas exactement inoffensifs non plus. Mais, un problème demeure : comment mesurer correctement la quantité et la taille des particules de poussières de frein ? Les chercheurs de l'Empa développent actuellement une méthode sophistiquée à cet effet.

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Poussière fine: Les freins d‘une voiture émettent des particules d‘oxyde métallique. Image: Empa

La VW Jetta Hybrid sur le banc de mesure à rouleaux de la salle des machines de l'Empa a déjà une longue carrière en tant que véhicule de flotte. Depuis juillet 2020, elle est utilisée, attachée à la chambre d'essai, dans un nouveau but de recherche : il s'agit de générer des poussières de frein, strictement selon le cycle de conduite normalisé de la WLTP, qui sert également à déterminer les émissions de gaz d'échappement.

L'intérêt pour les mesures de poussière de frein est encore relativement jeune : en juin 2016, un département de la Commission économique des Nations unies pour l'Europe (CEE-ONU) appelé Groupe de travail informel du programme de mesure des particules (PMP IWG) a décidé qu'il était temps de développer une procédure de test généralement applicable pour les poussières de frein qui pourrait déterminer de manière fiable la masse et le nombre de particules émises. Depuis lors, un certain nombre d'instituts de recherche, de constructeurs automobiles et d'entreprises spécialisées dans les équipements de mesure ont abordé le sujet. Mais le problème n'est pas facile à résoudre.

Distribué dans toutes les directions
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L‘Empa mesure les émissions dans toute la voiture. Image: Empa

Contrairement à un tuyau d'échappement, qui souffle de manière fiable dans une direction, un frein rotatif distribue ses particules dans toutes les directions. Il faut donc d'abord attraper les particules, puis les laisser voler par un entonnoir vers l'appareil de mesure. Il faut en perdre le moins possible dans le processus : Aucune particule légère ne doit s'échapper et aucune particule lourde ne doit rester dans les tuyaux.

Deux autres complications s'ajoutent : Le frein d'une voiture est fixé à un arbre d'entraînement rotatif, qui doit être soigneusement scellé pour la mesure afin qu'aucune particule ne disparaisse. Et un frein a besoin d'être refroidi. Lorsque la voiture est en mouvement, le courant d'air, ainsi que les lamelles de ventilation entre les disques de frein, fournissent une un flux d'air rafraîchissant. Un frein entièrement fermé sur un banc d'essai, en revanche, peut rapidement surchauffer - et produirait alors des particules complètement différentes de celles que l'on trouve dans la circulation quotidienne réelle. Une telle mesure serait peu utile.

Toutes les émissions en même temps
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L'impacteur en cascade à 13 étages. Image: Empa

Le groupe de travail PMP IWG de la CEE-ONU résout le problème par simplification : les essais de freinage souhaités doivent être effectués sur des bancs d'essai complètement 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. Cela signifie qu'un seul composant est testé, et non la voiture entière.

"Nous allons essayer une autre voie", dit 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 sur banc d'essai. Cela est plus significatif que les données d'un testeur de freins isolé, qui doivent ensuite être converties pour des conditions réelles. »

Une construction spéciale aérée
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L'ingénieur Daniel Schreiber travaille dans le "Automotive Powertrain Technology" laboratoire de l'Empa. Image: Empa

En collaboration avec l'ingénieur Daniel Schreiber, Dimopoulos Eggenschwiler a développé une variante du test de l'Empa, dont les résultats doivent maintenant résister à la comparaison avec d'autres groupes de travail internationaux. A l'Empa, une voiture réelle entière est testée, la VW Jetta Hybrid mentionnée au début de cet article. Le frein de la roue avant droite était logé dans un boîtier métallique spécialement conçu. Un tuyau d'air comprimé achemine de grandes quantités d'air de refroidissement dans l'enveloppe métallique depuis l'avant de la voiture, et en même temps, l'air est le moyen de transport des particules de frein abrasées. Ces derniers sont dirigés dans un tube d'environ un mètre de long à côté du seuil de la voiture et, après un court temps de vol, atterrissent dans un impacteur en cascade à 13 étages, un appareil de mesure spécial qui trie les particules en fonction de leur taille. Après le test, les fractions de particules peuvent être analysées stoechiometriquement et, si nécessaire, leur morphologie peut également être examinée au microscope électronique, par exemple.

"Lors de tests préliminaires, nous avons déjà déterminé les composants dont sont constituées les particules", explique Dimopoulos Eggenschwiler. "Il s'agit principalement d'oxyde de fer, qui provient essentiellement du disque de frein, et d'un certain nombre d'éléments tels que l'aluminium, le magnésium, le calcium, le potassium et le titane, qui proviennent des plaquettes de frein. "En plus des grosses particules lourdes, il y a aussi des particules plus petites qui peuvent être inhalées et qui peuvent pénétrer dans les poumons.

Les voitures hybrides freinent-elles différemment ?
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L'impacteur en cascade trie les particules en fonction de leur taille. Image: Empa

Maintenant que le processus de mesure est stable, la VW Jetta sera d'abord exploitée selon le cycle WLTP prescrit par la loi et fournira ses particules de frein à la machine de comptage. D'autres séries de tests sont ensuite prévues. "Nous voulons savoir, par exemple, si les voitures hybrides freinent différemment des voitures équipées de systèmes de propulsion conventionnels et provoquent donc des émissions différentes", explique le responsable du 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 frein qu'aujourd'hui. »

Les travaux de recherche font partie du projet de recherche "Emissions de particules dues à l'abrasion des freins - Mesures et analyses" et sont soutenus financièrement par l'Office fédéral de l'environnement (OFEV).


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Rainer Klose
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