Comment ça marche ?

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Cette article présente le fonctionnement de l’application GECO air, de son installation à son utilisation au quotidien. Il explicite également l’approche scientifique mise en oeuvre pour l’estimation des polluants, et répond aux interrogations que les plus sceptiques pourraient se poser.

L’installation

L’application est disponible sur les stores, gratuitement, pour iOs et Android. Vous pouvez découvrir et tester l’application en quelques clics, sans créer de compte. Pour profiter de toutes les fonctionnalités de l’application, créez à tout moment votre compte.

emoticone.png Une application gratuite…

… pas de contenu ?

Bien que gratuite, GECO air est le fruit d’un travail de recherche poussé. Les algorithmes utilisés sont issus de l’expertise d’IFPEN dans le domaine de la motorisation, du transport et du développement logiciel. Ils ont fait l’objet d’un brevet et de plusieurs publications scientifiques.

… pour collecter mes données personnelles ?

Cette application n’a pas vocation à collecter des données personnelles à des fins commerciales. Les seules données stockées sont les profils émissions polluantes sur vos trajets. Ces données sont anonymisées, stockées et utilisées par les chercheurs IFPEN pour permettre d’améliorer l’infrastructure et la réglementation routières en terme d’impact sur la qualité de l’air.

Renseigner son véhicule

Pourquoi ?

Pour un même trajet, les polluants ne sont pas les mêmes selon que le véhicule conduit est un hybride récent ou un Diesel ancien. Il est donc nécessaire de tenir compte des spécificités techniques du véhicule utilisé.

Comment ça marche ?

L’utilisateur est invité à renseigner sa plaque d’immatriculation lors de la création du compte. A partir de cette plaque d’immatriculation, il est possible de retrouver automatiquement l’ensemble des spécifications techniques du véhicule à l’aide d’une base de donnée mise à disposition pour IFPEN par l’Argus. Ces spécifications (carburant, année, cylindrée, type de post-traitement, etc.) sont utilisées pour paramétrer les modèles mathématiques qui vont permettre d’estimer les émissions polluantes.

emoticone.pngQuelle précautions sont prises pour moi ?

Pourquoi demander le numéro de plaque d’immatriculation ?

Les niveaux d’émissions de véhicule dépendent fortement des spécificités détaillées du véhicule. Nos modèles physiques le prennent en comptent. Toutefois, il n’est pas envisageable de les demander à l’utilisateur qui, dans la grande majorité des cas, ne connait pas ces informations ou ne prendrait pas le temps de les renseigner.

Grâce à un partenariat avec l’Argus, nous sommes en mesure de connaitre toutes ces spécificités uniquement à partir de la plaque d’immatriculation.

Ainsi, l’utilisateur n’a qu’à saisir ce numéro pour que l’ensemble de nos modèles physiques soient paramétrés de manière automatique. Outre ces données techniques, aucune autre information, et en particulier le numéro d’immatriculation, n’est stockée.

Si l’utilisateur ne souhaite toutefois pas renseigner son numéro d’immatriculation, il a la possibilité de sélectionner un véhicule type dans une liste de véhicule pré-saisis.

Génération des cartographies du moteur

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Détection de la mobilité  mobility

Afin de mesurer votre empreinte, GECO air détecte automatiquement vos déplacements quotidiens.

Le cœur de l’application Geco air reste l’analyse de vos déplacements en voiture, afin de vous donner les moyens d’améliorer votre conduite. Toutefois, même avec la meilleure conduite du monde, l’utilisation de l’automobile n’est pas toujours le meilleur choix de type de mobilité (trajet court, fortement embouteillé…). Nous avons donc souhaité détecter le plus grand nombre de types de mobilité, afin de mettre en perspective les niveaux d’émissions concrets liés aux déplacements en fonction du choix de type de mobilité. Ainsi, au-delà de détecter et d’alerter l’usager sur de mauvaises pratiques, GECO air permet de mesurer le gain apporté par les changements de pratiques.

Notre volonté était de retracer la « timeline mobilité » quotidienne de l’utilisateur de la manière la plus automatique possible. Ainsi l’utilisateur se concentre sur les informations qui lui sont restituées et ne perd pas de temps à renseigner manuellement ses déplacements. Ainsi, nos algorithmes détectent seuls le début et la fin de chaque trajet, et enregistrent les données nécessaires à l’estimation des polluants. Ils détectent également le type de mobilité : marche, course, vélo, bus , voiture,  train… Nous travaillons activement à améliorer toujours cette reconnaissance. Toutefois, la maturité actuelle des technologies ne permet pas de différencier de manière fiable un déplacement en voiture d’un déplacement en bus ou en train. L’utilisateur peut toujours modifier manuellement le type de mobilité associé à chacun de ses déplacements afin de corriger sa timeline.

Pour détecter et identifier les activités physiques (marche, course, vélo), GECO air utilise la centrale inertielle et API natives des smartphones (CoreMotion, )

Ces types de déplacement ne sont ainsi pas détectés sur les supports dépourvus de ces options, en particuliers les iPad et tablettes.

emoticone.pngQuelles précautions sont prises pour moi ?

  • Des précautions particulières ont été prise pour que cette fonctionnalité consomme le moins de batterie possible. La détection se base sur les antennes cellulaires et le GPS du téléphone. L’utilisation de celui-ci, très énergivore, n’est pas systématique. Le début potentiel d’un trajet est détecté par le changement d’antenne cellulaire. Le GPS est alors activé ponctuellement pour vérifier si la vitesse de déplacement est caractéristique d’un déplacement en voiture. C’est seulement à cette condition que le GPS reste actif au cours du déplacement pour enregistrer la vitesse et la pente à chaque seconde, données essentielles à l’estimation des polluants émis. Au cours de la journée, le GPS n’est donc utilisé que dans le cadre de mes déplacements en voiture, permettant de réduire l’utilisation de la batterie.

 Envoi du signal GPS

A chaque fin de trajet, les données nécessaires à l’estimation des polluants sont envoyées sur nos serveurs.

Si le smartphone ne dispose pas de donnée cellulaire à cet instant, le trajet est stocké localement et réémis ultérieurement.

Pour un déplacement en voiture, il s’agit de la vitesse et de la pente instantanées (à 1Hz), des coordonnées GSP et des caractéristiques du véhicule utilisé.

emoticone.png Pourquoi stocker ces données sur un serveur ?  Deux raisons :

  • L’ensemble des données et des calculs sont sur le serveur, permettant de réduire la charge mémoire de l’application sur le téléphone. Cela permet de garantir la même performance de calcul quel que soit le modèle de smartphone.
  • La collecte de ces données a une grande valeur scientifique : elle permet de mener à l’échelle d’un territoire des études sur l’usage réel des véhicules et son impact sur les polluants. Ce point sera détaillé par la suite.

Toutes les précautions sont prises quant à l’anonymat et la sécurité des données stockées sur nos serveurs.

emoticone.png Et mon forfait data ?

Les échanges de données sont optimisés pour réduire la data consommée. A titre d’exemple, pour un usage classique de l’application (deux trajets en véhicule par jour, consultation de l’app régulière) la consommation de data n’excède pas 5 Mo par mois.

Calcul des polluants

Les signaux de vitesse véhicule et d’altitude enregistrés par le GPS sont envoyés à la fin du trajet sur les serveurs IFPEN. A partir de ces signaux, le régime et le couple du moteur sont calculés en utilisant des modèles mathématiques tenant compte des spécificités du véhicule (masse, type de boîte de vitesse). A l’aide du régime et du couple du moteur thermique, les grandeurs internes du moteur thermique sont calculées, comme le débit de carburant et la température à l’échappement. Ces grandeurs sont indispensables pour permettre d’estimer les émissions polluantes. Les algorithmes de calculs des estimations polluantes développés par les chercheurs IFPEN ont été brevetés auprès de l’INPI.

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Prise en compte du style de conduite

L’objectif premier de GECO air est de mesurer l’impact du comportement de l’utilisateur sur les émissions polluantes de ses déplacements. Pour les déplacements en voiture, cela signifie mesurer et analyser son style de conduite. Pour ce faire, GECO air s’appuie sur l’enregistrement de la vitesse du véhicule à une fréquence de 1 Hz par le GPS du smartphone. Ce signal, filtré par nos algorithmes, nous permet de calculer l’accélération instantanée du véhicule, élément caractéristique du style de conduite. Ainsi, c’est l’usage réel du véhicule qui est pris en compte à chaque instant : niveau d’accélération, maintien de la vitesse, anticipation des freinages…

Prise en compte des technologies moteur

Les mécanismes de formation des polluants sont fortement dépendants des technologies moteurs utilisées. Les spécificités de chaque véhicule (type de carburant, système d’injection, type d’aspiration, niveau d’hybridation) sont prises en compte pour choisir les équations mathématiques qui seront utilisées pour modéliser la formation des polluants. Une fois la formulation du modèle choisie, celui-ci est calibré aux spécifications du véhicule (cylindrée, nombre de soupape, puissance, couple,…). Les modèles obtenus sont donc bien plus précis que des valeurs moyennes de consommation ou d’émissions polluantes. En conséquence les consommations et les émissions estimées par GECO air peuvent être très différentes de celles obtenues lors du cycle d’homologation. Elles correspondent aux valeurs constatées en usage réel.

Estimation des émissions d’oxydes d’azote (NOx) des moteurs Diesel

Les émissions de NOx des moteurs Diesel sont un des principaux polluants responsables des pics de pollution observés récemment. Leur modélisation dans GECO air est basée sur un estimateur du taux de gaz brûlés enfermés dans le cylindre. En effet les moteurs Diesel ont recours à la recirculation des gaz d’échappement (EGR) dans le but de baisser leurs émissions de NOx. Cependant cette recirculation des gaz brûlés n’est pas au même niveau sur l’ensemble du champ moteur : si elle peut atteindre 30% de la masse d’air admise par le moteur sur des points de fonctionnement peu chargés (faible couple), elle est souvent totalement désactivée lorsque nous sollicitons un peu plus le moteur. En conséquence, selon le style de conduite les émissions vont varier de manière significative. La cartographie de consigne EGR est un résultat des choix de calibration des ingénieurs réalisant la mise au point du moteur. En conséquence GECO air ne connait pas la cartographie exacte de chaque véhicule mais la recalcule, en tenant compte des méthodes de calibration et des spécificités de chaque véhicule et notamment : de l’année, de la norme, de la masse, de la loi de route, des scores sur cycle d’homologation, du type de post-traitement.

Les véhicules Diesel les plus récents sont équipés de post-traitement NOx de type SCR ou NOx trap. Ces systèmes, situés à l’intérieur de la ligne d’échappement mettent en oeuvre des réactions chimiques dans le but de réduire les émissions à l’échappement. Cependant, ces systèmes de post-traitement ont des efficacités très variables en fonction de l’usage. En effet lors d’un départ à froid, ces systèmes ont besoin d’un délai d’activation. D’autre part, elles n’ont pas les mêmes performances sur l’ensemble du champ moteur. Ces systèmes sont donc modélisés dans GECO air, ce qui permet de capter l’impact de l’usage sur les émissions de NOx à l’échappement.

Estimation des émissions de monoxyde de carbone (CO) des moteurs essence

Les émissions de monoxyde de carbone d’un moteur essence sont étroitement liées à la richesse de fonctionnement du moteur. Lorsque la combustion est réalisée dans les conditions stœchiométriques (à richesse 1), les émissions sont contenues, et généralement proportionnelles à la consommation de carburant. Lorsque la combustion est réalisée en mélange riche (richesse supérieure à 1), les émissions de CO augmentent fortement. La richesse est ainsi le paramètre d’ordre 1 sur la formation à la source du monoxyde de carbone.

Le monoxyde de carbone formé par la combustion est ensuite traité par les catalyseurs d’oxydation équipant la grande majorité des véhicules essence (obligatoire depuis 1993). Ce système de dépollution a une excellente efficacité, du moment qu’il fonctionne avec une richesse 1 et qu’il est actif, c’est à dire à une température suffisante. Les deux situations qui vont donc générer des émissions de monoxyde de carbone dans l’atmosphère dans des quantités non négligeables sont le démarrage (et les premiers kilomètres, c’est pourquoi il faut éviter les trajets courts) et les fonctionnements en combustion riche.

Afin de capter ces phénomènes, nos modèles reproduisent la montée en température du système de post-traitement pour déterminer sa montée en efficacité au cours du temps en fonction de la température et du débit des gaz d’échappement.

Ils reconstruisent également une richesse de fonctionnement du moteur à chaque instant, en prenant en compte les règles générales de calibration d’un moteur.L’enrichissement de la combustion sur les moteurs essences se produit à forte charge, c’est à dire généralement autour de 75% de la puissance maximale, avec une fonction de protection thermomécanique du moteur. On voit donc bien que le niveau d’émission de CO sera étroitement lié au style de conduite : si le conducteur a le pied suffisamment léger pour ne jamais dépasser ce seuil ses émissions de CO seront très réduites. Seul un modèle déporté sur chaque usager comme le notre permet de prendre en compte cette sensibilité.

Estimation des émissions de dioxyde de carbone (CO2)

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La première étape de ce modèle est d’évaluer les grandeurs physiques internes telles que les débits, les températures, les concentrations… pour chaque au point de fonctionnement du champ moteur. Ces quantités seront ensuite utilisées pour estimer la consommation de carburant, ainsi que les émissions de polluants. Ces quantités sont estimées sur la base des hypothèses suivantes :

  • la courbe de couple maximum et l’architecture de la boucle d’air sont connues pour le moteur;
  • loi générique de frottement, fonction du régime du moteur;
  • rendement indiqué de combustion constant;
  • la richesse est égale à 1 dans le moteur essence (sauf à forte charge lorsqu’elle augmente linéairement avec la charge) et varie entre deux valeurs pour le moteur diesel.
  • la fraction EGR (taux de gaz d’échappement) est connue pour chaque point de la carte du moteur (déterminée comme justifié dans le paragraphe sur les NOx).

Ces hypothèses sont combinées dans l’algorithme itératif présenté sur le graphe ci-dessus et appliquées pour chaque point du champ moteur pour déterminer la pression effective moyenne de pompage (PMEP), pour déduire la pression effective moyenne brute (IMEP) et la consommation de carburant.

Ainsi, ce processus itératif, qui vise principalement à calculer la consommation de carburant, permet également d’établir les cartographies du débit massique d’air, de températures d’échappement ainsi que les différentes pressions et températures dans la boucle d’air, grandeurs ensuite nécessaires à l’estimation des polluants (formation et post-traitement).

Les équations utilisées pour déterminer la consommation de carburant, le débit massique d’admission totale et les conditions de pression et de température dans le trajet d’air sont détaillées dans une publication SAE [11] pour les moteurs sans EGR. Ces équations ont été adaptées aux moteurs à EGR pour améliorer l’estimation du débit massique des gaz d’échappement donnée au modèle d’émission.

[11] G. Alix, J. Dabadie and G. Font, « An ICE Map Generation Tool Applied to the Evaluation of the Impact of Downsizing on Hybrid Vehicle Consumption,, » SAE Technical Paper, vol. 10.4271, no. 2015-24-2385, 2015.

 Les résultats de cet algorithme ont été comparés à des résultats issus d’essais réalisés au banc moteur à IFPEN :

Les cartographies de consommation de carburant générées avec ce modèle ont montré un bon accord avec la mesure, comme le montre la figure ci-dessous, qui présente un exemple de cartographie de consommation de carburant générée pour un moteur essence turbo et l’erreur d’estimation par rapport aux mesures.

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Estimation des émissions de particules des moteurs Diesel

Les émissions de particules (PM2.5 et PM10) sont modélisées en deux étapes : on estime tout d’abord les émissions en sortie moteur puis on prend en compte l’impact du filtre à particule pour les véhicules qui en sont munis. Le modèle de particules en sortie moteur tient compte du niveau d’EGR (voir la section sur les NOx), du débit de carburant, du régime et de la richesse. Il se décompose en deux couches :
– un modèle quasi-statique, basé sur une adaptation des travaux

Le modèle de filtre à particule est basé sur une hypothèse d’une efficacité constante. L’impact des régénérations n’est à ce jour pas encore intégré.

Estimation des émissions de particules des moteurs essences

Historiquement, les moteurs essence les plus répandus utilisaient un système d’injection indirecte, garantissant un bon mélange de l’air et du carburant qui permet d’avoir des émissions de particules très faibles. Or l’émergence récente des moteurs à injection directe conduit à des niveaux de particules très élevés, comparables à ceux des Diesel. Il s’agit d’un point critique car la majeure partie des moteurs essence ne sont pas munis de filtre à particule.

Les mécanismes de formation des particules des moteurs essence sont très différents de ceux des moteurs Diesel et l’utilisation du modèle mathématique Diesel n’est pas possible. C’est la raison pour laquelle un modèle spécifique aux motorisations essence est en cours de développement et sera intégré prochainement à GECO air.

Et la consommation de carburant?

La consommation de carburant d’un véhicule est directement proportionnelle à ses émissions de dioxyde de carbone. Pour un véhicule essence, une consommation d’un litre pour cent kilomètres équivaut à des émissions de CO2 de 23g/km. Pour un véhicule Diesel, en raison d’une composition différente du gazole, 1L/100km équivaut à 26g/km de CO2.
En conséquence, la consommation de carburant est prise en compte dans GECO air, même si elle n’apparait pas directement dans l’application.
Réduire ses POPs, c’est aussi réduire sa consommation de carburant

Gears.pngComment GECO air prend-il en compte le rapport de boîte de vitesse engagé ?
Le rapport de boîte est calculé en fonction de la vitesse et de l’accélération.
Cela fonctionne-t-il bien ?
Oui pour une utilisation « normale » de la boîte de vitesse. Pas pour ceux qui restent en première à 50km/h…

Les POPS (Points Polluants)

Objectif :  Un indicateur UNIQUE : le Point Polluant. Pas besoin d’être expert : je suis les conseils pour faire le moins de POP possible

Comment ça marche ?

GECO air estime des polluants liés à chacun de mes déplacements.

Cela inclut en particulier les oxydes d’azote (NOx), le monoxyde d’azote (CO), les particules fines (PM), les hydrocarbures imbrulées (HC) pour lesquels des modèles spécifiques sont mis en place. D’autres polluants non réglementés (SO2, NMVOC) sont également pris en compte sans que des modèles spécifiques n’aient encore été mis en place par manque de données. Un niveau d’émissions forfaitaire est pris en compte conformément à l’état de l’art (facteur d’émission COPERT). Le CO2, bien que n’étant pas un gaz polluant à proprement parler mais un gaz à effet de serre, est également estimé.

Toutefois, il est impossible de communiquer indépendamment sur chacun de ces polluants dans une application smartphone grand public.

Tout d’abord, ces grandeurs restent très méconnues du grand public.

Ensuite, les évolutions des différents polluants sont parfois antagonistes : un style de conduite peut minimiser les émissions de NOx au détriment des particules ou inversement. Il serait alors impossible de fournir des conseils cohérents à l’utilisateur en cherchant à réduire indépendamment chaque polluant. Il serait également très mal aisé pour lui de suivre ses progrès.

Pour ces raisons, l’ensemble des polluants ont été agrégés dans un indicateur unique : le Point Polluant ou POP. Cette unité est homogène à des grammes de polluants par kilomètre.

La formule de calcul est indépendante du type de véhicule, et donc en particulier du type de carburant. Elle permet donc la comparaison objective des niveaux d’émissions de chaque véhicule.

La formule de calcul dépend exclusivement de la dangerosité de chacun des polluants. Le coefficient de prise en compte de chaque espèce est lié à l’impact sociétal de celle-ci : impact sur la santé publique (soin médicaux, décès précoces)  ou sur le réchauffement climatique.

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Les conseils sur ma conduite

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Les émissions polluantes sont liées à trois facteurs : mon véhicule, mon trajet et mon style de conduite. GECO air décompose l’impact de ces trois facteurs.

La part de mon véhicule : ce sont les émissions de mon véhicule si j’adopte une conduite exemplaire, sur un trajet de référence

La part du trajet : même si ma conduite est idéale, certains types de trajet génèrent plus de polluants : c’est par exemple le cas d’un trajet court ou d’un trajet fortement embouteillé.

La part de ma conduite : c’est la part que j’aurais directement pu éviter en adoptant des réflexes simples. Des conseils me sont donné pour réduire cette part.

Les conseils :

  • L’anticipation
  • L’accélération
  • Le vitesse maximale

Un suivi au cours du temps qui m’aide à mesurer mes progrès

  • Détection des trajets réguliers : un retour d’information spécifique pour mesurer mes progrès sur mes itinéraires courants

Comment est calculée la part de ma conduite?

Pour évaluer l’efficacité du style de conduite, les émissions obtenues sur un parcours sont comparées à celle qui auraient été générées sur le même parcours avec un style de conduite  de référence : accélération limitée, vitesse maximale sur autoroute restreinte, bonne anticipation et maintien de la vitesse.

Sur chaque trajet, l’onglet style de conduite de l’application indique la part des émissions qui auraient pu directement être évitées en adoptant ce style de conduite, et donne des conseils pour y parvenir.

Ma note de conduite (entre 0 et 4) est directement liée à cette part des émissions qui auraient pu être évitées : j’ai doublé mes émissions à cause de mon style de conduite, c’est un zéro ; j’ai émis moins de 10% en plus de la cible, c’est un 4 !

Quelles précautions sont prises pour moi ?

  • Pas de conseils en temps réel, concentrez-vous sur la route
  • Conseils trop généraux ? Ici, les conseils sont pratiques, personnalisés et chiffrés, ils dépendent directement du comportement que vous venez d’avoir