Systèmes de post-traitement des moteurs et optimisation du temps d'amorçage

En quête d'une consommation réduite de combustible, les moteurs fonctionnent d'une façon allégée, avec des taux de compression plus élevés et une combustion à plus hautes températures. Les conséquences sont les suivantes : de faibles émissions de CO et d’HC, mais une émission élevée de NOx. Pour contrecarrer cet effet, on utilise des systèmes de post-traitement, mais les démarrages à froid restent un problème. L'émission élevée de NOx peut être réduite de plusieurs façons. Les tests complets des véhicules sont essentiels pour obtenir les meilleurs résultats. OWI-Lab a l'équipement adapté pour les tests, y compris pour les grands véhicules tout-terrain.


Afin de contrecarrer cet effet d'émission élevée de NOx, on utilise des systèmes de post-traitement. Les systèmes les plus usuels de réduction des NOx sont  la recirculation des gaz d'échappement (RGE) et la réduction catalytique sélective (RCS). Un filtre à particules (FAP) est le plus utilisé pour HC, CO et particules fines.

La recirculation des gaz d'échappement (RGE) retourne une partie de l'échappement du moteur au moteur afin de le refroidir et de réduire les pics de températures et de pressions de combustion, réduisant ainsi la production de NOx. La RGE est couramment utilisée par les fabricants de moteurs car cette méthode est conforme aux nouvelles normes de contrôle des émissions des moteurs.

Les filtres à particules (FPE) sont des dispositifs de post-traitement de l'échappement qui réduisent de façon importante les émissions des véhicules et de l'équipement à gazole. Les FPE utilisent typiquement un substrat en céramique poreuse ou en cordiérite, ou un filtre métallique pour piéger physiquement les particules fines et les éliminer du flux d'échappement.

Les systèmes de réduction catalytique sélective (RCS) injectent un réducteur, connu également comme  AdBlue, dans le flux d'échappement, où il réagit avec un courant afin de transformer les émissions de NOx en N2 (azote gazeux) et oxygène. La réaction catalytique nécessite certain critères de température pour que la réduction des NOx se produise. Les systèmes RCS nécessitent la recharge périodique en AdBlue, et le système doit s'assurer que le l'AdBlue ne gèle jamais. Les systèmes RCS sont couramment utilisés avec un catalyseur d'oxydation Diesel (DOC) et/ou un FPE afin de réduire l'émission de particules fines. À cause des nouvelles normes NOx, la plupart des moteurs Diesel routiers fabriqués depuis 2010 sont équipés avec un système RCS.

Ces systèmes sont essentiels pour les véhicules afin de passer les tests de réglementation des émissions. Ces réglementations deviennent de plus en plus strictes et alignées au niveau mondial. 

La norme européenne d'émission Euro 6

La norme Euro 6 (01.2013) pour véhicules poids-lourds est la première législation qui incorpore les cycles de test harmonisés au niveau mondial. Ces tests diffèrent des tests européens précédents par les vitesses et les charges de moteurs, et ils comprennent des tests supplémentaires de démarrage à froid et d'imprégnation à chaud. Avec les limites d'émission qui ont été abaissées, ces nouveaux tests conduisent à des émissions de NOx plus importantes.

Là où certains fabricants ont essayé de se conformer aux normes européennes plus anciennes avec la RGE seule, ceci est devenu maintenant impossible. Toute l'industrie se penche sur le système RCS qui utilise un mélange d'urée afin de réduire les émissions de NOx. La RCS à NH3/urée est une technologie très efficace et largement utilisée pour la réduction des NOx des échappements à gazole. Le problème des mélanges NH3/urée est qu'il gèlent typiquement autour de -11 °C.

Comme mentionné avant, le démarrage à froid est nouveau dans la procédure de test. Il augmente les émissions de NOx par +/- 10  % par rapport à l'ancien cycle de test. Ceci est dû au fait que les pots catalytiques ont besoin de se trouver à une température élevée pour pouvoir fonctionner.

Ce temps d'amorçage peut être réduit de plusieurs façons :

  • Chauffage électrique du système

Un exemple, le catalyseur d'énergie (E-cat) d'Emitec, qui est entré en production il y a 10 ans et a été utilisé avec succès dans les moteurs 12-cylindres de la série BMW 7. L'E-cat réduit de façon considérable les temps de démarrage à froid, de façon à ce que les polluants des gaz d'échappement puissent être éliminés à un stade beaucoup moins avancé. Des catalyseurs métalliques chauffés sont fournis avec une puissance de 1 à 3 kW. Ceci élève la température de fonctionnement du catalyseur de 20 ou 30 °C critiques (ou jusqu'à 100 °C dans les voitures). Dans les systèmes RCS, la solution d'urée AdBlue est injectée dans le E-cat chaud afin d'améliorer l'atomisation ou l'évaporation.

 

L'E-cat est capable de transformer l'énergie neutre en carbone de l'alternateur, disponible pendant la décélération, en chaleur utilisable. Les catalyseurs chauffés sont particulièrement utiles dans les voitures avec systèmes de démarrage/arrêt car ils empêchent le refroidissement du catalyseur et affranchissent du besoin de chauffage pendant les phases de marche à vide. Dans les véhicules avec des systèmes de récupération de l'énergie cinétique, les E-cat n'ont aucun effet sur la consommation de combustible, maintenant ainsi les coûts de ce type de système catalytique « actif » dans des limites raisonnables.

Ces systèmes ont un inconvénient : l'électricité consommée par ces systèmes signifie plus de consommation de combustible, alors que le système doit être très efficace.

  • Optimisation de la forme et de la position des composants

Par exemple, les composants du système de dosage NH3/urée peuvent être protégés de l'endommagement produit par l'expansion de la glace, soit par purge à solution d'urée soit par une conception anti-gel. Cette conception peut être guidée par des simulations thermiques.

Les moteurs modernes deviennent de plus en plus efficaces. Ceci veut dire que davantage d'énergie est transformée en puissance mécanique et que moins de chaleur est dissipée par le système d'échappement. Ceci rend tous les points précédents critiques quant au temps d'amorçage.

Avantages du test complet du système

Les situations de la vie réelle montrent trop souvent des comportements s'écartant du comportement attendu. Le test du système peut avoir lieu dans de petites chambres climatiques pour la validation des simulations et la vérification de la conception.

Le test complet des voitures est la meilleure façon de recueillir des données sur l'adaptation globale à l'environnement et la durabilité opérationnelle du véhicule.

Le test du véhicule dans son ensemble, à l'opposé des tests par sous-systèmes, est particulièrement utile. On peut ainsi détecter d’éventuels problèmes d'interférence entre les différents sous-systèmes. Ce test complet permet d'évaluer ensemble les sous-systèmes provenant de différents fournisseurs. D'éventuels défauts et difficultés d'assemblage peuvent être constatés avant la production proprement dite.

Le test complet des véhicules - même des grands véhicules tout-terrain - est possible dans de grandes chambres climatiques sous conditions contrôlées qui permettent également l'étalonnage du système. Ceci permet de mettre le véhicule en équation. On peut alors mesurer l'influence des composants du voisinage immédiat. Les tests sont répétables et contrôlables. On peut également tester les effets environnementaux. Aucun test en conditions de vie réelle ne peut générer des informations aussi utiles et approfondies sur le système.

La chambre climatique de test OWI-Lab  a un volume de 593 m³. Le quai de chargement a une capacité de 45 tonnes/m². On peut atteindre des températures extrêmes, de + 60 °C à - 60 °C. La chambre peut passer de + 60 °C à - 40 °C en une heure. La chambre a une espace de test pour des objets de dimensions de jusqu'à 10,6 x 7 x 8 m et permet la manipulation d'équipement à hauteur de 300 tonnes.