Moteur à combustion avec zéro impact écologique ?

Un renforcement accru de la législation sur les émissions est attendu avec la prochaine norme Euro7. Pour les principaux défis de la prochaine législation européenne, FEV base son hypothèse sur les grands thèmes suivants :

• Une réduction générale des limites d’émissions de gaz

CO : 500 mg/km –              HC : 50 mg/km   –              NOx : 35 mg/km

• Interdiction aux stratégies secondaires qui peuvent mener à des émissions élevées.
• Le diamètre des particules mesurées sera descendu à 10 nm au lieu de 23 nm actuellement.
• Ajout d’autres composants de limites d’émissions pour les essais en laboratoire
• Extension du cadre législatif relatif au RDE afin d’y inclure d’autres éléments relatifs aux émissions et aux courts trajets en voiture.

FEV a étudié comment, en fin de compte, il serait possible d’obtenir un moteur à combustion sans impact, ce qui entraînerait moins d’émissions que celles qui sont contenues dans l’air ambiant. Pour ce faire, les objectifs suivants ont été fixés :

• Emission en WLTC
  • NOx :        40µg/m³        (correspondant environ à 0.03mg/km)
  • PM (2.5): 25µg/m³        (correspondant environ à 0.02 mg/km)

Par rapport à la législation Euro 6d actuelle, cela signifie une réduction des émissions de NOX de 99,9 % et des émissions de PM de 99,2 %.

Méthodes de développement

Dans le domaine de la simulation, FEV a développé des méthodes de développement étendues, brevetées et en instance de brevet, ainsi que des essais et analyse du vieillissement des composants importants des émissions, qui permettent de démontrer une grande robustesse et une grande précision de prévision à un stade précoce du développement.

Simulation des émissions de RDE et identification du pire cas de cycles

La simulation des émissions à FEV est un pilier essentiel du développement en amont. Présenté pour la première fois en 2016 au Vienna Engine Symposium, et perfectionné depuis lors, cet ensemble modulaire d’outils de simulation basé sur l’environnement du logiciel GT-Suite est désormais un élément essentiel des activités de développement de FEV. Les émissions brutes des moteurs sont modélisées à partir des données de mesure stationnaires et transitoires provenant des bancs d’essai moteurs et à rouleaux. Les modèles de simulation du post-traitement des gaz d’échappement suivent une approche cartographique. Néanmoins, la discrétisation des monolithes catalytiques permet de bien décrire leur réchauffement, à prendre en compte individuellement, leur taux de conversion étant dépendant de la température. La figure 1 illustre toutes les variables pertinentes qui entrent dans le calcul de la conversion.

Il est essentiel de savoir quels sont les cycles spécifiques aux véhicules et aux groupes motopropulseurs qui peuvent conduire aux émissions les plus élevées pour pouvoir respecter de manière fiable toutes les limites d’émissions dans les conditions de RDE. FEV a réalisé un extrait de ces conditions de conduite réelles. Le résultat est une dérivation d’un nombre concis de paramètres. Ce paramétrage permet d‘utiliser le Machine Learning pour identifier les cycles RDE les plus défavorables sur la base d’une analyse de quelques centaines de cycles simulés. Cette méthodologie a été appliquée avec succès dans de nombreux projets de développement.

Caractérisation des catalyseurs et des filtres à particules d’essence

Au cours du développement de la méthodologie de simulation des émissions RDE de FEV, il a été identifié que les catalyseurs initiaux pouvaient difficilement être modélisés avec une précision suffisante. Cela s’explique par le peu de données de mesure disponibles auprès des fabricants de catalyseur et des équipementiers. Cependant, pour une prédiction précise des émissions dans des conditions limites RDE, la connaissance du taux de conversion aux vitesses les plus élevées et dans une large gamme de températures est d’une grande importance. C’est pourquoi FEV a mis au point son propre équipement qui peut être utilisé pour caractériser les catalyseurs dans ces conditions précises. Le système illustré à la Fig. 2 est conçu et éprouvé pour les débits massiques de gaz d’échappement jusqu’à ceux produits par les moteurs V12 turbocompressés afin de mesurer l’efficacité de la version à des débits massiques élevés et à des températures froides, tels qu’ils se produisent dans une accélération à pleine charge peu après un démarrage moteur.

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Vieillissement du catalyseur et du filtre à particules d’essence

FEV a également mis au point une méthode de vieillissement rapide des catalyseurs et des GPF. Pour le vieillissement GPF, le banc d’essai du brûleur est modifié pour permettre la combustion d’huile afin de générer des cendres. Différentes méthodes ont été étudiées et finalement l’injection d’huile a été choisie. FEV a mis au point un cycle et une stratégie de dosage de l’huile capable de reproduire des caractéristiques de vieillissement similaires à celles que l’on retrouve lors des essais de durabilité des véhicules.

Concept de post-traitement des gaz d’échappement pour obtenir des émissions sans impact sur l’environnement

Le concept de post-traitement des gaz d’échappement est constitué de cinq éléments permettant d’obtenir des émissions sans impact sur l’environnement.

1.            Optimisation des émissions brutes de NOx lors de l’échauffement du catalyseur

2.            Post-traitement des gaz d’échappement avec préparation immédiate après le démarrage du moteur

3.            Adsorption des émissions de HC

4.            Augmentation du volume total du catalyseur

5.            GPF avec efficacité de filtration améliorée

Les différents éléments constitutifs sont examinés ci-après.

Chauffage du catalyseur optimisé NOx

Les émissions brutes de NOx peuvent être optimisées par une adaptation de la calibration du chauffage du catalyseur. Dans le cas de temps d’allumage tardifs, il faut une grande quantité de combustible pour produire un IMEP qui correspond au FMEP. Il en résulte une réduction de l’accélération et une diminution du taux d’EGR interne. Le pic de température du cylindre augmente et reste à un niveau élevé sur une longue période. En conséquence, les émissions de NOx augmentent. Pour obtenir une réduction drastique des émissions de NOx, une calibration optimisée du chauffage du catalyseur n’utiliserait donc qu’un léger retard de l’allumage. Par conséquent, les émissions brutes de HC augmenteraient, et des mesures supplémentaires doivent être mises en œuvre pour y remédier.

Catalyseurs chauffés électriquement

Deux catalyseurs chauffés électriquement sont intégrés en amont du catalyseur principal (4 kW par disque, 8 kW au total). Le substrat métallique s’échauffe rapidement pour atteindre en quelques secondes sa température optimale. Toutefois, un démarrage du moteur suivi d’un passage des gaz d’échappement froids dans les catalyseurs chauffés électriquement ferait chuter leur température en dessous du niveau nécessaire à une efficacité de conversion suffisante. Par conséquent, une pompe à air secondaire est utilisée pour faire circuler l’air à travers les catalyseurs chauffés électriquement avant le démarrage du moteur afin de chauffer également le catalyseur principal. La figure 4 illustre le processus d’échauffement de la configuration finale du système. Le transfert de chaleur convective est clairement visible dans la moitié inférieure du diagramme. Dès le démarrage du moteur, l’augmentation du débit des gaz d’échappement conduit à un meilleur transfert de chaleur par convection, mais aussi à une réduction des températures.

Les émissions peuvent être optimisées davantage en s’assurant que le système catalytique maintient un niveau de température élevé. Dans un moteur hybride, cela peut être soutenu par la stratégie de fonctionnement et la réactivation des catalyseurs chauffés électriquement.

Adsorption des émissions avant l’allumage du catalyseur

L’un des moyens d’adsorption des émissions est l’utilisation de revêtements spéciaux. Pour obtenir une efficacité d’adsorption élevée, de basses températures sont nécessaires. Cela correspond aux températures plus basses des gaz d’échappement à l’entrée en raison des temps d’allumage avancés pendant le chauffage du catalyseur. Un substrat métallique est envisagé car il permet une inertie thermique élevée et donc une faible augmentation de température dans les premières secondes de fonctionnement du moteur et une distribution uniforme du débit d’air secondaire sur la face d’entrée du catalyseur chauffé par voie électrique. Avec une température limite de 850 °C, le catalyseur d’adsorption impose au système de post-traitement des gaz d’échappement à ne pas être monobloc, ce qui a un avantage en termes de vieillissement thermique. La figure 5 montre une comparaison du chauffage du catalyseur avec et sans adsorption HC, en l’occurrence en aval du catalyseur.

Pour les systèmes de post-traitement des gaz d’échappement ciblant le préchauffage du catalyseur avec un brûleur au lieu de catalyseurs chauffés électriquement, l’adsorption des émissions du brûleur via un petit réservoir de carbone placé en aval du catalyseur pourrait également être une bonne solution.

Augmenter le volume du catalyseur

Le volume du catalyseur est augmenté de 30 % par rapport à la référence Euro 6d-TEMP qui utilise déjà un volume de catalyseur plus important par rapport aux anciens niveaux Euro 6b/c. Ceci inclut le volume de catalyseurs chauffés électriquement. Par conséquent, la vitesse de l’espace à puissance nominale est réduite à des valeurs permettant de maintenir un rendement de conversion élevé même en cas de vieillissement.

GPF avec efficacité de filtration améliorée

Les meilleurs moteurs Euro 6c et Euro 6d-TEMP sans GPF atteignent déjà des émissions de PM dans le WLTC de seulement 0,12 à 0,28 mg/km. Par rapport à l’objectif de zéro impact de 25 µg/m³ (environ 0,02 mg/km), il est nécessaire de réduire encore les émissions de particules de 83 à 93 %. Cela peut très bien se faire avec un GPF de deuxième génération.

Résultats finaux et perspectives

Le système de post-traitement des gaz d’échappement est finalement évalué en combinaison avec un moteur 4 cylindres 2L TGDI dans une configuration plug-in hybrid. La figure 6 montre le système de post-traitement final des gaz d’échappement.

Des études approfondies du DoE ont été menées afin d’atteindre le niveau d’émission zéro impact tout en minimisant la pénalité de consommation de carburant  dû au préchauffage électrique des catalyseurs. La figure 7 montre la corrélation entre l’énergie électrique de préchauffage et toutes les émissions gazeuses qui en résultent. Des points valides permettent d’atteindre l’objectif de zéro impact des émissions de NOx inférieures à 40 µg/m³ ainsi qu’un SOC équilibré de la batterie à la fin du cycle. L’optimum pour atteindre l’objectif de zéro impact au mieux de la consommation de carburant se situe légèrement en dessous de 0,4 kWh. Les émissions de HC et de CO restent bien en dessous des limites Euro 7 prévues par FEV. Mais, en raison de ce concept, ces émissions ne sont pas aussi réduites que les émissions de NOx.

Les résultats finaux de la stratégie d’exploitation optimale sont présentés à la Fig. 8. Les émissions de NOx qui subsistent – bien que peu visibles – résultent principalement des premières secondes qui suivent le démarrage du moteur. La capacité de stockage d’oxygène du catalyseur est complètement remplie à ce moment-là et une opération initiale riche est nécessaire pour purger le catalyseur avant d’atteindre l’efficacité de conversion de NOx complète. Dans la partie restante du WLTC, les émissions de NOx restent minimes. Les catalyseurs chauffés électriquement sont réactivés pendant de courts intervalles au cours du cycle afin de maintenir les températures à un niveau suffisamment élevé à tout moment. La consommation de carburant augmente de 4,3 % par rapport à la référence Euro 6d-TEMP.

Le concept d’émission sans impact présenté ici est extrêmement biaisé en faveur de l’atteinte d’émissions minimales de NOx. Pour respecter « seulement » la limite d’émission Euro 7, plusieurs adaptations conceptuelles sont possibles, par exemple la réduction du nombre de catalyseurs chauffés électriquement de deux à un. De plus, le catalyseur d’adsorption pourrait être éliminé, ce qui permettrait de replacer l’ensemble du système catalytique dans une solution monobloc.

Résumé

• Des émissions sans impact sont possibles
• Pour y parvenir, le post-traitement des gaz d’échappement doit fonctionner avec un rendement de conversion élevé dès le démarrage du moteur.
  • Les catalyseurs chauffés électriquement en combinaison avec le transfert de chaleur par convection avant le démarrage du moteur sont identifiés comme l’un des catalyseurs possibles pour ce faire.
  • L’adsorption des émissions de HC peut supporter de faibles émissions de NOx en permettant d’appliquer également une calibration adaptée du chauffage du catalyseur.
  • Les GPF de deuxième génération permettent une grande efficacité de filtration
• Il est possible d’améliorer encore le système avec un transfert de chaleur convective encore plus élevé.
• Le concept de post-traitement des gaz d’échappement peut être dégradé pour répondre purement aux exigences Eu-ro 7
• FEV a acquis le savoir-faire nécessaire pour vous accompagner dans le développement de votre système de post-traitement des gaz d’échappement de nouvelle génération.

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Article rédigé par Matthias Tewes, Andreas Balazs, Surya Kiran Yadla, Michael Görgen, Jörg Seibel et Johannes Scharf.

Traduit par Maxime FAGON, FEV.