Euro VI-c Dans un contexte d’hystérie anti-diesel, aggravé par l’affaire Volkswagen, Euro VI marque-t-il la fin de l’histoire pour l’invention de Rudolf Diesel? Équipementiers et instituts de recherche ne le pensent pas, mais leur approche rationnelle sera-t-elle plus forte que la « Vertueuse » vindicte populaire?
Pour les constructeurs motoristes, Euro VI a été présenté en 2013 comme un aboutissement. La réduction drastique des émissions d’oxydes d’azote, tout en limitant encore les particules, a été le défi le plus ardu à relever. Comment les constructeurs ont-ils fait?
La majorité d’entre eux a combiné EGR et SCR, réduction catalytique sélective avec réactif AdBlue à urée, associée à une hausse des pressions d’injection, à de nouveaux dessins d’injecteurs, à l’accroissement des cylindrées unitaires, voire le montage de variateurs de phase pour les soupapes d’échappement, et à des modifications de la suralimentation (double suralimentation étagée).
L’EGR est un dispositif efficace contre les oxydes d’azote, mais monstrueux sur un plan mécanique: le moteur doit respirer ses gaz d’échappement (jusqu’à 20-25 % du volume) qu’il faut tenter de refroidir au maximum (d’où l’encombrement accru des radiateurs et échangeurs en salle des machines), avant de les réaspirer côté admission. Une solution existe: l’EGR dit “basse pression”. Une solution connue d’instituts de recherche tels que l’IFP-EN en France ou AVL en Autriche.
Si l’EGR basse pression est complexe pour un autocar (à chaque empattement il faudrait un montage différent du système d’échappement et de la réaspiration des gaz en sortie de catalyseur), il prend tout son sens dans un autocar ou un autobus. D’après l’institut AVL, c’est une alternative à l’exploitation du moteur à cycle Miller (ou à détente prolongée), lequel permet de réduire les émissions de NOx. Certains, comme Iveco, et dans une moindre mesure Scania, ont eu une logique différente: ils ont tout misé sur le rendement moteur en recherchant une combustion aussi complète que possible du mélange.
Cette combustion riche en air frais et “propre” se passe de l’EGR, réduisant ainsi le stress du filtre à particules (qui peut alors se contenter d’une régénération passive), mais elle génère quantité d’oxydes d’azote qu’il faut traiter. Pour cette raison, Iveco prévoit de gros réservoirs d’AdBlue sur ses camions, puisque la catalyse SCR doit assurer l’essentiel du post-traitement des gaz d’échappement.
Ultime atout de la catalyse SCR seule: elle n’exige pas des pressions d’injection extrêmes comme pour les moteurs avec EGR, lesquels demandent une pulvérisation très fine du gazole pour réduire autant que possible la production de suies.
Est-ce que l’Euro VI va rester figé dans sa complexité technique?
Fin avril, l’équipementier Delphi a posé la question lors de deux journées consacrées à l’état de l’art en matière de moteurs industriels. Richard Green, directeur des ventes pour la technologie moteur véhicules industriels chez Delphi, recense quatre défis pour les véhicules d’ici 2020 qui ont cinq conséquences sur les systèmes d’injection.
L’Union européenne entend sévériser Euro VI en y ajoutant le critère des émissions de CO2, les attentes autour du bruit sont également de plus en plus strictes (sujet sensible pour les autobus urbains). Pour répondre au premier point, le stop/start devrait apparaître via l’hybridation et d’autres équipements destinés à optimiser le rendement (récupération thermique via un cycle de Rankine). Ces systèmes devront se partager l’espace, toujours compté en raison des passagers et des besoins de refroidissement moteur. Pour Richard Green, cela implique des systèmes d’injection modulaires, flexibles, à même de générer des injections multiples parfaitement séquencées et avec le juste débit requis. Il faut aussi qu’ils soient toujours plus rapides à agir pour corriger aussitôt le gazole injecté, afin de travailler en temps réel avec les systèmes électroniques de commande et de post-traitement des gaz d’échappement. Le tout, bien sûr, en préservant la durée de vie du véhicule!
Delphi et Anders Röj, du département R&D de Volvo Trucks Technology, s’inquiètent en parallèle de la multiplication de carburants en Europe: certains pays restant en gazole 100 % minéral, la France optant pour le B8 depuis le 1er janvier 2015, d’autres pays d’Europe pour le B7, sans compter les biocarburants comme le B30, voire le B100! À terme, Shell l’a révélé en 2014, lors d’une visite de ses installations à Hambourg en Allemagne, on pourrait voir arriver des gazoles purement synthétiques (GTL, gas to liquid). Ces gazoles de synthèse sont intéressants, car ils sont pauvres en composés aromatiques polycycliques (puissants générateurs de polluants et de particules fines) et peuvent atteindre de très hauts indices de cétane (indice qui qualifie l’aptitude d’un carburant à s’auto-enflammer, un critère fondamental pour le moteur diesel).
Les biogazoles préoccupent particulièrement les ingénieurs motoristes en raison du risque accru de cockéfaction au niveau de l’injecteur, sans parler du comportement du filtre à particules et du lubrifiant moteur. « Nous avons besoin d’un échéancier clair et d’engagements précis concernant les spécifications des futurs carburants », conclut Anders Röj.
On l’a vu dernièrement avec MAN en véhicule industriel, ou chez Mazda Automobiles pour les voitures particulières, une alternative est le développement pour Euro VI de moteurs diesel à forte cylindrée unitaire à régime de rotation lent. Ici, l’objectif est le contrôle de la combustion dans les cylindres plus qu’un accroissement de la puissance spécifique.
Lors des journées d’échange à Gilligham en Angleterre, un ingénieur de Daimler a exposé les progrès de la recherche et développement en termes de modélisation et simulation de la combustion par ordinateur, en prenant l’exemple du moteur OM 651 LA monté à bord du Mercedes-Benz Sprinter. Il faut un contrôle aussi parfait que possible de l’inflammation du mélange dans la chambre pour réduire l’émission de suies et d’oxydes d’azote. D’où l’intérêt toujours croissant porté par les ingénieurs à la suralimentation! Selon Delphi, on verra encore monter les systèmes d’injection jusqu’à 2 500 bar, mais guère davantage pour des questions de lubrification et de température du combustible (au banc, Delphi a fait fonctionner ses injecteurs jusqu’à 3 000 bar). L’accent est davantage mis sur le temps de réponse des solénoïdes et les performances des calculateurs. Les pompes pour l’étage haute pression peuvent être lubrifiées par le gazole ou bien par huile, ce qui améliore leur fiabilité.
Les moteurs à cylindrée majorée verront les pressions maximales dans les chambres de combustion se stabiliser, voire diminuer (on est aujourd’hui à 230 bar à l’inflammation du mélange et le maximum envisagé vers 2020 serait autour de 250 bar en pression à l’allumage). Le downspeeding vise à diminuer les pertes par frottement, tant au niveau des pistons que de l’ensemble de la chaîne cinématique. MAN a déjà entamé ce virage sur son moteur D38 et il se murmure qu’Iveco, à Arbon en Suisse, travaille aussi sur cette option technique.
D’après l’institut IAV (automotive engineering), on verra se dessiner deux approches: d’un côté une double suralimentation pour les moteurs ayant recours à l’EGR et à de fortes pressions dans les chambres de combustion (environ 250 bar); d’autre part, des moteurs à simple suralimentation, des pressions internes maximales d’environ 230 bar, le tout combiné à des cycles de Rankine pour optimiser l’énergie calorifique perdue en amont. AVL ajoute pour sa part que le moteur à cycle Miller pourrait faire son apparition dans le véhicule industriel vers 2020-2025 (ce moteur a déjà été utilisé par Mazda Automobiles il y a 20 ans sur les Xedos 9).
* Downsizing: réduction des cylindrées. Downspeeding: réduction des régimes de rotation.
Surprise à l’été 2015: Mercedes-Benz présente une évolution du bloc OM 471 de 12,8 litres de cylindrée, un moteur pourtant extrêmement récent puisqu’apparu en Europe en 2013.
Les pressions d’injection continuent d’augmenter, mais surtout, le système de suralimentation et la recirculation des gaz d’échappement EGR se voient modifiés sensiblement afin d’être à la fois plus simples et plus performants.
Le turbocompresseur est dit asymétrique, c’est-à-dire qu’un profil de lobe optimise la charge partielle, tandis qu’un deuxième lobe vient assurer le rendement du turbocompresseur à hauts régimes. Fini le turbo à géométrie variable, au bénéfice de la fiabilité!
En outre, le système EGR travaille par valve rotative et permet un travail en continu beaucoup plus fin. Car Daimler cherche à réduire le recours à l’EGR, un procédé pénalisant pour le rendement spécifique et la durée de vie du filtre à particules. On a donc un moteur qui travaille majoritairement en SCR, et ponctuellement en adjonction EGR.
D’où un léger accroissement des besoins en AdBlue, sans atteindre les valeurs requises par Iveco qui ne travaille, rappelons-le, qu’avec la seule catalyse SCR sur ses moteurs industriels Euro VI.
Surprise à Gilligham chez Delphi: l’équipementier s’associe avec Westport pour la production d’injecteurs destinés aux moteurs dual-fuel! Un programme initié depuis fin 2013 pour développer un système d’injection gaz compatible avec les nouveaux moteurs de dernière génération, le tout homologué R110 et éligible aux normes EPA10 et Euro VI.
Le bloc diesel serait inchangé: le gazole servant toujours à amorcer la combustion (soit 5 à 10 % du volume de combustible requis), le méthane venant ensuite compléter le mélange et fournir l’énergie propulsive. L’injection de méthane serait désormais directement intégrée, via deux actuateurs dédiés et implantés de façon concentrique dans le corps d’injecteur, pour des pressions allant de 200 à 300 bar dans la rampe alimentée au méthane liquéfié, car il s’agit ici d’une injection directe en phase liquide du GNL! Une vraie alternative pour les autocars.
Westport avance que son système méthane diesel offre les mêmes valeurs de puissance et de couple que le moteur à gazole. Les gains en rendement étant, là encore, maximisés par le principe du fonctionnement en excès d’air, propre au moteur à allumage spontané (pas de pertes par pompage à l’admission).
Ultime atout revendiqué par Westport: on conserve l’important frein moteur du moteur diesel. La société canadienne avance un gain d’émissions sur les gaz à effet de serre de l’ordre de 18,8 % par rapport à un diesel conventionnel (méthane d’origine fossile). L’injecteur HPDI 2.0 offrirait également une intégration facilitée sur la culasse et une grande plage de fonctionnement en termes de débits d’injection. Les deux équipementiers revendiquent ainsi des NOx en deçà de la valeur de 1 g/kWh, tout en réduisant significativement l’émission d’imbrûlés (générateurs de particules).
Rappelons qu’Iveco a recours pour ses moteurs Cursor Natural Power (à allumage commandé) à 2 injecteurs automobiles pour assurer à la fois la faible charge et le débit maximal. Une source de coût et de complexité technique.
Cette technologie dual-fuel à carburant GNL serait en cours de développement dans le groupe Volvo pour les marchés nord-américains et européens.
L’injecteur Delphi pour Westport HPDI 2.0 comprend en un seul élément les deux canaux d’admission de combustible. Une révolution qui permet d’envisager l’arrivée prochaine de moteurs dual-fuel à cycle diesel 4 temps alimentés au méthane.