Technologies futures de traitement complémentaire des

Technologies futures de traitement complémentaire des gaz d'échappement
pour les moteurs à explosion ;
La nouvelle génération de véhicules à basses émissions
Moteur & Environnement
Congrès International de Graz
2 & 3 Septembre 1999
1)
Introduction
Au cours des dernières années, les limites d'émissions pour les véhicules sont
devenues de plus en plus sévères dans le monde entier. Les valeurs les plus
rigoureuses actuellement sont obtenues avec la législation SULEV (Super Ultra Low
Emission Vehicle) en Californie.
Tableau 1 : Limites d'émission de gaz d'échappement
HC
CO
NOx
ULEV*
0.04 g/m
1.7 g/m
0.2 g/m
SULEV (2003)*
0.01 g/m
1.0 g/m
0.02 g/m
EG III (2000)**
0.2 g/km
2.3 g/km
0.15 g/km
EG IV (2005)**
0.1 g/km
1.0 g/km
0.08 g/km
*
**
Test FTP
Cycle de test CE III
A l'origine, l'administration environnementale californienne, CARB, prévoyait
l'utilisation obligatoire de véhicules électriques pour les modèles de l'année 2003
avec pour but de réduire les nuisances de l'environnement surtout dans le bassin de
Los Angeles. Des études internationales et des essais avec des véhicules
électriques ont montré que les véhicules électriques peuvent être considérés certes
comme des "véhicules zéro émission" au niveau local, mais cependant au niveau
global il y a des émissions lors de la fabrication et lors de la production du courant
[1]. Les résultats des gaz d'échappement publiés pour les véhicules modernes avec
des systèmes optimisés de traitement complémentaire des gaz d'échappement
montrent en plus, de plus en plus des résultats négatifs à chaud, même si en
comparaison les nuisances de l'environnement sont faibles. Cela signifie qu'avec un
système catalytique actif, de tels véhicules peuvent contribuer à un effet positif même
épurant pour la problématique d'émission surtout dans les zones urbaines avec des
nuisances relativement élevées. Le revêtement catalytique des radiateurs des
véhicules permet parallèlement la réduction des valeurs d'ozone [2] près du sol. A
condition qu'au cours des 10 – 20 prochaines années, l'ensemble des véhicules soit
équipé de moteurs et de systèmes catalytiques qui peuvent satisfaire aux limites
SULEV ou semblables, le problème des émissions peut être considéré comme résolu
au niveau des hydrocarbures, du monoxyde de carbone et de l'oxyde nitrique.
En plus de la consommation des ressources pour la fabrication du carburant, il reste
à discuter les émissions de CO2, qui représentent la cause éventuelle de l'effet de
serre. Si l'on considère dans le monde entier les émissions de CO2 naturelles et
celles produites par l'homme, on constate que la part due à la circulation individuelle
ne représente que 0,2 % [3], Il n'est pas encore clarifié si les valeurs croissantes de
CO2 dans l'atmosphère de la terre entraînent le réchauffement global, ou si le
réchauffement est causé par exemple par la prolongation de la durée du cycle des
tâches du soleil, et provoque ainsi des émissions CO2 des mers plus élevées.
La diminution de la consommation pour la circulation exigée par les législateurs
pourra être obtenue à l'avenir par de nouvelles technologies de moteurs et de boîtes
de vitesses en liaison avec des constructions légères sans pertes de confort. A ce
sujet, la discussion sur l'entraînement optimal vient de plus en plus au premier plan.
Pour comparer les nouvelles technologies d'entraînement, il faut cependant
considérer tous les critères relatifs à l'environnement.
2)
Les technologies d'entraînement
En plus des moteurs à explosion et Diesel connus, des moteurs à explosion, injection
directe et consommation maigre, des véhicules hybrides, des piles à combustibles et
bien sûr le moteur électrique, en tant que concepts d'entraînement font l'objet de
discussions.
Dans la comparaison des émissions, tous les entraînements doivent se mesurer au
véhicule ZLEV [4] présenté déjà aujourd'hui aux USA. Les moteurs Diesel ont par
rapport au moteur à explosion un net avantage au niveau de la consommation. Ce
qui est problématique, ce sont les émissions de particules et une autre réduction de
l'oxyde nitrique. Les moteurs à explosion, injection directe et consommation maigre
sont basés sur l'idée, comme le Diesel, de minimiser les pertes d'étranglement
surtout dans la zone des faibles charges. Actuellement, un fonctionnement maigre
continu sur tous les points de charge y compris démarrage à froid n'est cependant
pas réalisable au niveau technique du moteur et du point de vue du catalyseur. En
raison de la teneur en soufre du carburant, de la régénération et de la sollicitation
maximale de température de l'adsorbant NOx employé actuellement, dans certains
points de fonctionnement, il peut même y avoir des inconvénients au niveau de la
consommation. De même que pour le moteur Diesel, la réduction des émissions
d'oxyde nitrique représente le problème principal, car actuellement il n'y a pas encore
de "catalyseur Lean NOx" suffisamment efficace.
Les véhicules hybrides tels que par exemple la Toyota Prius [5] représentent un
compromis entre le véhicule électrique et le moteur Diesel ou à explosion. En plus de
la grande complexité de ce système, le poids plus élevé est l'un des inconvénients
principaux. Les avantages de consommation ne peuvent être obtenus que dans les
zones où le véhicule opère dans les embouteillages ou en stop and go. En
fonctionnement continu, surtout à des vitesses élevées, le poids supplémentaire se
fait remarquer de manière défavorable.
Le point faible des véhicules électriques est encore l'alimentation électrique à bord.
Même les technologies de batterie les plus modernes n'ont pas de capacités de
stockage suffisantes, pour permettre un fonctionnement comparable à celui du
moteur à combustion. Au niveau du bilan énergétique, la masse des batteries a en
plus un effet négatif.
La pile à combustible pourrait être une solution qui permettrait de produire du courant
à bord. Ici, il faut faire la différence entre les piles à combustible avec alimentation
directe en hydrogène (réservoir d'hydrogène dans le véhicule) et les piles à
combustible avec reformeurs en amont. Un reformeur produit de l'hydrogène à partir
de méthanol et/ou d'essence. A l'aide de ce système, l'infrastructure d'essence
actuelle pourrait être utilisée. Les reformeurs et les piles à combustible actuels ont
cependant un poids respectable et ont besoin de beaucoup de place. Dans le bilan
énergétique, au niveau actuel de la technique, il n'est possible de progresser que
dans le domaine des moteurs Diesel. Comme le client final n'est pas prêt à accepter
des pertes de confort, telles que par exemple de longs délais d'attente, une mise en
place de ce système en grandes quantités dans les 10 prochaines années est
incertaine.
Le tableau suivant montre un récapitulatif de l'appréciation des entraînements au
niveau émissions, consommation (CO2) et poids / coûts.
Tableau 2
Appréciation des différents concepts d'entraînement au niveau émissions et poids /
coûts
Moteur à
explosion
Diesel
Hybride
Pile à
combustible
+
Moteur à
explosion
ID
+
HC
++
+
++
NOx
++
- (-)
- (-)
+
++
Particules
++
--
-
++
++
CO2
+
++
+ (+)
-
o/-
Poids /
Coûts
Total
+
+
+
--
-
++
+
+
(+)
+
3)
Appréciation des catalyseurs et des émissions
L'appréciation des différents concepts d'entraînement montre clairement que le
moteur à explosion restera au moins pendant les 10 – 15 prochaines années, le
concept d'entraînement favori avec les moindres risques. Le moteur à explosion seul
et en liaison avec de nouvelles variantes de boîtes de vitesses présente encore
aujourd'hui un grand potentiel de perfectionnement au niveau de la puissance, des
émissions et de la consommation, ce qui fait que les exigences augmentent
continuellement pour les nouveaux concepts d'entraînement.
Le but doit être maintenant d'équiper les véhicules au niveau technique d'émission
de manière à ce que cela n'est plus de sens même politiquement, de qualifier
l'automobile d'agresseur numéro 1 de l'environnement, et à suspendre des décisions
politiques plus ou moins arbitraires, comme la discussion actuelle en Allemagne sur
la taxation du Diesel. Comme but, c'est d'abord la limite SULEV californienne qui est
fixée.
La figure 1 montre le principe des émissions HC cumulées d'un moteur série et les
valeurs SULEV exigées par le test FTP américain.
Kumulierte HC-Emissionen [g]
1,4
Kalt1,2 Start
(Phase
1 I + II )
Rohemission
Betriebswarmer Zustand
(Phase III)
Warmstart
(Phase IV)
70%
Wärmesenkenphase
0,8
ULEV
0,6
0,4
SULEV
0,2
0
Beutel 1
Figure 1 :
Beutel 2
Beutel 3
Emissions HC cumulées dans le test FTP
En plus d'un taux de rendement de presque 100 % à chaud, il faut surtout un temps
de démarrage extrêmement court du catalyseur après le démarrage du moteur. La
durée maximale de démarrage dépend directement des émissions brutes du moteur
au démarrage à froid et est selon le moteur de 3 à 15 secondes [6]. Pour réaliser
cette exigence, la température du gaz avant le catalyseur doit dépasser pendant
quelques secondes plus rapidement la température Light-Off de 200 – 300°C. Pour
éviter les pertes de chaleur inutiles dans les tubes qui vont vers le catalyseur, le
mieux est de placer le catalyseur si possible près du moteur juste derrière le
collecteur.
Le comportement des catalyseurs au démarrage à froid est déterminé non seulement
par la température du gaz et le revêtement catalytique, mais aussi par les données
physiques et thermodynamiques du support. Pendant la phase de démarrage à froid,
le catalyseur a tout d'abord seulement une fonction d'échangeur thermique avec une
activité catalytique lorsque la température Light-Off est atteinte.
Pour cette raison, l'objectif est de fournir si possible une grande surface catalytique
(GO) avec une capacité thermique aussi petite que possible. Pour évaluer différents
systèmes, on utilise ce que l'on appelle le facteur de démarrage à froid GO / cp [7].
La figure 2 montre le facteur de démarrage à froid de différents supports métalliques
de catalyseurs.
0,025
Kaltstartfaktor [GO / cp]
+ 86 %
0,02
0,015
0,0227
0,01
0,016
0,005
0,01
0,0186
0,012
0
400 cpsi
0.05 mm
Figure 2 :
1200)
600 cpsi
0.04 mm
800 cpsi
0.03 mm
1000 cpsi
0.025 mm
1200 cpsi
0.02 mm
Facteur de démarrage à froid de différents supports métalliques de catalyseurs (400 –
On peut voir que le facteur de démarrage à froid, selon la densité des alvéoles,
augmente en liaison avec une diminution de l'épaisseur des feuilles. Cependant si la
densité des alvéoles augmente sans une diminution de l'épaisseur des feuilles, une
altération est constatée.
Un autre facteur important est l'utilisation d'une cascade de chaleur. La réduction de
la section d'entrée du 1er support influence positivement le comportement au
démarrage à froid et aussi la distribution d'écoulement [8]. La figure 3 montre
l'exemple d'une installation catalytique échelonnée près du moteur sur un moteur
BMW à 6 cylindres [9].
Figure 3 :
Installation catalytique échelonnée près du moteur sur un moteur BMW à 6 cylindres
Avec la réduction continue de la capacité thermique des supports de catalyseurs, la
part de washcoat dans la capacité thermique totale prend de plus en plus
d'importance. Des volumes de washcoat de 200 – 250 g/l sont tout à fait normaux
pour des catalyseurs à 3 voies modernes. Une réduction de cette masse à 150 ou
100 g signifie pour un catalyseur 400 cpsi avec une épaisseur de feuille de 0,05 mm,
une diminution de la part de washcoat de 63 à 25 %. Pour un support 1000 cpsi avec
une épaisseur de feuille de 0,025 mm, l'amélioration est de 53 %. La figure suivante
montre la dépendance de la masse de washcoat de la capacité thermique totale.
700
Wärmekapazität [J/l/K]
Washcoatmasse
250 g
600
163 %
500
400
188 %
125 %
100 g
135 %
300
200
100
0
400 cpsi /
0.05 mm
Figure 4 :
600 cpsi /
0.04 mm
1000 cpsi/
0.025 mm
1200 cpsi/
0.02 mm
Influence de la masse de washcoat sur la capacité thermique totale du catalyseur
Pour une utilisation optimale du support et des métaux précieux contenus dans le
revêtement, une répartition homogène du washcoat le long des cellules et de l'axe du
catalyseur est obligatoirement nécessaire. La figure 5 montre l'exemple d'un
washcoat épais et d'un washcoat fin dans la coupe des cellules.
Figure 5 :
Répartition du washcoat selon la masse de washcoat dans la coupe des cellules.
A chaud, l'efficacité catalytique est seulement limitée par le transport des matières à
condition que la régulation Lambda soit optimale. Le transport des matières dans
l'écoulement laminaire dans les canaux cellulaires est d'abord influencé par le
diamètre hydraulique (dh) du canal. Le facteur d'efficacité est GO/dh [10]. La figure 6
montre le facteur d'efficacité GO/dh des différentes densités des alvéoles.
12
Effektivitätsfaktor [GO / dh]
+ 226 %
10
8
6
10,2
8,6
4
2
7
3,8
5
0
400 cpsi
0.05 mm
Figure 6 :
600 cpsi
0.04 mm
800 cpsi
0.03 mm
1000 cpsi
0.025 mm
Facteur d'efficacité GO/dh des différentes densités des alvéoles
1200 cpsi
0.02 mm
Des densités d'alvéoles plus élevées signifient une meilleure efficacité contre toutes
les substances nocives [6, 11, 12]. Ainsi, même avec une efficacité catalytique plus
élevée, il est possible de réduire le volume du catalyseur, de manière à pouvoir
renoncer à des dessous supplémentaires. A ce sujet, si le réglage du moteur n'est
pas optimal, NOx réagit de manière très critique à une réduction du volume
catalytique.
Si on analyse les émissions cumulées NOx au cours d'un test des gaz
d'échappement, on constate que l'ensemble des émissions ne provient pas la plupart
du temps de quelques "événements individuels" au sein du test. Ces sauts NOx brefs
représentés à la figure 7 ne sont pas dépendants de la sollicitation de l'espace du
catalyseur, mais déclenchés par une régulation Lambda pas optimale dans le
domaine instationnaire. Le gaz E et des appareils plus rapides de commande des
moteurs, avec lesquels il est possible de régler aussi des cylindres individuels,
assureront une nette amélioration.
1
NOx [g]
Speed [km/h]
0,8
80
60
0,6
40
0,4
20
0,2
0
0
100
Figure 7 :
4)
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Emissions NOx cumulées d'un véhicule série dans un test des gaz d'échappement
Concept de catalyseur SULEV
Pour représenter un véhicule SULEV, un moteur avec une émission brute minime et
une régulation Lambda est obligatoirement nécessaire. Pour cette raison, toutes les
constatations suivantes se basent sur un véhicule ULEV se trouvant sur le marché
avec un potentiel SULEV. Les émissions brutes de ce véhicule sont de 1,6 g/m dans
le test FTP.
La température des gaz d'échappement et les émissions HC cumulées pendant les
100 premières secondes du test FTP sont représentées à la figure 8.
600
Temperatur [°C]
HC Rohemission [ppm]
20
20.000
Temperatur
500
15.000
15
400
10.000
10
300
HC
Rohemission
200
5.000
5
100
0
0
20
40
60
80
00
100
Zeit [s]
Figure 8 :
Température du gaz avant le catalyseur et émissions brutes HC pendant les 100
premières secondes du test FTP
La conception du système catalytique est faite suivant les facteurs d'appréciation
indiqués au chapitre 3. Le volume total doit correspondre à env. 0,6 – 0,8 fois la
cylindrée. Le programme de simulation KatProg a été utilisé.
L'idée de base est de développer un système de catalyseur qui peut être modifié de
manière modulaire suivant les nouvelles lois, y compris SULEV. En raison des
exigences OBD, le système doit être une solution "2 brick" avec la possibilité de
pouvoir contrôler séparément le premier support. Pour une bonne distribution
d'écoulement et l'efficacité améliorée du démarrage à froid, le système catalytique va
être en cascade. En cas de très mauvais écoulement à cause de l'espace de
l'installation, le premier support sera remplacé par un catalyseur conique.
La densité des alvéoles et l'épaisseur des feuilles peuvent être modifiées selon les
exigences respectives d'efficacité. Pour les applications avec des émissions brutes
plus élevées ou des températures de gaz basses, il est possible de remplacer le 1er
support par un catalyseur à chauffage électrique, composé d'un disque chauffant et
d'un catalyseur d'appoint. La figure 9 montre le principe du système avec différentes
variantes.
Kaskadensystem:
400 cpsi
500 cpsi
ConiCat System:
Figure 9 :
5)
Kaskadensystem mit
erhöhter Effgektivität:
800 cpsi
1000 cpsi
EmiCat System:
Différentes variantes d'un système catalytique modulaire
Résultats des émissions et des calculs
Le système catalytique modulaire donne la possibilité d'adapter une application à
différentes limites d'émission de gaz d'échappement sans modifier le canning. Cela
n'est naturellement possible qu'avec un perfectionnement parallèle du moteur et de
la gestion du moteur. Les catalyseurs à densité élevée d'alvéoles avec des feuilles
ultra-fines ne peuvent être utilisés qu'en liaison avec une gestion du moteur optimale
sans pointes HC en marche transitoire. Les pointes HC entraînent chez ces
catalyseurs très actifs à faible capacité thermique, en comparaison avec les supports
à feuilles plus épaisses, d'extrêmes augmentations de température et ainsi le
vieillissement du catalyseur. Le tableau 4 représente des variations du système en
cascade suivant la législation. Le volume catalytique total est de 1,4 l et ainsi de
70 % du volume de cylindrée du véhicule testé.
Tableau 4 :
Variations d'un système catalytique modulaire
1er support
Ø 80 x 74.5 mm
LEV / EG
III
ULEV /
EG IV
SULEV
EZEV
2ème support
Ø 110 x 110 mm
Densité des
Facteur
alvéoles /
d'efficacité
Epaisseur des
feuilles
500cpsi / 0,05
4.6
Densité des
alvéoles /
Epaisseur des
feuilles
300cpsi / 0,05
Facteur
de
démarrag
e à froid
0.01
600cpsi / 0,04
0.12
800cpsi/0,03
7.0
800cpsi / 0,03
0.16
1000cpsi /
0,025
1200 cpsi /
0,025
8.6
Disque
chauffant:
600cpsi / 0.04
Catalyseur
d'appoint
800cpsi / 0,03
0.12 / 0.16
10.1
La figure suivante montre les taux de rendement et les émissions cumulées HC
obtenues pendant les 100 premières secondes du test FTP. Pour assurer le
programme et l'efficacité du catalyseur, des calculs de comparaison avec des
divergences < 5 % ont été faits avec des résultats de mesure des gaz
d'échappement du système catalytique original.
100
Umsatzrate HC [%]
80
60
Ø80x74.5/300/50
40
Ø80x74.5/300/50 + Ø110x110/500/50
Ø80x74.5/600/40
Ø80x74.5/600/40 + Ø110x110/800/30
20
Ø80x74.5/800/30
Ø80x74.5/800/30 + Ø110x110/1000/25
EHC Ø80x15/600/40 2kW
0
10
20
30
40
EHC Ø80x15/600/40 2kW + Ø80x74.5/800/30
EHC Ø80x15/600/40 2kW + Ø80x74.5/800/30 +
50
60
70
80
90 100
Ø110x110/1200/25
Figure 10 :
Taux de rendement HC de différentes installations catalytiques pendant les 100
premières secondes du test FTP
0,6
Kumulierte HC [g]
300 / 500 cpsi
0,5
600 / 800 cpsi
800 / 1000 cpsi
0,4
0,3
0,2
E-Kat
0,1
Rohemission
Ø80x74.5/300/50 + Ø110x110/500/50
Ø80x74.5/600/40 + Ø110x110/800/30
0
10
20
30
40
50
60
Zeit [s]
Ø80x74.5/800/30 + Ø110x110/1000/25
70 80 90 100
EHC Ø80x15/600/40 2kW + Ø80x74.5/800/30 +
Ø110x110/1200/25
Figure 11 :
Emissions cumulées HC de différents modèles catalytiques pendant les 100
premières secondes du test FTP
Les résultats des calculs montrent l'avantage des densités d'alvéoles plus élevées en
liaison avec des épaisseurs de feuilles plus fines. Dans un canning identique, les
émissions du démarrage à froid peuvent être réduites du 23 % lors du changement
de 300 cpsi / 0,05mm à 800 cpsi / 0,03 mm. L'emploi en plus d'un catalyseur à
chauffage électrique signifie un potentiel d'amélioration de 60 % au démarrage à
froid. A chaud, l'augmentation de la densité des cellules signifie par expérience
également une nette amélioration de l'efficacité du catalyseur grâce au meilleur
transport des matières dans les canaux.
6)
Résumé
Les limites d'émission atteintes par les véhicules indiqués comme prototypes en
Amérique mettent en évidence qu'au niveau des émissions limitées, il sera possible à
l'avenir de construire des véhicules dont les gaz d'échappement seront plus propres
dans les zones urbaines que l'air aspiré. L'auto nettoie donc l'environnement.
Une comparaison des différents concepts d'entraînement discutés, soutient le rôle
leader du moteur à explosion pour les 10 à 15 prochaines années, excepté pour les
émissions CO2. L'importance du CO2 à ce sujet dépend sûrement de la question
dans quelle mesure le gaz carbonique dégagé par la circulation individuelle est
responsable du réchauffement global, ou s'il est utilisé comme moyen de pression.
Pour observer les futures limites d'émission de gaz d'échappement avec le moteur à
explosion, il est obligatoirement nécessaire d'optimiser en plus du catalyseur aussi le
moteur et la gestion du moteur. L'ensemble du système – moteur, gestion, support
catalytique et revêtement catalytique – doit être synchronisé. Dans ces conditions, il
est possible de construire des systèmes catalytiques modulaires conformes aux
exigences futures.
Les systèmes catalytiques modulaires permettent l'adaptation à un coût avantageux
de l'efficacité du catalyseur, en augmentant la densité des alvéoles et en réduisant
simultanément l'épaisseur des feuilles (capacité thermique), ou en utilisant des
catalyseurs coniques ou à chauffage électrique. Avec l'amélioration simultanée de
l'ensemble du système, des volumes supplémentaires de catalyseurs ne sont pas
nécessaires.
Le contrôle des résultats d'émission et de la résistance mécanique et thermique est
en cours actuellement.