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Moteurs aux normes TIER 4 : La dépollution impose un virage technologique

Lectures : 18107 août 2015

moteur1 Les technologies embarquées sur les moteurs Tier 4i sont similaires à celles employées pour les poids lourds et les  automobiles. 

Deux nouveaux termes font leur apparition dans le jargon des technologies des moteurs non-routiers. SCR et FAP changent la façon d'aborder la dépollution du moteur.

Difficile de se réjouir pleinement en constatant la mise en œuvre de nouvelles normes d'émissions polluantes. Si l'argument de rendre plus propres les moteurs des engins agricoles est plutôt salutaire au regard de l'impact sanitaire qu'engendrent des composants tels que les particules et les oxydes d'azote (troubles respiratoires et cardio-vasculaires), la flambée des prix qui l'accompagne est plus difficile à accepter pour l'agriculteur.

Traitement postcombustion pour les NOx et particules

L'incompréhension vient surtout du fait que les évolutions technologiques nécessaires à la dépollution des moteurs ne se traduisent pas forcément par un gain significatif de performances. Du côté des motoristes, le jugement peut paraître sévère, quand on considère le défi technologique qu'ils doivent relever à chaque nouvelle étape de la réglementation.

Si le Tier 3 a été l'avènement de l'injection par rampe commune, des quatre soupapes par cylindre et de la recirculation des gaz d'échappement EGR, le Tier 4i marque l'arrivée des dispositifs de traitement postcombustion. Déjà utilisés dans le poids lourd et l'automobile, les filtres à particules (FAP), catalyseurs d'oxydation (DOC) et autres catalyseurs SCR se différencient par leur action sur les gaz d'échappement.

Les motoristes sont en effet arrivés au bout de l'optimisation du fonctionnement des moteurs. La nouvelle baisse des seuils d'émissions de particules et de NOx les contraint à adopter cette nouvelle voie de la dépollution. Les solutions de réglage d'un moteur pour diminuer ces deux polluants sont en effet antagonistes. Ce qui fait baisser les NOx, augmente les particules et inversement. Pour arriver au même objectif, les motoristes ont choisi deux stratégies.

La plus répandue sur les engins de plus 120 chevaux consiste à « libérer » le fonctionnement du moteur en supprimant le recyclage des gaz d'échappement, ce qui se traduit par des rejets importants de NOx, mais très faibles de particules. Un catalyseur SCR placé à l'échappement réduit alors les NOx.

L'EGR+FAP plus avantageux sur les petits moteurs

Seconde solution plébiscitée par les motoristes américains, le moteur conserve l'EGR externe refroidi, accompagné le plus souvent d'une technologie de suralimentation particulière (turbo à géométrie variable ou turbos en série).

Le moteur émet cette fois-ci très peu de NOx, mais beaucoup de particules. Ces dernières sont retenues par un filtre placé à l'échappement. Ce FAP est généralement associé à un catalyseur d'oxydation (DOC) pour compléter le traitement. Même si certains motoristes l'utilisent pour les fortes puissances, l'EGR+FAP sera la solution des petits moteurs de moins de 100 ch pour le Tier 4i.

En effet, en dessous d'une certaine cylindrée, le SCR manque d'efficacité et perd l'avantage en termes de coût et d'encombrement sur des engins plus compacts. On notera par ailleurs que le DOC peut être combiné au SCR par certains motoristes. D'autres réservent cette association au passage des normes Tier 4f.

Le SCR n'agira plus seul pour le TIER 4 final

Cette dernière étape, qui se caractérise par une nouvelle baisse drastique des NOx, devrait se traduire par une quasi-généralisation du SCR sur les moteurs de plus de 120 chevaux. Comme le laissent à penser les premières annonces des motoristes, le SCR n'agira pas seul. Il sera secondé soit par un DOC, soit par un filtre à particules et un DOC. Le SCR pourra également être associé à un EGR externe et à un turbo à géométrie variable.

Le DOC, comme le catalyseur de votre voiture

Le catalyseur d'oxydation (DOC) transforme le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non brûlés en CO2 et en eau. Il agit également sur certaines particules. Le DOC est forcément associé au filtre à particules, et placé en amont de ce dernier. Il peut également précéder un catalyseur SCR. Comme dans l'automobile, sa durée de vie importante ne devrait pas impacter le coût d'entretien du moteur.

Le FAP permet la régénération des particules

fap

Le FAP retient les particules qui sont ensuite oxydées par un phénomène de régénération imposant une température suffisante à l'échappement.

 

Cette régénération dite « passive » est dépendante de la température, du régime et de la charge du moteur. Lorsque les conditions ne sont pas réunies, une régénération « active » est nécessaire. La gestion électronique modifie le fonctionnement du moteur de manière à augmenter la température à l'échappement.

Sur certains moteurs, notamment en forte puissance, un injecteur placé à l'échappement avant le FAP introduit une faible dose de carburant pour favoriser la régénération. Il existe un second type de FAP « à alvéoles ouvertes » qui ne fonctionne qu'avec des régénérations passives. Il est plutôt destiné aux faibles puissances.

Sans réel recul sur une utilisation agricole, il est difficile de se prononcer sur la durée de vie des filtres, celle-ci étant dépendante des conditions d'utilisation. Les motoristes annoncent généralement 4 000 à 6 000 heures. Avec des engins suffisamment sollicités, la régénération passive devrait faire une bonne partie du travail.

Alors qu'un engin qui est peu sollicité risque de multiplier les régénérations actives afin d'éviter le colmatage du filtre. Ce point est plus sensible sur les gros moteurs, car les moteurs de faible cylindrée ont des températures de fonctionnement plus importantes, facilitant la régénération passive du filtre. 

Le SCR impose un deuxième flux

scr

La réduction catalytique sélective n'a pas d'influence sur la combustion, le moteur fonctionne à haute température et émet des oxydes d'azote mais pas de particules. Ces NOx sont traités dans un réacteur catalytique au niveau de l'échappement par l'intermédiaire de l'injection d'une solution d'urée dite AdBlue.

L'urée réagit avec les NOx pour produire de la vapeur d'eau et de l'azote. Ce dispositif a l'avantage de préserver les performances du moteur, mais il contraint l'utilisateur à stocker de l'AdBlue, solution sensible au gel et dont la durée de conservation est limitée. Dosé à hauteur de 2 à 9 % (suivant les moteurs et le régime moteur) de la consommation de gazole, l'AdBlue ne demande qu'un petit réservoir.

Ce dernier intègre un dispositif de réchauffage en lien avec le circuit de refroidissement du moteur. À chaque arrêt du moteur, le circuit d'AdBlue est vidangé par une pompe électrique pour éviter les risques de gel et de dépôt.

L’EGR recycle les gaz d’échappement

EGR

Le recyclage des gaz d'échappement EGR participe à la réduction des NOx en réduisant une partie de l'oxygène de l'air d'admission, diminuant ainsi la température de combustion. Cette diminution de la température passe aussi par un refroidissement efficace de l'air d'admission. On trouve deux types d'EGR.

L'EGR interne se base sur une recirculation des gaz brillés à l'intérieur du cylindre, obtenue par un croisement de l'ouverture et de la fermeture des soupapes. Cette solution disparaît avec le Tier 4i au profit de l'EGR externe refroidi. Les gaz passent dans un échangeur thermique avant d'être dosés par une valve EGR qui ajuste le débit de gaz vers le collecteur d'admission.

En simplifiant, l'EGR consiste à dégrader la combustion de manière très fine, afin de réduire les NOx. Le moteur émet en revanche des particules, imposant l'association de l'EGR avec le FAP.

Un turbo efficace à tous les régimes

turbo

Trois technologies de suralimentation se distinguent avec le Tier 4i. Les moteurs équipés de SCR disposent généralement d'un turbocompresseur à soupape de décharge (Wastegate).

Celui-ci est conçu pour améliorer le couple à bas régime et le couple maxi. Il augmente le flux d'air d'admission à bas régime et la soupape de décharge libère une partie du flux d'échappement à haut régime. Le turbo à géométrie variable (TGV) est adopté sur les moteurs équipés d'un EGR externe.

Son principe basé sur la modification de l'orientation des pales de la turbine autorise une plus grande plage de régimes d'utilisation, en évitant les trous à bas régime. Le TGV adapte également la quantité de gaz d'échappement refroidis mélangé à l'air d'admission en fonction de la charge et du régime moteur.

Troisième solution apparue avec le Tier 4i, la double suralimentation permet d'augmenter la pression d'admission, autorisant une augmentation du taux d'EGR dans le but de limiter les NOx. Techniquement, les deux turbos de taille différente sont montés en série. Dans un premier temps, l'air d'admission est compressé par un petit turbo, dit « de basse pression ».

L'air passe ensuite dans un plus gros turbo, dit « de haute pression », avant d'être refroidi par l'intercooler pour alimenter l'admission du moteur. Le petit turbo agit ainsi à bas régime pour un meilleur temps de réponse du moteur et le plus gros amplifie la compression sur les régimes plus élevés. 

Source : Panorama de presse Réussir Bovin Lait et Viande.

Source : http://www.abc-eleveurs.net/materiel/dossiers/349-moteurs-aux-normes-tier-4-la-depollution-impose-un-virage-technologique

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