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#1 25-04-2018 14:24:16

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[Technologie diesel] Systèmes de contrôle des émissions diesel

Systèmes de contrôle des émissions diesel

Législation

Depuis l'entrée en vigueur de la première législation sur les émissions de gaz d'échappement des moteurs à essence au milieu des années 60 en Californie, les limites admissibles pour une série de polluants ont été réduites de plus en plus. Entre-temps, tous les pays industrialisés ont adopté une législation sur les émissions d'échappement qui définit les limites d'émission pour les moteurs à essence et diesel ainsi que les méthodes d'essai.

Essentiellement, la législation suivante sur les émissions de gaz d'échappement s'applique:

• Législation CARB (California Air Resources Board), Californie
• Législation EPA (Environmental Protection Agency), États-Unis
• La législation de l'UE (Union européenne) et les règlements correspondants de la CEE (Commission économique des Nations Unies pour l'Europe), Europe
• Législation japonaise.

Cette législation a conduit à l'élaboration de différentes exigences en ce qui concerne la limitation de divers composants dans les gaz d'échappement. Essentiellement, les constituants des gaz d'échappement suivants sont évalués:

• Monoxyde de carbone (CO)
• Oxydes d'azote (NOx)
• Hydrocarbures (HC)
• Particules (PM)

On peut généralement dire que traditionnellement, on met davantage l'accent sur les faibles émissions d'oxydes d'azote dans la législation américaine, alors qu'en Europe on se concentre davantage sur le monoxyde de carbone. Le graphique suivant compare la norme applicable aux véhicules diesel BMW avec les normes en vigueur en Europe. Une comparaison directe n'est toutefois pas possible car différents cycles de mesure sont utilisés et différentes valeurs sont mesurées pour les hydrocarbures.

Bien que les normes européennes et américaines ne puissent être comparées 1: 1, il est clair que les exigences relatives aux émissions d'oxyde d'azote sont considérablement plus exigeantes sur le marché américain. Les moteurs diesel ont généralement des niveaux d'émission d'oxyde d'azote plus élevés que les moteurs à essence car les moteurs diesel fonctionnent normalement avec un excès d'air. Pour cette raison, le défi de l'obtention de l'approbation dans les 50 États des États-Unis a dû faire face à une série de nouveaux développements technologiques.

Comparaison de la législation sur les émissions d'échappement

Comparaison-de-la-legislation-sur-les-emissions-d-echappement_20180422-0912.png

Dans un moteur diesel, la puissance de sortie dépend de la quantité de carburant diesel injectée. Le moteur fonctionne en mode très pauvre avec excès d'air. L'excès d'air disponible fournit suffisamment d'oxygène pour une combustion plus complète. Cette opération allégée réduit les émissions globales d'hydrocarbures (HC) et de monoxyde de carbone (CO) par rapport à un moteur à essence. Cependant, en raison des températures plus élevées de la chambre de combustion, les oxydes d'azote (NOx) sont une préoccupation majeure.

Autres préoccupations dans un moteur diesel comprennent la suie qui est également connu sous le nom de particules (PM). Les particules peuvent être contrôlées dans le moteur ou par un post-traitement des gaz d'échappement.

Les émissions des moteurs diesel peuvent être contrôlées de deux façons. Une méthode consiste à utiliser des mesures dites «dans le moteur» qui sont accomplies par des changements dans la conception du moteur ou par les systèmes de gestion du moteur diesel. Le système de gestion du moteur peut contrôler les émissions via la stratégie d'injection de carburant.

Les émissions qui ne peuvent pas être contrôlées par la gestion du moteur ou du moteur sont la responsabilité du système de «post-traitement». Certaines des méthodes employées comme systèmes de post-traitement sont les catalyseurs d'oxydation diesel, les filtres à particules et les nouveaux systèmes de réduction catalytique sélective (SCR).

Constituants-de-gaz-d-echappement-avant-traitement-d-echappement.png

Sous-produits de combustion

Les gaz d'échappement sont le sous-produit d'une réaction chimique qui se produit pendant le processus de combustion. Puisque le carburant diesel est un hydrocarbure, la composition des gaz d'échappement est similaire aux gaz d'échappement d'un moteur à essence. Cependant, ces gaz sont présents dans des pourcentages différents en raison du fonctionnement pauvre du moteur diesel.

Sous-produits-de-combustion.png

Hydrocarbures (HC)

Le carburant diesel est un hydrocarbure. Par conséquent, tout hydrocarbure présent dans le flux d'échappement est considéré comme non brûlé (ou non brûlé). HC est un terme générique désignant tout composé chimique qui unit l'hydrogène (H) au carbone (C). Pendant la combustion, de nouveaux composés HC sont produits qui ne sont pas initialement présents dans le combustible d'origine.

Le HC est produit lorsqu'il n'y a pas assez d'oxygène pour supporter une combustion complète ou s'il y a des ratés d'allumage. Des émissions de HC sont également produites dans les parties "plus froides" de la chambre de combustion, telles que la zone autour des segments de piston. Ces zones "froides" ont tendance à éteindre le front de flamme, ce qui se traduit par des hydrocarbures "non brûlés". Un moteur froid a également tendance à laisser le carburant se condenser sur la paroi du cylindre, ce qui a le même effet de "trempe".

Les moteurs diesel ne produisent pas un niveau élevé de HC, et la plus grande partie du HC restant après la combustion est oxydée par le catalyseur d'oxydation diesel (DOC).

Effets des émissions de HC

Les émissions d'hydrocarbures sont une composante de l'ozone troposphérique, qui est devenue un problème dans de nombreuses villes des États-Unis. Comme l'un des principaux éléments constitutifs du smog, l'ozone troposphérique est créé par des réactions chimiques entre les hydrocarbures et les oxydes d'azote en présence de la lumière du soleil.

L'ozone au niveau du sol contribue à de nombreux problèmes de santé, y compris les dommages aux poumons et les fonctions cardiovasculaires. De plus, les hydrocarbures sont également considérés comme toxiques.

Effets-des-emissions-de-HC.png

Monoxyde de carbone

Le monoxyde de carbone (CO) se forme lorsqu'il n'y a pas suffisamment d'oxygène pour soutenir la combustion. Cette condition entraîne un carburant partiellement brûlé. Pendant la combustion normale, les atomes de carbone se combinent avec les atomes d'oxygène pour produire du dioxyde de carbone (CO 2) et de la vapeur d'eau. Lorsqu'il y a un manque d'oxygène (ou de carburant en excès) pendant la combustion, du monoxyde de carbone se forme.

Le monoxyde de carbone n'est généralement pas une préoccupation dans les moteurs diesel modernes à «combustion pauvre». La production de CO est minime dans un moteur diesel et la plus grande partie du CO résiduel est traitée (oxydée) par le catalyseur d'oxydation diesel.

Monoxyde-de-carbone.png

Effets des émissions de CO

Le monoxyde de carbone est un gaz incolore, inodore et insipide qui est toxique pour les humains et les autres créatures respirantes. Lorsqu'il est inhalé, le CO prend la place de l'oxygène dans les globules rouges. Les globules rouges transportent normalement l'oxygène à tous les tissus du corps. Lorsque l'oxygène est remplacé par du CO dans la circulation sanguine, une condition connue sous le nom d'hypoxie se produit. Cela provoque finalement une asphyxie qui peut entraîner une maladie grave ou la mort. Même en petites quantités, le CO peut causer des maladies et des maux de tête.

Dans l'environnement, le CO contribue à l'effet «serre». Bien que le CO soit considéré aujourd'hui comme un polluant primaire, il a toujours été présent à la suite des feux de brousse et de l'activité volcanique.

Oxydes d'azote (NOX)

NOX est un terme tout compris pour les composés chimiques constitués d'azote (N) et d'oxygène (O). Le NOX consiste principalement en NO (oxyde nitrique) et en NO2 (dioxyde d'azote).

Puisque l'air ambiant contient à la fois de l'azote et de l'oxygène, il se forme du NOX lorsque ces deux éléments se combinent dans la chaleur de la combustion. L'azote et l'oxygène ne se combinent pas jusqu'à ce que la température de la chambre de combustion dépasse 1100 ° C.

Oxydes-d-azote-NOX.png

L'un des principaux facteurs de formation de NOX est la température globale de la chambre de combustion. Les moteurs diesel ont des problèmes inhérents à la production de NOX.

Du fait que les moteurs diesel ont un taux de compression très élevé, les températures de la chambre de combustion sont naturellement élevées. Ceci, à son tour, initie les conditions optimales pour la formation de NOx. En outre, les mélanges pauvres dans un moteur diesel contribuent à l'oxygène disponible supplémentaire dans la chambre de combustion. Ceci, à son tour, est un facteur dans les températures plus élevées de la chambre de combustion.

Plus de 50% des émissions de NOX proviennent de sources mobiles, comme les voitures, les camions et les autobus, etc. Cela inclut les sources «sur route» ainsi que «hors route».

La réduction des NOX peut être traitée par la gestion du moteur ou par un «post-traitement» de l'échappement.

Effets des émissions de NOx

Les émissions de NOX, avec HC et la lumière du soleil, contribuent à la formation du smog photochimique. Le smog est attribuable à de nombreux problèmes de santé et est classé par le E.P.A. en tant que contributeur majeur aux problèmes de santé, y compris les maladies respiratoires et cardiaques.

NOX est également responsable de la formation d'ozone troposphérique, qui est également un irritant majeur du système respiratoire. L'ozone est particulièrement préoccupant pour ceux qui souffrent d'asthme.

Dans l'environnement, l'ozone et les NOX sont considérés comme les principaux gaz à effet de serre qui contribuent au réchauffement de la planète.

Affaire particulière

Un domaine dans lequel les diesels sont moins souhaitables est celui des émissions de particules par- ticules ou "PM". Les émissions de particules sont plus communément appelées suie. Bien que les moteurs diesel émettent moins de HC et de CO, la suie provient de tout carburant non brûlé. Le soufre est l'une des origines de la suie dans les gaz d'échappement diesel. La réduction de la teneur en soufre dans le carburant est un moyen de réduire les émissions globales de particules. Les émissions de particules sont classées en deux groupes basés sur la taille des particules. Les PM10 désignent les particules qui sont inférieures ou égales à 10 microns et les particules PM2,5 ont une taille de particule de 2,5 microns ou moins.

Affaire-particuliere.png

Les gaz d'échappement diesel sont constitués principalement de particules plus petites (PM2,5). Les particules sont considérées comme un polluant nocif qui contribue aux problèmes respiratoires. Par conséquent, les émissions de particules devraient être contrôlées.

Les émissions de particules peuvent être réduites de plusieurs façons. L'une des premières mesures les plus pratiques consiste à réduire la teneur en soufre du carburant. En 2007, le nouveau carburant ULSD a une limite de 15 ppm de soufre. Cela représente une réduction importante par rapport à l'ancienne limite de 500 ppm.

La conception du moteur et les systèmes de gestion du moteur peuvent grandement contribuer à réduire les émissions de particules en assurant le fonctionnement le plus efficace du moteur. La méthode la plus efficace pour réduire les émissions de particules se trouve peut-être dans les systèmes de post-traitement des gaz d'échappement.

Le catalyseur d'oxydation diesel (COD) s'est révélé assez efficace pour décomposer les constituants des particules. Cependant, le COD n'est pas suffisant pour satisfaire aux normes d'émission actuelles concernant les émissions de particules. C'est là que le filtre à particules diesel (DPF) devient un élément important de la réduction globale des MP.

Dioxyde de soufre, pénètre dans l'atmosphère à la suite du dioxyde de soufre, (SO2) phénomènes naturels et activités anthropiques, par exemple:

• combustion de combustibles fossiles
• oxydation de la matière organique dans les sols
• éruptions volcaniques
• la combustion de la biomasse.

La combustion du charbon est la principale source artificielle de dioxyde de soufre, représentant environ 50% des émissions mondiales annuelles, la combustion de pétrole représentant 25 à 30% de plus. Le dioxyde de soufre réagit à la surface de diverses particules solides en suspension dans l'air (aérosols), est soluble dans l'eau et peut être oxydé dans les gouttelettes d'eau en suspension dans l'air, produisant de l'acide sulfurique. Cette pollution acide peut être transportée par le vent sur plusieurs centaines de kilomètres et se dépose sous la forme de pluies acides.

Gaz carbonique

Le dioxyde de carbone (CO2) est l'un des constituants de l'échappement de tout moteur à combustion interne. Quand un moteur tourne dans son état le plus efficace, la majeure partie des gaz d'échappement est constituée de dioxyde de carbone et d'eau. En fait, on peut dire que l'efficacité d'un moteur peut être mesurée par la teneur en CO2 dans l'échappement.

Molécule de dioxyde de carbone

Molecule-de-dioxyde-de-carbone.png

Ironiquement, le CO2 est l'un des principaux contributeurs à la théorie du réchauffement climatique. Bien que le CO2 soit un composant naturel et non toxique de l'atmosphère terrestre, il est maintenant présent en quantité disproportionnée. Les scientifiques conviennent que cette situation contribue maintenant au réchauffement de notre environnement mondial. Il est également important de noter que le CO2 atmosphérique n'est pas seulement le résultat des émissions automobiles, mais l'industrialisation globale de sources telles que les secteurs de la fabrication, de la production d'électricité et des transports.

Puisque la production de CO2 dans un moteur à combustion interne est une mesure de l'efficacité globale d'un moteur, la réduction de la production de CO2 est un défi.

Puisque la production de CO2 est directement proportionnelle à la quantité de carburant consommée, il serait logique d'améliorer l'économie globale de carburant. Actuellement, le meilleur moyen de réduire la production de CO2 est d'améliorer l'efficacité globale.

Certaines de ces nouvelles mesures sur les véhicules diesel BMW comprennent:

• L'ajout de la direction assistée électrique (EPS) qui réduit la charge parasite de la direction assistée hydraulique (entraînée par courroie)
• L'ajout d'un embrayage de compresseur de climatisation (les modèles précédents ont omis l'embrayage)
• Construction légère de véhicule et de moteur
• Pneus à résistance au roulement réduite (future)

Les éléments mentionnés ci-dessus ne sont que quelques-unes des mesures visant à réduire les émissions de CO2. Dans le cadre du concept «Efficient Dynamics» de BMW, de nombreuses avancées dans le domaine de la technologie diesel «propre» sont à l'horizon.

Lors de la réduction de la production de CO2 à l'aide de mesures du moteur, le fonctionnement plus pauvre en résultant se traduit par une augmentation de la production de NOX. À l'avenir, ces situations seront contrées par la réduction catalytique sélective (SCR).

Systèmes de contrôle des émissions diesel

En prenant en considération tous les aspects positifs des moteurs diesel, l'aspect le plus difficile de la conception des moteurs diesel est peut-être la réduction des émissions. Les moteurs diesels sont beaucoup plus efficaces que les moteurs à essence, mais ils ont des problèmes d'émissions inhérents en raison du carburant utilisé et de la stratégie de gestion de la pénurie.

Systemes-de-controle-des-emissions-diesel.png

Les moteurs diesel ont une température élevée dans la chambre de combustion, ce qui contribue à une production excessive de NO X. Les températures élevées de la chambre de combustion sont dues à la haute teneur en énergie du carburant diesel et au mélange pauvre. Le mélange pauvre n'a pas le même effet de refroidissement que le mélange «plus riche» trouvé dans les moteurs à essence.

Les moteurs à essence fonctionnent au rapport "stoechiométrique" de 14,7 à 1 autrement connu sous le nom de lambda = 1. Les moteurs diesel ont un rapport air / carburant variable qui varie entre une valeur lambda de 1,15 à 2,0. Au ralenti et à vide, cette valeur peut atteindre 10 lambda.

Les émissions de particules sont également préoccupantes dans les moteurs diesel en raison de la teneur en soufre du carburant utilisé. Même si la plupart des nouveaux véhicules diesel fonctionnent au diesel ULSD, les émissions de particules sont encore assez élevées pour être une préoccupation. Des mesures doivent donc être prises pour réduire la teneur globale en suie des gaz d'échappement.

Sur les moteurs diesel, la réduction des émissions peut être classée en deux grandes catégories.

Les deux catégories comprennent:

• Mesures "dans le moteur"
• Post-traitement des gaz d'échappement

Controle-des-emissions.png

Mesures de moteur pour réduire les émissions

Les mesures "dans le moteur" incluent des éléments de conception dans la structure mécanique du moteur ainsi qu'une intervention de gestion du moteur. Afin de réduire les niveaux d'émissions indésirables, la conception du moteur devrait contribuer au meilleur niveau d'efficacité possible.

Mesures-de-moteur-pour-reduire-les-emissions.png

Par exemple, la forme de la chambre de combustion a un effet sur le mélange du carburant. Le mélange peut être influencé ou «façonné» par la conception du piston et l'angle d'injection du carburant. Le collecteur d'admission et les orifices d'admission peuvent être conçus pour fournir plus de mouvement d'air dans la chambre de combustion. C'est ce qu'on appelle "l'effet de tourbillon". En fournissant ce mouvement d'air via "tourbillon", l'air est mieux mélangé avec le carburant atomisé et contribue ainsi à des émissions plus faibles.

À bas régime, le tourbillon dans la chambre de combustion abaisse les valeurs de NOX dans la plage de régime inférieure. Les moteurs BMW en profitent pour utiliser un collecteur d'admission avec des volets de turbulence qui peuvent être commandés via la gestion du moteur diesel (DDE).

Si les volets de tourbillon restent ouverts, les faibles émissions de RPM seront affectées. Si les volets de tourbillon restent fermés, la puissance de RPM élevée sera sensiblement réduite.

Mesures-de-moteur-pour-reduire-les-emissions-2.png

Stratégie d'injection

Outre les méthodes mécaniques, le système de gestion du moteur peut influencer la production globale des émissions. Cette stratégie est réalisée via le système d'injection de carburant. Les systèmes modernes d'injection de carburant diesel sont très précis et utilisent des pressions extrêmement élevées pour améliorer le rendement global et les niveaux d'émission.

Strategie-d-injection.png

Le système d'injection sur un moteur diesel fonctionne, à certains égards, un peu comme un système d'allumage sur un moteur à essence. Pour démarrer la combustion, il est nécessaire d'injecter du carburant au bon moment en se référant à la position du piston. Tout comme un système d'allumage sur un moteur à essence, l'injecteur doit injecter du carburant avant le point mort haut (BTDC).

La stratégie d'injection peut également être modifiée pour injecter du carburant à différents moments (c'est-à-dire ATDC) et peut avoir plusieurs événements d'injection. Le carburant peut être injecté ATDC pour aider le catalyseur à atteindre la température de fonctionnement plus tôt. La stratégie d'injection peut également être modifiée pour

aider à chauffer le DPF (le DPF est discuté dans la section "post-traitement des gaz d'échappement" de ce manuel).

Par exemple, le début de l'injection peut être compris entre 2 et 4 degrés BTDC lorsqu'il n'y a pas de charge présente (par exemple, au repos). En pleine charge, le début de l'injection peut être déplacé à 15 degrés BTDC.

Cependant, démarrer l'événement d'injection trop tôt peut être contre-productif. Le démarrage précoce de la combustion peut effectivement résister au mouvement du piston et provoquer une perte de puissance et une augmentation des émissions.
Injection multiple
L'introduction du rail commun de troisième génération facilite une distribution plus fine de l'injection de carburant par coup de courant. Au lieu d'injecter le carburant en deux étapes par course de puissance (pré-injection pour le bruit de mini-mimétisme et injection principale pour le développement de la puissance) comme c'était le cas auparavant, le carburant est maintenant injecté en 3 étapes.

En conséquence, les moteurs fonctionnent encore plus silencieusement et produisent moins d'oxydes d'azote et de particules de suie.

Les facteurs suivants permettent une triple injection:

• Capacité de traitement accrue de la DDE
• Rendement supérieur des bobines dans les injecteurs de carburant

Injection-multiple.png

Refroidissement par air de charge

Plus connu sous le nom d'intercooling, les moteurs turbo-diesel de BMW bénéficient du refroidissement par air de charge de plusieurs façons. Outre l'augmentation de la densité de l'air de suralimentation, le refroidisseur intermédiaire réduit également les NOX en tant que bénéfice supplémentaire de la température réduite de l'air de suralimentation.

Habituellement, l'intercooler n'est pas associé à un dispositif de contrôle des émissions. Mais, en raison de la température élevée de la chambre de combustion dans un moteur diesel, le refroidisseur intermédiaire offre maintenant une fonction importante en ce qui concerne la réduction des NOx.

Refroidissement-par-air-de-charge.png

[Technologie diesel] Recirculation des gaz d'échappement (EGR)

Post-traitement des gaz d'échappement

Catalyseur d'oxydation diesel (DOC)

Le DOC est responsable de fonctions spécifiques dans le post-traitement des gaz d'échappement diesel. Il est monté le plus près possible du moteur pour une efficacité maximale sur toute la plage de fonctionnement du moteur.

Les fonctions sont les suivantes:

• Réduction des émissions de HC
• Réduction des émissions de CO
• Oxydation du NO en NO2
• Réduction de la masse de particules
• Augmenter la température d'échappement pour la phase de régénération du DPF

Dans la plupart des systèmes, les catalyseurs d'oxydation diesel (DOC) consistent en une cartouche en acier inoxydable qui contient une structure en nid d'abeille appelée substrat ou support de catalyseur. Il ne contient aucune pièce mobile, seulement une surface intérieure revêtue de métaux catalytiques tels que le platine ou le palladium.

Le DOC est monté le plus près possible du moteur pour tirer parti de la chaleur d'échappement disponible.
L'échappement d'un moteur diesel ne contient pas de grandes quantités de HC et de CO, mais ces gaz doivent être convertis en gaz plus nocifs.

Note: Les véhicules diesel plus récents incorporent le DOC et le DPF dans le même boîtier.

Post-traitement-des-gaz-d-echappement.png

Réduction des émissions non désirées

Le convertisseur catalytique à oxydation proche du moteur assure la conversion des constituants des gaz d'échappement suivants sur toute la plage de fonctionnement:

• Le monoxyde de carbone (CO) est converti en dioxyde de carbone (CO2)

• Les hydrocarbures (HC) sont convertis en eau (H2O) et en dioxyde de carbone (CO2)
• Le monoxyde d'azote (NO) est converti en dioxyde d'azote (NO2)
• Les particules de suie sont également réduites dans le DOC d'environ 15 à 30%

Reduction-des-emissions-non-desirees.png

Les particules de suie traversent le convertisseur catalytique d'oxydation sans être entravées. Le convertisseur catalytique à oxydation est en outre utilisé pour augmenter la température pendant la régénération du filtre à particules diesel. Le support céramique (cordiérite) présente un revêtement d'oxydation à base de platine.

Le NO2 résultant du processus de conversion est également utilisé en aval dans le filtre à particules (DPF) et dans le système SCR.

En raison de la teneur élevée en oxygène des gaz d'échappement, le convertisseur catalytique d'oxydation commence à fonctionner à environ 170 ° C. Au-dessus de 350 ° C, les émissions de particules recommencent à augmenter.

Les sulfates se forment à cause de la teneur en soufre du combustible (composés soufrés-oxygénés). L'utilisation du combustible ULSD contribue à réduire la formation globale de particules.

[Technologie diesel] Filtre à particules diesel

[Technologie diesel] Système SCR (Adblue)

Dernière modification par BMW-Tech (25-04-2018 14:37:04)


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