L’anatomie du moteur diesel moderne

Plus légers, plus propres et technologiquement plus avancés, les diesels modernes sont complètement différents de leurs prédécesseurs.

L’Europe montre la voie en matière de modernisation du diesel, avec pour objectif d’atteindre les normes de performance les plus élevées, tout en ayant le moins d’impact sur l’environnement.

Grâce à des investissements incessants dans la technologie des moteurs diesel, les constructeurs européens de véhicules et leurs fournisseurs ont révolutionné le moteur diesel, en introduisant des innovations technologiques comme le dispositif révolutionnaire de dépollution, le pot catalytique et l’« AdBlue® », un produit chimique efficace qui contribue à réduire les émissions polluantes.

 

Technologie de depollution

Les dispositifs de post-traitement des gaz d’échappement diesel sont essentiels, car ils permettent un contrôle plus strict des émissions et une meilleure qualité de l’air.

Initialement introduit au milieu des années 1970 pour les voitures à essence, le catalyseur d’origine était connu sous le nom de « catalyseur d’oxydation » jusqu’à ce qu’il soit remplacé par le « catalyseur trois voies ». Le catalyseur d’oxydation diesel (Diesel Oxidation Catalyst, DOC) reste une technologie clé pour les moteurs diesel, et converti le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures (HC), en dioxyde de carbone (CO2) et eau (H2O). Le DOC diminue également la masse des émissions de particules diesel en oxydant une partie des hydrocarbures adsorbés sur les particules de carbone.

À la suite du développement de nouvelles technologies et de nouveaux systèmes de dépollution qui réduisent les émissions et améliorent le rendement énergétique, le filtre à particules diesel (FAP) a été conçu pour réduire davantage les émissions, en piégeant les particules solides de suie que le DOC n’était pas en mesure d’oxyder.

Les FAPs ont été introduits sur les voitures diesel en 2000 et, depuis 2011, toutes les nouvelles voitures diesel dans l’UE sont équipées de cette technologie, qui évite l’émission de particules nocives.

Comparés à ce qu’ils étaient il y a 10 ans, les moteurs diesel d’aujourd’hui sont plus propres et plus efficaces, étant équipés de systèmes de dépollution visant à éliminer les émissions nocives du pot d’échappement du véhicule.

La dernière amélioration apportée aux systèmes d’échappement est la réduction catalytique sélective (Selective Catalytic Reduction, SCR). A l’aide d’un catalyseur, le système SCR convertit les oxydes d’azote (NOx) en azote diatomique (N2) et en H2O. Lorsque les conditions ne sont pas optimales pour les catalyseurs SCR, les adsorbeurs de NOx sont utiles car ils piègent les NOx provenant du moteur afin de les stocker et de les traiter lorsque les conditions le permettent.

En fin de compte, la combinaison de différentes technologies de dépollution assure un meilleur contrôle des émissions nocives.

 

Diesel particulate substrate filter - diesel engine anatomy

Un filtre à particules diesel (FAP) retient plus de 99,9 % des particules de combustion

Comment l’innovation diesel réduit la pollution de l’air

La nouvelle génération de moteurs diesel se compose d’un système intégré en trois parties : un moteur à haut rendement, du carburant diesel à très faible teneur en soufre et un système avancé de dépollution.

Le système électronique avancé de gestion du moteur est le « cerveau » d’un moteur moderne qui contrôle entre autres les niveaux d’émission, car il collecte et traite les signaux et les données des capteurs embarqués, et coordonne ensuite les systèmes FAP et SCR de post-traitement des gaz d’échappement.

La très faible teneur en soufre (moins de dix parties par million) du carburant permet d’utiliser des dispositifs de dépollution améliorés. Cela permet au moteur d’utiliser le filtre à particules pour piéger les particules de suie, réduire ses émissions, et ainsi améliorer la qualité de l’air.

De plus, les systèmes d’injection diesel haute pression à rampe commune contribuent à l’efficacité élevée des moteurs diesel. Ces systèmes augmentent la pression dans les injecteurs et permettent une meilleure atomisation du carburant, ce qui améliore les processus d’allumage et de combustion. Ainsi, seule la quantité de carburant nécessaire aux injecteurs est fournie à la rampe commune. Il permet également de « régénérer » régulièrement le filtre en brûlant la suie recueillie.

La dernière génération de moteurs diesel utilise des pots catalytiques, des adsorbeurs et des filtres à particules, qui convertissent à l’échappement jusqu’à 99 % des polluants des moteurs thermiques (HC, CO, NOx et particules). Le catalyseur joue un rôle important dans la réduction des émissions : le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures imbrûlés (HC) sont oxydés en CO2 et H2O tandis que les NOx, c’est-à-dire NO et NO2, sont réduits en N2 inerte, éliminant ainsi pratiquement les gaz toxiques et réduisant la pollution atmosphérique.

L’industrie a démontré son engagement à améliorer la qualité de l’air, en développant et en combinant des technologies à même de s’attaquer directement aux problèmes de pollution atmosphérique.

À une époque où l’on manquait encore de preuves épidémiologiques sur les effets des particules sur la santé, le « principe de précaution » a été invoqué, exigeant l’élimination des particules de carbone par l’utilisation de FAP sur toutes les nouvelles voitures diesel vendues en Europe à partir de 2011. Cela a été confirmé par l’examen des données probantes sur les aspects sanitaires de la pollution atmosphérique (Review of Evidence on Health Aspects of Air Pollution, REVIHAAP) de l’Organisation mondiale de la santé (OMS) en 2013, qui indiquait que les particules ultrafines ont des effets toxiques sur le corps humain.

Le FAP à parois filtrantes a la fonction de piéger et de stocker les particules sur toute leur gamme de taille. Les gaz d’échappement passent à travers une structure en nid d’abeilles en céramique poreuse, où les particules de suie sont déposées sous forme d’une couche de suie. Ce « gâteau de suie » ne sert pas seulement à stocker la suie, mais aussi à filtrer les particules ultrafines.

Par conséquent, les émissions en masse et en nombre de particules des véhicules diesel sont efficacement contrôlées dans des conditions de conduite réelles, puisque le nombre de particules est réduit de plusieurs ordres de grandeur. Des températures d’échappement élevées brûlent ensuite périodiquement la suie piégée dans le FAP, régénérant ainsi le filtre et le préparant pour le prochain cycle de collecte de suie.

L’industrie a démontré son engagement à améliorer la qualité de l’air, en développant et en combinant des technologies à même de s’attaquer directement aux problèmes de pollution atmosphérique.

 

Des moteurs diesel performants et efficaces

L’amélioration des performances des moteurs diesel signifie qu’au cours des 15 dernières années, les limites d’émissions de NOx et de particules (PM) ont été toutes deux considérablement réduites.

En pratique, les FAP éliminent plus de 99,9% des particules, y compris les particules ultrafines. La réduction des émissions réelles de NOx ne s’est pas toujours améliorée au même rythme que les normes Euro 3 à 5, mais une tendance générale à la baisse a été observée dans la base de données de mesure des véhicules de l’AECC.

Depuis plus d’une décennie, l’AECC mesure les émissions des véhicules qui surviennent en dehors des procédures réglementaires. Tout d’abord, il s’agissait du cycle d’essai Artemis, un essai en laboratoire plus représentatif de la conduite réelle que l’ancien cycle d’essai réglementaire NEDC.

Depuis 2012, les véhicules sont équipé d’un système embarqué de mesure des émissions (Portable Emissions Measurement System, PEMS) pour des essais sur route. Le tableau ci-dessous indique la réduction réelle des NOx des véhicules diesel que l’AECC a mis à l’essai au fil des ans.

Des NOx représentatifs aux NOx réels des moteurs diesel dans la base de données de l’AECC

Si les améliorations apportées aux moteurs tendent à réduire les émissions de NOx, elles tendent aussi à augmenter les émissions de particules. En d’autres termes, la réduction des NOx en abaissant la température maximale de combustion augmente les émissions de particules du moteur, car elle empêche l’oxydation complète de la suie. C’est ce qu’on appelle le « compromis NOx-PM ».

La majorité des constructeurs européens a choisi d’utiliser ce compromis afin de réduire les émissions de particules à la sortie du moteur, tout en utilisant le post-traitement SCR pour réduire les émissions de NOx provenant du moteur. Cette méthode permet de réduire la consommation en carburant par rapport aux moteurs de la génération précédente.

En pratique, les FAPs éliminent plus de 99,9 % des particules, y compris les particules ultrafines.

Quelles sont les prochaines innovations auxquelles s’attendre ?

Depuis le début des années 90, l’Union européenne a introduit des limites d’émissions de plus en plus strictes pour les véhicules, connues sous le nom de « série des normes Euro ». Les normes Euro 1 à 4 n’étaient pas aussi strictes que les normes Euro 5 et 6, car elles n’exigeaient pas que des dispositifs de post-traitement des particules ou des NOx soient installés sur les voitures diesel. Ces voitures diesel plus anciennes et plus « sales » contribuent aux problèmes de qualité de l’air auxquels sont confrontées les villes européennes.

Afin de se conformer aux nouvelles normes d’émissions plus strictes en Europe, l’industrie des véhicules diesel n’a cessé d’innover et d’améliorer le rendement des moteurs.

London skyline - Anatomy of a diesel engine

Actualisée en 2017, la norme Euro 6 prend désormais en compte les émissions en conduite réelles (Real-Driving Emissions, RDE). Ceci garantit que les technologies de dépollution pour les NOx sont utilisées au maximum de leur potentiel, ce qui réduit les émissions de NOx des véhicules. Aujourd’hui, le facteur de conformité (CF) autorise une marge pour les émissions de NOx sur route.

Depuis le 1er septembre 2017, une limite d’émissions à ne pas dépasser (NTE pour Not-To-Exceed) a été fixée pour les émissions réelles des voitures neuves, avec un CF provisoire de 2,1 pour les émissions de NOx. Cela signifie que les émissions réelles peuvent être 2,1 fois supérieures à la valeur limite fixée par la règlementation. Cette nouvelle norme routière plus stricte, appelée Euro 6d-TEMP, s’appliquera à toutes les voitures neuves immatriculées à partir de septembre 2019.

La Commission européenne et les États membres de l’UE ont estimé que le CF était essentiel d’un point de vue technique, afin de refléter l’incertitude de la mesure embarquée, car elle est effectué sur la route et non en laboratoire. Sans les CF des véhicules conformes pourraient échouer à un test RDE, car il ne représenterait pas avec précision la quantité d’émissions d’une voiture.

Toutefois, l’écart sera encore réduit en abaissant les CF à 1,0 plus une incertitude de mesure, à compter de janvier 2020 pour tous les nouveaux modèles de véhicules et de 2021 pour tous les nouveaux véhicules.

L’incertitude de mesure était initialement fixée à 0,5, mais un examen annuel des CF sera effectué afin de tenir compte des améliorations techniques apportées à l’équipement de test sur route. En mars 2018, la Commission européenne a proposé de réduire l’incertitude de mesure de 0,5 à 0,43. Ce CF plus rigoureux formera la norme Euro 6d.

La technologie des moteurs diesel a parcouru un long chemin en un laps de temps incroyablement court. Comparés à ce qu’ils étaient il y a 10 ans, les moteurs diesel d’aujourd’hui sont plus propres et plus efficaces, étant équipés de systèmes de dépollution visant à éliminer les émissions nocives du pot d’échappement du véhicule.

Des objectifs de plus en plus stricts signifient que l’industrie du diesel continuera à atteindre des normes d’efficacité encore plus élevées.