Communiqué de presse No: 2839
Intermat 2009
Perkins – Hall 5b, stand J002
La technologie au service de l'environnement ou comment les moteurs Perkins parviennent à respecter les normes d'émissions
Pour respecter au mieux la réglementation à venir en matière de réduction des émissions de NOx et de particules, les moteurs Perkins allient un grand nombre de technologies et de composants destinés à assurer la conformité aux normes de cette nouvelle génération de moteurs, tout en améliorant ses performances.
La gestion des précédentes normes antipollution Tier a été rendue possible grâce à des techniques internes aux cylindres, c'est-à-dire en modifiant la dynamique du processus de combustion de façon à le rendre plus propre. Cependant, cette démarche à elle seule ne saurait suffire à réduire les NOx et les particules aux niveaux dictés par les normes Tier 4 Interim et Stage IIIB.
Perkins est parvenu à la conclusion qu'il existait deux technologies viables : l'utilisation des gaz d'échappement pour abaisser la température du processus de combustion ; la réduction catalytique sélective (RCS).
Système de réduction des oxydes d'azote (NOx)
Les oxydes d'azote (NOx) se forment à très haute température dans les cylindres du moteur. Il est possible de refroidir une petite proportion des gaz d'échappement pour la réintroduire dans les cylindres et ainsi réduire la température du processus de combustion.
Ce système ne prend pas de place sur le moteur, est relativement rentable et permet de réduire la consommation de carburant par rapport aux produits Tier 3 actuels, à raison de 3 % environ.
Perkins était peu enclin à utiliser ce type de technologies par le passé, à cause du risque d'accumulation de suie ou même d'acide sulfurique dans les composants d'admission, au détriment de la durée de vie du moteur. Mais les carburants actuels contiennent moins de soufre et produisent moins de particules. Cette technologie robuste semble donc désormais applicable au secteur des moteurs industriels. Perkins a donc adopté cette technologie pour ses nouvelles plate-formes moteur.
Réduction catalytique sélective
La réduction catalytique sélective (RCS) est une technologie qui commence à être utilisée pour les véhicules routiers, tout particulièrement en Europe. La principale différence réside dans le fait qu'elle nécessite un deuxième liquide outre le carburant diesel. La machine est généralement équipée d'un deuxième réservoir que le conducteur doit remplir régulièrement, environ tous les trois ou quatre ravitaillements en carburant. Ce liquide, connu sous le nom d'Adblue en Europe ou Diesel Emissions Fluid en Amérique du Nord, contient une substance chimique appelée urée.
L'urée est injectée en petites quantités (généralement 4 à 5 % du carburant diesel) dans le système d'échappement, où elle se mélange aux gaz d'échappement. Le catalyseur d'hydrolyse transforme l'urée en ammoniac, lequel réagit avec les NOx dans le catalyseur SCR pour produire de l'azote, de l'eau et du dioxyde de carbone. Une dernière étape (catalyseur d'oxydation) est nécessaire pour purifier les gaz de sortie de l'ammoniac qu'ils peuvent contenir, puisqu'il s'agit d'une substance potentiellement dangereuse et de surcroît à l'odeur désagréable.
La RCS permet de réduire la consommation de carburant diesel d'environ 5 % par rapport aux autres technologies, bien que la consommation totale de liquide soit, dans les faits, extrêmement proche. Le potentiel d'économies réel de la SCR pour un opérateur dépendra du coût relatif de l'urée et du carburant diesel dans son pays. Au Royaume-Uni, par exemple, l'Adblue est un peu plus cher que le gazole utilisé par nombre d'exploitants d'équipements de chantier, mais moins que le carburant destiné aux véhicules routiers. La production d'urée met en jeu beaucoup d'énergie et il est probable qu'à l'avenir son prix suive de près celui du carburant diesel. De même, la RCS ne permet de réaliser des économies de carburant que dans le cadre de certaines conditions de fonctionnement. Les recherches menées par Perkins ont révélé que celles-ci ne correspondent guère aux conditions de fonctionnement réelles de la plupart des équipements de chantier.
Mais à ce stade, Perkins a décidé de ne pas adopter cette technologie dans le cadre du passage aux normes Tier 4 Interim et Stage IIIB, pour deux raisons :
1) Les inconvénients liés à l'urée : achat, transport, stockage, appoint. Dans certaines régions, il n'est absolument pas certain que l'infrastructure de distribution sera suffisamment développée au moment de l'entrée en vigueur de la nouvelle norme antipollution, en 2011.
2) La complexité : le système nécessite, pour fonctionner, un grand nombre de composants qui ne sont pas situés sur le moteur. L'urée gèle à partir de -9 °C environ. Les conduites et réservoirs doivent donc être assortis de dispositifs de chauffage spécifiques.
Il n'en demeure pas moins que cette technologie est un moyen efficace de réduire les NOx et il n'est pas exclu que Perkins l'envisage comme une option possible à l'horizon de la norme Tier 4 Final ou au-delà. Quoi qu'il en soit, il est peu probable qu'elle suffise à elle seule à atteindre le niveau de traitement des NOx nécessaire.
Il est important de noter que ce système ne sert qu'à réduire les émissions de NOx et qu'un post-traitement supplémentaire reste indispensable pour traiter les particules.
Filtre à particules
Quel que soit le constructeur du moteur, il sera nécessaire de procéder à un post-traitement des gaz d'échappement afin d'assurer la conformité aux niveaux de particules dictés par les normes Tier 4 Interim et Stage IIIB. Perkins a opté pour un filtre à particules (FAP) en cordiérite. Cette céramique poreuse se montre très efficace pour éliminer au moins 90 % des particules et souvent bien plus. Les gaz d'échappement circulent à travers les parois poreuses en céramique, où ils déposent les particules pour ressortir propres
Catalyseur d'oxydation diesel
Le filtre à particules n'est pas en mesure, à lui seul, d'éliminer tous les gaz concernés par la norme. Il faut également traiter les hydrocarbures, le monoxyde de carbone ainsi que la « fraction organique soluble ». Le FAP est donc associé à un autre dispositif, appelé catalyseur d'oxydation diesel (COD). Le COD met en œuvre le même matériau, en l'occurrence la cordiérite, mais utilise le principe du flux transversal. Les gaz traversent directement le dispositif sans passer par les parois. Le FAP et le COD sont associés au sein d'une même cartouche à l'intérieur de la machine.
Comme le filtre à particules retient les particules des gaz d'échappement, de la suie tend à s'accumuler à l'intérieur du filtre. Il faut donc nettoyer ce dernier en faisant appel à
un procédé dit de « régénération ». Le rythme auquel le filtre se remplit est fonction de la propreté du moteur et il est incontestablement souhaitable de maintenir les particules émises par le moteur au plus bas niveau possible. Le cycle de fonctionnement de la machine a également une incidence sur le rythme d'accumulation des suies.
Régénération du filtre à particules
On distingue fondamentalement deux types de régénération permettant d'éliminer la suie des filtres, à savoir un procédé continu appelé régénération à basse température et un procédé ponctuel baptisé régénération à haute température. Dans le cas de la régénération à basse température, un catalyseur en métal précieux contribue à produire du NO2 dans les gaz d'échappement, lesquels oxydent le carbone à des températures de l'ordre de 250 oC voire plus.
La limite de cette technologie réside dans le fait que le procédé nécessite des NOx pour fonctionner, généralement à raison d'un rapport NOx/particule de 25/1 au minimum, le rapport optimal étant de 40/1. Mais même si le niveau de particules produites par le moteur est très bas, cela n'est véritablement viable que dans les moteurs dont la puissance est inférieure ou égale à 130 kW, puisque le seuil de NOx autorisé par le législateur est un peu moins strict.
Ce procédé se déroule en continu. Le cycle de charge est normalement transparent pour le conducteur et ne nécessite aucune intervention particulière.
Suite à d'intenses recherches menées sur le terrain pour mesurer les cycles de fonctionnement d'un grand nombre de machines de chantier différentes, Perkins en est arrivé à la conclusion que la majorité des machines fonctionnent suffisamment longtemps pour que la température d'échappement monte à plus de 250 oC et que cette méthode de régénération se montre efficace. Mais pour certaines applications, notamment à très basse température ou avec des durées de fonctionnement très courtes, il faudra augmenter artificiellement la température d'échappement. Un simple dispositif mécanique sera monté sur les moteurs Perkins concernés, afin de faciliter la régénération dans ces cas de figure spécifiques.
La régénération à haute température est un procédé ponctuel, qui permet de consumer les suies accumulées au bout de quelques heures de fonctionnement. Il existe de nombreuses
méthodes et Perkins a décidé d'opter, pour ses moteurs de plus de 130 kW, pour un brûleur situé dans le flux d'échappement, qui porte les gaz à une température supérieure à 600 °C, afin d'oxyder directement la suie de façon contrôlée.
Ce système est robuste et se commande aisément comparé à d'autres systèmes concurrents, puisqu'il est possible de lancer et d'arrêter la régénération à tout moment. Ce procédé présente un rendement particulièrement élevé à bas régime. Là encore, les cycles relevés sur les machines révèlent nombre d'opportunités de déclencher ce phénomène sans intervention du conducteur, sur quasiment tous les types de machines.
Vidange des cendres
Bien que la quasi-totalité des particules présentes dans le filtre s'oxyde complètement lors du processus de régénération, de très petites quantités de minéraux (phosphate, par exemple) contenues dans l'huile de lubrification du moteur
ne brûlent pas. Ceci provoque l'accumulation de cendres dans les canaux du filtre à particules au bout d'un nombre certain d'heures de fonctionnement. Ces cendres finissent par réduire le volume du filtre et augmenter la contre-pression, au détriment des économies de carburant et des performances.
Il est impossible de régénérer les cendres. Il faut donc les retirer à l'aide d'une machine spéciale. En Amérique du Nord, l'Agence de protection de l'environnement (EPA) stipule que la première vidange de cendres ne doit pas avoir lieu avant 3,000 heures-service pour les moteurs de moins de 130 KW et 4500 heures-service pour les moteurs de plus de 130 kW.
En Europe, bien qu'il n'y ait pas de prescription du législateur, Perkins pense que la vidange des cendres sera perçue comme un désagrément par les propriétaires de machines et qu'elle devra être évitée dans la mesure du possible. En augmentant sensiblement la taille du filtre côté faible puissance, Perkins est parvenu à éliminer toute nécessité de vidange des cendres sur une partie de sa gamme de moteurs.
Soufre
Le soufre contenu dans le carburant est un problème non seulement pour Perkins, mais aussi pour le secteur dans son ensemble. Le soufre réagit avec les catalyseurs en métal précieux et les empêche de fonctionner correctement. Les législateurs en sont conscients et de nouvelles normes de carburant « diesel à très basse teneur en soufre » sont en passe d'entrer en vigueur pour le carburant de chantier. La teneur en soufre ne devra généralement pas être supérieure à quinze parties par million, soit un niveau similaire à celui des carburants actuels pour les véhicules routiers.
Mais ce changement de carburant n'est pas sans poser quelques problèmes. Par exemple, comment s'assurer que les réservoirs de stockage seront totalement vides avant l'ajout de diesel à très basse teneur en soufre ?
C'est la raison pour laquelle Perkins tient impérativement à mettre au point des technologies qui puissent résister aux éventuelles erreurs de ravitaillement.
Fin
Perkins Engines est le premier fournisseur mondial de moteurs à gaz et diesel pour machines de chantier, dans la catégorie 4 – 2000 kW (5 – 2700 ch). Le principal atout de Perkins est sa grande aptitude à adapter ses moteurs aux besoins précis des clients, ce qui explique la confiance accordée à la marque par plus de 1000 grands constructeurs dans les secteurs de l'industrie, de la construction, de l'agriculture, de la manutention et de la production d'électricité.
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