Des moteurs diesels non polluants ?
Publié le 10 mai 2015 par
Par Anthony Roy & Maxim Bouclin (2015)
Des moteurs diesels non polluants ?
Depuis l’invention du moteur diesel (nommé à l’origine moteur à l’huile) par Rudolf Diesel au tout début du 20e siècle, cette machine a su faire preuve, à de nombreuses reprises, de son excellent rendement au niveau du couple se développant à un très bas régime. Le couple (mesuré en livre/pieds ou Newton/mètre) sert à déplacer la charge alors que la force (mesuré en chevaux vapeurs ou HP) détermine la vitesse à laquelle la charge sera déplacée. Un moteur diesel peut donc déplacer de lourdes charges à bas régime avec beaucoup moins de chevaux vapeurs.
La différence de base
La différence primaire entre un moteur diesel et un moteur à essence traditionnel réside dans la façon d’allumer le mélange combustible et air. Dans un moteur à essence, ce mélange se fait avant d’entrer dans la chambre de combustion (Cylindre) et une bougie d’allumage produit une étincelle au moment opportun pour créer la combustion rapide (souvent appelée explosion). C’est cette force de combustion qui pousse sur le piston vers le bas et est transmise en force de rotation jusqu’aux roues du véhicule. Le moteur diesel, de son côté, réchauffe l’air utilisé pour la combustion en le comprimant dans le cylindre à un point tel que, lorsque le carburant diesel y est injecté, la chaleur y est si élevée que la combustion se produit instantanément.
Les performances de ces machines ont été nettement accrues grâce à une suralimentation lors de l’ajout d’un turbocompresseur. Cette suralimentation fait appel à un compresseur pour augmenter la quantité d’air introduite dans le moteur, ce qui mène à un taux d’oxygène plus élevé lors de l’explosion dans les cylindres. Ce principe permet d’améliorer la puissance du moteur sans augmenter sa cylindrée, ni son régime. Cependant, l’émission de CO2 est accrue.
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Le côté obscur
Depuis le début de son histoire, le moteur diesel est reconnu, entre autres, pour sa fumée. La combustion du carburant diesel génère de la suie qui se fait lancer dans l’atmosphère sous forme de fumée noire composée de matières particulaires nuisant à la santé de la population en causant des troubles respiratoires comme de l’asthme, le cancer des poumons etc. La chaleur générée par la flamme de la combustion dans le cylindre crée entre autres polluants l’oxyde d’azote, gaz polluant en partie responsable de l’amplification de l’effet de serre, qui est l’une des causes majeures du réchauffement planétaire. Il est également en partie responsable des pluies acides qui produisent l’acidification des sols, causant des pertes de récoltes, de l’acidification de certaines sources d’eau douce de surface et l’acidification des océans, affectant directement le krill qui est à la base de la chaîne alimentaire mondiale. À cause de ces défauts, des améliorations ont été requises durant sa grande épopée.
Le début du perfectionnement
Au début des années 80, des efforts considérables ont dû être entrepris par les manufacturiers de moteurs diesels pour les rendre moins polluants et plus efficaces. Les systèmes d’injection, alors contrôlés mécaniquement, se sont vus améliorés. Ensuite, on a assisté à l’introduction de refroidisseurs d’air pour améliorer la combustion et finalement à la venue des moteurs à contrôle d’injection électronique.
Les normes d’émissions ne sont pas les mêmes pour tous les types de moteurs, c’est-à-dire que, selon le marché ou l’application (Ex: la machinerie lourde, les bateaux, etc), les normes sont plus ou moins sévères. Le marché où celles-ci sont les plus strictes est le domaine routier (Ex: camions, autobus, etc) à cause du nombre astronomique de véhicules de ce type en circulation.
L’étau se resserre
À la fin des années 90, les normes se resserrant de plus en plus, elles ont contraint les manufacturiers à revoir les composantes des moteurs et à effectuer des changements majeurs au niveau de la combustion du diesel dans les cylindres pour réduire davantage les émissions de polluants. Ces changements rendaient les moteurs moins efficaces en ce qui a trait à la puissance ainsi qu’à la combustion du carburant. De nouvelles plates-formes de moteurs ont vu le jour, mieux adaptées aux changements requis. Par exemple, l’injection sous plus haute pression, turbocompresseur avec système de décharge ou plus communément appelé « WasteGate » (soupape permettant de dévier une portion des gaz d’échappement servant à faire tourner le turbocompresseur pour en limiter sa vitesse et ainsi le protéger), un ordinateur (ECM) plus puissant, le calage de l’injection ou « Timing » (moment précis où la phase de l’injection du carburant sera débuté dans le cylindre pour créer la combustion) etc.
Les moteurs demeuraient, malgré tout, encore trop polluants malgré les précédentes modifications. L’étau se resserrant de plus en plus, de nouvelles normes d’émissions futrent alors établies pour les fabricants, celles-ci devant être mises en vigueur dès le 1er janvier 2004. En Amérique du Nord, les manufacturiers majeurs ont dû s’y conformer au 1er octobre 2002. Les modifications correspondant aux nouvelles normes se résument à l’intégration de la recirculation des gaz d’échappements refroidis (Cooled EGR), des ordinateurs encore plus puissants et plusieurs composantes électroniques ainsi que mécaniques pour mieux contrôler la combustion et donc réduire les émissions.
Au 1er janvier 2007, de nouvelles normes exigeant l’élimination des matières particulaires et de l’oxyde d’azote ont forcé l’intégration de convertisseurs catalytiques ou « DOC » (forme de filtre dont les parois contiennent un plaquage de différents matériaux qui, lorsqu’en contact avec les résidus de combustion, déclenchent une réaction chimique pour transformer ces gaz en gaz moins nocifs) et filtres à particules ou « DPF » (filtre en céramique poreuse emprisonnant les particules de suie, plus grosses que les autres particules), de turbocompresseurs à géométrie variable (mécanisme interne dans le turbocompresseur permettant de contrôler la vitesse de rotation de celui-ci en faisant varier la pression des gaz d’échappement ainsi que l’emplacement du jet d’échappement sur la turbine) et des ordinateurs encore une fois plus puissants pour réduire de plus de 10 fois les émissions des moteurs.
Presque zéro émission et plus propre que l’air de certaines villes
Le 1er janvier 2010, les normes voulant réduire d’encore 10 fois les émissions d’oxyde d’azote, un deuxième catalyseur appelé SCR (réduction catalytique sélective) et du fluide d’échappement diesel (DEF ou urée) furent intégrés en plus de turbocompresseurs à géométrie variable contrôlés électroniquement. Donc à partir de 2010, les moteurs diesels ont atteint un point de presque zéro émission de polluants jugés nocifs pour la santé.
En comparaison, l’échappement d’un moteur rencontrant les normes d’émissions de 2010 est plus propre que l’air que l’on respire dans certaines villes, ne contenant que du CO2 et de la vapeur d’eau ainsi que quelques gaz non nuisibles. Étant donné que ces moteurs ne produisent à peu près plus de gaz nocifs pour la santé, le seul problème restant est le rejet de CO2, qui est un gaz à effet de serre. La réduction de la consommation de carburant devient donc le prochain front, non seulement pour les manufacturiers, mais aussi pour l’équipement qui sera soumis à plus rude épreuve.
La première étape étant le 1er janvier 2014 où les forces parasitiques (par exemple les ventilateurs de refroidissement, les pompes, les compresseurs, les soupapes, le raffinement de l’injection et un meilleur contrôle de la proportion de DEF (Urée) par volume de carburant), l’aérodynamisme des véhicules et la friction des pneus sur le pavé viennent aussi en ligne de compte pour atteindre les objectifs visés.
Les objectifs de demain
La prochaine étape, toujours au niveau de l’émission de CO2, est fixée pour le 1er janvier 2017, où le design des camions risque de drastiquement changer, ayant comme but ultime de réduire la quantité de chevaux vapeurs nécessaire pour effectuer un même travail. Par exemple, un camion exerçant le moins de friction possible sur la route, comportant un ventilateur de refroidissement, une pompe de cerveau direction et un compresseur à air électriques plutôt que mécaniques, en plus d’un moteur et des composantes (Ex: transmission) moins résistants à la rotation ainsi que des grades d’huile moins visqueux feront qu’un moteur du futur moins puissant pourra effectuer le même travail qu’un moteur actuel de plus grande puissance, et tout cela, en consommant moins de carburant, donc en émettant encore moins de CO2 dans l’atmosphère.
Note : depuis le début du nouveau millénaire, les avancées technologiques ont toujours été au désavantage de l’utilisateur en fabricant des moteurs plus complexes, plus lourds, plus dispendieux, consommant plus de carburant et nécessitant des frais d’entretien plus élevés. Mais depuis 2013, le vent tourne et les nouvelles normes seront à l’avantage de l’utilisateur, lui permettant de réduire les frais d’exploitation sans compter les avantages environnementaux. Il faudrait aussi s’attendre à voir des avancées technologiques permettant d’atteindre les mêmes normes, mais de façons plus simples. L’avenir est encore rempli de surprises !
Références :
Alain Roy (Mécanicien moteurs diesel)