Focus: Technique
Imbattable en matière d’émissions, d’efficacité énergétique et d’autonomie
10 février 2020 agvs-upsa.ch – En 2020, les importateurs automobiles sont confrontés à un défi de taille: s’ils ne vendent pas assez de véhicules économes en énergie, à essence, hybrides (rechargeables ou non) ou électriques, ils seront exposés à une lourde taxe sur le CO2. Le diesel conserve toute son importance.
Le passage du cycle NEDC au cycle WLTP engendre une consommation accrue, et donc davantage d’émissions de CO2. Le nouveau cycle présente des composantes de vitesse supérieures. Les valeurs déterminées sur le banc dynamométrique sont vérifiées sur la route avec des appareils de mesure mobiles PEMS. Ainsi, il n’est plus possible d’installer des dispositifs trompeurs. (Photo: Mercedes-Benz)
se. Les émissions maximales autorisées de 95 g de CO2 par km fixées pour le parc de voitures neuves vendues constituent un nouveau jalon. Pour comparaison, les émissions de CO2 s’élevaient en moyenne encore à 138 g/km en Suisse en 2019, ce qui correspond à une consommation d’essence d’environ 6 l/100 km. Le moteur diesel se distingue par sa grande efficacité énergétique, qui permet de consommer moins de carburant, un traitement ultramoderne des gaz d’échappement et un couple élevé. Grâce à l’innovation, il restera demain un système de propulsion central pour les véhicules de tourisme et les utilitaires.
Les moteurs diesel convertissent une plus grande partie de l’énergie chimique du carburant en énergie thermique. Le taux de compression des cylindres est en moyenne plus élevé que dans les moteurs à essence. Depuis l’introduction du catalyseur à trois voies dans le moteur à essence et du catalyseur d’oxydation dans le diesel, les polluants que sont le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures (HC) ne sont plus un problème. Le moteur diesel fonctionnant avec un excès d’air, les deux parts d’émissions sont de toute façon presque égales à zéro et quasiment plus détectables au niveau du pot d’échappement pour les véhicules les plus récents répondant à la norme actuelle Euro 6 TEMP.
Le problème des émissions de particules est lui aussi résolu: tant les moteurs essence à injection directe que les diesels possèdent un filtre à particules. Comme le diesel suralimenté fonctionne avec une pression de compression et de combustion plus élevée et un mélange plus pauvre que le moteur à essence, il émet davantage d’oxydes d’azote (NOX). Mais un système SCR (réduction catalytique sélective) et/ou des pièges à NOX permettent de les réduire fortement. Volkswagen a présenté un nouveau système à double dosage (voir encadré) permettant de réduire les émissions de NOX presque à zéro. Ce système fonctionne avec une double injection d’AdBlue et deux catalyseurs SCR. Une recirculation des gaz d’échappement interne (chevauchement des soupapes) et/ou externe (à l’aide d’une vanne ou d’un refroidisseur EGR) apporte un soutien supplémentaire.
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Une moyenne des émissions de CO2 est ensuite établie en fonction des modèles de véhicules vendus. Ainsi, si l’importateur vend davantage de VEB, il peut conserver des SUV de grande cylindrée dans son assortiment.
Par conséquent, les constructeurs automobiles européens en particulier doivent rattraper leur retard sur les constructeurs asiatiques qui ont parfois plusieurs années d’avance en matière de motorisations. Cela signifie que les investissements et la main-d’œuvre délaissent les moteurs à combustion pour aller vers les moteurs électriques. Le fait que 10 000 emplois aient été supprimés il y a peu en Allemagne, pays de l’automobile par excellence, est une autre conséquence de cela. Certains fabricants d’équipements d’origine européens ont en partie cessé le développement des moteurs à combustion.
L’année en cours montrera si le marché et donc les clients optent majoritairement pour des VEB beaucoup plus chers. Le fait est que les défenseurs des VEB minimisent la problématique de l’autonomie de ces véhicules. Ces derniers permettent difficilement d’effectuer de longues distances, car la recharge de la batterie, même à une borne rapide, dure au minimum une demi-heure. Le diesel bat tous les autres types de propulsion sur ce plan aussi. La densité énergétique du carburant fossile diesel est si élevée qu’on peut facilement effectuer plus de 1200 km avec une voiture de tourisme dotée d’un réservoir de 60 litres. Lequel est rempli en quelques minutes.
Les moteurs électriques sont donc plutôt faits pour les véhicules petits et légers et les courtes distances. Toutefois, du point de vue de l’environnement, il est peu judicieux que l’automobiliste acquière deux véhicules, soit un VEB pour les trajets courts et un gros véhicule à combustion pour les longs, car l’avantage CO2 serait ainsi réduit à néant. Et les émissions de CO2 découlant de la production et du recyclage seraient doublées.
Pour les véhicules utilitaires aussi, le diesel restera longtemps encore le moteur de prédilection. La charge utile du moteur diesel est plus importante que celle de tout autre type de propulsion. Les VEB s’avèrent pertinents uniquement pour le secteur de la distribution, car ils permettent une conduite locale sans émissions. Le gaz de pétrole liquéfié (GPL), le gaz naturel/biogaz (GNC) ou l’hydrogène (H2) constituent quant à eux des solutions intéressantes pour les poids lourds. Si l’on abordait la thématique du CO2 de manière vraiment cohérente, il faudrait étoffer de façon considérable l’offre de carburants synthétiques.
L’hydrogène produit à partir du surplus d’électricité issu de l’électrolyse de l’eau peut être transformé, à l’aide du procédé Fischer-Tropsch (avec le CO2 de l’air), en composés HC et, ainsi, en carburants synthétiques liquides. On pourrait continuer d’utiliser tant l’infrastructure de recharge que la technique automobile, et la mobilité deviendrait neutre en CO2. Hélas, le litre de carburant diesel synthétique coûte à ce jour près de CHF 2.20 hors taxes.
Le passage du cycle NEDC au cycle WLTP engendre une consommation accrue, et donc davantage d’émissions de CO2. Le nouveau cycle présente des composantes de vitesse supérieures. Les valeurs déterminées sur le banc dynamométrique sont vérifiées sur la route avec des appareils de mesure mobiles PEMS. Ainsi, il n’est plus possible d’installer des dispositifs trompeurs. (Photo: Mercedes-Benz)
se. Les émissions maximales autorisées de 95 g de CO2 par km fixées pour le parc de voitures neuves vendues constituent un nouveau jalon. Pour comparaison, les émissions de CO2 s’élevaient en moyenne encore à 138 g/km en Suisse en 2019, ce qui correspond à une consommation d’essence d’environ 6 l/100 km. Le moteur diesel se distingue par sa grande efficacité énergétique, qui permet de consommer moins de carburant, un traitement ultramoderne des gaz d’échappement et un couple élevé. Grâce à l’innovation, il restera demain un système de propulsion central pour les véhicules de tourisme et les utilitaires.
Les moteurs diesel convertissent une plus grande partie de l’énergie chimique du carburant en énergie thermique. Le taux de compression des cylindres est en moyenne plus élevé que dans les moteurs à essence. Depuis l’introduction du catalyseur à trois voies dans le moteur à essence et du catalyseur d’oxydation dans le diesel, les polluants que sont le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures (HC) ne sont plus un problème. Le moteur diesel fonctionnant avec un excès d’air, les deux parts d’émissions sont de toute façon presque égales à zéro et quasiment plus détectables au niveau du pot d’échappement pour les véhicules les plus récents répondant à la norme actuelle Euro 6 TEMP.
Le problème des émissions de particules est lui aussi résolu: tant les moteurs essence à injection directe que les diesels possèdent un filtre à particules. Comme le diesel suralimenté fonctionne avec une pression de compression et de combustion plus élevée et un mélange plus pauvre que le moteur à essence, il émet davantage d’oxydes d’azote (NOX). Mais un système SCR (réduction catalytique sélective) et/ou des pièges à NOX permettent de les réduire fortement. Volkswagen a présenté un nouveau système à double dosage (voir encadré) permettant de réduire les émissions de NOX presque à zéro. Ce système fonctionne avec une double injection d’AdBlue et deux catalyseurs SCR. Une recirculation des gaz d’échappement interne (chevauchement des soupapes) et/ou externe (à l’aide d’une vanne ou d’un refroidisseur EGR) apporte un soutien supplémentaire.
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De par le pouvoir calorifique légèrement plus élevé du carburant diesel, du degré d’efficacité thermique plus important du moteur diesel et de l’alimentation sans étranglement de l’air d’admission, le diesel bat très nettement le moteur à essence pour ce qui est de la consommation. Or moins de consommation, c’est aussi proportionnellement moins d’émissions de dioxyde de carbone (CO2). Mais pourquoi diable les constructeurs automobiles ne misent-ils que sur les onéreux hybrides – rechargeables ou non – et les véhicules électriques à batterie (VEB), qui augmentent encore la masse des véhicules? Pour faire court, ce qui les intéresse avant tout n’est pas le degré d’efficacité ou les solutions techniquement optimales, mais seulement de pouvoir conduire au banc d’essai selon le cycle WLTP une forte proportion de véhicules partiellement ou entièrement électriques (hybrides ou VEB). Il est ainsi possible de réduire de façon drastique la consommation d’énergie fossile (p. ex. 1,7 l/100 km pour un SUV de 2,3 tonnes). L’énergie électrique est évaluée à 0 g/km de CO2, bien que le mix électrique européen soit loin d’émettre peu ou pas du tout de CO2.
Une moyenne des émissions de CO2 est ensuite établie en fonction des modèles de véhicules vendus. Ainsi, si l’importateur vend davantage de VEB, il peut conserver des SUV de grande cylindrée dans son assortiment.
Par conséquent, les constructeurs automobiles européens en particulier doivent rattraper leur retard sur les constructeurs asiatiques qui ont parfois plusieurs années d’avance en matière de motorisations. Cela signifie que les investissements et la main-d’œuvre délaissent les moteurs à combustion pour aller vers les moteurs électriques. Le fait que 10 000 emplois aient été supprimés il y a peu en Allemagne, pays de l’automobile par excellence, est une autre conséquence de cela. Certains fabricants d’équipements d’origine européens ont en partie cessé le développement des moteurs à combustion.
L’année en cours montrera si le marché et donc les clients optent majoritairement pour des VEB beaucoup plus chers. Le fait est que les défenseurs des VEB minimisent la problématique de l’autonomie de ces véhicules. Ces derniers permettent difficilement d’effectuer de longues distances, car la recharge de la batterie, même à une borne rapide, dure au minimum une demi-heure. Le diesel bat tous les autres types de propulsion sur ce plan aussi. La densité énergétique du carburant fossile diesel est si élevée qu’on peut facilement effectuer plus de 1200 km avec une voiture de tourisme dotée d’un réservoir de 60 litres. Lequel est rempli en quelques minutes.
Les moteurs électriques sont donc plutôt faits pour les véhicules petits et légers et les courtes distances. Toutefois, du point de vue de l’environnement, il est peu judicieux que l’automobiliste acquière deux véhicules, soit un VEB pour les trajets courts et un gros véhicule à combustion pour les longs, car l’avantage CO2 serait ainsi réduit à néant. Et les émissions de CO2 découlant de la production et du recyclage seraient doublées.
Pour les véhicules utilitaires aussi, le diesel restera longtemps encore le moteur de prédilection. La charge utile du moteur diesel est plus importante que celle de tout autre type de propulsion. Les VEB s’avèrent pertinents uniquement pour le secteur de la distribution, car ils permettent une conduite locale sans émissions. Le gaz de pétrole liquéfié (GPL), le gaz naturel/biogaz (GNC) ou l’hydrogène (H2) constituent quant à eux des solutions intéressantes pour les poids lourds. Si l’on abordait la thématique du CO2 de manière vraiment cohérente, il faudrait étoffer de façon considérable l’offre de carburants synthétiques.
L’hydrogène produit à partir du surplus d’électricité issu de l’électrolyse de l’eau peut être transformé, à l’aide du procédé Fischer-Tropsch (avec le CO2 de l’air), en composés HC et, ainsi, en carburants synthétiques liquides. On pourrait continuer d’utiliser tant l’infrastructure de recharge que la technique automobile, et la mobilité deviendrait neutre en CO2. Hélas, le litre de carburant diesel synthétique coûte à ce jour près de CHF 2.20 hors taxes.
Comment fonctionne le système SCR à double dosage?
Volkswagen a développé un système à double dosage pour la nouvelle version de la 2.0 TDI. Un revêtement SCR dans le FAP diesel installé près du moteur et un catalyseur SCR situé en aval permettent de convertir plus efficacement les NOX en N2 par une injection séparée de l’AdBlue. VW indique que ce nouveau moteur permet de réduire les émissions de 80 % par rapport à son prédécesseur. Le catalyseur près du moteur commence la conversion dès le départ à froid, car la température requise pour ce faire, qui se situe entre 220 et 350 °C, peut être atteinte rapidement. Le deuxième catalyseur assure la réduction des NOX surtout lorsque le véhicule est très chargé, car il est placé plus loin du moteur et atteint son taux de conversion optimal à charge élevée.
Les moteurs diesel suralimentés par des turbocompresseurs à gaz d’échappement VTG fonctionnent constamment avec un excès d’air. Toutes les émissions brutes sont converties au moyen du filtre ou du catalyseur. Sur la photo: la nouvelle quatre cylindres 2.0 TDI de série du groupe Volkswagen avec 110 kW/150 ch et le système à double dosage pour la Passat et la nouvelle Golf 8.
se. Avec les émissions de particules, les oxydes d’azote étaient considérés comme le talon d’Achille du moteur diesel. Le filtre d’oxydation, placé près du moteur, ajoute de l’oxygène (O2) aux molécules de carburant diesel imbrûlées (composés HC) et au monoxyde de carbone (CO issu d’une combustion incomplète). En brûlant, les composés HC se transforment en CO2 et en eau (H2O) et fournissent, par la postcombustion, de la chaleur au filtre à particules diesel en aval et au catalyseur SCR. Le FAP filtre les particules et assure leur élimination par postcombustion. Par l’ajout d’AdBlue (solution aqueuse d’urée), le catalyseur SCR transforme les NOx en N2 et O2. Jusqu’ici, le moteur diesel ne comprenait qu’un simple module doseur pour l’AdBlue et un catalyseur SCR. Certains constructeurs ont installé un deuxième catalyseur passif SCR pour utiliser dans celui-ci l’ammoniac (NH3) qui apparaît dans le module de dosage par l’injection d’AdBlue et la réaction avec la vapeur et qui n’est pas utilisé pour la conversion dans le premier catalyseur. Ainsi, on s’assure que le pot d’échappement ne rejette pas d’ammoniac.
Les moteurs diesel suralimentés par des turbocompresseurs à gaz d’échappement VTG fonctionnent constamment avec un excès d’air. Toutes les émissions brutes sont converties au moyen du filtre ou du catalyseur. Sur la photo: la nouvelle quatre cylindres 2.0 TDI de série du groupe Volkswagen avec 110 kW/150 ch et le système à double dosage pour la Passat et la nouvelle Golf 8.
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