Les conceptions des systèmes de post-traitement évoluent pour répondre aux exigences des clients et de réduction des émissions

Les nouvelles réglementations sur les émissions sont de plus en plus strictes. C’est la raison pour laquelle les systèmes de post-traitement font désormais partie intégrante des moteurs. « Au cours des dix dernières années, les systèmes de post-traitement utilisés par notre équipe mondiale d’équipementiers ont gagné en complexité et leur emballage est de plus en plus dense », constate le Dr Korneel De Rudder, responsable du développement pour l’Europe chez Donaldson Co. Inc.

Cette complexité accrue est nécessaire pour répondre aux normes relatives aux émissions qui ne cessent de se renforcer aux États-Unis, en Europe et dans d’autres régions du monde, poursuit-il. « Par conséquent, un plus grand nombre de catalyseurs et de capteurs sont incorporés dans un emballage de taille donnée », explique le Dr Korneel De Rudder. « L’espace sous le capot de nombreux véhicules tout-terrain étant limité, nous devons faire preuve de créativité pour intégrer ces nouveaux composants aux véhicules et leur emballage doit être plus dense ».

Pour faire face à cette situation, le Dr Korneel De Rudder souligne que Donaldson a mis au point des composants et des systèmes permettant de réduire le volume mort des systèmes de post-traitement. « Dans les systèmes de la génération précédente, le volume mort était souvent utilisé pour augmenter le temps de séjour du fluide d’échappement diesel (FED), également connu sous le nom d’AdBlue, ce qui favorisait sa décomposition et son mélange dans les gaz d’échappement », explique-t-il. « Les systèmes modernes disposent de moins d’espace pour le volume mort, ce qui réduit le temps de séjour. Il est donc nécessaire d’améliorer les performances du mélangeur. Chez Donaldson, nous avons mis au point une gamme complète de systèmes de mélangeur FED/AdBlue compacts et avancés, spécialement conçus pour obtenir un mélange efficace dans des espaces réduits ».

Regrouper les fonctions de réduction catalytique sélective (RCS) et de filtre à particules diesel (FPD) dans un seul substrat de réduction catalytique sélective sur filtre (RCSF) devient monnaie courante dans l’industrie. Cette solution permet en effet de relever les défis liés à l’emballage des systèmes, affirme Gary Simons, directeur de l’ingénierie pour l’Amérique du Nord chez Donaldson Co. Inc. « Les substrats de RCSF ont une porosité plus élevée que les systèmes FPD et RCS et sont donc plus fragiles. Leur enveloppement nécessite une gestion minutieuse des forces d’installation et des pressions de maintien du tapis de substrat ».

Étant donné que les ensembles de systèmes de post-traitement sont de plus en plus volumineux et complexes, le Dr Korneel De Rudder constate également qu’ils ont tendance à avoir une plus grande surface. Et cette plus grande surface externe peut être source de problèmes de rejet de chaleur. Il sera donc essentiel d’assurer une bonne isolation et d’améliorer les conceptions déjà mises en œuvre.

Le mélange FED/AdBlue est également un élément important des systèmes de post-traitement, précise le Dr Korneel De Rudder. « On considère généralement que les exigences relatives à l’uniformité de l’ammoniac (NH3) doivent être supérieures à 0,990 pour respecter les normes en matière d’émissions. Ce niveau de performance doit être obtenu avec peu de cristallisation du FED/de l’AdBlue, voire sans aucune cristallisation.

Cette cristallisation est un problème fréquent pour de nombreux systèmes de post-traitement, ajoute-t-il. Bien qu’une certaine cristallisation puisse se produire, limiter son apparition et son impact est l’objectif de tous les fabricants d’équipements. Selon le Dr Korneel De Rudder, les industriels peinent à définir des spécifications permettant de tester la cristallisation de manière cohérente. Cependant, Donaldson a mis au point son propre cycle de test permettant de mesurer la cristallisation afin de pouvoir appliquer des solutions de mélangeur appropriées et ainsi limiter son apparition.  

« Étant donné qu’il est plus probable d’obtenir une cristallisation/des dépôts lors de cycles de service difficiles, chez Donaldson nous recommandons souvent que les mélangeurs soient conçus de manière à permettre un fonctionnement efficace même lors de cycles de service exigeants et ainsi éviter d’utiliser un système non optimisé plus susceptible d’entraîner des dépôts », explique le Dr Korneel De Rudder.

De nouvelles réglementations pour de nouveaux besoins de conception

Bien qu’aucune nouvelle réglementation sur les émissions des véhicules tout-terrain ne soit actuellement en vigueur aux États-Unis ou en Europe, le California Air Resources Board (CARB) a proposé une réglementation de niveau 5. Et comme de nombreux pays cherchent à réduire les émissions de toutes les industries, des réglementations plus strictes pourraient finir par être imposées.

Bien que la proposition de réglementation de niveau 5 de la CARB sur les émissions n’ait pas encore été officiellement acceptée, le Dr Korneel De Rudder et Gary Simons de Donaldson affirment que les changements qui pourraient figurer dans la réglementation finale auront probablement des répercussions sur les conceptions des systèmes de post-traitement. La réglementation devrait comporter des mesures relatives à la réduction des émissions d’oxydes d’azote, de particules en suspension et de dioxyde de carbone, et à l’augmentation de la durée de vie utile/des limites de garantie et des tests de cycles de service plus froids. « La réduction des principaux polluants et du dioxyde de carbone entraînera un changement de stratégie en matière d’émissions », affirment-ils. « Des systèmes de double injection FED/AdBlue, ainsi qu’un couplage renforcé du système de post-traitement avec le moteur sont envisageables ».

De plus, le Dr Korneel De Rudder et Gary Simons affirment que les industriels s’accordent de plus en plus à dire qu’il sera nécessaire d’utiliser des systèmes de recirculation des gaz d’échappement (RGE) pour respecter les nouvelles restrictions en matière d’émissions. « Les moteurs calibrés pour des oxydes d’azote bruts très élevés et de faibles particules en suspension seront donc moins répandus », expliquent-ils. « Cela permettra de réduire la charge des mélangeurs FED/AdBlue, ce qui entraînera d’autres compromis et défis, comme le besoin d’une plus grande régénération des FPD ».

« Les véhicules tout-terrain d’aujourd’hui ont tendance à s’appuyer sur une régénération passive du FPD avec une régénération active hors ligne si nécessaire, alors que de nombreux véhicules routiers peuvent avoir des régénérations actives pendant le fonctionnement normal tout en ayant un impact minimal sur l’utilisateur », ajoutent le Dr Korneel De Rudder et Gary Simons.

Ils précisent ensuite que l’augmentation des particules en suspension brutes résultant de la réintroduction du système RGE nécessitera une régénération active plus fréquente. Les équipementiers devront donc certainement établir des stratégies de régénération similaires à celles utilisées pour les véhicules routiers.      

Il faut poursuivre les développements technologiques

« Au cours des 15 dernières années, les réglementations mondiales en matière d’émissions ont évolué rapidement », indique le Dr Korneel De Rudder. « L’industrie est rapidement passée d’une législation à l’autre. Cette situation a pu entraîner des opérations de sur-ingénierie et il est possible que peu de temps ait été consacré à l’optimisation des coûts et des produits ».

Cependant, les réglementations relatives aux émissions sont désormais moins rapprochées, et l’industrie peut donc optimiser les systèmes de post-traitement et harmoniser les différentes plateformes, se réjouit-il. Les équipementiers ont quant à eux pu concentrer leurs efforts de conception sur l’optimisation des produits et des fonctionnalités plutôt que sur le respect des délais très serrés imposés par la réglementation sur les émissions, ce qui a également profité à l’industrie et continuera probablement à lui être bénéfique.

De plus, de nombreux acteurs de l’industrie considèrent que les normes applicables aux voitures particulières et aux véhicules routiers lourds se chevauchent au niveau de la norme EURO 7/VII. « Si cela se produit, il faudra s’interroger sur la manière dont les nouvelles normes Stage/Tier relatives aux véhicules tout-terrain peuvent être harmonisées avec les normes EURO VII relatives aux véhicules routiers », déclarent le Dr Korneel De Rudder et Gary Simons.

En règle générale, de nouveaux développements technologiques seront nécessaires pour les conceptions des systèmes de post-traitement, que ce soit pour répondre aux exigences des clients ou aux nouvelles réglementations en matière d’émissions.

« Nous nous attendons également à des changements importants sur le marché des produits à faible puissance », conclut le Dr Korneel De Rudder. « Plus précisément, l’électrification jouera un rôle considérable dans le remplacement de certains moteurs diesel et l’hybridation des moteurs et des véhicules permettra de disposer d’une électricité à haute puissance qui pourra être utilisée pendant la phase de réchauffement de l’échappement », ce qui renforcera les performances des systèmes de post-traitement.