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Aug 10, 2023

Comment fonctionnent les systèmes d'émission diesel

Cela fait 56 ans que la Clean Air Act a été adoptée, mais la dernière moitié de

Cela fait 56 ans que la Clean Air Act a été adoptée, mais la dernière moitié de ces années a été la plus occupée pour les moteurs diesel. À partir de 1991, des normes d'émissions fédérales plus strictes ont été introduites pour amener les fabricants de moteurs à réduire les particules en suspension (PM). En 1994, une réduction supplémentaire de 60 % des particules a été rendue obligatoire. Puis, en 1998, des limites plus strictes sur les oxydes d'azote (NOx) ont été imposées, avec des limites maximales fixées pour se resserrer progressivement. La prochaine répression des émissions de NOx a eu lieu en 2004, incitant Ford à lancer son Power Stroke de 6,0 L construit par Navistar avec recirculation des gaz d'échappement (EGR) et GM à ajouter l'EGR au Duramax de 6,6 L.

Depuis le 1er janvier 2007, les limites d'émission de PM ont été abaissées une fois de plus, cette fois à 0,01 g/bhp-h, soit une réduction de 96 % par rapport à la norme de 1991. Dans le même temps, les fabricants devaient respecter un niveau de NOx inférieur de 90 % à la norme qui venait d'entrer en vigueur en 2004, bien qu'elle n'ait pas pris effet immédiatement. Les fabricants ont été autorisés à utiliser la période de 2007 à 2010 comme période de transition pour la nouvelle norme NOx extrêmement stricte. En conséquence, Ford et GM ont tous deux attendu jusqu'en 2010 pour respecter la norme, qui nécessitait l'utilisation de la réduction catalytique sélective (SCR), et que Ford et GM ont fait leurs débuts sur les nouveaux Power Stroke de 6,7 L et LML Duramax (lancés en tant que modèles 2011) .

Pour répondre aux réglementations sans cesse croissantes mentionnées ci-dessus, une pléthore de technologies de lutte contre la pollution a été utilisée. Au début (années 1990), la modification de la conception des pistons, la modification de l'angle de pulvérisation des injecteurs ou le passage à des systèmes d'injection à commande électronique ont permis de réduire de nombreuses émissions, mais pas toutes. En conséquence, des pressions d'injection plus élevées et en particulier des systèmes à rampe commune à haute pression ont été tournés vers afin de répondre aux exigences PM. Puis sont venus les systèmes EGR susmentionnés, qui ont contribué à réduire les niveaux de NOx. D'autres technologies de lutte contre les PM et les NOx, telles que le catalyseur d'oxydation diesel (DOC), le filtre à particules diesel (DPF), la régénération active et passive, la réduction catalytique sélective (SCR) et le fluide d'échappement diesel (DEF) allaient bientôt suivre.

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Le premier polluant sur le radar de l'EPA était la matière particulaire (PM). Dans un moteur diesel, les particules sont le résultat de carburant non brûlé, comme dans le carburant qui n'est pas complètement utilisé pendant le processus de combustion et qui est autorisé à quitter le cylindre à travers les soupapes d'échappement, à traverser le système d'échappement et à sortir du tuyau d'échappement sous la forme de fumée noire. Les systèmes de carburant mécaniques (c'est-à-dire plus anciens) avec des événements d'injection moins précis se produisant dans le cylindre étaient connus pour produire des PM. Les PM elles-mêmes sont une composition complexe de sulfates, de composés cancérigènes, de carbone élémentaire et de métaux lourds.

Les oxydes d'azote (NOx) sont le résultat direct des températures de fonctionnement élevées que les diesels peuvent supporter et sont un ingrédient principal du smog. Ils se forment lorsque l'azote est libéré lors de la combustion et joint à l'oxygène. Divers oxydes d'azote sont produits en présence d'une chaleur extrême dans le cylindre, à savoir le dioxyde d'azote et l'oxyde nitrique, ce qui signifie un équilibre fin entre les NOx (obtenus avec des températures inférieures dans le cylindre) et les PM (obtenus avec une combustion complète/une température élevée dans le cylindre). temps) est primordial si un moteur diesel moderne doit maintenir les deux polluants à des niveaux raisonnables.

Au début des années 2000, les normes PM ont été respectées grâce à l'utilisation de systèmes d'injection à commande électronique et à des pressions d'injection plus élevées dans les cylindres. Cependant, les températures de combustion plus élevées résultant du contrôle des particules vont à l'encontre du contrôle des NOx. Pour refroidir les températures de combustion dans le cylindre et réduire les NOx, la recirculation des gaz d'échappement en boucle haute pression est rapidement devenue la norme. Étant donné que les gaz EGR sont presque complètement appauvris en oxygène, le moteur se voit refuser les atomes d'oxygène nécessaires pour faciliter le développement de NOx.

L'organe chargé de contrôler le débit des gaz d'échappement destinés à réintégrer le flux d'admission est la vanne EGR. Il existe deux types de vannes EGR, côté froid et côté chaud, et le type d'activation varie de pneumatique à hydraulique à électrique (ce dernier étant le plus courant aujourd'hui). Les vannes EGR côté froid dirigent les gaz d'échappement dans l'admission après qu'ils ont quitté le ou les refroidisseurs EGR. Une vanne EGR côté chaud exécute ses fonctions de débit avant le ou les refroidisseurs EGR. On pense que l'utilisation d'une vanne EGR côté chaud aide à réduire le type d'accumulation de suie et de saleté qui conduit à une défaillance de la vanne (c'est-à-dire un collage).

Avec des températures des gaz d'échappement dépassant 1 200 degrés F dans la plupart des applications de moteur, la partie des gaz d'échappement renvoyée vers le conduit d'admission doit être refroidie. Le travail de chute de ces températures est géré par le refroidisseur EGR. Échangeur de chaleur air-liquide, le refroidisseur EGR utilise le liquide de refroidissement du moteur en circulation pour abaisser la température des gaz d'échappement qui le traversent. Sur des moteurs tels que le 6.4L Power Stroke et le 6.7L Power Stroke, il y a deux refroidisseurs EGR au travail.

Lorsque le gouvernement fédéral a resserré l'étau autour des émissions de PM en 2007, même les efforts maximisés d'injection à rampe commune à haute pression n'étaient pas assez efficaces pour répondre à la nouvelle norme. Cela a conduit aux systèmes modernes de post-traitement des gaz d'échappement que nous connaissons aujourd'hui. Au cœur du système de post-traitement se trouve le catalyseur à écoulement mural connu sous le nom de filtre à particules diesel (DPF). Sa fonction principale est d'empêcher les PM de sortir du tuyau d'échappement en les stockant. La suie collectée par le DPF déclenche périodiquement un cycle de régénération (plus de détails ci-dessous), qui implique la combinaison de carburant diesel et de gaz d'échappement dans le catalyseur d'oxydation diesel (DOC) transformant la suie en une cendre fine. Bien que les DPF se soient avérés très efficaces, ils nécessitent un nettoyage occasionnel et un éventuel remplacement.

Dans les systèmes modernes de post-traitement des gaz d'échappement diesel, le travail du DOC consiste à fournir la chaleur extrême nécessaire pour convertir l'accumulation de suie en cendres fines qui restent piégées dans le DPF. En oxydant le carburant diesel qui lui est fourni par le moteur, le DOC fournit les moyens d'augmenter la température du DPF, ce qui incinère efficacement l'accumulation de suie dans le DPF, décomposant la suie en particules plus fines et non combustibles (c'est-à-dire les cendres) qui restent.

À un niveau prédéterminé d'accumulation de suie (généralement déclenché par une différence de pression à travers le DPF), le processus de régénération du DPF est lancé pour convertir la suie en cendres. Au cours de ce cycle de régénération active, du carburant est introduit dans le DOC. Le carburant diesel provient d'un excès de carburant injecté sur la course d'échappement du moteur (exemple : '08-'10 6.4L Power Stroke) ou via un neuvième injecteur de carburant en aval (exemple illustré ci-dessus : '11-'16 LML Duramax). Pendant la régénération, la combinaison du carburant introduit dans le DOC et du calage d'injection retardé dans le cylindre fait monter la température des gaz d'échappement au-dessus de 1 000 degrés F.

Allant au-delà de ce dont les systèmes EGR sont capables, la SCR est devenue la technologie la plus efficace pour obtenir des niveaux de NOx suffisamment bas pour répondre à la norme actuelle et stricte. Le problème de NOx qui ne peut pas être résolu dans le cylindre est traité dans le système de post-traitement des gaz d'échappement en injectant un fluide d'échappement diesel (DEF) à base d'urée en amont d'un catalyseur SCR. Au cours de ce processus, les NOx nocifs sont chimiquement convertis en azote inoffensif.

Bien qu'il doive être soigneusement mélangé, la composition chimique du DEF est assez simple : 32,5 % d'urée de haute pureté et 67,5 % d'eau déminéralisée. L'urée elle-même est un composé azoté qui se transforme en ammoniac lorsqu'il est exposé à la chaleur. L'ammoniac, avec le catalyseur SCR, est primordial dans la conversion des NOx en azote. L'avantage du SCR est qu'un processus de combustion plus efficace peut être utilisé dans le cylindre sans que les NOx produits en conséquence ne posent un problème ou ne surchargent le système EGR. L'inconvénient du SCR est la complexité supplémentaire du système de post-traitement des gaz d'échappement diesel et le fait que le DEF gèle avant le carburant diesel. Ce dernier est la raison de tous les systèmes SCR équipés de réchauffeurs DEF, ainsi que de la composition chimique du DEF d'exactement 32,5% d'urée (un rapport qui fournit le point de congélation le plus bas possible de 12 degrés F).

Croyez-le ou non, les VGT sont un élément nécessaire pour réduire les émissions de PM et de NOx. En agissant comme un turbo plus petit et plus restrictif à bas régime, sa réponse transitoire est inégalée par tout autre type de turbo. Cette réactivité signifie que le moteur est maintenu dans la viande de sa plage de puissance, où le carburant est brûlé plus efficacement et les cas d'être "sous le chargeur" ​​(où une bouffée de fumée quitte le tuyau d'échappement) sont éliminés. En ce qui concerne le système EGR, le VGT assure qu'une pression positive existe entre le ou les collecteurs d'échappement et d'admission afin qu'un débit EGR suffisant soit disponible lorsque cela est nécessaire.

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