Bonjour. Je vais vous expliquer aujourd’hui, dans cette séquence, les compromis qui sont amenés à être faits entre dépollution et consommation dans les moteurs diesel automobiles.

Première chose, le plan de ma présentation. Je vais vous faire un petit rappel sur le fonctionnement des moteurs diesel et les polluants principaux qu’ils produisent. Ensuite, je vais vous montrer les moyens de dépollution qui se présentent à nous et cela va nous permettre de vous présenter ensuite la nécessité d’un compromis entre dépollution et consommation. Et finalement, je conclurai.

Premier élément, un petit rappel sur les fonctionnements des moteurs diesel. Le moteur diesel se caractérise par une injection au moment de la combustion. Donc on injecte sous forme de petites gouttes et le problème qui se présente à nous, c’est que ces petites gouttes vont brûler après évaporation pour la majorité. Mais quand on a une combustion avec encore des gouttes, on forme ce qu’on appelle des suies, ce qu’on appelle aussi les particules. C’est un des problèmes des moteurs diesel, c’est que cette injection sous forme de gouttes nous conduit à des particules.

Deuxième problème, c’est que la combustion autour des gouttes conduit à des températures locales très élevées et ces températures locales très élevées conduisent à une dissociation des oxydes d’azote, de l’azote et de l’oxygène, ce qui nous forme le deuxième polluant important chez le moteur diesel qui sont les oxydes d’azote, les NOx. 

Pour dépolluer le moteur diesel, on a différents moyens. On a majoritairement trois moyens. On peut utiliser ce que l’on appelle le système de post-traitement, donc on a ce que l’on appelle le catalyseur d’oxydation. Le catalyseur d’oxydation, il va traiter les hydrocarbures à brûler et le monoxyde de carbone qui se produit en début de cycle, en début de démarrage du moteur. Ensuite, on a le filtre à particules pour la partie des suies, pour piéger toutes les particules qui sont produites, et puis il va falloir les éliminer après. Et puis, pour les oxydes d’azote, on a deux systèmes qui sont en concurrence, suivant la taille du véhicule, soit un système qu’on va appeler le Lean NOx Trap ou le LNT qui va piéger les oxydes d’azote, ou un deuxième système qui est plus adapté pour les gros véhicules, qui s’appelle le SCR ou le Selective Catalytic Converter. Le problème de tous ces systèmes de post-traitement, c’est qu’ils travaillent suivant le principe de la catalyse. Et la catalyse ne fonctionne que si elle a besoin de température et donc ce qui est important de retenir, c’est que dès qu’on veut faire de la catalyse, il va falloir chauffer le système. Et pour chauffer le système, qu’est-ce qu’on fait ? On brûle du carburant. Et donc, en fait, on a un coût énergétique important de ces systèmes de post-traitements pour faire cette catalyse dans les phases de démarrage à froid, dans les phases de régénération et dans les phases qui sont, pour les systèmes de NOx Trap, ce qu’on appelle la DeSox, pour enlever le sulfure du catalyseur. 

Un autre moyen qu’on a, c’est d’essayer de traiter les polluants à la source. On a trois moyens principaux. Le premier moyen, c’est l’injection, c’est de travailler sur les spécifications autour des délais d’injecteurs, pour faire des gouttes les plus petites possibles. Les gouttes petites vont s’évaporer rapidement et vont produire peu de polluants. On va travailler sur les mouvements aérodynamiques dans la chambre de combustion. Après, ce qu’on peut faire aussi, c’est utiliser en fait de la recirculation des gaz d’échappement. Ce que vous voyez, c’est que ces systèmes de recirculation de gaz d’échappement qu’on appelle EGR, en fait, prennent les gaz à l’échappement ici. Ici, vous avez l’admission du moteur, le compresseur, le refroidisseur, le moteur, l’échappement, la turbine, le post-traitement. Donc on prend les gaz à l’échappement et on les fait recirculer vers l’admission. Bien sûr, prendre des gaz qui ont déjà brûlé, cela remplace la quantité d’air. Pour éviter de manquer d’air dans le moteur, on va utiliser le turbocompresseur qui est le troisième élément important de ce moyen de dépollution. Et donc, tous nos moteurs diesel utilisent ce système couplant à la fois injection, système EGR et turbocompresseur.

Néanmoins, dès qu’on utilise cela, on va avoir un compromis à gérer entre dépollution et consommation parce qu’on a deux antagonismes. Les deux antagonismes qu’il faut bien avoir en tête sont la réduction des NOx et le cycle Beau de Rochas et le deuxième antagonisme qu’on va avoir, c’est l’augmentation de l’EGR qui peut conduire à des augmentations de pertes par pompage du moteur. Je vais illustrer cela. Donc NOx et Beau de Rochas, l’antagonisme il est le suivant, c’est qu’on a de l’oxygène, on a de l’hydrogène qui, quand se passe la combustion, deviennent les fameux NOx et donc en fait, c’est la flamme de combustion qui dissocie l’azote et l’oxygène et pour éviter cette dissociation. Ce qu’il faut, c’est baisser les températures de combustion. Donc cela, c’est la chimie. De l’autre côté, on a Beau de Rochas qui, dès 1862, nous disait que sur un cycle idéal, si on veut avoir le meilleur des rendements, ce qu’il faut, c’est avoir une température de fin de combustion la plus élevée possible. Et on retrouve cela dans nos moteurs, c’est que si on veut avoir un moteur qui a un très bon rendement, il faut augmenter les températures de combustion. Donc premier antagonisme qu’il faut savoir gérer.

Deuxième antagonisme qui est lié donc à la boucle EGR, il faut savoir que nos cycles moteurs sont gérés par ce qu’on appelle le cycle de Clapeyron, un autre illustre français. Ce cycle nous décrit la pression dans le cylindre en fonction du volume dans le cylindre. Dans ce cycle, ce qui est bien connu, c’est qu’il y a une partie qui est motrice, qui correspond à la phase de compression -combustion - détente, c’est ce qu’on appelle la PMIHP (Pression Moyenne Indiquée Haute Pression) donc c’est une partie positive, c’est cela qui fait avancer le moteur. Et puis, ici, il y a une partie qui est négative, qui est en fait liée au travail de pompage, ce que l’on appelle la PMI basse pression, Pression Moyenne Indiquée Basse Pression. Et en fait, cela correspond au travail pour pousser les gaz à travers l’échappement et les réadmettre à une pression qui va être la plupart du temps plus faible. Et on voit bien que dans ce cas-là, ce travail est négatif. C’est un travail que vous connaissez tous, c’est le travail de la pompe à vélo. Dans un moteur, vous avez une partie avec la phase de combustion qui est motrice et puis une partie qui est négative, c’est le travail de la pompe à vélo. Et ce qu’il faut faire en sorte, c’est que le travail de la pompe à vélo soit le plus petit possible. Or, le problème qu’on a, c’est quand on veut dépolluer avec de l’EGR, quand on veut augmenter les taux d’EGR, qu’est-ce qu’on va faire ? C’est que pour remplacer, comme on introduit plus de gaz qui ne peuvent pas brûler, il faut augmenter la pression d’admission avec le turbo, et quand on augmente la pression d’admission, à cause du rendement turbo, la pression d’échappement augmente aussi et elle augmente plus vite que la pression d’admission. Et du coup, on augmente le ratio pression moyenne basse pression par rapport aux pressions moyennes hautes pressions. Et du coup, cela conduit à être de nouveau une perte de rendement. Et donc on voit bien qu’il y a un deuxième antagonisme à vaincre dans nos moteurs diesel, c’est cet antagonisme autour de la boucle basse pression.

Tout cela pour conclure. La conclusion que je peux faire de cet exposé, c’est que d’un point de vue physique, il est difficile de réduire à la fois le CO2 et la pollution, de réduire les gaz à effet de serre et la pollution qui nous affecte, et en particulier les NOx, qui nous affectent dans la vie courante. Parce qu’en fait, on a deux antagonismes à gérer. Le premier, c’est qu’on a besoin de forte température pour faire les bons rendements, mais cela provoque de plus en plus de dissociation oxygène/hydrogène, donc produit des NOx. Et deuxième antagonisme que l’on a, c’est l’antagonisme sur l’augmentation des taux d’EGR et le fonctionnement de la suralimentation. Rassurez-vous, tout cela c’est sous contrôle. Les ingénieurs sont à la manœuvre. Et tout cela pour proposer les meilleurs compromis entre le réchauffement de la planète et qualité de l’air dans nos vies.

Merci beaucoup pour votre attention. A bientôt.