Les enjeux de la dépollution Diesel : la DeNOx. Pierre Macaudière, Maître-Expert Systèmes de dépollution et carburants

Transcription

1 Les enjeux de la dépollution Diesel : la DeNOx Pierre Macaudière, Maître-Expert Systèmes de dépollution et carburants Avril 2014

2 Quelques points clefs sur le moteur Diesel 2 Le moteur Diesel consomme 25% de carburant de moins qu un moteur essence à iso performance, ce qui correspond à un gain de 15% de CO 2 (lien direct entre consommation et CO 2 ) : il reste un levier technologique majeur pour l atteinte des niveaux de CO 2 de 2020, à savoir 95 g par km en moyenne pondérée de la flotte vendue (CAFE). Malgré les attaques récentes, le moteur Diesel d aujourd hui est dépollué en particules sur toute la plage granulométrique (dont UF) grâce au Filtre à Particules (FAP) introduit par PSA dès 2000 progresse continûment en termes d émissions de polluants gazeux, notamment les oxydes d azote (NOx), grâce aux systèmes DeNOx

3 Difficulté pour relier les valeurs limites d émission des normes automobile à la qualité de l air 3 Les émissions automobiles sont réglementées depuis fin 1992 (normes Eurox). Sur un cycle normalisé d homologation (NEDC) et dans des conditions de mesure très précises (masse du véhicule, coastdown, température ) Reproche des autorités et des environnementalistes : ces conditions ne sont pas représentatives des usages réels du véhicule Les émissions d un véhicule sont exprimées en mg/km alors que la qualité de l air donne des valeurs en mg/m 3 La qualité de l air en un point donné dépend De multiples sources : automobile, chauffage, pollens, abrasions Des émissions venant de l extérieur de la zone appelées «imports» : agriculture, industries, phénomènes naturels (sel, sables, volcans) Des réactions chimiques entre polluants Des conditions climatiques (vents, pluie, anticyclone, soleil )!

4 4 Les deux polluants associés aux motorisations Diesel Les enjeux de la dépollution des NOx Les challenges des prochaines années Conclusion

5 5 Les deux polluants associés aux motorisations Diesel Les enjeux de la dépollution des NOx Les challenges des prochaines années Conclusion

6 Sources d émissions des deux polluants associés au Diesel : particules fines (PM 2,5 ) et oxydes d azote (NOx) Particules 14% des particules fines (PM 2,5 ) sont issues du transport routier, loin derrière les secteurs du résidentiel/tertiaire (41%) et de l industrie manufacturière (31%) en % des PM 2,5 issues du trafic routier en Ile-de- France (et plus de 45% à Paris) Source CITEPA, Inventaire des émissions de polluants atmosphériques et de gaz à effet de serre en France, séries sectorielles et analyses étendues, Format Secten, Avril et Juillet

7 En 20 ans, baisse de 50% des émissions de particules fines automobiles malgré une hausse de 40% du parc 7 Emissions atmosphériques par secteur en France métropolitaine en kt (Rapport SECTEN, CITEPA, Avril 2011)

8 Les gaz d échappement en sortie du FAP contiennent moins de particules que l air ambiant en zone urbaine! Le FAP, un système très efficace quelles que soient les conditions de fonctionnement moteur sur toutes les tailles en masse et en nombre Un Diesel équipé d un FAP émet moins de particules que le meilleur moteur essence! 8

9 9 Les futurs contraintes liées aux particules Les particules primaires autres que celles produites par la combustion Les particules issues du moteurs éliminées à 99,9% en nombre et 99% en masse par le FAP les mécanismes d abrasion (freins, pneus, revêtement routier ) les phénomènes de corrosion Les particules secondaires, formées par réactions chimiques et condensation/coagulation dans l atmosphère (NH 4 NO 3, COV et COVS)

10 Sources d émissions des deux polluants associés au Diesel : particules fines (PM 2,5 ) et oxydes d azote (NOx) Particules 14% des particules fines (PM 2,5 ) sont issues du transport routier, loin derrière les secteurs du résidentiel/tertiaire (41%) et de l industrie manufacturière (31%) en % des PM 2,5 issues du trafic routier en Ile-de- France et plus de 45% à Paris Oxydes d azote, NOx 55% des émissions de NOx sont issues du transport routier en 2010 Dont poids lourds Diesel : 23% du total des NOx émis Dont véhicules particuliers Diesel : 17% du total des NOx émis Source CITEPA, Inventaire des émissions de polluants atmosphériques et de gaz à effet de serre en France, séries sectorielles et analyses étendues, Format Secten, Avril et Juillet

11 En 20 ans, baisse de 50% des émissions des NOx issues du transport routier malgré une hausse de 40% du parc 11

12 12 Les deux polluants associés aux motorisations Diesel Les enjeux de la dépollution des NOx Les challenges des prochaines années Conclusion

13 13 Comment réduire de 56% les NOx (80 mg/km pour Euro6) tout en minimisant les impacts sur la consommation? Continuer à réduire les NOx «à la source» Utiliser un système séquentiel d élimination des NOx (le piège à NOx) Utiliser un système continu d élimination des NOx, la SCR (selective catalytic reduction)

14 Optimisation «globale» Euro6 : atteindre les NOx Euro6 tout en maintenant l avantage CO 2 vs l essence 14 CO 2 (g/km) Elimination des NOx «à la source» Approche Euro5 (combustion, pression d injection, EGR ), qui ne permet pas d optimiser la consommation Echangeur EGR à efficacité améliorée Systèmes de combustion et injection optimisés Suralimentation augmentée aux charges partielles Système de dépollution DeNOx NOx (g/km) DOC Norme Euro6 SCR FAP Norme Euro5 Optimisation «globale» Euro6, qui permet une réduction de consommation mais exige un système de dépollution efficace

15 Le piège à NOx (NOx-Trap) : pas assez efficace, il entraine une double surconsommation (calibration, mode riche) 15 Fonctionnement en pauvre : stockage des NOx sous forme de NO 2 Régénération du NOx-Trap : passage en mode riche (faible taux d O 2, présence de réducteurs CO et HC) et réduction du NO 2 comme sur un TWC en N 2 Fonctionnement classique en pauvre (~ quelques minutes) Stockage des NO x Fonctionnement riche (~ quelques secondes) Déstockage et conversion des NO x Réducteur CO, HC, H 2 N 2 NO 3 NO + O 2 NO 2 Pt Stockage Ba Mode normal (pauvre) Rh Mode riche (purge) Pt NO 3 Déstockage Ba NOx Rh Formation NO 2 NO + 1/2 O 2 NO 2 Stockage 2NO 2 + "Ba" "Ba(NO 3 ) 2 " Déstockage Ba(NO 3 ) 2 NO x + "Ba" Réduction NO x + "réd" N 2

16 Une fenêtre d activité du Piège à NOx limitée 16 Faible efficacité à basse T C : stockage limité par la faible conversion NO NO 2 Efficacité moyenne mais nécessitant une limitation des NOx à la source Faible efficacité à haute T C : stockage thermodynamiquement limité (T C catalyseur et NO majoritaire)

17 La SCR (Selective Catalytic Reduction), système le plus performant, permet de réduire jusqu à 4% la consommation Transformation de l Adblue (urée) en ammoniac (NH 3 ) dans la ligne d échappement (NH 2 ) 2 CO + H 2 O 2NH 3 + CO 2 Urée Réaction de l ammoniac (NH 3 ) sur les NOx pour donner de l eau et de l azote 2NH 3 + NO + NO 2 3H 2 O + 2N 2 Capteurs température Ammoniac Eau Azote DOC Capteur deltap SCR Capteur NOx FAP ΔP Réservoir d AdBlue (Urée) Injecteur d urée 17

18 L innovation Blue HDi : une architecture unique pour permettre à la SCR de traiter jusqu à 90% des NOx Faible efficacité Forte efficacité Forte efficacité Efficacité de conversion des NOx (%) NOx cenversion, % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% La position de la SCR en amont du FAP permet au catalyseur SCR d être efficace plus rapidement car il monte plus vite en température % du temps passé Température inférieure à 180 C Température supérieure à 180 C SCR Aval FAP Choix PSA Peugeot Citroën SCR Amont FAP Urea Température des Temperature, gaz d échappement C ( C) DOC DPF SCR DOC SCR DPF Urea 18

19 19 Les deux polluants associés aux motorisations Diesel Les enjeux de la dépollution des NOx Les challenges des prochaines années Conclusion

20 Les challenges de la dépollution des moteurs Diesel pour les années à venir 20 La réduction des couts liés à la dépollution Au fil des normes successives, le surcout lié aux systèmes de dépollution devient de moins en moins supportable pour les «petits» véhicules Diesel Les véhicules urbains du segment B (208, C1) ne sont plus proposés en motorisations Diesel (plus de 4 ans!) Le respect de normes de plus en plus strictes (Euro6.c dès 2017) L amélioration de l efficacité DeNOx notamment à basse vitesse L utilisation des technologies modernes (dont électrification) pour réduire les émissions

21 L évolution de ligne de dépollution Diesel Euro6 pour le moteur DV (1,5l) Capteurs température T4 & T5 DOC Capteur deltap Capteur NOx ΔP SCR A-DPF Réservoir d AdBlue Injecteur AdBlue Optimisation de l architecture pour Eur6.c (2017) SCR sur le FAP un pain de moins! Injecteur urée compact (Blue Box) Possibilité de supprimer l additif de régénération du FAP 21

22 La norme va se durcir en Septembre 2017 (Euro6.c) Objectif : réduire l écart entre émissions homologuées et émissions en conditions réelles Introduction probable d un cycle d homologation plus dynamique et de procédures plus exigeantes (masse, coastdown ) WLTP 22

23 23 Evolutions du cycle d homologation : NEDC vs WLTC NEDC NEDC WLTC v5 4 UDC + EUDC L+M+H+ExH Durée (s) Distance parcourue (km) 11,0 23,3 Vitesse moyenne (km/h) 33,6 46,5 WLTC5 Le nouveau cycle

24 La norme va se durcir en Septembre 2017 (Euro6.c) Objectif : réduire le gap entre émissions homologuées et émissions en conditions réelles Introduction probable d un cycle d homologation plus dynamique (WLTC) et de procédures plus difficiles (masse, coast down ) WLTP Introduction de mesures de polluants en usage réel normal appelé RDE pour Real Driving Emissions test Les polluants visés : CO, NOx, PN (?) By courtesy of AVL Not to exceed : les émissions devront respecter x fois les seuils de la norme (x, Conformity factor à définir) 24

25 Nécessité de dépolluer le moteur dans des zones de forte charge, fortement émettrices de polluants 25 Charge Zone Pleine Charge : calibrée sans EGR sous contraintes de tenue composants Zone RDE Zone WLTC Zone MVEG Régime

26 : une technologie déjà adaptée aux futures évolutions de la norme (Euro6.c en 2017) La ligne Blue HDi répond déjà aux contraintes Euro6.c (RDE, WLTP) mais un compromis devra être trouvé entre : une calibration bas CO 2 qui induira une forte augmentation de la consommation d AdBlue (jusqu à 2,5 l/1000 km contre 0,7l/km actuellement) une calibration bas NOx, qui induira une forte augmentation de la consommation de carburant (> 5%...) CO 2 (g/km) Reduction of raw NOx emissions DeNOx aftertreatment system Euro6 Norm Euro5 Norm NOx (g/km) Quel que soit le choix, forte augmentation de la consommation d urée (AdBlue ) anticipée Hypothèse basse Hypothèse haute La balance devra être ajustée au meilleur bénéfice client fonction : Ventes annuelles de Diesel (VP/VUL) Europe o Du prix de vente de l AdBlue (prix cible proche : 0,4 /l comme pour les PL) Taux de pénétration de la SCR 70% 90% o De la facilité d accès à l Adblue, dont réseau de pompes de distribution Consommation d AdBlue (l/1000 km) 1,35 2,5 Gain CO 2 Limited High Remplissage par le client < 60% > 75% 26

27 La mise en place d un réseau dense de pompe de distribution d AdBlue est une nécessité Maintenance par les OEM Remplissage via des bidons ou des dollies pendant la maintenance huile Réseau de pompes de distribution Remplissage partiel via des bouteilles, si nécessaire By courtesy of Shell Remplissage par l usager 27

28 Nécessité d améliorer l efficacité à basse vitesse ou basse température couplage LNT/SCR? 28 Résultats MVEG du Grand C4 Picasso 2L BLUE-HDi (Euro6) Emissions NOx sur MVEG NB : la quantité cumulée de NOx est à diviser par les 11km du cycle pour passer en g/km)

29 Efficacité comparée de la SCR et du NOx-Trap : une complémentarité à travailler Torque (N.m) Potentiel NOxtrap Potentiel SCR Conversion maximum Engine speed (rpm) km/h stab 100 km/h stab 70 km/h stab Engine speed (rpm) Conversion faible Potentiel de conversion SCR sur tout le champ moteur Important notamment pour satisfaire les futures normes

30 30 Les deux polluants associés aux motorisations Diesel Les enjeux de la dépollution des NOx Les challenges des prochaines années Conclusion

31 Ce qu il faut retenir sur le moteur Diesel «moderne» La problématique des émissions de particules est traitée par la généralisation du FAP, obligatoire en Europe depuis janvier 2011 (norme Euro5), efficace en toutes conditions de roulage La SCR est le seul système DeNOx permettant de conjuguer bas niveaux de NOx et réduction (jusqu à 4%) de la consommation en carburant Le système SCR répond déjà aux futures exigences de la norme (Euro6.c en 2017) Les challenges liés à la dépollution NOx des moteurs Diesel du futur restent nombreux Réduction des couts Efficacité à basse température, dont bouchon Maîtrise des polluants secondaires dans certains cas de vie (NH 3, NO 2, N 2 O ) 31

32 Des risques NOx et particules également en essence à injection directe! Zone de balayage pour couple à bas régime Conditions pauvres en Essence : émissions de NOx En compensant le balayage par une combustion riche : risque d émissions de particules PMI [bar] Zone d enrichissement pour la protection Descripteur WLTP 5.2 EB2DTS T9 MCM composants Zone : risque de balayageco et particules pour les véhiculespc les EB2DTS plus lourds Régime [tr/min]