Des experts de l'industrie discutent de l'avenir du propane dans les moteurs à combustion interne

Le mois dernier, l'Engine Technology Forum a exploré la viabilité du propane comme carburant alternatif dans les moteurs à combustion interne (IC) dans son webinaire « Comment le propane évolue pour l'avenir ».

« Le propane comme carburant offre de nombreux avantages, notamment un indice d'octane élevé, une utilisation généralisée et une disponibilité auprès de plus de 3 500 distributeurs », a déclaré l'Engine Technology Forum dans un communiqué de presse publié à l'issue de l'événement. « Ses émissions sont généralement inférieures à celles de l'essence ou du diesel, et ces émissions peuvent être maîtrisées de manière rentable grâce à l'utilisation d'un catalyseur d'émissions à trois voies, similaire à celui de l'essence. »

Différences de post-traitement

Gavin Hale, directeur du développement de produits et de la production d'énergie pour le Propane Education & Research Council (PERC), a abordé les différences entre les systèmes de post-traitement du diesel et du propane lors du webinaire, affirmant que la plus grande opportunité pour les fabricants de moteurs et les équipementiers automobiles vis-à-vis du propane concerne le post-traitement simplifié des gaz d'échappement.

Ravitaillement d'un camion de livraison de propane. (Photo : Propane Education & Research Council)

« Ils parviennent à réduire les émissions grâce à un carburant disponible et à conserver la majeure partie du contenu de conception du camion », a-t-il déclaré, « ce qui est essentiel, car de nombreuses autres sources d'énergie alternatives représentent un gros effort pour les équipementiers. »

Décrivant la technologie actuelle de post-traitement des moteurs diesel, Hale a cité un système SCR Bosch pour moteurs diesel lourds à faible émission d'oxydes d'azote (NOx), publié dans le cadre d' un rapport de juin 2020 du California Air Resources Board (CARB). Il a précisé que les composants de ce système de post-traitement comprennent des catalyseurs d'oxydation diesel primaires et secondaires (DOC), une réduction catalytique sélective (SCR), des catalyseurs de glissement d'ammoniac (ASC), des brûleurs à carburant, des capteurs de NOx et un filtre à particules diesel (DPF).

« Le post-traitement est bien plus complexe que le moteur, en réalité », a-t-il déclaré. « Il devient le facteur déterminant. »

En revanche, Hale a déclaré que le post-traitement d'un moteur à combustion interne alimenté au propane est considérablement plus simple.

« Avec le propane actuel, il suffit d'un convertisseur catalytique à trois voies, similaire à ceux que l'on trouve aujourd'hui sur les voitures. Pour la réglementation de 2027, il faudra probablement deux convertisseurs catalytiques. »

Il a ajouté que les limites de GES de la phase 3 pourraient nécessiter de légères modifications.

« Cela reste la recette clé, avec l'ajout potentiel de SCR dans le post-traitement des gaz d'échappement », a déclaré Hale. « Mais cela dépend de l'équilibre technologique que nous parviendrons à déployer dans les cylindres pour optimiser le rendement du moteur, plutôt que de compter sur le post-traitement pour tout récupérer. »

Examen de l'injection directe

Selon Allen Schaeffer, directeur exécutif de l'Engine Technology Forum, l'innovation est également essentielle pour faire du propane un carburant alternatif viable pour les applications routières et hors route. L'une de ces innovations est l'injection directe (ID) de propane. Dans le communiqué de presse, il a déclaré que la technologie ID a le potentiel de révolutionner l'utilisation du propane pour un plus grand nombre d'applications.

Katech Engineering, société de fabrication, d'ingénierie et de tests, et Stanadyne, spécialiste des systèmes de carburant, se sont associés pour étudier l'injection directe de propane dans les moteurs à combustion interne. Ils ont présenté leurs conclusions lors du webinaire.

Eric Suits, ingénieur en chef chez Katech, a déclaré qu'il était intéressant d'explorer l'injection directe de propane pour plusieurs raisons. Il a souligné qu'en ce qui concerne les moteurs à essence, l'injection directe représente une part importante du marché des véhicules légers : 73 % des véhicules de l'année-modèle 2023 utilisent cette technologie, selon un rapport du ministère américain de l'Énergie du 24 février .

« Il est déjà largement accepté et présente des avantages naturels, une efficacité et des émissions améliorées, ce qui explique pourquoi le pourcentage de constructeurs qui l'utilisent actuellement continue d'augmenter », a déclaré Suits, ajoutant que lorsqu'il est associé à l'indice d'octane élevé du propane (105) et à ses faibles émissions, « réunir ces deux technologies était un domaine évident ».

Il y avait cependant des obstacles à surmonter. L'un d'eux est le bouchon de vapeur, car le propane peut exister sous forme gazeuse ou liquide selon la température et la pression, a expliqué Suits. Si, en route vers la pompe à essence, le propane est chauffé jusqu'à un certain point sans augmentation correspondante de la pression, il se vaporisera et provoquera un bouchon de vapeur.

De plus, Suits a déclaré que l'injection directe de propane n'avait pas fait l'objet de recherches approfondies. « Quelques articles ont été publiés ici et là, mais d'un point de vue de la faisabilité, personne n'avait vraiment envisagé de l'aborder. »

Test DI

Katech a débuté le projet DI par des essais sans mise à feu afin de comparer les composants d'injection directe d'essence (GDI) actuellement disponibles sur le marché, tels que les injecteurs et les pompes, a expliqué Suits, afin de déterminer leurs défauts lorsqu'ils étaient utilisés avec du propane. Cela a conduit à des essais de mise à feu visant à comparer l'essence au propane, dont les résultats ont été transmis à Stanadyne afin que l'entreprise puisse déterminer les caractéristiques spécifiques requises pour une utilisation avec du propane.

Le moteur d'essai General Motors L8T 6,6 L GDI a été mis à jour avec les composants Stanadyne et fonctionne à l'injection directe de GPL. (Photo : Stanadyne)

Une fois les composants nécessaires au système d'alimentation en carburant développés, Stanadyne a validé le concept en utilisant comme base un moteur V8 L8T 6,6 L à allumage commandé de General Motors, selon Srinu Gunturu, ingénieur en chef de Stanadyne. Il a précisé que Stanadyne n'avait modifié que quelques composants matériels pour l'utilisation du propane.

« Sur le moteur, il n'y a que la pompe à carburant et l'injecteur », a-t-il déclaré, « et le moteur a été utilisé tel quel. »

Gunturu a déclaré que Stanadyne devait améliorer l'efficacité volumétrique de la pompe et apporter des modifications à l'injecteur pour un débit de carburant plus élevé afin de fournir la bonne quantité de carburant au moteur.

« Nous avons ajouté une entrée secondaire pour pouvoir nous assurer que nous n'avons pas de bouchon de vapeur à l'intérieur de la pompe, en particulier dans la zone du piston et du manchon », a-t-il déclaré.

Suits a déclaré que les tests du moteur ont été effectués à un lambda de 1,0, ajoutant que cela était important du point de vue des émissions.

« Dès 2027, la réglementation interdira l'enrichissement lors des essais à ciel ouvert », a-t-il déclaré. « Et avec le propane, nous pouvons facilement le faire sans limites ni préoccupations concernant la température des gaz d'échappement (EGT), et cela permet au catalyseur de fonctionner correctement. »

Résultats du test DI

Les tests effectués par Stanadyne et Katech sont allés au-delà du simple examen des performances du moteur et des composants.

« Nous avons testé le moteur jusqu'à 250 heures de durabilité pour prouver que ce moteur DI est prometteur pour les systèmes au propane », a déclaré Gunturu.

Suits a ajouté que les tests de durabilité comprenaient des cycles d'essai sur et hors route ainsi que des cycles d'essai de l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) et du CARB.

Après les tests de durabilité, Stanadyne a examiné les composants de son système de carburant.

« Nous n'avons constaté aucun changement de performance des pompes après 250 heures de fonctionnement au propane », a déclaré Gunturu. Il a toutefois précisé que les performances de l'injecteur de carburant s'étaient légèrement améliorées.

« Nous avons constaté une certaine usure due à la modification de la course de nos injecteurs », a-t-il déclaré. « Nous avons pu identifier la cause de cette modification et apporter quelques correctifs. »

Gunturu a déclaré qu'un examen approfondi a révélé une usure entre l'armature et le dispositif de retenue, que Stanadyne a attribuée à la diminution de la portance.

« Nous avions déjà mis en œuvre une correction de conception pour remédier à ce changement de portance et d'usure de l'armature et du dispositif de retenue », a-t-il déclaré. « Nous prévoyons également d'effectuer des tests supplémentaires. » Stanadyne collabore avec les équipementiers pour valider ces mesures correctives, a précisé Gunturu.

Suits a déclaré qu'en ce qui concerne le moteur, les tests de durabilité n'ont révélé aucune usure mécanique significative.

« Au début, la formulation – 10, 20, 30 ans au propane – indiquait souvent qu'il fallait remplacer les sièges de soupapes, car c'est du propane et il n'y a pas de liquide qui passe au-dessus des soupapes », explique Suits. « Mais les moteurs modernes à injection directe en tiennent compte. Les matériaux et les technologies ont progressé. Ainsi, il n'y a eu aucun retrait de soupape, nulle part côté moteur, lors du fonctionnement au propane, même lors d'un profil d'essai très rigoureux. »

En ce qui concerne le blocage de la vapeur, Suits a déclaré que Katech avait résolu ce problème avec succès dans le cadre du projet.

« L’un des principaux domaines sur lesquels Katech s’est concentré, avec Stanadyne fournissant le matériel, était la construction d’un système matériel et logiciel qui fournissait correctement le propane à la pompe et ne permettait jamais une condition de blocage de vapeur », a-t-il déclaré.

Grâce à certaines vannes et systèmes de contrôle, Suits a déclaré que Katech était « capable de fournir du propane liquide à la pompe dans toutes les conditions de test ».

Un programme de recherche révèle la viabilité de l'injection directe de GPL dans les moteurs de poids moyen Financé par PERC et mené par Katech Engineering, le projet a utilisé des logiciels ainsi que du matériel spécialement conçu par Stanadyne pour aider à surmonter le blocage de vapeur.