Eaton innove en matière de technologie des émissions

Eaton et BAE Systems ont testé un système de propulsion électrique intégré pour camions de poids moyen et lourd. (Photo : BAE Systems)

Eaton Corporation dispose d'un vaste portefeuille de produits couvrant pratiquement toutes les applications énergétiques, allant des systèmes de stockage d'énergie à l'alimentation de secours et aux groupes motopropulseurs de véhicules.

« En tant qu'entreprise, Eaton estime que les gouvernements devraient définir des objectifs environnementaux précis. » Dr Mihai Dorobantu, Eaton Corporation. (Photo : Eaton)

Dans une récente interview accordée à PPI, le Dr Mihai Dorobantu, directeur des technologies avancées chez Eaton, a expliqué que la quasi-totalité des programmes menés par sa division au cours des 15 dernières années visaient à réduire les émissions des moteurs. Ces programmes se sont principalement concentrés sur les émissions de CO2 et de NOx, afin de réduire l'impact de ces gaz à effet de serre (GES) sur le climat et la qualité de l'air.

« Ce n'est pas un hasard si nous avons soudainement proposé ces solutions de réduction des émissions », a déclaré Dorobantu. « Si l'on met en place des solutions de réduction des émissions dès le départ, il n'est pas surprenant que 15 ans plus tard, nous disposions de ce portefeuille de technologies, de produits intégrant ces technologies, destinés à réduire les émissions des moteurs. »

Qu'il s'agisse de voitures particulières ou de véhicules utilitaires, Eaton peut fournir une solution complète de réduction des émissions. Dans le cas des voitures particulières, les derniers ajouts à la gamme sont destinés à soutenir le développement de groupes motopropulseurs hybrides et purement électriques.

En ce qui concerne les véhicules commerciaux, le programme de réduction des émissions s’est concentré sur les moteurs à combustion interne diesel (IC) et sur l’amélioration des technologies existantes.

Dorobantu : « Dans le monde du diesel conventionnel, plusieurs technologies tentaient de traiter simultanément les émissions de CO2 et de NOx. Mais il y a un compromis à faire. Moins de NOx, donc plus de chaleur, mais plus de CO2. À l’inverse, on peut rouler plus efficacement et produire moins de CO2, mais plus de NOx. »

L'unité de désactivation des cylindres (CDA) peut également contribuer à réduire les émissions du moteur. (Photo : Eaton)

Pour briser ce paradigme, Eaton a récemment introduit des unités de chauffage autonomes pour les systèmes de post-traitement des émissions. Ces unités de chauffage portent rapidement la partie catalyseur du système à température (alors que le moteur est encore froid), ce qui permet au système de traiter et de réduire plus efficacement les NOx dans le flux d'échappement.

« Ce système permet de résoudre les problèmes de démarrage à froid des moteurs diesel, lorsqu'ils sont les plus polluants », explique Dorobantu. « Et il est très économique : il exploite judicieusement le système électrique du véhicule, au lieu de consommer davantage de carburant. »

Dans un premier temps, le système vise à répondre à la nouvelle réglementation californienne sur les NOx, qui imposera une réduction de 75 % des émissions de NOx des poids lourds (HD) de l'année modèle 2024. Cette réduction passera à 90 % d'ici 2027.

Dorobantu a déclaré que le développement du réchauffeur de catalyseur avait débuté en 2017, bien avant la publication de ces directives sur les émissions ultra-faibles de NOx. « Nous avions conscience de l'évolution de la société, nous avions donc une bonne idée des exigences », a-t-il ajouté.

Actionnement de la vanne

Dorobantu a poursuivi en expliquant que même si Eaton dispose déjà d'une série de technologies destinées à lutter contre les émissions de CO2 des moteurs diesel, une « boîte à outils » de produits de nouvelle génération devrait être lancée prochainement, ce qui réduira davantage les émissions de GES associées.

Histoire hybride

Coupe de systèmes hybrides légers 48 V pour camions lourds (Image : Eaton)

En 2007, FedEx a organisé un concours pour trouver le meilleur système hybride pour un camion de poids moyen. Eaton a remporté le premier prix, et c'est ainsi qu'est né le premier système hybride pour véhicule utilitaire de l'entreprise.

« À l'époque, une batterie de 4 kWh était une grosse batterie », explique Mihai Dorobantu. « Elle était associée à un moteur tout aussi imposant. Nous pensions qu'au bout de cinq ou six ans, les batteries devraient être remplacées, mais ces camions [construits entre 2007 et 2014] sont toujours sur la route. »

Dorobantu a ajouté que le prix de 20 000 dollars pour la batterie était trop élevé pour le marché, sauf en Chine où des subventions étaient en place pour soutenir les technologies de réduction des émissions. Cela a permis à Eaton de poursuivre le développement du système et d'améliorer encore la réduction des émissions.

« Vous savez, un système hybride est un écosystème complet de composants », a-t-il ajouté. « Même la façon de conduire, le maintien d'une température d'échappement optimale, font partie d'une stratégie d'hybridation réussie. »

Nous avons beaucoup travaillé sur l'activation des soupapes des moteurs à essence des voitures particulières, mais il a fallu une décennie pour comprendre comment adapter cette technologie aux moteurs diesel de grosse cylindrée. La pression dans les cylindres [du moteur] est bien plus faible, et le calage de la combustion est contrôlé avec précision par la bougie d'allumage, contrairement à l'allumage par compression. Il y avait donc de nombreuses différences à prendre en compte.

Fondamentalement, les moteurs diesel sont très efficaces à un régime moteur spécifique, mais leur rendement chute rapidement au-delà de cette plage étroite. La technologie d'actionnement des soupapes d'Eaton permet d'étendre cette plage en modifiant le cycle de combustion afin qu'il reste dans la plage de rendement idéale. Elle inclut également la distribution à calage variable et d'autres fonctionnalités, qui, combinées, ajoutent une complexité considérable.

« Le système implique des modifications matérielles et logicielles », a expliqué Dorobantu. « Pour ajuster le calage des soupapes, il faut pouvoir modifier le profil de came, mais c'est le logiciel qui détermine le moment optimal pour le faire. L'objectif est d'optimiser l'efficacité, mais pas au point de générer des NOx inutiles. »

Les systèmes de frein moteur, appelés « frein à décompression » aux États-Unis et « frein à décompression » en Europe, sont un autre outil permettant d'optimiser la consommation des moteurs diesel. Alors que leurs versions précédentes étaient des composants autonomes, Dorobantu envisage de regrouper ces fonctionnalités en un seul système de commande afin d'en améliorer la fonctionnalité et de réduire les émissions globales.

Le retour de l'hybride

Si l'hybridation est une solution bien connue pour réduire les émissions des voitures particulières, cette technologie a rencontré moins de succès dans les véhicules utilitaires. Mais les améliorations apportées à ces systèmes sont telles que des constructeurs comme Scania proposent désormais des modèles de camions poids lourds hybrides.

Réchauffeur électrique Eaton pour systèmes de post-traitement. (Photo : Eaton)

Dorobantu rappelle qu'Eaton a commencé à travailler sur les systèmes hybrides vers 2000. Par la suite, l'activité aux États-Unis et en Europe a ralenti, mais la technologie a connu un succès considérable en Chine. Il affirme qu'aujourd'hui, la dernière génération de cette même technologie hybride est toujours disponible.

Là où la technologie hybride n'a pas rencontré le succès escompté sur certains marchés, je pense que de nouvelles normes d'émissions très strictes remettront ces systèmes sur le devant de la scène. De plus, la seule alternative réside dans les véhicules 100 % électriques, équipés de batteries volumineuses et lourdes qui réduisent la capacité de charge et prennent beaucoup de temps à charger.

« Considérez ceci : vous pouvez hybrider trois camions HD avec les batteries pour un seul camion purement électrique, ce qui est beaucoup plus efficace en termes d'utilisation des matériaux de batterie. »

Il est toutefois probable qu'à court terme, l'électrification des véhicules utilitaires perce davantage dans le secteur des véhicules de poids moyen. En effet, la technologie éprouvée des voitures particulières peut être reprise quasiment sans modification, grâce à la fourniture de composants provenant des mêmes fournisseurs.

Pour les véhicules hybrides lourds, à moins d'utiliser un système électrique de poids moyen, de nouveaux matériels et logiciels, fournis par de nouveaux fournisseurs, seront nécessaires. Leur développement prendra du temps.

« Je pense que la solution électrique à batterie pour les camions hybrides poids lourds de poids moyen restera d'actualité », a déclaré Dorobantu. « On obtient une réduction de 33 % des émissions de CO2 avec seulement un dixième de la taille de la batterie. »

Si l'hybridation contribue à réduire les émissions de CO2, l'ajout de ces systèmes est également justifié pour réduire les émissions de NOx. Les démarrages à froid étant la principale cause proportionnelle d'émissions polluantes, un système hybride parallèle permettrait de conduire un camion à l'électricité pendant que le moteur chauffe, tandis qu'un système de traitement des émissions chauffé catalyserait les faibles émissions de NOx produites par un moteur à vide.

Atteindre les objectifs

Bien que les normes Tier 3 et Euro 6 soient globalement similaires, les prochaines séries de normes d'émissions devraient différer, les États-Unis exigeant une réduction de 90 % des NOx, tandis que les normes européennes n'exigent qu'une réduction de 50 %.

Chemin d'efficacité

Transmission à quatre vitesses pour véhicules électrifiés. (Photo : Eaton)

Selon Mihai Dorobantu, une boîte de vitesses mono-vitesse sur une transmission électrique peut collecter environ 50 % de l'énergie disponible lors d'une régénération. Une transmission multi-vitesses peut porter ce chiffre à plus de 95 %, car la disponibilité de différents rapports favorise un processus de régénération optimal.

« Il s'agit d'une augmentation de 20 % de l'efficacité sur l'ensemble du cycle énergétique », a-t-il expliqué. « C'est idéal pour les bus urbains et les véhicules municipaux effectuant des arrêts fréquents. Cela souligne clairement que la réduction des émissions passe par l'efficacité. Après tout, l'énergie nécessaire à ce véhicule électrique a été produite quelque part. »

Selon Dorobantu, cela est dû au fait que, tandis que le transport lourd aux États-Unis restera principalement au diesel, des limites strictes de CO2 en Europe soutiendront le passage à des solutions de transport à zéro émission, telles que l'électricité pure et l'hydrogène.

Un objectif moins strict en matière de NOx nécessitera moins d'investissements pour respecter cette norme, ce qui laissera plus de ressources pour investir dans les technologies zéro émission. C'est une situation gagnant-gagnant pour le marché européen.

Bien sûr, Eaton investira pour fournir la technologie nécessaire pour atteindre ces objectifs, mais Dorobantu a déclaré que l'entreprise pense que le processus de ciblage des réductions de polluants spécifiques n'est plus la voie à suivre.

En tant qu'entreprise, Eaton estime que les gouvernements devraient définir des objectifs environnementaux précis. Voici les objectifs climatiques, voici les objectifs de qualité de l'air ; à partir de là, l'industrie peut trouver la solution adaptée. Cela permet d'atteindre des objectifs à long terme et de consacrer du temps à l'innovation, à l'investissement et à la commercialisation de ces solutions.

Cela confirme la vision apparemment agnostique d'Eaton en tant que fournisseur de solutions. Dorobantu a souligné qu'Eaton n'a pas d'objectif précis en matière d'électrification ou d'hybridation. L'entreprise étudie plutôt l'évolution du marché et de la réglementation, puis s'efforce de développer la technologie adaptée en prévision de ces changements.

Convertisseur CC-CC pour groupes motopropulseurs de véhicules électrifiés. (Photo : Eaton)

Les transmissions multi-vitesses pour véhicules électriques en sont un parfait exemple. Eaton a été la première entreprise à lancer ces unités, ce qui a permis aux constructeurs de réduire la taille des moteurs électriques tout en améliorant le couple.

Augmenter la puissance [d'un véhicule électrique] est simple : il suffit d'augmenter la tension. Le couple est différent ; il faudrait normalement plus d'aimants et plus de cuivre. La transmission permet de réduire l'utilisation de matériaux, tout en offrant des performances à haute et basse vitesse et une meilleure régénération. Cela contribue à l'efficacité. Nous investissons dans l'électronique de puissance, la distribution d'énergie, la sécurité des transmissions lors de la charge et la ventilation des batteries.

« Toute cette technologie est transposable et pourrait être adaptée aux solutions de transport lourd, notamment aux camions et aux bus. »

Technologie du futur

Dans le compromis entre réduction des émissions de CO2 et de NOx, la turbine du moteur (via le calculateur et d'autres commandes) force la recirculation des gaz d'échappement dans l'admission du cylindre afin de réduire les émissions de NOx. Cela repose sur une surrégime du moteur, générant ainsi un excès de CO2.

Pompe EGR Eaton. (Photo : Eaton)

Selon Dorobantu, la réduction de la pression d'échappement entraîne des pertes par pompage. L'utilisation d'une pompe de recirculation des gaz d'échappement (EGR) sur un circuit électrique de faible puissance permet de supprimer la réduction de la pression d'échappement, ce qui maintient la pression des gaz et élimine pratiquement toutes les pertes par pompage.

« C'est une technologie qui s'apparente davantage à celle d'un compresseur », a-t-il expliqué. « C'est un contrôle très précis des gaz qui permet d'extraire la quantité exacte de gaz. C'est particulièrement efficace lorsque les pressions d'admission et d'échappement sont similaires ; c'est là que la magie opère. »

Alors qu'un compresseur fournit des rapports de pression d'environ 2,0 à 3,0, la pompe EGR utilise un ensemble de rotor plus court qui crée une pression légèrement supérieure à la pression d'admission, soit environ 1,05 à 1,5.

L'utilisation de l'EGR à faible puissance ne crée pas directement une efficacité améliorée, mais elle permet à l'échappement et à la turbine turbo de contribuer à réduire les NOx - tout en produisant plus de puissance - et sans production de CO2 en excès.

Note de l'éditeur : cet article a été initialement publié dans le numéro d'octobre-décembre 2024 de Power Progress International.