Économies grâce à la désactivation des cylindres

Camion de démonstration Cummins Valvetrain Technologies utilisé pour des tests CDA en conditions réelles (Photo : Cummins)

Les retards dans le déploiement des infrastructures de recharge sur les marchés clés et les prix élevés des véhicules électriques à batterie signifient que de nombreux opérateurs de camions continueront à choisir l'énergie diesel aussi longtemps qu'ils le pourront.

Mais cela ne signifie pas que les constructeurs peuvent réduire leurs efforts de recherche et développement en matière de groupes motopropulseurs. Loin de là. L'adoption imminente de nouvelles législations environnementales en Amérique du Nord (EPA 27) et en Europe (Euro 7) oblige les concepteurs de moteurs à redoubler d'efforts pour améliorer leur efficacité.

À partir de 2019, l'UE exigera que les véhicules aient une réduction de 45 % de leurs émissions de CO2 d'ici 2030. Ce chiffre passera à 56 % d'ici 2035 et à 90 % d'ici 2040, en utilisant l'outil de mesure théorique VECTO qui intègre des facteurs tels que l'aérodynamique et la résistance au roulement avec la consommation de carburant et le rendement des gaz d'échappement pour calculer les émissions de CO2.

Lors de l'élaboration de nouvelles stratégies, les concepteurs de moteurs doivent trouver un compromis entre les émissions de NOx et le rendement énergétique, les émissions de CO2 et de particules (PM). Le développement de la technologie SCR pour les moteurs diesel lourds a permis de réduire la production de NOx dans la chambre de combustion. Cependant, le maintien de l'efficacité du système SCR dans diverses conditions de fonctionnement est devenu plus important grâce aux essais en service et aux objectifs plus bas.

Recherche de solutions

Les constructeurs cherchent désormais à réduire progressivement la consommation de carburant, quel que soit le modèle d'un véhicule. Avec les modèles électriques à batterie, la réduction de la résistance au roulement et de la traînée aérodynamique permettra d'augmenter l'autonomie sur une seule charge sans ajouter de batteries supplémentaires. Concernant les moteurs diesel, les concepteurs se tournent désormais davantage vers des solutions de fournisseurs tiers.

La question est de savoir si ces technologies sont efficaces. Font-elles une différence suffisante pour garantir le respect des niveaux d'émissions ou permettent-elles une réduction des coûts d'exploitation pour l'utilisateur final ?

Robb Janak, Cummins Valvetrain Technologies

Les travaux théoriques et les essais en laboratoire ne suffisent pas à déterminer l'intérêt d'une modification proposée, notamment lorsqu'il s'agit de fournisseurs tiers. Les constructeurs de camions et leurs clients souhaitent des preuves vérifiables qu'un produit peut apporter des améliorations significatives en milieu de travail.

Le problème est que les tests en conditions réelles seront inévitablement compromis par des variables externes susceptibles d'exagérer ou de masquer les améliorations de performance. La météo et la densité du trafic sont deux facteurs évidents, et même le « facteur humain » du comportement du conducteur est difficile à gérer. Il reste donc aux tests la tâche de distinguer les améliorations vérifiables et reproductibles du bruit d'autres facteurs externes.

Fonction technique

C'était le défi pour Cummins Valvetrain Technology de vérifier les performances sur route de sa technologie Jacobs Cylinder Deactivation (CDA), une technologie qui a le potentiel de réduire la consommation de carburant et les émissions de CO2 tout en améliorant l'efficacité des systèmes de contrôle SCR NOx dans des conditions de charge moteur plus faible.

La théorie de la CDA est simple. La plupart du temps, les camions sont surpuissants pour le travail à effectuer. Par exemple, un camion-benne six cylindres de 500 ch nécessite toute cette puissance pour transporter une charge complète sur une route de carrière, mais peut-être seulement la moitié de cette puissance pour revenir à vide. Retirer un, deux ou trois cylindres permet de réduire la consommation de carburant en conditions de faible charge, sans impact significatif sur la productivité.

Le système Jacobs utilise une technologie de contrôle des soupapes pour couper automatiquement certains cylindres lorsque le moteur est faiblement chargé, en laissant leurs soupapes d'admission et d'échappement fermées pendant tout le cycle à quatre temps, tout en désactivant leurs injecteurs. Cela réduit la consommation de carburant et les pertes de pompage parasites dues au remplissage, à la compression et à la vidange inutiles des cylindres désactivés.

Jacobs CDA et version 1,5 temps haute densité de puissance du frein moteur à compression-relâchement Jake Brake (Photo : Cummins)

Lorsqu'un freinage moteur supplémentaire est nécessaire, les mêmes composants qui désactivent les cylindres sont réutilisés pour assurer le ralentissement du véhicule en utilisant la dernière version à haute densité de puissance de 1,5 temps du frein moteur à compression-relâchement Jake Brake.

Si les avantages du système sont évidents sur le papier, leur quantification est plus difficile. Pour réaliser les tests, Cummins a sélectionné le test de consommation de carburant normalisé SAE (Society of Automotive Engineers) J1321, utilisant des camions entièrement chargés sur deux itinéraires : un routier et un de distribution.

Le véhicule utilisé pour les essais était un tracteur routier International LT625 6x4 de l'année-modèle 2018 équipé d'un moteur diesel Navistar A26 de 13 litres développant 450 ch et d'une boîte de vitesses Eaton Endurant à 12 rapports avec surmultiplication AMT. Le camion affiche un PTAC de près de 30 000 kg (66 000 lb).

Réalisés au quatrième trimestre 2023, les tests ont été effectués sur 19 000 km, avec et sans CDA actif ; le système pouvait être activé ou désactivé via un interrupteur sur le tableau de bord. Le camion a enregistré une vitesse moyenne de 88 km/h (51 mi/h) sur autoroute et de 61 km/h (38 mi/h) sur le trajet de distribution.

À chaque trajet, le camion était accompagné d'un véhicule témoin comparable, dont la consommation de carburant était également enregistrée afin de fournir une base de référence pour les variations dues à des facteurs externes. Chaque trajet incluait des changements de remorque et de conducteur entre les deux camions afin d'éliminer ces variables.

Résumé des résultats

Les résultats réels obtenus sur route lors de cet essai ont suivi des gains initiaux de consommation de carburant allant jusqu'à 20 % enregistrés lors d'essais dynamométriques en laboratoire sur un moteur au ralenti. Lors de ce même essai, une réduction de 77 % des émissions de NOx a été enregistrée lors d'un cycle à faible charge avec un système de post-traitement des gaz d'échappement conforme à la norme EPA 2018.

Bien que les émissions de NOx n'aient pas été au cœur de ce dernier essai routier, les camions d'essai ont bénéficié du même étalonnage que celui utilisé lors des essais de certification au banc d'essai. Cummins s'attend à ce que ces résultats soient encore meilleurs pour les futures exigences en matière d'émissions, lorsque les avantages de la gestion thermique CDA seront mis à profit.

Les résultats des essais routiers ont montré une économie de carburant de 2,76 % sur autoroute et de 2,0 % sur distribution, démontrant que même ces cycles de conduite à pleine charge peuvent générer des économies concrètes. L'augmentation du nombre de modes de fonctionnement du CDA, comme les cycles de conduite au ralenti à 20 %, devrait permettre des réductions encore plus importantes de la consommation de carburant.

Cummins Valvetrain Technologies annonce des économies de carburant de 2,76 % grâce à des tests supplémentaires sur route de son système de désactivation des cylindres Jacobs (Photo : Cummins)

Le CDA coupe les cylindres pour répondre à la demande de couple en temps réel. Comme on pouvait s'y attendre, les cylindres actifs présentent des charges et des températures plus élevées, tandis que les cylindres inactifs présentent des pertes parasites réduites. Le débit d'air réduit et le rapport air/carburant plus élevé dans les cylindres actifs restants contribuent à maintenir la température du système d'échappement au-dessus du seuil critique de 250 °C, ce qui favorise une conversion efficace des NOx par le module de réduction catalytique sélective et une régénération passive continue du filtre à particules d'échappement.

Lors d'essais sur route sans CDA, la température du système SCR du camion est tombée sous les 250 °C pendant plus de 15 % du trajet. En revanche, lorsque le CDA était utilisé de concert avec le frein moteur Jacobs, la température du SCR est tombée sous les 250 °C uniquement lors des arrêts programmés et des changements de remorque. Sur le trajet de distribution, la température moyenne du système SCR était de 243 °C avec le CDA activé. Ce chiffre est supérieur de 16 % à celui enregistré sans désactivation des cylindres.

Le temps total de fonctionnement du SCR à moins de 250 °C a été réduit de plus de 21 %, tandis que la température du SCR avec CDA n'est descendue en dessous de 200 °C que pendant moins de 2 % du temps, contre plus de 10 % sans.

Ces chiffres sont particulièrement importants car les tests et la surveillance des émissions sont de plus en plus basés sur des cycles de travail « réels », plutôt que sur des performances en laboratoire.

Les systèmes CDA de Jacobs sont désormais utilisés dans plus de 20 programmes de développement, avec des cylindrées allant de 2,0 à 16 litres. Certains d'entre eux ont déjà atteint le stade des essais sur véhicule.