Les moteurs HELM de Cummins prennent en charge les carburants alternatifs

Cummins X15N pour le marché nord-américain (Photo : Cummins)

Les fabricants de moteurs continuent d’explorer le potentiel de différents carburants alternatifs dans le but d’offrir une meilleure économie de carburant, des émissions réduites et un coût total de possession inférieur pour les clients.

Malgré son potentiel, l'hydrogène a perdu une partie de ses promesses initiales en tant que substitut direct du diesel. En résumé, l'hydrogène reste coûteux, tout comme le développement de la technologie permettant de l'utiliser. Sa disponibilité limitée constitue un autre problème.

En raison de ces facteurs, certaines entreprises se sont tournées vers le gaz naturel (méthane), sous forme de GNC ou de GNL, ou de biométhane (parfois appelé biogaz, gaz naturel renouvelable ou GNR). Comme pour l'hydrogène, les moteurs utilisant du biométhane permettent de réduire les émissions de CO2 de près de 100 % du puits à la roue.

Interrogé sur l'état du marché des carburants alternatifs, William Lamb, directeur de la stratégie de plateforme pour la division moteurs de Cummins, affirme qu'il existe un regain d'intérêt pour le gaz naturel comme carburant. « Du moins en Europe et au Royaume-Uni, l'intérêt pour le gaz naturel est croissant ; il a également été fort en Chine ces dernières années. À l'échelle mondiale, nous observons des tendances différentes selon les régions, en fonction de leur source d'énergie primaire et des réglementations locales en matière d'émissions. »

William Lamb, Cummins

Si le gaz naturel suscite un certain intérêt, le biogaz suscite encore plus d'intérêt, selon lui. Lamb estime que cela s'explique par une série de facteurs, notamment la possibilité de réduire les coûts d'exploitation liés à l'utilisation de combustibles gazeux et la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre afin de respecter les normes réglementaires.

Programme de lancement

Afin de rationaliser sa gamme de moteurs et ses variantes, Cummins a lancé ses plateformes HELM. Les modèles de chaque plateforme sont basés sur le bloc-moteur, chaque variante étant équipée de culasses et de systèmes d'injection adaptés à un type de carburant spécifique. Généralement lancées en version diesel, les gammes HELM incluent ensuite des variantes au gaz naturel, puis à l'hydrogène, cette dernière étant encore en développement.

Lorsqu'on lui a demandé si la force motrice derrière le lancement des moteurs HELM était d'aider les clients à réduire les émissions des moteurs ou de fournir une option utilisant chaque choix de carburant, Lamb a déclaré qu'il y avait une double réponse.

Le diesel sera présent pendant plusieurs années sur la plupart des marchés, et plus longtemps dans d'autres régions. Nous avons investi dans de nouvelles plateformes pour améliorer la consommation de carburant, la densité de puissance et réduire les pertes de puissance parasites. Ce n'était pas possible sur les plateformes plus anciennes, ce qui a motivé le choix des produits HELM.

L'autre avantage est que nous avons pu concevoir des moteurs adaptables à l'utilisation de carburants à allumage par compression et à allumage commandé sans aucun compromis. Avec quelques modifications, on pourrait faire fonctionner un moteur diesel classique au gaz naturel, mais cela représente un compromis en termes de puissance et de rendement.

Comme pour la plupart des moteurs d'origine, la technologie au gaz naturel développée par Cummins utilise l'allumage par étincelle. Selon Lamb, l'allumage par compression présente des avantages lorsqu'il est utilisé avec du carburant gazeux, mais présente également des inconvénients, comme la nécessité de systèmes complexes de post-traitement des émissions.

Choix du moteur

Selon Lamb, Cummins continue de susciter beaucoup d’intérêt pour ses moteurs HELM en raison d’une série d’avantages.

Les clients abordent la question sous différents angles, mais quel que soit le type de carburant, ils comprennent qu'il est possible d'installer un moteur diesel ou un moteur au gaz naturel dans le même espace et avec les mêmes interfaces. En installant un moteur diesel HELM pour un marché et un moteur au gaz naturel pour un autre, il est possible de prendre en charge deux variantes avec très peu de modifications de la machine.

Moteur Cummins X10 Euro 7 (Photo : Cummins)

Grâce à la même plateforme, les moteurs sont pré-configurés pour s'adapter à votre véhicule ou machine ; tout est intégré et s'interface parfaitement avec la transmission et les autres sous-systèmes. Fondamentalement, aucun compromis n'est possible. Que vous choisissiez le modèle diesel ou naturel, vous bénéficiez du meilleur moteur disponible, et vous vous préparez même à l'arrivée de l'hydrogène.

Lamb souligne que l'avantage direct du système HELM revient aux constructeurs, grâce à la flexibilité du moteur et à la capacité de pérenniser leurs machines. Pour le client final, il s'agit d'accéder aux dernières technologies moteur, ce qui contribue à améliorer le coût total de possession.

Il est possible que, sans la série HELM, certains constructeurs ne proposent pas de solution de carburant alternatif, explique Lamb. Si les moteurs étaient basés sur des plateformes différentes et nécessitaient des programmes de développement distincts pour s'adapter à l'application donnée, il est fort possible que le constructeur du véhicule ou de la machine ne propose qu'une version diesel.

Différenciation de conception

Lamb explique que la culasse est le principal élément de différenciation entre les moteurs conçus pour différents carburants. Pour la version diesel, qui utilise l'allumage par compression, la culasse présente une surface plane. Les soupapes sont verticales par rapport à la chambre de combustion, mais sont conçues pour créer un fort tourbillon afin de combiner l'air et le carburant.

« La configuration concentre le carburant diesel vers le centre de la culasse, ce qui favorise une meilleure combustion sous allumage par compression », explique Lamb.

La version à allumage commandé et au gaz naturel – Lamb souligne que ce principe est commun aux moteurs à gaz naturel et à essence, quelle que soit l'application – utilise une conception à toit en pente avec un système d'injection monopoint. Ce système génère un fort mouvement tourbillonnaire, où le mélange air-carburant se déplace de manière alternée plutôt que tourbillonnaire.

Moteur diesel Cummins EPA27 X15 (Photo : Cummins)

« Ce sont les deux différences fondamentales entre les moteurs, qui sont beaucoup plus faciles à décrire qu’à développer en raison des contraintes architecturales des conceptions », ajoute-t-il.

Si les galeries qui acheminent l'huile moteur dans le bloc moteur sont identiques quel que soit le type de carburant, il n'en va pas de même pour l'unité principale. Celle-ci a des exigences spécifiques en raison des soupapes d'admission et d'échappement et des arbres à cames utilisés pour chaque type de carburant et chaque conception de moteur.

Bien que l'affirmation selon laquelle le bloc moteur reste identique quel que soit le type de carburant puisse paraître commerciale, Lamb souligne qu'au moment de la coulée, il n'y a aucune différence entre les deux ; ces composants sont véritablement indépendants. Différents pistons et bielles pourraient être utilisés, mais cela dépend davantage du type d'application (sur route ou hors route, par exemple) que du carburant.

Modifications matérielles

Il existe quelques cas où les matériaux ont été modifiés pour permettre l'utilisation du gaz naturel, explique Lamb. Dans un cas, les sièges de soupape ont été durcis pour prévenir une usure prématurée, due en grande partie au fait que le carburant gazeux ne possède aucune des qualités lubrifiantes du diesel.

De plus, en raison des températures plus élevées, le turbo utilise des matériaux différents pour préserver son intégrité. « Les unités utilisées sur les moteurs à gaz naturel sont dotées d'un carter de turbine différent, fabriqué en fonte haute température ou en alliages de fer résistants au nickel », explique Lamb.

Il poursuit en expliquant que la roue de turbine, qui doit supporter des charges thermiques plus élevées, est fabriquée en Inconel, un superalliage à base de nickel. Exposée à des températures plus basses, le carter du compresseur est en alliage d'aluminium moulé, ce qui améliore la conductivité thermique.

En ce qui concerne le post-traitement des émissions, les versions diesel utilisent un système SCR/DPF. En revanche, les versions au gaz naturel présentent une conception plus simple, selon Lamb. « Elles utilisent un catalyseur trois voies pour traiter les NOx, les hydrocarbures et le monoxyde de carbone. Il s'agit d'un système plus passif : il ne se régénère pas et ne nécessite pas d'additif d'urée. »

Il explique que les émissions de NOx sont surveillées de près aux États-Unis et que, grâce à ce système, les moteurs au gaz naturel sont conformes à la réglementation. « Les moteurs à allumage commandé fonctionnent à une pression inférieure à celle des modèles diesel, ce qui réduit les niveaux de NOx », explique-t-il. Et ce, malgré une température globale plus élevée.