Redéfinir le coût de la conformité aux normes d'émissions

Un moteur et un système de post-traitement harmonisés constituent un moyen d'optimiser la valeur opérationnelle des engins de chantier.

Cela signifie, autant que possible, minimiser la complexité technique et les risques liés au programme.

Si le respect des normes d'émissions est obligatoire, la manière dont il est mis en œuvre est devenue un facteur de différenciation important pour les constructeurs automobiles.

Aujourd'hui, le coût d'acquisition le plus bas en matière de contrôle des émissions dépend moins du prix initial d'un système de post-traitement des gaz d'échappement ; il est davantage déterminé par des facteurs tels que l'intégration, la validation, les délais de développement, la durabilité et les exigences de maintenance à long terme.

Selon David Phillips, directeur technique d'Eminox, multinationale spécialisée dans le post-traitement des émissions, les constructeurs automobiles sont désormais beaucoup plus conscients que les programmes de réduction des émissions constituent des défis complexes au niveau du système.

« Normalement, on ne se contente pas de prendre un moteur existant et de dire : “On va y ajouter un système de post-traitement” », explique-t-il. « Il faut concevoir une véritable symbiose entre le système de post-traitement et le moteur. Les choix effectués au niveau du moteur – système d’alimentation, configuration du turbocompresseur, stratégie de recirculation des gaz d’échappement – déterminent tous les émissions à l’échappement, ce qui influe directement sur la conception du système d’échappement. »

Ces interactions influent sur tous les aspects, des technologies de catalyse et des teneurs en métaux précieux à la taille du filtre à particules diesel (FAP), sa capacité de stockage des suies et ses intervalles d'entretien. De ce fait, chaque décision prise au niveau du groupe motopropulseur a des répercussions sur l'ensemble du système.

Pour les constructeurs automobiles, cela a fondamentalement changé la manière dont les programmes de réduction des émissions sont abordés.

Des composants aux systèmes

Historiquement, les dispositifs de dépollution étaient généralement considérés comme des composants distincts. Aujourd'hui, la plupart des constructeurs reconnaissent que les performances en matière d'émissions résultent d'un système entièrement intégré.

Dave Phillips, directeur technique du groupe Eminox

« Ils adoptent désormais une vision globale », explique Phillips. « De l’air entrant dans le moteur jusqu’au pot d’échappement. Et tous ces éléments peuvent influer sur le coût, la consommation de carburant, les intervalles d’entretien ou l’expérience utilisateur. »

Cette évolution a également modifié la structure des équipes de développement. De plus en plus, les constructeurs automobiles créent des groupes d'intégration système dédiés qui modélisent et simulent différentes combinaisons de moteurs et de systèmes de post-traitement dès les premières étapes du programme.

« Idéalement, ils auront passé en revue différents scénarios avant de commencer le développement physique », explique Phillips. « En équipe, ils doivent tout examiner et simuler toutes les éventualités afin que, avant de lancer un nouveau programme moteur, ils aient pratiquement tout testé sur papier ou en simulation. »

Même avec des outils de planification plus sophistiqués, les contraintes de coûts apparaissent souvent plus tard dans le développement.

Pourquoi les problèmes apparaissent souvent à la fin

Dans de nombreux programmes de réduction des émissions, les dépassements de budget et les retards surviennent vers la fin du processus, lorsque les échéances de lancement approchent et que les équipes d'ingénierie doivent résoudre rapidement les problèmes restants.

« C’est presque toujours à la fin », explique Phillips. « C’est à ce moment-là qu’on a une date butoir et qu’on commence soudain à ajouter des ressources ou à dépenser plus d’argent pour résoudre les problèmes. »

Idéalement, ces ressources seraient investies plus tôt dans le programme afin d'éviter les complications de dernière minute. En pratique, des priorités concurrentes empêchent souvent cela.

« On pourrait dire qu’on va réserver des ressources pour un projet qui se concrétisera dans trois ans », explique-t-il. « Mais s’il y a un problème aujourd’hui qui affecte la production, les gens se concentrent naturellement sur celui-ci. Quand le programme de réduction des émissions devient urgent, on est déjà sous pression. »

La rapidité de développement devient donc un facteur déterminant du coût du programme.

« En fin de compte, le temps, c'est de l'argent », affirme Phillips. « Plus vite on conçoit, on prototype et on teste les systèmes, plus les coûts ont tendance à diminuer. »

Cependant, les délais de développement sont rarement déterminés uniquement par les fournisseurs de systèmes de post-traitement ; ils sont souvent contraints par le rythme du programme moteur dans son ensemble.

« Nous pourrions concevoir et construire un système d'échappement assez rapidement », dit-il. « Mais l'équipe moteur est peut-être encore en train de tester différentes combinaisons de composants. Le rythme est donc généralement dicté par l'ensemble du programme plutôt que par une seule partie. »

Le coût caché de la validation et des performances sur le terrain

Les tests en laboratoire sont précieux, mais ne remplacent pas les données recueillies sur le terrain par les machines en fonctionnement.

Même lorsque les systèmes de dépollution atteignent leur pleine capacité de production, des coûts imprévus peuvent survenir une fois que l'équipement fonctionne en conditions réelles.

L'exposition aux garanties en est un exemple.

« Il y a toujours des imprévus », explique Phillips. « Cela peut être lié au comportement thermique ou à un cas d'utilisation auquel on ne s'attendait pas. »

Pour réduire ces risques, de nombreux constructeurs automobiles surveillent désormais de près les premières machines déployées sur le terrain.

« Ils suivent de très près les premières unités », explique-t-il. « Ils collectent des données, comprennent comment les clients utilisent réellement le matériel et repèrent toute anomalie avant que de grands volumes ne soient déployés sur le terrain. »

Ces premières observations conduisent souvent à des améliorations de la conception dès la première année de production.

Un autre domaine clé est celui des tests de validation. Les tests en laboratoire permettent d'explorer des conditions de fonctionnement extrêmes, mais ils ne peuvent pas reproduire intégralement l'utilisation en conditions réelles.

« Rien ne remplace totalement la validation sur le terrain », affirme Phillips. « Mais les essais sur le terrain, à eux seuls, peuvent être assez spécifiques. Ils ne permettent pas toujours de déceler toutes les perturbations ni d'atteindre tous les points critiques, ce qui empêche d'avoir une vision complète. »

Pour pallier cette incertitude, les ingénieurs testent fréquemment les systèmes aux limites de leur plage de fonctionnement.

« Il faut envisager les scénarios les plus pessimistes », explique-t-il. « Si l’on prend en compte les composants les plus défectueux et l’environnement le plus défavorable, le système survivra-t-il ? »

L'ampleur du programme détermine souvent le niveau de contrôle exercé. Les produits à grand volume exigent une plus grande fiabilité, car même de petites décisions de conception peuvent avoir des répercussions importantes sur des milliers d'unités.

« Lorsqu’on produit un grand nombre de systèmes, chaque dépense compte », explique Phillips. « Mais on ne peut pas non plus se permettre des défaillances sur le terrain. »

Solutions intégrées versus solutions complémentaires

Bien que le développement intégré soit généralement privilégié, il existe encore des situations où les systèmes de dépollution doivent être ajoutés aux moteurs existants plutôt que d'être développés en parallèle.

Un système de post-traitement des gaz d'échappement Eminox à couplage direct

« Eminox reçoit régulièrement des demandes de systèmes d'échappement faciles à installer et nous proposons une gamme de solutions pour répondre aux besoins de nos clients », explique Phillips. « Parfois, le client possède déjà un moteur et ne souhaite pas le changer, ou le coût d'une refonte serait trop élevé. »

Dans ces cas-là, les ingénieurs doivent adapter le système de post-traitement à l'architecture existante.

« Il faut toujours faire des compromis », reconnaît-il. « Mais c'est parfois la solution commercialement judicieuse, surtout pour les applications à faible volume. »

Différences régionales en matière de réglementation

Ce qui ajoute encore à la complexité, c'est que les réglementations en matière d'émissions diffèrent considérablement d'un marché mondial à l'autre.

En Europe, le renforcement de la réglementation est resté relativement constant, offrant aux fabricants des objectifs à long terme plus clairs. À l'inverse, aux États-Unis, le cadre réglementaire est plus fragmenté, avec des approches très diverses, allant d'une réglementation fédérale relativement souple aux contrôles stricts du California Air Resources Board (CARB).

« Le CARB a tendance à être plus agressif », remarque Phillips. « D’autres États peuvent choisir de suivre cette approche ou celle de l’EPA [Agence fédérale de protection de l’environnement]. »

Les marchés émergents comme l'Inde présentent également des défis uniques.

Phillips déclare : « La réglementation progresse, mais les échéanciers peuvent évoluer. Dans certains secteurs, la dynamique est forte, tandis que dans d’autres, l’industrie a besoin de plus de temps pour s’adapter. »

Malgré ces variations régionales, un facteur demeure constant : le coût est toujours au cœur des discussions.

« La question des coûts est la même partout », explique Phillips. « Ce qui change, c’est l’application et son architecture. »

Choisir le bon système

L'un des écueils les plus courants dans le développement des émissions, selon Phillips, est de se concentrer excessivement sur les composants individuels plutôt que sur le système dans son ensemble.

« Il ne s’agit pas seulement de choisir les meilleurs composants individuellement », explique-t-il. « Il faut des composants qui fonctionnent ensemble en harmonie. »

En réalité, combiner les composants matériels les plus performants dans chaque catégorie peut parfois simplement augmenter les coûts sans améliorer les performances.

« Si chaque spécialiste défend avec acharnement les meilleures fonctionnalités de son domaine, on peut se retrouver avec un système surdimensionné, dont le budget est dépassé et qui est potentiellement sous-optimisé », explique-t-il.

En réalité, le succès réside souvent dans l'équilibre entre performance, durabilité et coût à l'échelle de l'ensemble du système.

Réduire la complexité pour réduire les coûts

Le défi pour les équipementiers qui évoluent dans ces environnements réglementaires et techniques est de combiner la minimisation des prix des composants avec la réduction des difficultés d'intégration, le raccourcissement des cycles de développement et la garantie de performances fiables des systèmes tout au long de leur cycle de vie.

Il ne s'agit pas d'une mince affaire et cela nécessite une vision globale du contrôle des émissions qui relie les considérations d'ingénierie, de validation, de fabrication et de service.

« Même si les constructeurs automobiles comprennent très bien le post-traitement aujourd'hui », explique Phillips, « il est toujours très utile de travailler avec des intégrateurs de systèmes d'échappement pour optimiser l'ensemble du système, en veillant à ce que le moteur et le post-traitement soient parfaitement intégrés. »

En définitive, le coût d'acquisition le plus bas s'obtient non pas en réduisant les efforts d'ingénierie, mais en les appliquant aux bons endroits.

Face à l'évolution constante des normes d'émissions à l'échelle mondiale, les fabricants qui adoptent cette approche systémique seront probablement mieux placés pour assurer la conformité de manière efficace et durable.

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Cet article a été produit par KHL Content Studio, en collaboration avec des experts du groupe Eminox.

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Toutes les images sont une gracieuseté d' Eminox.