Réduction des émissions des machines mobiles : le compte à rebours est lancé

Début 2014, des valeurs limites beaucoup plus strictes pour les émissions des machines mobiles entreront en vigueur. Les constructeurs devront relever d'énormes défis techniques pour respecter les exigences de Tier 4 final car la plupart des systèmes devront être entièrement revus. Bosch Rexroth AG fait le point sur les développements en cours. Explications.

Début 2014, des valeurs limites beaucoup plus strictes pour les émissions des machines mobiles entreront en vigueur. Les constructeurs devront relever d’énormes défis techniques pour respecter les exigences de Tier 4 final car la plupart des systèmes devront être entièrement revus. Bosch Rexroth AG fait le point sur les développements en cours.Depuis 1999, il existe un carnet de route de l’UE pour les machines mobiles à moteur diesel. Il prévoit de réduire sensiblement en l’espace de 15 ans et en 4 étapes les valeurs limites d’émissions d’oxydes d’azote (NOx), de monoxyde de carbone (CO), d’hydrocarbures (HC) et de particules fines. Aux États-Unis, un agenda comparable existe, avec des valeurs limites et des dates butoir légèrement différentes.Actuellement, les machines mobiles sont conformes au niveau Tier 3 ou Tier 4 interim. Les émissions ont déjà été réduites environ de moitié par rapport à Tier 1. L’objectif ultime est le Tier 4 final, qui sera obligatoire à partir de 2014 pour les premières machines. Les émissions d’oxyde d’azote devront encore être réduites de plus de la moitié par rapport à Tier 3.

Défis techniques à ne pas sous-estimer

Vu de loin, une autre réduction de moitié semble être un objectif réaliste. Mais en fait, avec le Tier 4 final, les cartes sont totalement redistribuées. Les valeurs limites sont si strictes que, pour la première fois, ‘il ne sera pas suffisant d’optimiser seulement dans certains domaines. Un moteur diesel plus efficace, une meilleure gestion de l’énergie ou un retraitement plus moderne des gaz d’échappement ont, dans le passé, souvent suffi pour franchir l’obstacle.Les problèmes liés au Tier 4 final ne doivent pas être sous-estimés. Par exemple, il sera nécessaire de combiner le retraitement des gaz d’échappement et les filtres à particules. Le travail de développement et les coûts augmentent en raison des composants d’injection dans le système d’échappement ainsi que des pots supplémentaires nécessaires au retraitement. Il en va de même pour le filtre à particules diesel. Comme les composants nécessitent énormément de place dans le compartiment moteur, les constructeurs de véhicules sont obligés, notamment pour les engins de construction de petite à moyenne taille, de profondément transformer, voire de repenser complètement leurs véhicules.Pour atteindre les objectifs d’émissions à venir, il est nécessaire de considérer le système dans son intégralité. Dans toute une série d’applications comme les engins de construction, l’entraînement hydrostatique apparaît comme une possibilité pour compenser les répercussions économiques et techniques des nouvelles valeurs limites d’émissions. En fonction de la situation initiale, une surcompensation est même possible. L’augmentation du niveau de pression dans le système est ici un élément de départ essentiel. La conception correcte des entraînements hydrostatiques avec les pompes et les moteurs haute pression peut nettement améliorer le rendement de l’entraînement. Ainsi la voie est libre pour une réduction de la taille du moteur diesel ou une baisse de la consommation grâce à une diminution du régime du moteur diesel tout en conservant la puissance installée.

Des composants avancés pour les nouvelles solutions système

Les exigences posées aux composants haute pression sont simultanément plus élevées. En raison des contraintes plus fortes, le risque d’une usure accrue et d’une durée de vie plus courte des unités est normal. Rexroth a donc commencé très tôt à développer une nouvelle génération de pompes et de moteurs qui visent à relever les défis de Tier 4 final. Pour optimiser le système d’entraînement hydrostatique, Rexroth a entièrement revu la pompe A4VG et le moteur A6VM et les a équipés des derniers groupes rotatifs haute performance permettant ainsi d’augmenter la pression nominale de 400 à 450 bars (pic de pression maximale de 500 bars), tout en augmentant le régime nominal et le rendement des composants.Le concept de régulation modulaire des nouvelles séries concerne les exigences de marché et d’application les plus diverses. Grâce aux nombreuses options, de la commande mécanique simple en passant par la commande hydraulique jusqu’à l’électronique embarquée (OBE), toutes les stratégies de commande et de régulation sont possibles.

Une grande performance malgré une puissance moteur réduite

Les unités à pistons axiaux de même calibre peuvent désormais transmettre une puissance nettement supérieure. Ce bond en performance des composants rend possible une réduction de puissance du moteur diesel. Ainsi, l’augmentation du niveau de pression compense la puissance plus faible au moteur diesel et ce non seulement au démarrage, mais sur toute la plage de régulation de l’entraînement. Ainsi, les ingénieurs de Rexroth peuvent augmenter le rendement total d’un système jusqu’à 15% et ceci dans différentes applications. Grâce aux caractéristiques de puissance plus élevées de la nouvelle pompe A4VG et du nouveau moteur A6VM, il est possible de conserver la performance de la machine même lorsque la puissance d’entraînement installée est réduite. Dans le meilleur des cas, une telle réduction de taille permet de passer sous la barre « magique » des 56 kW pour le moteur diesel.

Récupération de l’énergie pour lisser la puissance

Réduire la taille du moteur diesel n’est qu’une des pistes sur la voie du challenge TIER4 final. L’hydraulique intelligente peut également contribuer au succès dans différents domaines. Par exemple, le moteur diesel et le système de retraitement des gaz d’échappement préfèrent un régime le plus constant possible. Une amplitude de variation faible, donc un changement de charge peu sensible pour le diesel, fait chuter la consommation et donc les émissions. Mais les machines mobiles justement ont généralement des besoins de puissance qui varient énormément. Pour réunir ces exigences contraires, la récupération d’énergie s’impose. Il s’agit ici d’emmagasiner l’énergie excédentaire et de la restituer de façon ciblée lors des pointes de puissance. Pour ce faire, Rexroth s’appuie sur une technique connue pour ses pompes en circuit ouvert : la commande « mooring ». Une pompe hydraulique à cylindrée variable peut basculer en négatif au point zéro de telle sorte qu’une récupération de l’énergie excédentaire peut être effectuée. Les modules de logiciels spécialement conçus pour cette technique permettent une commande précise de la puissance absorbée et restituée au système. Un programme de régulation a été spécialement conçu pour la pompe A10VO qui promet une augmentation de pression de 10 %et une nette amélioration du rendement.

Intégration d’une commande de moteur diesel et d’une commande hydraulique

Un autre point de départ pour conserver la dynamique élevée habituelle des systèmes hydrauliques de translation et de travail des machines mobiles même en cas de régimes réduits des moteurs diesel, est l’intégration intelligente d’une commande hydraulique et d’une commande de moteur diesel. Avec le « Diesel Hydraulic Control » (DHC), Rexroth a développé avec Bosch un procédé qui modifie la chaîne fonctionnelle courante. Le système hydraulique de translation et de travail annonce au préalable au moteur diesel les charges attendues. Le moteur fonctionne alors de façon proactive et peut ainsi éviter des fortes variations. La commande hydraulique et la commande diesel communiquent entre elles et fonctionnent ensemble afin de maintenir la consommation et les émissions au niveau le plus bas possible, sans que la nervosité de l’hydraulique de translation et de travail n’en souffre.

Le temps presse

2014 paraît encore bien loin. Mais en fait les fabricants doivent avoir terminé leur conception dès la fin de cette année. Car après la construction des prototypes, il ne reste plus beaucoup de temps pour tester les systèmes et faire qu’ils soient aptes à la production en série. 2010 sera donc une année décisive. Ceux qui n’auront pas terminé une conception de base cette année ont peu de chances de pouvoir présenter début 2014 des machines finies qui peuvent respecter les normes d’émission de Tier 4 final.