La plupart des efforts visant à réduire la pollution atmosphérique et les impacts climatiques négatifs des véhicules d'aujourd'hui se concentrent sur les voitures et les camions légers qui sont généralement alimentés à l'essence, avec des stratégies qui vont de l'électrification et du covoiturage aux véhicules autonomes.

"Ces stratégies peuvent être une partie importante de la solution globale, " dit Daniel Cohn, chercheur au MIT Energy Initiative. "Mais il est également de plus en plus important de penser aux camions lourds et moyens. Trouver un moyen de les nettoyer pourrait en fait apporter une plus grande amélioration de la qualité de l'air dans le monde au cours des prochaines décennies."

Propulsé en grande partie par des moteurs diesel, ces camions sont désormais le plus gros producteur d'émissions d'oxydes d'azote (NOx) dans le secteur des transports, contribuant à l'ozone troposphérique, problèmes respiratoires, et les décès prématurés dans les zones urbaines. Certaines estimations prévoient que le carburant diesel, utilisé à la fois pour les camions et les voitures, se vendra mieux que l'essence dans le monde au cours de la prochaine décennie, menaçant d'augmenter encore la pollution de l'air urbain déjà grave ainsi que les concentrations de gaz à effet de serre (GES).

Les moteurs diesel à usage intensif d'aujourd'hui offrent une économie de carburant et une puissance élevée, ce qui les rend idéales pour le long-courrier, véhicules utilitaires à kilométrage élevé. Mais trouver une autre option est essentiel, dit Cohn. "Nous devons remplacer les moteurs diesel par d'autres moteurs à combustion interne beaucoup plus propres et produisant moins de gaz à effet de serre."

À l'aide d'une analyse de simulation informatique, Cohn et son collègue Leslie Bromberg, ingénieur de recherche principal au Plasma Science and Fusion Center et au Sloan Automotive Laboratory, ont conçu un moteur essence-alcool de remplacement demi-taille qui devrait être non seulement plus propre, mais aussi moins coûteux et plus performant, et pourrait bientôt être introduit dans la flotte de véhicules en circulation.

Remplacement du diesel lourd

Aux États-Unis, la pression sur l'industrie du camionnage pour qu'elle s'occupe des émissions de diesel s'est accrue. En effet, les réglementations attendues en Californie exigeraient que les émissions de NOx des camions moyens et lourds soient réduites d'environ 90 pour cent par rapport aux diesels les plus propres d'aujourd'hui, qui utilisent des systèmes de traitement des gaz d'échappement complexes et coûteux juste pour répondre aux réglementations en vigueur. Dans certaines parties du monde, comme l'Inde et la Chine, ces systèmes de nettoyage ne sont généralement pas utilisés. Par conséquent, Les émissions de NOx sont environ 10 fois plus élevées, et les ramener au niveau des futures réglementations californiennes nécessiterait une réduction d'environ 98 pour cent.

Aux Etats-Unis, certains camions ont commencé à respecter les limites strictes de NOx attendues en utilisant de gros moteurs à allumage commandé (SI) alimentés au gaz naturel. Mais l'adoption à grande échelle de ces moteurs serait problématique. Stocker et distribuer un carburant gazeux augmente le coût des véhicules et pose des problèmes d'infrastructure, et l'utilisation du gaz naturel peut conduire à un impact climatique accru en raison des fuites de méthane, un GES à fort potentiel de réchauffement climatique.

Pour éviter les défis liés au traitement du gaz naturel, Cohn et Bromberg ont décidé de poursuivre une autre approche :un moteur SI à usage intensif alimenté à la place par de l'essence. En général, Les moteurs à essence SI produisent de faibles émissions de NOx. Guidés par leurs modèles informatiques, Cohn et Bromberg ont pris une série de mesures pour augmenter la puissance et l'efficacité de cette conception sans sacrifier ses avantages en matière d'émissions.

Pendant le fonctionnement normal du moteur à essence SI, le processus de conversion de la combustion des gaz en couple (force de rotation) au niveau des roues progresse en douceur, jusqu'à ce qu'un fonctionnement à couple élevé soit nécessaire, par exemple, pour tirer une charge lourde à grande vitesse ou en montée. Puis, les pressions et les températures à l'intérieur du cylindre peuvent augmenter tellement que les gaz de combustion non brûlés s'enflamment spontanément. Le résultat est frapper, ce qui provoque un bruit de cliquetis métallique et peut endommager le moteur. La nécessité d'empêcher le cliquetis a jusqu'à présent limité les améliorations de l'efficacité et des performances qui seraient nécessaires pour que les moteurs à essence concurrencent les diesels.

Cohn et Bromberg ont traité ce problème en utilisant de l'alcool. Lorsque le moteur SI travaille dur et qu'un cognement se produirait autrement, une petite quantité d'éthanol ou de méthanol est injectée dans la chambre de combustion chaude, où il se vaporise rapidement, refroidir le carburant et l'air et rendre la combustion spontanée beaucoup moins probable. En outre, en raison de la composition chimique de l'alcool, sa résistance inhérente au cliquetis est supérieure à celle de l'essence. L'alcool peut être stocké dans un petit réservoir de carburant séparé, car le liquide de nettoyage des gaz d'échappement est stocké dans un véhicule à moteur diesel. Alternativement, il pourrait être assuré par la séparation à bord de l'alcool et de l'essence dans le réservoir de carburant ordinaire. (Presque toute l'essence vendue aux États-Unis est maintenant un mélange de 90 pour cent d'essence et de 10 pour cent d'éthanol.)

Avec l'inquiétude concernant les coups supprimés, les chercheurs ont pu tirer pleinement parti de deux techniques utilisées dans les voitures particulières d'aujourd'hui. D'abord, ils ont utilisé la turbocompression, mais à des niveaux supérieurs. La suralimentation consiste à comprimer l'air entrant afin que davantage de molécules d'air et de carburant s'insèrent à l'intérieur du cylindre. Le résultat est qu'une puissance de sortie donnée peut être obtenue en utilisant un volume total de cylindre plus petit. Et deuxieme, ils ont utilisé un taux de compression élevé, qui est le rapport du volume de la chambre de combustion avant compression sur le volume après. À un taux de compression plus élevé, les gaz brûlants se dilatent davantage à chaque cycle, donc plus d'énergie est fournie pour une quantité donnée de carburant.

Les chercheurs ont également utilisé une caractéristique importante du moteur SI à faible émission de NOx alimenté au gaz naturel :ils ont supposé que le mélange d'air et de carburant à l'intérieur de leur moteur contenait juste assez d'air pour brûler tout le carburant - pas plus, pas moins. Cette opération stoechiométrique a permis des changements importants impossibles dans le diesel, qui doit fonctionner avec beaucoup d'air supplémentaire pour contrôler les émissions. Avec opération stœchiométrique, ils pourraient utiliser un catalyseur à trois voies pour nettoyer les gaz d'échappement du moteur. Un système relativement peu coûteux, le catalyseur à trois voies élimine les NOx, monoxyde de carbone, et les hydrocarbures non brûlés des gaz d'échappement du moteur et est la clé de la faible teneur en NOx obtenue dans les moteurs SI d'aujourd'hui.

Puis, un fonctionnement stoechiométrique donné combiné à un niveau de suralimentation plus élevé et un taux de compression élevé, les chercheurs ont pu réduire l'ensemble de leur moteur. Le moteur SI ne contient pas tout l'excès d'air qui se trouve dans un diesel, ainsi le volume total de ses cylindres peut être plus petit.

« À cause de cette différence, vous pouvez remplacer un moteur diesel par un moteur SI environ deux fois moins gros, " dit Bromberg.

Cette réduction de taille s'accompagne d'une augmentation de l'efficacité énergétique. Dans n'importe quel moteur, le processus de pompage d'air dans les cylindres et diverses sources de friction réduisent inévitablement le rendement énergétique. Ces pertes de pompage dépendent de la taille du moteur. Faire un moteur plus petit, et il y a moins de friction et moins de carburant gaspillé.

Pris ensemble, le catalyseur à trois voies à faible coût et la taille globale plus petite contribuent à rendre le moteur essence-alcool moins cher que le moteur diesel le plus propre avec un système de nettoyage des gaz d'échappement à la pointe de la technologie. En effet, selon les estimations des chercheurs, le coût du moteur essence-alcool et de son système de traitement des gaz d'échappement serait environ la moitié de celui du moteur diesel le plus propre.

Puissance, Efficacité, et la consommation d'alcool

Comment le moteur SI essence-alcool demi-taille se compare-t-il au diesel pleine taille le plus propre d'aujourd'hui en termes d'efficacité et de puissance ? Pour répondre à cette question, les chercheurs ont utilisé une série de simulations sophistiquées de moteurs et de véhicules et de modèles cinétiques chimiques développés par Bromberg.

Pour la comparaison, ils ont utilisé une version illustrative de leur moteur basée sur un moteur de 6,7 litres qui est maintenant fabriqué et pourrait - avec des modifications relativement petites - être converti en configuration essence-alcool. Leur analyse supposait que le taux de compression et le couple moteur étaient à peu près les mêmes dans le moteur SI essence-alcool de 6,7 que dans un moteur diesel de 12 litres. Mais le moteur SI peut fonctionner beaucoup plus vite que le diesel. (La combustion est plus rapide avec l'allumage par étincelle qu'avec l'allumage par compression utilisé dans les moteurs diesel.) En raison du fonctionnement plus rapide et du couple à peu près équivalent, le petit moteur peut produire près de 50 % de puissance en plus que le diesel. Et tandis que le moteur essence-alcool est un peu plus efficace que le diesel à couple élevé et moins efficace à faible couple, en général, le petit moteur SI est à peu près aussi efficace que le diesel.

Cependant, car plus de couple est nécessaire, frapper devient plus probable, il faut donc plus d'éthanol. Au couple le plus élevé, environ 80 pour cent du carburant total doit être de l'éthanol pour éviter les cognements. Cette estimation suscite des inquiétudes :aux États-Unis, l'éthanol est largement utilisé dans un mélange à faible concentration avec de l'essence, mais l'éthanol pur ou un mélange éthanol-essence à haute concentration peut ne pas être disponible ou peut être trop coûteux. Alors, quelle quantité d'éthanol est susceptible d'être nécessaire pour un voyage donné ?

Par exemple, les chercheurs ont envisagé un voyage effectué par un long-courrier, véhicule lourd qui nécessite la plupart du temps un couple élevé. Selon le taux de compression, l'éthanol pourrait représenter 20 à 40 pour cent de sa consommation totale de carburant. En revanche, un camion de livraison peut fonctionner à faible couple la plupart du temps et se débrouiller très bien avec de l'éthanol comme 10 pour cent de son carburant total sur une période de conduite.

"De tels niveaux de consommation d'éthanol sont faisables, " note Cohn. "Mais le système serait plus attrayant pour les gens si vous aviez un cas où vous pourriez utiliser moins d'éthanol."

Une façon de réduire l'utilisation d'éthanol serait de diluer l'éthanol avec de l'eau. En utilisant le modèle de frappe, Cohn et Bromberg ont déterminé que la résistance au cliquetis est en fait plus élevée lorsque l'eau constitue jusqu'à un tiers du carburant secondaire. "Et dans certains cas où vous n'avez pas besoin d'éthanol pour l'antigel, vous pourrez peut-être fonctionner avec de l'eau seule comme fluide secondaire, " dit Cohn.

Une autre approche pour réduire la consommation d'alcool, appelée accélération, consiste à faire fonctionner le moteur à une vitesse plus élevée. Faire tourner le moteur plus rapidement et régler l'engrenage de la transmission pour augmenter le rapport entre le régime du moteur et le régime de la roue permettent d'utiliser moins de couple moteur dans le moteur à essence pour obtenir le même couple à la roue que dans le diesel. Selon les calculs des chercheurs, que la réduction du couple moteur pourrait réduire la consommation d'éthanol sur une période de conduite à moins de 10 pour cent du carburant total consommé, une quantité qui pourrait être fournie par la séparation de carburant à bord.

Réduire les impacts climatiques

Cohn souligne un autre avantage du moteur SI essence-alcool :une voie vers la réduction des émissions de GES.

"Un aspect quelque peu sous-estimé dans l'évaluation des impacts environnementaux des véhicules de transport est que les émissions de GES des camions dans le monde dépasseront les émissions de GES des voitures entre 2020 et 2030, " note-t-il.

Le moteur SI essence-alcool peut fonctionner en mode carburant flexible où il n'utilise que de l'alcool pur si désiré. À l'heure actuelle, en examinant le cycle de vie des carburants et en supposant un rendement moteur comparable, l'utilisation d'éthanol produit à partir de maïs par des méthodes de pointe génère environ 20 % d'émissions de GES en moins que l'utilisation d'essence ou de carburant diesel. Des réductions encore plus importantes des émissions de GES pourraient survenir lorsque les carburants à l'éthanol et au méthanol sont produits à partir de l'agriculture, sylviculture, et les déchets municipaux ou la biomasse spécialisée.

« Réduire les émissions de GES des camions en trouvant une source d'énergie alternative, par exemple, par l'électrification - cela pourrait prendre beaucoup de temps, " dit Cohn. " Mais si vous pouvez faire fonctionner votre moteur partiellement avec de l'éthanol ou entièrement avec de l'éthanol, c'est une bonne façon de commencer tout de suite."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.