meeting euro 6 - french article

7/27/2019 Meeting Euro 6 - French Article

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........INNOVATIONS & TECHNOLOGIES

N 806 - Ingnieurs de lAutomobile

Diesel

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Euro 6, qui dcrocherale premier rle ?Aprs lEuro 5, le moteur Diesel devra bientt se conformer lEuro 6 qui abaisse cette fois-ci la limite des rejets de NOx.Les solutions sont connues et plurielles. Leurs performancescontinuent de progresser si bien que toutes les voiestechniques sont prsentes par leurs acteurs industriels

comme la mieux place pour rpondre la norme.

N 806 - Ingnieurs de lAutomobile 15


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INNOVATIONS & TECHNOLOGIES........

Ingnieurs de lAutomobile - N 806

Diesel

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La norme Euro 6, applicable aux voituresparticulires, entrera en vigueur partirdu 1er septembre 2014 en ce qui concerne

la rception et du 1er septembre 2015 en

ce qui concerne limmatriculation et la

vente des nouveaux types de vhicules.

Compares aux valeurs de lEuro 5, la

modification majeure est labaissement de

la limite des missions doxydes dazote

(NOx) qui passe de 180 seulement 80

grammes par kilomtre sur le cycle NEDC.

Par ailleurs, les construc-

teurs doivent garantir la

durabilit des dispo-

sitifs de contrle de

la pollution pour

une distance de

160 000 km et

la conformit enservice doit pou-

voir faire lobjet

de vrifications

pendant 5 ans ou

100 000 km.

Aprs la svrisation

de la limite des rejets des

particules apparue avec lEuro 5, le

moteur Diesel doit donc revoir nouveau

ses missions brutes et sa post-dpollu-

tion, sans oublier que la pression sur le

CO2 saccrot, de mme que sur les cots.

Le SCR

videmmentLe systme le plus efficace pour traiter les

rejets doxydes dazote est la rduction

catalytique slective (SCR Selective Ca-

talytic Reduction) dj commercialise par

une majorit de poids lourds. Son taux de

traitement peut en effet atteindre 85 %. Il

convertit en continu les NOx en azote (N) et

en eau (H2O). Cette conversion est rendue

possible par linjection dun agent rducteur

appel AdBlue, un mlange deau et de

32,5 % dure synthtique (NH2-CO-NH2).

Limplantation de ce dispositif pose cepen-

dant des contraintes dencombrement, de

poids et de cot : il comprend un cataly-

seur avec injecteur, un module de dosage,

un rservoir dAdBlue et

un contrle en boucle ralis par deux

capteurs NOx, ainsi quune surveillance par

des capteurs de pression et de temprature.

Il faut galement ajouter un systme dechauffage pilot de la pompe de dosage et

du rservoir car le point de conglation de

la solution AdBlue est de -11 C.

Cette technologie quipe aujourdhui essen-

tiellement des voitures vendues aux USA o

les limites sont infrieures lEurope et le

contrle OBD plus svre. En Allemagne,

Audi commercialise des A4 et Q7 en ver-

sion SCR rpondant la norme Euro 6. La

consommation en cycle mixte NEDC du Q7

3.0 TDI clean diesel quat tro (176 kW) avec

bote de vitesses automatique Tiptronic

est de 8,9 l/100 km alors que la mme

version sans le SCR, homologue Euro 5,

consomme 9,1 l/100 km. Le poids en

ordre de marche de la clean diesel est

suprieur de 50 kg (2345 kg) mais les per-

formances sont identiques. Etonnamment,

les Mercedes, de niveau Euro 6, vendues

en France avec le moteur 350 BlueTEC

(Classe E,ML, R et G), consomment entre

0,5 et 1,1 l/100 km en plus que leur versionsans SCR en cycle extra-urbain ! Notons

galement que Mazda distribue le CX-7 2.2

MZR-CD avec SCR.

La consommation dAdBlue tant de 1

3 % du gazole, les 22,5 litres de lAudi A4

Diesel

The Euro 6 standard, which will apply to private cars, will come into

force on 1st September 2014 for approval of new vehicle types, andon 1st September 2015 for their registration and sale. The main differencecompared with the Euro 5 parameters is the lowering of the emissionlimits of nitrogen oxides (NOx) from 180 g/km to only 80 g/km on theNEDC cycle. Moreover, manufacturers must guarantee the durability ofpollution control systems for at least 160,000 km and it must be pos-sible to verify their operating conformity every 5 years or 100,000 km.

So the Diesel engine, following the increasing severity of particle emis-sion standards established in Euro 5, must once again review its rawemission levels and its post pollution control, without overlooking thefact that pressure on CO2 is increasing, as well as on costs.

The SCR system: an obvious answerThe most efficient system for handling nitrogen oxide emissions is SCR- Selective Catalytic Reduction - already fitted on most heavy goodsvehicles. Its treatment level can reach 85%. It converts NOx emissions

to nitrogen (N) and water (H2O) on a continuous basis. This conversion

is made possible by the injection of a reducing agent called AdBlue, amixture of water and 32.5% of synthetic urea (NH2-CO-NH2). However,this system has drawbacks in terms of its bulk, weight and cost. It com-prises a catalytic converter with an injector, a dosing unit, an AdBlue tankand a loop monitoring system consisting of two NOx sensors, with twopressure and temperature sensors. As the freezing point of the AdBluemixture is -11C, a managed heating system must also be added forthe dosing pump and tank.

Today this technology is mainly fitted to cars sold in the USA, wherelimits are lower than in Europe and OBD controls are more severe. InGermany Audi sells SCR versions of its A4 and Q7 vehicles which meetthe Euro 6 standard. The consumption of the Q7 3.0 TDI clean dieselquattro (176 kW) with the Tiptronic automatic gearbox in the NEDCmixed cycle is 8.9 litres/100 km, whereas the same version withoutSCR, approved for Euro 5, consumes 9.1 litres/km. The running weightof the clean diesel is 50 kg higher (2345 kg) but the performance is

Euro 6: who will win the leading role?After Euro 5, diesel engines will soon be required to comply with Euro 6, which will lower the acceptable limits of NOxemissions. The solutions are numerous, and well-known. Their performances continue to improve, to the extent thatevery technical route is being presented by its industrial players as being in the best position to meet the standard.

Implan-tation du

circuit SCRsur le Mazda

CX-7 2.2MZR-CD.


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3.0 TDI clean diesel quattro et les 28 l de

la Mercedes R 320 BlueTEC permettent de

tenir environ 20 000 km. Mercedes indique

que le plein est ralis par leur rseau d en-

tretien, ce qui impose de ramener linter-

valle de rvision ce kilomtrage. LAdBlue

pourra galement tre disponible en bidon

dans les stations-service dans le cas ole remplissage pourrait tre effectu par

lutilisateur. La socit Albonair a prsent

un systme optimis dinjection dure qui

permet de pulvriser le produit sous forme

de gouttelettes dun diamtre moyen de

seulement 10 microns. Le mlange du

produit dans

le catalyseur

tant amlio-

r, il est esp-

r une rduction

de la consomma-

tion dAdBlue. Cette

consommation pourratre galement mieux

contrle par lemploi dun cap-

teur dammoniaque en sortie de ca-

talyseur qui apportera un contrle en

boucle continu. Delphi fournira ce capteur

partir de 2012.

identical. Surprisingly, the Euro 6-level Mercedes sold in France withthe 350 BlueTec engine () consume between 0.5 and 1.1 litres/kmmore than their non-SCR versions in the extra-urban cycle! It shouldalso be noted that Mazda distributes the CX-7 2.2 MZR-CD with SCR.

As the consumption of AdBlue is from 1% to 3% of diesel fuel, the 22.5

litres of the Audi A4 3.0 TDI clean diesel quattro and the 28 litres ofthe Mercedes R 320 BlueTEC allow them to run for about 20,000 km.Mercedes states that the system must be refilled by its servicing network,which means that servicing intervals must be reduced to the same mileage.If the user could carry out refilling, AdBlue could also be provided incans at service stations. Albonair has presented an optimised ureainjection system that would enable the product to be sprayed in dropswith an average diameter of only 10 microns. As this would improvethe mixing of the product in the catalytic converter, the consumptionof AdBlue should be reduced. The consumption could also be bettercontrolled by using an ammonium sensor at the outlet of the catalyticconverter, which would provide continuous loop monitoring. This sensorwill be supplied by Delphi in 2012.

In the long term the management of the SCR will have no effect on engineconsumption. It may even enable manufacturers to focus combustiondevelopment essentially on efficiency and leave pollutants to be handled

by an efficient battery of post-pollution control devices. We will thensee the return of hotter combustions and higher compression ratios.Dr. Rolf Leonhard, Executive Vice President, Bosch Diesel Systems, hasdeclared: If nitrogen oxide emissions can be limited by an SCR catalyticconverter it will be possible to have a higher combustion temperaturein the engine. This will increase the efficiency of the Diesel and reduce

consumption. With that configuration and our Denoxtronic system wecan reduce consumption from 5% to 7%.

Urea-free SCR!A urea-free SCR system? The performance of SCR without its drawbacks!Honda revealed this product at the end of 2006, and then announced thatit would be marketed by Acura on the American market in 2009, but weare still waiting for it. The system has a two-layer catalytic converter. Thelower layer absorbs the NOx in exhaust gases. The engine then changesto rich mixture mode so that the hydrocarbons are converted to hydrogen(H2) and ammonia (NH3) is produced by a chemical reaction. The NH3is stored in the upper layer. When the engine returns to weak mode, thereaction between the NH3 and the NOx in the exhaust gases producesnitrogen (N2). Moreover this system would improve the characteristicsof nitrogen oxide reduction between 200C and 300C, i.e. at the usualtemperatures found in the exhaust system. IFP has also published workon this subject, as well as Delphi (Ag HC-SCR catalytic converter followed

Schma dimplantation des composantsdun systme SCRsur la Mercedes Classe E BlueTEC

Capteur de prsencedammoniaque propos

par Delphi.

A terme, la gestion du SCR naura pas

dincidence sur la consommation du mo-

teur. Elle pourrait mme permettre aux

motoristes dorienter le dveloppement de

la combustion princi-

palement vers le ren-

dement et de laisser

les polluants un ar-

senal de dispositifs de

post-dpollution efficace.

Nous verrons alors revenir des

combustions plus chaudes et des rapports

volumtriques remonter. Dr. Rolf Leonhard,

Vice-prsident excutif des systmes Diesel

chez Bosch a ainsi annonc : Si les mis-sions doxydes dazote peuvent tre limitespar un convertisseur catalytique SCR, unetemprature de combustion plus leve

sera permise dans le moteur. Cela aug-mentera le rendement du Diesel

et abaissera la consom-mation.


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Avec cetteconfiguration et notre systmeDenoxtronic, nous pouvons rduire la

consommation de 5 7 %.

Le SCR

sans ure !Un systme SCR sans ure ? La perfor-

mance du SCR sans les inconvnients !Dj Honda avait dvoil ce produit fin

2006, puis annonc sa commercialisation

par Acura sur le march amricain en

2009, mais nous lattendons encore. Ce

systme dispose dun catalyseur deux

couches. La couche infrieure adsorbe les

NOxprsents dans les gaz dchappement.

Le moteur passe ensuite en mlange riche

afin que les hydrocarbures se transfor-

ment en hydrogne (H2) et quune rac-

tion chimique produise de lammoniaque

(NH3). Le NH3 est stock dans la couche

suprieure. Lorsque le moteur retourne en

mode pauvre, la raction entre le NH3 et

les NOx des gaz dchappement donne de

lazote (N2).De plus, ce dispositif amliorerait les carac-

tristiques de rduction des oxydes dazote

entre 200 et 300 C, soit les tempratures

courantes dans la ligne dchappement.

LIFP a galement publi des travaux sur le

sujet, de mme que Delphi (catalyseur Ag

HC-SCR suivi dun second catalyseur NH3-

SCR) et Ford.

Enfin, BASF a rcemment prsent sur le

concept car Hyundai i-flow sa solution.

Son intrt est de combiner 4 systmes

de dpollution le catalyseur DeNox (LNT,

lean-NOs trap), le catalyseur oxydation

(DOC), le filtre particules (FAP) et le

systme de rduction catalytique slective

SCR en seulement deux dispositifs : un

DOC/LNT avec substrat recouvert de mtaux

prcieux et un catalyseur SCR intgr dans

le substrat du FAP. Le catalyseur DOC/LNT

est un monolithe en cramique avec un

revtement catalyseur. Il retient les NOx lors

des combustions pauvres et les relche lors

des squences en combustion riche pour

fournir du N2 (diazote). De lammoniaque

est gnr dans le DOC/LNT et utilis par le

catalyseur SCR pour retirer les excs de NOx

alors que le FAP traite les suies grce mo-

nolithe en cramique effet de parois. Lavritable innovation est que nous avons trou-v un moyen de gnrer de lammoniaquedans le LNT en amont du SCR expliqueMarius Vaarkamp, responsable des produits

de catalyse mobile chez BASF. Les voituresavec des moteurs de petite cylindre, quinauront donc pas besoin dun haut niveaude conversion des NOx, ne feront pas appelau module SCR/FAP mais seulement lacombinaison DOC/LNT prcise Thomas

Droege, directeur marketing des produits decatalyse mobiles. Marius Vaarkamp : Satis-faire aux limites dmission de NOxsans exi-ger un rservoir dure lourd et encombrant,un injecteur, une unit de commande et demontages connexes offre aux constructeursun avantage important sur la masse. Par

Systme decommande SCR Bosch

Denoxtronic.

Diesel

by a second NH3-SCR catalytic converter) and Ford.

Finally, BASF recently presented its own solution on the Hyundai-i-flowconcept car. Its interest resides in combining 4 pollution control systems- a DeNox catalytic converter (LNT, or lean NOx trap), a diesel oxidationcatalytic converter (DOC), a particulate filter and the SCR - in only two

devices: a DOC/LNT with a substrate covered with precious metals andan SCR catalyser integrated in the substrate of the particulate filter. TheDOC/LNT catalyser is a ceramic block with a catalysing coating. Itretains the NOx during weak combustion and releases them during richcombustion sequences to produce N2 (molecular nitrogen). Ammoniais generated in the DOC/LNT and used by the SCR catalyser to removeexcess NOx while the particulate filter handles soot with the wall effectceramic block. The real innovation is that we have found the way togenerate ammonia in the LNT upstream of the SCR, explains Marius

Vaarkamp, BASFs mobile catalysis product manager. Small cylindercapacity cars do not require a high level of NOx conversion and willtherefore not need the SCR/particulate filter module, only the DOC/LNTcombination, explains Thomas Droege, Marketing Director, mobilecatalyst products. Marius Vaarkamp adds: Meeting NOx emission re-quirements without the need for a heavy, space-consuming urea tank,an injector, a control unit and the related fittings gives manufacturers aconsiderable advantage. Moreover, this concept considerably simplifies

the installation of post-treatment systems under the chassis and reducesthe overall weight.The EGR alternative

All these NOx post-treatments therefore add cost to the Diesel optionwhen it is already in an unfavourable position compared with the petrol

engine. There is an alternative that interests all manufacturers because ofits lower cost: exhaust gas recirculation (ERG). ERG is not a new idea: itarrived in the automobile industry with Euro 3, specifically to reduce theformation of nitrogen oxides at source. Gases burnt in the combustionchamber absorb heat and reduce the quantity of oxygen, which lowersthe speed of combustion and the flames adiabatic temperature, all ofwhich limits the formation of NOx molecules. In this way the temperaturecan fall below 2000C, the threshold where the formation of NOx isreduced. EGR systems currently in use are in high pressure loops: partof the gas under pressure leaving the cylinder head is deviated towardsthe intake circuit. To increase the recycling rate, the system operates

jointly with the motorized intake butterfly valve, and since Euro 4, agas/water exchanger is added, to lower the temperature.

Although this system is quite efficient, it is insufficient to meet the Euro 6standard: at best, the recycling rate does not exceed 20%, and it onlyoperates under weak loads, whereas the NEDC cycle calls for higher


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ailleurs, ce concept simplifie fortement lin-tgration des post-traitements sous le chssiset rduit le poids global.

Lalternative EGR

Tous ces post-traite-

ments de NOx ajoutent

donc un surcot au

Diesel alors quil est

dj en position dfa-

vorable sur le sujet face

au moteur essence. Il

existe une alternative qui

intresse tous les constructeurs en

raison de son plus faible cot : le re-

cyclage des gaz dchappement (EGR

Exhaust Gaz Recirculation). LEGRnest pas un concept nouveau, il est ar-

riv dans lautomobile avec lEuro 3 juste-

ment pour rduire la formation des oxydes

dazote la source. Les gaz brls dans la

chambre de combustion absorbent la cha-

leur et rduisent la quantit doxygne, ce

qui abaisse la vitesse de combustion et la

temprature adiabatique de flamme, autant

de paramtres qui limitent lassemblage

des molcules en NOx. La temprature peut

ainsi passer sous les 2000C, seuil o

la formation de NOx est rduite. Les EGR

actuellement utiliss sont en boucle haute

pression : une partie des gaz en sortie de

culasse, donc sous pression, est drivevers ladmission. Afin daugmenter le taux

de recyclage, le systme fonctionne de

concert avec le papillon motoris du circuit

dadmission et, depuis lEuro 4, un chan-

geur gaz/eau est ajout pour abaisser la

temprature.

Si ce systme est assez

efficace, il est insuffi-

sant pour rpondre

la norme Euro 6 : le

taux de recyclage ne

dpasse pas 20 %

dans le meilleur des cas et il

ne fonctionne que lors des faibles

charges. Or, le cycle NEDC demande des

charges plus leves en roulage extra-ur-

bain. Si le rapport puissance du moteur /

inertie du vhicule est faible, le moteur va

alors travailler dans une zone o lEGR ne

peut plus fonctionner. Cette zone est limi-

te par le pompage du turbocompresseur

(fort rapport de pression et faible dbit).

Afin daccrotre le taux dEGR et sa plage

de fonctionnement, il est ncessaire de

dplacer le circuit EGR de la boucle haute

pression vers une basse pression. Les

gaz dchappement sont ainsi rcuprs

aprs le filtre particules et aspirs par lecompresseur ladmission. Etant donn

que le circuit est plus long, la boucle basse

pression est privilgie pour les charges les

plus leves et la boucle haute pression,

plus ractive, est maintenue pour les trs

faibles charges.

Valeo a prsent une tude de mo-

teur, ralise en collaboration

avec FEV, qui maximise lef-

fet de lEGR : un 4 cylindres

1.6 l de 174 ch, mont dans

une Peugeot 407 break, est

capable de passer lEuro 6

sans aucun post-traitement

des oxydes dazote. Le moteur

est quip dune double su-

ralimentation squentielle

qui permet, outre llar-

gissement de la courbe

de couple, dloigner le

fonctionnement de lEGR

de la limite de pompage.

Les gaz dchappement de

la boucle basse pression sont

une premire fois refroidis aprsla FAP, puis une seconde fois par un

changeur air-eau avant la culasse. Un

intercooler est galement dispos entre

les deux turbos. Le taux dEGR peut ainsi

dpasser les 30 %. Il faut noter que le

mlange des gaz lair est accru dans

le long circuit et le passage dans chaque

turbine de compresseur. Cependant, il

est probable que ce concept conomique

dgrade de quelques pourcents le ren-

dement nergtique car la qualit de la

combustion nest pas toujours optimale.

Quant aux particules, un FAP efficace doit

tre adjoint, ce qui permet de concentrer la

combustion sur les NOx.

Dans le poids lourds, Scania a dmontr

que lEGR basse pression est efficace en

passant la norme actuelle sans post-traite-

ment jusqu la cylindre de 13 litres alors

que ces concurrents emploient le SCR.

Actuateur EGRaxial Valeo avecson changeur.

loads in extra-urban driving. If the engine power/vehicle inertia ratiois low, the engine will operate in an area where the EGR can no longerfunction. This area is limited by the turbocharger pump (high pressureratio and low flow rate). To increase the EGR rate and its operating range,it is necessary to move the EGR circuit from the high pressure loop toa low pressure context. The exhaust gases are then recovered after the

particulate filter, and drawn in by the intake compressor. As the circuitis longer, the low pressure loop is given priority for higher loads andthe more reactive high pressure loop is maintained for very low loads.

Valeo has presented an engine configuration, developed in cooperationwith FEV, that maximises the effect of the EGR: a 1.6 litre 4-cylinder174 hp engine fitted in a Peugeot 407 estate is able to comply withEuro 6 with no post-treatment of the nitrogen oxides. The engine isfitted with double sequential supercharging that as well as allowingthe torque graph to be enlarged also enables the operation of the EGRto be separated from the pumping limit. The exhaust gases in the lowpressure loop are first cooled after the particulate filter, then again by anair-water exchanger upstream of the cylinder head. An intercooler is alsoinstalled between the two turbos. The EGR rate can then exceed 30%.It should be noted that the mixing of gases with the air is increased inthe long circuit and during the passage in each compressor turbine.However, this low cost concept probably deteriorates energy efficiency

by a few percentage points, because combustion is not always optimal.As far as particles are concerned, an efficient particulate filter must beconnected, which allows combustion to be concentrated on the NOx.

In heavy goods vehicles, Scania has demonstrated that low pressure EGRis effective by complying with the current standard without post-treatment

up to a cylinder capacity of 13 litres, while its competitors use SCR.

Injection and combustionThe development of injection systems goes hand in hand with thereduction of both consumption and pollution. An injector with piezoe-lectric control is technically the most suitable because of its ability totolerate high supply pressures without loss of its dynamic range. Thisdynamic range is a key characteristic for broadening the possibilitiesof engine development. Philippe Bercher, Assistant Technical Directorat Delphi Diesel Systems in Blois, says: There is no general rule forthe multiple injection scenario, because it depends a lot on the engineand the manufacturers specifications. Some engines call for a secondpilot injection for the noise aspect, usually in low load areas or duringidling. This is sometimes used to lower the emission of cold unburnedhydrocarbons. On the other hand, post-injection is only used to reduceparticulate emissions. In certain cases, several close post-injections canreduce the formation of smoke and if they are separated the quantity of


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Diesel

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Injection

et combustion

Le dveloppement des systmes dinjection

accompagne les besoins de rduction la

fois de la consommation et de la pollution.

Linjecteur commande pizolectrique est

techniquement le mieux plac en raison

de sa capacit supporter des hautes

pressions dalimentation sans perdre endynamique. Cette dynamique est caract-

ristique de grande importance pour largir

les possibilits de mise au point des mo-

teurs. Philippe Bercher, Directeur technique

adjoint de Delphi Diesel Systems Blois,

indique : Il ny a pas de rgle gnrale

pour le schma dinjection multiple, celadpend pour beaucoup du moteur et ducahier des charges du constructeur. Cer-tains moteurs demandent une deuximeinjection pilote pour laspect bruit, pluttdans les zones de faibles charges ou auralenti. Cette deuxime injection pilote estparfois utilise pour abaisser lmission dhy-drocarbures imbrls froid. Par contre,la post-injection nest employe que pour

rduire les missions de particules. Plu-sieurs post-injections rapproches peuventdans certains cas rduire la formation defume et, en les cartant, la quantit desuies peut tre abaisse. Nous pouvonsaussi tre amens pratiquer 2 injectionsprincipales .

En termes de dynamique, Linjecteur pi-

zolectrique commande directe DFI3 de

Delphi est probablement le plus volu

techniquement. Son module en cramique

pizolectrique ne pilote pas une servo-

commande hydraulique mais directement

laiguille, une premire mondiale produite

dans lusine Delphi de Blois. La suppres-

sion de la servo-commande hydraulique

permet de gagner environ 40 microse-

condes louverture et la fermeture.

La consommation dnergie hydraulique,

estime jusqu environ 1 kW dans les

systmes conventionnels concurrents, est

aussi rduite. La buse dispose de trous de

100 microns de diamtre. Detlev Schppe,

Directeur de dveloppement de Delphi

Diesel Systems, apporte quelques prci-

sions : un diamtre de 100 microns est uncompromis. Rduire le diamtre permet parexemple de baisser les missions de NOx.Nous avons fait des essais avec des trous de70 microns, mais nous sommes confronts des problmes de dpt de suies sur lesparois internes des trous (phnomne decoking). Il ny a pas que le diamtre ; noustravaillons aussi sur la forme du trou, aussipetit quil soit. Ils sont aujourdhui coniques,avec petit diamtre ct extrieur de lin-jecteur, pour amliorer la pulvrisation. Enoutre, nous contrlons ltat de surface quia un impact sur la cavitation . Compar

aux prcdents injecteurs de lquipemen-tier, langle du sige de laiguille est pass

de 60 90. Cela a pour effet de rduire

le besoin de leve daiguille pour dcouvrir

les trous. En outre, la pression hydrody-

namique sur la face infrieure de laiguille

plus leve augmente la force de leve. Ce

Diesel

soot canbe reduced. We may also find it necessary to have 2 maininjections.

In terms of dynamics, the Delphis DF13 direct control piezoelectricinjector is probably the most technically advanced. Its piezoelectricceramic module, produced in the Delphi factory in Blois, does not operate

a hydraulic servo-control , but manages the needle directly, which is aworld first in this field. The elimination of the hydraulic servo-controlallows about 40 microseconds to be saved during opening and closing.The consumption of hydraulic energy, estimated to attain up to 1 kWin competitive conventional systems, is also reduced. The nozzle hasholes with a diameter of 100 microns. Detlev Schppe, DevelopmentDirector at Delphi Diesel Systems, gives more details: A 100 microndiameter is a compromise. For example, reducing the diameter allowsNOxemissions to be reduced. We carried out trials with holes of 70microns, but we encountered problems of soot deposits on the innerwalls of the holes (the coking phenomenon). The diameter is not theonly factor: we are also working on the shape of the hole, howeversmall it may be. Today they are conical, with the small diameter onthe outside of the injector, to improve spraying. We also monitor thesurface condition, which has an effect on cavitation.The angle ofthe seat of the needle has been increased from 60 to 90 comparedwith Delphis previous injectors. This reduces the need for needle lift to

uncover the holes. Additionally, the higher hydrodynamic pressure onthe inner face of the needle increases the lift force, which is moreoverincreased by the needles smaller contact diameter on its seating,which reduces the imbalance of axial forces.

Delphi announces a needle opening duration of only 140 microseconds

for the DF13, whereas an unbalanced servo-controlled solenoid injectorrequires 270 microseconds. A balanced valve solenoid injector reducesthe opening time to about 190 microseconds. Marketed for some time byDelphi, Bosch has also just presented its product, the CRS2.5, capableof reaching 1800 bars. While their overall performance does not reachthat of piezoelectric injectors, solenoid injectors are making technicalprogress for a lower cost. As for the new Bosch CRS5.1 piezoelectricinjector, its manufacturer announces a maximum pressure of 2200bars and a future development at 2500 bars.HCCI (homogeneous charge compression ignition), enabling instantcombustion of the diesel fuel/air mixture, represents another new routefor injector development. Better d istribution of fuel in the chamber, andcolder combustion, make it a candidate with strong potential for Euro6. A few engines are already on our roads with this type of operation,but only at low engine speeds and low loads. To increase the effectivearea of HCCI, a variable nozzle injector could feed the chamber bycreating different levels of richness. To do so, an injector is required

Dispositif EGR propos par Bosch.


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DFI3 commande directede Delphi, probablementlinjecteur pizolectriquele plus volu

dernier effet est, par ailleurs, accru par un

plus petit diamtre du contact de laiguille

sur son sige qui rduit le dsquilibre des

forces axiales.

Delphi annonce une dure douverture de

laiguille du DFI3 de seulement 140 mi-

crosecondes, alors quun injecteur com-

mande par solnode servo-commande

non quilibr en demande 270. Linjecteur

solnode vanne quilibre permet de

passer le temps douverture environ

190 microsecondes. Commercialise de-

puis quelques temps par Delphi, Bosch

vient galement de prsenter son produit,

le CRS2.5, capable datteindre 1800 bars.

Si leur performance globale natteint

pas celle du pizolectrique,

linjecteur solnodeprogresse techni-

quement tout en

offrant un cot

infrieur. Quant

au nouvel injecteur

pizolectrique Bosch

CRS5.1, lquipementier

annonce une pression

maximale de 2200 bars

et un futur dveloppement

2500 bars.

Une nouvelle voie de dveloppement de

linjecteur est lie au mode HCCI (homo-

geneous charge compression ignition) quipermet une combustion instantane du

mlange gazole/air. La meilleure rpartition

du carburant dans la chambre et sa com-

bustion plus froide fait de lui un candidat

fort potentiel pour lEuro 6. Dj quelques

moteurs sont sur nos routes avec ce type

de fonctionnement, mais seulement bas

rgime et faible charge. Afin daccrotre la

zone effective du HCCI, un injecteur buse

variable pourra alimenter la chambre en

crant diffrentes strates de richesse. Il faut

pour cela un injecteur capable de fournir un

jet multi-nappe gnr par le contrle de la

leve de laiguille. Le dploiement du HCCI

ncessite galement lemploi dun cap-

teur de pression pour un

contrle en boucle

de la com-

b u s -

tion, un pilotage prcis de lEGR et bientt

une gestion de la quantit de lair admis

par une distribution variable, par exemple

le systme Multiair de Fiat actuellementutilis sur un moteur essence. Selon

Delphi, un dphaseur darbre cames

commande lectrique, utilis avec une

leve variable de soupapes, permettrait

un meilleur contrle du remplissage des

cylindres charge partielle et faciliterait les

transitions entre les diffrents modes de

fonctionnement.

Enfin, le FAP pourrait devenir encore plus

ncessaire, notamment si le travail des

missions brutes met la priorit sur les

NOx. Par ailleurs, si la limite de rejet de par-

ticules ne baissait pas au passage lEuro

6, il est possible que le contrle OBD soit

plus svre en ce qui concerne les fuites.

Ce niveau sera dcid en sep-

tembre 2010, mais certains

constructeurs anticipent

dj un niveau OBD

gale 2 fois celui des

missions, soit 9 mg/

km. La mesure de pres-

sion diffrentielle pourrait

alors ne plus tre suffisam-ment prcise. Une solution

serait dadjoindre un capteur de

particules en aval du FAP. Electricfil Au-

tomotive propose ce type de capteur qui

mesure la rsistivit des suies et qui est

capable de sauto nettoyer grce une

rsistance place sur la cramique.

Quelle

technologie

lemportera ?Comme il a t spcifi plus haut, leffi-cacit du systme EGR double boucle

montrera sa limite partir dun certain

ratio puissance moteur / inertie du v-

hicule et selon ladaptation du moteur

ce type de combustion (injection, rapport

capable of supplying a multi-layer jet generated by the control of thelift of the needle. Use of HCCI also requires a pressure sensor for loopmonitoring of combustion, accurate EGR management and managementof the quality of air input by a variable distribution system, such asthe Fiat Multiair system currently used on a petrol engine. Accordingto Delphi, an electrically-controlled camshaft dephaser, used with

variable valve lift, would enable better control of partial load cylinderfilling and facilitate transitions between the different operating modes.Finally, the particulate filter could become even more necessary,especially if work on raw emissions gives priority to NO x. Moreover, ifthe particle emission limit is not lowered with Euro 6, the OBD controlmayl become more severe regarding leaks. This level will be decidedin September 2010, but some manufacturers are already anticipatingan OBD level at twice that of emissions, i.e. 9 mg/km. In that case,the measurement of differential pressure may not be accurate enough.One solution would be to add a particle sensor downstream of theparticulate filter. Electricfil Automotive markets this type of sensor,which measures the resistivity of soot and is capable of self-cleaningvia a heating coil under the ceramic.

Which technology will win the day?As described above, the efficiency of the dual loop EGR system willreach its limit above a given engine power/vehicle inertia ratio, and

depending on the adaptation of the engine to this type of combustion(injection, compression ratio, shape of the combustion chamber, etc).But the route taken by vehicle manufacturers wi ll also depend on theirindustrial strategy and the markets in which they are present. Thosewho are present in North America, e.g. Mercedes, and have alreadydeveloped the SCR on several vehicles, cou ld then adapt their products

to Europe, with the advantage of being able to focus the developmentof their engines on CO2 reduction (5% to 7%, according to Bosch).

Without being in the USA, other manufacturers could also take this routesolely to respond to the pressure on CO2, especially if they already havean efficient particulate filter. They may hope that the cost drawback ofSCR, estimated today at between 300 and 600, will be lessenedby a mass effect. It will also be necessary to manage user acceptanceof filling up with Adblue while waiting for an additive-free SCR to haveproved its worth and shown its effectiveness.

Other manufacturers will give priority to reducing the extra cost oftreating NOx, since the price of a dual loop EGR is estimated at about200. For an engine to comply with the standard for several vehiclesegments a multi-level system could be developed: dual loop EGR,several stage gas cooling and for more demanding applications, amore efficient injection system, or even fitting a DeNOx.


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volumtrique, forme de la chambre de

combustion, etc.). Mais la voie prise par

les constructeurs dpendra galement de

leur stratgie industrielle et de leur pr-

sence dans les marchs. Ceux qui sont

prsents sur le continent nord-amricain,

par exemple Mercedes, et qui ont dj

dvelopp le SCR sur plusieurs vhicules,pourraient alors adapter leurs produits

lEurope avec lavantage de pouvoir orien-

ter le dveloppement de leurs moteurs

vers la rduction du CO2 (5

7 % selon Bosch). Sans tre

prsent aux USA, dautres

constructeurs pourraient

galement prendre cette

voie uniquement pour

rpondre la pres-

sion du CO2,

surtout sils

disposent dun FAP efficace. Ils peuvent

esprer que linconvnient du cot du

SCR, aujourdhui estim entre 300 et 600euros, sera attnu par un effet de masse.

Il faudra galement grer lacceptation de

lutilisateur au plein dAdBlue,

en attendant quun SCR sans

additif ait fait ses preuves et montrer

son efficacit.

Dautres constructeurs privilgieront la r-

duction du surcot du traitement des NOx,

le prix dun EGR double boucle tant estim

environ 200 euros. Pour quun moteur

puisse satisfaire la norme sur plusieurs

segments de vhicules, ils pourront dve-

lopper un systme tiroir : EGR double

boucle, refroidissements tage des gaz

et, pour des applications plus svres, in-jection plus performante, voire implantation

dun DeNox. Yvonnick Gazeau

Diesel

Capteur de particulespropos par ElectricfilAutomotive.

Etonnantes exemptions

La norme Euro 6 concerne les vhiculesdes catgories M1, M2, N1 et N2, dontla masse de rfrence ne dpasse pas2610 kg. Cependant, ceux des catgoriesN1 (Vhicules affects au transport de

marchandises) bnficient dun traitementparticulier en ce qui concerne le CO et lesNOx. Pour ce dernier polluant, si la limiteest identique pour des masse de rfrence

(MR) jusqu 1305 kg (80 g/km), ellepasse 105 g/km pour une MR jusqu1760 kg, puis 125 g/km au-del. Or, toutconstructeur peut faire passer un vhicule

dans la catgorie N1 tout en conservant 4ou 5 places assises, notamment pour lesavantages fiscaux dont peuvent bnficierles utilisateurs ! Par exemple sont dj

homologus en N1 (mais galement enM1) : Audi Q7 5 places, BMW X5 et X6et de nombreux modles Renault/Dacia(Megane, Scenic, Laguna, Espace, Kangoo,Trafic Passenger, Logan MCV et Sandero).

Surprising exemptions

The Euro 6 standard applies to vehicles in categories M1, M2, N1 and N2, whose reference mass does not exceed 2610 kg. Howe-ver, those in categories N1 (goods vehicles) enjoy special treatment regarding CO and NOx. For NOx, while the limit is identical forreference masses (RM) up to 1305 kg (80 g/km), it is increased to 105 g/km for an MR up to 1760 kg and 125 g/km beyond that.But any manufacturer can register a vehicle in the N1 category while retaining 4 or 5 seats, especially for the tax advantages from

which users can benefit! For example, the following are already approved in N1 (and also in M1): 5-seat Audi Q7, BMW X5 et X6 andnumerous Renault/Dacia (Megane, Scenic, Laguna, Espace, Kangoo, Trafic Passenger, Logan MCV and Sandero) models.

Accs au remplis-sage dAdBlue surlAudi A4 3.0 TDI

clean diesel.


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Quels sont vos axes de dveloppements

pour vos injecteurs ?

Un des objectifs est daider rpondre la

future norme Euro 6, mais nous cherchons

galement amliorer dautres aspects

comme le bruit ou la consommation. Nous

travaillons aussi la forme de la buse pour

la prparation du mlange qui a un effet

positif sur les missions brutes du moteur.

Laugmentation de la pression dinjection

est bien sr recherche, aussi bien en com-

mande pizolectrique quen solnode. Lesfuturs injecteurs pizolectriques devraient

atteindre 2500 bars, un peu moins pour les

magntiques.

Comment expliquer cette diffrence de

pression maxi entre ces deux technolo-

gies ?

Ce nest pas un problme technique. Linjec-

teur pizolectrique, plus performant mais

plus cher, est gnralement rserv des v-

hicules de haute performance. Sa conception

permet de monter en pression sans perdre en

dynamique. Il y a eu cependant un trs gros

travail de dveloppement du magntique qui

a permis daccrotre sa pression maxi et sadynamique. Ce dernier point joue un rle

important sur la qualit de la combustion

en permettant, dans un mme cycle moteur,

un plus grand nombre dinjections et en les

rapprochant. Sa performance est aujourdhui

assez proche de celle du pizo. Nous pour-

rions faire un injecteur magntique 2500

bars mais il ny a pas le march aujourdhui

pour ce produit. Par exemple, PSA a choisi

le pizo sur le moteur DW12 (2.2 HDI) et le

solnode 1600 bars sur le DV4 (1.4 HDI).

Travaillez-vous sur des systmes buse

variable ?

La buse est un point critique tant sur laprparation du mlange que la tenue len-

crassement. Le concept de la buse variable

est aujourdhui utilis en pr-dveloppement.

Pour rpondre la norme Euro 6, les

motoristes vont-ils continuer rduire le

rapport volumtrique ?

Il y a diffrentes philosophies. Soit le

constructeur continue la marche entame

pour les moteurs Euro 3, 4 et 5 en rduisant

les missions brutes, soit il investit dans le

post-traitement. Dans le premier cas, il a la

matrise des cots de dveloppement de la

combustion alors que dans le second les

prix des mtaux prcieux risquent daller

la hausse. Cependant, ajouter du post-trai-

tement permet de reconsidrer le concept de

combustion pour quil soit plus orient faible

consommation. Certains constructeurs tra-

vaillent dans cette direction et il est alors pro-

bable que certains rapports volumtriques

remontent.

LEGR boucle basse pression est-il une

solution facilement applicable ?

Le but de la boucle basse pression est derecycler des gaz dchappement plus froid

et dagrandir la zone de fonctionnement

sous EGR, pas uniquement daugmenter le

taux de recyclage. Il est possible datteindre

un taux de 50 %, mais il ne faut pas que

a soit au dtriment de la qualit de la

combustion. Il est ncessaire doptimiser la

prparation du mlange en adaptant lin-

jection, mais galement la turbulence, pourque le moteur accepte des taux de 20, 30,

40, voire 50 %.

Un vhicule peut-il rpondre la norme

Euro 6 uniquement avec les nouveaux

EGR ?

Il faut regarder linertie du vhicule par

rapport la performance du moteur. En

caricaturant, un gros moteur dans une petite

voiture passera plus facilement la norme

quun petit moteur dans une grosse voiture

car ce dernier sera plus souvent en pleine

charge o la dpollution est plus difficile.

Donc certaines voitures passeront la norme

sans post-traitement des NOx, uniquement

en optimisant linjection et lEGR.

Un systme de pige NOx arrivera-t-il

au niveau de performance dun SCR ?

Ce systme a ralis de gros progrs ces der-

nires annes. Linconvnient des premiers

systmes tait quils se dgradaient assez

vite avec le vieillissement. Sa performance

est aujourdhui stabilise jusqu 200 000

km. Par contre, son taux de traitement des

NOx est encore infrieur de plusieurs dizaines

de pourcents au SCR. Ct cot, son fonc-

tionnement demande des mtaux prcieux

mais sa taille peut tre dfinie selon le niveau

de performance du moteur. A contrario, si le

SCR est plus performant, il demande un in-

vestissement de base plus lourd et qui varie

peu avec les types de moteurs.

Ces deux systmes augmentent-ils la

contre-pression lchappement ?Dun point de vue thermodynamique, partir

du moment o il y a un substrat suppl-

mentaire dans la ligne dchappement, il y

a une augmentation de la contre pression. Il

y a des solutions pour intgrer ces systmes

dans un catalyseur oxydation ou un filtre

particules, ce qui rduit cet inconvnient.

Il est tonnant de voir encore PSA conti-

nuer avec le FAP additiv alors que les

autres constructeurs emploient gnrale-

ment un FAP couche imprgne.

Le FAP mtaux prcieux bnficie dun

effet de masse qui a contribu amliorer

Roland Lismonde : Bosch France,Directeur ventes et applications Diesel PSA

Nouvel injecteurpizolectriqueBosch CRS5.1


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sa performance. De son ct, PSA a acquis

une grosse exprience sur leur technologie

et ont montr quil est efficace. Si son mon-

tage est plus contraignant (pompe/rservoir

pour ladditif), il est par contre probable

quil va apporter une intgration plus avan-

tageuse du systme de post-traitement des

NOx en vue de lEuro 6.

Quelques moteurs ont dj des fonction-

nements partiels en HCCI. Ce type de

combustion va-t-il samplifier ?

En fonctionnement stationnaire, le HCCIapporte des baisses en NOx intressantes,

mais le fonctionnement du moteur en mode

dynamique pose encore des problmes,

mme sur les moteurs de recherche, ce

qui explique que les moteurs ne basculent

pas dans ce mode de combustion. Avec

lEuro 5, pour diffrents constructeurs, cer-

tains moteurs actuels et venir bnficient

partiellement des recherches sur le HCCI.

En fait le moteur garde un concept de com-

bustion conventionnel mais intgre des

zones de fonctionnement en HCCI. Pour les

constructeurs, ce sont des choix technolo-

giques assez long terme.

Les moteurs des futures voitures euro-

pennes se dirigent vers des cylindres

de plus en plus petites. Ny-a-til pas des

limites techniques ?

Nous allons effectivement voir des trois cy-

lindres Diesel et galement des bicylindres.

Dun point de vue combustion, il y a des

proportions de chambre de combustion

qui fonctionnent bien, ce qui est une des

explications de la rduction du nombre de

cylindres. Par exemple, un alsage ne peut

pas tre rduit trop fortement car la prpa-

ration du mlange peut tre dgrade. Propos recueillis par Yvonnick Gazeau

What are your lines of develop-ment for your injectors?One of the aims is to help to meetthe future Euro 6 standard, butwe are also seeking to improveother aspects such as noise orconsumption. We are also wor-king on the shape of the nozzlefor the preparation of the mixture,which has a positive effect on rawengine emissions. Of course, weare working on the increase ininjection pressure, both in piezoe-lectric and solenoid control. Thefuture piezoelectric injectors should

reach 2500 bars, and a little lessfor the magnetic types.

How do you explain the differencein maximum pressure betweenthese two technologies?It is not a technical problem. Piezoe-lectric injectors, which are moreefficient but more costly, are usuallyintended for high performancevehicles. Their design allows anincrease in pressure with no lossof dynamics. Nevertheless, a lot ofdevelopment work has been doneon magnetic injectors, which hasenabled their maximum pressureand dynamics to be increased.

This last point is very importantfor the quality of combustion be-cause it allows a larger numberof injections, closer together, inthe same engine cycle. Todaytheir performance is quite closeto that of piezoelectric injectors:we could produce a 2500 barmagnetic injector, but there is nomarket for it today. For example,PSA chose a piezo injector for theDW12 (2.2 HDI) engine and a1600 bar solenoid injector for theDV4 (1.4 HDI).

Are you working on variablenozzle systems?

The nozzle is a key point both forthe preparation of the mixture andresistance to clogging. The conceptof a variable nozzle is being usedtoday in pre-development.

Are vehicle manufacturers goingto have to reduce the compressionratio to comply with the Euro 6standard?There are different thoughts onthis. Either manufacturers continuethe approach initiated for Euro3, 4 and 5 engines by reducingraw emissions, or they invest inpost-treatment systems. In the firstcase they must control the costsof combustion development, while

in the second the prices of pre-cious metals are likely to increase.However, adding post-treatmentenables the combustion concept tobe reconsidered so that it is morefocussed on low consumption.Some manufacturers are workingin this direction, and in that event itis probable that some compressionratios will increase.

Is low pressure loop EGR an easysolution to apply?The aim of the low pressure loopis not just to increase the recyclingrate, but also to recycle coolerexhaust gases and enlarge theoperating zone under EGR. It ispossible to reach a rate of 50%, butthis must not be to the detriment ofcombustion quality. The preparationof the mixture must be optimizedby adapting the injection, and alsothe turbulence, so that the enginecan accept rates of 20%, 30%,40% and even 50%.

Can a vehicle meet the Euro 6standard only with the new EGRs?It depends on the inertia of thevehicle compared with the engineperformance. To caricaturise thesituation, a big engine in a smallcar will satisfy the standard moreeasily than a small engine in abig car which will more often beat full load, when pollution controlis more difficult. So certain carswill meet the standard with noNOx post-treatment, simply byoptimizing injection and the EGR.

Will a system using an NOx trapattain the performance level ofan SCR?This system has made enormousprogress in recent years. Thedrawback to the early systems wasthat they deteriorated fairly quicklywith age. Today their performanceis stabilised up to 200,000 km. Onthe other hand their NOx treatmentrate is still several dozen percentagepoints below the SCR. From a costpoint of view, their operation callsfor precious metals, but their sizecan be defined according to theperformance level of the engine.The SCR, on the contrary, maybe more efficient, but requiresa heavier initial investment thatvaries very little from one type ofengine to another.

Do these two systems increasethe exhaust counter-pressure?From a thermodynamic point of

view, once there is an additionalsubstrate in the exhaust systemthere will be an increase in thecounter-pressure. There are solutionfor integrating these systems intoan oxidation catalytic converter ora particulate filter, which reducesthis drawback.

It is surprising to see that PSAcontinues to use the doped par-ticulate filter when the othermanufacturers usually use aparticulate filter with an impre-gnated layer.Precious metal based particulatefilters benefit from a mass effectthat contributes to improving theirperformance. PSA has acquiredenormous experience in theirtechnology and have shown thatthey are efficient. Although theirinstallation is more restrictive(pump/tank for the additive), itis probable that they will providea more beneficial integration ofthe NOx post-treatment system inpreparation for Euro 6.

Some engines already havepartial HCCI functions. Is theuse of this kind of combustion

going to increase?In stationary operation, HCCI bringsinteresting reductions in NOx, but theoperation of an engine in dynamicmode still poses some problems,even on research engines, whichexplains why engines are notswitching to this type of combus-tion. For different manufacturers,some engines already in productionand in preparation have partiallybenefited from research into HCCIfor the Euro 5 standard. In factthese engines retain a conventionalcombustion design but includeareas of operation in HCCI. Formanufacturers, these are fairly

long term technological choices.

The engines for future Europeancars are moving towards smallerand smaller cylinder capacities.Are there no technical limits?Indeed, we are going to see three-cylinder Diesel engines and alsotwin cylinder engines. From thecombustion viewpoint, there arecombustion chamber proportionsthat work well, which is one ex-planation for the reduction in thenumber of cylinders. For example,a bore cannot be reduced toomuch because the preparation

of the mixture may deteriorate.

Diesel

Roland Lismonde:

Bosch France, PSA Diesel Sales and Applications Director

meeting euro 6 - french article

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