Avec le passage aux normes Tier4i, la série 300 adopte la SCR (technologie de réduction catalytique sélective utilisant un mélange d’eau et d’urée (DEF) injecté dans un catalyseur) pour purifier les émissions de son moteur Deutz de 4,04l à 4 cylindres, comme sur les autres séries.

Selon Fendt, cette technologie offre une meilleure consommation et plus de puissance comme en témoignent la réserve de couple de 43%. La série 300 offre un tracteur léger et puissant avec un ratio poids-puissance de seulement 33kg/ch bien adaptés aux travaux d’élevage.

Fendt ne fabrique que des tracteurs équipés de transmission à variation continue (CVT) dont sa première version, pionnière de l’industrie, se nomme Vario. Même la série 300, qui couvre une puissance variant de 95 à 135ch (maximum au moteur) bénéficie de celle technologie CVT.

La gestion complète moteur-transmission (système TMS) est au coeur du système afin d’obtenir la meilleur économie de carburant.

Rappelons que la norme Tier4f requiert une réduction de 80 % des émissions d’oxydes d’azote (NOx). La norme exige également le même niveau d’émission de suie (PM).

Agco ne distribue pas la série 300 en Amérique du Nord pour le moment.

http://www.fendt.com/int/tractors_fendt300vario.asp

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La norme Tier4f requiert une réduction de 80% des oxydes d’azote (NOx) par rapport à la norme Tier4i, et le même niveau d’émission de suie (PM), les deux polluants principaux limités par la norme. Plus la température de combustion est élevée, plus la combustion est efficace, mais des NOx sont générés. À l’inverse, une température de combustion abaissée (par l’injection de gaz d’échappement, EGR, par exemple, qui réduisent la concentration d’oxygène dans l’air), plus de particules (suie) sont produites. C’est l’approche choisi pour trouver l’équilibre entre ces deux polluants qui détermine la techonologie choisie.

Les partisants de la SCR maximisent la température de combustion et traitent les NOx à la sortie du moteur sans affecter la chimie de la chambre de combustion. La haute température de combustion contrôle les PM, et la quantitée d’urée nécessaire à être injectée dans le catalyseur s’ajuste selon la concentration des NOx.

Chez John Deere on a choisi de réduire les NOx à la source par EGR, puis de traiter les combustibles non brûlées (suie) par un filtre à particule qui les retient le temps qu’ils soient éliminés par regénération. La regénération se fait soit automatiquement par un élèvement naturel de la température du filtre dû à la chaleur des gaz sous lourde charge, ou par injection de diesel dans le filtre pour le maintenir la température nécessaire (600 à 800C). La SCR servira donc à éliminer les NOx excédents restants sans avoir à modifier davantage la compostion du mélange air-diesel dans la chambre à combustion.

John Deere affirme que cette solution représente une manière efficace de répondre aux normes tout en assurant puissance et économie de fluide. Cette approche devrait permettre aux moteurs de la marque de consommer moins de mélange d’urée (DEF). En requérant un plus petit réservoir, ce système sera relativement facile à intégrer à la prochaine génération d’équipement.

John Deere joingera donc le club des utilisateurs de SCR déjà implantée depuis 2011 pour la majorité des fabricants concurrents. L’avis général est que la SCR est absolument nécessaire pour répondre à la norme Tier4f, seule manière efficace d’éliminer les NOx sans générer davantage de suie. Tous les fournisseurs de moteurs agricoles vont aussi augmenter les pression d’injection de carburant pour améliorer la combustion. Le système dévoilé diffère par contre des solutions annoncées jusqu’à maintenant par les concurrents. Fiat PowerTrain Technologies (CaseIH, NewHolland) a développé une solution basée uniquement sur la SCR, sans recirculation de gaz d’échappement ni filtre à particule grâce à un catalyseur amélioré et breveté. La consommation de DEF plus élevée doit être compensée par une meilleur économie de carburant, une combustion plus propre et l’absence de FAP qui requiert une regénération (automatique) et un entretien complet après 5000 à 6000h. Chez Agco, les moteurs de sa filiale Sisu utiliseront aussi une solution SCR seulement, sauf pour certains modèles de haute puissance qui recycleront une partie minimale de gaz d’échappement pour réduire la température de combustion, donc la production de NOx.  Chez Cummins, la technologie sera semblable à celle exploitée par John Deere avec un EGR et SCR en plus d’un FAP sur certains modèles de moteurs.

Les essais officiels permettant de comparer les performances et la consommation des différents avenues choisi pour Tier4i sont à peine commencés (Test du Nebraska, DLG) que l’on peut déjà s’attendre à une guerre de marketing sur la prochaine étape, le Tier4f (actuellement la dernière étape officielle de réduction d’émissions polluantes). L’avenir dira avec quelle ampleur ces choix technologies affecteront les ventes de chacun.

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Pour la phase Tier4 interim, Cummins a choisi la technologie de recirculation des gaz d’échappement (EGR) couplée à un catalyseur (DOC) et un filtre à particules (DPF).

En 2014, le filtre à particules sera remplacé par la technologie SCR fonctionnant par injection d’un mélange d’urée (DEF) dans les gaz d’échappement.

Selon Cummins, cette solution est la meilleure manière d’améliorer la puissance et l’économie de carburant tout en répondant aux normes. La disponibilité et l’acceptation de l’usage de liquide DEF ne seront plus une contrainte en 2014, selon le fabricant.

La technologie SCR requiert la gestion d’un deuxième fluide, mais permet de réduire les coûts associés au filtre à particules qui doit subir un entretien majeur à toutes les 4000 à 5000 heures.

Les moteurs Cummins sont utilisés entre autres dans les tracteurs de marque Versatile et les andaineuses de marque MacDon.

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par Philippe Nieuwenhof, ing. jr.

À l’aube de l’entrée en vigueur de la dernière phase des normes d’émissions pour équipements agricoles, l’impact de la règlementation et de la technologie sera plus perceptible que jamais. Depuis 15 ans, les émissions de gaz d’échappement pour les véhicules agricoles ont été soumises à trois étapes de réduction de la pollution.

En 2011, la norme Tier IV Interim aura force de loi, d’abord pour les moteurs de 175 à 750 ch. C’est la dernière étape avant la phase finale Tier IV qui début en 2014. Au final, les émissions seront si «propres» qu’on peut imaginer un tracteur dans un bouchon de circulation qui nettoie l’air vicié ambiant par son moteur! Ce dernier pas dans la réduction de la pollution est en fait le plus imposant, il requiert des efforts très importants de la part des constructeurs. Pour les trois premières phases, les impacts ont été discrets sur l’opération et le design des tracteurs. Les constructeurs ont pu se conformer en ajoutant des soupapes au moteur, puis en adoptant la rampe commune d’injection à haute pression et les contrôles électroniques. Toutefois, la dernière marche comporte des impacts plus concrets pour l’utilisateur.

Deux polluants, un compromis

Les normes Tier développées par l’Environmental Protection Agency (EPA) aux États-Unis ne visent pas particulièrement les gaz à effets de serre comme le C0₂ ou la consommation de carburant. Les cibles principales sont plutôt les polluants associés aux moteurs à combustion. On a largement réduit le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non brûlés. Les oxydes d’azote (NO_x) et les particules de suie (Particulate matter (PM)) sont les cibles ultimes. Ces deux polluants sont associés surtout aux moteurs diesels.

En appliquant les normes prévues à l’ensemble de la flotte de véhicules (voitures, camions, tracteurs, etc.), l’EPA estime que plus de 12 000 morts prématurées, 15 000 crises cardiaques et des dizaines de milliers de problèmes respiratoires seront épargnés aux États-Unis seulement. La présence des NO_x engendre des concentrations d’ozone à basse altitude qui est un irritant majeur. Les particules rejetées par la combustion incomplète du carburant diesel (fumée noire) s’avèrent, quant à elles, un produit très toxique.

La difficulté de rendre les moteurs plus propres avec le minimum de composantes provient d’un compromis inévitable entre les NO_x et les PM. Si la combustion du moteur est ajustée pour s’effectuer à haute température et pression, le carburant est entièrement brûlé, les PM sont éliminés, mais une grande quantité de NO_x est générée par la réaction de l’azote et de l’oxygène présents dans l’air. À l’inverse, si on minimise la production des NO_x en diminuant la température de combustion et la concentration d’oxygène, on génère davantage de PM. Il en découle deux approches différentes adoptées par les fabricants de tracteurs, soit la réduction sélective catalytique (SCR) et la recirculation de gaz d’échappement (EGR).

Deux philosophies

Depuis environ un an, les fabricants de tracteurs sont en mode éducation auprès des agriculteurs pour faire valoir leur choix de technologie. Pour les moteurs sous les 100 ch, l’EGR sans post-traitement sera adopté par à peu près tous les fabricants. À ce niveau de puissance, les normes sont moins strictes et l’EGR est la solution la plus compacte. C’est la même technologie qui est utilisée par la majorité depuis 2004 pour se conformer à la norme Tier III dans les tracteurs plus puissants. Au-delà de ce seuil de 100 ch, AGCO et CNH ont opté pour la technologie SCR alors que John Deere, Cummins, CAT/Perkins ont opté pour l’EGR avec traitement post-combustion (TPC).

Réduction Catalytique Sélective (SCR)

Les moteurs qu’utilisent AGCO et CNH proviennent principalement d’Europe, où la technologie SCR est largement dominante dans le secteur du transport et déjà bien intégrée au plan des infrastructures. L’avantage principal de la SCR provient du fait que le traitement se fait totalement à la sortie du moteur. Un mélange d’eau et d’urée (appelé Diesel Exhaust Fluid, DEF) est injecté dans les gaz d’échappement pour transformer les NO_x en vapeur et azote avec l’aide d’un catalyseur. La combustion peut donc être calibrée pour maximiser l’efficacité du moteur et sa performance, sans se soucier des émissions à priori. On promet ainsi d’importantes économies de carburant tout en compensant pour la consommation et le coût du DEF. Le processus de réduction catalytique se fait automatiquement et l’opérateur n’a pas à intervenir. Les composantes nécessaires sont relativement simples : un réservoir, un système d’injection et de contrôle et le pot catalytique où la réaction se produit.

L’impact se trouve dans le fait de devoir faire le plein de deux fluides différents. Autant AGCO que CNH ont conçu ses réservoirs d’EDF pour durer deux pleins de diesel. Étant donné que l’EDF gèle à -11 C, il doit être conservé à l’intérieur l’hiver. Si le réservoir d’EDF du tracteur est vide, gelé ou le mélange de mauvaise qualité, la puissance du moteur est limitée (par exemple, 50 % sur les MF 8 600) jusqu’à ce qu’il dégèle grâce au liquide de refroidissement du moteur ou que le réservoir soit rempli.

Les constructeurs assurent que le réseau de distribution du liquide DEF est établi, plusieurs camions routiers sont maintenant équipés de cette technologie et les fournisseurs de carburant en feront la distribution tout comme les concessionnaires. On voit aussi les manufacturiers offrir une réserve de DEF à l’achat d’un tracteur équipé de la technologie SCR. Finalement, la possibilité de remplir le réservoir de DEF pendant qu’on fait le plein de diesel sans changer sa routine est un argument souvent avancé.

Recirculation des gaz d’échappements et traitement post-combustion (EGR+TPC)

Les fabricants ayant choisi l’EGR sont majoritairement d’importants fournisseurs de matériel de construction américains. Ces clients sont plus susceptibles d’être irrités par la nécessité d’un deuxième fluide, non nécessaire avec l’EGR. Alors que la recirculation de gaz d’échappement suffisait pour se conformer aux normes Tier III, une forme de traitement post-combustion est nécessaire pour la norme Tier IV Interim. Selon le fournisseur, ceci inclut un pot catalytique qui élimine le carburant non brûlé, un filtre à particule qui capte la suie, ou tout autre système similaire.

L’impact sur le design du tracteur est du côté du pot d’échappement qui gagne en volume pour recevoir ces éléments. Étant donné qu’on fait refroidir et recirculer plus de gaz d’échappement dans le moteur, les radiateurs et le capot gagnent en volume pour gérer le surplus de chaleur. En général, les intervalles d’entretien (changement d’huile) seront plus fréquents que sur un moteur à SCR, à cause du potentiel de contamination de l’huile par les gaz d’échappement qui sont retournés aux pistons. Sur les plus gros moteurs, on voit aussi l’apparition d’un deuxième turbo pour améliorer l’apport en air et les performances à bas régime.

Du côté opération, les bons systèmes ne requerront aucune intervention. L’opérateur ne verra aucune différence. Le filtre à particules, qui s’encrasse avec le temps, est régénéré automatiquement par l’injection d’une petite quantité de diesel, pour brûler la suie accumulée. Cela se produit lorsque la température à l’intérieur du filtre n’est pas suffisante, par exemple lorsque le moteur n’est pas fortement sollicité. Il est possible que des systèmes requièrent l’arrêt du tracteur pour la régénération du filtre. C’est une question à poser au représentant. Tout comme pour l’entretien du filtre requis après environ 5000 h.

On sent bien la retenue de chaque camp de dénigrer l’autre avec trop de vigueur. En effet, jusqu’à maintenant la solution la plus probable pour la phase finale de la norme Tier IV inclura un mélange de SCR et d’EGR avec filtres post-combustion, et ce, bien que la recherche d’autres solutions se poursuive. Est-ce que l’application des normes Tier IV aura un effet sur le choix de votre prochain tracteur?

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Avril 2010 – Afin de proposer aux agriculteurs une efficacité supérieure, Case IH utilise une solution en deux volets pour répondre à la norme Tier 4A imposée en 2011. Cetteapproche comprend la réduction catalytiquesélective (SCR) pour les tracteursde plus de 100 ch et la recirculation desgaz d’échappement refroidis (CEGR)pour les moteurs de moins de 100 ch. Laréglementation exige un minimum de90 % de réduction des émissions de particuleset jusqu’à 50 % moins d’oxydesd’azote sur les exigences de niveau 3. LesCEGR et SCR rencontrent cette exigence,mais le SCR permet des intervalles deservice plus longs, une consommationmoindre de carburant et une plus largecompatibilité du carburant comparativementaux systèmes CEGR.

Case IH utilise la technologie CEGRpour les tracteurs de 100 ch et moinsen raison de la plus faible pénétrationde ces tracteurs sur le marché et leurutilisation qui est moins intensive. Toutefois,un consensus parmi les ingénieursde l’industrie annonce que tousles fabricants utiliseront la technologieSCR pour répondre aux normes Tier 4Bà compter de 2014. Avec un systèmeSCR, l’échappement du moteur traversela chambre catalytique où il est aspergéd’un mélange d’urée et d’eau purifiée,un produit non toxique, incolore et inodore.

Lorsque le mélange se combineavec les gaz d’échappement chaudsdans la chambre du catalyseur, il sedécompose en vapeur d’eau et d’azote.

Site(s) extérieur(s) cité(s) dans cet article :

Case IH
http://www.caseih.com/

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