Créé le : 03/08/2009
Thème TP 4 : Motorisation (Jean-Marc Bélot, Joseph Irani, Carine Donetti)
A la Journée Moteurs à combustion de demain [4.215], M. Gicquel du CENERG a mis en avant quatre facteurs [4.217]:
- les solutions amont, comme la limitation de la pollution pendant la combustion et l'injection directe à commande électronique. Améliorées depuis les années 70, elles atteignent leurs limites car une combustion parfaite est impossible.
- la destruction à l'échappement. Elle est en cours d'optimisation: pot catalytique, filtre à particules, piège à NOx. Le filtre à particules sera en série dès la Peugeot 607, puis sera généralisé. L'injection directe à commande électronique active ce brûlage environ toutes les 1000 h. Ces solutions induisent une perte de rendement, compensée par le progrès dû à l'injection électronique.
- l'allègement, la réduction de taille, le plus haut régime. L'allègement du moteur et des masses mues et la réduction des frottements internes permettent l'amélioration des performances, la réduction des pertes à bas régime et la réduction de consommation. La tendance va vers des moteurs plus petits, à plus haut régime donc près de leur rendement optimum, plus exigeants au point de vue matériaux.
- la communication entre les divers acteurs. Le temps de mise au point d'une technologie est divisé par deux depuis 5-6 ans. Les industriels prennent des risques en investissant massivement dans des technologies nouvelles. Aussi, ils ont besoin d'une communication de plus en plus rapide avec les chercheurs universitaires. L'industrie ne peut plus attendre la publication. Il y a un appel d'air formidable pour que les travaux scientifiques aillent très vite vers l'industrie.
Réduction des émissions polluantes
Les émissions, divisées par 50 en cinquante ans et par 2 depuis dix ans, le seront encore par 2 ou 3. Puis les moteurs ne seront plus parmi les sources prioritaires de pollution, comme l'illustre un transparent de M. Chollet de PSA [4.221]:
Meeting CEC/SAE Fluids and lubricants des 19-22.06.2000 à Paris
Il a regroupé une centaine de présentations sur l'optimisation du moteur et autant sur la dépollution en sortie. Les améliorations sur le moteur ont porté sur l'optimisation de la combustion, de la distribution des températures, des gaz et des liquides, de la chambre de combustion, de l'injection, de la circulation d'air, de l'injection de gaz naturel, de matériaux céramiques et de revêtements catalytiques et de la simulation numérique. Principaux centres de compétence : Sandia National Lab, Univ Politecnica de Valencia, Univ. of British Columbia, Traffic Safety & Nuisance Res. Inst., Keio Uni., Musashi IT, Lawrence TU, Hokkaido Uni., Istituto Motori, Mechanical Engineering Lab., IFP, MITI, Lund IT, PCI Heidelberg Uni., Brunel Uni., Uni. Melbourne, Univ. Michigan, Chalmers UT. Principales entreprises : Isuzu, Volvo, PSA, Sasol Oil, Westport Research Inc., Mitsubishi Motors, Renault, Garrett Turbo Inc., Daido Air Products Electronics, Nissan Motor, Engelhard, Scania, Honda, New Ace Inst. Co. , DaimlerChrysler, Ford. Concernant les améliorations en sortie de moteur, les principaux sujets sont la génération d'hydrogène pour catalyseurs rapides, l'optimisation des catalyseurs à froid, la génération de plasmas non thermiques dans l'échappement, la comparaison de revêtements catalytiques, les catalyseurs rétrofittés, les filtres à particules et leur régénération, les trappes à NOx, l'influence de la composition du carburant et en particulier des sulfures, les additifs formant des nanoparticules. Quelques expériences sont présentées en agriculture et en travaux publics (Caterpillar, Deere, Liebherr). Principaux laboratoires : Southwest Research Institute, Kookmin Uni., Istituto Motori, Lund Uni., Battelle, FEV Motorentechnik, Petroleum Energy Center, U.S. DoE, Oak Ridge National Lab., Engine Manufacturers Assoc., Fachhochschule Aargau, Engineering College Biel, Uni. of Applied Sciences Dresden, AEA Technology, Uni. Manchester, Uni. Rouen, CNRS, Kyoto Uni., Kitami IT, Univ. Michigan-Dearborn, U.S. EPA. Principales entreprises : Lynntech Inc., Hyundai Motor Co., Delphi Automotive Systems, Litex Inc., Saturn, Ibiden, Renault, Caterpillar, Inc., John Deere, Ford Motor, Ethyl Corp., Matter Engineering, Shell, Associated Octel Co, Liebherr, EMITEC, Corning Inc., Rhodia Terres Rares, Siemens, Clean Diesel Technologies, Isuzu.
Le Common Rail (CR)
Le sujet principal a été le système Common Rail. Le Common Rail réalise une pulvérisation extrêmement fine du carburant, assurant ainsi une vaporisation immédiate et une très bonne qualité de mélange avec l'air comburant. Ce phénomène est obtenu grâce à :
- la très haute pression, la pompe haute pression permettant d'alimenter le rail jusqu'à 1350 bars
- des trous d'injecteur de très petit diamètre
- la loi d'injection idéale grâce à la commande ou au contrôle permanent par un calculateur
Ainsi, la pompe haute pression alimente le Rail à une pression réglable en fonction du régime et de la charge, sous contrôle électronique. Chaque injecteur est commandé directement par le calculateur. La spécificité forte de cette technologie d'injecteur intelligent réside dans la tête de commande électrohydraulique, qui permet un dosage optimum du carburant. La combustion obtenue est à très haut rendement, générant une consommation moins importante. Ces deux facteurs conjugués limitent d'autant plus les émissions polluantes. Par ailleurs le gain en terme sonore est également intéressant.
Les axes de progrès du Common Rail
Ils se situent au niveau de l'augmentation de la pression d'injection (des essais sont actuellement réalisés à 1600 bars) et de l'utilisation du multijet. L'augmentation de la pression d'injection permettra d'obtenir une nébulisation plus fine, assurant une combustion à plus haute température. Cette caractéristique favorise la diminution d'émissions de particules. Par contre, la forte température de combustion contribue à augmenter la production de NOx. La technologie du multijet rend possible d'injecter suivant de courtes séquences de petite quantités de combustible. Il permet d'une part un rapprochement vers le cycle thermodynamique idéal, d'où une limitation de production des NOx et d'autre part assure une très grande flexbilité du moteur. Il est à noter que la société MAN, qui introduit aujourd'hui le Common rail sur sa nouvelle génération de moteur, considère cette dernière caractéristique comme la plus intéressante de ce système.
Techiques complémentaires pour l'antipollution
Le Common rail seul ne satisfera pas aux exigences de la législation européenne. Les constructeurs automobiles s'orientent vers des systèmes comprenant un common rail, un EGR et un système de dépollution en aval du moteur (filtre à particule
). Ces différents systèmes équilibrent les avantages et les désavantages de chacun. L'optimisation d'un système moteur est rapporté dans des travaux qui précisent que c'est sur ces points que les constructeurs progressent au détriment de vraies technologiques.
Le problème des nano-particules
Si les fabricants automobiles répètent que le Common rail permet de diminuer la masse totale de particules, les études de laboratoire précisent que ce système génèrent des particules plus fines que les moteurs diesels à injection directe classiques. Ce type de particule, conservant une surface active importante est extrêmement dangereuse pour la santé. La caractérisation de ces nano-particules présente des difficultés et un nombre d'études relativement important est consacré à l'amélioration des techniques de mesure. La législation EURO 5, mise en application à l'horizon 2010, comprendra une mention spéciale nano-particules. Et d'ores et déjà, les constructeurs automobiles s'intéressent de très près à ce problème.
Filtre à particules et additif régénérant les filtres
C'était le second sujet principal traité au congrès CEC/SAE.
Le filtre à particules est une structure poreuse, en carbure de silicium, qui piège les particules au passage des gaz d'échappement. Afin de conserver son rendement optimal, le filtre doit être régénéré régulièrement. La régénération consiste à brûler périodiquement les particules accumulées. En présence d'oxygène, cette combustion s'effectue naturellement lorsque la température des gaz d'échappement dépasse 550°C. Or cette température est très éloignée des températures observées classiquement. Pour brûler les particules, deux solutions combinées sont donc utilisées. Une post-injection de carburant en phase de détente crée une postcombustion dans le cylindre et entraîne une hausse de la température de 200° à 250°C. Une postcombustion complémentaire, générée par un catalyseur d'oxydation placé en amont du filtre, traite les hydrocarbures imbrûlés issus de la post-injection. La température peut ainsi augmenter encore de plus de 100°C.
En outre, pour atteindre le seuil de régénération, le carburant est additivé par de l'Eolys, un composé à base de cérine fabriqué par la société Rhodia, qui abaisse la température naturelle de combustion des particules à 450°C. La filtration des gaz d'échappement est permanente. PSA qui est le premier constructeur automobile a intégré en série le filtre à particule sur un de ces modèles annonce un nettoyage du filtre tous les 80000 km [4.235]. Même si d'ici 10 ans, on peut espérer une augmentation de cette capacité à 150000 km, cette valeur sera toujours trop faible pour l'adaptation moteurs poids lourds en raison du kilométrage important qu'ils effectuent.
Avantages : rétrofit, compétitivité par rapport au gaz
Cependant cette technologie présente deux avantages importants : le rétrofit et le prix. Pour le rétrofit des installations existantes, le déclencheur sera alors l'image de marque des posseseurs mais surtout la réglementation. De plus, un kit coûte 15000fr ce qui est relativement faible par rapport notamment au passage au moteur à gaz. A l'horizon 2010, on peut penser que le filtre à particule sera totalement industrialisé et en pleine phase de croissance.
A la Journée Moteurs à combustion de demain [4.215], M. Gicquel du CENERG a mis en avant quatre facteurs [4.217]:
- les solutions amont, comme la limitation de la pollution pendant la combustion et l'injection directe à commande électronique. Améliorées depuis les années 70, elles atteignent leurs limites car une combustion parfaite est impossible.
- la destruction à l'échappement. Elle est en cours d'optimisation: pot catalytique, filtre à particules, piège à NOx. Le filtre à particules sera en série dès la Peugeot 607, puis sera généralisé. L'injection directe à commande électronique active ce brûlage environ toutes les 1000 h. Ces solutions induisent une perte de rendement, compensée par le progrès dû à l'injection électronique.
- l'allègement, la réduction de taille, le plus haut régime. L'allègement du moteur et des masses mues et la réduction des frottements internes permettent l'amélioration des performances, la réduction des pertes à bas régime et la réduction de consommation. La tendance va vers des moteurs plus petits, à plus haut régime donc près de leur rendement optimum, plus exigeants au point de vue matériaux.
- la communication entre les divers acteurs. Le temps de mise au point d'une technologie est divisé par deux depuis 5-6 ans. Les industriels prennent des risques en investissant massivement dans des technologies nouvelles. Aussi, ils ont besoin d'une communication de plus en plus rapide avec les chercheurs universitaires. L'industrie ne peut plus attendre la publication. Il y a un appel d'air formidable pour que les travaux scientifiques aillent très vite vers l'industrie.
Réduction des émissions polluantes
Les émissions, divisées par 50 en cinquante ans et par 2 depuis dix ans, le seront encore par 2 ou 3. Puis les moteurs ne seront plus parmi les sources prioritaires de pollution, comme l'illustre un transparent de M. Chollet de PSA [4.221]:
Meeting CEC/SAE Fluids and lubricants des 19-22.06.2000 à Paris
Il a regroupé une centaine de présentations sur l'optimisation du moteur et autant sur la dépollution en sortie. Les améliorations sur le moteur ont porté sur l'optimisation de la combustion, de la distribution des températures, des gaz et des liquides, de la chambre de combustion, de l'injection, de la circulation d'air, de l'injection de gaz naturel, de matériaux céramiques et de revêtements catalytiques et de la simulation numérique. Principaux centres de compétence : Sandia National Lab, Univ Politecnica de Valencia, Univ. of British Columbia, Traffic Safety & Nuisance Res. Inst., Keio Uni., Musashi IT, Lawrence TU, Hokkaido Uni., Istituto Motori, Mechanical Engineering Lab., IFP, MITI, Lund IT, PCI Heidelberg Uni., Brunel Uni., Uni. Melbourne, Univ. Michigan, Chalmers UT. Principales entreprises : Isuzu, Volvo, PSA, Sasol Oil, Westport Research Inc., Mitsubishi Motors, Renault, Garrett Turbo Inc., Daido Air Products Electronics, Nissan Motor, Engelhard, Scania, Honda, New Ace Inst. Co. , DaimlerChrysler, Ford. Concernant les améliorations en sortie de moteur,
les principaux sujets sont la génération d'hydrogène pour catalyseurs rapides, l'optimisation des catalyseurs à froid, la génération de plasmas non thermiques dans l'échappement, la comparaison de revêtements catalytiques, les catalyseurs rétrofittés, les filtres à particules et leur régénération, les trappes à NOx, l'influence de la composition du carburant et en particulier des sulfures, les additifs formant des nanoparticules. Quelques expériences sont présentées en agriculture et en travaux publics (Caterpillar, Deere, Liebherr). Principaux laboratoires : Southwest Research Institute, Kookmin Uni., Istituto Motori, Lund Uni., Battelle, FEV Motorentechnik, Petroleum Energy Center, U.S. DoE, Oak Ridge National Lab., Engine Manufacturers Assoc., Fachhochschule Aargau, Engineering College Biel, Uni. of Applied Sciences Dresden, AEA Technology, Uni. Manchester, Uni. Rouen, CNRS, Kyoto Uni., Kitami IT, Univ. Michigan-Dearborn, U.S. EPA. Principales entreprises : Lynntech Inc., Hyundai Motor Co., Delphi Automotive Systems, Litex Inc., Saturn, Ibiden, Renault, Caterpillar, Inc., John Deere, Ford Motor, Ethyl Corp., Matter Engineering, Shell, Associated Octel Co, Liebherr, EMITEC, Corning Inc., Rhodia Terres Rares, Siemens, Clean Diesel Technologies, Isuzu.
Le Common Rail (CR)
Le sujet principal a été le système Common Rail. Le Common Rail réalise une pulvérisation extrêmement fine du carburant, assurant ainsi une vaporisation immédiate et une très bonne qualité de mélange avec l'air comburant. Ce phénomène est obtenu grâce à :
- la très haute pression, la pompe haute pression permettant d'alimenter le rail jusqu'à 1350 bars
- des trous d'injecteur de très petit diamètre
- la loi d'injection idéale grâce à la commande ou au contrôle permanent par un calculateur
Ainsi, la pompe haute pression alimente le Rail à une pression réglable en fonction du régime et de la charge, sous contrôle électronique. Chaque injecteur est commandé directement par le calculateur. La spécificité forte de cette technologie d'injecteur intelligent réside dans la tête de commande électrohydraulique, qui permet un dosage optimum du carburant. La combustion obtenue est à très haut rendement, générant une consommation moins importante. Ces deux facteurs conjugués limitent d'autant plus les émissions polluantes. Par ailleurs le gain en terme sonore est également intéressant.
Les axes de progrès du Common Rail
Ils se situent au niveau de l'augmentation de la pression d'injection (des essais sont actuellement réalisés à 1600 bars) et de l'utilisation du multijet. L'augmentation de la pression d'injection permettra d'obtenir une nébulisation plus fine, assurant une combustion à plus haute température. Cette caractéristique favorise la diminution d'émissions de particules. Par contre, la forte température de combustion contribue à augmenter la production de NOx. La technologie du multijet rend possible d'injecter suivant de courtes séquences de petite quantités de combustible. Il permet d'une part un rapprochement vers le cycle thermodynamique idéal, d'où une limitation de production des NOx et d'autre part assure une très grande flexbilité du moteur. Il est à noter que la société MAN, qui introduit aujourd'hui le Common rail sur sa nouvelle génération de moteur, considère cette dernière caractéristique comme la plus intéressante de ce système.
Techiques complémentaires pour l'antipollution
Le Common rail seul ne satisfera pas aux exigences de la législation européenne. Les constructeurs automobiles s'orientent vers des systèmes comprenant un common rail, un EGR et un système de dépollution en aval du moteur (filtre à particule
). Ces différents systèmes équilibrent les avantages et les désavantages de chacun. L'optimisation d'un système moteur est rapporté dans des travaux qui précisent que c'est sur ces points que les constructeurs progressent au détriment de vraies technologiques.
Le problème des nano-particules
Si les fabricants automobiles répètent que le Common rail permet de diminuer la masse totale de particules, les études de laboratoire précisent que ce système génèrent des particules plus fines que les moteurs diesels à injection directe classiques. Ce type de particule, conservant une surface active importante est extrêmement dangereuse pour la santé. La caractérisation de ces nano-particules présente des difficultés et un nombre d'études relativement important est consacré à l'amélioration des techniques de mesure. La législation EURO 5, mise en application à l'horizon 2010, comprendra une mention spéciale nano-particules. Et d'ores et déjà, les constructeurs automobiles s'intéressent de très près à ce problème.
Filtre à particules et additif régénérant les filtres
C'était le second sujet principal traité au congrès CEC/SAE.
Le filtre à particules est une structure poreuse, en carbure de silicium, qui piège les particules au passage des gaz d'échappement. Afin de conserver son rendement optimal, le filtre doit être régénéré régulièrement. La régénération consiste à brûler périodiquement les particules accumulées. En présence d'oxygène, cette combustion s'effectue naturellement lorsque la température des gaz d'échappement dépasse 550°C. Or cette température est très éloignée des températures observées classiquement. Pour brûler les particules, deux solutions combinées sont donc utilisées. Une post-injection de carburant en phase de détente crée une postcombustion dans le cylindre et entraîne une hausse de la température de 200° à 250°C. Une postcombustion complémentaire, générée par un catalyseur d'oxydation placé en amont du filtre, traite les hydrocarbures imbrûlés issus de la post-injection. La température peut ainsi augmenter encore de plus de 100°C.
En outre, pour atteindre le seuil de régénération, le carburant est additivé par de l'Eolys, un composé à base de cérine fabriqué par la société Rhodia, qui abaisse la température naturelle de combustion des particules à 450°C. La filtration des gaz d'échappement est permanente. PSA qui est le premier constructeur automobile a intégré en série le filtre à particule sur un de ces modèles annonce un nettoyage du filtre tous les 80000 km [4.235]. Même si d'ici 10 ans, on peut espérer une augmentation de cette capacité à 150000 km, cette valeur sera toujours trop faible pour l'adaptation moteurs poids lourds en raison du kilométrage important qu'ils effectuent.
Avantages : rétrofit, compétitivité par rapport au gaz
Cependant cette technologie présente deux avantages importants : le rétrofit et le prix. Pour le rétrofit des installations existantes, le déclencheur sera alors l'image de marque des posseseurs mais surtout la réglementation. De plus, un kit coûte 15000fr ce qui est relativement faible par rapport notamment au passage au moteur à gaz. A l'horizon 2010, on peut penser que le filtre à particule sera totalement industrialisé et en pleine phase de croissance.
[4.212] Site Internet du meeting CEC/SAE Fluids and lubricants , 19-22.06.2000, Paris, http://www.sae.org/calendar/sfl00/index.htm
[4.215] Journée industrielle Moteurs à combustion de demain, Ecole des Mines de Paris, 9.3.2000, 84 pages (23 interventions)
[4.217] Evolutions des performances des moteurs. Renaud Gicquel (CENERG, ENSMP, http://www-cenerg.ensmp.fr). Journée industrielle Moteurs à combustion de demain, 9.3.2000, P.3-12
[4.221] Evolutions des moteurs et contraintes environnementales. Philippe Chollet (PSA). Journée industrielle Moteurs à combustion de demain, 9.3.2000, P.19-30
[4.228] Green house effect. Problème mondial, enjeu mondial. Claude Prost-Dame (PREDIT et SIA). Journée industrielle Moteurs à combustion de demain, 9.3.2000, P. 42-51
[4.233] IFP Towards Clean Diesel Engines 15-16 Juillet 2000 Rueil Malmaison
[4.234] CEC/SAE Fluids and lubricants 19-22 Juin 2000 Paris (Palais des Congrès)
[4.233] IFP Towards Clean Diesel Engines 15-16 Juillet 2000 Rueil Malmaison
[4.234] CEC/SAE Fluids and lubricants 19-22 Juin 2000 Paris (Palais des Congrès)
[4.235] Passenger car serial application of a particulate filter system on a common rail direct injection diesel engine O.Salvat, P.Marez, G.Belot - 3rd Symposium IFP Towards Clean Diesel Engines 15-16 Juillet 2000 Rueil Malmaison
[4.251] SAE Technical paper 2000-01-1934 - Emissions reduction and improved fuel economy performance from a bimetallic platinum/cerium diesel fuel additive at ultra low dose rates
[4.252] SAE Technical paper 2000-01- Effect of a non non-metallic combustion enhancer on a heavy duty engine
[4.253] SAE Technical paper 2000-01-1883 - Particle formation due to fuel additives
[4.254] Emission reductions through precombustion chamber dessign in a natural gas , lean-burn engine Crane, King Journal of engineering for gas turbines and power jul 92 v114(3) p466-474
[4.255] http://www.psa.com
[4.256] SAE Technical paper 2000-01- 1933 Integration of exhaust gas recirculation, selective catalytic reduction, diesel particulate filters and fuel borne catalyst for Nox/PM reduction
[4.257] SAE Technical paper 2000-01-1813 Influence of the EGR rate, Oxygen concentration, and equivalent Fuel/air ratio on the combustion behaviour and pollutant emissions of a heavy-duty diesel engine
[4.258] SAE Technical paper 2000-01- 2012 Engine performance of lean methanol-air mixture ignited by diesel fuel injection applied with internal EGR
[4.259] Reburning gas Gaz découvertes le journal de la direction de la recherche de GDF N°65
[4.260] Industries et Techniques p31 - Mars 2000