Evolution des motorisations des poids lourds

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Evolution des motorisations des
poids lourds
Durée de l’exposé 60’ et questions-réponses 20’
Présentation CNAM; Benoit Lombard sur
l’évolution des motorisations des poids
lourds
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Plan de présentation:
1. Introduction
2. Rappel historique
3. Les objectifs
1. Objectifs clients
1. Fiabilité-durabilité-maintenabilité-disponibilité
2. Coût global (cost of owner-ship): consommation, poids, freinage
2. Objectifs environnementaux: pollution, CO2, bruit…
3. Profils de missions
4. Les réponses techniques:
1. Combustion/post-traitement
2. Electronique/mécatronique
3. Base moteur
4. Autres technologies: hybridation, électrique, carburants alternatifs.
5. Aspects d’organisations: rationalisation des coûts de développement, accords de
coopération, regroupements des constructeurs, développement de familles moteur
6. Questions-réponses et conclusion
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Introduction
● Les principes et les technologies utilisés pour les motorisations Poids
Lourd [PL] et VP [Véhicules Particulier] sont similaires.
● Les particularités sont liées à:
- différentes gammes de produits: Light Duty Vehicule [LDV], Medium Duty
Vehicule [MDV] et Heavy Duty Vehicule. Bien que très typée, on observe des
différences d’utilisation au sein d’une même gamme selon les différents
marchés.
- des besoins clients et des contraintes d’environnement différentes.
Cette partie sera particulièrement développée de façon à comprendre les choix
techniques (données d’entrée):
● Volumes de production très différents (VP de l’ordre de de 1500 à 3000
moteurs/jour) et PL (80 à 250 moteurs/jour):
– Amortissement du coût du développement
– Impacts du coût des pièces en petites ou moyennes séries
– Conséquence: rapprochements entre constructeurs (collaborations , JV, fusions,
familles de moteurs pour d’autres débouchés (marine, TP…).
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Rappels historiques
● Les dernières quarante années:
–
–
–
–
–
–
–
la consommation de carburant par véhicule diminuée de 40%.
les émissions de particules divisées par 100 (sévérisation des cycles d’homologation)
les émissions de Nox divisées par 80 (EuroVI inclu)
La vitesse moyenne augmentée de 50%.
La puissance moyenne des moteurs a été plus que doublée (en 1973 22cv/l à 48cv/l en 2013).
L’impact sonore diminué de 12dBA.
La fiabilité nettement améliorée à complexité technologique plus importante:
• division d'un facteur 4 à 6 du nombre de pannes par an
• les pannes immobilisantes divisée par 15.
– La durabilité
•
•
au-delà de 1 500 000km pour les « long Haul »
600 000 km pour les « distributions ».
– La sécurité: nombre de morts dans des accidents impliquant des PL (responsables ou non)
divisé par plus que 4 en 25 ans en France.
– Le coût de l'entretien:
• intervalles de vidanges passés en moyenne à 80000km au lieu de 20000km,
• plaquettes de frein dépassant 400000kms.
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Rappel historique
Heavy Duty Trucks: interstate fuel consumption last 40 last years.
EURO 0
80
70
EURO 1
EURO 2
EURO 4
EURO 3
(10/2005)
(10/2001)
Consumption(l/100km)
60
Mean speed (km/h)
50
P.T.R.A (tons)
40
30
1960
1970
1980
1990
1995
2000
2005
Trend: -20% in 20 years
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Objectifs clients I
● Fiabilité, durabilité, maintenabilité, disponibilité de l’outil de travail.
● Coût de revient global (cost of owner-ship): consommation, poids (plus de
« payload »), entretien, vitesse moyenne (durée du travail)….
● Limites réglementaires de dépollution (CO2, NOx, particules…)
● Limites réglementaires de bruit.
● Profils de mission: différents suivant l’utilisation (long Haul, distribution,
construction, …) de l’environnement (ex grumier en Afrique ou support de
forage en Alaska) ou des marchés…
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Objectifs clients II
● Fiabilité-disponibilité- maintenabilité-durabilité:
Aujourd’hui un basique du produit indispensable à un rendement optimal du
poids lourd (sa rentabilité).
–
Fiabilité-disponibilité:
• défaut immobilisant (coût moyen: immobilisation d’un 2ème camion, transfert… pénalités de
retard (>2000€/heure, en fin d’année pour des produits comme les huitres: 3000 €).
Objectif moins de 1 % par an.
• défaut nécessitant un passage dés que possible à l’atelier (retard, perte de temps…). Objectif
moins de 10% par an.
• Défaut à régler lors de la prochaine révision: faible impact Objectif moins de 10% par an.
–
Maintenabilité:
• Augmentation des intervalles de révision (80000km) ,
• durées de vie des pièces d’usure (exemple les garnitures de freins dont le changement est
couteux d’où développement de freins moteurs ou électrique ou hydraulique…
• Réduction du coût de l’intervention (accessibilités, standardisation des outils….),
–
Durabilité:
• Nécessité pour garantir le prix de revente du véhicule (un long Haul parcourt en moyenne 150
000 km par an, 4 à 5 ans par son 1er propriétaire 600 à 750 000 km, sécuriser le potentiel de
kilométrage. Objectif pour ce type de véhicule 1 500 000 km, en général la mort du véhicule est
plus lié à une mort « financière » (coût de réparation) que véritablement un problème
technique non solvable.
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Objectifs clients III
● Coût global ou «cost of ownership» (différentes entre LDV, MDV et HDV):
–
Coût d’achat:
•
•
•
–
Coût de l’énergie:
•
•
–
–
•
Très dépendant des pays (salaire du chauffeur)
Peut-être très réglementé -> durée de conduite, d’où nécessité d’augmenter la vitesse moyenne avec
des vitesses de pointe limitées (augmentation de puissance des moteurs et surtout par la performance
de freinage (Freins additionnels pour sauvegarder maintenance freins conventionnels).
Optimisation de la logistique pour une optimisation du temps de roulage
Coût des réparations:
•
–
Consommation de carburant fondamental en HDV (usage auto routier il est de l’ordre de 30l/100 km),
+10 % de carburant correspond à la marge bénéficiaire d’une entreprise de transport bien gérée… C’est
de loin la première préoccupation des transporteurs avec une énergie qui ne cesse d’augmenter.
Coût de maintenance
Coût salarial
•
•
–
Primordial sur les produits MDV et LDV.
Prix de marché, modulé par la réputation de la marque très lié au prix de revente pour les HDV.
Les écarts ne sont pas significatifs sur la durée d’utilisation en HDV mais fondamental sur la plupart des
marchés en MDV et LDV.
fiabilité-disponibilité avec ente autre des suivis des paramètres en roulage.
Baisse des coûts par augmentation de la charge payante (payload):
•
augmentation du PTRA de l’ensemble (ex 44 tonnes) ou baisse du poids mort du camion.
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Profils de mission
Très dépendants des types de véhicules et des marchés.
●Les différents profils de missions nécessitent de gérer une grande diversité des
motorisations des PL:
–Type de PL et de son tonnage (long haul, distribution, construction…)
–Conditions climatiques (ex avec des cannes de chauffage permanentes de l’huile moteur dans
les pays froids).
–Environnement: poussières, qualité du gazole……
–Dénivelé des routes, avec des durées de fonctionnement en pleine charge très différentes.
–Etat des routes.
–Charge totales (ex grumiers en Indonésie à plus de 100 tonnes en PTRA….).
–…..
●Utilisations dérivés (pour abaisser le prix du développement): bus, car, engins de
travaux public, moteurs marins……….
●Communalisation à l’extrême: minimum « hardware » commun et « software »
spécifique.
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Objectifs environnementaux
Niveaux d’émission
●Diminution du CO2: ceci est directement lié à la consommation, elle n’est pas encore réglementée (en Europe et au
Japon prévue en 2016) forte pression des clients HVD.
●Nouveaux cycles d’essais pour la dépollution, harmonisés au niveau mondial mais plus contraignants
(essais à froid, démarrage à chaud…).
●OBD (on board diagnostic) pour détecter les dépassements réglementaires et une durabilité, du système de
dépollution, garantie de 7 ans et 700 000 km – COP Conformity Of Production.
●Pas encore harmonisée ni synchronisée.
●Précisément planifiée aux US, Europe ou Japon.
●Contraintes liées à la qualité du carburant (soufre, eau, …)
●Nécessité d’une compatibilité multi carburants (bioS, gaz, …)
Niveau sonore
●Actuellement limite de 80 dBA.
●Doit passer à 78 c’est encore, presque, une division par deux du bruit perçu.
●Accès limité aux centres ville (débuté en Europe du Nord): tant pour la bruyance, la pollution et l’encombrement au
sol: cela nécessitera de passer en véhicule hybride ou électrique dans certain cas; Il y a déjà de nombreux bus à gaz
naturel ou hybrides, trolleybus mais avec un impact visuel due aux lignes électriques, des bennes à ordures hybrides
ou électriques……..
Environnement de travail
●Confort intérieur : bruit intérieur, position de conduite,….
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Réponses techniques: Combustion post-traitement
● Fortes évolutions voire des révolutions, pour atteindre le triangle vertueux
dépollution-consommation-puissance:
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–
–
–
–
–
–
–
–
–
Injection directe,
Pression d’injection 2800 bar (il y a 40 ans 160 bar): réduction des particules, la consommation et la
performance .
Multi injection par cycle (injecteurs multi-trou): dépollution et réduction du niveau sonore (injection
common rail, injecteurs pompes…).
Pression de combustion communément de 200- 220 bar (fort impact sur la base moteur et bruit), PME
améliorée donc meilleure performance et meilleure consommation.
Contrôle d’injection cylindre à cylindre pour une meilleure dépollution et consommation.
Géométrie admission optimisée, soupapes, forme de la chambre de combustion…
Optimisation des turbocompresseurs: meilleur contrôle de l’air admis pour la dépollution, performance
et consommation (turbos à géométrie variables, turbos étagés, turbos compound…) et performance
(compromis couple/puissance).
Des systèmes d’EGR (exhaust gas recirculation): réduction des NOX avec réduction de la consommation.
Des systèmes SCR (selective catalyst reduction): réduction des NOX par un post-traitement catalytique
dans l’échappement avec de l’urée (Ad Blue, réservoir supplémentaire), peut être couplé avec un oxycatalyst.
Filtres à particules couplée à une stratégie de régénération.
La stratégie des constructeurs est une combinatoire de ces différentes solutions
techniques.
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Evolution de la technologie liée aux niveaux d’émissions
Exemple
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Euro VI et pNLT (pPNLT)
EUVI EGR
EUVI extended SCR
NOx: 0,4 g/kWh
NOx: 4-6 g/kWh
Urea
Needed SCR efficiency to reach Nox 0,4 g/kWh
96%
ηSCR
Needed
80 - 87%
SCR conversion efficiency
94%
ηSCR
Needed
90 - 93%
92%
90%
88%
86%
84%
82%
80%
78%
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Engine out Nox g/kWh
Présentation CNAM; Benoit Lombard sur l’évolution des motorisations des poids lourds
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After treatment system for Euro VI
DPF + SCR
System layout:
Engine
Muffler
Sensors:
3 Temperature sensors
1 Differential Pressure sensor
2 NOx-sensors
Mixing
zone
AdBlue
(Urea)
Mixing
zone
Fuel
EGR
Engine
Slip-cat
(oxcat)
SCR-catalyst
Particulate Filter Oxcat
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HDE Euro VI – Main evolution versus Euro V
Butterfly EPG for heat mmgt
FIE for Noise and fuel
efficiency
EMS 2.3
Throttle for heat mmgt
AHI for heat mmgt
HT EGR for heat managt
Fully variable oil pump
for fuel efficiency
2-speeds coolant pump
FG turbocharger
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Electronique/mecatronic
● L’électronique est utilisée pour:
–
–
–
–
–
–
Piloter l’injection
Piloter le SCR
Piloter l’EGR
Contrôler l’OBD: boucle fermée avec l’information des différents capteurs (températures, pressions,
vitesses, NOx…)
Pour la limitation de vitesse, il est prévu des informations sur des secteurs routier où un message
permettra d’ajuster cette limitation en fonction de la vitesse limite du secteur.
Mais aussi établir les diagnostiques des pannes, même en roulant à distance avec la combinatoire GSMGPS (ex surveiller la consommation, les températures, la vitesse…)
● Fonctions mécatroniques telles que:
–
Dépollution à froid : « heat management » tels que l’EPG (Exhaust Pressure Governor), le throttle
(papillon) pour l’admission d’air, l’AHI…… Le but est d’arriver plus vite à une température permettant un
meilleur fonctionnement de composants tels que le SCR ou autres.
● Customisation des différents usages d’un même moteur (niveau de puissance, de
dépollution, de courbe de couple suivant l’usage…).
● Limitation des pannes immobilisantes par des stratégies « limp home »: accès au
premier atelier en mode dégradé.
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Base moteur I
● Adaptation de la base moteur liées à la dépollution, réduction de bruit et
augmentation de puissance (Pression de combustion de plus de 220 bar,
températures de combustion,..):
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–
–
–
–
–
–
–
Pistons avec galerie de refroidissement et « giclettes » d’huile.
Pistons acier pour les fortes puissances.
Pieds de bielles « têtes de vipère », tête de bielles « cassées » (pour réduction de coût).
Augmentation de la rigidité du moteur avec une culasse monobloc (réduction de bruit).
Joint de culasse métallique.
AàC en tête et multisoupapes. Pression de Hertz augmentée sur les cames.
Raidisseur de bas moteur, et entre moteur et boite de vitesses (réduction de bruit).
Carter d’huile rigidifié ou utiliser un matériaux plus absorbant pour la réduction de bruit.
Contrôle du poids du moteur (changement de matériaux ou des procédés de
production des différentes pièces).
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Base moteur II
● Très forte pression pour réduire la consommation:
–
–
–
–
–
–
–
Travail sur la combustion (PCP et PIP augmentée, stratégie),
Pompe à eau à débit variable
Pompe à huile à débit variable;
Culbuteur d’AàC à rouleaux
Réduction des frottements: travail sur la segmentation, sur les états de surface (rodage plateau
sur les fûts, manetons et tourillons de vilebrequin…).
Travail sur le rendement des engrenages.
Et bien sûr gros travail sur la métallurgie (utilisation de pièces frittées, nouvelles fontes,…)
● Travail sur la fiabilité et durabilité:
–
–
–
–
Maîtrise des jeux de fonctionnements et propreté moteur,
Maîtrise des outils de simulation pour une meilleure prédiction de la fiabilité (ex les calculs d’un
vilebrequin sont fiable à 99%).
Plan de validation: essais sévérisés permettant de réduire leur durée et prise en compte de la
dispersion industrielle.
Utilisation d’outils prédictifs de dysfonctionnements (SdF, AdD, AMDEC…..)
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Réponses techniques
Base moteur
● Domaines de progrès
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–
–
–
–
–
Une des différence principale entre VP et PL est le développement des systèmes de freinage
auxiliaire (Frein électrique, hydraulique sur boite de vitesse ou frein moteur). Actuellement le
frein moteur arrive à une puissance de freinage de 80 à 95% de sa puissance positive. Ce frein
joue sur la force de compression du moteur et pour éviter la restitution de la pression accumulée
la loi de distribution (modifiée en position freinage) détend au bon timing. Ce frein contribue à
plus de 80% des actions de freinage et permet l’augmentation des vitesses moyennes et de
diminuer le coût de maintenance.
Tels que la réduction de coût pour une facilité d’usinage, de montage (Design to assembly, design
to manufacturing…). Par exemple en utilisant des centres d’usinage standard pour l’usinage.
La réduction du poids pour diminuer le poids mort d’un camion (un moteur de 12 litres pèse de
1100 à 1200 kg tout équipé). Utilisation de matériaux composites, plastiques, ….
Facilité d’accès des organes de remplacement tels que les filtres, ….
Facilité pour les contrôles (niveau d’huile, de liquide de refroidissement..) sans avoir à basculer la
cabine.
……
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Autres technologies
Hybridation, véhicules électrique, carburants alternatifs
● Hybridation: répond aux contraintes des véhicules « urbains » nombreux
cycles accélération/freinage:
–
–
–
–
–
Cibles: bennes à ordures, bus, distribution.
Gain en carburant pouvant aller jusqu’à 25% .
Mode silencieux: pur électrique.
Plusieurs solutions techniques: actuellement en production couplage d’un
alternateur/moteur entre le moteur classique et la boite de vitesse, un pack batteries (600
à 700 volts), avec récupération d’énergie au freinage.
Contreparties: coût du véhicule, poids des batteries, systèmes de sécurité pour la moyenne
tension (construction, maintenance, réparation, interventions en cas d’accident…).
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Autres technologies
● Tout électrique: cette technologie n’est pas nouvelle, il existait à Paris
des bennes à ordures et des camions de livraison électrique dans les
années1950.
–
–
–
–
nouvelles techno (batteries Li-Ion et régulation électronique),
véhicules de livraison (ex Maxity 32 kWh, 90 km/h autonomie 100 km) et des bennes à
ordures ( 26 tonnes, 9 tonnes de CU, vitesse max 70 km/h, temps de recharge 5 à 7 h,
autonomie 150 km) et bus (ex OREOS de PVI) tout électrique.
Une benne à ordure peut économiser près de 100 tonnes de CO2 par an (diminution de
96% tout bilan carbone confondu).
Avantages
•
•
•
–
Zéro pollution (pas de NOx, Particules, HC…), accès aux centre-ville protégés.
Avantage des tournées tôt le matin ou tard le soir grâce au silence.
Pas de fiscalité, coût énergie faible.
Contreparties:
•
•
•
Autonomie,
nécessité des accessoires électrifiés (DA, chauffage, compresseur d’air pour les freins, boite de vitesse
automatisée, compactage des ordures…),
gestion de la sécurité liée à la moyenne tension (700 volts)….
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Autres technologies
● Carburants alternatifs:
–
–
–
Gaz naturel gains; faciles a dépolluer, bon niveau sonore initial, réserves naturelles
importantes, moteur plus silencieux en GNV, utilisation de gaz venant de déchets (biogaz)
et bonne fiscalité sur les carburants, ils existent de nombreuses application en bus urbain.
DME (diméthylether) a les avantages suivants:
• Basses émissions initiales (peu de particules).
• Production possible de biomasses.
• Haut rendement énergétique.
• Moteur diesel facilement adaptable.
Il y a d’autres voies explorées, mais peu de résultats concluants jusqu’à maintenant, par
exemple les carburants bio de 1ère génération ont un rendement négatif (élaborer un litre
équivalant gazole coûte plus d’un litre de ce même gazole, seul gain est la fiscalité)
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Aspects d’organisation
La compétitivité de nos camions, bus, passe par une réduction des coûts.
Cela reste une industrie de moyenne série, d’où impact important du
coût de développement; il y a donc nécessité d’augmenter les séries:
– Regroupement de constructeurs (ex VW/Man/Scania, Volvo/Renault/Mack/Nissan
Diesel….)
– Accords de coopération entre constructeurs (partenariats, JV, …)
– Gain d’échelle par le développement de familles moteurs (iso architecture et
technologies avec une base de données fournisseurs unique.
– Moteurs multi applications (Volvo avec Trucks, Volvo Bus, Volvo Construction
Equipement, Penta (Versatile, marine) ou Fiat Powertrain: trucks, bus, agriculture…).
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Questions-réponses, conclusion
• Questions-réponses 30’
• Conclusion: l’industrie des poids lourds est une industrie mature, mais
fortement innovante, la technicité y est importante et la non satisfaction
du client se paye cash.
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Objectifs environnementaux I
● Near-zero exhaust emission legislation
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Objectifs environnementaux II
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Objectifs environnementaux: contraintes
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Evolution des motorisations des poids lourds

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