Les moteurs thermiques

Les moteurs thermiques
PREDIT 3
PREDIT 3
carrefour final
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mai
2008
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Développement de catalyseurs avancés pour applications
DeNOx (DECADE)
Principaux objectifs et apports attendus :
- réduire significativement (d’un facteur 2 à 5) la quantité de catalyseur utilisée dans les systèmes de
dépollution, notamment en utilisant des particules nanométrique ;
-diminuer les coûts énergétiques par l’amélioration des performances catalytiques en travaillant
à plus basse température. Une diminution de l’ordre de 50% du surcoût de consommation en carburant
peut être escomptée ;
-accroître la durée de vie du dispositif de dépollution.
Déroulement de l’étude :
Les essais de dépôt de catalyseur nanostructurés et l’évaluation de leur efficacité catalytique sont en cours.
Les résultats obtenus sur les dépôts d’argent ne semblent pas être très prometteurs. Par contre ceux obtenus
avec du platine font apparaître des avancées intéressantes.
(CEA, PSA Peugeot-Citroën, Irma, Lacco, Rhodia, financement Ademe - plan VPE).
La problématique
Les moteurs thermiques automobiles (dits «moteurs à combustion interne») transforment l’énergie chimique
contenue dans les molécules du carburant en énergie mécanique nécessaire à assurer le mouvement du véhicule.
La présence d’un comburant dans la chambre de combustion (l’oxygène contenu dans l’air) est nécessaire pour que
la combustion du carburant qui est la source de la production d’énergie thermique ait lieu.
Un des principaux problèmes en rapport avec ce principe de base du moteur thermique est la nature des produits
qui sont issus de ces réactions et qui sont rejetés dans le milieu ambiant. On y trouve de fortes quantités de dioxyde
de carbone (CO2) qui résulte de la réaction des atomes de carbone des molécules d’hydrocarbure avec l’oxygène.
Ce dégagement de dioxyde de carbone est bien sûr inhérent au principe même du moteur à explosion fonctionnant
avec des hydrocarbures. C’est un «gaz à effet de serre» dont les effets sur le climat sont maintenant identifiés.
Et après ?
En l’état actuel de la maîtrise de son fonctionnement,
en terme de rendement, ce système est loin d’atteindre
les performances ultimes déterminées par les principes
fondamentaux de la thermodynamique. Au-delà de
l’exploitation des acquis et de l’approfondissement
des concepts récemment développés (notamment
au cours du Predit 3), des progrès notables peuvent
donc être attendus si des thèmes de recherches
sont judicieusement sélectionnés.
Contacts
Bertrand Theys
01 40 81 22 73
Stéphanie
De Sa Rego
01 40 81 15 68
L’efficacité de la combustion du mélange air-carburant
à l’intérieur du cylindre peut sans doute être améliorée
dans des proportions conséquentes. Les progrès de la
modélisation et de la simulation numérique ont permis des
avancées notables dans la compréhension et la maîtrise des
phénomènes de mécanique des fluides, d’aérothermique
et de combustion. L’application de ces connaissances et
de ces techniques nouvelles devraient faire progresser
le rendement des moteurs en facilitant l’optimisation de
l’injection (forme, moment, position...)
et de paramètres tels la température de combustion
ou la pression. La récupération d’énergie à l’échappement
(par effet thermoélectrique par exemple) est une idée
qui suscite de l’intérêt et qu’il ne faut certainement
pas négliger.
L’avènement de nouveaux matériaux devraient permettre
de concevoir et de construire des moteurs de masse
plus faible (y compris pour les pièces en mouvement),
plus fiables et fonctionnant dans des plages
de température et de pression étendues.
Hormis le CO2, d’autres composés sont émis lors des réactions qui ont lieu dans le cylindre du moteur : monoxyde
de carbone, monoxyde et dioxyde d’azote (issus de la présence d’azote de l’air dans le cylindre), hydrocarbures
imbrûlés, composés dits «aromatiques» (hydrocarbures comportant un ou plusieurs cycles benzènique), carbone
(particules) etc...
Ces produits constituent ce qu’il est convenu d’appeler les «polluants locaux».
Ces progrès sur les matériaux pourraient aussi conduire
à une réduction des pertes par frottements en parallèle
avec une amélioration de la lubrification.
Les développements des technologies de l’information et de
la communication trouveront des applications intéressantes
dans le contrôle et le pilotage des moteurs. La conception
de nouveaux capteurs fonctionnant en milieu hostile (haute
température, vibrations...) autorisera sans doute la mesure
en temps réel des paramètres fondamentaux du moteur
(notamment la pression cylindre) et, grâce à l’électronique
embarquée et à des logiciels adaptés, l’optimisation de son
fonctionnement sera rendue plus aisée afin d’en maximiser
à chaque instant le rendement et de minimiser les rejets de
polluants locaux. De même, la mise en œuvre de capteurs
renseignant sur la qualité et les propriétés des carburants
embarqués devient très vraisemblable, avec notamment
des applications fortes pour les véhicules à carburants
modulables (Flexfuel).
Des progrès en chimie devraient aussi être d’un apport
intéressant à plusieurs niveaux : meilleure compréhension
et donc plus grande maîtrise de la chimie de la combustion
dans les cylindres (y compris la formation des polluants
locaux), optimisation des méthodes de post-traitement
et de régénération des filtres. Les recherches en catalyse
s’avèrent primordiales pour augmenter le rendement des
processus d’élimination des polluants et pour trouver des
alternatives aux métaux nobles, très onéreux.
Des travaux sur la mise au point de carburants alternatifs
aux produits d’origine fossile sont également nécessaires.
Enfin, pour s’assurer de la cohérence des dispositifs
et de leur compatibilité, des études de systèmes seront
nécessaires pour vérifier notamment qu’un nouveau
dispositif permettant d’obtenir un gain sur un aspect
des problèmes ne se traduise pas par des conséquences
négatives sur les autres...
Rédaction : Bertrand Theys
Secrétariat permanent du Predit
avec l’aide de STEPHANE BARBUSSE ET Laurent Gagnepain, ADEME
Chacun s’accorde à considérer qu’à moyenne échéance (15-20 ans), la fourniture
d’énergie nécessaire à la propulsion et au fonctionnement de la majorité
des auxiliaires des véhicules routiers continuera d’être assurée par des moteurs
thermiques. Aussi, dans le but de réduire la dépendance énergétique et d’abaisser
les niveaux d’émissions de gaz à effet de serre et de polluants locaux,
est-il nécessaire de poursuivre et d’intensifier les travaux de recherche visant
à améliorer le fonctionnement de ces moteurs et à les rendre plus «propres»
et plus «économes».
L’objectif principal de ce projet réside dans l’obtention de systèmes catalytiques performants devant
permettre, pour les voitures particulières, d’accroître sensiblement l’efficacité catalytique de réactions
d’élimination des NOx en atmosphère oxydante, c’est-à-dire dans les conditions mises en oeuvre dans les
catalyseurs dits pièges à NOx.
Compte tenu des besoins de mobilité (des personnes
et des biens) à satisfaire et compte tenu aussi des verrous
scientifiques et technologiques qui obèrent
le développement de modes de propulsion alternatifs,
le moteur thermique devrait encore, selon les spécialistes,
bénéficié d’un quasi-monopole au cours des 15 ou 20
prochaines années, éventuellement couplé à une machine
électrique (véhicule hybride).
Dans la mesure où le dégagement de dioxyde de carbone est lié au principe même du moteur thermique, il est
impossible de s’en affranchir... Trois solutions sont envisageables pour en réduire les émissions :
• augmenter le rendement des moteurs c’est-à-dire mieux récupérer l’énergie contenue dans la molécule
d’hydrocarbure et donc consommer moins de carburant à fourniture d’énergie mécanique donnée. Une quantité
plus faible de carbone sera mise en jeu, ce qui se traduira par un moindre rejet de CO2 dans l’atmosphère. Cette
optimisation du rendement permet aussi, bien sûr, à trafic constant, de réduire la dépendance énergétique.
Mobilité
Sécurité
des transports
Transport
de marchandises
Environnement
Énergie
• utiliser plus souvent le moteur sur les points de fonctionnement présentant les meilleurs rendement, soit par
la boite de vitesse (à variation continue), soit par l’architecture (moteur à taux de compression variable), soit par
l’utilisation d’une source d’énergie auxiliaire (alterno-démarreur, hybridation).
• utiliser des carburants dont la molécule contient un nombre d’atomes de carbone faible relativement au nombre
d’atomes d’hydrogène (rapport H/C plus élevé) à condition que l’utilisation de ces carburants n’entraîne pas une
dégradation du rendement thermodynamique de combustion évoqué précédemment. Ce raisonnement conduirait
à privilégier l’utilisation du gaz naturel pour véhicule (GNV, constitué majoritairement de méthane caractérisé
par un C/H proche de 0,25, à comparer aux C/H de l’ordre de 0,53 pour l’essence et le gazole). Le méthane pose
néanmoins d’autres problèmes qui sont évoqués dans une la fiche dédiée aux carburants dits alternatifs. (on peut
citer simplement : la limitation d’autonomie des véhicules, le réseau d’approvisionnement, les émissions d’imbrûlés
possédant un impact Gaz à Effet de Serre).
Intégrations
technologiques
Quant aux polluants locaux, leur présence dans les gaz d’échappement peut, a priori, être réduite à deux niveaux :
en optimisant la combustion du mélange air-hydrocarbure dans le cylindre et/ou en traitant les produits issus de la
combustion entre leur échappement du cylindre et leur rejet dans l’atmosphère (post-traitement).
Politiques
de transports
Optimisation du rendement des moteurs thermiques et «post-traitement» des gaz d’échappement constituent donc
deux moyens d’actions majeurs pour réduire les émissions indésirables des véhicules mus par un moteur à combustion
interne. Ils s’inscrivent en complément d’une démarche globale visant à limiter le besoin énergétique : motorisation
raisonnée» des véhicules et non puissance surabondante, réduction des efforts à l’avancement (aérodynamique,
allégement, résistance au roulement des pneumatiques).
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Les moteurs thermiques
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Les actions du Predit 3
C’est dans le groupe opérationnel 8 que les actions
en faveur de l’amélioration des moteurs à explosion
ont été initiées, lancées et suivies. Dès l’origine du
Predit 3, ce sujet a été l’objet d’un intérêt soutenu, du
fait de l’importance numérique et du dynamisme de
la communauté française concernée, la construction
automobile étant un acteur de premier ordre de
l’innovation et de l’industrie manufacturière françaises.
En 2004, le gouvernement a lancé un plan « Véhicule
propre et économe » qui incluait le volet « amélioration
des moteurs thermiques » et qui a permis de donner
une nouvelle impulsion aux recherches sur ce thème.
Le relais a ensuite été pris par l’ANR. L’Ademe a
également contribué pour une large part au financement
des recherches et a assuré la mise en place des actions
du plan «VPE» et des projets retenus par l’ANR. Le
Ministère de la Recherche, le MinEFE et Oséo ont
aussi apporté leur soutien financier à diverses études.
Ces travaux ont été réalisés dans des laboratoires
universitaires, du CNRS,
de l’Inrets, à l’IFP, chez les pétroliers et, bien sûr,
chez les constructeurs et équipementiers automobiles
(y compris des PME).
Les travaux engagés dans le cadre du Predit
sur l’amélioration des performances environnementales
et énergétiques des moteurs se sont à peu près
répartis équitablement entre l’aspect « optimisation du
rendement » d’une part, et l’aspect «post-traitement»
de l’autre. Il ne faut toutefois pas considérer que ces
2 moyens d’action sont totalement indépendants l’un
de l’autre : certains moyens utilisés pour réduire la
consommation peuvent avoir des conséquences néfastes
sur l’émission de polluants locaux et, symétriquement,
des systèmes de post-traitement peuvent diminuer
significativement le rendement énergétique global.
La recherche de compromis s’impose donc...
La réduction de la consommation
a été recherchée sur les moteurs à allumage
commandés (dits «à essence») comme sur les moteurs
Diesel (par analogie « à allumage par compression »),
même si, sur ce deuxième type, les gains sont plus
difficiles à obtenir car le rendement est intrinsèquement
plus élevé. Différentes voies ont été explorées :
• réduction des frottements : études de tribologie,
optimisation de la lubrification ;
• optimisation de l’injection du carburant
dans les cylindres notamment en exploitant
les techniques de modélisation et de simulation ;
• étude des phénomènes de combustion,
détermination des températures optimales
(à noter que ce paramètre exerce également
une forte influence sur l’émission des polluants
locaux) ;
• études des potentialités du taux de compression
variable (la compression variable a pour but
d’optimiser le taux de compression en fonction
des conditions de sollicitation du moteur)
et de la réduction de cylindrée («downsizing») ;
• optimisation de la composition des carburants ;
• étude des potentialités des moteurs de nouvelle
conception (combustion homogène : CAI, HCCI).
Ces études ont principalement concerné les moteurs
destinés à équiper les véhicules légers. Pour les
poids lourds, il s’avère en effet que l’optimisation du
rendement des moteurs a déjà été largement prise en
compte par les fabricants dans la mesure où le poste
« carburant » est une composante essentielle
(de l’ordre de 25%) du coût d’exploitation. .../...
Couplage catalyseur SCR et FAP à régénération
assistée par Eolys III sur moteur Renault Trucks (Clean Exhaust)
Ce projet avait pour objectif initial le développement d’un véhicule écologique à application urbaine
devançant les normes de dépollution actuelles en particules et oxydes d’azote.
Principaux objectifs et apports attendus :
L’objectif de cette étude est d’adapter un filtre à particules (FAP) avec additif au système SCR
actuellement monté en série sur les véhicules issus de chez Volvo group.
Ce projet a pour vocation de devancer et d’anticiper la norme déjà définie. La cible réglementaire visée est
un taux de rejet de particules de 0,02 g/kWh et de NOx de 2 g/kWh.
Résulats obtenus :
La première partie de l’étude a été consacrée au design du filtre et à sa réalisation puis à son essai sur
banc moteur.
Grâce à l’ensemble des essais, le rôle de l’additif dans la régénération du FAP en matière d’efficacité de
régénération et surtout de gain en consommation a pu être mis en évidence.
A titre de comparaison, une régénération du FAP avec additif consomme un surplus de 60 g de fuel (95%
d’efficacité de régénération à 550°C - 1 minute de régénération) alors que sans additif, 236 g de fuel sont
nécessaires pour une efficacité de l’ordre de 50% à 550°C (12 minutes de régénération).
(Aaqius & Aaqius, Renault Trucks, IFP, Comela, Rhodia, financement ADEME - plan VPE).
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.../...
Il n’est donc pas aisé de mettre au point de
nouveaux axes de réduction de la consommation.
Une recherche conséquente a toutefois été
financée. A un autre niveau, des progrès peuvent
être réalisés sur la conduite des camions et le
Predit 3 a soutenu une recherche sur ce thème.
Pour les bus, un programme ambitieux a été lancé
sous la responsabilité d’Irisbus. Enfin, pour toutes
les catégories de véhicules, des travaux ont été
menés pour permettre d’en réduire la masse (donc la
consommation..) sans influer négativement sur les
paramètres de sécurité.
La maîtrise de l’émission des polluants locaux
a aussi été envisagée sous les aspects de
l’optimisation de la combustion et du posttraitement. L’optimisation de la combustion a
consisté à rechercher les conditions (température,
pression, homogénéité du mélange air-carburant)
optimales de combustion dans le cylindre. Pour
le post-traitement, deux familles de systèmes
(et parfois leur combinaison) ont fait l’objet de
travaux conséquents : les systèmes dits « DeNOx »
de traitement des oxydes d’azote et les filtres à
particules (et leur régénération). La mise au point de
catalyseurs alternatifs aux métaux nobles a aussi
été considérée avec attention. Pour cet aspect, les
recherches ont concerné les véhicules légers mais
aussi les poids-lourds et les véhicules routiers de
transport en commun.
Combustion HCCI : Aspects physiques et physico-chimiques
Les normes sur les émissions polluantes devenant de plus en plus sévères, il devient nécessaire
d’optimiser de plus en plus finement les systèmes de combustion.
La modélisation est pour cela un moyen intéressant car elle permet de limiter le nombre d’essais.
Cependant les modèles physico-chimiques ne sont pas encore pleinement satisfaisants et en particulier
dans le cas de la combustion homogène (HCCI). Peu d’éléments permettent encore d’avoir une vue
précise de la nature des phénomènes mis en œuvre ainsi que les moyens de contrôle du processus
de combustion.
L’amélioration de la description de la qualité de l’auto-inflammation de mélanges homogènes doit
mener à d’importants progrès pour permettre de cerner plus rapidement les configurations optimales
afin de minimiser la formation des polluants et le bruit de la combustion elle-même..
L’objectif essentiel était d’avoir un regard simultané sur les phénomènes physiques et chimiques ayant
lieu lors de la combustion HCCI via l’utilisation de moyens croisés expérimentaux.
Deux modélisations ont pu être réalisées : l’une avec un schéma cinétique détaillé et l’autre avec un
schéma réduit. Grâce à cette recherche, d’importants paramètres influançant ce type de combustion ont pu être
identifiés ouvrant la voie à une amélioration de ce type de moteurs.
(Université d’Orléans, PSA Peugeot-Citroën, CNRS, financement Ademe).
Commande d’embrayage par actionneur intégré E-Clutch
Les nouvelles régulations en matière de réduction de la consommation et des émissions polluantes
font apparaître de nouvelles solutions de transmissions des véhicules automobiles qui exigent une
refonte des systèmes conventionnels de commandes des embrayages.
Ce projet se propose de réaliser un actionneur de manœuvre d’embrayages pour tous les types de
transmissions. Celui-ci devra posséder une taille réduite afin de se loger au mieux dans la cloche
d’embrayage. Pour fournir l’effort de poussée, l’actionneur utilisera le mouvement de rotation de
l’embrayage. Le projet inclus aussi les lois de contrôle générales du couple transmis. Cette manière
de commander l’embrayage réalise une interface standardisée entre la commande de l’embrayage
et les programmes de gestion des transmissions des constructeurs.
La difficulté de cette «interface couple» résulte de la variabilité de la caractéristique de l’embrayage
selon les conditions de fabrication et d’utilisation lors de la conduite du véhicule.
Principaux objectifs :
Réaliser et tester une maquette fonctionnelle de commande d’embrayage à actionneur intégré
dont la consommation en énergie électrique sera réduite. Le principe est de prélever l’energie de
l’actionnement sur le mouvement du vilebrequin. Les apports attendus sont la vérification de la validité
du principe de base du fonctionnement et de l’intégration des différentes composantes du système
ainsi que la fiabilité de l’ensemble du dispositif.
Résultats obtenus :
Création de cahiers des charges fonctionnel. Maquette didactique fonctionnelle et conforme aux attentes.
Mise en place de moyens d’essais pour tester de nouvelles boucles d’asservissements.
(Valeo Embrayages, INPG – LCIS et UTC – LEC - financement Ademe - plan VPE).