Motorisations thermiques : technologies pour 2020

Mi-parcours du Predit 4 : le Carrefour de la recherche et de l'innovation dans les transports terrestres
Motorisations thermiques : technologies pour 2020
Jean Delsey, IFSTTAR
Patrick Da Costa, Université Pierre et Marie Curie
Benoît Lombard, Volvo Powertrain
Eric Watel, IFP Energies Nouvelles
I.
Introduction
Le moteur thermique présente encore un important potentiel de gains, qui lui procure un
avenir certain tant en France qu'à l'étranger. Les constructeurs s'attachent par conséquent
à réduire les émissions polluantes tout en cherchant à améliorer le rendement énergétique
des moteurs.
II.
Présentations
1. ATMO : Modèles physiques pour la conception de lignes d'échappement
Euro 6 et Euro 6+, Patrick Da Costa, Université Pierre et Marie Curie
Le projet porte sur la mise en place d'outils et de méthodes pour la première génération
de catalyseurs, puis sur une application à la dernière génération de catalyseurs existants.
Il vise à comprendre l'évolution de ces dispositifs, à obtenir une modélisation et des
méthodologies de calibration, à définir un modèle de vieillissement et à renforcer le pôle
d'expertise en catalyse deNOx.
Les résultats de la simulation d'écoulement permettent une validation numérique du
prototype de barillet. Les champs de vitesse calculés en amont de cet élément montrent
des pourcentages de débits à peu près constants. L'outil semble donc fonctionner
correctement.
Le vieillissement est étudié en fonction des températures et du temps. La caractérisation
structurale montre que le catalyseur neuf est déjà craquelé. Un effet mécanique intervient
au cours du vieillissement. Il accroît les craquelures. De même, des problèmes
d'agglomération et de frittage des métaux précieux apparaissent à haute température. La
caractérisation cinétique permet de constater que des nitrates s'adsorbent sur l'alumine,
sur la cérine ou sur le baryum. La température influe donc sur les phases actives.
Les NOx stockés dans les différentes phases ont été étudiés. Une réactivation du
catalyseur à haute température permet d'augmenter son efficacité. Les résultats sur le
banc moteur stationnaire permettent en outre de précalibrer les modèles.
Questions / Débat :
• Les craquelures peuvent-elles amener à la présence de métaux précieux à
l'échappement ?
Ce phénomène est connu et s'accroît avec la quantité de craquelures.
Bordeaux, les 10, 11 et 12 mai 2011
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•
Le soufre sera-t-il complètement supprimé dans les lubrifiants ?
Ses effets restent mineurs en dessous de 5 ppm. De plus, son remplacement par un autre
produit moins connu pourrait induire d'autres effets négatifs, encore inconnus au moment
de la mise sur le marché du nouveau lubrifiant.
• Les particules posent-elles des problèmes dans l'analyse du vieillissement ?
Les régénérations sont combinées avec celles du FAP. Elles ne posent donc pas de
problème. Le FAP étant localisé en sortie du piège à NOx, la température reste quasiment
identique dans ces deux éléments.
• Une simulation de la chaîne des systèmes de dépollution est-elle prévue ?
Nous restons en 1D. En outre, la SCR ne présente pas les mêmes problèmes thermiques
et constitue une brique indépendante. Le modèle pour un système peut être décliné, avec
une attention portée sur le positionnement des éléments les uns par rapport aux autres.
• La modification de la position de chacun des systèmes permettrait de
déterminer leur enchaînement optimal.
La création d'un pôle dépollution permettrait d'agglomérer les connaissances afin de créer
une ligne modélisable.
2. DICO : Combustion diffusive, réduction des émissions à la source, Benoît
Lombard, Volvo Powertrain
Le projet vise à réduire les émissions de polluants en optimisant la combustion.
La combustion liftée implique une diminution du diamètre de trou de l'injecteur. Cette
méthode permet de faire diminuer la pénétration du liquide, diminuant ainsi la richesse du
mélange à l'endroit où la combustion débute. Cette combustion en richesse locale
diminuée ne crée plus de suie. La dilution par EGR permet également d'éviter l'émission
de NOx.
Le prémélange précoce utilisé jusqu'à mi-charge, puis une combustion de diffusion
permettraient de se dispenser d'un système de post-traitement tout en respectant les
limites de la norme Euro 6.
L'étude du CERTAM sur les sprays vapeur montre que les meilleurs résultats
d'entraînement d'air et de taux de vaporisation sont obtenus avec 8 trous de 80 µm. La
création de suie s'en trouve donc limitée.
L'IFP a testé des chambres haute pression et haute température avec des nozzles de
87 µm. Le faible diamètre de trou permet une dissociation de la pénétration liquide du
démarrage de la combustion. La pression d'injection ne modifie pas la pénétration liquide.
Le retour à des combustions basse température permet d'augmenter encore la distance
entre la pénétration liquide et le début de combustion.
Sur un monocylindre poids lourd, à 1000 tours/min et 50 % de charge (valeurs proches du
régime de croisière) les suies diminuent très fortement avec la baisse de concentration en
oxygène, et les NOx sont limités à moins de 5 ppm.
Bordeaux, les 10, 11 et 12 mai 2011
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Avec 24 trous de 80 µm, les suies reviennent, probablement en raison d'interactions entre
les sprays. La phase 2 vise à déterminer le nombre de trous permettant de faire
fonctionner au mieux la combustion.
La combustion liftée n'a pas encore été mise en évidence sur les moteurs d'automobiles.
Les noozles permettent cependant une combustion homogène.
Questions / Débat :
• La réduction de la taille de trous pose-t-elle des problèmes de qualité de
gazole ?
L'EGR est utilisé le moins possible en Europe en raison des risques d'encrassement des
trous. La suralimentation s'avère également difficile à gérer.
• Les constructeurs annoncent des dispositifs EGR/SCR engendrant une
occupation châssis importante.
Les projet TOM et DICO cherchent à permettre de se dispenser des systèmes de posttraitement. Les contraintes d'implantation du FAP et de la SCR s'avèrent non
négligeables. La récupération de l'énergie à l'échappement permettrait également de
gagner 4 ou 5 % de consommation mais consommerait encore de l'espace.
• Un constructeur allemand prétend obtenir 50 voire 55 % de rendement sur les
moteurs diesel.
Les gains de rendement atteignent également 10 voire 12 % à pleine charge. Nous nous
intéressons cependant davantage au régime de croisière en privilégiant le couple à bas
régime.
• Caterpillar a également présenté un dispositif de conversion directe de
chaleur en électricité.
Volvo Trucks mène actuellement des travaux sur la thermoélectricité (Cf. poster du projet
RENOTER)
• Ces technologies présentent-elles un potentiel avec d'autres types de
carburants ?
Deux moteurs bicarburant gaz liquéfié-diesel vont être produits en série avec les
technologies Clean Air Power et Cummins Westport. Le mélange essence-diesel permet
de plus d'augmenter la zone HCCI.
• Avez-vous étudié les moteurs hybrides ou à régime constant ?
Les hybrides série pour les poids lourds grands routiers ne présentent pas d'intérêt car les
conducteurs ne freinent jamais. Pour les bus, les véhicules de distribution et les engins du
BTP, des projets sont en cours.
• Disposez-vous de systèmes de cycle jouant sur la stratification ?
Les projets Fun et Fun 2 portent sur un moteur camless avec de la désactivation de
cylindres.
Bordeaux, les 10, 11 et 12 mai 2011
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3. ACTING_CO2 : Moteur à allumage commandé, technologies innovantes
permettant des gains en CO2, fort downsizing, injection directe, CAI,
combustion GNV/H2, Eric Watel
Le projet vise à améliorer le rendement des moteurs à allumage commandé tout en
réduisant les émissions de polluants locaux. Les études fondamentales vont fournir des
éléments de compréhension. L'évaluation et l'optimisation des concepts permettront
ensuite l'identification les voies les plus prometteuses.
La combustion anormale ou rumble touche les moteurs downsizés. Le lubrifiant semble
être en cause.
Les travaux sur l'analyse de la combustion CAI ont permis un élargissement de sa zone
de fonctionnement et des gains de consommation.
Concernant les modèles 3D de formation du mélange et des polluants, la méthode FPI a
été étendue à l'ensemble du cycle moteur.
La mesure du film liquide jusqu'à 0,2 micron a été assurée par l'utilisation de la RIM. Les
mesures avec combustion par fluorescence induite par laser ont montré un bon
recoupement avec ces données.
Un dispositif expérimental du CETHIL visait à comprendre et modéliser les phénomènes
physiques intervenant dans l'interaction entre le front de flamme et une paroi. La mesure
de l'épaisseur du film par interférométrie à faible cohérence a montré un effet sensible de
ce film sur le front de flamme.
Le travail du CORIA a pour objet d’étudier la combustion pour les moteurs à injection
directe d'essence. De nouveaux diagnostics doivent également permettre de maîtriser le
lieu de combustion. La zone de réaction est identifiée grâce au gradient de OH.
Les dispositifs expérimentaux adaptés à la mesure des particules pour l'IDE doivent être
déterminés. Des pics de nucléation et d'accumulation ont été mis en évidence. Le
DMS 500 permet de caractériser l'évolution de la granulométrie des particules en continu.
Le mode de combustion optimum pour un carburant GNV dopé au H2 est le mélange
pauvre (richesse 0,55 avec 40 % de H2). Le gain en consommation spécifique atteint
20 grammes par kWh, les NOx et CO sont absents et la catalyse par oxydation permet la
maîtrise des rejets de HC.
Questions / Débat :
• Comment l'hydrogène est-il ajouté au GNV ?
40 % en volume de H2 sont ajoutés au G20, pas de formulation spécifique comme pour
l'hythane (mélange GNV, 20% H2)
Bordeaux, les 10, 11 et 12 mai 2011
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