Relance turbocompresseur et hybridation pneumatiquebaptiste.nicolas.free.fr/dossier...

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Ecole

de l’Université d ’Orléans

polytechnique L.M.E.

CHARLET Alain, VASILE Iulian , HIGELIN PascalEcole Polytechnique de l'Université d’Orléans

Laboratoire de Mécanique et Énergétique8, rue Léonard de Vinci, 45072 Orléans cedex 2

Relance turbocompresseuret hybridation pneumatique

2

Ecole



Contexte

La consommation des véhicules devient un enjeu majeur

Dans les années à venir, il dépassera l’émission de polluants

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Ecole



Problème

Le rendement global des moteurs thermiques est assez bon à pleine charge (35 à 40 %)

Par contre, il est très faible à faible charge (jusqu’à 0% au ralenti)

Le cycle thermodynamique n’est pas réversible :L’énergie cinétique ne peut pas être retransformée en carburant

� La réduction de la consommation passe par :� La suppression du fonctionnement à faible charge

� Le stockage de l’énergie cinétique durant les phases de décélération

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Ecole



Solutions

Downsizing�Réduction de la cylindrée

�Suralimentation pour conserver les performances

Véhicule hybride

�Moteur à combustion interne conventionnel

�Convertisseur d’énergie réversible

�Système de stockage de l’énergie

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Ecole



Inconvénients

Faible couple disponible sans suralimentation

Relance turbo importante lors des forts transitoires

Cout des installations hybrides

Nécessite des solutions complexes et/ou couteuses�Contrôle du remplissage en utilisant des VVT

et l’injection directe

�Utilisation d’un compresseur à la place d’un turbocompresseur

� turbocompresseur avec relance électrique

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Ecole



Le concept � Basé sur un moteur à combustion

interne ‘classique’

�Ajout d’une soupape connectéeà un réservoir sous pression

� L’énergie cinétique est stockée sous forme d’air comprimé

Modes de fonctionnement�Moteur pneumatique

� Pompe pneumatique

� Suralimentation pneumatique

� Sous-alimentation pneumatique

Une approche nouvelle :

l’hybridation pneumatique

Admission Echappement

Réservoir haute

Pression

Chaque chambre de combustionest connecté au réservoir hautepression

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Ecole



Moteur hybride pneumatique downsizé

Moteur downsizé�Cylindrée réduite

� Performances conservéesgrâce à la suralimentation

� Inconvénient : retard du couple en transitoire

Moteur hybride downsizé� La suralimentation hybride peut compenser le retard.

� Possibilité d’obtenir le couple max ‘instantanément’

� Possibilité d’augmenter le downsizing

ExhaustIntake

The hybrid engine with turbocharger

High pressure air tank

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Ecole



Mode de suralimentation pneumatique

Admission et échappement�Cycle hybride identique au

cycle conventionnel

�Admission (8-9-1)

� Echappement (5-6-7)

Combustion et détente �Cycle hybride (2’-3’-4’-5’)

identique au cycle conventionnel (2-3-4-5)

P

VPMH PMB

P-V diagram of engine supercharging withair from high-pressure tank

3'

2'

3

2

78

561

12 1110

4

Compression:�Début de la compression (1-10)

� Suralimentation additionnelle (10-11-12)

� Fin de la compression (12-2’)

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Ecole



Modèle Moteur

Modèle 0D Basé sur des cycles théoriquesGaz parfaitsConservation de la masse,Conservation de l’énergiePrise en compte des espèces4 éléments modélisés�Turbocompresseur�Conduit d’admission, échappement, …� Papillon�Moteur

(Journal reference: Int. J. Engine. Res. Vol. 5. No. 2 JER 03002.© 2004. IMechE)

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Ecole



Modèle turbocompresseur

Basé sur une approche cartographique

Modèle compresseur

W e a k p e r f o r m a n c e

L im it o f

p u m p in g

M a x im a l s p e e d

1

1

01

02

1

01

02

−

−

=

−

T

T

P

P

c

γ

γ

η

−

⋅

⋅⋅=

−

1

1

i

i

i

a

i

C

ipi

Cp

pTcmP

γ

γ

η

�

11

Ecole




Modèle turbine

Equilibre des puissances

γ

γη

1

03

04

03

04

1

1

−

−

−

=

P

P

T

T

t

−⋅⋅⋅⋅=

−

e

e

e

e

a

TepTTp

pTcmP

γ

γ

η

1

1�

( )

ωω

dtPP

I

CT

T

T

⋅−⋅=∫1

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Ecole




0

50

100

150200

0

1

2

3

4-0.05

0

0.05

0.1

0.15

rotational speed (rpm x 1000)

pressure ratio

mass flo

w (Kg/s)

0

50

100

150200

0

1

2

3

4

-0.5

0

0.5

1

rotational speed (rpm x 1000)pressure ration

mass flo

w (Kg/s)

Turbine Compresseur

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Ecole



OPERATING CONDITIONS (1)

Engine configurations�Naturally aspirated engine (2 L) - reference engine

�Downsized (1 - 1.6 L) - CE with turbocharger

�Hybrid (1 - 1.2 L) - CE with turbocharger and air tank

�Tank volume = 20 L

Operating conditions� Simulation start:

low load (25 J)

�After stabilization: instantaneously jump tohigh load (290 J)

�Tank pressure = 1 MPa

0

50

100

150

200

250

Time (s)

Mech

an

icalw

ork

(J)

300

Full load operatingStabilisation operating

25 J low load

0 1 2

Required mechanical work

290 Jreference

mechanical work

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Ecole



RESULTS: NA vs. downsized

Maximum mechanical work �Naturally aspirated 2 L engine = supercharged 1.2 L

engine

� Provided quicker by naturally aspirated reference engine vs. supercharged engine

Torque lag� is due to turbocharger inertia

� is due to intake pipe volume

� varies according to:

• engine displacement

• engine speed

• turbocharger

• intake system

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

50

100

150

200

250

Time (s)

Mech

an

icalw

ork

(J)

naturally aspirated engine 2Lsupercharged engine 1.2L

Delivered mechanical work

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Ecole



RESULTS: NA vs. hybrid downsized

Maximum mechanical work �Naturally aspirated 2 L engine = hybrid 1.2 L engine

� Provided quicker by hybrid engine vs. naturally aspirated reference engine

Torque lag�Drawback of supercharged

engine is compensated

�Hybrid concept allowscycle by cycle and cylinderby cylinder torque control

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

50

100

150

200

250

Time (s)

Mech

an

icalw

ork

(J)

naturally aspirated engine 2Lsupercharged engine 1.2Lhybrid engine 1.2L

Delivered mechanical work

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Ecole



RESULTS: Indirect hybridization effects

Indirect effects of hybridization� Faster turbocharger speed

increase

� Faster manifold pressure increase

Hybrid torque compensation� Increased in-cylinder air mass

�More enthalpy at the turbine

� Faster turbocharger spool up

� Faster intake pressure increase

Effects

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0.5

1

1.5

2

x 104

Time (s)

Sp

eed

(ra

d/s

)

supercharged engine - 1.2L

hybrid engine - 1.2L

required speed

Turbocharger speed

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7x 10

5

Time (s)P

ressu

re (

Pa)

supercharged engine

hybrid engine

Pressure between compressor and

throttle – supercharged engine

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Ecole



RESULTS: Strong downsizing

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

50

100

150

200

250

300

Time (s )

Mec

ha

nic

al

wo

rk(J

)

naturally aspirated engine 2Lsupercharged engine 1Lsupercharged engine 1.2Lsupercharged engine 1.4Lsupercharged engine 1.6Lhybrid engine 1L

Mechanical workfor several engine displacements

Mechanical work evolves also according � Engine displacement

� Intake pressure

Limits of strong downsizing �Higher intake pressure

� Larger turbocharger

�Higher torque lag

Thanks to the new hybrid concept�Turbocharger lag can be fully compensated

�Higher levels of downsizing can be achieved without lag

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Ecole



CONCLUSION

New Hybrid Downsized Engine Concept has been presented

Based on a Pneumatic Hybrid Engine Concept �Uses ICE for several means (compressor, motor)

�Conventional technology

� Small investment, lightweight

Torque lag �Can be fully compensated

� Even for strongly downsized engines (1L hybrid vs. 2L NA)

Turbocharger lag � Lowered in terms of turbocharger speed and intake

pressure

� Small high pressure air tank is adequate (20L)

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