Utilisation Rationnelle de l’ÉNERGIE dans les Moteurs à...
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Utilisation Rationnelle de l’ÉNERGIEdans les Moteurs à Combustion
Interne et ENVIRONNEMENT
Contraintes et Mise au Point des Véhicules « Flex-Fuel »
Conférence SIA 13 Mars 2007
Bertrand HAUET - RENAULT SA Direction du Contrôle et de la Mise Au Point
!
"Introduction
"Les adaptations moteur et véhicule
"Les impacts sur le Contrôle Moteur
"La Mise au Point des prestations
"Quel avenir pour le « Flex-Fuel »
Contraintes & Mise Au Point des véhicules « flex-fuel »
2
!
L’ETHANOL :
-Une énergie alternative-Un potentiel de réduction des émissions de CO2-Un carburant liquide adapté à une utilisation dans le transport
DES VEHICULES « Flex-Fuel » capablesde fonctionner avec un mélange variable
d’Essence et d’Ethanol
ETHANOL : Source d’Énergie pour le Transport
!
Les origines de la technologie « Flex-Fuel »
• La crise pétrolière des années 70 déclenche le programme « pro-alcool » au Brésil.
• En 1985 : 95% des véhicules produits au Brésil sont dédiés, et fonctionnent à l’alcool (E100)
• Fin des années 90 : Regain de rentabilité de la filière sucrière et effondrement du marché des véhicules à l’alcool (recul à 7% en 2003)
• A partir de 2003 : introduction de la technologie « Flex-Fuel »
• Décembre 2004 : 2/3 des nouveaux véhicules sont « FlexFuel »
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!
• E0 : il s’agit d’Essence sans ajout de bio-ethanol
• E10 : 10 % d’Ethanol ajouté à l’essence, le fonctionnement du moteur est peu affecté
• E26 : 26 % d’Ethanol ajouté à l’essence (Brésil). Nécessite des réglages spécifiques
• E85 : 85 % d’Ethanol et 15 % d’essence (Europe)
• E 100 : > 93 % d’Ethanol (Brésil)
« Flex-Fuel » : taux variable d’essence et d’alcool
!
LE CARBURANT : Caractéristiques physico-chimiques
Ethanol Essence
Formule C2H5OH CxHy
Rapport H/C 3 1,9Densité (g/cm3) 0,79 0,75Pouvoir Calorifique Inférieur (kJ/kg) 26 900 42 500Tension de Vapeur Reid (kPa) à 37,8°C 16 60Rapport air-carburant stoechiométrique 9 14,5chaleur latente de vaporisation (KJ/Kg) 845 420Indice d'Octane RON 110 95
Propriétés comparées de l'Ethanol et de l'Essence
4
!
Octane apporté par l’Ethanol
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Teneur en éthanol (%)
Gai
n R
ON
/MO
N
RON calculéMON calculé
Source : Groupe TOTAL
!
Variabilité de la Volatilité
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Alcohol in Gasoline [%]
TV [k
Pa]
Ethanol [kPa]Source: SAE Paper 852116
TV Essence seule
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!
Pouvoir Calorifique Inférieur
Carburants éthanolés :PCI = f(teneur en éthanol)
20000
25000
30000
35000
40000
45000
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Teneur volumique en éthanol (%)
PCI (
kJ/k
g ca
rbur
ant)
2700
2800
2900
3000
3100
3200
Con
tenu
éne
rgét
ique
(k
J/kg
air
à R
i=1)
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"Introduction
"Les adaptations moteur et véhicule
"Les impacts sur le Contrôle Moteur
"La Mise au Point des prestations
"Quel avenir pour le « Flex-Fuel »
Contraintes & Mise Au Point des véhicules « flex-fuel »
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Les Adaptations du Moteur
Soupapes nitruréeset
Sièges de soupapes renforcés
Injecteurs à débit augmenté
Piston graphité
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Les Adaptations du Véhicule
Sondes à oxygène
Calculateur moteur
Matériaux du réservoir et
du circuit carburant
Canister et tuyaux
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"Introduction
"Les adaptations moteur et véhicule
"Les impacts sur le Contrôle Moteur
"La Mise au Point des prestations
"Quel avenir pour le « Flex-Fuel »
Contraintes & Mise Au Point des véhicules « flex-fuel »
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Les impacts sur le Contrôle Moteur
• Reconnaissance du carburant : estimation ou mesure du taux d’alcool
• Gestion des richesses, Avances et Quantités Injectées enfonction du taux d’ alcool
• Gestion des démarrages à froid, voire Commande d’un système additionnel (E100 au Brésil)
• Adaptation de l’automate de dépollution en phase de Mise En Action du catalyseur
• Mouillage des parois/gestion des transitoires
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Reconnaissance du carburant
«Estimer le carburant dans le réservoir (Exx) pour Adapter le Contrôle Moteur au carburant présent» :
• Le capteur d’Ethanol : mesure directe• La reconnaissance logicielle
!
La Reconnaissance Logicielle
Système RENAULT :
#Reconnaissance « lente » :- Exploitation de l’information de dérive de richesse- Bidirectionnelle : E0 <-> Exx, en stabilisé- Monodirectionnelle en Régulation de Ralenti : E0 -> Exx- Restrictions à des plages de régime, charge moteur et
Température eau- Limitée temporellement
Précision < +/- 3%
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!
La Reconnaissance Logicielle
#Reconnaissance « rapide » :- Exploitation du signal brut de la sonde de richesse amont
- Unidirectionnelle : E0 -> Exx- Restrictions à des plages de charge, régime moteur et Température eau
- Limitée temporellement
Précision : +/- 5 % au mieux
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"Introduction
"Les adaptations moteur et véhicule
"Les impacts sur le Contrôle Moteur
"La Mise au Point des prestations
"Quel avenir pour le « Flex-Fuel »
Contraintes & Mise Au Point des véhicules « flex-fuel »
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Performances
Consommation
Dépollution
Démarrabilité à chaud & à froid
Agrément
Les Prestations de la Mise Au Point
" A garantir de E0 à E85 /E100
!
La Mise Au Point des prestations
PERFORMANCES :
# Le RON plus élevé et la chaleur latente de vaporisation permettent des avances àl’allumage plus élevées pour l’exploitation des fortes charges à chaud
# Les limites de débouclage de richesse sont repoussées à chaud
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!
Exploitation de l’avance à l’allumage
!
PERFORMANCES : avantages
0
5
10
15
20
25
30
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500régime [tr/mn]
A_V
ol [d
eg.V
]
E 0
E 85Avances exploitables à fortes charges
12
!
80
85
90
95
100
105
110
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
régime [tr/mn]
Cou
ple
[Nm
]
PERFORMANCES : avantages
E0
E 85
Environ + 4 % de performances
!
Limites de Débouclage
Régime (tr/mn)Ralenti
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
60000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Charge
Charge à vide Pleine Charge
Cartographie de Richesse EssenceCartographie de richesse E 85
Limites zone Avance optimale
Richesse 1
Richesse > 1
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!
PERFORMANCES : avantages
450
500
550
600
650
700
750
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
régime [tr/mn]
T1EC
H [°
C]
Thermique Echappement en pleine charge
E 85E0
!
PERFORMANCES : contraintes
Ecarts sur les Temps d’Injections
10000,00
11000,00
12000,00
13000,00
14000,00
15000,00
16000,00
17000,00
18000,00
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
régime [tr/mn]
Tem
ps d
'Inje
ctio
n [ µ
s ]
E 0
E 85
+ 40 %
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!
PERFORMANCES : contraintes
Sollicitations mécanique du moteur
40
45
50
55
60
65
70
75
80
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
régime [tr/mn]
Pmax
Cyl
indr
e (b
ar)
E 85
E0
!
La Mise Au Point des prestationsConsommation :
# Il faut 1,4 L d’E85 pour disposer de la même énergie que dans 1 Litre d’Essence
# Sur Cycle, la consommation volumique (L/100 km) est supérieure d’environ 35 à 40 %
# Sur cycle Europe, un véhicule E 85 émet en théorie, environ 4% de CO2 en moins
# Hors Cycle, l’écart de consommation se réduitd’autant que le moteur fonctionne « chargé »
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!
Consommation
Carburants éthanolés : surconsommation carburant = f(teneur en éthanol)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Teneur volumique en éthanol (%)
Surc
onso
mm
atio
n pa
r rap
port
à
l'ess
ence
E0
(%)
Surconsommation massique / E0
Surconsommation volumique / E0
!
Consommation
Carburants éthanolés :émissions spécifiques CO2 = f(teneur en éthanol)
70.0
71.0
72.0
73.0
74.0
75.0
76.0
77.0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Teneur volumique en éthanol (%)
Emis
sion
s sp
écifi
ques
CO
2 (g
r/MJ)
-7%
-6%
-5%
-4%
-3%
-2%
-1%
0%
Dim
inut
ion
émis
sion
s C
O2
/ E0
(%)
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!
Consommation & Émissions de CO2
Mesures sur véhicule Mégane équipé d’un moteur 1,6 L
Essence E 85 Ecart
Niveau de Dépollution EURO 4 EURO 4 -Consommation (L/100 Km) 6,8 9,2 35%Emissions de CO2 (g/Km) 160 151 -6%
Emissions de CO2 (g/Km) "du puit à la roue"* 184 115 -38%
* selon valeurs moyennes d'obtention des carburants
Cycle Europe
!
La Mise Au Point des prestations
Dépollution :
– La réponse de la sonde lambda n’est pas la même => reprise des calibrations sonde
– Risque de fiabilité sonde par présence excessive d’eau dans les gaz d’échappement
– L’enrichissement nécessaire à froid en éthanol pénalise la prestation dépollution
– Les températures amont du catalyseur sont plus faibles
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!
Réponse de la sonde de richesse
Richesse statique
0
0,15
0,3
0,45
0,6
0,75
0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1 1,01 1,02 1,03
richesse condiac
tens
ion
sond
es
SONDES - 1 limite riche, 1 limite pauvre - essence/ alcool
Décalage de la richesse de basculement de 1 % pour des fenêtres optimales à 3 %
Alcool
Essence
!
Dépollution
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180time [sec]
VITE
SSE
[km
/h]
0
40
80
120
160
T_av
t_ca
ta [°
C]
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900ah16_24_070116_000.csvtb95_24_061005_005.csvAH16_24_070116_000.datTB95_24_061005_005.dat
CARBURANT E0CARBURANT E85CARBURANT E0CARBURANT E85
Températures avant CATA (°C)
ECE1
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!
La Mise Au Point des prestations
Démarrabilité :
– L’éthanol a un point d’ébullition fixe et par conséquent une volatilité constante.
– Le mélange Essence Alcool dépend aussi des caractéristiques de l’essence de base
– Les principales difficultés concernent le démarrage à froid avec fort taux d’alcool
!
Effets de la volatilité sur les Démarrages
Tem
péra
ture
(°C
)
PF
PI
E100
T10
T50
T90
Effets de la volatilité d'un carburant sur le rendement moteur
0
20
40
60
80
120
140
180
200
0 20 40 60 80 100
Pourcentage évaporé (%)
Problèmes de démarrage à
froid
Problèmes de démarrage à
chaud
Courbe de distillation d’une essence Europe
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!
La Mise Au Point des prestations
Démarrage à froid :
– En E100, les démarrages sont difficiles pour des températures ambiantes inférieures à 15 °C
– Au Brésil les véhicules sont équipés d’un système additionnel de démarrage à froid
– Pour l’Europe et pour les futures applications Brésil, il faudrait supprimer le système additionnel
!
Démarrage en E100 sur les véhicules Brésil
En E100, démarrage difficile pour une température ambiante < 15°C
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!
Démarrage en E100 sur les véhicules Brésil
Réservoir additionnel d’essence ~ 1 litreélectrovanne 2 voies pour le dosage
gicleur ( de ~0,6 mm ) placé dans le BP
!
Suède été
Suède hiver
Éthanol (%v.)Sévérité / froid
Ten
sio
n d
e v
ap
eu
r (k
Pa)
Sévéri
té /
fro
id
Comparaison des spécifications
30
40
50
60
70
80
90
100
60 65 70 75 80 85 90
Francehiver France
intersaison
Franceété
Mélanges Ethanol / Spécifications Essence
Carburants Hiver / ETE
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!
Démarrages EUROPE en E 85 & E0
00,20,40,60,8
11,21,41,61,8
22,22,42,62,8
33,23,43,63,8
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Températures en °c
Tem
ps d
e D
épar
t au
lach
é de
clé E0
E85 Tvr= 40KpaE85 Tvr= 50Kpa
!
Démarrages EUROPE en E 85 & E0
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!
#Le mouillage des parois diffère entre les différents dosages d’alcool
#Nécessité de spécification été/hiver du carburant comme pour l’essence
#Pour l’agrément en transitoire, l’enrichissement augmente avec le taux d’alcool : limitation par leback-fire
La Mise Au Point des prestations
Agrément :
!
AgrémentMasse de carburant évaporée - 2000 tr/min - 3 bars PMI
9
14
19
24
29
34
360 720 1080 1440 1800Angle Vilebrequin (en °)
Mas
se (e
n m
g)
Masse Inj RON 95 Masse évap RON95 Masse Inj E100 Masse évap E100
Cycle 2 Cycle 3Cycle 1PMH Adm PMH AdmPMH Comb PMH Comb
ouverture des soupapes d'admission
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!
Simulation du mouillage de paroisEthanol E100 Ron 95
Attention à la représentation graphique, il reste 28% de la masse injectée au PMH avec de l’E100
!
Réponses en transitoire
Essai à 1500 tr/mn : Température eau/huile = 20 ° CPcol = 500 mbarSaut de Ti : Ri = 0,9 à Ri = 1,1
Essence E 100
24
!
Réponses en transitoire
En temps En nombre de cyclesEssence < 1 s 7E85 2,2 s 28E100 9,2 S 115
Stabilisation de la PMI
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"Introduction
"Les adaptations moteur et véhicule
"Les impacts sur le Contrôle Moteur
"La Mise au Point des prestations
"Quel avenir pour le « Flex-Fuel »
Contraintes & Mise Au Point des véhicules « flex-fuel »
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QUEL AVENIR pour le « Flex-Fuel » ?
Les incontournables :
• challenge technique : Satisfaire toutes les futures contraintes réglementaires
# Développer durablement une offre carburant et un réseau de distribution
• Maintenir une offre produit attrayante pour le client
La pérennité dépend de la Compatibilité du carburant avec les futurs développements
visant à l’amélioration du rendementdes Moteurs à Allumage Commandé
!
Challenges Techniques : BRESIL
1- Norme L5 : passage LEV au 01/01/2009 Tous Types
0,030,250 (2)0,1560,32,0-VP US94
0,020,12 (2)0,050,32,0-VP LEV
0,040,25 (2)0,060,52,7> 1 700
0,020,12 (2)0,050,32,0≤ 1 700VUL LEV
Aldéhydes totaux (4)
(g/km)
NOx(g/km)
NMHC(g/km)
HC (1)(g/km)
CO(g/km)
Masse de Réf. (kg) *Catégorie
Véhicule
0,030,250 (2)0,1560,32,0-VP US94
0,020,12 (2)0,050,32,0-VP LEV
0,040,25 (2)0,060,52,7> 1 700
0,020,12 (2)0,050,32,0≤ 1 700VUL LEV
Aldéhydes totaux (4)
(g/km)
NOx(g/km)
NMHC(g/km)
HC (1)(g/km)
CO(g/km)
Masse de Réf. (kg) *Catégorie
Véhicule
* Masse de référence = masse du véhicule à vide en ordre de marche + 136 kg.(1) = véhicules GNV uniquement. (Pas d’exigence NMHC pour les GNV).(2) = véhicules à allumage commandé.(4) = véhicules à allumage commandé, sauf GNV.
La durabilité demandée est de 80 000 km
2- Attentes du marché : suppression du réservoir additionnel ?
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!
Challenges Techniques : EUROPE
Fonctionnement à Froid : assurer le démarrage et la MEA jusqu’à – 30 °C sans système additionnel
Dépollution : HC/NMHC – Respect des objectifs en E5 et E85 à 20° C– Respect des objectifs en E85 à -7°C avec un
niveau d’agrément acceptable
OBD : Diagnostic étendu
Selon les évolutions réglementaires à fixer pour les carburants alcoolisés pour EURO5 et au-delà :
!
Offre carburant
Marché de l’Ethanol :
– Développement de la filière de production
– Soutien fiscal sur le prix de vente
– Disponibilité du réseau de distribution
– Normalisation Européenne des carburants
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Offre « produit »
– Transparence des prestations offertes au client, quelque soit le carburant " Contrôle Moteur basé sur l’utilisation d’adaptatifs
– Maintien d’un avantage prestations/coûts d’utilisation valorisable par le client
– Compatibilité avec les technologies en cours de développement pour l’amélioration du rendementdes Moteurs à Allumage Commandé