DISTRIBUTION ELECTROHYDRAULIQUE / CARACTERISTIQUES...

Volvo Powertrain FranceRomain LE FORESTIER – Benoît LOMBARD

ConfConféérencerence SIA / CNAM SIA / CNAM –– Distribution variable Distribution variable –– 27 mars 200727 mars 2007 1

DISTRIBUTION ELECTROHYDRAULIQUE / DISTRIBUTION ELECTROHYDRAULIQUE / CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLES ET CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLES ET

AVANTAGESAVANTAGES

VOLVO POWERTRAIN FRANCEVOLVO POWERTRAIN FRANCE

Romain LE FORESTIER

Benoît LOMBARD



Plan de la prPlan de la préésentationsentation

Introduction: les diffIntroduction: les difféérents types de systrents types de systèèmes de commande de soupapesmes de commande de soupapes

Architecture du systArchitecture du systèème HVAme HVA

FlexibilitFlexibilitéé du systdu systèème HVAme HVA

Performances du systPerformances du systèème HVAme HVA

Concept du moteurConcept du moteur

RRéésultats dsultats d’’essaisessais•• Combustion pHCCI par utilisation du cycle MillerCombustion pHCCI par utilisation du cycle Miller

•• Utilisation du swirl variableUtilisation du swirl variable

•• Optimisation de lOptimisation de l’’avance avance àà ll’’ouverture ouverture àà ll’é’échappementchappement

•• Frein moteur 2 tempsFrein moteur 2 temps

ConclusionsConclusions

RemerciementsRemerciements



Distribution Distribution mméécaniquecanique

ArbreArbre àà camescames latlatééralral ouou en en têtetête

AttaqueAttaque directedirecte, , linguetlinguet ouou culbuteurculbuteur

Distribution Distribution mméécanicocanico--magnmagnéétiquetique ouou mméécanicocanico--hydrauliquehydraulique

DDééphaseursphaseurs hydrauliqueshydrauliques (VVT)(VVT)

BasculeursBasculeurs de de loislois de de levlevééeses (VVA)(VVA)

ModificateursModificateurs de de loislois de de levlevééeses (VVA)(VVA)

Distribution Distribution «« camlesscamless »»

ElectroElectro--magnmagnéétiquetique

ElectroElectro--hydrauliquehydraulique (ex: Hydraulic Valve Actuation par (ex: Hydraulic Valve Actuation par SturmanSturman Industries)Industries)

SystSystèèmesmes de de commandecommande de de soupapessoupapes



High pressure rail

Medium pressure rail

Low pressure tank

Low pressure tank

High pressure rail


Low pressure tank

Low pressure tank

Un Un actionneuractionneur éélectrolectro--hydrauliquehydraulique par par soupapesoupape

Circuit Circuit indindéépendantpendant pour pour huilehuile àà faiblefaible viscositviscositéé (0W20)(0W20)

Pompe Pompe àà huile pour HVA shuile pour HVA sééparparéée du moteure du moteur

Calculateur HVA dCalculateur HVA déédidiéé (VDM+)(VDM+)

Circuit puissance Circuit puissance àà haute pression (100 / 210 bar)haute pression (100 / 210 bar)

Circuit contrôle Circuit contrôle àà moyenne pression (30 / 35 bar)moyenne pression (30 / 35 bar)

Circuit de retour Circuit de retour àà faible pression (1 bar)faible pression (1 bar)

Architecture du Architecture du systsystèèmeme HVAHVA



High pressure rail


Low pressure tank

Low pressure tank

pressure rail


Low pressure tank

Low pressure tank

High

1/ 1/ OuvertureOuverture de de soupapessoupapes

FermetureFermeture du circuit du circuit bassebasse pressionpression (Vent Pilot Valve)(Vent Pilot Valve)

OuvertureOuverture du circuit du circuit moyennemoyenne pressionpression (Supply Pilot Valve)(Supply Pilot Valve)

DDééplacement de la vanne proportionnelleplacement de la vanne proportionnelle

Ouverture du circuit haute pressionOuverture du circuit haute pression

Ouverture de la soupapeOuverture de la soupape



High pressure rail


Low pressure tank

Low pressure tank

pressure rail


Low pressure tankHigh

Low pressure tank

2/ 2/ MaintienMaintien de de soupapessoupapes

OuvertureOuverture du circuit du circuit bassebasse pressionpression (Vent Pilot Valve)(Vent Pilot Valve)

OuvertureOuverture du circuit du circuit moyennemoyenne pressionpression (Supply Pilot Valve)(Supply Pilot Valve)


Fermeture du circuit haute pressionFermeture du circuit haute pression

Maintien de la soupape ouverteMaintien de la soupape ouverte



High pressure rail


Low pressure tank

Low pressure tank

pressure rail



Low pressure tank

2/ 2/ MaintienMaintien de de soupapessoupapes

FermetureFermeture du circuit du circuit bassebasse pressionpression (Vent Pilot Valve)(Vent Pilot Valve)

FermetureFermeture du circuit du circuit moyennemoyenne pressionpression (Supply Pilot Valve)(Supply Pilot Valve)

Maintien de la soupape ouverteMaintien de la soupape ouverte



High pressure rail


Low pressure tank

Low pressure tank

pressure rail



Low pressure tank

3/ 3/ FermetureFermeture de de soupapessoupapes

OuvertureOuverture du circuit du circuit bassebasse pressionpression (Vent Pilot Valve)(Vent Pilot Valve)

FermetureFermeture du circuit du circuit moyennemoyenne pressionpression (Supply Pilot Valve)(Supply Pilot Valve)


Ouverture du circuit de retour basse pressionOuverture du circuit de retour basse pression

Fermeture de la soupapeFermeture de la soupape



Boucle de Boucle de contrôlecontrôle du du systsystèèmeme HVAHVA

SENSORANALOG FILTERING BOX

• 3kHz filtering frequency• 1 pole (-20dB/dec)

ANALOG/DIGITAL CONVERTER• 10kHz sampling

LIFT CONVERTER• 2nd order polynomial fit

VALVE LIFT CALIBRATION• Seat (0mm)• Boost stop (3,5mm)• Hardstop (12mm)

Vent and supply valves command

SENSOR BOX• Offset (0V)• Amplification (0-2V)

FEEDBACK/FEEDFORWARD CONTROLLERS• Valve open timing• Valve lift command• Debounce depth• Debounce duration• Valve close timing• Landing knee command• Landing rate command

OPEN LOOP MAPS



-0,50

0,51

1,52

2,53

3,54

4,55

5,56

6,57

7,58

8,59

9,510

-360 -340 -320 -300 -280 -260 -240 -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60Crankshaft angle (deg)

Valve lift (mm)

FlexibilitFlexibilitéé du du systsystèèmeme HVAHVACalageCalage angulaireangulaire et et durdurééee des des loislois de de levlevééeses de de soupapessoupapes



-0,50

0,51

1,52

2,53

3,54

4,55

5,56

6,57

7,58

8,59

9,510

-360 -340 -320 -300 -280 -260 -240 -220 -200 -180 -160 -140

Crankshaft angle (deg)

Valve lift (mm)

CalageCalage angulaireangulaire et et durdurééee dd’’ouvertureouverture des des loislois de de levlevééeses de de soupapessoupapesLevLevéée de soupapese de soupapesVitesse de dVitesse de déépose de soupapespose de soupapes

FlexibilitFlexibilitéé du du systsystèèmeme HVAHVA



-0,50

0,51

1,52

2,53

3,54

4,55

5,56

6,57

7,58

8,59

9,510

-360 -300 -240 -180 -120 -60 0 60 120 180 240 300 360Crankshaft angle (deg)

Valve lift (mm)

CalageCalage angulaireangulaire et et durdurééee dd’’ouvertureouverture des des loislois de de levlevééeses de de soupapessoupapesLevLevéée de soupapese de soupapesVitesse de dVitesse de déépose de soupapespose de soupapesNombre dNombre d’’ouvertures de soupapes par cycleouvertures de soupapes par cycle




-0,50

0,51

1,52

2,53

3,54

4,55

5,56

6,57

7,58

8,59

9,510

-360 -340 -320 -300 -280 -260 -240 -220 -200 -180 -160Crankshaft angle (deg)

Valve lift (mm) 172bar 138bar

CalageCalage angulaireangulaire et et durdurééee dd’’ouvertureouverture des des loislois de de levlevééeses de de soupapessoupapesLevLevéée de soupapese de soupapesVitesse de dVitesse de déépose de soupapespose de soupapesNombre dNombre d’’ouvertures de soupapes par cycleouvertures de soupapes par cycleTemps dTemps d’’ouverture de soupapesouverture de soupapes




CalageCalage angulaireangulaire et et durdurééee dd’’ouvertureouverture des des loislois de de levlevééeses de de soupapessoupapesLevLevéée de soupapese de soupapesVitesse de dVitesse de déépose de soupapespose de soupapesNombre dNombre d’’ouvertures de soupapes par cycleouvertures de soupapes par cycleTemps dTemps d’’ouverture de soupapesouverture de soupapesProfil dProfil d’’ouverture de soupapes admissionouverture de soupapes admission


-0,50

0,51

1,52

2,53

3,54

4,55

5,56

6,57

7,58

8,59

9,510

-420 -400 -380 -360 -340 -320 -300 -280 -260 -240 -220 -200 -180 -160

Crankshaft angle (deg)

Valve lift (mm)



Performances du Performances du systsystèèmeme HVAHVAComparaisonComparaison des des loislois de de levlevééeses de de soupapessoupapes avec un avec un systsystèèmeme de de commandecommande

par par arbrearbre àà camescamesMechanical actuation versus hydraulic actuation at low engine speed

Mechanical actuation versus hydraulic actuation at high engine speed

bas rbas réégimegime

haut rhaut réégimegime



Précision en position d’ouverture: +/- 2 crdegRépétabilité en position d’ouverture: 3 crdeg

Précision en position de fermeture: +/- 3 crdegRépétabilité en position de fermeture: 3 crdeg

Précision en levée: +/- 0,2 mm (<3,5mm)+/- 0,5 mm (>3,5mm)

Répétabilité en levée: 0,8 mm

Temps d’ouverture: < 3 ms Temps de fermeture: < 3 ms

Performances du Performances du systsystèèmeme HVAHVAPrPréécisioncision et et rrééppéétabilittabilitéé ((moyennemoyenne et et éécartcart--type type àà 100 cycles 100 cycles consconséécutifscutifs))



Comparatif Comparatif éénergnergéétique des systtique des systèèmes de distributionmes de distributionConsommationConsommation

FlexibilitFlexibilitéé

DistributionDistributionhydrauliquehydraulique

DistributionDistributionmméécanicocanico--hydrauliquehydraulique

DistributionDistributionmméécaniquecanique

- Loi de soupapefixe

- Levée ajustable- Temps d’ouverture ajustable- Durée d’ouverture ajustable

- Levée continûment variable- Temps d’ouverture continûment variable- Durée d’ouverture continûment variable- Nombre d’ouvertures par cycle- Forme variable de lois de levées



Concept moteur Concept moteur –– HVA TGV Simple HVA TGV Simple éétage tage -- EGREGR

Moteur: Diesel 11 litreMoteur: Diesel 11 litre360hp 360hp àà 1800 tr/min; 1750 Nm 1800 tr/min; 1750 Nm àà 1200 tr/min1200 tr/minSystSystèème dme d’’injection: Common Rail amplifiinjection: Common Rail amplifiééBosch Bosch ““APCRS BAPCRS B--samplesample””--6x745cc/30sx1406x745cc/30sx140°°Piston: rapport volumPiston: rapport voluméétrique de 16trique de 16Turbo: gTurbo: gééomoméétrie variable simple trie variable simple éétagetageCommande de soupapes Commande de soupapes éélectrolectro--hydrauliquehydraulique



ContexteContexteConcepts de combustionConcepts de combustion

Moteurs à allumage commandé (Gasoline,

Otto)

Moteurs à allumage par compression

(Diesel)

Homogeneous Charge Compression Ignition

(HCCI)

Partly Homogeneous Compressed Combustion

Ignition (pHCCI)

Spark Assisted Compression Ignition

(SACI)Gasoline HCCI

+ Bon rendement

+ Très bas NOx

- Contrôle de la combustion

- Densité de puissance

+ Propre avec catalyseur 3 voies- Mauvais rendement à basse

charge et charge partielle

+ Bon rendement- Emissions de NOx et

de suies

+ Contrôlée par l’injection- Moins avantageuse en

émissionsSource: Bengt Johansson, Lund Source: Bengt Johansson, Lund UnivUniv..



pHCCI = PCI = PPC = PCCIpHCCI = PCI = PPC = PCCI……

pHCCI: Un nom parmi dpHCCI: Un nom parmi d’’autres pour la combustion bas NOx/ basses suies dans les autres pour la combustion bas NOx/ basses suies dans les diffdifféérents types de zone de combustionrents types de zone de combustion



Utilisation de lUtilisation de l’’effet Miller en modifiant le Retard de Fermeture effet Miller en modifiant le Retard de Fermeture àà ll’’Admission (RFA), ce qui Admission (RFA), ce qui revient revient àà modifier la durmodifier la duréée de d’’ouverture des soupapes admissionouverture des soupapes admission

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1

Intake and Exhaust Valve liftsMechanical classic lifts vs. Camless lifts

0

2

4

6

8

10

12

14

0 45 90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720Crank Angle

lift [

mm

]

Classic mechanical intake valveClassic mechanical exhaust valveClose angle 340°, duration 200°Open angle 380°, duration 75°Open angle 380°, duration 160°Open angle 380°, duration 245°

Earl Miller Late Miller

Exhaust valve Intake valve



910

1112

1314

1516

17

70 90 110 130 150 170 190 210 230 250Intake valve opening duration [°CA]

Effe

ctiv

e C

ompr

essi

on R

atio

La plage de rapport volumLa plage de rapport voluméétrique trique effectif varie de 10 effectif varie de 10 àà 16 en Miller 16 en Miller prpréécoce comme en Miller tardifcoce comme en Miller tardif

A25. Impact sur la pression cylindre A25. Impact sur la pression cylindre au point mort haut en rau point mort haut en rééglage Miller glage Miller prpréécoce: 90coce: 90°° vilebrequin de durvilebrequin de duréée e dd’’ouverture au lieu de 160ouverture au lieu de 160°°

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-60 -40 -20 0 20 40 60Crank angle degree

Cyl

inde

r Pre

ssur

e [b

ar]

ReferenceEarly MillerInjector pulse



Soot

-100

-50

0

50

100

70 90 110 130 150 170 190 210 230 250

Intake valve opening duration [°CA]

Rel

ativ

e So

ot [%

]

EGR

20

25

30

35

40


EGR

[%]

SNOx AVL439 soot BSFC Temp af.turb.% % % °C

reference 160°CA inlet valve opening duration reference reference reference 315Early Miller 90°CA inlet valve opening duration -5 -54 +6 419Late Miller 240°CA inlet valve opening duration -28 -59 +4 395

A25 - 1200 rpm 438 Nm - 5 bar BMEP

Balayage de durBalayage de duréée de d’’ouverture de soupape admission sur A25 1200 tr/min ouverture de soupape admission sur A25 1200 tr/min –– 25% de charge25% de chargeTous les autres paramTous les autres paramèètres sont maintenus constantstres sont maintenus constants

BSFC

-5

0

5

10

15

70 90 110 130 150 170 190 210 230 250


rela

tiv B

SFC

[%]

NOx

-40

-30

-20

-10

0

10

20

70 90 110 130 150 170 190 210 230 250


Rel

ativ

e N

ox [%

]



A25 1200 rpm - 25% load

0500

100015002000250030003500


Rel

ativ

e C

O [%

]0

50

100

150

200

250

Rel

ativ

e H

C[%

]

COHC

HC et CO augmentent en Miller prHC et CO augmentent en Miller préécoce coce comme tardifcomme tardif

La tempLa tempéérature aprrature aprèès turbine augmente en effet Millers turbine augmente en effet Miller

A25 1200 rpm - 25% load - Exhaust temp. After turbine

300

350

400

450

500


Exha

ust t

emp

afte

r tu

rbin

e [°C

]



Rate of Heat Release comparison between Early Miller 90°CA intake duration and no Miller (160°CA intake duration)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

-5 0 5 10 15 20Crank Angle Degree

RoH

r [J/

CA

D] a

nd In

ject

ion

rate

[mm

3/m

s]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Inje

ctor

cur

rent

[AU

]

ROHR filt.reference 160° intake duration J/°CA

ROHR filt.90° intake duration J/°CA

injection rateEGR = 34% for referenceε = 16λ = 1.7CombEff = 99.80%

EGR = 25% for 90° intake durationε = 12λ = 1.2CombEff = 98.84%




reference 160°CA inlet valve opening duration reference reference reference 301Late Miller 240°CA inlet valve opening duration -33 -45 +4 390

B25 - 1500 rpm 418 Nm - 4.8 bar BMEP


reference 160°CA inlet valve opening duration reference reference reference 289Early Miller 110°CA inlet valve opening duration -8 -98 +3 365Late Miller 230°CA inlet valve opening duration -3 -88 +2 356

C25 - 1800 rpm 358 Nm - 4.1 bar BMEP

Balayage de durBalayage de duréée de d’’ouverture de soupapes admission sur B25 et C25ouverture de soupapes admission sur B25 et C25LevLevéée e ééchappement, calage de lchappement, calage de l’’injection, position TGV, pression dinjection, position TGV, pression d’’injection sont maintenus injection sont maintenus constantsconstants



B25 1500 rpm - 418 Nm; Optimization around initial Miller optimum setting

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12

Main Timing [°CA BTDC]

Rel

ativ

e S

oot [

%]

Main Timing Swingreference w/o Miller before optimizationreference w/o Miller after optimization

B25 1500 rpm - 418 Nm; Optimization around initial Miller optimum setting

010203040506070

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12Main Timing [°CA BTDC]

Rel

ativ

e S

NO

x [%

]

Main Timing Swingreference w/o Miller before optimizationreference w/o Miller after optimization

B25: Main Timing swing on Late Miller setting

0

100

200

300

400

500

600

700

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30Crank angle degree

RO

HR

[J/°C

A]

0

2

4

6

8

10

12

Inje

ctor

pul

se a

nd in

ject

ion

rate

ROHR filt. Timing 10°BTDCROHR filt.referenceROHR filt. Timing -3°BTDCInjection rate Main Timing 10°BTDCInjection rate Main Timing 2°BTDCInjection rate Main Timing -3°BTDCInj. Pulse Main Timing 10°BTDCInj. Pulse Main Timing 2°BTDCInj. pulse Main Timing -3°BTDC

Balayage du calage de lBalayage du calage de l’’injection sur B25 en rinjection sur B25 en rééglage Miller tardif : 230glage Miller tardif : 230°° CA de durCA de duréée e dd’’ouverture au lieu de 160ouverture au lieu de 160°°Position TGV, pression dPosition TGV, pression d’’injection sont maintenus constantsinjection sont maintenus constants



B25 1500 rpm - 418 Nm; Optimization around initial Miller optimum setting: 230°CA intake valve opening duration instead of 160°CA

3

20

-1-2

4

-3°CA

6°CA 8°CA10°CA

-100-80-60-40-20

0204060

-100 -50 0 50

SNOx [%]

Rel

ativ

e So

ot [%

]

Main Timing Swingreference w/o Miller before optimizationreference w/o Miller after optimizationEGR swing with Main Timing -3°CA BTDC

EGR = 33%λ = 1.54CombEff = 98.67 %

SNOx AVL415S Soot BSFC Temp af.turb.% % % °C

reference 160°CA inlet valve opening duration, Main Timing 2°BTDC reference reference reference 282

Late Miller 230°CA inlet valve opening dur. after opt., Main Timing -3°BTDC -64 -82 +14 393

B25 - 1500 rpm 418 Nm - 4.8 bar BMEP



B50 1500 rpm - 50% load; Optimization around initial B25 Miller optimum setting: 230°CA intake valve opening duration

1650 bar

2000 bar

4°CA BTDC2°CA0°CA-5°CA

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

Relative SNOx [%]

Rel

ativ

e S

oot [

%]

reference B50 w/o MillerPrail increase starting from B25 Miller settingsMain Timing SwingEGR swing at -5°CA Main Timingreference B50 w/o Miller

1er: Augmentation de la pression d1er: Augmentation de la pression d’’injection sur B50 en rinjection sur B50 en rééglage Miller tardifglage Miller tardif2nd: Balayage du calage de l2nd: Balayage du calage de l’’injectioninjection33èème: Augmentation de lme: Augmentation de l’’EGREGR



B50. Late Miller setting, late Main Injection, high EGR

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60Crank angle degree

Cyl

inde

r pre

ssur

e [b

ar]

0

100

200

300

400

500

600

Rat

e O

f Hea

t Rel

ease

[J/°C

A]

and

Inje

ctio

n ra

te [m

m3/

ms]

Cylinder pressure; 2000 bar injection pressure; Timing -5°BTDCInjector pulseRoHRInjection rate



Conclusion sur la combustion pHCCIConclusion sur la combustion pHCCIpar utilisation de lpar utilisation de l’’effet Millereffet Miller

Le couplage entre un faible rapport volumLe couplage entre un faible rapport voluméétrique effectif, un taux dtrique effectif, un taux d’’EGR EGR relativement relativement éélevlevéé, et un fonctionnement proche de la st, et un fonctionnement proche de la stœœchiomchioméétrie permet trie permet dd’’atteindre des conditions atteindre des conditions ““pas de NOx/ pas de suiespas de NOx/ pas de suies””La combustion pHCCI nLa combustion pHCCI n’’est possible quest possible qu’’au prix dau prix d’’un rendement de combustion un rendement de combustion relativement mauvais et drelativement mauvais et d’’une augmentation de CO et HCune augmentation de CO et HCLes valeurs de suies les plus basses sont obtenues quand la combLes valeurs de suies les plus basses sont obtenues quand la combustion ustion ddéémarre aprmarre aprèès la fin de ls la fin de l’’injectioninjectionLa baisse simultanLa baisse simultanéée des NOx et des suies semble être la combinaison de des NOx et des suies semble être la combinaison d’’un un bon prbon préé mméélange dlange dûû àà un long dun long déélai dlai d’’autoauto--inflammation, et dinflammation, et d’’une tempune tempéérature rature locale de combustion due au manque dlocale de combustion due au manque d’’oxygoxygèèneneCes conditions Ces conditions «« pas de NOx/ pas de suiespas de NOx/ pas de suies »» ne sont pas atteignables ne sont pas atteignables àà 50% de 50% de charge même si le compromis NOx/ Suies est amcharge même si le compromis NOx/ Suies est amééliorlioréé par rapport par rapport àà la la rrééfféérence sans Millerrence sans MillerCette combustion pHCCI est aussi intCette combustion pHCCI est aussi intééressant pour ce qui concerne le ressant pour ce qui concerne le traitement des gaz dtraitement des gaz d’é’échappement, et notamment lchappement, et notamment l’’utilisation dutilisation d’’un SCRun SCR



Effet du swirlEffet du swirlIntake and Exhaust Valve lifts

Mecanical classic lifts vs. HVA lifts

362 544137 3470

2

4

6

8

10

12

14

0 45 90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720Crank Angle

lift [

mm

]

Classic mechanic intake valveClassic mechanic exhaust valveClose angle 340°, duration 200°Piston movementOpen angle 375°, duration 160°, lift 10mmOpen angle 375°, duration 160°, lift 8mmOpen angle 375°, duration 160°, lift 4mmOpen angle 375°, duration 160°, lift 2mmOpen angle 375°, duration 160°, lift 0mm



Trois types dTrois types d’’essais ont essais ont ééttéé rrééalisaliséés:s:

Balayage de levBalayage de levéée de d’’ouverture de soupapes admission pour les ports ouverture de soupapes admission pour les ports nn°°1,5,9,13,17,21 (côt1,5,9,13,17,21 (côtéé admission, ou ports courts) sur 9 points de fonctionnement: A25admission, ou ports courts) sur 9 points de fonctionnement: A25, , A50, A100, B25, B50, B100, C25, C50, C100A50, A100, B25, B50, B100, C25, C50, C100

Balayage de levBalayage de levéée de d’’ouverture de soupapes admission pour les ports nouverture de soupapes admission pour les ports n°°3, 7, 11, 15, 3, 7, 11, 15, 19, 23 (côt19, 23 (côtéé ééchappement, ou ports longs) sur 9 points de fonctionnement: A25,chappement, ou ports longs) sur 9 points de fonctionnement: A25, A50, A50, A100, B25, B50, B100, C25, C50, C100A100, B25, B50, B100, C25, C50, C100

Balayage dBalayage d’’EGR sur lEGR sur l’’optimum doptimum dééfini prfini prééccéédemmentdemment

Effet du swirlEffet du swirl



La culasse sLa culasse séérie du MD11 rie du MD11 àà un un niveau de swirl trniveau de swirl trèès bas: 0.5 s bas: 0.5 ààcomparer avec la valeur 1.85 pour le comparer avec la valeur 1.85 pour le moteur Renault Trucks dci11moteur Renault Trucks dci11

Effet du swirlEffet du swirl



Effet du Effet du swirlswirl



Balayage de levBalayage de levéée de d’’une des 2 soupapes dune des 2 soupapes d’’admission: exemple sur A50admission: exemple sur A50

A50 1200 tr/min - 875 Nm Effet du swirl

levée 2 mm7 mm

levée 8 mm

5mm

0

20

40

60

80

100

120

95 100 105 110 115 120NOx relatifs [%]

Suie

s re

lativ

es [%

]

réferenceBalayage levée soupape pour la n° 3,7,11,15,19,23Valve Lift Swing for valve n° 1,5,9,13,17,21réference



Balayage EGR Balayage EGR àà la levla levéée admission optimum: exemple sur A50e admission optimum: exemple sur A50


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

40 50 60 70 80 90 100 110Nox relatif [%]

Suie

s A

VL41

5S re

lativ

es [%

]

Réference avant balayage EGRBalayage EGR, soupapes 1, 5, 9,13, 17, 21 à 5 mmRéference après balayage EGR


99.5

100.0

100.5

101.0

101.5

102.0

40 50 60 70 80 90 100 110NOx relatif [%]

Con

som

mat

ion

rela

tive

[%]

Réference avant balayage EGRBalayage EGR, soupapes 1, 5, 9,13, 17, 21 à 5 mmRéference après balayage EGR



Conclusion sur A50:Conclusion sur A50:IntIntéérêt net a utiliser du swirl variable sur A50rêt net a utiliser du swirl variable sur A5040% de suies en moins 40% de suies en moins àà même niveau de NOx sans pmême niveau de NOx sans péénalitnalitéé en consommationen consommationPas dPas d’’impact significatif sur la pression cylindre ou le dimpact significatif sur la pression cylindre ou le déégagement de chaleurgagement de chaleur

Effect of swirl on cylinder pressure and ROHR on A50

0

20

40

60

80

100

120

-60 -40 -20 0 20 40 60Crank Angle degree

Cyl

inde

r pre

ssur

e [b

ar]

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Rat

e O

f Hea

t Rel

ease

[J/°C

A]

Reference cylinder pressureCylinder pressure with swirlROHR filt.ROHR filt.

Balayage EGR Balayage EGR àà la levla levéée admission optimum: exemple sur A50e admission optimum: exemple sur A50



A50 (optimum: port dA50 (optimum: port d’’admission court admission court àà 5 mm, port long 5 mm, port long àà 10 mm)10 mm)Suies Suies ↓↓ 40% 40% àà même NOx et même consommationmême NOx et même consommation

B25 B25 -- B50 (optimum: port dB50 (optimum: port d’’admission court admission court àà 5 mm, port long 5 mm, port long àà 10 10 mm)mm)

Suies Suies ↓↓ 25% 25% àà même NOx et même consommationmême NOx et même consommation

C25 C25 --C50 (optimum: port dC50 (optimum: port d’’admission court admission court àà 5 mm, port long 5 mm, port long àà 10 mm)10 mm)Suies Suies ↓↓ 15% 15% àà même NOx et même consommationmême NOx et même consommation

Utiliser la flexibilité du système de commande de soupapes pour faire du swirl permet de réduire

les suies en charge partielle



La levLa levéée de soupapes admission ne de soupapes admission n’’est pas modifiest pas modifiéée dans cet essaie dans cet essai

Impact dImpact d’’une variation de lune variation de l’’avance avance àà ll’’ouverture ouverture ààll’é’échappement (AOE) sur les performances moteurchappement (AOE) sur les performances moteur

Intake and Exhaust Valve liftsMecanical classic lifts vs. HVA lifts

362 544137 3470

2

4

6

8

10

12

14

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720Crank Angle

lift [

mm

]

Classic mechanic intake valveClassic mechanic exhaust valvePiston movementIVO = 375°CA, duration 160°, lift 10mmEVO = 125°CA, EVC = 345°CA, duration 220°CAEVO = 145°CA, EVC = 345°CA, duration 200°CAEVO = 165°CA, EVC = 345°CA, duration 180°CAEVO = 185°CA, EVC = 345°CA, duration 160°CAEVO = 205°CA, EVC = 345°CA, duration 140°CAPiston at bottom dead center



Le meilleur compromis NOx/ Conso est obtenu pour une durLe meilleur compromis NOx/ Conso est obtenu pour une duréée de d’’ouverture de la ouverture de la soupape soupape ééchappement de 190chappement de 190°° (AOE = 155(AOE = 155°°, RFE = 345, RFE = 345°°))2 g/kWh (2 g/kWh (--1%) de consommation en moins par rapport 1%) de consommation en moins par rapport àà la rla rééfféérence avec 200rence avec 200°° de de durduréée de d’’ouverture (AOE = 145ouverture (AOE = 145°°))Compromis Compromis NOxNOx/Suies l/Suies lééggèèrement amrement amééliorlioréé

Impact dImpact d’’une variation de lune variation de l’’avance avance àà ll’’ouverture ouverture àà ll’é’échappement (AOE) chappement (AOE) sur les performances moteur: A25sur les performances moteur: A25

A25 1200 tr/min - 438 NmBalayage durée ouverture soupapes échappement ;

fermeture à 345°vil

120°130°

140°150°

160°170°

180°

190° 200°

210

50

60

70

80

90

100

110

90 95 100 105 110 115 120 125Nox relatif [%]

Suie

s re

lativ

es [%

]



210200°

190°

180° 170°160°

150°140°

130°

120°

9899

100101102103104105106107

90 95 100 105 110 115 120 125Nox relatif [%]

Con

so re

lativ

e [%

]



Le meilleur compromis NOx/ Conso pour une durLe meilleur compromis NOx/ Conso pour une duréée de d’’ouverture de 190ouverture de 190°°vil (AOE = vil (AOE = 155155°°, RFE = 345, RFE = 345°°) correspond ) correspond àà un maximum de PMIun maximum de PMI

Impact dImpact d’’une variation de lune variation de l’’avance avance àà ll’’ouverture ouverture àà ll’é’échappement sur chappement sur les performances moteur: A25les performances moteur: A25PV_Diagram on A25 - EVO swing; EVC = 345°CA

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 20 40 60 80 100Volume [%]

Cyl

inde

r pre

ssur

e [b

ar]

cylinder pressure EVO = 135°CAcylinder pressure EVO = 145°CA; duration 200°CA; reference; HP-BMIP = 6.39 bar; BP-BMIP = 0.00 barcylinder pressure EVO = 155°CA; duration 190°CA; optimum; HP-BMIP = 6.44 bar; BP-BMIP = 0.01 barcylinder pressure EVO = 185°CAcylinder pressure EVO = 205°CAcylinder pressure EVO = 225°CA; HP-BMIP = 6.72 bar; BP-BMIP = -0.48 barMD11-547 (Serial US07)



Le meilleur compromis correspond Le meilleur compromis correspond àà un minimum de vitesse turbo et un minimum de vitesse turbo et àà un minimum un minimum de tempde tempéérature rature ééchappement (meilleure dchappement (meilleure déétente dans le cylindre)tente dans le cylindre)



120°

130°

140°150°

160°

170°

180°

190° 200° 210

48000

49000

50000

51000

52000

53000

54000

55000

56000

90 95 100 105 110 115 120 125Nox relatif [%]

Vite

sse

turb

o [tr

/min

]



120°130°

140°150°

160°170°

180°

190° 200° 210

295296297298299300301302303304305306

90 95 100 105 110 115 120 125Nox relatif [%]

Tem

péra

ture

ava

nt

turb

ine

[°C

]

Impact dImpact d’’une variation de lune variation de l’’avance avance àà ll’’ouverture ouverture àà ll’é’échappement sur chappement sur les performances moteur: A25les performances moteur: A25



Le meilleur compromis NOx/ Conso est pour une durLe meilleur compromis NOx/ Conso est pour une duréée de d’’ouverture de soupape ouverture de soupape ééchappement de 180chappement de 180°°vil (AOE = 15vil (AOE = 15°°, RFE = , RFE = --1515°°))Gain de 2.5 g/kWh (Gain de 2.5 g/kWh (--1.3%) par rapport 1.3%) par rapport àà la rla rééfféérence (AOE = 35rence (AOE = 35°°))Compromis NOx/ Suies lCompromis NOx/ Suies lééggèèrement meilleur que la rrement meilleur que la rééfféérencerence

Impact dImpact d’’une variation de lune variation de l’’avance avance àà ll’’ouverture ouverture àà ll’é’échappement sur chappement sur les performances moteur: A100les performances moteur: A100

A100 1200 tr/min - 1750 Nm Balayage durée ouverture soupape échapement

160°165°170°175°

180° 185°

190°

6065707580859095

100105

93 95 97 99 101Nox relatif [%]

Suie

s re

lativ

es [%

] réf. avant bal., durée 200°vil, ferm. 340°vil

Balayage durée ouverture soupape éch.

A100 1200 tr/min - 1750 Nm Balayage durée ouverture soupape échapement

190°

185°

180°175°

170° 165°

160°

98.0

98.5

99.0

99.5

100.0

100.5

93 95 97 99 101Nox relatif [%]

Con

so re

lativ

e [%

]

réf. avant bal., durée 200°vil, ferm. 340°vil

Balayage durée ouverture soupape éch.



Une ouverture des soupapes échappement plus tardive que la référence améliore la consommation

PV_Diagram on A100 - EVO swing; EVC = 345°CA; 1200 rpm - 1750 Nm

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 20 40 60 80 100Volume [%]

Cyl

inde

r pre

ssur

e [b

ar]

cylinder pressure EVO = 145°CA; HP-BMIP = 21.57 bar; ; BP-BMIP = 0.04 bar; referencecylinder pressure EVO = 165°CA; HP-BMIP = 21.83 bar; ; BP-BMIP = 0.03 bar; optimumMD11-547 (serial US07)



Pour chaque charge, un compromis NOx/ Conso peut être trouvPour chaque charge, un compromis NOx/ Conso peut être trouvééAves une durAves une duréée de d’’ouverture supouverture supéérieure rieure àà 200200°°vil, la consommation augmente car vil, la consommation augmente car la dla déétente ntente n’’est pas finie dans le cylindreest pas finie dans le cylindreAvec une durAvec une duréée de d’’ouverture infouverture inféérieure rieure àà 140140°°vil, la consommation augmente car vil, la consommation augmente car les gaz dles gaz d’é’échappement sont chappement sont rere--comprimcompriméés dans le cylindres dans le cylindre

Régime A (1200 tr/min) Balayage de durée d'ouverture de soupapes échappement, fermeture à 345°vil

120°

130°

140°

150°160°170°

180°

190° 200° 210

NOx

Con

som

mat

ion

A25A50A75A100

Impact dImpact d’’une variation de lune variation de l’’avance avance àà ll’’ouverture ouverture àà ll’é’échappement sur rchappement sur réégime Agime A



Conclusions sur lConclusions sur l’’impact dimpact d’’une modification de la durune modification de la duréée de d’’ouverture ouverture des soupapes des soupapes ééchappementchappement

Le RFE optimum retenu est diffLe RFE optimum retenu est difféérent de celui utilisrent de celui utiliséé actuellement en sactuellement en séérierieGain de 0.7% en consommation sur cycleGain de 0.7% en consommation sur cycleUne dUne déétente plus longue dans le cylindre que la rtente plus longue dans le cylindre que la rééfféérence amrence amééliore le compromis liore le compromis NOx/ Conso notamment NOx/ Conso notamment àà charge partiellecharge partielleOn obtient aussi un meilleur compromis NOx/ SuiesOn obtient aussi un meilleur compromis NOx/ SuiesCes avantages sCes avantages s’’expliquent notamment par: expliquent notamment par:

Un meilleur processus de dUn meilleur processus de déétente dans le cylindre amtente dans le cylindre amééliorant la consommationliorant la consommationUne meilleure post oxydation des suies dans le cylindre avant lUne meilleure post oxydation des suies dans le cylindre avant l’’ouverture des ouverture des

soupapes soupapes ééchappementchappementMoins dMoins d’é’énergie sur la turbine et baisse de la vitesse turbinenergie sur la turbine et baisse de la vitesse turbine

LLééggèère baisse de la pression de suralimentationre baisse de la pression de suralimentationLLééggèère baisse du dre baisse du déébit dbit d’’air frais mais rendement volumair frais mais rendement voluméétrique meilleur (en tenant trique meilleur (en tenant

compte de lcompte de l’’EGR) ou EGR) ou ééquivalent car augmentation lquivalent car augmentation lééggèère de lre de l’’EGR due EGR due àà un meilleur un meilleur ééquilibre P3quilibre P3--P2P2



Principe Principe dudu freinfrein moteurmoteur

RôleRôle du du freinfrein moteurmoteur sursur poidspoids lourdslourds::•• ContrôlerContrôler la la vitessevitesse moyennemoyenne du du vvééhiculehicule dansdans les les descentesdescentes selonselon la chargela charge•• RelaxerRelaxer le le systsystèèmeme de de freinagefreinage proprepropre aux aux vvééhiculeshicules ((freinsfreins àà disquedisque, etc, etc……))

ComparaisonComparaison des des diagrammesdiagrammes pVpV entreentre le mode le mode moteurmoteur et le mode et le mode freinfrein

pV- diagram - Brake mode

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

V/Vmax

Pres

sure

(bar

)

Brake mode

pV-diagram - Power mode

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

V/Vmax

Pres

sure

(bar

)

Power mode

Boucle Haute Pressure due Boucle Haute Pressure due ààla combustionla combustion

Boucle Haute Boucle Haute PressionPression par par commandecommande de de soupapessoupapes

Boucle Boucle BasseBasse PressionPression par par freinfrein sursurééchappementchappement



4 stroke Engine Brake

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

V/Vmax

Cylin

de

r P

ressu

re [

ba

r]

2 stroke Engine Brake

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

V/Vmax

Cylind

er

Pre

ssu

re [

ba

r]

FreinFrein quatrequatre tempstempscommandecommande de de soupapessoupapes mméécaniquecanique

ComparaisonComparaison entreentre freinfrein quatrequatre temps et temps et freinfrein deuxdeux tempstemps

Boucle Haute Boucle Haute PressionPression par par commandecommande de de soupapessoupapes

Boucle Boucle BasseBasse PressionPression par par freinfrein sursurééchappementchappement

FreinFrein deuxdeux tempstempscommandecommande de de soupapessoupapes éélectrolectro--hydrauliquehydraulique

DeuxDeux boucles Haute boucles Haute PressionPression par par commandecommandede de soupapesoupape en cycle en cycle deuxdeux tempstemps

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-100 0 100 200 300 400 500 600

Crank Angle Degrees

In-c

ylin

de

r P

ressu

re [

ba

r]

0

2

4

6

8

10

Va

lve

Lif

t [m

m]

Cylinder Pressure Intake Lift Exhaust Lift

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-100 0 100 200 300 400 500 600

Crank Angle Degrees

In-c

ylin

de

r P

ressu

re [

ba

r]

0

2

4

6

8

10

Va

lve

Lif

t [m

m]

Cylinder Pressure Intake Lift Exhaust Lift



ComparaisonComparaison entreentre freinfrein quatrequatre temps et temps et freinfrein deuxdeux tempstemps

La puissance de La puissance de freinagefreinage actuelleactuelle avec le avec le freinfrein quatrequatre temps correspond environ au temps correspond environ au niveauniveau de puissance de puissance moteurmoteur..

Le Le systsystèèmeme de de freinfrein deuxdeux temps temps vava permettrepermettre de de ddéépasserpasser cece niveauniveau de puissance de puissance et et dd’’augmenteraugmenter de de manimanièèrere significativesignificative le couple le couple nnéégatifgatif àà bas rbas réégime par la gime par la flexibilitflexibilitéé du du systsystèèmeme de de commandecommande de de soupapessoupapes éélectrolectro--hydrauliquehydraulique

Le gain Le gain obtenuobtenu par le par le freinfrein deuxdeux temps temps provientprovient surtoutsurtout du du remplacementremplacement de la de la boucle boucle bassebasse pressionpression du du freinfrein quatrequatre temps qui temps qui nene contribuaitcontribuait queque partiellementpartiellement ààla puissance de la puissance de freinagefreinage totaletotale par par uneune deuxideuxièèmeme boucle haute boucle haute pressionpression



ConclusionConclusionSurcoSurcoûûttComplexitComplexitééManqueManque de de fiabilitfiabilitéé

PotentielPotentiel

DistributionDistributionhydrauliquehydraulique

DistributionDistributionmméécanicocanico--hydrauliquehydraulique

DistributionDistributionmméécaniquecanique

- Référence

- Gestion des températures d’échappement

- Compromis polluants/conso- Frein quatre temps

- Gestion des températures d’échappement - Compromis polluants / conso- Récupération d’énergie- Démarrage à froid- Frein deux temps



RemerciementsRemerciementsCeCe projetprojet de de rechercherecherche tienttient àà remercierremercier sesses partenairespartenaires::

le PREDIT, le PREDIT, garantgarant de de sasa pertinencepertinencell’’ANRANR, le , le ministministèèrere de de ll’’IndustrieIndustrie, , ll’’ADEMEADEME et et ll’’ANVARANVAR, , soutienssoutiens financiers indispensablesfinanciers indispensables

Par Par ailleursailleurs, le , le succsuccèèss de de cece projetprojet estest partagpartagéé par par ll’’ensembleensemble des des acteursacteurs de Volvo de Volvo PowertrainPowertrain et et sesses fournisseursfournisseurs..

QuQu’’ilsils en en soientsoient toustous remerciremerciééss!!

[email protected]@[email protected]@volvo.com

DISTRIBUTION ELECTROHYDRAULIQUE / CARACTERISTIQUES...

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