Utilisation Rationnelle de l’ÉNERGIE dans les Moteurs à...

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1 Utilisation Rationnelle de l’ÉNERGIE dans 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 »

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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 »

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!

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

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!

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)

!

"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

!

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 »

!

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

!

"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

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!

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

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!

Réponses en transitoire

En temps En nombre de cyclesEssence < 1 s 7E85 2,2 s 28E100 9,2 S 115

Stabilisation de la PMI

!

"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

Page 27: Utilisation Rationnelle de l’ÉNERGIE dans les Moteurs à ...alyann3.free.fr/stockage/Ethanol/Ethanol_Conf2_13_03_2007.pdf · 1 Utilisation Rationnelle de l’ÉNERGIE dans les

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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