yMoteur Euro 3 -...

VOLVO POWERTRAIN FRANCE - M. LEJEUNEEvolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars 2006 - 1 / 50

Marc LEJEUNEMarc LEJEUNEVOLVO POWERTRAIN FRANCEVOLVO POWERTRAIN FRANCESupplierSupplier ofof MackMack, Renault , Renault andand Volvo TrucksVolvo Trucks

Conférence CNAM Conférence CNAM -- SIASIAParis, 21 mars 2006Paris, 21 mars 2006


ContraintesContraintes

Moteur Euro 3Moteur Euro 3

EvolutionsEvolutions en Europeen Europe

EvolutionsEvolutions auxaux EtatsEtats--UnisUnis

EconomiesEconomies de carburant de carburant

Carburants alternatifsCarburants alternatifs

ConclusionsConclusions










LeLe véhiculevéhicule poidspoids--lourdlourd

Production mondiale (> 16 t) : ≈ 700 000 véhicules / an

Exigences du transporteurConsommation

Prix d'achat et de reventeVitesse moyenne

Fiabilité

Utilisation moyenne :100 000 à 150 000 km / an

Exigences des pouvoirs publicsEmissions polluantes

SécuritéBruit

7 t< 33 t


ChargesCharges d'exploitationd'exploitation d'und'un poidspoids--lourdlourd

Source : RENAULT TRUCKS, 2005Véhicule 40 tonnes exploité en France

Salaire : 34%

Carburant : 25%

Grande sensibilité du client au rendement moteur

Amortissement : 10%

Entretien : 9%

Impôts, péages, assurance : 8%

Frais généraux : 14%


LimitesLimites d'émissionsd'émissions desdes véhiculesvéhicules poidspoids--lourdslourds

Source : BOSCH


LimitesLimites d'émissionsd'émissions desdes véhiculesvéhicules poidspoids--lourdslourds

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0 1 2 3 4 5

ESC NOx (g/kWh)

ESC

PM (g

/kWh)

US 02

Euro 4 (2006)Euro 5 (2009)US 07US10

Euro 3 (2001)










MoteurMoteur dieseldiesel typiquetypique d'und'un poidspoids--lourdlourd de 40 de 40 tonnestonnesPuissance typique : 440 ch, soit 11 ch / tonne(≈ 8 fois moins qu'une automobile)

Puissance nécessaire à 90 km/h sur route plate : 160 ch

Masse : ≈≈ 1 t

6 cylindres en ligne

Suralimentation refroidie

Injection directe électroniqueCommon Rail 1 600 barou Injecteurs pompes 2 000 bar

Moteur DXi 11 (10.8 litres)


CircuitCircuit d'aird'air dudu moteurmoteur Euro 3Euro 3

6 cylindresde 123 x 152 mm

10.8 litresεε = 18 : 1Pcylmax = 200 bar

Echangeurair / air

T C 25 °C0.9 bar abs

170 °C2.9 bar abs

Moteur DXi 11 (10.8 litres) @ 1900 tr/min pleine charge

45 °C2.8 bar abs

630 °C3.0 bar abs

480 °C1.1 bar abs


InjecteursInjecteurs--pompespompes dudu moteurmoteur Euro 3Euro 3

Moteur DXi 11 (10.8 litres) Euro 3


Combustion Euro 3Combustion Euro 3

Moteur RENAULT TRUCKS dCi 11 au CMT1500 tr/min 50% de charge 12 mg/coup de pré-injection et 88 mg.coup d'injection principale


MoteurMoteur DXiDXi 11 Euro 311 Euro 3


0

5

10

15

20

25

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Régime moteur (tr/min)

Pres

sion

Moye

nne

Effic

ace

(bar

)

CourbesCourbes de couple de couple comparéecomparée poidspoids--lourdlourd / automobile/ automobile

RENAULT TRUCKS DXi 11(10.8 l - Unit Injectors)

RENAULT F9Q (1.9 l - Common Rail)

2050 Nm 440 ch 275 Nm 120 chsoit ≈190 Nm/l soit ≈ 40 ch/l soit ≈ 145 Nm/l soit ≈ 60 ch/l


UtilisationUtilisation typiquetypique d'und'un moteurmoteur dede poidspoids--lourdlourd

Régime du moteur (tr/min)

% ducouplepleinecharge

MAGNUM 40 tonnesavec moteur 12 litres

Régimemoteur(tr/min)Paris à Lille par autoroute Lyon à Grenoble par autoroute

Parcours «facile» ≈ 35 l/100 km Parcours «difficile» ≈ 45 l/100 km

% du temps passé










0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

9

0 2 4 6 8 10ESC NOx (g/kWh)

ESC

Parti

cules

(g/kW

h)

StratégiesStratégies en Europeen Europe

EGREGR

FAPFAP

SCRSCR

Euro 3Euro 3

Euro 4Euro 4

Euro 5Euro 5

Euro 6Euro 6


0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

9

0 2 4 6 8 10ESC NOx (g/kWh)

ESC

Parti

cules

(g/kW

h)

SCRSCR

Euro 3Euro 3

Euro 4Euro 4Euro 5Euro 5Euro 6Euro 6

1.1. SSelectiveelective CCatalystatalyst RReductioneduction


SCR : SCR : RéductionRéduction desdes NOxNOx parpar l'ammoniacl'ammoniac

Urée2NO2 + 4NH3 + O2

3N2 + 6H2O4 NH3 + 3 02

2 N2 + 6 H2O(NH2)2CO + H2O

2 NH3 + CO2

Catalyseurd’oxydation

facultatif

CatalyseurDeNOx :

Vanadium,Titane, ...

Catalyseurd’oxydation

facultatif

2 NO + O22 NO2

Consommation d'Adblue : 4 % du carburant (Euro 4)6 % du carburant (Euro 5)

Temp. mini de fonctionnement : ≈ 270 °C

Efficacité maximum : 70 % (Euro 4)85 % (Euro 5)

Surcoût : 4 500 €


Implantation du SCR sur un camionImplantation du SCR sur un camion

Turbo

Pot principalFiltre les basses fréquences

Pot secondaireFiltre les hautes fréquences

Pot SCRFiltre les basses fréquences.Réduit les NOx

Injection d'urée

Réservoir d'urée (≈ 60 l)Chauffé par l'eau moteur


La solution "La solution "AdBlueAdBlue"" dudu SCRSCR

Composition : Eau avec 32,5% d'urée

Solidification : - 11°C

Début de décomposition : 70°C

Masse volumique : 1 090 kg/m3 @ 20°C

Viscosité : 1,4 mPas @ 25 °C

pH moyen : 8.5

Hypothèse de coût : 0,30 € HT en vrac et 0,50 € HT à la pompe

% d'urée dans l'eau

Température (°C)

32.5%

-11°C

0°C

0% 100%

+140°C

43.5%

+5°C

NH2

NH2

C O


Distribution de Distribution de l'AdBluel'AdBlueDès 2005 :

en containers de 1 m3

chez les transporteurs

Dans 2 à 3 ans : majoritairement en vrac chez les transporteurs et dans les stations services

Station AdBlue de TOTAL à Berlin - 2005

www.findadblue.com


0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

9

0 2 4 6 8 10ESC NOx (g/kWh)

ESC

Parti

cules

(g/kW

h) EGREGR

FAPFAP

Euro 3Euro 3

Euro 4Euro 4Euro 5Euro 5Euro 6Euro 6

22.. EExhaustxhaust GGasas RRecirculationecirculation && DDieseliesel PParticulatearticulate FFilterilter


CircuitCircuit d'EGRd'EGR hautehaute pressionpression

Echangeurair / air

25 °C0.9 bar abs

Moteur DXi 11 (10.8 litres) @ 1800 tr/min 410 hp

200 °C3.5 bar abs

45 °C3.4 bar abs

65 °C3.4 bar abs

140 °C3.4 bar abs

570 °C3.6 bar abs

570 °C3.4 bar abs

Echangeurair / eau

TGV C


0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5

NOx sur ESC (g/kWh)

Taux

d'E

GR m

oyen

(%)

TauxTaux moyenmoyen d'EGRd'EGR

Taux d'EGR moyenentre 1200, 1500 et 1800 tr/min à 50% et 100% de charge

Euro 5 : ≈ 25 % d'EGR

Euro 4 : ≈ 15 % d'EGR


FiltresFiltres àà particulesparticulesObstructifs

☺ Efficacité sur les suies : > 95%

Contre-pression plus importante

Régénérations nécesssairespour éviter le colematement

Non-obstructifs

Efficacité sur les suies : 50%

Vieillissement ?


0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

9

0 2 4 6 8 10ESC NOx (g/kWh)

ESC

Parti

cules

(g/kW

h)

StratégiesStratégies en Europeen Europe

EGREGR

FAPFAP

SCRSCR

Euro 3Euro 3

Euro 4Euro 4

Euro 5Euro 5

Euro 6Euro 6


LaLa majoritémajorité desdes constucteursconstucteurs aa choisichoisi le SCR pour Euro 4le SCR pour Euro 4

Rentabilité ☺☺☺Consommation globale légèrement meilleure ☺☺

Coût des composants légèrement inférieur

Performance ☺Plus forte densité de puissance du moteur Plus forts rejets thermiques

FiabilitéRisques fiabilités plus importants (corrosion admission, vannes et échangeur EGR)

Utilisation Nécessite un approvisionnement en urée

Nécessité pour le filtre : d'un gazole désouffré

(< 50 ppm) de maintenances

périodiques si obstructif

SCR EGR + FAP










0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0 2 4 6 8 10ESC NOx (g/kWh)

ESC

Parti

cules

(g/kW

h)

StratégieStratégie principaleprincipale auxaux EtatsEtats--UnisUnis

+ FAP+ FAP

+ SCR+ SCR

US 98US 98

US 04US 04

US 07US 07US10US10

EGREGR


0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5

NOx sur ESC (g/kWh)

Taux

d'E

GR m

oyen

(%)

TauxTaux moyenmoyen d'EGRd'EGR

US 07 : ≈ 27 % d'EGRUS 02 : ≈ 20 % d'EGR

US 10 : ≈ 36 % d'EGR

Taux d'EGR moyenentre 1200, 1500 et 1800 tr/min à 50% et 100% de charge


EGREGR bassebasse pressionpression pour US 07/10pour US 07/10☺ Rend le dosage de l'EGR relativement

indépendant du régime et de la charge☺ Très bon mélange de l'air avec l'EGR

Pertes de charge liées au volet Risque de dépôts (RAS, compresseur)Limitation en puissance à cause de la température sortie compresseur

CAT C15 US07

T CFAP


DoubleDouble--suralimentationsuralimentation pour US 07/10pour US 07/10☺ Permet de maintenir la puissance avec

des forts taux d'EG (Pression adm. > 4 bar)☺ Meilleur rendement de compression grâce

au refroidissement intermédiaire

EncombrementComplexitéCircuit d'eau supplémentaire nécessaire (40°C)pour le refroidissement intermédaire

CAT C15 US07

T C

T C


Distribution variable Distribution variable sursur l'admissionl'admission pour US 07/10pour US 07/10☺ Petite amelioration du rendement

avec cycles de Miller☺ Permet de couper plus efficacement

une partie des cylindres à faible charge pour augmenter la température d'échappement

☺ Remplace une waste-gate ou une turbine à géométrie variable pour limiter la pression cylindre à forts régimes et forte charge

Complexité accrue

Consommation d'huile

02468

101214

0 180 360 540 720Degrés moteurs

Levé

e de s

oupa

pe (m

m)

0

20

40

60

80

0 0.5 1Volume cylindre relatif

Pres

sion

cylin

dre (

bar)


CombustionCombustion àà trèstrès basbas NOxNOx (après US10)(après US10)

[O2]%

Suies

EGR %Combustionà basse

températureλin ≈ 1.1-1.2 /[O2] ≈ 8-10%

Combustion homogèneλin ≈ 1.4-1.7 / [O2] ≈ 13-14%(pas de flame de diffusion)

Pour éviter la formation des suies avec l'EGR, il faut augmenter la pression d'injection,et jusqu'à mi-charge :

ou


CombustionCombustion àà bassebasse températuretempérature

Source : Aspects of Soot formation in Diesel Fuel Jets (Sandia, THIESEL 2004)










0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20 25Pression Moyenne Efficace (bar)

Rend

emen

t glo

bal d

u m

oteu

r (%

)

1200 tr/min1400 tr/min

1600 tr/min1800 tr/min

RendementRendement d'und'un moteurmoteur diesel de diesel de poidspoids--lourdlourd

43 %


BilanBilan énergétiqueénergétique dudu moteurmoteur

Puissance sortie moteur : 43%

Puissance évacuée par l'échangeur d'air de suralimentation : 7%

Puissance des gaz d'échappement : 28%

Autres : 4%

1500 tr/min pleine charge% de l'énergie du carburant injecté

Puissance évacuée par le radiateur d'eau : 18%


RécupérationRécupération dede l'énergiel'énergie desdes gazgaz d'échappementd'échappement

PrincipeTaux de

récupérationestimé en pleine

chage

Maturitétechnico-

économique

Turbocompoundmécanique

Turbine additionnelle reliée par engrenages au vilebrequin Jusqu'à 20%

Turbocompoundélectrique

Turbine additionnelle reliée à une génératrice, ou génératrice sur arbre turbo. Jusqu'à 20%

Thermo-électricité Couples de matériaux choisis produisant un courant si soumis à un gradient thermique. ≈ 15%

Cycle Rankin Cycle Rankin échangeant avec les gaz d'échappement avec eau ou composant organique Jusqu'à 60%

Moteur Stirling Moteur à combustion externe entre les gaz d'échappement et l'air ambiant Jusqu'à 40%

Reformage du carburant

Création d'hydrogène par vapocraquage endothermique dans l'EGR ou en utilisant l'enthalpie de l'échappement.


TurbocompoundTurbocompound mécaniquemécanique

Turbocompound du VOLVO D12D 500 hp Euro 3


Allongement des véhiculesAllongement des véhicules

Le passage de 40 t à 60 t permet un gain par tonne transportée de :

Consommation (≈ 15%)

Émission de polluants

Coût salariaux

Encombrement et usure des routes


MotorisationsMotorisations hybrideshybrides

Batteries

Moteur thermique Boîtede vitesse

Moteur électrique

Embrayages

L'hybridisation en série permet un gain plus important que en parallèle

Stockage électrique, mais le stockage hydraulique est envisagé

Principalement pour applications urbaines (livraisons, benne à ordure, bus...)

Gains de consommation attendus : 20 à 30 %

Véhicule hybride de MACK TRUCKS pour l'armée américaine, 2005










CarburantsCarburants alternatifsalternatifs

EM FC

EolienHydraul.Solaire

Nucléaire

Elec. Esters

ICE - Diesel

Bio-masse

CH4 Charbon

ETBE

ICE - Essence

H2

Etha-nol

Metha-nol

F -T DME

Gaz synthétique


DimethylDimethyl Ether (DME)Ether (DME)

Véhicule démonstrateur avec moteur 9 litres Euro 5 à 300 ch (2004)

Origine : Charbon, gaz naturel, biomasse

Stockage : < -25°C sans pression, 6 bar @ 25°C

Densité : 0.668 kg/l @ 20 °C

PCI : 28.4 MJ/kg

Cétane : 55 à 60

CH3 O CH3


EstersEsters

R C + CH3 O H R C + H20O

O H

O

O CH3

Acide gras Méthanol Ester méthylique

(colza, tournesol, soja...) (ou éthanol) (ou éthylique)

Esters Diesel

Norme : EN 14214 CEC RF-06-99

Densité : 0.88 kg/l @ 20 °C 0.835 kg/l @15°C

PCI : 37,3 MJ/kg 42.6 MJ/kg

Cétane : 50 - 54 52 - 54

Emissions GES : 20 - 24 g eq CO2/MJ 79 g eq CO2/MJ (source : ADEME)


EstersEstersNoms :

FAME : Fatty Acid Methyl Ester

EMHV : Ester Methylique d'Huiles Végétales

Biodiesel

Utilisations :

Dilué jusqu'à 5% dans le diesel sans indication (EN 590)

Dilué jusqu'à 30% dans le diesel pour flottes captives (B30 en France)

Pur (en Allemagne)

Objectifs de l'Union Européenne sur la part des biocarburants :

6% en 2010

20% en 2020

R CO

O CH3






La course au rendement La course au rendement




ConclusionsConclusionsLe moteur diesel restera encore longtemps le meilleur choix pour les

poids-lourds, du fait de son très bon rendement.

Ses émissions polluantes sont en baisse régulière grâce à un

perfectionnement de la combustion et à la généralisation de systèmes

de post-traitement (filtre à particules et SCR) à l'horizon 2010-2015.

Son carburant intégrera une part croissante d'esters issus de la

biomasse (objectif : 20% en 2020). Les carburants de synthèse (Fischer-

Tropsch, DME...) représentent par ailleurs une alternative à long terme.

Ses applications hybrides devraient croître pour les usages urbains.

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