Revue des motorisations thermiques actuelles et futures

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1 Revue des motorisations thermiques actuelles et futures
EPFL, AISEN, FRE & e’mobile 31 Mars 2004 Lausanne Claude DELARUE - RENAULT 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

2 Claude DELARUE - RENAULT
Un enjeu majeur: le CO2 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

3 Claude DELARUE - RENAULT
EMISSIONS MONDIALES de CO2 environ 800Gt/ an 3.5% < 1% 27% 27% 41.5% Source: OECD Environmental Outlook 2001, Paris 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

4 Claude DELARUE - RENAULT
Répartition des émissions anthropogéniques mondiales de CO2 19% 23% 15% 25% 6% 5,5% 1,5% Transport, tous modes : 18% Transport routier: 11,5% 3% 2% Source: OECD Environmental Outlook 2001, Paris 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

5 Emissions de CO2 du "Puits à la Roue" des différents carburants
Production Production Combustion Combustion Photosynthèse Photosynthèse Ethanol Ethanol Supercarburant ETBE ETBE GPL EMHV ( diester ®) Gazole SUNFUEL* SUNFUEL* Synfuel Synfuel PAC / H2 liq . PAC / H2 comp. CO PAC / H2 Elec.Fr 2 g/km 50 100 150 200 250 300 350 Sources : A. Douaud , IFP 31 Mars LAUSANNE * Goudriaan /GEMIS/ Ifeu /LBST Claude DELARUE - RENAULT

6 Les solutions techniques pour réduire le CO2 et la consommation
Réduire la demande énergétique des véhicules Allégement, limité par le coût et l’évolution des prestations: sécurité, ergonomie, design, confort Aérodynamique Frottements de roulement, dont l’optimisation est limitée par la sécurité active et le freinage Consommateurs auxiliaires: chauffage, climatisation, éclairage, dépollution… 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

7 La spirale de la masse et des puissances
Chaque nouvelle génération de véhicule s’alourdit... Clio 2 a la masse de la R19 Laguna 2 a la masse de Safrane phase 1 Golf V a près de deux fois la masse de Golf I Principales causes Comportement aux chocs et équipements de sécurité Dimensions et équipements de confort A iso puissance à la tonne, les cylindrées augmentent 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

8 Pourquoi le rendement de propulsion est il médiocre ?
Le moteur est dimensionné pour des cas rares : Haute vitesse > 160 km/h Montée de rampe d’autoroute au PTRA Franchissement de rampe exceptionnelle Dépassement En usage normal, il fonctionne à une fraction faible de sa puissance nominale Son rendement mécanique est faible, car il y a une partie des pertes qui est indépendante de la puissance délivrée 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

9 Rendement du moteur = f(charge, régime)
CSE g/kwh PME (bar) 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

10 Les solutions techniques pour réduire la consommation
Améliorer les groupes motopropulseurs Réduire les frottements à froid et à chaud lubrifiants, dimensions des paliers, distributions à rouleaux, refroidissement haute température... Diminuer la boucle négative, ou pompage du moteur Moteurs Diesel moteurs Injection directe essence stratifiés suralimentation avec downsizing moteurs «camless» ou «VVL» Optimiser la combustion 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

11 Les solutions techniques pour réduire la consommation
Améliorer les groupes motopropulseurs Moteurs diesel: Déjà en injection directe avec turbo... haute suralimentation Adaptation des transmissions Augmenter l’ouverture bva 5 vitesses bvm 6 vitesses cvt, ivt... 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

12 EFFICACITE GLOBALE des SOLUTIONS
Gain % de Consommation Frottement +Pompage Moteur Véhicule de référence : X64- E7M Consommation en cycle NEDC : 7,5l/100 Km Couple au litre 15 MIVEC (Déconnexion de 2 cylindres) Rendement thermo-moteur Masse Turbo (2S) 10 Frottement véhicule Carb à 10 ppmS Mélange pauvre +Denox VVT-VTEC Frottement Caisse Alu Freins + Roulements 5 EGR 4S Pneus 4S Kaizen Aérodynamyque Trainée de boîte 2S Ralenti 2S VVT Gain % sur chaque paramètre Huile - Dimensionnement 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

13 Les solutions techniques avancées
Propulsion hybride thermique-électrique limitations par le coût et la complexité Gains présentés pas toujours seulement dus à l’hybridation surtout adaptés à la circulation urbaine, pas ou peu de gain en routier/autoroutier recourir à l'hybridation lorsque le gain en consommation est réel dans les conditions d'usage considérées, et que le retour sur investissement pour le consommateur est attractif. Pile à combustible Intérêt non démontré pour le CO2 rendement intrinsèque cycle de vie, fabrication H2... 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

14 Comparaison Hybride essence / Moteur Diesel*
* Transmission Manuelle Cycle Japon Cycle Europe 50% Ctrl.Alt. = Alternateur optimisé; SSG: Alterno-démarreur déporté E-drive: capacité à rouler en électrique Downsizing: écosuralimentation 45% 40% Toyota Prius II Sans trainée, Optim moteur… 9% 35% 8% 30% ? SSG 6kW + e-Drive 7% 25% SSG 6kW + e-Drive + Downsizing Honda Civic IMA 6% Gain en CO2 20% 5% % kilométrage annuel européen véhicule classe C 4% 15% Annonce PSA Main Idea: The Diesel is better adapted in Europe The Diesel win approximately 15% of CO2 on any cycle and more than any hybrid technologies up to 40 kmph. Most of the distance is driven up to 40 km/h. The Diesel is the best fourth solution of Japan, while it is second on Europe Other remarks: The only SSG wins more on the cycle japonnais than the SSG+Downsizing on the European cycle. Technologies rank: From the best to the worst Japan: Mild HEV + Downsizing, Mild HEV, Soft HEV + Downsizing, Diesel, Soft HEV, Minimal HEV Europe: Mild HEV + Downsizing , Diesel, Mild HEV, Soft HEV + Downsizing , Soft HEV, Minimal HEV Notes: Not enough data to evaluate the full hybrid case ? Diesel 3% 10% Annonce PSA 2% Ctrl Alt. Stop&Start SSG 6kW + Downsizing 5% SSG 6kW 1% Ctrl Alt. 0% 0% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Vitesse moyenne [km/h]

15 Le coût des solutions techniques
Les limites sont d’abord financières Caisse aluminium 530 Euros Moteur essence 700 " Moteur diesel " Moteur CNG " Hybridation " PàC ? gain client d’un litre de gazole < 0,75 Euros / 100 km, à comparer à un péage autoroute de 7,5 E / 100 km et aux surcoûts à rentabiliser 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

16 DIMINUTION DES EMISSIONS DE CO2 AU NIVEAU EUROPEEN
ENGAGEMENT VOLONTAIRE ACEA ET TENDANCES CO2 g/mile g/km 306 190 186 A.C.E.A Moy. A.C.E.A. engagement volontaire 274 170 Renault Moy. 165 160,7 241 150 149,2 RENAULT premier de la classe 140 Scenic II 1,5 l dCi 209 130 Clio 1,5 l dCi 177 110 1996 2000 2004 2008 2012 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

17 Claude DELARUE - RENAULT
Répartition des ventes de voitures neuves par niveau de CO2 en EUROPE Source ACEA 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

18 Le Diesel incontournable pour le CO2….
Et les émissions polluantes ? 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

19 Emissions du Transport Routier
Dans l'Europe des 15 Bilan du programme Auto-oil 2* indice *Programme de la Commission Européenne en collaboration avec les industries pétrolière et automobile 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

20 Les Réponses Techniques en Allumage commandé stoéchiométrique
Injection électronique multipoint injection d’air «logicielle» à l’échappement Catalyse trifonctionnelle light off / cata rapproché piège à HC si nécessaire réchauffage électrique du catalyseur (coûteux) Diagnostic embarqué Autorise dès aujourd’hui SULEV/EZEV, soit des niveaux de type Euro 2005/10, ou atmosphérique 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

21 Les Réponses Techniques en Allumage commandé en mélange pauvre
Chambre de combustion, position de l’injecteur Catalyse en milieu oxydant catalyseur d’oxydation piège à Nox Diagnostic embarqué Carburant à 50 puis 10 ppm de soufre Aujourd’hui peu compatible avec Euro 2005 et gains de consommation insuffisants dans les conditions d'utilisation européenne Surcoût élevé 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

22 ? Pourquoi contrôler les polluants Diesel est difficile ? Particules
Combustion Hétérogène Particules HC CO Chimie difficile ? Combustion du Mélange air/carb. Suralimentation Basses températures NOx O2 en excès Basses températures Milieu pauvre Première et principale voie d’ optimisation : réduire les émissions en sortie moteur

23 Les Réponses Techniques en Diesel
Augmentation de la pression d’injection Multi injections et injecteurs piézo Forte recirculation (EGR) avec refroidissement Capteur de NOx Injecteur à 2 séries de trous Swirl continuement variable Taux de compression variable réduction des cendres et du soufre des lubrifiants pour permettre le bon fonctionnement de nos futurs systèmes de dépollution. Post-traitement: FàP et piège à NOx (traitement à l’urée non retenu en VP) Nouveaux Systèmes de Combustion Diesel: HCCi est une technologie clé pour réduire les émissions de base NOx and articules, pour Euro V et au delà. 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

24 Diesel Particulate Filters
Régénération thermique ! CO2 + H2O Filtration T > 550°C Augmentation de la conso NOx trap Augmentation de la conso N2 Régénération en condition riche NO3- NOx CO, H2, HC Stockage des NOx en condition pauvre Pt Storage Material Rh NO + O2 NO2 NO3- Wash Coat

25 Principe de base de l’HCCI
Combustion Diesel Conventionelle Jet liquide Combustion pauvre combustion ~stoechio => NOx combustion riche => PM Combustion Diesel Homogène Combustion pauvre et rapide forte dilution => HC, CO

26 Performance de Combustions CAI & HCCI développées à l' IFP
PME 3 bar, 1500 RPM Emissions brutes de NOx (%) 700,0 600,0 640,4 500,0 400,0 98,5 300,0 100,0 200,0 2,5 1,0 100,0 0,0 PFI DI CAI HCCI DI gasoline gasoline gasoline diesel diesel stoichio stratified lean Comparaison des émissions brutes de NOx pour divers procédés de combustion 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

27 Performance de Combustion HCCI développée à l' IFP
PME 3 bar, 1500 RPM Emissions brutes PM (%) 100 100 80 60 40 7 20 HCCI DI diesel diesel Comparaison des émissions brutes de particules 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

28 Une Réponse Technique Future
Calibration dynamique L’évolution de la télématique et de calcul embarqué permet d’imaginer une calibration dynamique: Sur route et autoroute, réglage moteur modifié en vue de réduire l’émission de CO2 et de Nox, au détriment du bruit (c’est l’aéro et le roulement qui dominent) et des HC/CO En urbain, calibration favorisant HC, NOx et bruit au détriment du CO2 (on roule peu) et des perfos. En zone protégée ( près des hôpitaux, écoles, extrêmes centre ville), limitation sévère de l’enveloppe d’utilisation du moteur (régime, couple) pour limiter bruit et accidents 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

29 Claude DELARUE - RENAULT
Zoom sur les particules Diesel 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

30 REDUCTION des EMISSION de PARTICULES DIESEL
DIRECTIVE 70/220 0,6 0,5 88/436 CEE 0,4 91/441 CEE 94/12 CEE 0,3 98/69 CE EURO 3 Particules in g/km 0,2 98/69 CE EURO 4 Reconstitution (évaluation) 0,1 0,0 1970 1989 1993 1996 2000 2005 2010 ?

31 Un projet réglementaire suisse
Les Suisses ont lancé une procédure à leur niveau national pour imposer le FàP aux (seuls) véhicules diesel Euro 4, au travers d'un ajout aux exigences Euro 4. En plus d’une limite en masse, les véhicules devraient satisfaire en plus une limite en nombre: 1011 /km Pb de définition des appareils de mesure et de répétabilité: travaux en cours au WP29 Niveau très sévère, même pour les véhicules essence 3-voies Si la mesure était adoptée, elle serait applicable à partir du 1er janvier 2006. L'ACEA a saisi la Commission contre l'initiative Suisse, justifiant qu'une telle initiative constitue une barrière commerciale par le non respect de l'accord 1958, signé par la Suisse. 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

32 Claude DELARUE - RENAULT
PARTICULES (PM) (en kilotonnes) 3 catégories pour le transport Transport hors émissions (freins, pneus, etc...) Transport Essence Transport Diesel 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

33 Technologies Moteurs/Carburants Une Vision 2020
Diesel HCCI Parts de marché 1 Gaz/Hybrides/PaC 100% Essence CAI Essence injection Directe 22% 75% 78% 22% Essence Injection indirecte 50% Nouvelles technologies 42% 40% Diesel injection directe 25% 6% 15% Diesel injection indirecte 1 0% HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition (diesel) CAI: Controlled Auto Ignition (essence) PaC: Pile à Combustible 2000 2020 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

34 Claude DELARUE - RENAULT
CONCLUSIONS Le Véhicule a pour objet d’offrir aux clients de la mobilité avec un haut niveau de confort pour un prix qui doit rester accessible aux clients Le Véhicule doit satisfaire la demande d’une meilleure protection de l’environnement, proche (bruit, polluants) et lointain (effet de serre), réaliser cette obligation à un coût global acceptable pour la collectivité 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

35 Claude DELARUE - RENAULT
CONCLUSIONS Pour ce faire: Les technologies actuelles, avec des évolutions fortes, accompagnées par l’évolution des carburants, restent d’actualité à dix/vingt ans Les véhicules «exotiques» : véhicules électriques, hybrides,piles à combustibles, n’ont pas (encore) un bon ratio coût/efficacité Il y a des potentiels considérables (émission de type «atmospheric level», EZEV en architectures conventionnelles 31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

36 Merci de votre attention
31 Mars LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT