31 Mars 2004 LAUSANNEClaude DELARUE - RENAULT 1 Revue des motorisations thermiques actuelles et futures EPFL, AISEN, FRE & emobile 31 Mars 2004 Lausanne

31 Mars 2004 LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT1

Revue des motorisations thermiques actuelles et futures

EPFL, AISEN, FRE & e’mobile31 Mars 2004

LausanneClaude DELARUE - RENAULT


Un enjeu majeur:

le CO2


EMISSIONS MONDIALES de CO2 environ 800Gt/ an

Burning of biomass

Soil

Oceans

Vegetation

Anthropogenic CO2

41.5%

27% 27%

< 1% 3.5%

Source: OECD Environmental Outlook 2001, Paris


Répartition des émissions anthropogéniques mondiales de CO2

Industrie

Biomasse

Veh. Industriels

Veh. Particuliers

Trafic Aérien

Trafics Divers

Maritime

Product. Energie

Chauff. Domest

Source: OECD Environmental Outlook 2001, Paris

23%

25%

19%

15%

6%

5,5%

3%2%

1,5%Transport, tous modes : 18%

Transport routier: 11,5%


0 50 100 150 200 250 300 350

PAC / H2 Elec.Fr

EMHV (diester ®)

PAC / H2 comp.

Gazole

GPL

ETBEETBE

Synfuel Synfuel

Supercarburant

PAC / H2liq .

Production Combustion PhotosynthèseProduction Combustion Photosynthèse

EthanolEthanol

SUNFUEL*SUNFUEL*

Sources : A.Douaud, IFP*Goudriaan/GEMIS/Ifeu /LBST

CO2

g/km

Emissions de CO2 du "Puits à la Roue" des différents carburants


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…


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


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


Iso régimes moteur

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

2000 rpm

4000 rpm

6000 rpm

Rendement du moteur = f(charge, régime)

PME (bar)

CSE g/kwh


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


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...


EFFICACITE GLOBALE des SOLUTIONS

Gain % de Consommation

10 20 30

Gain % sur chaque paramètre

Trainée de boîteRalenti

Rendementthermo-moteur

Pneus

Freins + Roulements

Frottement véhicule

Huile - Dimensionnement

Véhicule de référence : X64- E7MConsommation en cycle NEDC : 7,5l/100 Km

Masse

MIVEC (Déconnexion de 2 cylindres)

VVT-VTEC

Turbo (2S)

5

10

15

VVT

Aérodynamyque2S

4S

Frottement

Kaizen

Caisse A

lu

Couple au litre

Frottement +PompageMoteur

2S4S

EG

RMél

ange

pau

vre

+Den

ox

Car

b à

10 p

pmS


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 combustibleIntérêt non démontré pour le CO2

• rendement intrinsèque• cycle de vie, fabrication H2...

31 Mars 2004 LAUSANNE Claude DELARUE - RENAULT

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

Vitesse moyenne [km/h]

Gai

n e

n C

O2

Cycle Japon

CycleEurope

Diesel

Ctrl Alt.

Ctrl Alt.Stop&Start SSG 6kW

SSG 6kW+ e-Drive

SSG 6kW + Downsizing

SSG 6kW+ e-Drive+ Downsizing

Ctrl.Alt. = Alternateur optimisé;

SSG: Alterno-démarreur déporté

E-drive: capacité à rouler en électrique

Downsizing: écosuralimentation

Comparaison Hybride essence / Moteur Diesel*

* Transmission Manuelle

% kilo

métrag

e ann

uel eu

rop

éen véh

icule classe C

Toyota Prius II

AnnoncePSA

Honda Civic IMA

AnnoncePSA

Sans trainée,Optim moteur…

?

?


Le coût des solutions techniques

• Les limites sont d’abord financières– Caisse aluminium 530 Euros– Moteur essence 700 "– Moteur diesel 1300 "– Moteur CNG 1300 "– Hybridation 7500 "– 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


165165

186

140140

1996 2000 2004 2008 2012

RenaultRenaultMoy.Moy.

A.C.E.A. A.C.E.A. engagement volontaireengagement volontaire

RENAULT premier de la classe

Clio 1,5 l dCiClio 1,5 l dCi

Scenic II 1,5 l dCiScenic II 1,5 l dCi

149,2149,2

160,7160,7

DIMINUTION DES EMISSIONS DE CO2 AU NIVEAU EUROPEENENGAGEMENT VOLONTAIRE ACEA ET TENDANCES

A.C.E.AA.C.E.A Moy. Moy.

110

130

150

170

190

CO2 g/mile g/km

306

209

177

241

274


Répartition des ventes de voitures neuves par niveau

de CO2 en EUROPE

23 2316,6

31,632,2

3546

80,8

58,150,7 48

31

17,010,20%

20%

40%

60%

80%

100%

1995 1999 2000 2001 2002

>161g/km

141-160g/km

<140g/km

Source ACEA


Le Diesel incontournable pour le CO2….

Et les émissions polluantes ?


0

20

40

60

80

100

120

1995 2000 2005 2010 2015 2020

CO NOx VOC NMVOC

Benzene PM diesel CO2 SO2

Emissions du Emissions du TTransport ransport RRoutier outier Dans l'Dans l'EuropeEurope des des 15 15

indice

Bilan du programme Auto-oil 2*

*Programme de la Commission Européenne en collaboration avec les industries pétrolière et automobile


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


Les Réponses Techniques enAllumage 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


Particules

HC CO

NOx

O2 en excès

Basses températures

Combustion

Hétérogène

Milieu pauvre

Première et principale voie d’ optimisation : réduire les émissions en sortie moteur

Chimie

difficile

?Suralimentation Basses

températures

Combustion duMélange air/carb.

Pourquoi contrôler les polluants Diesel est difficile ?


Les Réponses Techniques enDiesel

– 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.


Diesel Particulate Filters

CO2

+ H2O

Filtration

T > 550°C

Régénération thermique !

Augmentation de la conso

NOx trap

Wash Coat

Stockage des NOx en condition pauvre

PtStorageMaterial Rh

NO + O2

NO2

NO3-

Augmentation de la conso

N2

Régénération en condition riche

NO3-

NOx

CO, H2, HC


Combustion pauvre

combustion ~stoechio => NOx

combustion riche => PM

Jet liquide

Combustion pauvre et rapide

forte dilution => HC, CO

Principe de base de l’HCCIPrincipe de base de l’HCCI

Combustion Diesel Conventionelle

Combustion Diesel Homogène


Performance de Combustions CAI & HCCI développées à l'

IFP

640,4

98,5

2,5 1,0

100,0

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

PFIgasolinestoichio

DIgasolinestratified

CAIgasoline

lean

HCCIdiesel

DIdiesel

Emissions brutes de NOx (%)

PME 3 bar, 1500 RPM

Comparaison des émissions brutes de NOx pour divers procédés de combustion


Performance de Combustion HCCI développée à l' IFP

7

100

0

20

40

60

80

100

HCCIdiesel

DIdiesel

Emissions brutes PM (%)

PME 3 bar, 1500 RPM

Comparaison des émissions brutes de particules


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


• Zoom sur les particules Diesel


1970

1989 19931996 2000 2005 2010 ?

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

91/4

41 C

EE

94/1

2 C

EE

Par

ticu

les

in g

/km

Reconstitution (évaluation)88

/436

CE

E

98/6

9 C

E E

UR

O 3

98/6

9 C

E E

UR

O 4

REDUCTION des EMISSION de PARTICULES DIESELDIRECTIVE 70/220


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 1erjanvier 2006.

• L'ACEA a saisi la Commission contre l'initiative Suisse, justifiantqu'une telle initiative constitue une barrière commerciale par le nonrespect de l'accord 1958, signé par la Suisse.


PARTICULES (PM)(en kilotonnes)

3 catégories pour le transportTransport hors émissions (freins, pneus, etc...)Transport EssenceTransport Diesel


Technologies Technologies MoteursMoteurs/Carburants/CarburantsUneUne Vision 2020Vision 2020

15%6%

78%

1

1

40%

22%

22%

0%

25%

50%

75%

100%

2000 2020

Essence Injection indirecte

Essence injection Directe

Gaz/Hybrides/PaCEssence CAI

Diesel HCCI

HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition (diesel)

CAI: Controlled Auto Ignition (essence)

PaC: Pile à Combustible

Nouvelles technologies

•

Diesel injection directe

Diesel injection indirecte

42%

Parts de marché


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


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


Merci de votre attention

Documents

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