duret 2t conferenceCNAM-SIA-ENSPM 2006turbo-moteurs.cnam.fr/publications/pdf/conference2_2006.pdf · 1 IFP ENSPM - © Pierre DURET Le moteur 2 temps - Conférence CNAM-SIA-ENSPM-UPMC

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1IFP ENSPM - © Pierre DURET Le moteur 2 temps - Conférence CNAM-SIA-ENSPM-UPMC – 14/03/06

LE MOTEUR 2 TEMPS LÉGER

CARACTERES SPÉCIFIQUES ETÉVOLUTIONS RÉCENTES

Pierre DURETDirecteur Centre "Moteurs et utilisation des hydrocarbures"

ENSPM / IFP School


I - L'intérêt d'un moteur 2 Temps économiqueI.1 – Le principe du cycle et de son mode de transvasement des gaz spécifiqueI.2 - Des avantages de principe

II - Les évolutions récentes et les domaines d'application du moteur 2 Temps

III.1 – Les évolutions technologiques récentes: combustion par auto inflammation (CAI) et injection directe d'essence III.2 – La tentative de révolution dans le domaine automobileIII.3 - Les moteurs 2 Temps de nouvelle génération pour les applications aux 2-roues et aux moteurs hors-bord marins

Le moteur deux temps léger

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1881 : Dugald Clerk inventeur du moteur 2 Temps

1891 : J.Day inventeur du 2 Tempsà carter pompe (et à 3 lumières)


Puissance spécifique comparée 2T/4T

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Un mode de transvasement des gaz spécifiqueprincipe du cycle 2 Temps (1)

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Un mode de transvasement des gaz spécifiqueprincipe du cycle 2 Temps (2)

BALAYAGE

CONDUITS DE TRANSFERT


Exemple de courbes caractéristiques

Monocylindre250 cm3à carter-

pompe

0

5

10

15

20

25

30

35

2500 3500 4500 5500 6500 7500

Régime (tr/min)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

CouplePuissanceCSE

5


Rendement de livraison - rapport du mélange enfermédans le cylindre après balayage sur le mélange admis dans le

moteur

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

2500 3500 4500 5500 6500 7500

Régime (tr/min)

part enfermée

part court-circuitée (à l ’atmosphère) Monocylindre

250 cm3à carter-

pompe


Des pertes considérables de carburant directement court-circuité à l'échappement

Monocylindre 250 cm3 à carter-pompe

Régime (tr/min)

CSE (g/kW

h)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000

CSE

CSE * Rdt livraison

REJETS DECARBURANT

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Les avantages de principe du cycle 2 Temps

faibles pertes par frottements:particulièrement en version carter pompe (vilebrequin sur roulements, pas de segment racleur, pas de soupapes à entraîner, un cycle moteur tous les tours)faibles pertes par pompage :

le travail de transvasement des gaz diminue lorsque la charge du moteur diminue (inverse pour un 4T A.C.)

potentiel de rendement supérieur au 4T A.C.particulièrement à charge partielle, mais masqué par les défauts du 2T

(court-circuitage de carburant et combustions incomplètes)

fréquence de combustion double

puissance spécifique élevée toutefois inférieure à 2 fois la puissance d'un 4T équivalent car toute la course du piston n'est pas utile (ouverture des lumières)





III.1 – Les évolutions technologiques récentes: combustion par auto inflammation (CAI) et injection directe d'essence

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Des modes de combustion particuliersprésence d'une quantité de gaz résiduels à charge partielle

Gaz résiduels recyclés

Gaz résiduels recyclés

à faible charge, la quantité d ’air admise devient insuffisante pour balayer correctement les gaz brûlés

le taux de gaz brûlés recyclés (EGR interne) augmente et la combustion devient incomplète

si l ’on continue à baisser la charge, pour des taux d ’EGR interne de + en + élevés (> à 50%) des ratés de combustion apparaissent

un 2ème (puis 3ème,…) cycle de balayage est nécessaire pour ainsi avoir une combustion tous les 2 (voire 3,…) tours


Des modes de combustion particuliersLes conséquences des ratés de combustion à charge partielle

Deux sources de gaspillage de carburant et de détérioration du rendement sur un 2 Temps:

le court-circuitage de carburant directement àl ’échappement (au dessus de 50 % decharge)

les combustions incomplètes ou ratésde combustion (en dessous de 50 % decharge)

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La première publication sur l'auto-inflammationou combustion "ATAC"...

En 1979, la première publication sur une combustion de type CAI recherchée dans un moteur 2-temps :

Onishi et. al. (Nippon Clean Engine Research Institute), "Active Thermo-Atmosphere Combustion (ATAC) –A New Combustion Process for Internal Combustion Engines", SAE 790501, 1979

La description d ’un nouveau procédé de combustion (ATAC) essence fonctionnant à charge partielle en mélange pauvre sans besoin d'allumage .Des améliorations remarquables de la stabilité de combustion, du rendement et des émissions polluantes sont obtenues.


Échappement

Lumières d ’admission

3400 tr/minImages de différents cycles à différents deg.V19 deg.V avant PMH 4 deg.V avant PMH

Source: J. Lavy (IFP)

Ce qu’ils ont vu ?

De multiples sites d'auto-inflammation

Un processus cycle àcycle globalement stable (dégagement d'énergie et pression cylindre) et localement instable (localisation des sites d'auto-inflammation)

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ATAC - CAIAbsence de front de

flamme !Combustion simultanée

multi-sites dans l'ensemble de la chambre

de combustion

ACPropagation d'un front de

flamme des gaz brûlés vers les gaz frais

Quelle explication au phénomène observé ?


Des modes de combustion particulierseffet de l'auto-allumage sur la stabilité de combustion

Allumage commandé Auto-allumage

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La réduction des émissions d'hydrocarbures et de la consommation grâce à un dispositif permettant de séparer et retarder l'introduction du carburant par rapport au balayage par l'air

injection directe liquideinjection directe air-essence

Les autres recherches pour des 2 Temps propresL ’idée directrice: l ’injection directe de carburant





III.1 – Les évolutions technologiques récentes: combustion par auto inflammation (CAI) et injection directe d'essenceIII.2 – La tentative de révolution dans le domaine automobile

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MARQUE SUZUKI WARTBURG TRABANT VESPA DKW SAAB

PAYS JAPON EX -RDA EX -RDA IT-FR RFA SUEDE

CYLINDREE 539 cc 992 cc 594 cc 396 cc 1175 cc 841 ccALESAGE (mm) 61 73.5 72 63 81 70COURSE (mm) 61.5 78 73 63 76 72.9NB CYLINDRES 3 3 2 2 3 3

PUISSANCE (kW) 20.5 37 19 10.3 44 31REGIME (tr/min) 4500 4250 4200 4350 4500 4250PUISSANCE/litre 38 37.3 32 26 37.5 36.7

COUPLE (mN) 53 98 54 20 105 84REGIME (tr/min) 2500 3000 3000 1950 2250 3000

ALIMENTATION CARBU CARBU CARBU CARBU CARBU CARBU

Les exemples d'applications automobiles abandonnées


Les recherches passées pour des 2 Temps propresLe moteur 2T CITROEN P1 à injection directe (1950-1972)

• V4 1820cm3 2T + 200cm3 4T pour entraîner un compresseur roots• 120 cv @ 5000 tr/min, avec déjà 85 cv @ 2000 tr/min• carter humide bas moteur 4 temps • moteur installé sur véhicule Citroën DS sans boîte de vitesse (cf. détails

dans le livre «Citroën: l’histoire et les secrets de son bureau d’études»)

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Effervescence mondiale sur les nouveaux moteurs 2 Temps1985 - 1995 - Une tentative de révolution dans l ’automobile


AUSTRALIE :Orbital : les précurseurs de la relance du 2T dans l ’automobileprojets de 2 T automobile à balayage en boucle et injection pneumatique moyenne pression

JAPON :Toyota : 6 cyl et 2 cyl, compresseur externe, balayage tout par soupapes, version essence injection liquide H.P. et diesel préchambre

Subaru : V4, compresseur externe, balayage en boucle (lumières) avec boisseau rotatif échappement (diagramme d'ouverture dissymétrique), injection liquide H.P.

Daihatsu: 2T diesel 3 cyl.,ID common rail, balayage équicourant(lumières d ’admission, soupapes d ’échappement), compresseur + turbo

Effervescence mondiale sur les nouveaux moteurs 2 Temps1985 - 1995 - Les concepts étudiés dans l ’automobile (1)

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Effervescence mondiale sur les nouveaux moteurs 2 Temps1985 - 1995 - Les concepts étudiés dans l ’automobile

ORBITAL (1980 - 2000)

Injection Directe assistée par air (à moyenne pression ~ 5 bars)

Injection Directe assistée par air (à moyenne pression ~ 5 bars)



ORBITAL (1980 - 2000)

Le projet GENESIS: une flotte de 100 véhicules à moteurs 2 Temps Orbital dans des conditions réelles d ’utilisation

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ORBITAL (1980 - 2000)

Le projet GENESIS: une base de données considérable pour répondre aux interrogations des constructeurs


SUBARU V4 2 Temps (1987 - 1995)Effervescence mondiale sur les nouveaux moteurs 2 Temps

• V4 1488cc 2T avec alimentation par compresseur à vis• valves rotatives à l ’échappement pour diagrammes dissymétriques• Couple max.150 Nm/l (100 Nm/l @ 1000 tr/min), Puissance max. 80 kW/l

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SUBARU V4 2 Temps



EUROPEIFP : projets IAPAC (3 cyl automobile , injection pneumatique B.P.)GIE PSA-Renault - IFP - LMM - Siemens : 3 cyl, carter-pompe, injection liquide H.P. VW : 3 cyl, compresseur externe, balayage équicourant (soupapes d'échappement), injection liquide H.P.

USAGeneral Motors : 3 cyl et V6, carter-pompe, injection pneumatique M.P. (moyenne pression)Chrysler : 3 cyl, soufflante externe, injection liquide H.P.

Effervescence mondiale sur les nouveaux moteurs 2 Temps1985 - 1995 - Les concepts étudiés dans l ’automobile (2)

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Alimentation en air comprimé à

basse pression

Venturi atomiseur

Soupape

Déflecteur de jet

Doseur d ’essence (injecteur

conventionnel basse pression)

Effervescence mondiale sur les nouveaux moteurs 2 TempsIFP (1983 -2001)

Le principe IAPAC: Injection Assistée Par Air Comprimé(à basse pression ~ 0.5 bar)


Résultats 1996 moteur 2T IAPAC automobilecalibration normes Euro 2

Effervescence mondiale sur les nouveaux moteurs 2 TempsIFP (1983 -2001)

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III.1 – Les évolutions technologiques récentes: combustion par auto inflammation (CAI) et injection directe d'essence III.2 – La tentative de révolution dans le domaine automobileIII.3 - Les moteurs 2 Temps de nouvelle génération pour les applications aux 2-roues et aux moteurs hors-bord marins


L'avenir du moteur 2 Tempsvers une nouvelle génération de moteurs 2 Temps !

De la tentative de révolution dans l ’automobile aux solutions aux problèmes du moteur deux temps grâce àl'utilisation de nouvelles technologies et à l'innovation :

première étape (transitoire) : 2-roues et outils portablesadaptation d'un catalyseur sur 2 Temps conventionnels amélioration de la combustion à charge partielle par auto-inflammation

deuxième étape : une nouvelle génération de 2 T propres pour les 2-roues et applications marines (hors-bord & jet ski)

contrôle électronique des moteursinjection directe de carburant dans la chambre de combustion, liquide ou assistée par air comprimé (éventuellement combiné avec une amélioration de la stabilité de combustion à charge partielle par auto-inflammation)

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Source Synerject SIAT ’2001

Les tendances pour le contrôle des émissions des petits moteurs 2 Temps (2-roues)


L'adaptation d'un catalyseur sur les 2 T conventionnelsune solution transitoire à l'efficacité de dépollution limitée

Les problèmes d'adaptationmaintien des performances acoustiquesdégagement de chaleur excessiftenue en température du catalyseurbesoin d'isolation échappementconsommation moteurmanque d'oxygène à l'échappement

d'où une efficacité et endurance très limitéesd'où une efficacité et endurance très limitées

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Le système ARC (ActivatedRadicals Combustion) développé par Honda :

reprise des travaux des années 1970 sur le sujet avec l'idée additionnelle de contrôler l'instant d'auto-allumage par une valve échappement particulièredémonstration de l'intérêt du système lors du Rallye Grenade Dakar 1995 avec les 2 prototypes EXP-2 (Richard Sainct, Jean Brucy): le gain en économie de carburant et donc en autonomie (sans sacrifice de puissance) a permis pour la 1ère fois depuis 14 ans à un 2T de concurrencer les meilleurs 4Tindustrialisation au Japon depuis début 97 et en Europe mi 98 (scooter Pantheon)

L'avenir du moteur 2 Tempsl'utilisation de l'auto-allumage à charge partielle

38IFP ENSPM - © Pierre DURET Le moteur 2 temps - Conférence CNAM-SIA-ENSPM-UPMC – 14/03/06Source Synerject SIAT ’2001

Le marché des petits moteursenviron 70 % de moteurs 2 temps

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IFP : IAPAC simplifié (SCIP)

SYNERJECT (JV ORBITAL - SIEMENS) : la solution industrielle retenue

HONDA : système AR-PDI pour 2T hautes performances

Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationL ’injection directe pour les 2-roues


L’injection directe simplifiée SCIP (SimplifiedCamless IAPAC) pour les petits moteurs 2 T

suppression de l’arbre à camessystème “bolt-on”intrusion minimum dans le dessin du moteur

Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationL ’injection directe pour les 2-roues - IFP

Avec SCIP, l’injecteurpneumatique est actionnépar une membrane commandée par des pressions venant dumoteur

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Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationL ’injection directe pour les 2-roues - IFP

Vue en coupe - Moteur 2 T SCIP 50 cc scooter


Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationL ’injection directe pour les 2-roues - SYNERJECT

Détails de l ’injecteur pneumatique

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Aprilia DiTech 50 cc(commercialisé depuis 2000)



Peugeot MTC 50 cc(commercialisé depuis 2002)

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Comparaison technologies 2T basses émissionsscooters 50 cc avec calibration Euro I

0

1

2

3

4

5

6

CO (g/km) HC (g/km) HC + NOx (g/km) Fuel Consumption(l/100km)

Euro I Carbu + CAT ID DITECH ID SCIP

46IFP ENSPM - © Pierre DURET Le moteur 2 temps - Conférence CNAM-SIA-ENSPM-UPMC – 14/03/06d ’après Y. Ishibashi - Honda - IFP Congress 2001d ’après Y. Ishibashi - Honda - IFP Congress 2001

Le projet PDI-AR: la combinaison de

l ’auto-allumage (AR combustion)

et de

l ’injection directe pneumatique de carburant (PDIPneumatic Direct Injection)

Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationL ’injection directe pour les 2-roues - HONDA

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Les objectifs du projet PDI-AR:

• des performances exceptionnelles (180 kW/l à 11000 tr/min) hors de portée du 4 temps

• en respectant les normes Euro 3 (et +) grâce à une large plage d ’auto-inflammation et àl ’injection directe pneumatique (+ catalyseur d ’oxidation)

Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationL ’injection directe pour les 2-roues - HONDA

d ’après Y. Ishibashi -Honda - IFP Congress2001


L ’essentiel du marché est en Asie (90 %)

L ’Asie était historiquement contrôlée par HONDA et YAMAHA: tous les anciens constructeurs de 2-roues en Inde, Taïwan, Thaïlande,…avaient dans le passé des accords pour produire des moteurs 2T sous licence,

depuis une dizaine d ’année, ces constructeurs devenaient de plus en plus indépendants et capables de produire par eux-même des 2T,

Malgré tous les résultats qui montrent que les nouvelles technologies 2T ID sont même plus propres et plus efficaces que les technologies 4T, et tous les efforts de promotion de sociétés comme Orbital et autres,…

les constructeurs japonais essaient de prolonger leur contrôle en imposant le 4T en jouant sur l ’image « environnement » pour promouvoir leurs technologies 4T sous licence

Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationQuel avenir dans le domaine du 2-roues ?

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Le marché est donc en récession malgré l ’arrivée de 2T propres

En Europe, il reste le cas particulier du 50 cm3 en Europe (sans permis) qui reste très favorable au 2T ID (performances / au 4T) mais la législation peut aussi changer ?...

Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationQuel avenir dans le domaine du 2-roues ?


IFP : application industrielle IAPAC pour HB SELVA 50 et 80 cv

SYNERJECT (JV ORBITAL - SIEMENS) : la solution industrielle de MERCURY MARINE pour les HB (modèles Optimax) et de BRP (Bombardier Recreational Products -modèles Sea-Doo) pour les Jet-skis

Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationLes moteurs marins (hors-bord et jet-ski)

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Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationLes moteurs marins (hors-bord et jet-ski)

Limites d ’émissions appliquées aux moteurs Hors-Bord en Europe (suivant cycle ICOMIA 5 modes)


Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationLes moteurs marins hors-bord - IFP IAPAC

Vue en coupe simplifiée du moteur 50 cv bicylindre IAPAC SELVA avec accessoires

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1ère industrialisation mi-2004 en Italie du modèle Bull Shark 50 cv LPDFI (Low Pressure Direct Fuel Injection) 2-cylindres 680 cc

Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationLes moteurs marins hors-bord - IFP IAPAC

Présentation en exclusivité au Salon Nautique de Paris d ’octobre 2004 du nouveau modèle 80 cvLPDFI (3-cylindres 1026 cc)


Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationLes moteurs marins - Orbital & SYNERJECT

Suivant les principes de la technologie développée en automobile pour les fortes puissances et de la technologie simplifiée (type 2-roues) pour

les puissances plus faibles

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Les moteurs 2 Temps de nouvelle générationQuel avenir dans les moteurs marins ?

Un contexte défavorable au moteur 2 Temps: sous la pression de HONDA (arrivé il y a une quinzaine d ’années sur ce marché HB avec exclusivement du 4T) et maintenant des autres Japonais

le moteur 4 Temps se développe avec une image de moteur propre pour l ’environnement MAIS !

le moteur 2T ID pollue pourtant moins que le 4T (CO & NOx)il consomme moins,il est nettement plus performant en couple à iso-puissance,…il utilise un lubrifiant biodégradable

… jusqu’à en arriver à des 4T extrêmes vendus comme « les + propres » et pourtant peu respectueux de l ’environnement


Pour passer les normes en NOx, les 4 Temps hors-bord sont calibrés riches d ’où CO élevé

(autorisé par normes « faites sur mesure » pour le 4T) et surconsommation ~ 15 %

calibration riche HB 4T

calibration pauvre (àl ’échappement) HB 2T ID


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Consommations horaires comparées 2T / 4T / 2T ID à iso-puissance moteur



Comparaison couples HB 2T ID / 4T àiso-puissance moteur


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Le nouveau moteur HB 2.6 l Mercury VERADO suralimenté par compresseur à vis: le 4 T de série le plus puissant en HBqui cumule les défauts précédents (CO, NOx) et aggrave sa surconsommation / au 2T avec 40 kw nécessaires pour l ’entraînement du compresseur !!!


Il est vendu comme un moteur respectueux de l'environnement !!!


CONCLUSION :Quel futur pour le 2 Temps ?

Dans les domaines d'applications actuels : le 2 Temps conventionnels n'a pas de futur (augmentation de la part relative de la pollution due aux 2 T conventionnels)passage au 4 Temps avec difficultés technologiques associées mais aussi intérêts financiers (plus qu ’écologiques !)ou nouvelle génération de moteurs 2 Temps ? la raison l ’emportera t-elle ?

Dans l'automobile : malgré ses avantages en termes de consommation, faibles émissions de gaz à effet de serre et à ses qualités de compacité et légèreté, la nouvelle génération de moteurs 2 Temps propres et économes ne révolutionnera sans doute pas le domaine automobile.

mais avec l ’arrivée des nouvelles technologies de moteurs complètement flexibles (distributions totalement variables) pourquoi pas des moteurs futurs multi-temps, avec une plage de fonctionnement suivant le cycle 2T si cela présente de l ’intérêt (par ex. en auto-inflammation) ?….

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Bibliographie succincteGordon P. BLAIR - The basic design of Two-Stroke Engines - SAE R-104

A new generation of Two-Stroke engines for the future? Proceedings of the IFP International Seminar edited by Pierre Duret - 29-30 novembre 1993

P. Duret et al -SAE 880176, 900801, 911849, 951785, 960363, 972072, 972072, 990038, 1999-01-3289, 2000-01-1837, 2000-01-1899SETC 911251, 931478, 931480SIA 94.09.09, 94.09.10, 95.02.03FISITA 92, EAEC 99c405,...

Two-Stroke cycle spark-ignition engines - SAE PT-26

Advances in Two-Stroke cycle engine technology - SAE PT-33

SAE Special Publications SP- 835, 849, 883, 901,942, 988, 1019, 1049, 1112

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