Les agroéquipements: spécificités et voies …turbo-moteurs.cnam.fr/publications/pdf/conference2_2013.pdf · Transmission de puissance:-boîte, roue, adhérence-outil: prise de

www.irstea.fr

Pour mieux

affirmer

ses missions,

le Cemagref

devient Irstea

Conférence CNAM – SIA 2013: Utilisation rationnelle de l’énergie et environnement

26 mars 2013 26 mars 2013

Frédéric Vigier,

Délégué à l'expertise, Irstea

Conseiller technologique, SIMA et SITEVI

Les agroéquipements: spécificités et voies d’amélioration de leur efficacité énergétique

Stéphanie Lacour, Christophe Burgun, Adrien Sabourin, Sylvain Descloux,

Equipe « efficacité énergétique des machines thermiques », LGP2ES – Irstea

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Les agroéquipements; spécificités et voies d’amélioration de leur efficacité énergétique

� Machines agricoles :

- Fonctions et indicateurs de performance énergétiques

�Moteurs:

- caractéristiques

- carburants

- pollution

�Transmission de puissance:

- boîte, roue, adhérence

- outil: prise de force, hydraulique, électrique

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� Echelle macro économique: choix de mécanisation

Les agroéquipements : analyse fonctionnelle

Organisation:

- individuel

- cercle d’échange

- coopérative de matériel: CUMA- entreprise de travaux: EDT

Choix d’investissement:- dispositifs fiscaux

- de 50 kE à 500 kE selon les machines

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� Fonction « transport – déplacement »

l/km

Rayon d’action

- saison: matériel de récolte = 12 km- journalière: ferme-parcelle = 2.2 km

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� Fonction « transport – marchandise »

Rayon d’action : (silo, stockage) – parcelle: 2-10 km

Masse transportée: de 3 à 20 tonnesLimitation de vitesse


P = F.v

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� Au champs: traction pure


P = F.v

Un tracteur est capable de tirer son

poidsSa puissance en traction est limitée par

l’adhérence ou la puissance du moteur

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� Au champs: traction pure

La performance énergétique s’apprécie - en énergie : consommation surfacique- en puissance: vitesse d’exécution des travaux

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� Au champs: traction et prise de force


P = F.v + C ω

Répartition:

de 25 à 50 % de la puissance mécanique pour la traction

de 50 à 75% pour l’animation d’outil

La force de traction est moins importante qu’en traction pure

Un couple est produit en sortie arrière du tracteur, à la prise

de force

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� Au champs: traction et prise de force


Pour un cultivateur, selon la vitesse d’exécution et la profondeur de travail, le tracteur consomme de 1 à 3 fois plus d’énergie

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� Au champs: traction, prise de force et hydraulique


P = F.v + C ω + q. P

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Exemple des consommations typiques d’un tracteur

de 150 Ch pour différents outils

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� Tracteur ou moteur thermique « fixe » ou valet de ferme

�Irrigation

�Déchiqueteuse

(280 ch pour 60 m3/h)

(25 à 95 ch)

�Manutention,

distribution du fourrage


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Motorisation


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Les agroéquipements : motorisation

* Moins de 5 litres:

moins de 100 Ch

* 7/8 litres:

entre 100 et 180 Ch

•Plus de 12 litresau delà de 180 Ch

Une puissance en constante augmentation10 ch en 10 ans, 20 ch en 20 ans

Le tracteur moyen grossit

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Exemple d’un résultat d’essais OCDE 2012

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Du diesel, avec :

- un couple de 500 Nm pour 100 KW

- une forte réserve de couple pour supporter les variations

de charges

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Les moteurs sont en général turbocompressés, avec refroidissement d’air

Intermédiaire.

On trouve encore des moteurs atmosphériques sur les petits modèles, maisceux-ci tendent à disparaitre

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Ventilateur et refroidissement

Avec les ventilateurs visco-statiques, la puissance de refroidissement

n’est pas directement proportionnelle au régime moteurLa puissance de refroidissement peut atteindre 15 kW pour un tracteur

délivrant 110 kW à la prise de force

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Carburant : contraintes globales

- Stockage et approvisionnement:

de 3 000 à 200 000 litres par an et par exploitation

- Autonomie et ravitaillement

8 heures / jour à 15 l/h → 120 litres

15 heures / jour à 40 l/h → 800 litres

- Composition / Stabilité / Qualité

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Carburant : contraintes réglementaires

En 2011 application de la directive 2009/30/CE

remplacement du fioul domestique soufre: 1 000 mg/kgpar du gazole non routier (GNR) soufre : 10 mg/kgdestiné

- aux engins mobiles non routiers, - aux tracteurs agricoles et forestiers,-aux bateaux de navigation intérieure et aux bateaux de plaisance lorsqu’ils ne sont pas en mer

Spécification identique au routier, à l’exception de la couleur

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Carburant et biocarburants

Valorisation en circuits courts

►Flex-fuel diesel + huile végétale pure:

John Deere, SameDeutz ….

Procédé de production local et moteur

►Dual-Fuel diesel + biogaz:

Valtra (AGCO SISU POWER), ….

Méthanisation à la ferme et moteur

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Carburant: Autres énergies

► Electricité stockée en batterie

Recharge sur réseau EDF

► Hydrogène + Pile à combustible

Procédé de production localet motorisation éléctrique

Production d’électricité

Exploitation agricole

Electrolyse et

stockage hydrogène

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AnnéeLégislation européenne

Législation américaine

1999Stage I Tier 1

2002Stage II Tier 2

2006Stage IIIa Tier 3

2011Stage IIIb Tier 4i

2014Stage IV Tier 4


Pollution et réglementation

Vue d'ensemble des pays liés à la directive sur la réduction des émissions à l'échappement.

Comparatif des législations

européenne et américaine

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Pollution et réglementation

Puissance du moteur

(kW)

PhaseDate de mise en œuvre

CO (g/kWh)

HC (g/kWh)

NOx (g/kWh)

HC+NOx (g/kWh)

PM (g/kWh)

130-560

Phase III A 31/12/05 3.5 - - 4.0 0.2

Phase III B 31/12/10 3.5 0.19 2.0 - 0.02

Phase IV 31/12/13 3.5 0.19 0.4 - 0.025

75-130Phase III A 31/12/06 5 - - 4.0 0.3

Phase III B 31/12/11 5 0.19 3.3 - 0.02

56-130 Phase IV 31/09/14 5 0.19 0.4 - 0.025

56-75 Phase III B 31/12/11 5 0.19 3.3 - 0.02

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Procédés de dépollution: SCR « Selective Catalytic Reduction »

Principe: le procédé de

réduction catalytique sélective, transforme les NOx en azote et eau par injection » dans

l’échappement d'une solution

aqueuse d'urée synthétique

«AdBlue® »,

Avantage: maintien combustion

optimale � rendement moteur conservé

Inconvénient: Réservoir

additionnel pour « AdBlue® » + coût solution

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Procédés de dépollution: EGR « Exhaust Gas Recirculation »

Avantage: pas de second réservoir

pas d’additif supplémentaire

Contrainte: le recyclage des gaz d'échappement nécessite un filtre à

particules sur l’échappement plus complexe qu'un catalyseur car les particules collectées par les filtres doivent être brûlées régulièrement (régénération)� besoin système adéquat

John Deere Power Systems

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Transmission de puissance


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Les agroéquipements : transmission de puissance

Rappel des fonctions à assurer

ROULER TIRER / POUSSER

LEVER ANIMER

Transmission du moteur au roues

X X

Prise de force X

Hydraulique X X

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Contraintes liées à la diversité des travaux et aux trois natures du sol:

- Parcelles (sols meuble avec ou sans cultures , de constitution

pédologiques et de structure variables)� V = 3 à 15 km/h

� variations du couple au travail importantes( lié à : effort de traction + couple prise de force + pression hydraulique)

� besoin de nombreux rapports voire de changement de

rapport sous charge

� contact pneumatique-sol spécifique et très variable

- Chemins (de terre, empierrés ,,) � V = 3 à 30 km/h

- Routes (bitumées, de largeurs variables) � V = 3 à 30 km/h

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Les agroéquipements :transmission de puissance

Rapports de boites de vitesses: exemple de typologie d’utilisation

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Les agroéquipements :transmission de puissance

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Adhérence des pneumatiques

Pour les pneumatiques « dits » agraires :

- Amélioration de l’adhérence par protubérances (barrettes ou crampons) �� entrainement par obstacle proche système «pignon-crémaillère»

- structure renforcée � utilisation possible à faible pression, pour limiter le

tassement du sol et compenser le manque de suspension

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Arrivée du pneu capteur

Pneu doté de capteurs pour estimer simultanément des

paramètres liées:- au véhicule (charge, couple),

- au sol (portance) sur lequel il circule

Intérêt pour::- amélioration de la sécurité et des performances

énergétiques,

- suivi des dégradations et/ou régénérations du sol ...

• EP1785287 (IT, DE, HU, GB, FR) -System forcharacterising the action of a vehicle tire on the ground and for characterising the ground.• FR2892972 - Système de caractérisation de l’action d’un pneumatique d’un véhicule sur le sol et du sol lui-même.

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Prise de force: cahier des charges:

- Permettre la connexion d’arbres à cardans pour la transmission de puissance du tracteur aux outils animés

� standardisation / normalisation des positions, formes et dimensions

de l’arbre de sortie du tracteur,

- Adapter le régime de la transmission de puissance aux divers outils

pour respecter les contraintes mécaniques liées à leur conception et à

la qualité du travail attendue � plusieurs régimes normalisés

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Régimes constants normalisés

- 540 tr/mn: : le plus répandue � régime du moteur proche du régime

nominal (en général aux alentours de 2000 tr/mn).

- 750 tr/mn: également nommé 540 E (E pour économique) � 540 tr/mn

à bas régime moteur (environs 65 % du régime : 1600 tr/mn). Pour

besoin faible puissance (fenaison, épandage d’engrais, pulvérisation, etc.). Permet de réaliser de sérieuses économies de carburant.

- 1000 tr/mn: surtout utilisé par les tracteurs de fortes puissances

(supérieur à 120 – 140 ch.). � couple transmis plus faible (P= C , ω)

donc lignes d'arbres de plus faibles dimensions moins encombrantes.

- 1400 tr/mn: régime également nommé 1000 E (E pour économique) �.mêmes objectifs que le régime 750 tr/mn,

- Régime "proportionnel à l'avancement": de moins en moins utilisé.

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Hydraulique: cahier des charges:- Pression débit et puissance pour:

* relevage(s), vérins et moteurs hydrauliques des outils attelés,

* composants et asservissements du tracteur (ex: CVT )- Optimisation des débits, pressions et puissances disponibles/

demande des outils

- Limitation des pertes de charges et des températures d’huiles � système de refroidissement de l’huile

Exemple de Puissance maximale actuelle:( Extrait des résultats d’essais OCDE):

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http://www.poclain-hydraulics.com/fr/systemes/agriculture

Hydraulique: des utilisations omniprésentes

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HybrideDARIO DEVELOPPEMENT

Automoteur de débroussaillage

hybride radiocommandé

BONFIGLIOLI TRANSMISSIONS

Motoréducteur électrique pour

transmission haute puissance sur

véhicules agricoles hybrides ou tout électrique

KREMER ENERGIETracteur enjambeur électrique T4E 100 ch - Autonomie de 8 h 00

Motoréducteur électrique

Electrique: en émergence forte

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Conclusion et perspectives


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Les agroéquipements : conclusion et perspectives

Des motorisations thermiques:

* moins de pollution et moins de carburant* usage de carburants alternatifs

* énergie calorifique de l’échappement

récupérable

( fortes charges � 300 à 500°c à l’échappement)

� Champ d’étude/recherche à approfondir

dans ce secteur d’activité

Des procédés de conversion d’énergie

JOHN DEERE

Tracteur polycarburant propre

tracteur

Evolutions

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Les agroéquipements : conclusion et perspectives

- des stratégies d’utilisation et d’équipements

- Des méthodes de conception:

Ecoconception , Sécu-conception

- Des moyens de contrôle des machine et

des flux d’information � Augmentation: *des usages de l’informatique et

l’électronique embarquée (ex: Isobus)

*Des services à distance aux

utilisateurs (réglage, Maintenance ,,,,,,)

CLAAS

Application Terminal Universel Isobus pour tablettes

Mais aussi évolution:

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MERCI DE VOTRE ATTENTION

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Source ITB

Récolteuse de betterave

Stock

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Mesures de consommations et d’efficacité de tracteurs réaliséesen Europe pour différents outils

Documents

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