Laboratoire d’Etudes Thermiques (LET)ENSMATéléport 2 - 1, avenue Clément AderBP 40109 - 86961 Futuroscope Chasseneuil Cedex France

Rapport de stage ingénieur05/06/2006 au 22/09/2006

Energétique des moteurs d’automobiles : utilisation decarburants alternatifs et récupération d’énergie à

l’échappement

dernières modifications :

08/11/2006

EtudiantFranck Le Rhunflerhun@gmail.com

Maître de stageJean-Marie Petit

jean-marie.petit@ensma.fr

Remerciements

Je tiens en premier lieu à remercier mon maître de stage, Jean-Marie Petit pour m’avoir permisd’avancer dans mes réflexions énergétiques durant ces quelques mois. Ensuite à Vincent Le Gouic,pour m’avoir supporté en face de lui cet été, caché derrière mon 17".

Je remercie la direction ainsi que l’ensemble du personnel du Laboratoire d’Etudes Thermiques,pour son accueil et ses compétences, qui nous ont été techniquement indispensables pour mener àbien notre travail.

Je remercie également tous ceux qui m’ont aidé et/ou soutenu durant cette période, notammentma Marraine Ensmatique Julie Rostagni, Richard Stallman, mon frère et tant d’autres.

Je remercie ceux, des Bricoleurs aux Professeurs, qui m’ont fait partager la passion de lamécanique bien conçue, et des remises en question aussi rares qu’indispensables.

Résumé

Dans un contexte d’épuisement de la principale ressource énergétique fossile : le pétrole, lesconstructeurs automobiles sont à la recherche de solutions alternatives et de systèmes permettantla récupération d’énergie. Dans cette perspective, le but de l’étude est de mener une réflexion quantà l’exploitation du gaz naturel et de l’hydrogène ainsi que des pertes à l’échappement des moteurs.

Un code de calcul thermodynamique a été utilisé pour simuler le comportement de différentscombustibles dans une chambre de combustion à volume variable. Des essais sur banc moteur ontpermis de recaler le modèle et de dresser un bilan en termes de performance et de pollution. Laréalisation d’une interface logicielle basée sur PHP et le grapheur GNUplot a permis une meilleureexploitation des résultats issus des simulations. En parallèle, une réflexion, appuyée sur l’analysede brevets, a été menée sur la récupération d’énergie à l’échappement.

Les résultats de l’étude ont permis de valider l’intérêt de l’utilisation du gaz naturel et del’hydrogène et, en terme d’ordre de grandeur, celui de certains concepts de récupération d’énergieà l’échappement des moteurs. Ces derniers restent à valider expérimentalement dans des travauxfuturs.

Table des matières

Introduction générale 2

1 Etude bibliographique 3

1.1 Bilan Well to Wheel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Emissions polluantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.1 Résidus de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.2 Produits de dissociation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.3 Règlementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Alternatives énergétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.1 GPL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.2 GNV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.3 Hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.4 Hythane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.5 Tableau récapitulatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Limite du raisonnement sur le rendement global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5 Réflexion sur l’utilisation de l’énergie "perdue" et la "réparttion" de ces énergies . 7

1.6 Adiabatisation du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.6.1 Corrélation de Woschni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.6.2 Exemple de réalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Etude expérimentale comparative 10

2.1 Quelques rappels sur les moteurs à combustion interne . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.1 Puissance et pression moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.2 Rendement et consommation spécifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Description du banc d’essai moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Adaptation du banc aux nouveaux combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 Essais à réaliser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.5 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.5.1 Synthèse des essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.5.2 Méthane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.5.3 Hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

- I -

Table des matières

3 Etude préparatoire à la recherche de voies d’optimisation du moteur à l’aided’un modèle thermodynamique de combustion 17

3.1 Approche zéro-dimensionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Structure du code de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3 Description de l’interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4 Calage et validation du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4.1 Conditions thermodynamiques à l’allumage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.4.2 Vitesse de la combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.4.3 Pic de pression maximale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.4.4 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.4.5 Exemple d’utilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4 Etude de solutions de récupération d’énergie à l’échappement 24

4.1 Thermoélectricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.1.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.1.2 Rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.1.3 Utilisation concrète . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.2 Electrolyse en phase gazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.2 Rendements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.3 Utilisation concrète . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.3 Réflexions autour du brevet Pantone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.3.1 Principe et performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.3.2 Antécédents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.3.3 Utilisation actuelle du procédé de réformage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Conclusion : bilan et perspectives 34

Annexes a

A Organigramme du Laboratoire d’Etudes Thermiques de l’ENSMA b

B Brochure technique Honda GX-240 c

C Brevet Pantone h

- II -

Notation utilisée

Notation Unité Signification

C N.m CoupleCsp g.kW−1 Consommation spécifiqueHC HydrocarbureIFP Institut Français du PétroleMàCI Moteur à Combustion InterneN tr.min−1 Régime moteurNOx Oxydes d’azoteω rad.s−1 Vitesse de rotationPa bar Pression à l’admissionPCI kJ.kg−1 Pouvoir Calorifique inférieurPCS kJ.kg−1 Pouvoir Calorifique SupérieurPe bar Pression à l’échappementPMB Point Mort BasPME bar Pression Moyenne EffectivePMH Point Mort HautPMI bar Pression Moyenne IndiquéeRON Indice d’octane rechercheTa

◦C Température à l’admissionTe

◦C Température à l’échappementε Rapport volumétrique de compression

Introduction générale

Introduction générale

La principale source d’énergie utilisée dans le monde est fossile, basée sur la combustion dedérivés du pétrole. Bien que les estimations de sa raréfaction et donc de l’augmentation de soncoût soient épineuses, c’est aujourd’hui une vérité en progression. Un autre argument pèse pourla diminution de l’exploitation des énergies fossiles : le réchauffement climatique lié à l’émissionde gaz à effet de serre. Aujourd’hui l’enjeu est donc de fournir des alternatives viables au pétrole,respectueuses de l’environnement.

Les contraintes imposées à l’industrie en matière de gaz à effet de serre portent leurs fruits, maisun domaine particulier reste presque constant en terme d’émissions polluantes : le transport. Bienque les évolutions en matière de motorisation aient permis une forte progression des rendements,la croissance du marché fait stagner le niveau de pollution. Les industriels sont donc préoccupéspar les changements à venir, imposés par la réglementation et l’économie. L’énergie utilisée àbord d’un véhicule doit répondre à un cahier des charges très strict, en terme de performance, derendement, de coût et de sécurité. La nécessaire transition énergétique n’est donc pas aisée pourles constructeurs d’automobiles.

Il est difficile de prédire les technologies qui viendront supplanter les motorisations conven-tionelles. Cependant certains axes sont privilégiés. Comme nous le verrons, le changement decombustible, notamment vers le gaz naturel et l’hydrogène, permet tout en utilisant les techno-logies actuelles de remplacer les produits pétroliers dans l’automobile. Une simple évolution dela motorisation n’est probablement pas suffisante, la transition énergétique demandant des rende-ments importants, difficiles à obtenir uniquement par optimisation. Ainsi un nouveau point de vuedans lequel les pertes, notamment thermiques, sont vues comme une énergie exploitable pourraitapporter des solutions plus adaptées au contexte énergétique futur.

L’objectif de cette étude est de mener une réflexion sur les voies possibles en matière de com-bustible alternatifs et de récupération d’énergie. Ces travaux ont été mené en collaboration avecVincent Le Gouic (Stage Ingénieur) et Maxime Karrer (Projet de Fin d’Etude et Master), au seinde l’ENSMA. Certaines parties sont donc communes entre nos travaux.

Le projet part d’une étude bibliographique pour une présentation de l’état de l’art en matièred’alternatives énergétiques. On réalisera une campagne d’essai afin de dresser une étude com-parative entre différents combustibles. Ces résultats d’essai seront comparés à ceux d’un modèlezerodimentionnel. Celui-ci pourra alors servir de base pour des travaux futurs d’optimisation. Nousimaginerons une autre répartition de l’énergie, notamment entre circuit de refroidissement et gazd’échappement. Cette approche nous permettra alors de valider, en terme d’ordre de grandeur,différents systèmes de conversion d’énergie destinés à augmenter le rendement du moteur. Enfinnous dresserons le bilan de cette étude, en matière de perspectives d’utilisation de tels systèmes,et des nécessaires travaux d’approfondissement futurs.

- 2 -

Chapitre 1

Etude bibliographique

1.1 Bilan Well to Wheel

Un bilan well to wheel1 permet une comparaison entre diverses solutions technologiques, aussibien au niveau des combustibles que des moteurs. L’unité utilisée est le gramme d’équivalent CO2

par km. Le W2W est divisible en deux parties du cycle de l’énergie [1] :

– Le bilan Well to Tank, qui montre les émissions polluantes issues de l’extraction et de lamodification du vecteur energétique, jusqu’au stockage à bord du véhicule.

– Le bilan Tank to Wheel, qui prend en considération les émissions pendant la consommationdu combustible.

Ce bilan s’exprime suivant cette formule :

Emissions totales Consommation Emissions amont Emissions véhiculeWell to Wheel = Tank to Wheel × Well to Tank + Tank to WheelgCO2 eq/km MJ/km gCO2 eq/MJ gCO2 eq/km

Ainsi tout couple combustible/moteur peut être comparé dans sa répercussion globale pourl’environnement. On peut donc distinguer les "fausses bonnes idées" des compromis d’avenir. Ilfaut cependant faire très attention aux moyens mis en œuvre pour la production et aux conditionsd’exploitation, qui peuvent faire varier complètement la valeur. Nous verrons en fin de chapitre untableau récapitulatif [2].

1.2 Emissions polluantes

La plupart des produits de combustion sont des polluants. On distingue deux familles :

1.2.1 Résidus de combustion

Ces produits, qui sont de forme carbonée constituent en volume la plus grande part des gazd’échappement.

Dioxyde de carbone Le CO2 est avec l’eau le principal résidu de la combustion. C’est un gazqui sert de référence en terme de contribution à l’effet de serre. Il est l’image, par conservationdes espèces chimiques lors de la réaction, de la consommation. La combustion de l’huile perduepar manque d’étanchéité est également productrice de CO2. Cette émission polluante est forte-ment règlementée en Europe. La réduction de cette émission est l’un des principaux objectifs dumotoriste.

1C’est à dire du puits à la roue

- 3 -

1. Etude bibliographique 1.2. Emissions polluantes

Monoxyde de carbone Le CO est un gaz inodore, toxique et métastable à température et pres-sion ambiantes. Il a tendance à réagir avec une autre molécule de monoxyde de carbone pour formerdu dioxyde de carbone et du carbone (suies). Il se forme en mélange riche, qui peut localementapparaître dans la chambre de combustion si le mélange air / combustible n’est pas parfaitementhomogène. Le CO n’est pas un gaz a effet de serre, et peut être transformé en CO2 à l’aide d’untraitement catalytique des gaz d’échappement.

Suies Elles se forment par oxydation du CO dans les mélanges riches, à une température de 1 500à 2 000K. Elles sont constituées de sphérules de carbone solide, visibles sous forme de fumée en sortied’échappement. Une réoxydation par ajout d’oxygène ou par recirculation des gaz d’échappement(EGR) permet de diminuer fortement ces émissions. Les suies sont fortement réglementées pourles moteurs Diesel, mais posent peu de problèmes pour les moteurs à allumage commandé 4 tempsà essence, du fait du prémélange.

Hydrocarbures Les HC, donnés en parties par million représentent les hydrocarbures imbrûlés.Ils traduisent un mélange riche ou un faible rendement de combustion. Lorsque les parois sontfroides au démarrage du moteur, la liquéfaction des vapeurs de carburant favorise leur rejet. Ilssont traités par les catalyseurs pour produire de l’eau et du CO2.

1.2.2 Produits de dissociation

Les réactions à hautes températures et à fort gradient de pression engendrent la réaction degaz généralement inertes. Lors de la combustion, différents type de polluants peuvent se formerpar ce mécanisme.

Oxydes d’azote Les NOx sont une famille de polluants très nocifs qui ne sont pris en comptepar les motoristes que depuis le milieu des années 70. Il est possible de limiter leur formation enabaissant les températures et pressions de fonctionnement dans la chambre de combustion. Lesdeux principaux composés sont le NO et le NO2, deux poisons violents. Le NO est responsable parrecombinaison avec l’eau des pluies acides et le NO2 est un gaz à effet de serre très puissant. Ilspeuvent être traités par catalyse, notamment par catalyseur 3 voies et plasma froid.

Oxydes de soufre Le SO et le SO2 ont pour origine la dissociation du soufre contenu dans lecarburant. Ce sont également des poisons pour les organismes vivants, d’odeur désagréable. Lateneur en soufre des carburants est régulée en Europe pour éviter ces émissions, ce qui n’est pasle cas aux Etats Unis, où les gaz d’échappement conservent une odeur caractéristique.

1.2.3 Règlementation

Les émissions polluantes sont maintenant régulées en Europe pour les véhicules automobiles.Ces limitations d’émissions ont contribué à des solutions techniques comme l’injection pour lesmoteur essence, l’utilisation généralisée de pots catalytiques ou le développement des filtres àparticules. En terme de bilan écologique, il est aussi important de mentionner le retraitement desorganes de dépollution après utilisation. Les filtres à particules sont brûlés sans retraitement etles métaux lourds des pots catalytiques ne sont pas recyclés. En effet, sur l’objectif d’un véhiculerecyclable à 90%, moins d’un tiers est effectivement recyclé. L’impact d’un véhicule ne se résumedonc pas seulement à son respect de la norme en vigueur lors de son homologation :

- 4 -

1.3. Alternatives énergétiques 1. Etude bibliographique

Norme Date CO HC + NOx NOx PMEuro 1 1992 2,27 0,97 - 0,14Euro 2 1996 1 0,7 - 0,1Euro 3 2000 0,64 0,56 0,50 0,05Euro 4 2005 0,5 0,30 0,25 0,025Euro 5 2008 ? 0,5 0,25 0,20 0,005

Tab. 1.1 – Norme Euro pour les moteurs Diesel (en g/km)

Norme Date CO HC HC + NOx NOx PMEuro 1 1992 2,72 - 0,97 - -Euro 2 1996 2,3 - 0,50 - -Euro 3 2000 2,2 0,20 - 0,15 -Euro 4 2005 1,0 0,10 - 0,08 -Euro 5 2008 ? 1,0 0,075 - 0,05 0,005

Tab. 1.2 – Norme Euro pour les moteurs à essence (en g/km)

Cependant, cette norme n’impose que des limites d’émissions et pas de consommation. Ainsi, lessystèmes de post-combustion pour réchauffer le pot catalytique plus rapidement, sans fin propulsivesemblent aberrantes techniquement mais cependant en accord avec le respect des normes. De mêmed’autres systèmes de dépollutions, notamment par liquéfaction chez SAAB ne peuvent être mis enplace du fait de l’obligation du pot catalytique. Celui-ci met plusieurs dizaines de kilomètres pouratteindre les 400◦C nécessaires à son fonctionnement. Avec un trajet moyen de 4 kilomètres enFrance, il est évident que les moyens les plus efficaces de réduction de pollution pour les véhiculesindividuels résultent autant de solutions techniques que d’une rationalisation de l’utilisation desmoyens de transports2.

1.3 Alternatives énergétiques

L’augmentation du coût du pétrole et sa raréfaction amènent à la recherche de combustibles deremplacement pour le transport terrestre. Ces solutions devront être compatibles économiquementface aux dérivés pétroliers, adaptables sur les technologies actuelles, et aussi respectueuses quepossible de l’environnement. Nous nous intéresserons uniquement aux moteurs à allumage com-mandé, les moteurs Diesel fonctionnant aux biocarburants étant depuis longtemps opérationnels,bien que perfectibles3. Les alternatives sont nombreuses, ainsi on retiendra les plus probables :

1.3.1 GPL

Le Gaz de Pétrole Liquéfié est composé principalement de propane et de butane4. On trouveégalement des traces d’éthylène, de propylène et de butadiène. Il a un meilleur rapport H

C quel’essence, et produit donc moins d’émissions de CO et CO2. Il provient à 40% du raffinage dupétrole et à 60% du traitement du gaz naturel. Bien qu’il soit un produit pétrolier, le GPL constitueune alternative historique puisqu’il était autrefois considéré comme un résidu de l’extraction dupétrole et directement brûlé au sommet de torchères. Le progrès en terme d’émissions polluantesest que la combustion sert maintenant à la propulsion.

Il demeure une alternative intéressante en matière de diversification énergétique. En effet, sonorigine mixte (pétrole et gaz) permet d’introduire sur ce marché un carburant gazeux, disponible,

2Comme le covoiturage, les flottes de véhicules "empruntables" et autres solutions qui ne sont pas l’objet de cerapport.

3Rudolf Diesel utilisait de l’huile lin et de l’huile de chanvre en 1897. Nous ne douterons pas de la reproductibilitéde l’expérience.

4Environ 50% pour chaque. La compositon est assez variable.

- 5 -

1. Etude bibliographique 1.3. Alternatives énergétiques

facile à mettre en œuvre, bénéficiant d’ores et déjà d’infrastructures de distribution mais il n’estqu’un carburant de transition qui peut permettre de reculer l’échéance du pic pétrolier5 en atten-dant d’autres solutions.

Son utilisation dans les moteurs à allumage commandé est aisée et permet une amélioration de ladurée de vie des composants mécaniques ; notamment par l’absence de suies qui évite l’encrassementet maintient l’huile plus propre. Le meilleur indice d’octane diminue la probabilité de cliquetis.L’installation se fait à l’aide d’un kit, permettant une bi-carburation du véhicule. Un dispositifde sécurité du réservoir permet d’éviter le BLEVE6 et donc l’explosion du réservoir. Le succèstechnique de cet équipement prouve la validité de l’utilisation automobile d’un combustible gazeux.

1.3.2 GNV

Le Gaz Naturel pour Véhicule est composé de méthane à 97%. Il représente le meilleur rapportHC des hydrocarbures. La pollution au CO et CO2 est donc fortement diminuée comparativementà un fonctionnement à l’essence. Le GNV provient de l’exploitation des ressources fossiles de gaznaturel, mais peut également être produit à partir de la biomasse, notamment par la méthanisationdes déchets. Cependant cette filière n’est pas encore privilégiée.

Le réseau n’est pas encore bien développé en France (32 stations, pour bus uniquement) parrapport à d’autres pays d’Europe, comme l’Allemagne avec 743 stations et une nouvelle chaquesemaine. L’AFGNV7 estime que 300 stations seront installées en 2010. La société Gaz de Francecommence à proposer des solutions de rechargement à domicile, à partir du réseau de gaz urbain.On manque cependant de recul actuellement pour donner des prévisions fiables.

L’installation peut se faire sur des moteurs à allumage commandé sans autre modification quel’ajout d’un kit, à l’instar du GPL. Sur les bus, ce sont généralement des moteurs Diesel, pourlesquels un système d’allumage est ajouté qui sont utilisés. Ceci permet d’utiliser un plus grandrapport volumétrique afin de profiter de l’important indice d’octane du méthane (environ 130).

1.3.3 Hydrogène

Le dihydrogène est un combustible idéal au niveau des émissions de polluants, car les seulsrejets carbonés issus de la combustion proviennent de l’huile moteur. Cependant, un bon réglageest essentiel pour éviter la formation de NOx. De plus, le bilan W2W devra être particulièrementétudié ses écarts étant très importants selon les procédés de fabrication.

L’hydrogène pose des problèmes techniques qui lui sont propres, notamment vis-à-vis de samasse volumique. Ainsi, à richesse unitaire, l’hydrogène représente 30% du volume de la chambrede combustion. Cette perte de puissance peut être évitée par une injection en phase gazeuse oucryogénique. Le stockage sous forme gazeuse est pour l’instant le plus intéressant, le passage à l’étatliquide consommant 30% du PCI, non valorisable en cas d’injection liquide. Cependant d’autresforme de stockage comme les hydrures métalliques, déjà utilisés pour des applications spatiales8

permettraient les avantages de la forme liquide en terme de masse volumique sans pertes dues auchangement de phase et au bowl-off du réservoir.

1.3.4 Hythane

L’Hythane est un mélange de Gaz Naturel et de 10% d’hydrogène en volume. Il permet enprincipe de profiter des avantages du gaz naturel tout en augmentant son pouvoir calorifique à l’aide

5Ce pic est défini par l’Institut Français du Pétrole comme la date à laquelle les débits d’extraction diminueront.Cet instant est à proprement parler le "début de la fin" de l’ère pétrolière.

6Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion7Association Française pour le GNV8Comme les batteries Nickel Hydrogène de SAFT

- 6 -

1.4. Limite du raisonnement sur le rendement global 1. Etude bibliographique

de l’hydrogène. On réduit ainsi les émissions de CO2 par rapport au GNV sans les inconvénientsde stockage et d’utilisation de l’H2.

La société Hythane propose toute une chaîne de production et d’utilisation, allant du réformeurà la pompe. Des lignes de bus sont actuellement équipées en France et aux USA.

1.3.5 Tableau récapitulatif

Carburant PCI Densité Température Energie minimum Tflamme RONliquide d’auto-inflammation d’inflammabilité adiabatiqueMJ/kg kg/m3 ◦C mJ ◦C

Isooctane 44,4 692 417 0,38 1980 100Essence 43,8 730 257 0,24 1977 91-99Gasoil 42,5 850 399 0,24 2054 25GPL 46,1 500-585 450 0,24 1980 115GNV 48,0 410-500 537 0,274 1950 115-130

Hydrogène 120 70,79 585 0,018 2045 >130

Tab. 1.3 – Principales caractéristiques de quelques combustibles

1.4 Limite du raisonnement sur le rendement global

En terme d’avenir sur les systèmes propulsifs, il est courant de lire que le rendement d’unmoteur à combustion interne d’automobile peut atteindre 35%, contre 60% espéré pour une pileà combustible. Soit respectivement 65% et 40 % de pertes. Est-il donc possible de valoriser les"pertes" d’un MàCI pour rendre son rendement comparable à celui d’une pile à combustible ?Outre l’utilisation de cette énergie pour le chauffage de l’habitacle, une conversion vers une autreforme d’énergie permettrait, via une approche système, de mieux utiliser le PCI apporté à lachambre de combustion.

1.5 Réflexion sur l’utilisation de l’énergie "perdue" et la "répart-tion" de ces énergies

Le circuit de refroidissement et les gaz d’échappement peuvent constituer deux sources d’énergiecomplémentaires.

Caractéristique Circuit de refroidissement Ligne d’échappementTempérature de fonctionnement ◦C 90 520 - 850Fluide Eau glycolée Gaz brûlésFonction principale Protection des parois Evacuation des gaz brûlésFonctions annexes Chauffage de l’habitacle Réchauffage du catalyseur

Entraînement du turbocompresseurPuissance / PCI % 17-26 34-45

Tab. 1.4 – Comparatif des circuits annexes au moteur

Si l’on suppose que le circuit de refroidissement n’est pas nécessaire au chauffage de l’habitacle,on peut choisir de rediriger son énergie vers le circuit d’échappement, à plus haute température.On s’intéressera à cette répartition au chapitre suivant.

- 7 -

1. Etude bibliographique 1.6. Adiabatisation du moteur

1.6 Adiabatisation du moteur

1.6.1 Corrélation de Woschni

Afin de donner au motoriste un outil prévisionnel des transferts thermiques par convection auvoisinage des cylindres, Woschni a établi une corrélation à l’aide d’une base de données réaliséesur banc d’essai moteur.

Pour un cylindre d’alésage B, utilisé comme longeur caractéristique, w la vitesse moyenne desgaz dans le cylindre, la conductivité des gaz pour laquelle on suppose k ∝ T 0,75, et leur viscositépour laquelle µ ∝ T 0,62. En supposant que p = ρRT et Nu = 0, 035Rem , on obtient :

hc = CBm−1pmwmT 0,75−1,62m

Woschni suppose que la vitesse des gaz durant l’admission, la compression et l’échappementsont proportionnels à la vitesse du piston. Pour la combustion et la détente, il considère que comptetenu de la vitesse de flamme (environ 10m/s), la vitesse des gaz est également comparable à lavitesse moyenne du piston. Nous avons constaté avec l’hydrogène que cette hypothèse n’était plusvalable, la vitesse du front de flamme étant supérieure d’un facteur 10. Cette vitesse moyennedes gaz est décrite par Woschni comme valant, pour un moteur 4 temps, refroidi par eau et à 4soupapes par cylindre, sans swirl, comme valant

w =(

C1Sp + C2VdTr

prVr(p− pm)

)

Avec Vd la cylindrée unitaire, p la pression instantanée dans le cylindre, pr, Tr et Vr la pression,la température et le volume au moment de la fermeture de la soupape d’admission. pm représentela pression motrice exercée sur le cylindre, prise au même angle vilebrequin que p.

Les coefficients C1 et C2 varient en fonction du moteur, et peuvent également répondre à unecorrélation qui leur est propre pour des hauts régimes avec swirl. Généralement, on utilise :

Admission et refoulement : C1 = 6,18 ; C2 = 0Compression : C1 = 2,28 ; C2 = 0Combustion et détente : C1 = 2,28 ; C2 = 3,24×10−3

Cette corrélation, conçue pour des moteurs d’architecture classique utilisant de l’essence estbien adaptée, mais révèle très vite ses limites dans le cas de l’hydrogène. La combustion étantnettement plus rapide, les échanges thermiques sont bien supérieurs. On trouve dans certainstravaux qu’un facteur 4 par rapport à la corrélation de Woschni est représentatif du comportementd’un moteur à allumage commandé à l’hydrogène. De plus cette corrélation ne fonctionne que pourun cycle symétrique.

Face à ces limitations et aux défis à relever pour l’utilisation correcte de nouveaux combustibles,des travaux sont à mener en matière d’outils prévisionnels pour le motoriste. Pour des architecturesplus audacieuses et faisant intervenir des paramètres jusque-là considérés comme constante, lescodes de calculs de combustion devront être en avance de phase pour permettre un meilleur travailde conception.

1.6.2 Exemple de réalisation

On dispose aujourd’hui de matériaux compatibles avec de hautes températures. Les céramiquestechniques, que l’on trouve maintenant de façon courante dans l’industrie, ont des propriétés dedureté, de frottement et de tenue thermique excellentes. Le coût et la fragilité des pièces sont lesinconvénients principaux. Cependant un système bien conçu et créé pour une grande durée de viepeut tout à fait combler ces défauts des céramiques.

- 8 -

1.6. Adiabatisation du moteur 1. Etude bibliographique

Le constructeur japonais Isuzu [4] est à la pointe dans ce domaine. Tout d’abord conçu surmoteur à essence pour accroître les performances en compétition, c’est aujourd’hui sur les moteursDiesel que la technique de moteur adiabatique est appliquée. En isolant les conduits, culasse,injecteur et piston, les gains sont considérables. Les particularités techniques du moteur LHRE9

sont illustrées en figure 1.1. Les diagrammes de la figure 1.2 montrent les gains en rendement et enfrottement. Le circuit de refroidissement, recevant la même puissance que l’huile par les frottements,ne nécessite plus d’échangeur. Avec 11% d’enthalpie supplémentaire dans les gaz d’échappement,il reste une part utilisable en plus des accesoires de la ligne d’échappement. C’est à cet endroitqu’un dispositif de récupération d’énergie pourra être placé.

Fig. 1.1 – Coupe du haut-moteur de l’Isuzu LHRE

Fig. 1.2 – Répartition de l’énergie entre Diesel conventionnel et LHRE

9Low Heat Rejection Engine

- 9 -

Chapitre 2

Etude expérimentale comparative

2.1 Quelques rappels sur les moteurs à combustion interne

On peut caractériser un moteur [3] par :

– La puissance, qui est le produit du couple développé sur l’arbre et de la vitesse de rotation ;– Le rendement, qui exprime l’efficacité de la conversion de l’énergie chimique du carburant en

travail mécanique sur l’arbre moteur.

2.1.1 Puissance et pression moyenne

Puissance

La puissance effective Pe s’exprime suivant :

Pe = Cω =2πC

60N

Il s’agit de la puissance recueillie sur l’arbre, mesurée au frein Pe = Pi − Pf . La puissanceindiquée Pi est déterminée par mesure de pression dans le cylindre en fonction de l’angle duvilebrequin. La puissance de frottement Pf correspond à la puissance dissipée dans le moteur parfrottement entre les pièces mécaniques.

Pressions moyennes

Le Travail indiqué Wi est le travail global développé par les gaz sur le piston au cours du cyclecomplet. Il est obtenu par planimétrage du diagramme p-V. Il correspond à :

Wi =∮

p.dV

La Pression moyenne Indiquée est pression constante théorique qui, appliquée sur le piston endéplacement, fournirait le même travail indiqué Wi.

PMI =∮

p.dV

Vcyl

avec la décomposition suivante :

Wi = (PMIHP − PMIBP ).Vcyl

WiBP représente le travail de transvasement des gaz dans la machine. La relation entre Pi et PMIest donnée par :

Pi =N

120.PMI.Vcyl

- 10 -

2.1. Quelques rappels sur les moteurs à combustion interne 2. Etude expérimentale comparative

Fig. 2.1 – Décompostion des rendements

La Pression Moyenne Effective est une pression fictive, reliée au couple développé par le mo-teur, recueillie sur l’arbre de sortie. Elle permet de comparer des moteurs de caractéristiquesgéométriques différentes.

PME =0, 4.π.C

Vcyl

La relation entre Pe et PME est :

PME =1200.Pe

Vcyl.N

De même on exprime une pression moyenne de frottement :

PMf = PMI − PME

Charge d’un moteur

La charge du moteur exprime la fraction de la puissance ou du couple demandé au moteur pardes machines entraînées.

2.1.2 Rendement et consommation spécifique

Les pertes à l’échappement

Le pourcentage de pertes à l’échappement (aussi appellées pertes par enthalpie sensible) s’ex-priment comme suit :

ηechap = 100ΦCpg

rPCI(Ta − Te)

- 11 -

2. Etude expérimentale comparative 2.2. Description du banc d’essai moteur

Rendement indiqué ηi

ηi =Pi

Pcalocomb

Avec Pcalocomb la puissance libérée par la combustion.

Rendement effectif ηeff ou global ηg

Il s’agit du rapport de puissance effective recueillie sur l’arbre à la puissance calorifique apportéepar le carburant.

ηg =Pe

Pcalocarb

Consommation spécifique Csp

Csp =3, 6.106

ηi.PCI

Cette donnée ne permet pas de comparer les consommations de différents combustibles pour unmême moteur, puisque le PCI est pris en compte.

2.2 Description du banc d’essai moteur

Le banc utilisé comporte un moteur thermique à allumage commandé monocylindre HondaGX240, couplé à une génératrice électrique. Ce moteur, dont le fonctionnement est initialementprévu avec un carburateur1, a été équipé d’un injecteur et de son circuit de contrôle. Depuis lepupitre de commande, l’expérimentateur peut faire varier les paramètres suivants :

– Régime moteur ;– Charge, par ouverture du papillon des gaz ;– Avance à l’allumage ;– Durée et phasage de l’injection.

Les capteurs qui équipent le banc permettent d’obtenir les informations suivantes :

– Température admission, huile et échappement ;– Pression d’admission ;– Pression dans la chambre de combustion en fonction de l’angle vilebrequin ;– Composition des gaz d’échappement ;– La richesse du mélange ;– Régime moteur ;– Couple sur l’arbre.

Après dépouillement des résultats, on peut obtenir pour chaque point de fonctionnement lesgrandeurs caractéristiques par calcul :

– Diagramme de la pression en fonction de l’angle vilebrequin ;– Diagramme PV ;– PMI, PMIhp et PMIbp ;– PME ;– Csp.

Par la suite, nous nous intéresserons principalement à la PMI et à la composition des gazd’échappement.

1La richesse en fonctionnement au carburateur est de 1,2 pour des raisons de fiabilité et non de performance.

- 12 -

2.3. Adaptation du banc aux nouveaux combustibles 2. Etude expérimentale comparative

2.3 Adaptation du banc aux nouveaux combustibles

Le banc d’essai est équipé d’un moteur à allumage commandé, initialement prévu pour utiliserde l’essence. Afin de pouvoir procéder à une campagne d’essai utilisant d’autres combustibles, dansle cadre du projet de fin d’étude de Maxime Karrer, certaines adaptations ont été nécessaires :

– Remplacement de l’injecteur pour permettre un grand débit volumique ;– Remplacement des tuyaux et des conduites d’air ;– Ajout d’un tuyau de récupération des gaz de carter du cache-culbuteur à la ventilation ;– Installation d’un siphon entre l’admission et la chambre de tranquillisation ;– Ajout d’un ventilateur en sortie de chambre de tranquillisation pour atténuer les effets acous-

tiques ;– Vérification de la conformité des appareils électriques aux normes anti-déflagration.

Ainsi le même injecteur permet des essais à l’essence, au méthane et au dihydrogène sans autrechangement que le circuit d’alimentation. Le siphon inversé, le ventilateur et les orifices de lachambre de tranquillisation évitent des zones d’accumulation. La récupération des gaz de carterévite la propagation des gaz d’échappement dans la cabine d’essai. Ces modifications ont donnéentière satisfaction lors de la campagne d’essais.

Fig. 2.2 – Vue d’ensemble du banc d’essai moteur

- 13 -

2. Etude expérimentale comparative 2.3. Adaptation du banc aux nouveaux combustibles

Fig. 2.3 – Pupitre de commande et baie d’analyse de gaz

Fig. 2.4 – Tuyau de récupération des gaz de carter du cache culbuteur

Fig. 2.5 – Injecteur Bosch 0280 150 842

- 14 -

2.4. Essais à réaliser 2. Etude expérimentale comparative

2.4 Essais à réaliser

Les conditions suivantes ont été retenues pour mettre en évidence le comportement des diffé-rents combustibles :

– Régime de rotation constant ;– Température d’huile constante ;– Essais de référence sans combustion, à pleine charge et à mi-charge2 ;– Richesse 1 et pleine charge pour l’essence ;– Richesse 1, pleine charge et mi-charge pour CH4 et H2 ;– Mélange pauvre à pleine charge pour CH4 et H2.

Ces essais comparatifs sur le banc sont destinés à servir de référence pour les études futures.Le tableau suivant récapitule les conditions pour chaque manipulation :

Nom de l’essai Régime Charge Richesse Combustiblepcv 1512 100% - Sansmcv 50%pcsess

1512 100% 1Essence

pcsmeth CH4

pcsh2 H2

mcsmeth 1512 50% 1 CH4

mcsh2 H2

pcpmeth 1512 100% 0,8 CH4

pcph2 0,6 H2

Pour chaque essai, le réglage optimal d’avance à l’allumage et d’injection ont été recherchés.La richesse du mélange a été réglée à partir de l’analyse des gaz d’échappement.

2.5 Résultats

Les résultats de cette campagne ont été très riches en enseignement sur la facilité de mise enœuvre du méthane et de l’hydrogène. Il a été possible de parvenir à un réglage optimal pour chaqueconfiguration. Pour ces essais la température d’huile était d’environ 95◦C, et celle de l’air à 28◦C.Le tableau suivant résume les mesures effectuées :

Essai α qair PMI PMIh PMIb Te O2 CO CO2 HC NOx◦ kg/h bar bar bar ◦C %vol %vol %vol ppm ppm

pcsess 20 10 6,3 5,9 0,4 553 0,19 3,13 12,8 227 1551pcsmeth 22,4 9,5 5,3 4,9 0,4 555 0,32 0,43 10,8 -2 1560pcsh2 -4,5 7,5 4,5 4,0 0,5 506 0,14 0,02 0,2 -1 4191mcsmeth 23,3 6,0 3,0 3,1 -0,1 517 0,53 0,53 10,6 -2 668mcsh2 -5,5 5,3 2,9 2,9 0,0 506 0,13 0,02 0,2 -1 2227pcpmeth 23,6 10 4,4 4,0 0,4 518 4,5 0,03 8,9 -1 252pcph2 29 9,0 3,2 2,8 0,4 359 11 0,00 0,0 5 1

La répartition de l’énergie apportée au moteur entre les différents circuits est donnée en fi-gure 2.6. Ces valeurs correspondent aux essais à pleine charge et richesse unitaire, pour les troiscombustibles.

2La mi-charge a été réglée pour une pression d’admission deux fois plus faible qu’à pleine charge

- 15 -

2. Etude expérimentale comparative 2.5. Résultats

Fig. 2.6 – Bilan d’énergie pour les trois combustibles, à pleine charge, richesse 1

2.5.1 Synthèse des essais

Les suppositions émises sur la PMI ont été vérifiées lors des essais, à savoir :

PMIλ=1,essence > PMIλ=1,CH4 > PMIλ>1,CH4 ' PMIλ=1,H2 > PMIλ>1,H2

Un autre critère a également été observé. Le moteur présente moins d’irrégularité cyclique decombustion au méthane qu’à l’essence (les courbes de pressions fluctuent moins). Avec de l’hydro-gène, le phénomène est encore plus visible. La combustion présente un bon caractère de stabilité,et le moteur émet un son très régulier, faisant penser un moteur Diesel d’ancienne génération.

On notera pour chaque combustible les remarques suivantes :

2.5.2 Méthane

– La PMI est plus faible qu’à l’essence ;– Les émissions en CO, HC et CO2 sont plus faibles en pourcentage du fait du rapport H

Cfavorable ;

– Le mélange pauvre est possible en adaptant l’avance à l’allumage ;– Les NOx sont du même ordre de grandeur qu’à l’essence.– L’adaptation au moteur est aisée.

2.5.3 Hydrogène

– La PMI est plus faible qu’au méthane ;– Les émissions en CO, HC et CO2 sont nulles, sauf combustion d’huile ;– Le mélange pauvre permet d’éliminer les NOx ;– Adaptation délicate au moteur en raison des caractéristiques particulières de l’H2, notamment

la vitesse de flamme.

Nous pouvons donc conclure que l’utilisation des combustibles alternatifs CH4 et H2 offre degrandes possibilités et de bonnes perspectives si l’on ne souhaite pas s’orienter vers une rupturetechnologique en matière de motorisation.

- 16 -

Chapitre 3

Etude préparatoire à la recherche devoies d’optimisation du moteur à l’aided’un modèle thermodynamique decombustion

Afin d’éviter d’avoir à effectuer un essai pour chaque point à valider, et de bénéficier d’un outilpermettant des études paramétriques, on s’oriente vers l’utilisation d’un code de calcul thermody-namique développé en partenariat avec le Laboratoire de Combustion et Détonique.

3.1 Approche zéro-dimensionnelle

L’approche zéro-dimensionnelle consiste en une modélisation simplifiée des différents phéno-mènes intervenant au cours du cycle d’un moteur à combustion interne. Cette modélisation ne faitintervenir aucune grandeur liée à l’espace sinon indirectement pour le calcul de certains paramètres.

On considère uniquement l’évolution des variables thermodynamiques dans le temps. Le choixd’une zone dans l’espace impose comme hypothèse d’avoir l’ensemble des grandeurs thermodyna-miques uniformes. L’augmentation du nombre de zones considérées permet d’affiner les résultats.

Les zones sont constituées uniquement de gaz frais ou brûlés, la progression de la combustions’opère donc par un front de flamme, siège des réactions chimiques. Celui-ci est considéré infinimentmince devant les zones issues du découpage de l’espace contenu dans la chambre. Le front de flammecorrespond alors à une discontinuité entre les gaz frais et les gaz brûlés.

L’approche zéro-dimensionnelle ne permet pas d’atteindre les résultats obtenus par des modèlesdimensionnels type CFD ou par l’expérimentation, mais présente un intérêt majeur pour les étudesparamétriques.

La simplification relative de la modélisation zéro-dimensionnelle engendre des temps de cal-cul faibles au regard des besoins de modèles dimensionnels, même sur des postes bureautiques.Cette caractéristique autorise des exécutions répétées permettant d’exploiter un grand nombre derésultats en faisant varier les paramètres d’entrée.

Cette modélisation repose sur plusieurs équations d’état permettant de prédire l’évolution desparamètres thermodynamiques. Le nombre de phénomènes à prendre en compte dépend des besoinsde l’utilisateur et il est possible de modéliser pratiquement tous les phénomènes entrant en jeu dansun moteur à combustion interne.

La plupart des équations introduites dans un modèle zéro-dimensionnel nécessitent de connaîtrela valeur de certaines constantes issues de la modélisation dimensionnelle ou de l’expérimentationappliquées au cas considéré.

- 17 -

3. Etude préparatoire à la recherche de voies d’optimisation du moteur à l’aide d’un modèlethermodynamique de combustion 3.2. Structure du code de calcul

La figure 3.1 montre un exemple des phénomènes pris en compte dans la structure d’un modèlezéro-dimensionnel.

Fig. 3.1 – Exemple de structure d’un modèle zéro-dimensionnel

3.2 Structure du code de calcul

Le code de calcul fourni repose sur un modèle de combustion par tranches. Ce modèle estappliqué aux moteurs à allumage commandé à piston. Le volume délimité par le piston et lecylindre est divisé en un nombre de tranches prédéterminé. Ces tranches peuvent être planes,cylindriques ou sphériques. La figure 3.2 montre les différents découpages.

Fig. 3.2 – Découpage en tranches planes, cylindriques ou sphériques

Le modèle repose sur plusieurs hypothèses qu’il convient de préciser. Il est considéré qu’il n’ya aucun transfert de masse entre les différentes tranches. La pression évolue en fonction du tempsmais est considérée uniforme dans toutes les tranches. Les gaz sont supposés parfaits.

La combustion par tranches s’effectue en deux étapes. La tranche i concernée par la propagationdu front de flamme brûle à pression constante. A cause de l’élévation de tempéraure causée par lacombustion, le volume de la tranche augmente.

La deuxième étape consiste en une recompression isentropique de l’ensemble du volume de lachambre pour revenir au volume délimité par les parois. La figure 3.3 donne un schéma du principede combustion par tranches.

- 18 -

3.2. Structure du code de calcul3. Etude préparatoire à la recherche de voies d’optimisation du moteur à l’aide d’un modèle

thermodynamique de combustion

Fig. 3.3 – Schéma du principe de combustion par tranches

Le calcul de la vitesse laminaire de flamme repose sur les tables ChemKin. Un coefficientmultiplicateur de la vitesse laminaire de flamme calculée permet de prendre en compte l’effet de laturbulence sur la propagation de la flamme. La figure 3.4 montre l’effet du plissement de la flammesur la vitesse de propagation.

Fig. 3.4 – Augmentation de la vitesse de propagation par plissement de la flamme

Les échanges de chaleur entre les gaz et les parois sont uniquement modélisés par la corrélationde Woschni. Un coefficient multiplicateur de cette corrélation permet d’ajuster les échanges pourse rapprocher de résultats expérimentaux.

La concentration des espèces est basée sur le principe d’équilibre thermodynamique permettantd’obtenir la production de polluants en sortie du moteur.

Les phases de transvasement ne sont pas modélisées. On ne visualise donc pas la boucle bassede pression et le travail qui lui est associé.

Le code de calcul est programmé en Fortran 90 et il s’appuie sur des modules existants.Certains aspects sont encore en cours de développement, comme les transfert radiatifs et conductifs,un modèle de turbulence k − ε ou une loi de variation du volume de la chambre en fonction de

0Chemical Kinetic, du Sandia National Laboratories

- 19 -

3. Etude préparatoire à la recherche de voies d’optimisation du moteur à l’aide d’un modèlethermodynamique de combustion 3.3. Description de l’interface

l’angle vilebrequin. Ces travaux sont largement détaillés dans le rapport de Projet de Fin d’Etudede Maxime Karrer.

Celui-ci permet néanmoins de réaliser des études paramétriques mettant en valeur différentsaspects de la combustion dans des moteurs à piston.

3.3 Description de l’interface

Afin de faciliter le choix des paramètres, l’exécution du code, le type de résultat à générer etl’affichage des courbes, nous avons réalisé une interface web.

La gestion de l’interface a été programmée en PHP, qui est un langage interprété sur serveurpermettant de renvoyer de façon dynamique du code HTML au navigateur du client. La générationdes courbes est laissée à GNUPlot, grapheur sous licence libre reconnu dans le milieu scientifique.

La figure 3.5 montre un aperçu de la saisie des paramètres avec l’interface.

Fig. 3.5 – Aperçu de la saisie des paramètres avec l’interface

L’intérêt de l’interface est de créer un dossier portant le nom de la simulation contenant le fichierd’entrée du code de calcul, les fichiers de sortie et toutes les courbes créées par la génération derésultats. L’utilisateur peut ainsi revenir sur des exécutions passées sans avoir à archiver lui-mêmedes résultats générés.

Les languages utilisés permettent également une exécution sur tous les types de systèmes d’ex-ploitation dès lors que le code de calcul est recompilé et rendu exécutable sur la plateforme concer-née. PHP permet également une vérification syntaxique des paramètres entrés par l’utilisateur cequi assure une parfaite exécution du code.

3.4 Calage et validation du modèle

Une fois les essais effectués et le code pris en main, il convient de chercher à valider le modèlepar l’expérience. Plusieurs étapes sont nécessaires.

- 20 -

3.4. Calage et validation du modèle3. Etude préparatoire à la recherche de voies d’optimisation du moteur à l’aide d’un modèle

thermodynamique de combustion

3.4.1 Conditions thermodynamiques à l’allumage

Le calcul commence par une compression polytropique avant d’entamer la combustion de lapremière tranche à la valeur d’avance à l’allumage renseignée par l’utilisateur. Pour obtenir unesimulation correcte, les paramètres thermodynamiques doivent être identiques entre essai et modèleau moment de l’allumage. Sachant que la température de paroi est fixée, ainsi que Ta, on joue surPa, la pression d’admission, pour obtenir une pression maximale au PMH.

Pour cela on utilise les essais sans combustion, à pleine et mi-charge. La figure 3.6 montre lemodèle en rouge (avec une allumage à α = 0◦) et l’essai en vert, dans une recherche de Pa.

Fig. 3.6 – P = f(α) sans combustion, 50 % de charge

A cette étape du recalage, le coefficient multiplicateur de Woschni intervient peu. L’adaptationà la pression max est donc suffisante pour le respect des conditions d’allumage.

3.4.2 Vitesse de la combustion

Comme nous l’avons vu précédemment, le paramètre pris en compte par le code de calcul estune vitesse laminaire de flamme. Nous savons cependant que la combustion est turbulente dans lachambre. Le "coefficient de combustion turbulente" kturb utilisé dans cette version du programmepermet d’agir sur la durée de combustion. Pour chaque combustible, il est donc possible de trouverune constante décrivant la durée de la combustion.

3.4.3 Pic de pression maximale

Lors de la combustion, les échanges thermiques ont une grande importance et conditionnentl’allure du pic de pression. De la même manière que pour le "coefficient de combustion turbulente",le coefficient multiplicatif de la corrélation de Woschni va permettre de finir le calage entre l’essaiet le modèle, pour une première approximation. Le type de tranche a également son importance.Les tranches planes donnant des résultats peu réalistes, le choix s’effectue donc entre tranchescylindriques et sphériques.

- 21 -

3. Etude préparatoire à la recherche de voies d’optimisation du moteur à l’aide d’un modèlethermodynamique de combustion 3.4. Calage et validation du modèle

3.4.4 Validation

Les paramètres étant interdépendants, et les résultats variant d’un essai à l’autre même avecun combustible identique, un compromis est nécessaire sur les valeurs des coefficients. Une fois cechoix effectué, la superposition des courbes a été jugée satisfaisante, à la manière de la figure3.7. L’interface, et notamment le tracé automatique des courbes, a permis un gain de tempsconsidérable, plus d’une centaine de runs ayant été nécessaires pour trouver un compromis. Lemodèle a été validé avec les valeurs suivantes :

Coefficient C8H18 CH4 H2

Pa 100% 0,79E+5 PaPa 50% 0,48E+5 Pa

Ta 302 KTparoi 500 K

tranches cylindrique sphériquekturb 2,9 1,5 1,3

hWoschni 3 3 4,5

Tab. 3.1 – Coefficients utilisés pour la validation du modèle

3.4.5 Exemple d’utilisation

La figure 3.7 montre un diagramme de pression en fonction de l’angle vilebrequin. Grace aumodèle, on peut simuler le comportement d’un moteur adiabatique. En annulant les échanges dechaleurs, on obtient le diagramme 3.8. Après calcul, on trouve les valeurs suivantes :

Origine PMI haute Température des gaz d’échappementbar ◦C

Essais sur banc 2,85 359Simulation avec échanges 3,35 699Simulation adiabatique 5,59 1062

- 22 -

3.4. Calage et validation du modèle3. Etude préparatoire à la recherche de voies d’optimisation du moteur à l’aide d’un modèle

thermodynamique de combustion

Fig. 3.7 – P = f(α) pour un essai d’H2 à richesse 0,6 à pleine charge, modèle avec échange dechaleur

Fig. 3.8 – P = f(α) pour un essai d’H2 à richesse 0,6 à pleine charge, modèle adiabatique

- 23 -

Chapitre 4

Etude de solutions de récupérationd’énergie à l’échappement

Nous allons aborder dans ce chapitre trois systèmes de conversion d’énergie récupérée à l’échap-pement :

– Thermoélectricité ;– Electrolyse en phase gazeuse ;– Dispositif "Pantone".

L’objectif est de documenter chacun de ces systèmes et de donner en terme d’ordre de grandeurson rendement énergétique.

4.1 Thermoélectricité

4.1.1 Principe

L’obtention d’énergie électrique à partir d’une source de chaleur peut se faire par effet Seebeck.Cet effet thermoélectrique est celui des thermocouples utilisés en tant que capteurs de température.Le Coefficient Seebeck décrit que la différence de température dT à la jonction de deux matériauxa et b implique une différence de potentiel électrique dV selon :

Sab =dV

dT

Le coefficient Seebeck, également appelé "Pouvoir Thermoélectrique" s’exprime en V.K−1 (ou plusgénéralement en µV.K−1 pour les matériaux usuels).

Les coefficients Seebeck des deux matériaux sont reliés au coefficient Seebeck du couple selon :

Sab = Sa − Sb

Pour la génération d’électricité par effet thermoélectrique, un module est constitué de couplesconnectés électriquement. Chacun des couples est constitué d’un matériau semi-conducteur detype p (S>0) et d’un matériau semi-conducteur de type n (S<0). Ces deux matériaux sont jointspar un matériau conducteur dont le pouvoir thermoélectrique est supposé nul (voir figure 4.1). Lesdeux branches (p et n) du couple et tous les autres couples composant le module sont connectésen série électriquement et en parallèle thermiquement. Cette disposition permet d’optimiser leflux thermique qui traverse le module et sa résistance électrique. Le flux de chaleur entraîne undéplacement des porteurs de charge, et par conséquent l’apparition d’un courant électrique.

- 24 -

4.1. Thermoélectricité 4. Etude de solutions de récupération d’énergie à l’échappement

Fig. 4.1 – Schéma de principe d’un générateur à effet Seebeck

4.1.2 Rendement

Par souci de simplicité, nous raisonnerons par la suite sur un seul couple, formé de deuxmatériaux de sections constantes. Le rendement théorique défini par la relation suivante :

η =Pu

Qc=

I[(Sp − Sn)4T + IR](Sp − Sn)ITc + K4T− 1

2(R + r)I2

Avec Pu la puissance électrique récupérée, Qc la chaleur extraite de la source chaude, R la résis-tance électrique du thermocouple, I l’intensité électrique engendrée, K la résistance thermique dutermocouple et 4T la différence de température entre les sources.

Un bon matériau thermoélectrique possède donc simultanément un coefficient Seebeck élevé,une bonne conductivité électrique, et une faible conductivité thermique. Ces caractéristiques sontdifficiles à réunir car généralement antinomiques, notamment pour les conductivités. On peutalors définir un facteur de mérite, noté Z qui prend uniquement en compte les caractéristiques dumatériau :

ZT =S2

ρλ

Avec T la température moyenne entre les sources, ρ la résistivité électrique et λ la conductivitéthermique du matériau. La figure 4.2 montre l’évolution du rendement en fonction du facteur demérite et de la différence de température entre les sources.

Les matériaux thermoélectriques varient en fonction du domaine d’utilisation. On distinguecouramment 4 catégories :

Basses températures Le matériau thermoélectrique le plus couramment utilisé aux bassestempératures (150K-200K), est formé sur la base de Bi1−xSbx (alliage de bismuth et d’antimoine).Ses propriétés sont relativement moyennes (ZT'0,6), l’application d’un champ magnétique permetde doubler le facteur de mérite qui dépasse alors l’unité. Ce matériau est donc généralement utiliséen association avec un aimant permanent.

Température ambiante Le matériau le plus étudié à l’heure actuelle est Bi2Te3 (alliage debismuth et de tellure). Des valeurs du facteur de mérite ZT proches de 1 sont obtenues grâce àune très faible conductivité thermique.

Températures intermédiaires Pour une utilisation à des températures de 550K-750K environ,le matériau le plus utilisé est le tellure de plomb PbTe et ses alliages (PbSn)Te. Les deux composésPbTe et SnTe peuvent former une solution solide complète ce qui permet d’optimiser le gap (bande

- 25 -

4. Etude de solutions de récupération d’énergie à l’échappement 4.1. Thermoélectricité

Fig. 4.2 – Evolution du rendement de conversion en fonction du facteur de mérite

interdite du semi-conducteur) à la valeur désirée. Les meilleurs matériaux obtenus ont des facteursde mérite proche de l’unité autour de 700K. Le tellure et le plomb sont des matériaux toxiques.Des études sont donc menées actuellement dans le but du remplacement de ces alliages.

Hautes températures Les alliages à base de silicium et germanium possèdent de bonnes ca-ractéristiques thermoélectriques aux hautes températures (au-dessus de 1000K) et sont notammentutilisés pour la génération d’électricité dans le domaine spatial.

4.1.3 Utilisation concrète

Comme nous l’avons vu précédemment, l’adiabatisation du moteur aurait comme avantage deconcentrer la majorité de l’énergie non utilisée dans le circuit d’échappement. Les ∆T sont alorsbien plus importants qu’avec un circuit de refroidissement.

En supposant un facteur de mérite de 1, qui correspond aux performances habituelles dansle domaine de température qui nous intéresse, le diagramme 4.2 nous donne pour un moteur de50kW :

Source Rendement théorique Puissance équivalenteCircuit de refroidissement 2% 300 WGaz d’échappement 12% 2 kW

Tab. 4.1 – Utilisation de l’effet Seebeck

On réalise facilement qu’un dispositif de récupération d’énergie basé sur l’effet thermoélectriquen’aurait pas d’intérêt sur le circuit de refroidissement. En terme d’ordre de grandeur, un tel systèmepermettrait donc, placé sur l’échappement, le remplacement de l’alternateur pour les véhiculesactuels. Ce gain de rendement global est non négligeable, sachant que les modules Seebeck sontd’une grande durée de vie, car dépourvus de toute pièce ou fluide mobile.

Un système Seebeck de TEG1 a été essayé en 2002 sur camions par la société Hi-Z Technology[5] en Californie. Avec 72 modules Seebeck d’un rendement de 4,5%, la récupération d’énergie

1ThermoElectric Generator

- 26 -

4.2. Electrolyse en phase gazeuse4. Etude de solutions de récupération d’énergie à l’échappement

s’élève à 1kW sur un moteur Diesel Cummins de 260kW. Soit un équipement d’une valeur de 6000$environ2, et un gain de masse négligeable devant celle du silencieux d’échappement.

Fig. 4.3 – Système TEG de Hi-Z Technolgy sur banc d’essai

Bien que le principe soit séduisant, les rendements des systèmes thermoélectriques sont encoreinsuffisants pour que leur emploi se révèle judicieux. Cantonné à des niches commerciales où lafiabilité et la durabilité sont plus importantes que le coût, ils ne sont pas produits en assez grandesérie pour une compatibilité de prix avec le domaine automobile. Mais les recherches sur de nou-veaux diélectriques basés sur les couches minces issues de la microélectronique ou les nanotubesde carbones laissent envisager des facteurs de mérite de 2,4 qui permettraient des applications in-dustrielles notamment en matière de réfrigération et de récupération d’énergie sur des applicationsfixes3. Un débouché dans le secteur des transports n’est donc pas improbable à moyen terme.

4.2 Electrolyse en phase gazeuse

4.2.1 Principe de fonctionnement

L’électrolyse en phase liquide est caractérisée par des rendements compris entre 25 et 40% [6].L’eau étant présente sous forme de vapeur à l’échappement, sa liquéfaction lui emprunterait sonenthalpie de changement de phase, laquelle devrait lui être restitué pour l’obtention du mélangestœchiométrique O2 et H2 gazeux. On peut également envisager un stockage d’eau sous formeliquide à bord du véhicule.

Une autre voie, consistant à rester en phase gazeuse, permet une électrolyse plus adaptée. Aune température de 2200 K, le courant électrique n’est plus nécessaire en raison d’une réaction dethermolyse qui décompose l’eau en hydrogène et oxygène. Cependant, de telles températures nesont pas pratiques industriellement. Les systèmes HTE4, qui fonctionnent généralement entre 400et 1150 K, permettent de fournir l’énergie indispensable à la dissociation. Une électrode poreuseassure la perméabilité aux gaz, associée à un électrolyte ne laissant passer que les ions. Ceci permetdonc de récupérer O2 et H2 de façon séparée.

4.2.2 Rendements

En considérant la quantité d’énergie thermique nécessaire pour produire 1 kg d’hydrogène(145 MJ de PCS), à la fois dans le procédé HTE en tant que tel ainsi que dans la production del’électricité nécessaire. A 100◦C (373 K), 350 MJ sont nécessaires (soit un rendement de 41 %). A850 ◦C (1223 K), 225 MJ sont nécessaires (64 % de rendement).

2Compte-tenu du prix de vente des modules, pas du prix constructeur. Il pourrait être divisé par 4 avec uneautomatisation des procédés de fabrication.

3Notamment les cheminées d’usine, le refroidissement rentable de déchets nucléaires. . .4High Temperature Electrolysis

- 27 -

4. Etude de solutions de récupération d’énergie à l’échappement4.2. Electrolyse en phase gazeuse

Fig. 4.4 – Schéma de principe de la HTE

Pour des températures identique des gaz d’échappement, le rendement est donc 10 fois supérieurà celui qu’il est possible d’obtenir par effet Seebeck.

4.2.3 Utilisation concrète

Ce système de récupération d’énergie est à l’étude pour augmenter le rendement des centralesnucélaires, en utilisant la chaleur actuellement dissipée dans les tours de convection pour produirede l’hydrogène. Une campagne d’essai pratiquée en février 2005 par Ceramatec et l’Idaho NationalLaboratory [7] a donné entière satisfaction après 1000 heures de fonctionnement. Le rendement étaitde 50%, avec des débits d’hydrogènes compatibles avec une station de remplissage de bouteilles.Un démonstrateur de 5MW est actuellement à l’étude, pour une production 30 fois plus importanteque dans le précédent test.

En embarqué, l’idée est d’utiliser l’eau disponible à bord du véhicule : celle contenue sous formede vapeur dans les gaz d’échappement. Pour un véhicule5 utilisant de l’essence, on peut immaginerune électrolyse gazeuse ayant pour but de réintroduire l’hydrogène dans le circuit d’admission. Enprenant arbitrairement un rendement de 50% pour la HTE, on peut comparer l’énergie récupérableavec l’H2 produit :

Cycle Conso Vitesse Puissance Débit d’eau Puissance Changement demoyenne absorbée à l’échappement récupérable phase de l’eau

L/100km km/h kW g/s kW kWville 9,8 18,7 14,7 0,35 21,2 0,94route 6,4 90 46,2 1,3 78,7 2,94

autoroute 8,1 130 84,8 2,3 139,2 5,39

Tab. 4.2 – Energie récupérable à partir de l’eau produite

5Afin d’utiliser une référence, le véhicule choisi est une Renault Mégane 1.6L, consommation norme CEE Euromix

- 28 -

4.3. Réflexions autour du brevet Pantone4. Etude de solutions de récupération d’énergie à l’échappement

Cependant la puissance en terme de PCI ne prend pas en compte l’énergie électrique dépensée.Nous n’avons bien évidemment pas affaire à un mouvement perpétuel ! L’utilisation de cette formede récupération d’énergie est donc liée à un apport d’énergie, éventuellement lié une stratégie devéhicule hybride. L’intérêt principal est alors l’utilisation d’un combustible plus propre, et uneaugmentation de l’autonomie du véhicule.

4.3 Réflexions autour du brevet Pantone

4.3.1 Principe et performances

Le brevet US5794601 déposé par l’américain Paul Pantone décrit un dispositif destiné auxmoteurs à combustion interne ayant pour principe un refroidissement/filtrage des gaz d’échap-pement à travers un réservoir de carburant appelé bulleur. Les vapeurs issues de cette enceintepassent ensuite à travers le centre d’un réacteur composé d’un échangeur contre-courant avec lesgaz d’échappement dans le tube extérieur au centre duquel se trouve une tige en acier, selon ladescription de la figure 4.5.

Fig. 4.5 – Schéma de principe figurant sur le brevet Pantone

Selon son auteur, le réacteur permet par dissociation de cracker les molécules d’eau et d’hy-drocarbure, permettant ainsi des diminutions de consommation et de pollution. La réaction sensées’effectuer n’est pas comprise par l’auteur, qui évoque entre autre l’apparition d’un plasma. Aprèsdémontage, on constate que la tige du réacteur chauffe à une température de 400◦C environ, cequi est insuffisant pour une dissociation efficace.

Annonçant pouvoir utiliser un mélange de 80% d’eau et de 20% d’essence, en diminuant lapollution en CO2 de 90%, les performances du montage sont difficilement vérifiables. En effet, ilsemble que le bullage ne fasse que polluer le carburant, diminuant considérablement son PCI6.Seule l’essence est alors vaporisée et effectivement utilisée dans le moteur. D’autres mélanges àbase d’hydrocarbures lourd, d’huile, de pétrole brut, d’acide de batterie conviennent égalementselon Paul Pantone. Comme beaucoup de lecteurs, on peut s’interroger et essayer de donner unraisonnement critique par rapport à cette invention.

6Voir PFE de Christophe Martz, où il annonce une division par 3 du PCI après utilisation

- 29 -

4. Etude de solutions de récupération d’énergie à l’échappement4.3. Réflexions autour du brevet Pantone

4.3.2 Antécédents

En effectuant des recherches d’antériorité de brevet, qui comprend des réclamations déjà dépo-séees dans d’autres brevets, on arrive à établir un arbre d’antériorité, donné en figure 4.6. Celui-cis’arrête au premier niveau, les brevets plus en amont datant pour la plupart de la révolutionindustrielle. Parcourons brièvement ces systèmes :

Fig. 4.6 – Les antécédents directs du Brevet Pantone

Chatwin US4267976A1 Le brevet décrit l’utilisation d’un électrolyseur équipé d’une plaquerésonnante à ultrason. Le but est d’effecter la vaporisation de l’ammoniac entre le réservoir et leconduit d’admission d’un MàCI. Les inconvénients de ce système sont la pollution en NOx, peuprise en compte à l’époque et la tension de 100 000V nécessaire à l’électrolyseur.

Yoon US4418653 Cette invention consiste en l’utilisation de catalyseurs à base de cuivre, zinc,aluminium et thorium pour transformer du méthanol en H2 et en CO2.

Joy US4429534 Ce brevet est également un réformeur de méthanol. En sortie du catalyseur, lesgaz d’admission sont composés de 61% de H2 et de 31% de CO, lesquels servent de combustibles.Le générateur de vapeur et le réacteur catalytique utilisent la chaleur des gaz d’échappement dansdes échangeurs. Un turbine permet également d’améliorer le rendement de 9%. Ce système estconçu pour des moteurs à allumage commandé de 800kW.

Hansen US4524746 Le principe de récupération est appliqué au réchauffage d’une chambrede vaporisation par les gaz d’échappement. Un transducteur à ultrason de type piézoélectriqueentretient le changement de phase. Un circuit fermé de vapeur de carburant est formé, aspiré parle venturi du carburateur. Le dépositaire précise la dangerosité du circuit, et la nécessité d’absenced’air dans celui-ci.

Houseman US4567857 Ce brevet déposé par la NASA est le plus intéressant. C’est un ré-formeur de méthanol, utilisant la chaleur des gaz d’échappement pour réaliser une catalyse dumême type que celle du brevet Joy. Le gain de PCI est estimé à 22%, par conversion de chaleur

- 30 -

4.3. Réflexions autour du brevet Pantone4. Etude de solutions de récupération d’énergie à l’échappement

en énergie sous forme chimique. Le système s’adapte sur moteur à allumage commandé, moteurDiesel et turbine à gaz.

La catalyse s’effectue sur du platine ou un alliage cuivre/zinc. Le taux de conversion est de 80%à 650◦C. La forte présence d’hydrogène dans le combustible permet l’utilisation de mélanges trèspauvres, et bénéficie d’un indice d’octane plus important que l’essence. La perte de puissance dueau volume pris par le mélange H2 et CO est compensée par l’augmentation du PCI. Aux essais, lesystème produit peu de NOx.

Fig. 4.7 – Réacteur et schéma de principe du système Houseman

Parson US4735186 L’invention porte sur un système de réactions endothermiques de crackingentre le combustible et les gaz d’échappement, de façon à améliorer le PCI du mélange à l’admission.

Brown US5074273 Il s’agit d’une chambre de vaporisation réchauffée par les gaz d’échappe-ment, dans laquelle se déroulent des réactions de cracking à travers une mousse de platine. Les gazsont ensuite aspirés dans le carburateur.

Sung US5357908 Cette vaste usine à gaz n’est là que pour faciliter le réchauffement du potcatalytique durant le transitoire thermique. Cette étape est cependant cruciale pour les dispositifsde récupération d’énergie sur la chaleur des gaz d’échappement.

Spangjer US5408973 Un échangeur comprenant un injecteur d’essence et un conduit sinueuxest chauffé dans le conduit d’échappement. Les gaz vaporisés sont admis dans le venturi d’uncarburateur classique. L’intérieur du conduit est enduit de platine pour réaliser un cracking deshydrocarbures. Le dépositaire décrit des problèmes de mise en chauffe au démarrage.

Cooke US5379728 Cette invention correspond au brevet Pantone, mais dans une version concen-trique, les gaz d’échappement effectuant un tour à l’extérieur du bulleur. Le réacteur ne comportepas de tige, mais est décrit comme un réformeur capable de transformer tout type de composépétrolier, huiles lourdes, gasoil, essence en un mélange gazeux riche en hydrogène. Trois ans avantle dépôt de Paul Pantone, l’essentiel est là.

Arroyo US5059217 C’est un simple conduit isolant électriquement comprenant un catalyseurmunis d’ailettes. L’alliage de cuivre, nickel, zinc, étain, magnésium et silicium en surface duquel seferait la réaction chimique permettrait une diminution des émissions polluantes. Ce système n’estpas à proprement parler un dispositif de récupération d’énergie.

- 31 -

4. Etude de solutions de récupération d’énergie à l’échappement4.3. Réflexions autour du brevet Pantone

Aslin US5443052 Un ensemble d’échangeurs de chaleur entre admission et échappement permetune vaporisation et une augmentation de pression des gaz d’admission.

4.3.3 Utilisation actuelle du procédé de réformage

L’inventeur ne trouvant ni financement ni débouché a décidé en 2001 de mettre sur son siteinternet des plans à disposition, pour équiper des moteurs de moins de 20ch. Le système étant peuonéreux à fabriquer car principalement composé d’éléments de plomberie, de nombreux bricoleurstestent avec enthousiasme le système sur leur tondeuse ou autre groupe électrogène. Il est nécessairede préciser qu’il ne s’agit pas là de véritables essais, la plupart du temps menés sans la moindrerigueur scientifique. Les performances sont difficilement vérifiables, et il est constaté que le montagedonné par l’inventeur peut fonctionner comme un antique carburateur à léchage, fonctionnant paraspiration de vapeurs d’essence.

On retiendra aussi le principe du réacteur et de son échangeur de chaleur pour effectuer undopage à eau. Cet autre montage est testé avec succès sur des moteurs Diesel, principalementagricoles. Le principe est de chauffer uniquement de l’eau, sans contact fluidique avec l’échappementpour ensuite faire passer la vapeur dans le réacteur. Celle-ci est aspirée en même temps que l’airdurant la phase d’admission. Il est intéressant de noter que ce montage n’effectue pas de bouclagecomme le précédent. On peut ainsi facilement identifier l’eau consommée par le système. Des plansde cette version, notamment le SPAD de l’association APTE, permettent une adaptation facile surla plupart des moteurs Diesel. Actuellement on estime à un millier le nombre de réalisations, quimériteraient une étude approfondie.

Fig. 4.8 – Schéma de principe du Pantone en dopage à eau

- 32 -

Conclusion : bilan et perspectives

Conclusion générale

Cette étude a permis de faire avancer le réflexion sur les orientations à venir de la motorisationautomobile. Le principal enseignement est celui de la validation du fonctionnement propre, voiresans pollution dans un moteur à allumage commandé utilisant l’hydrogène comme combustible.

Toutefois une campagne d’essais réussie ne signifie pas une maîtrise complète du problème. Afinde pouvoir aller plus loin dans l’étude de stratégies d’utilisation du moteur, un code de calcul donnepar la simulation la possibilité de s’abstenir d’essais, avec les précautions nécessaires d’utilisationde modèles. On est ainsi capable de décrire le moteur qui conviendrait le mieux aux nouveauxcombustibles.

La répartition énergétique des moteurs actuels n’est pas compatible avec la rupture techno-logique imposée par l’hydrogène. D’astucieux systèmes de récupération d’énergie, vers une formechimique, mécanique ou électrique devront donc être mis en place pour améliorer encore les ren-dements, dans une stratégie de véhicule hybride, capable de gérer lui-même un tampon d’énergiemotrice.

Peut-être aurons nous bientôt sur les moteurs actuels avec le même regard que celui que nousportons sur les premières machines à vapeur. D’ici là pour satisfaire à l’économie et à l’environne-ment, les ingénieurs motoristes devront oser dépasser les architecures actuelles. Un moteur rotatif,adiabatique, asymétrique, Seebeck à hydrogène. . .pourquoi pas ?

- 34 -

Table des figures

1.1 Coupe du haut-moteur de l’Isuzu LHRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2 Répartition de l’énergie entre Diesel conventionnel et LHRE . . . . . . . . . . . . . 9

2.1 Décompostion des rendements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Vue d’ensemble du banc d’essai moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Pupitre de commande et baie d’analyse de gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 Tuyau de récupération des gaz de carter du cache culbuteur . . . . . . . . . . . . . 14

2.5 Injecteur Bosch 0280 150 842 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.6 Bilan d’énergie pour les trois combustibles, à pleine charge, richesse 1 . . . . . . . . 16

3.1 Exemple de structure d’un modèle zéro-dimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2 Découpage en tranches planes, cylindriques ou sphériques . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3 Schéma du principe de combustion par tranches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.4 Augmentation de la vitesse de propagation par plissement de la flamme . . . . . . 19

3.5 Aperçu de la saisie des paramètres avec l’interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.6 P = f(α) sans combustion, 50 % de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.7 P = f(α) pour un essai d’H2 à richesse 0,6 à pleine charge, modèle avec échange dechaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.8 P = f(α) pour un essai d’H2 à richesse 0,6 à pleine charge, modèle adiabatique . . 23

4.1 Schéma de principe d’un générateur à effet Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2 Evolution du rendement de conversion en fonction du facteur de mérite . . . . . . . 26

4.3 Système TEG de Hi-Z Technolgy sur banc d’essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.4 Schéma de principe de la HTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.5 Schéma de principe figurant sur le brevet Pantone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.6 Les antécédents directs du Brevet Pantone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.7 Réacteur et schéma de principe du système Houseman . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.8 Schéma de principe du Pantone en dopage à eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Liste des tableaux

1.1 Norme Euro pour les moteurs Diesel (en g/km) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Norme Euro pour les moteurs à essence (en g/km) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Principales caractéristiques de quelques combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Comparatif des circuits annexes au moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.1 Coefficients utilisés pour la validation du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1 Utilisation de l’effet Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.2 Energie récupérable à partir de l’eau produite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Bibliographie

[1] Justine Bur (2005) "Projet From Well to Wheel", rapport de DEA Transport et DéveloppementDurable

[2] J.-C. GUIBET (1997) "Carburants et Moteurs", publication de l’IFP

[3] John B. Heywood (1998) "Internal Combustion Engine Fundamentals", Mac Graw Hill Inter-national Editions

[4] Hideo Kawamura (Septembre 2000) "Developement of Ceramic Adiabatic Engine", Isuzu Ce-ramics Research Institute

[5] John C. Bass, Norbert B. Elsner (Décembre 2001) "Thermoelectric Application to Truck Es-sential Power", Hi-Z Technology

[6] Bernard Trémillon, Gérard Durant (Juin 2001) "Fonctionnement des cellules d’électrolyse"Techniques de l’Ingénieur

[7] Steve Herring (Mai 2006) "Laboratory-Scale High Temperature Electrolysis System", IdahoNational Laboratory

[8] I. Taymaz, K. Cakir, A. Mimaroglu (Mars 2005) "Experimental Study of effective efficiency inceramic coated engine", Université de Sakarya (Turquie)

[9] Bosch Bosch (Septembre 2005) "Develops CNG engine management system"

[10] ENSEEIHT (janvier 2005) "BEI Moteur à Pistons"

[11] Georges Descombes et Jean-Louis Magnet "Moteurs non conventionnels", Techniques de l’In-génieur

[12] Science & Vie (2004 et 2006) "Spécial Automobile"

[13] Guillaume Bourgouin (20 avril 2006) "Les voitures de demain" Université de Moncton

La totalité de ce rapport a été rédigée sous LATEX2ε et à l’aide de logiciels libres.

- 39 -

Annexes

Annexe A

Organigramme du Laboratoire d’EtudesThermiques de l’ENSMA

Laboratoire d'Etudes ThermiquesUMR CNRS 6608

(effectif total 79 personnes)

Opérations Scientifiques

26 Enseignants - Chercheurs 21 doctorants 17 DEA et stagiaires

Services techniques

(13 personnes)

Service administratif

Lavallade CNRS - TCN Poupon EN - AGAC2

Directeur : Daniel PETIT

Réseau et informatique

Nérault CNRS - IR1Quintard CNRS - TCE

Electronique

Piteau CNRS - IR1

Instrumentation scientifique

Romestant CNRS - IR2 Fuentes EN - IE (80%) Burban EN - IE(contrat) Bellanger EN - IE(contrat) Arlaud CNRS - AI Grassin CNRS - AI (80%) Breux EN - AI(contrat 50%)

Mécanique

Thomas EN - TCN Veillon EN - AJT

Tuhault CNRS - IR1

- c -

B. Brochure technique Honda GX-240

Annexe B

Brochure technique Honda GX-240

S TA N D A R D T Y P E

Dimensions Unit: mm (in.)

195.5

430

410

133.

5

45° 45°30°30°

150

105

103

70

P.D.165.1

P.D.127

4 - M8 x 1.25 18Deep (S type)4 - 5/16 - 24UNF-2BTAP

18Deep (Q.P.V. type)

2 - M8 x 1.25 18Deep (S type)2 - 5/16 - 24UNF-2BTAP

18Deep (Q.P.V. type)

4 - 3/8 - 16UNC-2BTAP18Deep (Q.P.V. type)

273

143 273

������� �� ��� ��������� � ���

��� � �������� � � !#" $%������&� �(')���*� +#$,"(-� �.�

/0 1

� � � � ���� �

�.��� � � � �� ��� ����

234560

195.5

133.

5

70

105

68.110103

90°

P.D.127

45°

6 - M8 x 1.25 18Deep

195.5

133.

5

105

90.8

3535

35 35

4 - M8 x 1.25 18Deep

• 1/2 REDUCTION

• 1/2 REDUCTION WITH CLUTCH

7 8:97 ;<9

7 =>9

7 ?<9@ =

A B

8 C C= C D ;E F�G H,I�J H�G�K%G H.E,G.LM NO P

P N QO PA ? 7 =R9S T QO P

T QN M

U V M T U U QU V M P W U Q7X9@ D = 8 ?�Y U V U T SUZ[\ ]^_`ab\ ]^_c`b

de�fgeh\ji\ ]akl

Z[a ]\\\\b \ ]````b

m d n�fo\ji\ ]\kp N S QO P

• H-TYPE

• L-TYPE

P T O S H A F T D I M E N S I O N S

- d -

B. Brochure technique Honda GX-240

(kW

)

Torq

ue

E n g i n e s p e e d ( r p m )

(HP)

(kg.

m)

4

6

5

3

1

7

1.8

1.6

1.7

1.5

2

0 0

1

3

5

7

9

2 000 2 500 3 000 3 600 4 000

2

4

6

8

10

RECOMMENDED OPERATING SPEED RANGE

Out

put

pow

er

TORQUE

RECOMMENDED MAXIMUM OPERATING BHPMAXIMUM BHP

Performance curveHorsepower rated in accordance with SAE J607aFor continuous operation, the BHP load should be less than 85% of maximum BHP

Courbe de puissancePuissance mesurée selon SAE J607aPour une opération continue, la charge devrait être moins de 85% de la courbe “maximum BHP”

LeistungsangabeLeistung gemessen nach SAE J607aFur Dauerbetrieb sollte die Last weniger als 80% der “maximalen Leistungsangabe(max. BHP)” sein.

Curva di potenzaPotenza in conformita allo standard SAE J607aPer uso continuativo, la potenza prelevata dovra essere del 85% inferiore, rispettoa quella indicata nella curva “maximum BHP”.

GX 240 K1

� ����� � ������ �

� ����� ��� ��������� ������������ ��!��"#����

$�%�& ')(*�&�+ %

, -/.0$ $�1 2�304�56, -�$�$�7�,�&�1 8�4!3�9�6$�*

R E D U C T I O N T Y P E S

: ;=<

: >?<: ;=<: @A<

B C D E B B FB C D G H B F:I<J K @ L B C B EB

MNO PQRSTUO PQRVSU

WX�YZWO\[O PTV

] ] K ^ _ ` Fa Gcb K ^ :d<` ` Fa G

e ; K ; D f F_ D

; ] f Fa G

^ J ` _ Fa G

g h0i j!k�l j�inm�i j�g!i�o: >/<@ b K ^ D _a G

p ; : @q<_ r Fa G

s ; t u j�v w ; x g y�z

MN

T POOOOUO PSSSOU

{ W |Y}O\[O PO~R

MN� PVV~�U� PVVO�U

{ XX��O POR O

f F` a• Q-TYPE

� �=�

�d�� ���� ���

�� ����� �

� � � � �

��� ������� ������

� ���� ������ ��� �

�� �¡��¡�� �¡��¡�

��� �� ��

¢ £0¤ ¥!¦�§ ¥�¤n¨�¤ ¥�¢!¤�©

� �?�ª « ¬ ¬ ­® ¯

� ° ® ¬ ­® ¯� ª ® ­® ¯

� � ± ® ­± ²

� �³�ª « � � ¯ ®± ²

¯ ´ ­± ²

�I�µ ¶ ¯ ´ ´ µ ­µ ¶ ¯ ´ · ± ­��¸ µ ¶ µ ® ±µ

• R-TYPE¹dº

¹ »Aº

¼½¾#¿ À Á ¹IºÃ Ä Å Æ Ç È ÉÃ Ä Å Æ Ê Ç ÉË�Ì Ã Ä Ã ÍÃÎÏÐ ÑÒÓÔÒÕÐ ÑÒÓÓÒÕ

Ö×Ð\ØÐ ÑÙ

¹ Á ºÚ Û Å Í ÉÇ Ü¹ Á ºÚ » Í Ý ÉÇ Ü

ÎÏÞ ÑßßÓàÕÞ ÑßßÐàÕ

á ××âãÐ ÑÐä Ð

¹ ¿ ºå Á Å Ý ÉÍ Å

å À Â Ý Ý ÉÇ Ü

æ ç0è é!ê�ë é�è�ì�è é�æ!è�í¹ ¿ º» å À  ŠÍÇ Ü

î Á Í ï ÉÇ Ü

ÎÏÐ ÑðÒßäÕÐ ÑðÒÓÓÕ

á Ö ñØÐ ÑÐÓÐ ØÐ ÑÐäß

¹ ¿ ºÁ ½ Æ ÉÇ Ü

• S-TYPE

ò óqôò õ?ô

ò õ?ôö�÷ ó ø�ù�ú û ÷ ü ý þ�ÿ

ý þ�ÿ���� ÷

ó � � � � � �

õ � � � � �

�� ������� ������

� ����� ��� � ò ôõ � � �

òdôó � � � � �

ý ��� ù��! ù �#"$� ù ý����ò õ³ô% ó � � & � % � � ��

� � ÿ���� ú �$��ý

òIô' ( ) * & �' ( ) * � � �+ ÷ ÷ � õ � õ ', ' ( ' & �

� �� ò % ô- ÷ � . �

• V-TYPE

- e -

B. Brochure technique Honda GX-240

Specifications Spécifications techniques

Spezifikationen Dati tecnici

Model

Engine type

Bore x stroke

Displacement

Compression ratio

Max. power output

Maximum torque

Ignition system

Starting system

Fuel tank capacity

Specific fuel cons.

Engine oil capacity

Dimensions (L x W x H)

Dry weight

GX 240 K1

Air cooled 4 stroke OHV petrol engine, 25° inclined cylinder,horizontal shaft

73 x 58 mm

242 cm3

8.2 : 1

5.9 kW (8 HP) / 3 600 rpm

16.7 Nm / 1.7 kgm / 2 500 rpm

Transistorised

Recoil(electric start optional)

6 l

313 g/kW.hr - 230 g/HP.hr

1.1 l

380 x 430 x 410 mm

25 kg

Modèle

Type du moteur

Alésage x course

Cylindrée

Taux de compression

Puissance maxi

Couple maximal

Système d’allumage

Système de démarrage

Cap. du réservoir d’ess.

Cons. d’essence spéc.

Capacité d’huile moteur

Dimensions (L x l x H)

Poids à sec

GX 240 K1

Moteur à essence monocylindre 4 tempsOHV, refroidissement à air, cylindreincliné 25°, arbre de sortie horirontal

73 x 58 mm

242 cm3

8.2 : 1

5.9 kW (8 ch) / 3 600 tr/mn

16.7 Nm / 1.7 kgm / 2 500 tr/mn

Transistorisé

Lanceur(démarreur électrique en option)

6 l

313 g/kW.h - 230 g/ch.h

1.1 l

380 x 430 x 410 mm

25 kg

Model l

Motortyp

Bohrung x Hub

Hubraum

Verdichtung

Höchstleistung

Max. Drehmoment

Zündsystem

Starter

Tankinhalt

Spez. Kraftstoffverbrauch

Motorölkapazität

Maße (L x B x H)

Trockengewicht

GX 240 K1

Luftgekühlter 1-Zylinder 4-Takt OHVBenzinmotor, um 25° geneigterZylinder, horizontale Kurbelwelle

73 x 58 mm

242 cm3

8.2 : 1

5.9 kW (8 PS) / 3 600 min-1

16.7 Nm / 1.7 kgm / 2 500 min-1

Elektronische Zündung

Reversierstarter(Elektrostart Sonderausstattung)

6 Liter

313 g/kWh - 230 g/PSh

1.1 Liter

380 x 430 x 410 mm

25 kg

Tipo

Tipo di motore

Alesaggio x corsa

Cilindrata

Rapporto di compressione

Potenza massima

Coppia massima

Accensione

Avviamento

Capacita’ serbatoio

Consumo combustibile

Capacita’ coppa olio

Dimensioni (Lu x La x A)

Peso a secco

GX 240 K1

Motore monocilindrico OHV ad albero oriz-zontale, ciclo otto, 4 tempi, cilindro inclinatodi 25° raffreddamento ad aria forzata

73 x 58 mm

242 cm3

8.2 : 1

5.9 kW (8 CV) / 3 600 giri/min

16.7 Nm / 1.7 kgm / 2 500 giri/min

A transistor senza contatti

A strappo con autoavvolgente(elettrico opzionale)

6 l

313 g/kWh - 230 g/CVh

1.1 l

380 x 430 x 410 mm

25 kg

All

spec

ifica

tions

are

sub

ject

to

chan

ge w

ithou

t no

tice.

Le

s ca

ract

éris

tique

s te

chni

ques

peu

vent

êtr

e m

odifi

ées

à to

ut m

omen

t et

san

s pr

éavi

s.Le

spe

cific

he s

ono

soge

tte

a ca

mbi

amen

to s

enza

pea

vvis

o.

Die

Spe

zifik

atio

nen

könn

en o

hne

Vora

nkün

digu

ng g

eänd

ert

wer

den.

Ref

. EE

C-

TS 2

002/

08 -

GX

240

K1

Honda Europe NVEUROPEAN ENGINE CENTER

Langerbruggestraat 104 • B-9000 GentTEL: + 32 (0)9 250 12 11 • FAX: + 32 (0)9 250 14 24

Germany • Honda Engines / Selling agentHonda Logistik Center Deutschland GMBH

Sprendlinger Landstraße 166D-63069 Offenbach/Main

TEL: + 49 (0)6 98 30 95 17FAX: + 49 (0)6 98 30 91 28

Italy • Honda Engines / Selling agentHonda Logistic Centre Italy S.P.A.Via Strà, 153I-37030 Colognola ai Colli (VR)TEL: + 39 04 56 17 33 41FAX: + 39 04 56 15 12 70

United Kingdom • Honda Engines / Selling agentHonda Logistics Centre (UK) Ltd.

Unit 3210, Wellington Parkway,Magna Park Lutterworth,

Leicestershire LE 17 4JQ United KingdomTEL: + 44 (0)1 45 55 59 429FAX: + 44 (0)1 45 55 59 428

France • Honda Engines / Product information centerParc d'Activités de PariestAllée du 1er MaiCroissy BeaubourgF-77313 Marne-La-Vallée Cedex 13TEL: + 33 (0)1 60 37 31 18FAX: + 33 (0)1 60 37 33 66 c

- f -

Annexe C

Brevet Pantone

- h -