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1 Marc LEJEUNE VOLVO POWERTRAIN FRANCE Supplier of Mack,, Renault and Volvo Trucks Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Conférence CNAM - SIA Paris, 21 mars 2006 Contraintes Moteur Euro 3 Evolutions en Europe Evolutions aux Etats-Unis Economies de carburant Carburants alternatifs Conclusions Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

2 Contraintes Moteur Euro 3 Evolutions en Europe Evolutions aux Etats-Unis Economies de carburant Carburants alternatifs Conclusions Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Le véhicule poids-lourd Exigences du transporteur Consommation Prix d'achat et de revente Vitesse moyenne Fiabilité Exigences des pouvoirs publics Emissions polluantes Sécurité Bruit Utilisation moyenne : à km / an < 33 t 7 t Production mondiale (> 16 t) : véhicules / an Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

3 Charges d'exploitation d'un poids-lourd Frais généraux : 14% Impôts, péages, assurance : 8% Salaire : 34% Entretien : 9% Amortissement : 10% Source : RENAULT TRUCKS, 2005 Véhicule 40 tonnes exploité en France Carburant : 25% Grande sensibilité du client au rendement moteur Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Limites d'émissions des véhicules poids-lourds Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Source : BOSCH

4 Limites d'émissions des véhicules poids-lourds 0.12 US Euro 3 (2001) ESC PM (g/kwh) US10 Euro 5 (2009) US 07 Euro 4 (2006) ESC NOx (g/kwh) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Contraintes Moteur Euro 3 Evolutions en Europe Evolutions aux Etats-Unis Economies de carburant Carburants alternatifs Conclusions Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

5 Moteur diesel typique d'un poids-lourd de 40 tonnes Puissance typique : 440 ch, soit 11 ch / tonne ( 8 fois moins qu'une automobile) Puissance nécessaire à 90 km/h sur route plate : 160 ch Masse : 1 t 6 cylindres en ligne Suralimentation refroidie Injection directe électronique Common Rail bar ou Injecteurs pompes bar Moteur DXi 11 (10.8 litres) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Circuit d'air du moteur Euro 3 6 cylindres de 123 x 152 mm 10.8 litres ε = 18 : 1 P cylmax = 200 bar 45 C 2.8 bar abs Echangeur air / air 480 C 1.1 bar abs 630 C 3.0 bar abs T C 25 C 0.9 bar abs 170 C 2.9 bar abs Moteur DXi 11 ( tr/min pleine charge Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

6 Injecteurs-pompes du moteur Euro 3 Moteur DXi 11 (10.8 litres) Euro 3 Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Combustion Euro 3 Moteur RENAULT TRUCKS dci 11 au CMT 1500 tr/min 50% de charge 12 mg/coup de pré-injection et 88 mg.coup d'injection principale Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

7 Moteur DXi 11 Euro 3 Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / Courbes de couple comparée poids-lourd / automobile 2050 Nm 440 ch 275 Nm 120 ch soit 190 Nm/l soit 40 ch/l soit 145 Nm/l soit 60 ch/l Pression Moyenne Efficace (bar) RENAULT TRUCKS DXi 11 (10.8 l - Unit Injectors) Régime moteur (tr/min) RENAULT F9Q (1.9 l - Common Rail) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

8 Utilisation typique d'un moteur de poids-lourd MAGNUM 40 tonnes avec moteur 12 litres % du temps passé %du couple pleine charge Paris à Lille par autoroute Parcours «facile» 35 l/100 km Régime moteur (tr/min) Régime du moteur (tr/min) Lyon à Grenoble par autoroute Parcours «difficile» 45 l/100 km Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Contraintes Moteur Euro 3 Evolutions en Europe Evolutions aux Etats-Unis Economies de carburant Carburants alternatifs Conclusions Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

9 ESC Particules (g/kwh) Euro 6 0 Euro 5 Stratégies en Europe FAP EGR Euro 4 Euro 3 SCR ESC NOx (g/kwh) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 ESC Particules (g/kwh) Euro Selective Catalyst Reduction Euro 5 Euro 4 Euro 3 SCR ESC NOx (g/kwh) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

10 SCR : Réduction des NOx par l'ammoniac Catalyseur d oxydation facultatif Catalyseur DeNOx : Vanadium, Titane,... Catalyseur d oxydation facultatif 2 NO + O 2 2 NO 2 Urée 2NO 2 + 4NH 3 + O 2 3N 2 + 6H 2 O 4 NH N H 2 O (NH 2 ) 2 CO + H 2 O 2 NH 3 + CO 2 Consommation d'adblue : 4 % du carburant (Euro 4) 6 % du carburant (Euro 5) Temp. mini de fonctionnement : 270 C Efficacité maximum : 70 % (Euro 4) 85 % (Euro 5) Surcoût : Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Implantation du SCR sur un camion Turbo Pot secondaire Filtre les hautes fréquences Injection d'urée Réservoir d'urée ( 60 l) Chauffé par l'eau moteur Pot principal SCR Filtre les basses fréquences. Réduit les NOx Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

11 La solution "AdBlue" AdBlue" du SCR Composition : Eau avec 32,5% d'urée NH 2 Solidification : - 11 C C O Début de décomposition : 70 C NH Masse volumique : kg/m 20 C 2 Viscosité : 1,4 25 C ph moyen : 8.5 Hypothèse de coût : 0,30 HT en vrac et 0,50 HT à la pompe Température ( C) +140 C 0 C +5 C -11 C 0% 32.5% 43.5% 100% % d'urée dans l'eau Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Distribution de l'adblue Dès 2005 : en containers de 1 m 3 chez les transporteurs Dans 2 à 3 ans : majoritairement en vrac chez les transporteurs et dans les stations services Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Station AdBlue de TOTAL à Berlin

12 9 2. Exhaust 0.08 xhaust Gas Recirculation & Diesel Particulate Filter ESC Particules (g/kwh) FAP EGR Euro Euro 5 Euro 6 Euro ESC NOx (g/kwh) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / C 3.4 bar abs Circuit d'egr haute pression 65 C 3.4 bar abs 45 C 3.4 bar abs Echangeur air / eau Echangeur air / air 570 C 3.6 bar abs 200 C 3.5 bar abs 570 C 3.4 bar abs TGV C 25 C 0.9 bar abs Moteur DXi 11 ( tr/min 410 hp Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

13 Taux moyen d'egr Taux d'egr moyen (%) NOx sur ESC (g/kwh) Euro 5 : 25 % d'egr Euro 4 : 15 % d'egr Taux d'egr moyen entre 1200, 1500 et 1800 tr/min à 50% et 100% de charge Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Filtres à particules Obstructifs Efficacité sur les suies : > 95% Contre-pression plus importante Régénérations nécesssaires pour éviter le colematement Non-obstructifs Efficacité sur les suies : 50% Vieillissement? Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

14 ESC Particules (g/kwh) Euro 6 0 Euro 5 Stratégies en Europe FAP EGR Euro 4 Euro 3 SCR ESC NOx (g/kwh) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 La majorité des constucteurs a choisi le SCR pour Euro 4 SCR EGR + FAP Rentabilité Consommation globale légèrement meilleure Coût des composants légèrement inférieur Performance Plus forte densité de puissance du moteur Plus forts rejets thermiques Fiabilité Risques fiabilités plus importants (corrosion admission, vannes et échangeur EGR) Utilisation Nécessite un approvisionnement en urée Nécessité pour le filtre : d'un gazole désouffré (< 50 ppm) de maintenances périodiques si obstructif Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

15 Contraintes Moteur Euro 3 Evolutions en Europe Evolutions aux Etats-Unis Economies de carburant Carburants alternatifs Conclusions Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / Stratégie principale aux Etats-Unis EGR US 98 ESC Particules (g/kwh) US SCR US 04 US 07 + FAP ESC NOx (g/kwh) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

16 Taux moyen d'egr Taux d'egr moyen (%) NOx sur ESC (g/kwh) US 10 : 36 % d'egr US 07 : 27 % d'egr US 02 : 20 % d'egr Taux d'egr moyen entre 1200, 1500 et 1800 tr/min à 50% et 100% de charge Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 EGR basse pression pour US 07/10 Rend le dosage de l'egr relativement indépendant du régime et de la charge Très bon mélange de l'air avec l'egr Pertes de charge liées au volet Risque de dépôts (RAS, compresseur) Limitation en puissance à cause de la température sortie compresseur FAP T C CAT C15 US07 Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

17 Double-suralimentation pour US 07/10 Permet de maintenir la puissance avec des forts taux d'eg (Pression adm. > 4 bar) Meilleur rendement de compression grâce au refroidissement intermédiaire Encombrement Complexité Circuit d'eau supplémentaire nécessaire (40 C) pour le refroidissement intermédaire T C T C CAT C15 US07 Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Distribution variable sur l'admission pour US 07/10 Petite amelioration du rendement Complexité accrue avec cycles de Miller Consommation d'huile Permet de couper plus efficacement une partie des cylindres à faible charge pour augmenter la température d'échappement Remplace une waste-gate ou une turbine à géométrie variable pour limiter la pression cylindre à forts régimes et forte charge Levée de soupape (mm) Degrés moteurs Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Pression cylindre (bar) Volume cylindre relatif

18 Combustion à très bas NOx (après US10) Pour éviter la formation des suies avec l'egr, il faut augmenter la pression d'injection, et jusqu'à mi-charge : ou Suies Combustion à basse température λ in / [O2] 8-10% EGR % Combustion homogène λ in / [O2] 13-14% (pas de flame de diffusion) [O2]% Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Combustion à basse température Source : Aspects of Soot formation in Diesel Fuel Jets (Sandia, THIESEL 2004) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

19 Contraintes Moteur Euro 3 Evolutions en Europe Evolutions aux Etats-Unis Economies de carburant Carburants alternatifs Conclusions Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Rendement d'un moteur diesel de poids-lourd Rendement global du moteur (%) % 1200 tr/min 1400 tr/min 1600 tr/min 1800 tr/min Pression Moyenne Efficace (bar) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

20 Bilan énergétique du moteur Puissance des gaz d'échappement : 28% Autres : 4% Puissance sortie moteur : 43% Puissance évacuée par le radiateur d'eau : 18% 1500 tr/min pleine charge % de l'énergie du carburant injecté Puissance évacuée par l'échangeur d'air de suralimentation : 7% Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Récupération de l'énergie des gaz d'échappement Turbocompound mécanique Turbocompound électrique Thermo-électricité Principe Turbine additionnelle reliée par engrenages au vilebrequin Turbine additionnelle reliée à une génératrice, ou génératrice sur arbre turbo. Couples de matériaux choisis produisant un courant si soumis à un gradient thermique. Taux de récupération estimé en pleine chage Jusqu'à 20% Jusqu'à 20% 15% Maturité technicoéconomique Cycle Rankin Cycle Rankin échangeant avec les gaz d'échappement avec eau ou composant organique Jusqu'à 60% Moteur Stirling Moteur à combustion externe entre les gaz d'échappement et l'air ambiant Jusqu'à 40% Reformage du carburant Création d'hydrogène par vapocraquage endothermique dans l'egr ou en utilisant l'enthalpie de l'échappement. Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

21 Turbocompound mécanique Turbocompound du VOLVO D12D 500 hp Euro 3 Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Allongement des véhicules Le passage de 40 t à 60 t permet un gain par tonne transportée de : Consommation ( 15%) Émission de polluants Coût salariaux Encombrement et usure des routes Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

22 Motorisations hybrides L'hybridisation en série permet un gain plus important que en parallèle Stockage électrique, mais le stockage hydraulique est envisagé Principalement pour applications urbaines (livraisons, benne à ordure, bus...) Gains de consommation attendus : 20 à 30 % Embrayages Moteur thermique Boîte de vitesse Moteur électrique Batteries Véhicule hybride de MACK TRUCKS pour l'armée américaine, 2005 Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Contraintes Moteur Euro 3 Evolutions en Europe Evolutions aux Etats-Unis Economies de carburant Carburants alternatifs Conclusions Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

23 Carburants alternatifs Nucléaire Eolien Hydraul. Solaire CH 4 Charbon Biomasse Ethanol Gaz synthétique Elec. H 2 ETBE Methanol F-T DME Esters EM FC ICE - Essence ICE - Diesel Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Dimethyl Ether (DME) Origine : Charbon, gaz naturel, biomasse Stockage : < -25 C sans pression, 6 25 C Densité : C PCI : 28.4 MJ/kg Cétane : 55 à 60 CH 3 O CH 3 Véhicule démonstrateur avec moteur 9 litres Euro 5 à 300 ch (2004) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

24 Esters O O R C + CH 3 O H R C + H 2 0 O H O CH 3 Acide gras Méthanol Ester méthylique (colza, tournesol, soja...) (ou éthanol) (ou éthylique) Esters Diesel Norme : EN CEC RF Densité : C C PCI : 37,3 MJ/kg 42.6 MJ/kg Cétane : Emissions GES : g eq CO 2 /MJ 79 g eq CO 2 /MJ (source : ADEME) Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Esters Noms : FAME : Fatty Acid Methyl Ester EMHV : Ester Methylique d'huiles Végétales Biodiesel R C O O CH 3 Utilisations : Dilué jusqu'à 5% dans le diesel sans indication (EN 590) Dilué jusqu'à 30% dans le diesel pour flottes captives (B30 en France) Pur (en Allemagne) Objectifs de l'union Européenne sur la part des biocarburants : 6% en % en 2020 Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50

25 Contraintes Moteur Euro 3 Evolutions en Europe Evolutions aux Etats-Unis La course au rendement Carburants alternatifs Conclusions Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50 Conclusions Le moteur diesel restera encore longtemps le meilleur choix pour les poids-lourds, du fait de son très bon rendement. Ses émissions polluantes sont en baisse régulière grâce à un perfectionnement de la combustion et à la généralisation de systèmes de post-traitement (filtre à particules et SCR) à l'horizon Son carburant intégrera une part croissante d'esters issus de la biomasse (objectif : 20% en 2020). Les carburants de synthèse (Fischer- Tropsch, DME...) représentent par ailleurs une alternative à long terme. Ses applications hybrides devraient croître pour les usages urbains. Evolution Des Performances des Moteurs Diesel de Poids Lourds - 21 mars / 50