Utilisation Rationnelle de l ÉNERGIE dans les Moteurs à Combustion Interne et ENVIRONNEMENT

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1 Utilisation Rationnelle de l ÉNERGIE dans les Moteurs à Combustion Interne et ENVIRONNEMENT Contraintes et Mise au Point des Véhicules «Flex-Fuel» Bertrand HAUET - RENAULT SA Direction du Contrôle et de la Mise Au Point Conférence SIA 13 Mars 2007

2 Introduction Les adaptations moteur et véhicule Les impacts sur le Contrôle Moteur La Mise au Point des prestations Quel avenir pour le «Flex-Fuel» Contraintes & Mise Au Point des véhicules «flex-fuel»

3 ETHANOL : Source d Énergie pour le Transport L ETHANOL : -Une énergie alternative -Un potentiel de réduction des émissions de CO2 -Un carburant liquide adapté à une utilisation dans le transport DES VEHICULES «Flex-Fuel» capables de fonctionner avec un mélange variable d Essence et d Ethanol

4 Les origines de la technologie «Flex-Fuel» La crise pétrolière des années 70 déclenche le programme «pro-alcool» au Brésil. En 1985 : 95% des véhicules produits au Brésil sont dédiés, et fonctionnent à l alcool (E100) Fin des années 90 : Regain de rentabilité de la filière sucrière et effondrement du marché des véhicules à l alcool (recul à 7% en 2003) A partir de 2003 : introduction de la technologie «Flex-Fuel» Décembre 2004 : 2/3 des nouveaux véhicules sont «Flex Fuel»

5 «Flex-Fuel» : taux variable d essence et d alcool E0 : il s agit d Essence sans ajout de bio-ethanol E10 : 10 % d Ethanol ajouté à l essence, le fonctionnement du moteur est peu affecté E26 : 26 % d Ethanol ajouté à l essence (Brésil). Nécessite des réglages spécifiques E85 : 85 % d Ethanol et 15 % d essence (Europe) E 100 : > 93 % d Ethanol (Brésil)

6 LE CARBURANT : Caractéristiques physico-chimiques Propriétés comparées de l'ethanol et de l'essence Ethanol Essence Formule C 2 H 5 OH C x H y Rapport H/C 3 1,9 Densité (g/cm3) 0,79 0,75 Pouvoir Calorifique Inférieur (kj/kg) Tension de Vapeur Reid (kpa) à 37,8 C Rapport air-carburant stoechiométrique 9 14,5 chaleur latente de vaporisation (KJ/Kg) Indice d'octane RON

7 Octane apporté par l Ethanol G ain R O N /M O N RON calculé MON calculé Teneur en éthanol (%) Source : Groupe TOTAL

8 Variabilité de la Volatilité TV Essence seule 60 TV [kpa] Alcohol in Gasoline [%] Source: SAE Paper Ethanol [kpa]

9 Pouvoir Calorifique Inférieur Carburants éthanolés : PCI = f(teneur en éthanol) PCI (kj/kg carburant) Contenu énergétique (kj/kg air à Ri=1) % 20% 40% 60% 80% 100% Teneur volumique en éthanol (%)

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11 Les Adaptations du Moteur Piston graphité Soupapes nitrurées et Sièges de soupapes renforcés Injecteurs à débit augmenté

12 Les Adaptations du Véhicule Matériaux du réservoir et du circuit carburant Canister et tuyaux Calculateur moteur Sondes à oxygène

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14 Les impacts sur le Contrôle Moteur Reconnaissance du carburant : estimation ou mesure du taux d alcool Gestion des richesses, Avances et Quantités Injectées en fonction du taux d alcool Gestion des démarrages à froid, voire Commande d un système additionnel (E100 au Brésil) Adaptation de l automate de dépollution en phase de Mise En Action du catalyseur Mouillage des parois/gestion des transitoires

15 Reconnaissance du carburant «Estimer le carburant dans le réservoir (Exx) pour Adapter le Contrôle Moteur au carburant présent» : Le capteur d Ethanol : mesure directe La reconnaissance logicielle

16 La Reconnaissance Logicielle Système RENAULT : Reconnaissance «lente» : - Exploitation de l information de dérive de richesse - Bidirectionnelle : E0 <-> Exx, en stabilisé - Monodirectionnelle en Régulation de Ralenti : E0 -> Exx - Restrictions à des plages de régime, charge moteur et Température eau - Limitée temporellement Précision < +/- 3%

17 La Reconnaissance Logicielle Reconnaissance «rapide» : - Exploitation du signal brut de la sonde de richesse amont - Unidirectionnelle : E0 -> Exx - Restrictions à des plages de charge, régime moteur et Température eau - Limitée temporellement Précision : +/- 5 % au mieux

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19 Les Prestations de la Mise Au Point Performances Consommation Dépollution Démarrabilité à chaud & à froid Agrément A garantir de E0 à E85 /E100

20 La Mise Au Point des prestations PERFORMANCES : Le RON plus élevé et la chaleur latente de vaporisation permettent des avances à l allumage plus élevées pour l exploitation des fortes charges à chaud Les limites de débouclage de richesse sont repoussées à chaud

21 Exploitation de l avance à l allumage

22 PERFORMANCES : avantages 30 Avances exploitables à fortes charges E A_Vol [deg.v] E régime [tr/mn]

23 PERFORMANCES : avantages 110 Environ + 4 % de performances 105 E 85 Couple [Nm] E régime [tr/mn]

24 Limites de Débouclage Régime (tr/mn) Ralenti Richesse 1 Cartographie de Richesse Essence Cartographie de richesse E Limites zone Avance optimale Richesse > Charge Charge à vide Pleine Charge

25 PERFORMANCES : avantages Thermique Echappement en pleine charge E0 E 85 T1ECH [ C] régime [tr/mn]

26 PERFORMANCES : contraintes Ecarts sur les Temps d Injections 18000, ,00 E ,00 Temps d'injection [ µs ] 15000, , , ,00 E % 11000, , régime [tr/mn]

27 PERFORMANCES : contraintes Sollicitations mécanique du moteur 80 E Pmax Cylindre (bar) E régime [tr/mn]

28 La Mise Au Point des prestations Consommation : Il faut 1,4 L d E85 pour disposer de la même énergie que dans 1 Litre d Essence Sur Cycle, la consommation volumique (L/100 km) est supérieure d environ 35 à 40 % Sur cycle Europe, un véhicule E 85 émet en théorie, environ 4% de CO2 en moins Hors Cycle, l écart de consommation se réduit d autant que le moteur fonctionne «chargé»

29 Consommation Carburants éthanolés : surconsommation carburant = f(teneur en éthanol) Surconsommation par rapport à l'essence E0 (%) 80% 70% Surconsommation massique / E0 60% Surconsommation volumique / E0 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Teneur volumique en éthanol (%)

30 Consommation Carburants éthanolés : émissions spécifiques CO2 = f(teneur en éthanol) Emissions spécifiques CO2 (gr/mj) % -1% -2% -3% -4% -5% -6% Diminution émissions CO2 / E0 (%) % 0% 20% 40% 60% 80% 100% Teneur volumique en éthanol (%)

31 Consommation & Émissions de CO2 Mesures sur véhicule Mégane équipé d un moteur 1,6 L Cycle Europe Essence E 85 Ecart Niveau de Dépollution EURO 4 EURO 4 - Consommation (L/100 Km) 6,8 9,2 35% Emissions de CO2 (g/km) % Emissions de CO2 (g/km) "du puit à la roue"* % * selon valeurs moyennes d'obtention des carburants

32 Dépollution : La Mise Au Point des prestations La réponse de la sonde lambda n est pas la même => reprise des calibrations sonde Risque de fiabilité sonde par présence excessive d eau dans les gaz d échappement L enrichissement nécessaire à froid en éthanol pénalise la prestation dépollution Les températures amont du catalyseur sont plus faibles

33 Réponse de la sonde de richesse Richesse statique 0,75 SONDES - 1 limite riche, 1 limite pauvre - essence/ alcool 0,6 Essence tension sondes 0,45 0,3 Alcool 0,15 0 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1 1,01 1,02 1,03 richesse condiac Décalage de la richesse de basculement de 1 % pour des fenêtres optimales à 3 %

34 Dépollution Températures avant CATA ( C) ah16_24_070116_000.csv tb95_24_061005_005.csv AH16_24_070116_000.dat TB95_24_061005_005.dat CARBURANT E0 CARBURANT E85 CARBURANT E0 CARBURANT E T_avt_cata [ C] VITESSE [km/h] time [sec] ECE1 0

35 Démarrabilité : La Mise Au Point des prestations L éthanol a un point d ébullition fixe et par conséquent une volatilité constante. Le mélange Essence Alcool dépend aussi des caractéristiques de l essence de base Les principales difficultés concernent le démarrage à froid avec fort taux d alcool

36 Effets de la volatilité sur les Démarrages 200 Courbe de distillation d une essence Europe Effets de la volatilité d'un carburant sur le rendement moteur PF 180 Température ( C) T T T PI Problèmes de démarrage à froid Problèmes de démarrage à chaud 0 E Pourcentage évaporé (%)

37 La Mise Au Point des prestations Démarrage à froid : En E100, les démarrages sont difficiles pour des températures ambiantes inférieures à 15 C Au Brésil les véhicules sont équipés d un système additionnel de démarrage à froid Pour l Europe et pour les futures applications Brésil, il faudrait supprimer le système additionnel

38 Démarrage en E100 sur les véhicules Brésil En E100, démarrage difficile pour une température ambiante < 15 C

39 Démarrage en E100 sur les véhicules Brésil Réservoir additionnel d essence ~ 1 litre électrovanne 2 voies pour le dosage gicleur ( de ~0,6 mm ) placé dans le BP

40 Carburants Hiver / ETE Mélanges Ethanol / Spécifications Essence 100 Comparaison des spécifications Sévérité / froid Tension de vapeur (kpa) France hiver France intersaison Suède hiver Suède été France été Sévérité / froid Éthanol (%v.)

41 Démarrages EUROPE en E 85 & E0 Temps de Départ au laché de clé 3,8 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Températures en c E0 E85 Tvr= 40Kpa E85 Tvr= 50Kpa

42 Démarrages EUROPE en E 85 & E0

43 Agrément : La Mise Au Point des prestations Le mouillage des parois diffère entre les différents dosages d alcool Nécessité de spécification été/hiver du carburant comme pour l essence Pour l agrément en transitoire, l enrichissement augmente avec le taux d alcool : limitation par le back-fire

44 Agrément Masse de carburant évaporée tr/min - 3 bars PMI 34 Cycle 1 PMH Adm Cycle 2 Cycle 3 PMH Comb PMH Adm PMH Comb 29 Masse (en mg) ouverture des soupapes d'admission Angle Vilebrequin (en ) Masse Inj RON 95 Masse évap RON95 Masse Inj E100 Masse évap E100

45 Simulation du mouillage de parois Ethanol E100 Ron 95 Attention à la représentation graphique, il reste 28% de la masse injectée au PMH avec de l E100

46 Réponses en transitoire Essai à 1500 tr/mn : Température eau/huile = 20 C Pcol = 500 mbar Saut de Ti : Ri = 0,9 à Ri = 1,1 Essence E 100

47 Réponses en transitoire Stabilisation de la PMI En temps En nombre de cycles Essence < 1 s 7 E85 2,2 s 28 E100 9,2 S 115

48 Introduction Les adaptations moteur et véhicule Les impacts sur le Contrôle Moteur La Mise au Point des prestations Quel avenir pour le «Flex-Fuel» Contraintes & Mise Au Point des véhicules «flex-fuel»

49 QUEL AVENIR pour le «Flex-Fuel»? Les incontournables : challenge technique : Satisfaire toutes les futures contraintes réglementaires Développer durablement une offre carburant et un réseau de distribution Maintenir une offre produit attrayante pour le client La pérennité dépend de la Compatibilité du carburant avec les futurs développements visant à l amélioration du rendement des Moteurs à Allumage Commandé

50 Challenges Techniques : BRESIL 1- Norme L5 : passage LEV au 01/01/2009 Tous Types Catégorie Véhicule Masse de Réf. (kg) * CO (g/km) HC (1) (g/km) NMHC (g/km) NOx (g/km) Aldéhydes totaux (4) (g/km) VP LEV - 2,0 0,3 0,05 0,12 (2) 0,02 VP US94-2,0 0,3 0,156 0,250 (2) 0,03 VUL LEV > ,0 2,7 0,3 0,5 0,05 0,06 0,12 (2) 0,25 (2) 0,02 0,04 * Masse de référence = masse du véhicule à vide en ordre de marche kg. (1) = véhicules GNV uniquement. (Pas d exigence NMHC pour les GNV). (2) = véhicules à allumage commandé. (4) = véhicules à allumage commandé, sauf GNV. La durabilité demandée est de km 2- Attentes du marché : suppression du réservoir additionnel?

51 Challenges Techniques : EUROPE Selon les évolutions réglementaires à fixer pour les carburants alcoolisés pour EURO5 et au-delà : Dépollution : HC/NMHC Respect des objectifs en E5 et E85 à 20 C Respect des objectifs en E85 à -7 C avec un niveau d agrément acceptable OBD : Diagnostic étendu Fonctionnement à Froid : assurer le démarrage et la MEA jusqu à 30 C sans système additionnel

52 Offre carburant Marché de l Ethanol : Développement de la filière de production Soutien fiscal sur le prix de vente Disponibilité du réseau de distribution Normalisation Européenne des carburants

53 Offre «produit» Transparence des prestations offertes au client, quelque soit le carburant Contrôle Moteur basé sur l utilisation d adaptatifs Maintien d un avantage prestations/coûts d utilisation valorisable par le client Compatibilité avec les technologies en cours de développement pour l amélioration du rendement des Moteurs à Allumage Commandé