Les grandes tendances en terme de réduction de CO2 et de polluants dans les moteurs à combustion interne Plan de la présentation 1 - Concepts fondateurs de la production d énergie 2 - Contrôle moteur et stratégies de dépollution 3 - Récupération d énergie 4 - Avenir des motorisations thermiques 1 Georges Descombes - Ingénieur du Cnam, Professeur des universités au Cnam
1 -Concepts fondateurs de la production d énergie 2
Les concepts fondateurs CARNOT (1796-1832) Rendement maximal d un cycle ditherme réversible BEAU DE ROCHAS (1815-1893) et OTTO (1832-1891) Moteur à allumage commandé BOLTZMANN (1844-1906) Mesure du désordre moléculaire DIESEL (1858-1913) Moteur à allumage par compression ARRHENIUS (1859-1927) Théorie du réchauffement climatique 3
Diesel Musée des arts et métiers Conservatoire numérique des arts et métiers Un patrimoine unique de ressources en sciences et techniques Description de l'objet : Moteur Diesel n 17, 1908 Inventaire n 20774-0000- Rudolf Diesel, 1858-1913 Énergie thermique Source: Musée des arts et métiers -Cnam photo Michèle Favareille 4
Conversion d énergie mécanisable Paradoxe n 1 Loi de moindre action Le rendement est maximal lorsque l on tend vers la non action. Loi de pire action Le désordre l emporte. Source: Michel Pluviose ISBN: 978-2-7466-4098-6 Source: Michel Pluviose ISBN: 978-2-7466-4098-6 Les équations de comportement sont des lois réversibles par rapport au temps. Elles obéissent au principe de moindre action (Euler, Lagrange, Hamilton, ) qui stipule que la nature n aime pas trop se fatiguer et n aime pas le désordre. 5
Conversion d énergie mécanisable Les irréversibilités minorent significativement la capacité de la machine thermique à produire un travail. Ene rgy le ve l (%) 35 30 25 20 15 10 5 0 1 mechanical power cooling systems exhaust gaz auxiliaries 6
Concept d isolation thermique: objectif rendement Paradoxe n 2 Conversion d énergie dans une machine volumétrique Ρ Le 1 er principe en phase fermée du cycle ne rend pas compte de la situation (couplage périodique des modes de transferts de masse et d énergie). Energy balance at 3000 rpm Energy level (%) 40 30 20 10 0 Conventional engine Insulated engine Mechanical power Cooling systems Exhaust gas Auxiliaries 7
Concept d isolation thermique: objectif rendement Production combinée d énergie mécanique et d énergie thermique non mécanisée. Alternance périodique d apports et de retraits de masse et d énergie dans une enceinte confinée. Couplage mécanique, thermo dynamique et thermique en proche paroi. 8
Concept d isolation thermique: objectif cogénération Isolation thermique dédiée à un objectif généralisé de polygénération. 9
Conversion d énergie mécanisable Paradoxe n 3 Le rendement du cycle d un moteur est maximal lorsque la température de la source chaude est maximale. La production d oxydes d azote d un moteur augmente de manière exponentielle avec la température de la source chaude. 10
Concept d énergie mécanisée Production d énergie motrice au sein du capsulisme Réaction de combustion dont CO, CO2, CH4 NOx, HC, PM (masse et nombre), NH3 11
Concept global d énergie mécanisée Remplissage en air Lois d introduction du carburant et du dégagement de chaleur Charges partielles et fonctionnements transitoires Contrôle moteur et stratégies optimisées de dépollution 12
2 -Contrôle moteur et stratégies de dépollution 13
Contrôle moteur et stratégies de dépollution Les avancées scientifiques Structure de la matière. Physique du solide. Thermodynamique cinétique. Saut technologique majeur Apports de l électronique et de la technologie des matériaux (Stratégies automatisées de mesure et de pilotage des paramètres d asservissement). Fonctions de contrôle déconnectées des paramètres mécaniques (Lois de remplissage en air, taux d injection séquentielle et de combustion, dynamique de post traitement). Réduction des cylindrées unitaires et du nombre de cylindres (Suralimentation). 14
Évolution du contrôle moteur Allumage commandé 15 Source: Durget 2015
Évolution du contrôle moteur Allumage par compression 16 Tarage des injecteurs Commande piézoélectrique de l aiguille
Evolution des technologies de contrôle moteur. Optimisation énergétique (géométrie séquentielle, distribution variable, suralimentation variable, taux d injection séquentiel, lois de combustion séquentielles, post traitement).. Valorisation des rejets thermiques (poly-génération et électrification).. Modes de combustion non conventionnels et carburants additivés ou de substitution (biomasse et hydrogène). 17
Turbocompresseur de suralimentation 2.80 Tauxc Courbes cactéristiques compresseur 2.60 200000 tr/min 2.40 2.20 180000 tr/min 2.00 160000 tr/min 1.80 65% 70% 75% 77% 1.60 1.40 140000 tr/min 120000 tr/min 77% 75% 70% 65% 60% 100000 tr/min 1.20 1.00 W T1C / 545 P1C / 28.4 lbs min 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 18 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341
Etude du fonctionnement du turbocompresseur Banc d essai de pompage Bancs d essai de turbocompresseur avec couplemètre Dispositif de contrôle de l effort axial Turbocompresseur équipé de mesure d effort axial et de mesure de couple (télémétrie) 19 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341
Briques technologiques d optimisation Allumage commandé 20 Source: Durget 2015
Dépollution Diesel Injection de fines gouttelettes juste avant la combustion Combustion autour des gouttes Températures locales très élevées Formation de suies Formation d oxydes d Azote (NOx) 21
Dépollution diesel HC/CO Suies NOx Coût énergétique et catalyse Lean NOx Trap Mise en action àfroid LNT Catalyseur d oxydation Filtre à particules Selective Catalytic Convertor (SCR) Régénération DeSOx 22
Stratégies optimisées de contrôle moteur et de dépollution Difficultés et surcoûts significatifs pour réduire à la fois les émissions de dioxyde d azote et de particules. Dilemme hautes températures de combustion et production exponentielle d oxydes d azote. L utilisation intensive de la recirculation des gaz brûlés peut générer des contrepressions à l échappement qui deviennent néfastes au bon fonctionnement du moteur. 23
Réduction des émissions au cours du temps NEDC 24 Source: Durget 2015
Post traitement des effluents Diesel Le diesel est très concerné par la dépollution des oxydes d azote et des particules depuis les normes Euro 5 (2009), Euro 6 (2014) et Euro 7 (à venir). Les études d impact sur la santé ont montré que en sus de la masse de particules, leur distribution en taille doit aussi être considérée. La législation s inscrit dans une démarche de limitation de la masse et du nombre de particules dans le but d éliminer les particules les plus fines. 25
Modes alternatifs de combustion dans les moteurs HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition (Mélange homogène à allumage par compression) CAI (moteur essence) : Controlled Auto Ignition (Auto-allumage contrôlé) Concept HCCI Bénéficier des avantages des moteurs à allumage commandé et de ceux des moteurs Diesel 26 Source: Desmet 2015
Combustion dans les moteurs HCCI / CAI combustible Combustion contrôlée par la cinétique chimique air Moteur à2 modes de combustion Mode HCCI / CAI Faibles charges Mode conventionnel Fortes charges : route, autoroute 27 Source: Desmet 2015
3 -Récupération d énergie 28
Poly-génération des moteurs Mise en œuvre généralisée de stratégies de moteurs à haute performance énergétique. Cycles complexes de récupération, d électrification et de stockage d énergie. Utilisation d énergies vertes dont la biomasse et l hydrogène. 29
Exemple de motorisation poly-générée de transport Contenu énergétique du carburant Énergie recyclée Pertes thermiques dues aux gaz d échappement Énergie motrice Pertes par radiation Pertes thermiques au travers du liquide de refroidissement Thermo acoustique Thermo électricité Cycles thermodynamiques complexes Seebeck Stirling Ericsson Rankine - Hirn Évolution des motorisations 2009-2010 2011-2014 2015-2020 Véhicules avec moteur à combustion interne optimisé et énergies décarbonées Véhicules hybrides Véhicules électriques 30 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341
Boucle de récupération de chaleur Point dur de l'application Fonctionnement en charge partielle et régime transitoire - Source chaude à débit d'enthalpie très variable par opposition aux installations fixes de production d'énergie. - Échangeurs et machine de détente n existent pas pour ce type d'application P Q chaud froid G 1 1 Diagramme T-s de l eau Le cycle de Rankine - Hirn a été retenu pour cette application 2 chaud froid 3 4 5 31 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341 31
Production «in situ» d hydrogène à partir des rejets thermiques du moteur Impact de l additivation par l hydrogène d un carburant principal sur les émissions d un moteur diesel cogénéré 32 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341
1 - Expérimentation sur banc d essai Diesel Moteur diesel à aspiration naturelle et injection directe alimenté partiellement à l admission en hydrogène enrichi (Hydrogen Rich Gas) produit par une électrolyse indépendante. L addition d'hydrogène dans le carburant principal réduit les émissions de CO2 dans toutes les conditions testées. Les fumées sont réduites. Les NOx augmentent. 33 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341
Les problèmes technologiques Le stockage de l'hydrogène impose de confiner ce gaz à basse température et sous forte pression. Production et distribution de l'hydrogène. Comment lever ces verrous La solution en terme de cycle de vie est de produire l'hydrogène et l oxygène in situ à partir de l'électrolyse de l'eau. La présence d'oxygène supplémentaire est favorable à la réduction des émissions de polluants. 34
Calibration du modèle et résultats de simulation Component Turbocharger group Cooling system Exhaust system Steam Turbine percentage 10.91 [%] 9.66 [%] 46.73 [%] 6.75 [%] La production embarquée d hydrogène via la récupération d énergie améliore le cycle de vie du procédé. Le taux d additivation en hydrogène pourra être amplifié en utilisant une nouvelle technologie d électrolyseur embarqué. 35 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341
4 -Avenir des motorisations thermiques 36
Les grandes tendances Les tendances lourdes relèvent de la même dynamique de transition énergétique. Production d énergie propre. Environnement économique contraint. Emplois émergents. 37
Les grandes tendances Sévérisation de la règlementation européenne en 2020 pour les VP (95 gco 2 /km) et les VUL (147 gco 2 /km) qui sera poursuivie en 2025. Électrification des chaînes de traction thermique Micro, mild et full hybrids Hybrides rechargeables 38
Les véhicules légers Baisse probable des ventes de Diesel Progression à venir des véhicules hybrides (surtout mild hybrid) et hybrides rechargeables (nécessité d un moteur thermique) Développement du véhicule électrique via des services de mobilité (VP, VUL et deux-roues) 39
Les grandes tendances Les véhicules à motorisation thermique de nouvelle génération à cylindrée réduite peuvent avoir un bilan CO2 largement équivalent à celui des véhicules électriques. Cette observation dépend des conditions de production de l'électricité en Europe et des conditions de roulage. La densité énergétique des carburants liquides offre une disponibilité et une autonomie inégalées à ce jour. Les potentiels de réduction de consommation sont importants aussi bien au niveau du moteur que de ses auxiliaires (véhicules équipés de moteurs thermiques à 2l/100 km). Ces gains bénéficieront aux véhicules à motorisations hybrides et pourront être amplifiés par une réduction de la demande énergétique par kilomètre parcouru (allègement, aérodynamique, résistance au roulement, puissance absorbée par les auxiliaires). 40
Les grandes tendances Les projections les plus récentes montrent que les véhicules à motorisation thermique et sobre en consommation d énergie primaire continueront d occuper une place prépondérante à l horizon 2030. A l horizon 2050, le parc de véhicules à propulsion thermique et hybride thermique électrique restera majoritaire avec des fluctuations locales selon les zones géographiques et les usages. Il convient d insister sur les contraintes économiques prégnantes de ces nouvelles stratégies incontournables dans un contexte international concurrentiel durable. On insiste sur les pistes d emplois émergents qui sont associées à cette dynamique de transition énergétique. Il y a un mythe selon lequel l action climatique coûtera très cher alors que l inaction coûtera beaucoup plus cher, Ban Ki-moon, secrétaire général des Nations unies, novembre 2014. 41
Conclusion Cinq enjeux stratégiques Énergie et réchauffement climatique Énergie et pollution Énergie et santé Énergie et économie Énergie et emploi fin 42