Contraintes d intégration liées à la réduction d émissions et de consommation de carburant en traction autonome Samuel Hibon Mai 2009 TRANSPORT
Sommaire 1st topic Les normes Page 3 2nd topic Evolutions du moteur Diesel Page 5 3rd topic Système de refroidissement Page 10 4th topic Echappement Page 12 5th topic Intégration sur locomotive Page 15 Intégration et normes - P 2
Les normes d émissions Emission Limits Rail Engines > 560 kw NOx + 4,0g/kWh HC EU IIIA (2009) 6,0g/kWh 3,5g/kWh 0,025g/kWh UIC II (2003) NOx 9,5g/kWh 0,5g/kWh 3,5g/kWh 0,20g/kWh EU IIIB (2012) HC 0,8g/kWh CO 3,0g/kWh Bild R41 Partikel 0,25g/kWh Intégration et normes - P 3
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Evolution du moteur diesel Système EGR : baisser les NOx Ajout de vannes EGR pour réinjection des gaz brûlés L objectif est de baisser le niveau des pics de température de combustion pour diminuer la quantité de NOx (qui se forment à haute température). La baisse de température de combustion créé plus de particules Il faut donc utiliser des Filtres à Particules (FAP) La quantité de gaz à refroidir va également augmenter il faut donc un plus gros système de refroidissement Intégration et normes - P 5
Evolution du moteur diesel Système EGR : conséquences Modification du moteur Ajout de FAP Augmentation du refroidissement Consommation de carburant supérieure Crédit : MTU Intégration et normes - P 6
Evolution du moteur diesel Système SCR : retraiter les gaz Retraiter les gaz par injection d urée. Réduction des NOx et pas de particules en plus. Intégration et normes - P 7
Evolution du moteur diesel Système SCR : conséquences Pas de modification du moteur Ajout réservoir d urée et du système d injection Problème de mise en œuvre et de météo il existe une température mini qui dépend directement du milieu ambiant. Pas de différence de consommation de carburant Prix élevé Volume du système important Intégration et normes - P 8 Crédit : HugEngineering
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Conséquences sur système de refroidissement Augmentation des caractéristiques globales Données pour un moteur de l ordre de 2MW : Longueur : + 50% Masse : + 45% Puissance à dissiper : + 25% Crédit : BEHR Intégration et normes - P 10
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Conséquence sur échappement Filtres à Particules Système fermé : Système complet avec DeNOx Crédit : HugEngineering Intégration et normes - P 12
Conséquence sur échappement Filtres à Particules : exemple de brevet La difficulté à intégrer ces nouveaux FAP du fait notamment du volume débouche sur des brevets proposant des solutions techniques au problème Exemple du brevet EP 1 886 892 A1 (SIEMENS) : Intégration du système FAP dans le capot de toiture Crédit : SIEMENS Intégration et normes - P 13
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Intégration sur locomotive Contraintes de volume Le volume de l engin est directement lié aux gabarits rencontrés par les 7,767 m (pour entraxe de 3,57 m) opérateurs sur les voies européennes. 3,57 à 3,67 m gabarit d obstacles 4800 2260 2500 gabarit du materiel roulant 3290 4310 3250 Crédit : ALSTOM Intégration et normes - P 15 2000 à 2100 1437
Intégration sur locomotive Contraintes de volume La largeur et la longueur dépendent de l écartement entre les voies mais également des passage en courbe : Crédit : SNCF Intégration et normes - P 16
Intégration sur locomotive Contraintes de masse La masse totale d une locomotive est aussi liée à la voie ; il existe des masse maxi à l essieu à ne pas dépasser : 22,5t/essieu sur voies classiques (Europe) pouvant descendre à 21,5 (voire 21t/essieu) 17,5 t/essieu sur LGV Une locomotive à 4 essieux (BoBo) devra donc avoir une masse maxi entre 86 et 90t. L augmentation de masse des sous- systèmes intégrés est donc problématique en terme de bilan masse et nécessite des «cures d allègement» difficile à mettre en œuvre Intégration et normes - P 17
Intégration sur locomotive Contraintes de bruit Les spécifications techniques européennes imposent également des valeurs de bruit maximum : En cabine de conduite A l extérieur de l engin L augmentation de la puissance de refroidissement demande donc une plus grande ventilation avec de plus gros ventilateurs. Le bruit généré est plus important et il faudra installer les protections nécessaires Intégration et normes - P 18
Intégration sur locomotive Contraintes thermiques La température en salle des machines ne devra pas dépasser un certain niveau (par exemple 50 C). Le moteur chauffe plus du fait de l installation du EGR ou du SCR Augmenter les puissances à refroidir, les dimensions des sous systèmes, etc. ne va pas dans le bon sens. Il faudra donc prendre en compte ces données pour augmenter la puissance de ventilation de la salle des machines et des électroniques. Intégration et normes - P 19
Intégration sur locomotive : conclusion Exemple du passage au stage 3B sur une locomotrice L augmentation des volumes du FAP et du refroidissement ne permettent plus l intégration du sous système «vert». Une étude se verra nécessaire. Le problème de masse nécessite des allègements globaux sur la caisse et les sous systèmes présents Crédit : ALSTOM Intégration et normes - P 20
Réduction de la consommation Pilotage optimisé du moteur On pilotera le moteur est les «consommateur s» pour rester dans la zone optimale de la fuel map On coupera par exemple, au ralenti, 8 cylindres sur 16 pour diminuer la consommation. Intégration et normes - P 21
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