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Educauto.org Info Tech n°5 28-05-2003, Michel MARTIN, Lycée Claveille, Périgueu

Educauto.org Info Tech n°5 28-05-2003, Michel MARTIN, Lycée Claveille, Périgueux Page 1 sur 8 Le sous dimensionnement des moteurs dans un but de réduction des consommations (down-sizing). Cette INFOTECH traitera des effets de la réduction de cylindrée sur la consommation des véhicules et montrera comment cette tendance s'inscrit dans les objectifs de limitation des émissions de CO2 du parc véhicule. Nous verrons les incidences de cette évolution sur la technologie des moteurs dans les applications récentes et à venir. Le problème posé La politique de réduction des polluants émis par les transports routiers depuis trente ans porte ses fruits et tend vers des limites quasi asymptotiques qui seront atteintes aux environs de 2020. Le CO2 reste exclu de ces polluants réglementés alors qu'il est fortement impliqué dans l'effet de serre qui "piège" le rayonnement solaire et contribue au réchauffement de la terre. Les quantités de CO2 produites dépendant directement de la masse de carburant consommée, elles sont en constante augmentation (prévision de + 20% à échéance 2020) car le trafic et les activités industrielles n'arrêtent pas de croître. Le CO2 émis serait responsable à 65% de cet effet de serre et les transports routiers produiraient un quart des émissions mondiales de CO2 : les constructeurs automobile se doivent donc de participer à la maîtrise de ces émissions. L'ACEA (association des constructeurs européens d'automobile) s'est engagée à réduire les émissions moyennes des véhicules vendus en Europe à 140 g/km(1) pour 2008. De plus il est prévu de faire un bilan des possibilités technologiques en 2003 et d'envisager la possibilité d'un engagement pour 2012 à 120 g/km. Pour un carburant donné cet objectif fixe directement une valeur de consommation en litre/100 km. Par exemple pour un gazole contenant 85% en masse de carbone, 120 g de CO2 correspond à 120*12/(12+32)= 32,72 g de carbone consommé dans le carburant donc 32,72/0,85 = 38,49 g de carburant consommé en 1 km. La limite de consommation pour ce carburant (de masse volumique 830 kg/m3) serait donc de 3,849/0,83 = 4,63 litres de carburant pour 100km. La difficulté pour respecter cette valeur est qu'elle représente une moyenne et que des véhicules lourds et de fortes cylindrées seront nettement au dessus, ce qui veut dire qu'il faut en concevoir (et vendre) d'autres qui seront en dessous pour rétablir l'équilibre. les objectifs de consommations minimales à atteindre sont donc placés très bas pour des durées de développement relativement courtes. Les voies de développement L'amélioration du réseau routier et la régulation du trafic pourraient permettre une réduction des consommations pour un trajet donné, les guidages par satellites peuvent contribuer à ce progrès. Pour ce qui est du réseau il est en général toujours en retard car un effet pervers fait que le trafic augmente à chaque fois que la qualité du réseau s'améliore. La régulation du trafic qui actuellement se fait de manière informative et non directive a peu de portée. (1) ces valeurs étant mesurées sur banc à rouleaux selon le cycle normalisé européen (NMVEG) correspondant à 11 km de circulation urbaine et extra urbaine. Educauto.org Info Tech n°5 28-05-2003, Michel MARTIN, Lycée Claveille, Périgueux Page 2 sur 8 La configuration du véhicule par ses caractéristiques de masse (M), coefficient de traînée (Cx), maître couple (S), résistance au roulement (Rr) agit directement sur les besoins de puissance motrice donc de carburant. Les gains de Cx ont été très importants mais le gain de consommation attendu a été masqué par une augmentation de la masse des voitures, régulière depuis quelques années, et une surface frontale elle aussi en croissance depuis peu. Les causes en sont des structures plus lourdes pour satisfaire les exigences de sécurité passive (crash- test) et de confort acoustique et un style actuel favorisant les véhicules hauts pour des raisons d'habitabilité. Les progrès des pneumatiques sur le paramètre Rr ont eux aussi été masqués par "l'embonpoint" des véhicules modernes. Le type de carburant décide également la quantité de CO2 émise pour une énergie donnée, par exemple la combustion du méthane (constituant principal du gaz naturel) réduira de 25% la masse de CO2 par rapport à l'essence (pour la même énergie consommée) ceci grâce à sa faible teneur massique en carbone et son fort pouvoir calorifique. Pour des carburants non conventionnels et alternatifs ce calcul devient insuffisant car il faut alors faire une comparaison "du puits à la roue" qui fait un bilan du CO2 en cumulant les étapes de production, de combustion et même de photosynthèse pour les biocarburants. Les seules avancées significatives sont dues actuellement au véhicules GPL et GNV dont le parc croît lentement grâce aux incitations fiscales. Le groupe motopropulseur agit évidemment sur la performance de consommation par plusieurs effets : - Le type d'équipement, diesel ou essence, qui s'est orienté massivement vers le diesel contribue à la réduction des valeurs moyennes. Un gain est encore possible car le diesel reste minoritaire sur les plus petites cylindrées probablement à cause des contraintes de coûts sur les véhicules de ce segment. - Le type de transmission par la multiplication des rapports et l'automatisation des passages permet un gain significatif (boîte robotisée) en optimisant l'utilisation du moteur sur ses zones de meilleur rendement. L'aboutissement de ce principe est la variation continue du rapport de transmission (CVT). - La gestion des énergies de service : les accessoires de confort et de sécurité sont toujours croissant sur les véhicules et l'optimisation de leur consommation énergétique permet des gains notables. Par exemple le remplacement d'une direction hydraulique par une électrique réduit l'impact de cette fonction sur la consommation du véhicule. La production de l'énergie électrique peut aussi être améliorée par une gestion de l'alternateur par le boîtier de contrôle moteur voire un alterno-démarreur permettant une récupération d'énergie lors des phases de décélération. - Le rendement de la transformation énergétique assurée par le moteur : nous avons assisté à un progrès de toutes les fonctions concourant à ce résultat : réduction des frottements (matériaux, qualité d'usinage, équilibrage, évolution des lubrifiants), meilleure maîtrise de la fonction refroidissement (augmentation des températures de service, thermostat piloté, maîtrise des flux internes), calages de distribution variables, optimisation du contrôle moteur grâce aux possibilités des calculateurs (autoadaptativité des cartographies, maîtrise du cliquetis, maîtrise des combustions pauvres, …). Les gains sur toutes ces fonctions trouvent actuellement leurs limites et nous arrivons au stade où de nouvelles Educauto.org Info Tech n°5 28-05-2003, Michel MARTIN, Lycée Claveille, Périgueux Page 3 sur 8 solutions techniques dites "en rupture" par rapport aux anciennes doivent être mises en place. Ce sont, par exemple, les moteurs en charge stratifiée (mélange hyper-pauvre), les commandes de soupapes electro-mécanique (camless), l'hybridation du GMP (thermique + électrique), voire d'autres types d'énergie embarquée (hydrogène, pile à combustible, …). Toutes ces solutions seront longues à appliquer sur les moteurs des petites gammes à cause de leurs coûts de développement, c'est pourquoi la situation actuelle incite les constructeurs à pousser "au bout" les solutions actuelles pour retarder le saut technologique. Avec cette politique il est difficile d'avoir des gains sur les rendements maximum des moteurs. Par contre des progrès sont possibles sur toutes les charges partielles qui représentent la majorité du temps d'utilisation d'un moteur. Le sous- dimensionnement du moteur est typique de cette stratégie et nous allons en examiner les fondements. Courbes iso-consommation d'un moteur et consommation du véhicule Dans tout le champ d'utilisation d'un moteur il est nécessaire de connaître sa performance de consommation spécifique qui est l'image de son rendement global(2). Les résultats sont présentés de la manière suivante : Nous observons que la Cse augmente lorsque la charge diminue donc les meilleurs rendements ne peuvent être atteints que sur des pleines charges ce qui est une situation assez rare pour une utilisation tourisme. (2) Dans le système d'unités S.I. nous pouvons démontrer que g η Cse Pci. . = 1 (avec Pci ; pouvoir calorifique du carburant en J/kg, Cse : consommation spécifique du moteur en kg/W.s et g η : rendement global du moteur. Ce qui permet d'écrire que g η = K/Cse donc que la Cse est bien l'image "inversée" du rendement. Carburant : 45,98 MJ/kg 830 kg/m3 Ce(mN) Moteur V6 diesel injection directe de 2,5 l de cylindrée N (tr/mn) Cse (g/kW.h) Couple pleine charge Educauto.org Info Tech n°5 28-05-2003, Michel MARTIN, Lycée Claveille, Périgueux Page 4 sur 8 Relation rendement-charge La diminution du rendement avec la charge s'explique par plusieurs facteurs : 8 Les pertes par frottement sont peu influencées par la charges. Elles sont fonction avant tout du régime, donc lorsque l'énergie introduite diminue, elles prennent proportionnellement plus d'importance ce qui diminue le rendement. 8 Sur un moteur essence, la réduction de charge se fait par fermeture du papillon des gaz ce qui fait chuter la pression tubulure à des valeurs très faibles. Cette dépression produit un travail négatif sur le piston lors de la phase admission. Ce travail dit "travail de pompage" est la principale cause de chute du rendement du moteur essence aux charges partielles. 8 Sur un moteur diesel, le travail de pompage uploads/Management/ down-sizing.pdf