www.irstea.fr
Pour mieux
affirmer
ses missions,
le Cemagref
devient Irstea
Conférence CNAM – SIA 2013: Utilisation rationnelle de l’énergie et environnement
26 mars 2013 26 mars 2013
Frédéric Vigier,
Délégué à l'expertise, Irstea
Conseiller technologique, SIMA et SITEVI
Les agroéquipements: spécificités et voies d’amélioration de leur efficacité énergétique
Stéphanie Lacour, Christophe Burgun, Adrien Sabourin, Sylvain Descloux,
Equipe « efficacité énergétique des machines thermiques », LGP2ES – Irstea
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SIA2013
26/03/2013
Les agroéquipements; spécificités et voies d’amélioration de leur efficacité énergétique
� Machines agricoles :
- Fonctions et indicateurs de performance énergétiques
�Moteurs:
- caractéristiques
- carburants
- pollution
�Transmission de puissance:
- boîte, roue, adhérence
- outil: prise de force, hydraulique, électrique
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26/03/2013
� Echelle macro économique: choix de mécanisation
Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
Organisation:
- individuel
- cercle d’échange
- coopérative de matériel: CUMA- entreprise de travaux: EDT
Choix d’investissement:- dispositifs fiscaux
- de 50 kE à 500 kE selon les machines
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26/03/2013
Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
� Fonction « transport – déplacement »
l/km
Rayon d’action
- saison: matériel de récolte = 12 km- journalière: ferme-parcelle = 2.2 km
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� Fonction « transport – marchandise »
Rayon d’action : (silo, stockage) – parcelle: 2-10 km
Masse transportée: de 3 à 20 tonnesLimitation de vitesse
Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
P = F.v
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� Au champs: traction pure
Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
P = F.v
Un tracteur est capable de tirer son
poidsSa puissance en traction est limitée par
l’adhérence ou la puissance du moteur
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26/03/2013
Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
� Au champs: traction pure
La performance énergétique s’apprécie - en énergie : consommation surfacique- en puissance: vitesse d’exécution des travaux
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� Au champs: traction et prise de force
Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
P = F.v + C ω
Répartition:
de 25 à 50 % de la puissance mécanique pour la traction
de 50 à 75% pour l’animation d’outil
La force de traction est moins importante qu’en traction pure
Un couple est produit en sortie arrière du tracteur, à la prise
de force
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� Au champs: traction et prise de force
Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
Pour un cultivateur, selon la vitesse d’exécution et la profondeur de travail, le tracteur consomme de 1 à 3 fois plus d’énergie
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� Au champs: traction, prise de force et hydraulique
Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
P = F.v + C ω + q. P
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Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
Exemple des consommations typiques d’un tracteur
de 150 Ch pour différents outils
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� Tracteur ou moteur thermique « fixe » ou valet de ferme
�Irrigation
�Déchiqueteuse
(280 ch pour 60 m3/h)
(25 à 95 ch)
�Manutention,
distribution du fourrage
Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
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Motorisation
Les agroéquipements; spécificités et voies d’amélioration de leur efficacité énergétique
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Les agroéquipements : motorisation
* Moins de 5 litres:
moins de 100 Ch
* 7/8 litres:
entre 100 et 180 Ch
•Plus de 12 litresau delà de 180 Ch
Une puissance en constante augmentation10 ch en 10 ans, 20 ch en 20 ans
Le tracteur moyen grossit
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Les agroéquipements : motorisation
Exemple d’un résultat d’essais OCDE 2012
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Les agroéquipements : motorisation
Du diesel, avec :
- un couple de 500 Nm pour 100 KW
- une forte réserve de couple pour supporter les variations
de charges
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Les moteurs sont en général turbocompressés, avec refroidissement d’air
Intermédiaire.
On trouve encore des moteurs atmosphériques sur les petits modèles, maisceux-ci tendent à disparaitre
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Les agroéquipements : motorisation
Ventilateur et refroidissement
Avec les ventilateurs visco-statiques, la puissance de refroidissement
n’est pas directement proportionnelle au régime moteurLa puissance de refroidissement peut atteindre 15 kW pour un tracteur
délivrant 110 kW à la prise de force
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Les agroéquipements : motorisation
Carburant : contraintes globales
- Stockage et approvisionnement:
de 3 000 à 200 000 litres par an et par exploitation
- Autonomie et ravitaillement
8 heures / jour à 15 l/h → 120 litres
15 heures / jour à 40 l/h → 800 litres
- Composition / Stabilité / Qualité
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Les agroéquipements : motorisation
Carburant : contraintes réglementaires
En 2011 application de la directive 2009/30/CE
remplacement du fioul domestique soufre: 1 000 mg/kgpar du gazole non routier (GNR) soufre : 10 mg/kgdestiné
- aux engins mobiles non routiers, - aux tracteurs agricoles et forestiers,-aux bateaux de navigation intérieure et aux bateaux de plaisance lorsqu’ils ne sont pas en mer
Spécification identique au routier, à l’exception de la couleur
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Les agroéquipements : motorisation
Carburant et biocarburants
Valorisation en circuits courts
►Flex-fuel diesel + huile végétale pure:
John Deere, SameDeutz ….
Procédé de production local et moteur
►Dual-Fuel diesel + biogaz:
Valtra (AGCO SISU POWER), ….
Méthanisation à la ferme et moteur
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Les agroéquipements : motorisation
Carburant: Autres énergies
► Electricité stockée en batterie
Recharge sur réseau EDF
► Hydrogène + Pile à combustible
Procédé de production localet motorisation éléctrique
Production d’électricité
Exploitation agricole
Electrolyse et
stockage hydrogène
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AnnéeLégislation européenne
Législation américaine
1999Stage I Tier 1
2002Stage II Tier 2
2006Stage IIIa Tier 3
2011Stage IIIb Tier 4i
2014Stage IV Tier 4
Les agroéquipements : motorisation
Pollution et réglementation
Vue d'ensemble des pays liés à la directive sur la réduction des émissions à l'échappement.
Comparatif des législations
européenne et américaine
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Les agroéquipements : motorisation
Pollution et réglementation
Puissance du moteur
(kW)
PhaseDate de mise en œuvre
CO (g/kWh)
HC (g/kWh)
NOx (g/kWh)
HC+NOx (g/kWh)
PM (g/kWh)
130-560
Phase III A 31/12/05 3.5 - - 4.0 0.2
Phase III B 31/12/10 3.5 0.19 2.0 - 0.02
Phase IV 31/12/13 3.5 0.19 0.4 - 0.025
75-130Phase III A 31/12/06 5 - - 4.0 0.3
Phase III B 31/12/11 5 0.19 3.3 - 0.02
56-130 Phase IV 31/09/14 5 0.19 0.4 - 0.025
56-75 Phase III B 31/12/11 5 0.19 3.3 - 0.02
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Les agroéquipements : motorisation
Procédés de dépollution: SCR « Selective Catalytic Reduction »
Principe: le procédé de
réduction catalytique sélective, transforme les NOx en azote et eau par injection » dans
l’échappement d'une solution
aqueuse d'urée synthétique
«AdBlue® »,
Avantage: maintien combustion
optimale � rendement moteur conservé
Inconvénient: Réservoir
additionnel pour « AdBlue® » + coût solution
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26/03/2013
Les agroéquipements : motorisation
Procédés de dépollution: EGR « Exhaust Gas Recirculation »
Avantage: pas de second réservoir
pas d’additif supplémentaire
Contrainte: le recyclage des gaz d'échappement nécessite un filtre à
particules sur l’échappement plus complexe qu'un catalyseur car les particules collectées par les filtres doivent être brûlées régulièrement (régénération)� besoin système adéquat
John Deere Power Systems
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Transmission de puissance
Les agroéquipements; spécificités et voies d’amélioration de leur efficacité énergétique
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Les agroéquipements : transmission de puissance
Rappel des fonctions à assurer
ROULER TIRER / POUSSER
LEVER ANIMER
Transmission du moteur au roues
X X
Prise de force X
Hydraulique X X
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Les agroéquipements : transmission de puissance
Contraintes liées à la diversité des travaux et aux trois natures du sol:
- Parcelles (sols meuble avec ou sans cultures , de constitution
pédologiques et de structure variables)� V = 3 à 15 km/h
� variations du couple au travail importantes( lié à : effort de traction + couple prise de force + pression hydraulique)
� besoin de nombreux rapports voire de changement de
rapport sous charge
� contact pneumatique-sol spécifique et très variable
- Chemins (de terre, empierrés ,,) � V = 3 à 30 km/h
- Routes (bitumées, de largeurs variables) � V = 3 à 30 km/h
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26/03/2013
Les agroéquipements :transmission de puissance
Rapports de boites de vitesses: exemple de typologie d’utilisation
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26/03/2013
Les agroéquipements : transmission de puissance
Adhérence des pneumatiques
Pour les pneumatiques « dits » agraires :
- Amélioration de l’adhérence par protubérances (barrettes ou crampons) ���� entrainement par obstacle proche système «pignon-crémaillère»
- structure renforcée � utilisation possible à faible pression, pour limiter le
tassement du sol et compenser le manque de suspension
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Les agroéquipements : transmission de puissance
Arrivée du pneu capteur
Pneu doté de capteurs pour estimer simultanément des
paramètres liées:- au véhicule (charge, couple),
- au sol (portance) sur lequel il circule
Intérêt pour::- amélioration de la sécurité et des performances
énergétiques,
- suivi des dégradations et/ou régénérations du sol ...
• EP1785287 (IT, DE, HU, GB, FR) -System forcharacterising the action of a vehicle tire on the ground and for characterising the ground.• FR2892972 - Système de caractérisation de l’action d’un pneumatique d’un véhicule sur le sol et du sol lui-même.
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Les agroéquipements : transmission de puissance
Prise de force: cahier des charges:
- Permettre la connexion d’arbres à cardans pour la transmission de puissance du tracteur aux outils animés
� standardisation / normalisation des positions, formes et dimensions
de l’arbre de sortie du tracteur,
- Adapter le régime de la transmission de puissance aux divers outils
pour respecter les contraintes mécaniques liées à leur conception et à
la qualité du travail attendue � plusieurs régimes normalisés
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Les agroéquipements : transmission de puissance
Régimes constants normalisés
- 540 tr/mn: : le plus répandue � régime du moteur proche du régime
nominal (en général aux alentours de 2000 tr/mn).
- 750 tr/mn: également nommé 540 E (E pour économique) � 540 tr/mn
à bas régime moteur (environs 65 % du régime : 1600 tr/mn). Pour
besoin faible puissance (fenaison, épandage d’engrais, pulvérisation, etc.). Permet de réaliser de sérieuses économies de carburant.
- 1000 tr/mn: surtout utilisé par les tracteurs de fortes puissances
(supérieur à 120 – 140 ch.). � couple transmis plus faible (P= C , ω)
donc lignes d'arbres de plus faibles dimensions moins encombrantes.
- 1400 tr/mn: régime également nommé 1000 E (E pour économique) �.mêmes objectifs que le régime 750 tr/mn,
- Régime "proportionnel à l'avancement": de moins en moins utilisé.
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Les agroéquipements : transmission de puissance
Hydraulique: cahier des charges:- Pression débit et puissance pour:
* relevage(s), vérins et moteurs hydrauliques des outils attelés,
* composants et asservissements du tracteur (ex: CVT )- Optimisation des débits, pressions et puissances disponibles/
demande des outils
- Limitation des pertes de charges et des températures d’huiles � système de refroidissement de l’huile
Exemple de Puissance maximale actuelle:( Extrait des résultats d’essais OCDE):
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26/03/2013
Les agroéquipements : transmission de puissance
http://www.poclain-hydraulics.com/fr/systemes/agriculture
Hydraulique: des utilisations omniprésentes
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26/03/2013
Les agroéquipements : transmission de puissance
HybrideDARIO DEVELOPPEMENT
Automoteur de débroussaillage
hybride radiocommandé
BONFIGLIOLI TRANSMISSIONS
Motoréducteur électrique pour
transmission haute puissance sur
véhicules agricoles hybrides ou tout électrique
KREMER ENERGIETracteur enjambeur électrique T4E 100 ch - Autonomie de 8 h 00
Motoréducteur électrique
Electrique: en émergence forte
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26/03/2013
Conclusion et perspectives
Les agroéquipements; spécificités et voies d’amélioration de leur efficacité énergétique
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SIA2013
26/03/2013
Les agroéquipements : conclusion et perspectives
Des motorisations thermiques:
* moins de pollution et moins de carburant* usage de carburants alternatifs
* énergie calorifique de l’échappement
récupérable
( fortes charges � 300 à 500°c à l’échappement)
� Champ d’étude/recherche à approfondir
dans ce secteur d’activité
Des procédés de conversion d’énergie
JOHN DEERE
Tracteur polycarburant propre
tracteur
Evolutions
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26/03/2013
Les agroéquipements : conclusion et perspectives
- des stratégies d’utilisation et d’équipements
- Des méthodes de conception:
Ecoconception , Sécu-conception
- Des moyens de contrôle des machine et
des flux d’information � Augmentation: *des usages de l’informatique et
l’électronique embarquée (ex: Isobus)
*Des services à distance aux
utilisateurs (réglage, Maintenance ,,,,,,)
CLAAS
Application Terminal Universel Isobus pour tablettes
Mais aussi évolution:
www.irstea.fr
Pour mieux
affirmer
ses missions,
le Cemagref
devient Irstea
Conférence CNAM – SIA 2013: Utilisation rationnelle de l’énergie et environnement
26 mars 2013
Frédéric Vigier,
Délégué à l'expertise, Irstea
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MERCI DE VOTRE ATTENTION
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26/03/2013
Les agroéquipements : analyse fonctionnelle
Source ITB
Récolteuse de betterave
Stock