Utilisation Rationnelle de l’ÉNERGIEdans les Moteurs à Combustion
Interne et ENVIRONNEMENT
Contraintes et Mise au Point desVéhicules « Flex-Fuel »
Conférence SIA 13 Mars 2007
Bertrand HAUET - RENAULT SA
Direction du Contrôle et de la Mise Au Point
!
"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 »
!
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 » capablesde fonctionner avec un mélange variable
d’Essence et d’Ethanol
ETHANOL : Source d’Énergie pour le Transport
!
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 »
!
• 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)
« Flex-Fuel » : taux variable d’essence et d’alcool
!
LE CARBURANT : Caractéristiques physico-chimiques
Ethanol Essence
Formule C2H5OH CxHy
Rapport H/C 3 1,9Densité (g/cm3) 0,79 0,75Pouvoir Calorifique Inférieur (kJ/kg) 26 900 42 500Tension de Vapeur Reid (kPa) à 37,8°C 16 60Rapport air-carburant stoechiométrique 9 14,5chaleur latente de vaporisation (KJ/Kg) 845 420Indice d'Octane RON 110 95
Propriétés comparées de l'Ethanol et de l'Essence
!
Octane apporté par l’Ethanol
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Teneur en éthanol (%)
Ga
in R
ON
/MO
N
RON calculé
MON calculé
Source : Groupe TOTAL
!
Variabilité de la Volatilité
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Alcohol in Gasoline [%]
TV
[kP
a]
Ethanol [kPa]Source: SAE Paper 852116
TV Essence seule
!
Pouvoir Calorifique Inférieur
Carburants éthanolés :PCI = f(teneur en éthanol)
20000
25000
30000
35000
40000
45000
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Teneur volumique en éthanol (%)
PC
I (kJ
/kg
car
bu
ran
t)
2700
2800
2900
3000
3100
3200
Co
nte
nu
én
erg
étiq
ue
(kJ/
kg a
ir à
Ri=
1)
!
"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 »
!
Les Adaptations du Moteur
Soupapes nitruréeset
Sièges de soupapes renforcés
Injecteurs à débit augmenté
Piston graphité
!
Les Adaptations du Véhicule
Sondes à oxygène
Calculateur moteur
Matériaux du réservoir et
du circuit carburant
Canister et tuyaux
!
"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 »
!
Les impacts sur le Contrôle Moteur
• Reconnaissance du carburant : estimation ou mesure du taux d’alcool
• Gestion des richesses, Avances et Quantités Injectées enfonction 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
!
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
!
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%
!
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
!
"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 »
!
Performances
Consommation
Dépollution
Démarrabilité à chaud & à froid
Agrément
Les Prestations de la Mise Au Point
" A garantir de E0 à E85 /E100
!
La Mise Au Point des prestations
PERFORMANCES :
# Le RON plus élevé et la chaleur latente de vaporisation permettent des avances àl’allumage plus élevées pour l’exploitation des fortes charges à chaud
# Les limites de débouclage de richesse sontrepoussées à chaud
!
Exploitation de l’avance à l’allumage
!
PERFORMANCES : avantages
0
5
10
15
20
25
30
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
régime [tr/mn]
A_V
ol [
deg
.V]
E 0
E 85
Avances exploitables à fortes charges
!
80
85
90
95
100
105
110
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
régime [tr/mn]
Co
up
le [
Nm
]
PERFORMANCES : avantages
E0
E 85
Environ + 4 % de performances
!
Limites de Débouclage
Régime (tr/mn)Ralenti
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
60000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Charge
Charge à vide Pleine Charge
Cartographie de Richesse EssenceCartographie de richesse E 85
Limites zone Avance optimale
Richesse 1
Richesse > 1
!
PERFORMANCES : avantages
450
500
550
600
650
700
750
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
régime [tr/mn]
T1E
CH
[°C
]Thermique Echappement en pleine charge
E 85
E0
!
PERFORMANCES : contraintes
Ecarts sur les Temps d’Injections
10000,00
11000,00
12000,00
13000,00
14000,00
15000,00
16000,00
17000,00
18000,00
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
régime [tr/mn]
Tem
ps
d'In
ject
ion
[ µ
s ]
E 0
E 85
+ 40 %
!
PERFORMANCES : contraintes
Sollicitations mécanique du moteur
40
45
50
55
60
65
70
75
80
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
régime [tr/mn]
Pm
ax C
ylin
dre
(b
ar)
E 85
E0
!
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 »
!
Consommation
Carburants éthanolés : surconsommation carburant = f(teneur en éthanol)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Teneur volumique en éthanol (%)
Su
rco
nso
mm
atio
n p
ar r
app
ort
à
l'ess
ence
E0
(%)
Surconsommation massique / E0
Surconsommation volumique / E0
!
Consommation
Carburants éthanolés :émissions spécifiques CO2 = f(teneur en éthanol)
70.0
71.0
72.0
73.0
74.0
75.0
76.0
77.0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Teneur volumique en éthanol (%)
Em
issi
on
s sp
écif
iqu
es C
O2
(gr/
MJ)
-7%
-6%
-5%
-4%
-3%
-2%
-1%
0%
Dim
inu
tio
n é
mis
sio
ns
CO
2 /
E0
(%)
!
Consommation & Émissions de CO2
Mesures sur véhicule Mégane équipé d’un moteur 1,6 L
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) 160 151 -6%
Emissions de CO2 (g/Km) "du puit à la roue"* 184 115 -38%
* selon valeurs moyennes d'obtention des carburants
Cycle Europe
!
La Mise Au Point des prestations
Dépollution :
– 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
!
Réponse de la sonde de richesse
Richesse statique
0
0,15
0,3
0,45
0,6
0,75
0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1 1,01 1,02 1,03
richesse condiac
ten
sio
n s
on
des
SONDES - 1 limite riche, 1 limite pauvre - essence/ alcool
Décalage de la richesse de basculement de 1 % pour des fenêtres optimales à 3 %
Alcool
Essence
!
Dépollution
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
time [sec]
VIT
ES
SE
[km
/h]
0
40
80
120
160
T_avt_
cata
[°C
]
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900ah16_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 E85
Températures avant CATA (°C)
ECE1
!
La Mise Au Point des prestations
Démarrabilité :
– 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
!
Effets de la volatilité sur les DémarragesT
emp
érat
ure
(°C
)
PF
PI
E100
T10
T50
T90
Effets de la volatilité d'un carburant sur le rendement moteur
0
20
40
60
80
120
140
180
200
0 20 40 60 80 100
Pourcentage évaporé (%)
Problèmes de
démarrage à froid
Problèmes de
démarrage à chaud
Courbe de distillation d’une essence Europe
!
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
!
Démarrage en E100 sur les véhicules Brésil
En E100, démarrage difficile pour une température ambiante < 15°C
!
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
!
Suède été
Suède hiver
Éthanol (%v.)Sévérité / froid
Ten
sio
n d
e v
ap
eu
r (k
Pa)
Sévéri
té /
fro
id
Comparaison des spécifications
30
40
50
60
70
80
90
100
60 65 70 75 80 85 90
Francehiver France
intersaison
Franceété
Mélanges Ethanol / Spécifications Essence
Carburants Hiver / ETE
!
Démarrages EUROPE en E 85 & E0
00,20,40,60,8
11,21,41,61,8
22,22,42,62,8
33,23,43,63,8
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Températures en °c
Tem
ps
de
Dép
art
au la
ché
de
clé E0
E85 Tvr= 40Kpa
E85 Tvr= 50Kpa
!
Démarrages EUROPE en E 85 & E0
!
#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
La Mise Au Point des prestations
Agrément :
!
AgrémentMasse de carburant évaporée - 2000 tr/min - 3 bars PMI
9
14
19
24
29
34
360 720 1080 1440 1800
Angle Vilebrequin (en °)
Ma
ss
e (
en
mg
)
Masse Inj RON 95 Masse évap RON95 Masse Inj E100 Masse évap E100
Cycle 2 Cycle 3Cycle 1
PMH Adm PMH AdmPMH Comb PMH Comb
ouverture des soupapes d'admission
!
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
!
Réponses en transitoire
Essai à 1500 tr/mn : Température eau/huile = 20 ° CPcol = 500 mbarSaut de Ti : Ri = 0,9 à Ri = 1,1
Essence E 100
!
Réponses en transitoire
En temps En nombre de cyclesEssence < 1 s 7
E85 2,2 s 28
E100 9,2 S 115
Stabilisation de la PMI
!
"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 »
!
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 rendementdes Moteurs à Allumage Commandé
!
Challenges Techniques : BRESIL
1- Norme L5 : passage LEV au 01/01/2009 Tous Types
0,030,250 (2)0,1560,32,0-VP US94
0,020,12 (2)0,050,32,0-VP LEV
0,040,25 (2)0,060,52,7> 1 700
0,020,12 (2)0,050,32,0! 1 700
VUL LEV
Aldéhydes
totaux (4)
(g/km)
NOx
(g/km)
NMHC
(g/km)
HC (1)
(g/km)
CO
(g/km)
Masse de
Réf. (kg) *Catégorie
Véhicule
0,030,250 (2)0,1560,32,0-VP US94
0,020,12 (2)0,050,32,0-VP LEV
0,040,25 (2)0,060,52,7> 1 700
0,020,12 (2)0,050,32,0! 1 700
VUL LEV
Aldéhydes
totaux (4)
(g/km)
NOx
(g/km)
NMHC
(g/km)
HC (1)
(g/km)
CO
(g/km)
Masse de
Réf. (kg) *Catégorie
Véhicule
* Masse de référence = masse du véhicule à vide en ordre de marche + 136 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 80 000 km
2- Attentes du marché : suppression du réservoir additionnel ?
!
Challenges Techniques : EUROPE
Fonctionnement à Froid : assurer le démarrage et la
MEA jusqu’à – 30 °C sans système additionnel
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
Selon les évolutions réglementaires à fixer pour les carburants
alcoolisés pour EURO5 et au-delà :
!
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
!
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