Toujours plus de puissance en respectant les normes de pollution
200 kW/l à richesse (lambda) 1
Les réglementations toujours plus strictes en matière d’émissions encouragent les constructeurs à concevoir des moteurs à essence plus « propres » en conditions réelles de conduite. Parallèlement, les exigences en termes de performance augmentent. Les moteurs à essence intègrent de plus en plus de composants électriques pour réduire leur taille ; la cylindrée des moteurs les plus puissants est réduite pour abaisser les émissions de CO2. Cet article présente le compromis idéal entre puissance désirée et richesse 1 sur tout le champ moteur.
Pourquoi une cible de richesse 1 sur tout le champ moteur ?
Dans les moteurs à essence actuels, toutes les pièces constituant la ligne d’échappement doivent être protégées contre les températures excessives par une augmentation de la richesse (soit un mélange mesuré par la sonde 0² >1 / lambda < 1). Mais ce choix n’est pas sans conséquences :
• La consommation de carburant à haut régime augmente de manière exponentielle
• Plus le mélange est riche, plus les émissions de CO augmentent et lorsque le moteur tourne hors de la plage de fonctionnement avec un ratio lambda = 1, le catalyseur à trois voies perd son efficacité.
• La norme Euro 6d-Temp ne limite pas les émissions de CO en condition de conduite réelle (RDE) mais impose leur mesure et leur enregistrement (Monitoring)
• En plus du suivi du CO lors du processus d’homologation, des ONG étudient également les émissions de CO en condition de conduite réelle.
• Le règlement RDE package 4 a introduit le concept AES (Auxiliary Emission Strategies) concernant des facteurs comme l’enrichissement du mélange, mais leur utilisation ne peut être que temporaire. L’objectif de richesse 1 entraînerait une perte de performance et réduirait la puissance des moteurs essence à 65 kW/l environ. Nous avons donc besoin de plus d’innovations technologiques pour améliorer la puissance à richesse 1, notamment :
• Collecteurs d’échappement intégrés (iEM),
• Turbines capables de résister aux hautes températures,
• Cycle de Miller associé à un dispositif de suralimentation comme le turbocompresseur à géométrie variable (VTG) ou le turbocompresseur électrique (eTC),
• Refroidisseur EGR (cEGR),
• Taux de compression variable (VCR). Les résultats sont probants pour les segments grand public de 85 à +100 kW/l. Le développement des systèmes de transmission des véhicules puissants donne plus de liberté en matière de coûts et d’apports technologiques. FEV a donc étudié la question suivante : est-il possible d’atteindre 200 kW/l à richesse 1 ?
Processus de combustion pour atteindre 200 kW/L à richesse = 1
Pour atteindre la puissance de 200 kW/l à R = 1, il faut arbitrer entre suralimentation et cliquetis. C’est ce que permet l’injection d’eau dans la tubulure d’admission. La baisse de la température du mélange, associée à l’enthalpie d’évaporation élevée de l’eau en fin de compression, permet d’augmenter sensiblement le rendement du cycle à haute pression. La figure 1 montre la variation du rapport eau-carburant (WFR) à un régime de 7 800 tr/min-1 avec un mélange stœchiométrique. Avec un taux de compression de 9.3:1, la pression moyenne effective (BMEP) peut être augmentée en injectant plus d’eau et en décalant légèrement le centre de combustion à 30,8 bar. La valeur de 200 kW/l est ainsi atteinte à un WFR de 55 %. Une pression de suralimentation absolue de 3,3 bar est nécessaire – elle peut être fournie par un seul turbocompresseur. La position de l’injecteur d’eau dans la tubulure d’admission a été définie par simulation (3D CFD). Lorsque la distance injecteur-soupape est la plus grande, l’eau est vaporisée sur une trop grande surface, la présence d’eau sur les parois (film) devient trop importante. Lorsque la distance injecteur-soupape est réduite, l’eau présente sur les parois diminue. On n’obtient pas de gain significatif pour une distance inférieure à 60mm. L’analyse de la distribution de température dans la chambre de combustion montre que la position de 60 mm est préférable à celle de 30 mm bien que la température moyenne soit identique. La pression de suralimentation et la charge élevée créent de fortes turbulences, ce qui contraste avec le faible niveau d’étranglement souhaité au niveau des soupapes d’admission. La figure 2 illustre l’utilisation de sièges de soupape usinés en 3D pour atteindre un taux de charge élevé ainsi qu’un coefficient de débit accru.
Une conception résistante aux contraintes thermiques et mécaniques
Un moteur d’une puissance spécifique de 200 kW/l doit pouvoir supporter des contraintes mécaniques et thermiques considérables. La roue turbine est fabriquée en superalliage MAR 246 et peut supporter une température de 1 050 ºC. Comme la roue turbine, les soupapes d’échappement sont soumises à des contraintes thermomécaniques particulièrement élevées. C’est pourquoi on emploie des soupapes d’échappement refroidies au sodium. Une solution optimisée permet de diriger le sodium dans la soupape tout en maintenant la majeure partie de sa structure. Le bloc-moteur en aluminium est à chemise semi-fermée rigide. Il comporte une embase et des chemises en fonte. La pulvérisation d’un revêtement en aluminium garantit une excellente conduction entre cylindre et carter. La forme non conventionnelle du cylindre (free form honing) résout les contraintes thermomécaniques et les déformations qu’elles entrainent sur celui-ci.
Suralimentation hautes performances et périphérie
Le moteur est équipé d’un turbocompresseur par banc de cylindre. La turbine est à géométrie variable ce qui permet de s’affranchir d’une wastegate. Afin de générer la puissance nécessaire au compresseur, l’utilisation de l’intégralité du débit d’échappement sur la turbine permet de réduire le taux de détente nécessaire, et ainsi, réduire la pression amont turbine. Cela permet de réduire les pertes thermiques et les températures de gaz d’échappement y compris au point de puissance maximale. De plus, les soucis d’hétérogénéité de gaz après la turbine créant des contraintes thermiques dans le catalyseur, sont éliminés grâce à un meilleur mélange des gaz. Le compresseur est équipé d’un trim variable et d’un moteur électrique sur l’axe pour dynamiser le comportement en transitoire.
Architecture et électrification du groupe motopropulseur
Le moteur haute performance est intégré à la chaine de traction et se compose :
• D’un moteur à combustion interne de 600 kW
• D’un moteur électrique EM1 30 kW (90 kW pic) en architecture hybride P1
• D’une transmission 7 rapports à double embrayage
• D’un moteur électrique EM2 55 kW (160 kW pic) servant de système d’entraînement électrique (EDU)
• D’une batterie haute tension lithium-ion 120 kW et 4,0 kWh
L’essieu arrière est mû par le moteur thermique et le moteur électrique EM1. Le moteur électrique EM2 est configuré pour servir de système d’entraînement électrique. Pour limiter la masse globale, la batterie haute tension est compacte et a une capacité de 4,0 kWh. Elle délivre pourtant 120 kW à un C-rate élevé de 30. Les caractéristiques de couple des trois moteurs sont illustrées en Figure 3. À hautes vitesses, le moteur thermique est la principale source d’entraînement. Il délivre plus de 85 % de la puissance totale du système (710 kW). La vitesse maximale est atteinte en sixième et est limitée à 350 km/h. L’accélération de 0 à 100 km/h est atteinte en moins de 3 s et sans changement de rapport ; elle est limitée par le couple élevé sur l’essieu arrière. La figure 4 (essai sur le circuit du Nüburgring page suivante) illustre le fonctionnement du groupe motopropulseur. L’énergie est récupérée pendant les phases freinage. L’effet boost du système EM2 (essieu avant) vient soutenir l’accélération en sortie de courbe. Lors des requêtes de puissance maximale et en ligne droite tous les moteurs participent à propulsion véhicule.
Thermo management
Les flux de chaleur générés par les 710 kW de puissance sont gérés conjointement par plusieurs éléments. Le circuit hautes températures (HT) du système de refroidissement du moteur doit dissiper 232 kW. Il utilise pour cela deux radiateurs latéraux. De plus, le refroidisseur d’huile de la transmission évacue 18 kW vers l’extérieur. Le refroidisseur du circuit basse température du moteur électrique EM1 se trouve dans le passage de roue arrière gauche. La chaleur de la batterie est transférée à un circuit de refroidissement via un circuit d’eau intermédiaire. Le circuit de refroidissement évacue ensuite cette chaleur (6 kW) vers l’extérieur. Un second condenseur assure la climatisation de l’habitacle. Enfin, la chaleur du liquide de refroidissement de l’échangeur air/ eau de suralimentation (80 kW au total) est évacuée vers l’extérieur par deux refroidisseurs basse température.
Le contrôle des émissions selon la norme Euro 7
Les réglementations toujours plus strictes en matière d’émissions encouragent une baisse de celles-ci quelles que soient les conditions de conduite :
• Restriction des particules émises à 6 x 1011 en nombre/km x coeff. de conformité en conditions de conduite réelles (RDE) Euro 6d-Temp.
• Stratégies auxiliaires de limitation des émissions (AES) de moins en moins bien acceptées et étude de l’introduction d’un coeff. de conformité pour le monoxyde de carbone (CO) en conditions RDE.
• Réduction significative des plafonds d’émissions polluantes de 50 % par rapport aux limites actuelles de l’Euro 6d-Temp et restriction concomitante du coeff. de conformité à 1, ainsi que des exigences plus rigoureuses sur les distances courtes après un démarrage à froid (< 10 km).
La figure 5 illustre le système de post-traitement des gaz d’échappement (une seule est présentée, la seconde est identique). Le système de post-traitement est équipé d’un catalyseur à adsorption de 1,5 l par rangée de cylindres. Son substrat en céramique à haute capacité thermique stocke les émissions d’hydrocarbures après un démarrage à froid jusqu’à ce que le catalyseur principal ait atteint sa température de light-off. Pour le catalyseur principal, un matériau métallique avec une faible capacité calorifique mais une très grande conductivité thermique a été choisi pour réduire le délai de mise en température. Le volume du catalyseur principal est de 3,5 l par banc de cylindre, sans adsorbeur ni filtre à particules. En revanche, deux éléments chauffants électriques par banc de cylindres ont été intégrés à ce catalyseur. Un filtre à particule imprégné (4WC) d’un volume de 4,0 l est prévu en aval du catalyseur.
(un seul banc illustré, le second est identique)
En espérant que cet article vous aura plu! Il est possible que vous souhaitiez en savoir plus, je ne peux que vous invitez à visiter notre site ou à continuer à lire nos articles.
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