Les véhicules de tourismes seront bientôt équipés d’un système d’injection à eau. Des études montrent, sans surprises, que le remplissage manuel du système ne ferait pas l’unanimité parmi les utilisateurs. L’ Audi TT-S, qui sert de véhicule démonstrateur à FEV, dispose d’une injection d’eau. La voiture montre des consommations d’eau de 1,0 à 1,5 l/100km. L’objectif pour le développement du système est de collecter au minimum la quantité de 1,5l/100km.
Il y a trois sources principales à bord pour la collecte de l’eau : condensat de climatisation, eau de surface et condensat des gaz d’échappement. Parce qu’un litre d’essence brûlé stoechiométriquement conduit à environ 1 litre d’eau, les gaz d’échappement sont la seule source indépendante et donc la solution la plus prometteuse.
Afin de démontrer qu’il y a toujours suffisamment d’eau pour le système d’injection, FEV Europe GmbH et Hanon Systems Deutschland GmbH ont développé un modèle de simulation permettant de prédire le condensat de gaz d’échappement récupérable et de le comparer avec la quantité d’eau injectée. Pour démontrer la fonctionnalité complète du système, un véhicule de démonstration pour la récupération automatique de l’eau des gaz d’échappement a été construit. Le système de récupération de l’eau est appelé « Water Harvesting System » (WAHASY).
Objectif de développement du WAHASY
Le WAHASY a été développé pour obtenir un fonctionnement en « boucle fermée » (par exemple, la production d’eau à bord en utilisant les gaz d’échappement). Son principal objectif est de fournir suffisamment d’eau à l’état liquide pour répondre aux besoins en eau nécessaires au fonctionnement du moteur. Un encombrement additionnel a été mis en place dans l’espace disponible du véhicule afin de récupérer une quantité suffisante d’eau.
La condensation nécessite l’obtention d’une température de gaz en aval du WAHASY qui doit être inférieure au point de rosée de la vapeur d’eau. Pour simplifier, le point de rosée est considéré comme étant à environ 52 °C (sans humidité ambiante, pression de 1 bar (abs.) et sans injection d’eau (WI) – tous les autres paramètres influençant le développement sont également pris en compte, comme l’injection d’eau, l’humidité ambiante et autres).
L’atteinte de cet objectif dépend de l’efficacité de l’échangeur (HEX) en fonction de la température d’entrée des gaz, du débit des gaz d’échappement, de la température et du débit de liquide de refroidissement. La séparation de l’eau dépend du type du récupérateur, de la taille des gouttelettes et de la vitesse du gaz. Des expériences spécifiques ont été menées pour estimer cet aspect pour les séparateurs inertiels.
Les dimensions d’origine du véhicule restreignent la taille du système, et étaient l’une des conditions limites pour son développement complet.
Présentation du concept
Divers concepts de stratégies de refroidissement et de récolte ont été étudiés et évalués. Le but était d’utiliser le véhicule démonstrateur de FEV, l’Audi TT-S. Il est déjà équipé d’un système d’injection d’eau (« Port Water Injection » – PWI).
En utilisant une approche morphologique, plusieurs modèles de condensation de vapeur ont été étudiés, en considérant une variation de la chaleur extraite par un échangeur (refroidi par air), une boucle de liquide de refroidissement haute température (HT) et un circuit de liquide de refroidissement basse température (LT). Les positions du catalyseur à trois voies et du filtre à particules par rapport au système WAHASY ont également été conservées. Les critères de la matrice de décision étaient les suivants :
– Limiter la complexité du système
– Augmenter la compacité de l’ensemble
– Maximiser la performance thermique
– Minimiser la chaleur dissipée par la boucle de liquide de refroidissement LT
– Minimiser les coûts
Finalement, il a été choisi de remplacer le silencieux d’échappement par le WAHASY. Il était couplé avec une dérivation des gaz d’échappement, contrôlée par un papillon d’échappement. Le refroidissement s’effectue par un système à deux étapes (HT HEX initial suivi d’un second LT HEX) pour condenser la vapeur d’eau. Un troisième dispositif, le récupérateur (« Harvester ») est destiné à séparer les gouttelettes de condensat du flux de gaz d’échappement. Une vue d’ensemble complète du système est présentée à la Fig. 1.
De plus, le véhicule est équipé d’un filtre à particules (FAP) et d’une boucle de liquide de refroidissement LT supplémentaire. Des conduits de liquide de refroidissement à l’arrière, des pompes de liquide de refroidissement électriques supplémentaires et une commande électronique pour tous les appareils (y compris le clapet de dérivation des gaz d’échappement) sont prévus. Le clapet de dérivation est utilisé pour contourner le débit des gaz d’échappement du WAHASY, réduisant ainsi la contre-pression dans les zones à haute charge et à haute vitesse de la cartographie moteur. L’intégration du système final dans le véhicule est illustrée à la Fig. 2.
Méthodologie et résultats
L’étape initiale du projet consistait à se concentrer sur le développement d’un modèle numérique, capable de simuler le modèle complet du véhicule, y compris :
Après l’intégration du WAHASY dans l’AUDI TT-S, différents cycles de conduite ont été effectués sur piste ou sur voie publique pour démontrer la précision du modèle de simulation.
Sur la Fig. 3, la ligne supérieure montre les résultats de la masse totale d’eau dans les gaz d’échappement, l’eau condensée et l’eau injectée dans le système WI pour plusieurs cycles de conduite avec l’Audi TT-S. Les résultats de la simulation comparent également l’eau effectivement condensée et l’eau nécessaire à l’injection.
On constate que, dans toutes les conditions de fonctionnement, il est possible de condenser plus d’eau qu’il n’en faut. Il en résulte que le WAHASY est actuellement surdimensionné pour la voiture choisie. C’est pourquoi plusieurs autres données d’entrée du véhicule ont également été simulées avec des véhicules (Fig. 3, ligne 2-3), des moteurs et des profils de conduite différents pour les mêmes dimensions du système.
Les chiffres montrent que la taille du WAHASY est bien plus grande que nécessaire pour tous les cycles de conduite, conducteurs et véhicules considérés. Plusieurs des conditions limites, comme la température ambiante chaude, ont également été étudiées. La taille du système peut être optimisée pour des applications futures en fonction des exigences des constructeurs et des scénarios les plus pessimistes. Ainsi que les stratégies de fonctionnement du système de dérivation.
Un autre point important est la qualité du condensat. Les problèmes de fiabilité des injecteurs d’eau qui peuvent être causés par l’utilisation du condensat non filtré ont également été pris en compte. À cette fin, des échantillons de condensat d’eau ont été prélevés pendant le fonctionnement du véhicule et analysés.
L’analyse du condensat portait sur ses particules et sa qualité chimique comme son pH, sa conductivité, et ses composés chimiques.
L’étape suivante a été de vérifier que la composition chimique et physique du condensat n’impacte pas la fiabilité des injecteurs d’eau. Une analyse visuelle a montré que le liquide est incolore, clair, et ne présente qu’une légère odeur d’ammoniac.
Quelques rares précipités sombres ont été trouvés. Le pH se situe entre 7 et 9. Des analyses plus poussées ont montrées une très légère quantité de métaux, une grande concentration d’acétate, et quelques ions benzoate. Les précipités formés présentaient très peu de particules.
Conclusion et prochaines étapes
Le projet WAHASY a démontré la possibilité d’un système autonome, capable de condenser et de récupérer suffisamment d’eau pour permettre une stratégie d’injection d’eau « sans entretien » et « indépendante de l’utilisateur ».
Le système de condensation et de récupération d’eau, WAHASY, a été prouvé par des essais sur moteurs et sur véhicules. Il a été démontré qu’une quantité suffisante d’eau pouvait être condensée et récoltée. Des méthodes analytiques et des modèles de simulation ont été développés et un véhicule a été modifié avec le WAHASY embarqué (Démonstrateur Audi TT-S WI de FEV). Il peut être utilisé pour d’autres études et peut être adapté à tout autre véhicule.
La qualité du condensat des gaz d’échappement a été étudiée, en analysant sa pureté et sa composition chimique. Les résultats de ces premières investigations démontrent clairement le potentiel de cette technologie, qui permet une large diffusion sur l’injection d’eau en éliminant la nécessité de remplir un fluide supplémentaire.
Dans un proche avenir, des essais supplémentaires en soufflerie climatique permettront d’effectuer des recherches approfondies sur les volumes de condensat dans diverses conditions ambiantes. La comparaison de l’efficacité de condensation requise avec l’efficacité réelle de cet échantillon WAHASY de « première génération » a révélé la possibilité de réduire considérablement la taille du système sans limiter son potentiel. La simplification et la réduction des dimensions de l’ensemble permettront de prendre en charge des applications avec différents moteurs et systèmes d’échappement.
Les émissions de l’échappement n’ont pas été étudiées au cours de l’étude initiale, mais des essais sont en cours en vue d’autres optimisations. Comme le démontre une autre étude, le WI a un impact positif sur les émissions de NOx, mais peut créer une certaine augmentation des HC imbrûlés. Ce problème se pose surtout avant que le catalyseur à trois voies n’ait atteint sa température optimale. D’autres études ont indiqué qu’un lavage partiel des HC imbrûlés peut être obtenu par condensation d’eau. Comme l’eau n’est pas injectée pendant le démarrage à froid mais que le WAHASY peut être utilisé, cela pourrait permettre un avantage en termes d’émissions.
De plus, les techniques antigel doivent être étudiées pour que le système soit fiable dans toutes les conditions météorologiques. Néanmoins, les solutions déjà existantes pour d’autres fluides (par ex. AdBlue) peuvent être réutilisées si nécessaire.
Enfin, une collecte autonome de l’eau permet d’introduire l’injection d’eau comme future technologie d’amélioration de la consommation de carburant sans gêner l’expérience de conduite des clients finaux.
Merci d’avoir lu cet article ! N’hésitez pas à le commenter, le liker ou le partager. Vous êtes les bienvenus sur notre site web et notre page LinkedIn.
A bientôt!
Article rédigé par:
Matthias Thewes thewes@fev.com
Tobias Voßhall VKA, RWTH Aachen University, Germany
Guillaume Hébert, Jiří Bazala, Oliver Fischer, Jürgen Nothbaum – Hanon Systems and Peter Diehl – Consultant, Cologne, Germany
Traduit par Maxime Fagon et Benoît Hautier
FEV en France 