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 (crashtest)
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
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 sousdimensionnement
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 η g .Pci.Cse = 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.
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 augmente aussi légèrement si la
charge diminue mais pas pour les mêmes raisons puisqu'il n'y a pas de vannage
à l'admission. La masse d'air admise par cycle étant considérée constante, c'est
la température des gaz d'échappement qui diminue avec la charge. L'évacuation
des gaz est alors plus difficile lors de la phase échappement car leur masse
volumique est plus importante. C'est la contre pression d'échappement qui crée
alors un travail de pompage et affecte le rendement. Ce phénomène est
quantitativement limité par rapport au moteur à essence.
8 La qualité de combustion peut être affectée par la réduction de charge. Sur un
moteur à essence la masse d'air introduite diminue et les turbulences dans la
chambre de combustion diminue : la combustion est ralentie et les imbrûlés
augmentent ce qui gaspille une partie de l'énergie introduite. Sur un moteur diesel
les conditions de déroulement sont plus stables et le rendement de combustion
peu sensible à la charge.
Consommation d'un véhicule (à vitesse stabilisée)
La connaissance des caractéristiques aérodynamiques du véhicule, de la résistance
au roulement de ses pneumatiques ainsi que des rapports de transmission permet
de trouver l'équation du couple moteur exigé à l'entrée de boite en fonction du
régime moteur qui sera de la forme Cm = A.N2 + B. Voici un exemple pour le
véhicule équipé du moteur précédent se déplaçant sur son dernier rapport.
La démultiplication de 5ème étant connue pour ce véhicule et chiffrée à 53,6 km/h
pour 1000 tr/mn nous pouvons localiser par exemple le point de fonctionnement à
110 km/h à 2052 tr/mn ce qui correspond à un couple moteur de 93 mN. Ce véhicule
exige donc une puissance de 20 kW pour se déplacer à 110 km/h. En vitesse
stabilisée nous pouvons calculer sa consommation au 100 km à partir de la CSE lue
à 270 g/kW.h.
Consommation kilométrique 0,270.20/0,830.1,1 = 5,9 l/100km
Ce qui est une bonne performance pour un véhicule de cette catégorie et qui doit
beaucoup à son S.Cx de seulement 0,505 m2.
Pour un technicien, cette valeur peut paraître décevante puisque ce moteur est
capable d'atteindre un rendement de 0,38 (au point 204 g/kW.h) et qu'il est utilisé,
dans ces conditions, à un rendement de 0,29 seulement ; si la vitesse diminue, cette
valeur sera encore plus basse.
Réduction de la cylindrée sur un véhicule :
Nous allons considérer pour appuyer notre raisonnement que ce véhicule est
maintenant équipé d'un moteur de 1,8 L (les autres caractéristiques n'évoluent pas)
et que le contrôle moteur étant de même qualité les performances de Cse sont
identiques et parfaitement homothétiques à celles du moteur de 2,5 L (en réalité,
pour une cylindrée plus faible, la Cse mini croît légèrement).
La demande de couple du véhicule n'a pas évoluée et le moteur de 1,8 L développe
lui aussi un couple de 93 mN à 110 km/h. Par contre, nous pouvons remarquer que
la valeur de Cse au point 110 stabilisé est de 240 g/kW.h ce qui correspond à une
consommation kilométrique de 5,2 l/100 km (gain de 12 % par rapport au moteur de
2,5 L).
La mobilité du véhicule (facilité à augmenter sa vitesse) sera évidemment beaucoup
moins bonne avec le petit moteur puisque nous pouvons voir que lors d'une pleine
charge à 110, la "réserve" de couple (Cmaxi – 93) vaut 120 mN alors qu'elle est de
214 mN pour le 2,5 L ce qui veut dire que l'accélération à partir de 110 sera presque
deux fois plus importante avec le gros moteur.
Caractérisation du fonctionnement par la pression
moyenne effective (Pme)
La comparaison des deux situations précédentes serait plus facile avec la notion de
Pme, elle est tout à fait usuelle pour les motoristes mais demande à être précisée
pour d'autres lecteurs.
La Pme exprime le travail développé au vilebrequin sur un cycle, ce travail étant
ramené en valeur spécifique à la cylindrée. Le travail par cycle vaut Wcycle = Ce.4π
(ce serait 2 π pour un moteur 2 temps) et, ramené à la cylindrée, le travail spécifique
vaut Ce.4π/cylindrée et s'exprime en joules/m3.Cette unité est, du point de vue
équation dimension, la définition du Pascal et justifie donc la dénomination de
pression moyenne effective. L'unité en usage est plutôt le bar pour exprimer cette
valeur et nous procéderons ainsi dans la suite du document.
Remarque : cette possibilité de transposer un travail par cycle en pression, sur un
moteur donné, peut s'appliquer à toutes les autres valeurs énergétiques du cycle.
Par exemple, le travail de frottement par cycle devient la pression moyenne de
frottement (Pmf) ; l'énergie chimique introduite par cycle devient la pression moyenne
chimique (Pmchim), etc… L'analyse des flux énergétiques se fait alors totalement en
bar.
La comparaison des deux situations envisagées précédemment revient à dire que la
réduction de cylindrée a produit une augmentation de la Pme à 110 km/h.
- avec le 2,5 L Pme = 5 b
- avec le 1,8 L Pme = 7 b
Toute augmentation de Pme permet sur un moteur thermique des gains de
rendement pour les raisons énoncées page 4. Cet effet est la base du principe du
down-sizing et vous pourrez constater que cette tendance est amorcée depuis
quelques années en comparant les ratios cylindrée moteur/masse véhicule de
différents modèles.
En appliquant ce principe, il faut tout de même combler le déficit de puissance (au
moins en partie) pour que l'usager conserve un agrément de conduite. Ceci veut dire
que le petit moteur devrait viser une puissance maxi de 113 kW comme le gros
moteur ; ceci correspond à une puissance spécifique de 62 kW/litre qui est tout à fait
envisageable et au niveau des meilleures réalisations actuelles.
Les valeurs de Pme maxi seront respectivement de 15,5 b pour le gros moteur et de
21,6 b pour le petit (ce qui est un objectif ambitieux).
Il faut bien comprendre que l'objectif de Pme est aussi important que celui de
puissance car nous pourrions aussi atteindre une puissance de 113 kW avec des
Pme plus faibles si nous augmentions le régime du moteur (solution habituelle des
réalisations "performances").Par exemple, une Pme de 13,6 b pour le petit moteur,
atteinte à 5500 tr/mn, suffit pour produire 113 kW, mais dans ce cas, les objectifs de
gain de rendement ne serons pas atteints car le régime est le facteur incident de
premier ordre sur les pertes par frottement (Pmf).
Le sous-dimensionnement impose bien deux objectifs : un de Pme maxi à
réaliser et un de puissance à atteindre.
Problèmes posés par l'objectif de puissance
La densité énergétique dans la chambre amène des températures matière très
élevées particulièrement sur les pistons (bord du bol des pistons diesel
particulièrement critique) ce facteur limite actuellement la tenue du piston et du
pied de bielle où la lubrification est difficile à assurer.
La longévité des moteurs devient un problème pour ces niveaux de puissance
spécifique car tout dérèglement ou aléa de fonctionnement entraîne plus
rapidement des dégradations des organes.
Problèmes posés par l'objectif de Pme
Une forte valeur de Pme ne peut se réaliser qu'avec des forts taux de
remplissage en air ce qui impose une augmentation des pressions de
suralimentation. Le travail de la boucle de sural devient plus important et par
exemple les contre-pressions d'échappement deviennent nettement supérieures
aux pressions de sural.
Une pression de sural augmentée veut dire un échauffement supplémentaire de
l'air lors de la compression ce qui va imposer des surfaces d'échangeur
supérieures pour maîtriser les températures d'admission. Ces échangeurs auront
un effet négatif sur le Cx du véhicule ce qui va réduire les gains recherchés.
Les pressions maxi de chambre seront nettement plus élevées lors de la
combustion (peuvent atteindre 180 à 200 b sur diesel inj dir) ce qui rend
l'étanchéité du joint de culasse plus difficile à réaliser (les serrages culasses
nécessaires imposent une rigidité plus élevée du bloc)
Les contraintes mécaniques sur l'équipage mobile alourdissent celui-ci, les effets
d'inertie qui en résultent augmentent les frottements entre les pièces.
Le fait de décaler toutes les situations de fonctionnement vers des Pme plus
élevées va augmenter les émissions d'oxydes d'azote du moteur (voir infotech
n°2) ce qui va rendre plus onéreux le post-traitement des émissions. L'EGR qui a
un effet positif sur ces émissions verra son application limitée car il réduit le
remplissage du moteur en air (donc la Pme) et il faudra se tourner vers des
solutions plus évoluées.
Le probléme des transitoires (décollage et reprises)
Un véhicule conçu dans la stratégie de "down-sizing" se retrouve donc avec un
moteur fortement suralimenté ce qui va poser des problèmes de comportement
principalement lors du décollage du véhicule (démarrage en côte chargé, par
exemple). La boucle de suralimentation aura un temps de mise en action à partir du
ralenti pendant lequel le véhicule sera mal ressenti par le conducteur, ce problème
existe également lors des reprises sur route mais de manière moins critique.
C'est le principal écueil qui empêche de forts down-sizing actuellement, les solutions
qui permettent de contourner ce problème sont disponibles et peuvent trouver des
applications commerciales très bientôt :
- Transposer le principe de l'alterno-démarreur au niveau de
l'ensemble tournant compresseur-turbine. Le turbocompresseur
devient alors un générateur électrique de forte puissance lorsque le
moteur est suffisamment chargé. Lors des phases de décollage et
de reprise des accumulateurs alimentent le système qui devient
moteur et compense le manque de débit de gaz d'échappement. La
pression de sural est donc garantie quelles que soient les conditions
de fonctionnement du moteur.
- Entraîner le compresseur directement par un moteur électrique (plus
de 3kW nécessaires) et supprimer la turbine. La pression de
suralimentation est totalement découplée du moteur mais la forte
demande de courant ne peut être satisfaite que par un alternodémarreur
et encore cette solution restera plutôt réservée à des
applications à faible suralimentation, sur moteur à essence par
exemple. Le remplissage moteur se trouve amélioré (à pression de
sural donnée) par le fait que le moteur est complètement libéré à
l'échappement et sa contre pression d'échappement retombe à des
valeurs faibles.
- Installer une suralimentation par compresseur volumétrique qui
présente un meilleur comportement lors des transitoires. En effet
une sural. volumétrique revient à mettre en série deux pompes
volumétriques avec la première (le compresseur) ayant une
cylindrée supérieure à la seconde (le moteur). C'est le volume
refoulé par le compresseur à chaque cycle moteur qui détermine le
taux de sural (aux rendements volumétriques et fuites près) et celuici
est atteint à tous les régimes. Un autre avantage d'un
compresseur volumétrique est de moins échauffer l'air qu'un
compresseur centrifuge : pour un même remplissage les besoins en
refroidissement seront réduits ce qui sera bénéfique au Cx. Par
contre, les pertes mécaniques entre le moteur et le compresseur
deviennent trop importantes pour des régimes et des pressions
élevés, là aussi cette application est à réserver à des moteurs
essence faiblement suralimentés. Des transmissions moteurcompresseur
à variation de rapport continue amélioreraient
beaucoup le système sur ce plan là.
- Le système alterno-démarreur à été évoqué plusieurs fois comme
une source d'énergie de service mais il peut aussi être envisagé
pour permettre une hybridation "douce" du GMP. Par exemple en
visant une puissance motrice de 7 à 10 kW qui serait utilisée
uniquement dans les phases transitoires pour "booster" le moteur
thermique. Ces utilisations de courtes durées n'imposeraient pas un
poids de batterie trop élevé et la récupération d'énergie en
décélération aurait un impact favorable sur la consommation de
carburant. Il serait également judicieux d'en profiter pour réaliser la
fonction "stop-and-go" à chaque arrêt véhicule ce qui est intéressant
en circulation urbaine pour réduire la consommation.
______________________________________________________________________
Conclusion
Toutes les possibilités évoquées s'appuient sur des solutions techniques connues ou
légèrement extrapolées et n'induisent aucune révolution dans la conception des
véhicules. Pour aller plus loin vers l'objectif 2012 il faudra sûrement dépasser ce
stade et développer de nouveaux concepts qui existent déjà dans les laboratoires de
recherche mais sont loin des applications commerciales. L'énergie embarquée sera
elle aussi probablement remise en cause ou au moins diversifiée.
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 (crashtest)
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
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 sousdimensionnement
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 η g .Pci.Cse = 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.
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 augmente aussi légèrement si la
charge diminue mais pas pour les mêmes raisons puisqu'il n'y a pas de vannage
à l'admission. La masse d'air admise par cycle étant considérée constante, c'est
la température des gaz d'échappement qui diminue avec la charge. L'évacuation
des gaz est alors plus difficile lors de la phase échappement car leur masse
volumique est plus importante. C'est la contre pression d'échappement qui crée
alors un travail de pompage et affecte le rendement. Ce phénomène est
quantitativement limité par rapport au moteur à essence.
8 La qualité de combustion peut être affectée par la réduction de charge. Sur un
moteur à essence la masse d'air introduite diminue et les turbulences dans la
chambre de combustion diminue : la combustion est ralentie et les imbrûlés
augmentent ce qui gaspille une partie de l'énergie introduite. Sur un moteur diesel
les conditions de déroulement sont plus stables et le rendement de combustion
peu sensible à la charge.
Consommation d'un véhicule (à vitesse stabilisée)
La connaissance des caractéristiques aérodynamiques du véhicule, de la résistance
au roulement de ses pneumatiques ainsi que des rapports de transmission permet
de trouver l'équation du couple moteur exigé à l'entrée de boite en fonction du
régime moteur qui sera de la forme Cm = A.N2 + B. Voici un exemple pour le
véhicule équipé du moteur précédent se déplaçant sur son dernier rapport.
La démultiplication de 5ème étant connue pour ce véhicule et chiffrée à 53,6 km/h
pour 1000 tr/mn nous pouvons localiser par exemple le point de fonctionnement à
110 km/h à 2052 tr/mn ce qui correspond à un couple moteur de 93 mN. Ce véhicule
exige donc une puissance de 20 kW pour se déplacer à 110 km/h. En vitesse
stabilisée nous pouvons calculer sa consommation au 100 km à partir de la CSE lue
à 270 g/kW.h.
Consommation kilométrique 0,270.20/0,830.1,1 = 5,9 l/100km
Ce qui est une bonne performance pour un véhicule de cette catégorie et qui doit
beaucoup à son S.Cx de seulement 0,505 m2.
Pour un technicien, cette valeur peut paraître décevante puisque ce moteur est
capable d'atteindre un rendement de 0,38 (au point 204 g/kW.h) et qu'il est utilisé,
dans ces conditions, à un rendement de 0,29 seulement ; si la vitesse diminue, cette
valeur sera encore plus basse.
Réduction de la cylindrée sur un véhicule :
Nous allons considérer pour appuyer notre raisonnement que ce véhicule est
maintenant équipé d'un moteur de 1,8 L (les autres caractéristiques n'évoluent pas)
et que le contrôle moteur étant de même qualité les performances de Cse sont
identiques et parfaitement homothétiques à celles du moteur de 2,5 L (en réalité,
pour une cylindrée plus faible, la Cse mini croît légèrement).
La demande de couple du véhicule n'a pas évoluée et le moteur de 1,8 L développe
lui aussi un couple de 93 mN à 110 km/h. Par contre, nous pouvons remarquer que
la valeur de Cse au point 110 stabilisé est de 240 g/kW.h ce qui correspond à une
consommation kilométrique de 5,2 l/100 km (gain de 12 % par rapport au moteur de
2,5 L).
La mobilité du véhicule (facilité à augmenter sa vitesse) sera évidemment beaucoup
moins bonne avec le petit moteur puisque nous pouvons voir que lors d'une pleine
charge à 110, la "réserve" de couple (Cmaxi – 93) vaut 120 mN alors qu'elle est de
214 mN pour le 2,5 L ce qui veut dire que l'accélération à partir de 110 sera presque
deux fois plus importante avec le gros moteur.
Caractérisation du fonctionnement par la pression
moyenne effective (Pme)
La comparaison des deux situations précédentes serait plus facile avec la notion de
Pme, elle est tout à fait usuelle pour les motoristes mais demande à être précisée
pour d'autres lecteurs.
La Pme exprime le travail développé au vilebrequin sur un cycle, ce travail étant
ramené en valeur spécifique à la cylindrée. Le travail par cycle vaut Wcycle = Ce.4π
(ce serait 2 π pour un moteur 2 temps) et, ramené à la cylindrée, le travail spécifique
vaut Ce.4π/cylindrée et s'exprime en joules/m3.Cette unité est, du point de vue
équation dimension, la définition du Pascal et justifie donc la dénomination de
pression moyenne effective. L'unité en usage est plutôt le bar pour exprimer cette
valeur et nous procéderons ainsi dans la suite du document.
Remarque : cette possibilité de transposer un travail par cycle en pression, sur un
moteur donné, peut s'appliquer à toutes les autres valeurs énergétiques du cycle.
Par exemple, le travail de frottement par cycle devient la pression moyenne de
frottement (Pmf) ; l'énergie chimique introduite par cycle devient la pression moyenne
chimique (Pmchim), etc… L'analyse des flux énergétiques se fait alors totalement en
bar.
La comparaison des deux situations envisagées précédemment revient à dire que la
réduction de cylindrée a produit une augmentation de la Pme à 110 km/h.
- avec le 2,5 L Pme = 5 b
- avec le 1,8 L Pme = 7 b
Toute augmentation de Pme permet sur un moteur thermique des gains de
rendement pour les raisons énoncées page 4. Cet effet est la base du principe du
down-sizing et vous pourrez constater que cette tendance est amorcée depuis
quelques années en comparant les ratios cylindrée moteur/masse véhicule de
différents modèles.
En appliquant ce principe, il faut tout de même combler le déficit de puissance (au
moins en partie) pour que l'usager conserve un agrément de conduite. Ceci veut dire
que le petit moteur devrait viser une puissance maxi de 113 kW comme le gros
moteur ; ceci correspond à une puissance spécifique de 62 kW/litre qui est tout à fait
envisageable et au niveau des meilleures réalisations actuelles.
Les valeurs de Pme maxi seront respectivement de 15,5 b pour le gros moteur et de
21,6 b pour le petit (ce qui est un objectif ambitieux).
Il faut bien comprendre que l'objectif de Pme est aussi important que celui de
puissance car nous pourrions aussi atteindre une puissance de 113 kW avec des
Pme plus faibles si nous augmentions le régime du moteur (solution habituelle des
réalisations "performances").Par exemple, une Pme de 13,6 b pour le petit moteur,
atteinte à 5500 tr/mn, suffit pour produire 113 kW, mais dans ce cas, les objectifs de
gain de rendement ne serons pas atteints car le régime est le facteur incident de
premier ordre sur les pertes par frottement (Pmf).
Le sous-dimensionnement impose bien deux objectifs : un de Pme maxi à
réaliser et un de puissance à atteindre.
Problèmes posés par l'objectif de puissance
La densité énergétique dans la chambre amène des températures matière très
élevées particulièrement sur les pistons (bord du bol des pistons diesel
particulièrement critique) ce facteur limite actuellement la tenue du piston et du
pied de bielle où la lubrification est difficile à assurer.
La longévité des moteurs devient un problème pour ces niveaux de puissance
spécifique car tout dérèglement ou aléa de fonctionnement entraîne plus
rapidement des dégradations des organes.
Problèmes posés par l'objectif de Pme
Une forte valeur de Pme ne peut se réaliser qu'avec des forts taux de
remplissage en air ce qui impose une augmentation des pressions de
suralimentation. Le travail de la boucle de sural devient plus important et par
exemple les contre-pressions d'échappement deviennent nettement supérieures
aux pressions de sural.
Une pression de sural augmentée veut dire un échauffement supplémentaire de
l'air lors de la compression ce qui va imposer des surfaces d'échangeur
supérieures pour maîtriser les températures d'admission. Ces échangeurs auront
un effet négatif sur le Cx du véhicule ce qui va réduire les gains recherchés.
Les pressions maxi de chambre seront nettement plus élevées lors de la
combustion (peuvent atteindre 180 à 200 b sur diesel inj dir) ce qui rend
l'étanchéité du joint de culasse plus difficile à réaliser (les serrages culasses
nécessaires imposent une rigidité plus élevée du bloc)
Les contraintes mécaniques sur l'équipage mobile alourdissent celui-ci, les effets
d'inertie qui en résultent augmentent les frottements entre les pièces.
Le fait de décaler toutes les situations de fonctionnement vers des Pme plus
élevées va augmenter les émissions d'oxydes d'azote du moteur (voir infotech
n°2) ce qui va rendre plus onéreux le post-traitement des émissions. L'EGR qui a
un effet positif sur ces émissions verra son application limitée car il réduit le
remplissage du moteur en air (donc la Pme) et il faudra se tourner vers des
solutions plus évoluées.
Le probléme des transitoires (décollage et reprises)
Un véhicule conçu dans la stratégie de "down-sizing" se retrouve donc avec un
moteur fortement suralimenté ce qui va poser des problèmes de comportement
principalement lors du décollage du véhicule (démarrage en côte chargé, par
exemple). La boucle de suralimentation aura un temps de mise en action à partir du
ralenti pendant lequel le véhicule sera mal ressenti par le conducteur, ce problème
existe également lors des reprises sur route mais de manière moins critique.
C'est le principal écueil qui empêche de forts down-sizing actuellement, les solutions
qui permettent de contourner ce problème sont disponibles et peuvent trouver des
applications commerciales très bientôt :
- Transposer le principe de l'alterno-démarreur au niveau de
l'ensemble tournant compresseur-turbine. Le turbocompresseur
devient alors un générateur électrique de forte puissance lorsque le
moteur est suffisamment chargé. Lors des phases de décollage et
de reprise des accumulateurs alimentent le système qui devient
moteur et compense le manque de débit de gaz d'échappement. La
pression de sural est donc garantie quelles que soient les conditions
de fonctionnement du moteur.
- Entraîner le compresseur directement par un moteur électrique (plus
de 3kW nécessaires) et supprimer la turbine. La pression de
suralimentation est totalement découplée du moteur mais la forte
demande de courant ne peut être satisfaite que par un alternodémarreur
et encore cette solution restera plutôt réservée à des
applications à faible suralimentation, sur moteur à essence par
exemple. Le remplissage moteur se trouve amélioré (à pression de
sural donnée) par le fait que le moteur est complètement libéré à
l'échappement et sa contre pression d'échappement retombe à des
valeurs faibles.
- Installer une suralimentation par compresseur volumétrique qui
présente un meilleur comportement lors des transitoires. En effet
une sural. volumétrique revient à mettre en série deux pompes
volumétriques avec la première (le compresseur) ayant une
cylindrée supérieure à la seconde (le moteur). C'est le volume
refoulé par le compresseur à chaque cycle moteur qui détermine le
taux de sural (aux rendements volumétriques et fuites près) et celuici
est atteint à tous les régimes. Un autre avantage d'un
compresseur volumétrique est de moins échauffer l'air qu'un
compresseur centrifuge : pour un même remplissage les besoins en
refroidissement seront réduits ce qui sera bénéfique au Cx. Par
contre, les pertes mécaniques entre le moteur et le compresseur
deviennent trop importantes pour des régimes et des pressions
élevés, là aussi cette application est à réserver à des moteurs
essence faiblement suralimentés. Des transmissions moteurcompresseur
à variation de rapport continue amélioreraient
beaucoup le système sur ce plan là.
- Le système alterno-démarreur à été évoqué plusieurs fois comme
une source d'énergie de service mais il peut aussi être envisagé
pour permettre une hybridation "douce" du GMP. Par exemple en
visant une puissance motrice de 7 à 10 kW qui serait utilisée
uniquement dans les phases transitoires pour "booster" le moteur
thermique. Ces utilisations de courtes durées n'imposeraient pas un
poids de batterie trop élevé et la récupération d'énergie en
décélération aurait un impact favorable sur la consommation de
carburant. Il serait également judicieux d'en profiter pour réaliser la
fonction "stop-and-go" à chaque arrêt véhicule ce qui est intéressant
en circulation urbaine pour réduire la consommation.
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Conclusion
Toutes les possibilités évoquées s'appuient sur des solutions techniques connues ou
légèrement extrapolées et n'induisent aucune révolution dans la conception des
véhicules. Pour aller plus loin vers l'objectif 2012 il faudra sûrement dépasser ce
stade et développer de nouveaux concepts qui existent déjà dans les laboratoires de
recherche mais sont loin des applications commerciales. L'énergie embarquée sera
elle aussi probablement remise en cause ou au moins diversifiée.
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