LAYMAN'S RAPPORT 2018 - LIFE DI-CNG Démonstration et validation de l'injection directe de gaz naturel comprimé dans les moteurs pour véhicules ...
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LIFE DI-CNG
Démonstration et validation de l’injection directe de gaz
naturel comprimé dans les moteurs pour véhicules et de
ses avantages environnementaux
LAYMAN’S RAPPORT - 2018
Fiche projet de LIFE DI-CNG LIFE DI-CNG est co-financé par LIFE+, l’instrument financier pour l’environnement de la Commission Européenne (LIFE13 ENV/LU/000460) Durée: 2014-2018 Budget: € 7,969,959 Objectif du projet: Validation and industrialisation de l’injecteur DI-CNG et démonstration du potentiel de la technologie DI-CNG et de ses avantages environnementaux. Site internet du projet: https://www.delphi.com/direct-injection-compressed-natural- gas-injector
1. CONTEXTE
La décarbonisation de l’industrie et du secteur de la mobilité constitue un défi
sociétal majeur de ce 21ème siècle. Bien que de nombreux secteurs soient
concernés, ce projet se concentre sur le transport routier.
Les véhicules neufs vendus en 2021 devront émettre moins de 95g CO2/km en
moyenne. Pour 2030, une réduction ultérieure de 37.5 % est envisagée. D’autres
réglementations strictes concernent la qualité de l’air, les émissions polluantes et
les particules. L’industrie automobile répond à ces défis en diversifiant les
technologies de chaînes de traction et les sources d’énergie. Ce projet vise à
analyser l’utilisation du gaz naturel comprimé (GNC) dans des moteurs adaptés de
véhicules particuliers. Cette combinaison de source d’énergie et de technologie du
groupe motopropulseur (GMP) est comparée aux meilleurs véhicules à essence.
Source d’énergie
Le GNC est principalement composé de méthane (CH4). Le CH4 a le rapport
hydrogène / carbone le plus élevé de tous les combustibles fossiles et offre donc
une composition optimale. Le graphique ci-dessous illustre les différentes
manières de produire le CH4, autrement que par extraction des champs gaziers.
Paille Lisier
Décarbonisation par la Acier Ciment
technologie Power-to-Gas Déchets
CO2
Electrolyse CO2
Méthanisation
de l’eau
Hydrogène
Eolienne Bio-gaz
CH4
Bio-méthane
Réseau CH4
gazier
Hydrogène CHP
Photo-voltaïque
Ville Ville
Principe de la technologie Power-to-Gas et
bio-méthane comme carburant pour les
véhicules fonctionnant au gaz naturel
Technologie de groupe motopropulseur
Le moteur à combustion interne à allumage commandé a été repensé pour une
utilisation optimale et monovalente du GNC. Dans ce moteur dédié, un innovant
système d’injection directe de gaz est utilisé, le rapport volumétrique de
compression du moteur est augmenté pour bénéficier d’une meilleure résistance
au cliquetis, et la distribution et la suralimentation ainsi que d’autres composants
du moteur sont spécialement conçus et calibrés.
2. PROJET LIFE DI-CNG
a. Objectifs du projet
Le projet Life DI-CNG a pour objectifs :
• La validation des performances et de la durabilité du nouvel injecteur pour
l’injection directe du GNC.
• L’industrialisation de l’injecteur, à produire sur une ligne de fabrication pilote.
• L’évaluation et le positionnement de la combinaison source d’énergie –
technologie de GMP sur des critères environnementaux et de performance.
• La quantification de l’impact environnemental de la combinaison source
d’énergie – technologie de GMP dans une analyse du cycle de vie (ACV).
b. Activités du projet
L’injecteur DI-CNG de Delphi Technologies est
développé du premier stade du prototype au produit
final en passant par plusieurs itérations de conception.
La validation du produit, effectuée en fin de processus
de développement, confirme de solides performances
en termes de débitmétrie et de fuite de gaz, ainsi qu'un
comportement robuste lors des tests de durabilité
allant jusqu'à 400 millions de cycles d‘injection. Injecteur DI-CNG
Ligne pilote pour la fabrication d’injecteurs DI-CNG
La répétabilité de toutes les étapes de la production est un critère essentiel pour
l’industrialisation de l’injecteur DI-CNG. Les différents procédés de fabrication sont
développés et démontrés sur des équipements de fabrication. Une ligne pilote est
installée dans le centre technique pour permettre la production d’injecteurs dans
un environnement de production à gros volumes. La production est réalisée en lots
et analysée statistiquement.Les évaluations de la combinaison source d’énergie – technologie de GMP ont été
effectuées à la fois sur des moteurs et des véhicules. Les résultats obtenus avec TU
Vienna et Mahle sont publiés dans le journal MTZ. Les résultats de la coopération
avec les constructeurs automobiles, qui développent et démontrent des véhicules
DI-CNG monovalents, sont publiés dans le cadre du projet Horizon 2020 GasOn
(www.gason.eu).
Une Analyse du Cycle de Vie (ACV) est menée en collaboration avec le Luxembourg
Institute of Science and Technology (LIST). L’ACV évalue l'empreinte carbone sur
l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement, et calcule la réduction des émissions
du puits à roue (Well-to-Wheel i.e. WtW). Cette étude inclut la fabrication de
l’injecteur ainsi que la production, le transport et le stockage de GNC ou de bio-
méthane. Ces résultats permettent d’évaluer l’impact environnemental et socio-
économique.
3. RESULTATS
a. Résultats attendus / résultats obtenus
L'injecteur DI-CNG de Delphi Technologies fonctionne avec une actuation par
solénoïde, similaire aux injecteurs directs essence Multec®. Contrairement aux
injecteurs d’essence classiques, on utilise une soupape à ouverture vers l’extérieur.
Ce nouveau design de buse atteint les débits requis allant jusqu'à 7 g/s sous 16 bar.
Le projet Life a vu plusieurs itérations de conception d’injecteurs DI-CNG. Une
validation complète des performances et de la durabilité de la dernière définition
technique a été passée avec succès, achevant le développement de l'injecteur.
L’installation de la ligne pilote a permis de produire et de contrôler la qualité de
lots d’injecteurs, et de simuler les flux et la production en grandes quantités. Au
cours de la dernière phase du projet, plus de 100 injecteurs de la dernière
définition technique ont été produits, et leur qualité a été contrôlée. Tous les
paramètres de contrôle du processus ont été définis et respectés.
L’optimisation du moteur comprend une augmentation du taux de compression à
13:1, grâce à la forte résistance au cliquetis du gaz naturel, l’adoption de la
distribution variable, augmentant le rendement volumétrique, et l’adaptation du
turbocompresseur, afin d’accroître la pression de suralimentation à bas régime,
tout ceci contribuant à une augmentation du rendement et des performances. Du
fait de l'augmentation de la pression, plusieurs composants ont été revus afin de
préserver la robustesse et la résistance à l'usure du moteur. L'injecteur direct de
gaz DI-CNG et le système d'alimentation sont développés spécifiquement.
Le développement du moteur étant traditionnellement réalisé par le constructeur
automobile, Delphi Technologies collabore avec plusieurs partenaires de recherche
afin de démontrer le potentiel DI-CNG au niveau du moteur et du véhicule.Les objectifs quantifiés du projet DI-CNG combinant source d’énergie et
technologie de GMP sont les suivants :
• Réduction de 25% des émissions de CO2 par rapport aux moteurs à injection
directe d’essence (GDI) comparables.
• Réduction de plus de 90% des particules (par rapport aux moteurs diesel).
• Performance et couple bas régimes comparables aux moteurs GDI.
Les résultats sont résumés dans le tableau suivant.
Partenaires Configuration Référence Type de test Critère Résultat
Banc moteur CO2 - 23 - 36 %
Moteur 1.2l DI-CNG
avec turbo à Moteur 1.4 GDI Particules Non testé
géométrie variable Puissance /
Test véhicule - 2 % + 19%
Couple
Test véhicule CO2 -31%
Véhicule Véhicule Particules Non testé
démonstrateur démonstrateur
DI-CNG ultra léger GDI ultra léger Puissance /
Test véhicule Comparable
Couple
CULT project
Banc moteur CO2 -17.50%
Constructeur Moteur 1l DI-CNG Moteur 0.9l CNG à
automobile monovalent dans injection indirecte Véhicule WLTP / 90% sous la
Particules
(nom un véhicule milieu dans le même véhicule RDE limite
confidentiel) de gamme milieu de gamme Puissance /
Test véhicule Amélioré
Couple
Ces résultats d'essais de véhicules et moteurs de
développement démontrent le potentiel de la technologie DI-
CNG : ils répondent aux objectifs du projet.b. Impact environmental
Dans le chapitre précédent, les 180
émissions des véhicules (du réservoir 160
à roue) ont été analysées pour
Emissions de CO2 (g/km)
140 -31%
120 -44%
démontrer les avantages de la
100
technologie pour l'environnement. 80
L’analyse ACV permet d’avoir une vue 60
plus large des émissions, en incluant 40
20
le trajet d’approvisionnement en 0
énergie (du puits au réservoir) et GDI DI-CNG DI-RNG
l’impact environnemental généré par du puits au réservoir du réservoir à la roue
la fabrication et le recyclage du
véhicule.
Le graphique ci-dessus montre l'empreinte CO2 du puits à la roue. Elle est calculée
pour les véhicules DI-CNG fonctionnant au gaz naturel ou au bio-méthane, et
comparé à une application GDI. On peut s’attendre à une réduction supplémentaire
des émissions du puits à la roue lorsque l’on utilise du gaz d’origine renouvelable.
Un calcul basé sur les émissions du réservoir à la roue permet de conclure qu'il est
possible de réaliser des économies annuelles de 600 à 700 kTonne de CO2 pour une
flotte d'un million de véhicules au gaz naturel parcourant une distance annuelle de
20 000 km. L'impact environnemental dépend fortement de la croissance du
marché des véhicules au gaz naturel. En outre, il est étroitement lié à l'utilisation
de biométhane à la place du gaz naturel.
L’étude ACV a révélé que le processus de production de l’injecteur avait un impact
réduit sur l’environnement par rapport à un injecteur à essence. En particulier :
• 22% d’économie d’énergie électrique lors de l’assemblage de l’injecteur.
• Des émissions de gaz à effet de serre (GES) plus faibles de 7%, du fait de la
moindre consommation électrique.
• Aucune consommation de Stoddard lors du montage de l’injecteur.c. Impact socio-économique
L’acceptation et la diffusion de sources d’énergie et de technologies de GMP
alternatives peuvent être motivées par des efforts sociétaux en faveur de la
décarbonisation. Pour être largement acceptées par le public, ces technologies
alternatives doivent satisfaire aux exigences légales, tout en étant aussi
confortables et abordables que les technologies classiques basées sur des sources
d’énergie fossiles. Elles doivent offrir une réduction significative des émissions de
CO2 et de gaz à effet de serre (GES), de faibles niveaux de polluants - pour éviter les
interdictions urbaines - et enfin être alimentées par des sources renouvelables.
La combustion du gaz naturel génère de très faibles niveaux de particules. Des
développements complémentaires sont nécessaires pour assurer un amorçage
rapide du convertisseur catalytique, afin de garantir le respect des normes en
termes de NOx, de CO et d'hydrocarbures. Dans ce cas, les véhicules DI-CNG
peuvent contribuer à réduire la pollution locale, et ainsi échapper aux interdictions
de circulation dans les zones urbaines touchées par une mauvaise qualité de l’air.
Le principal obstacle pour les véhicules DI-CNG monovalents reste le manque
d’infrastructure de ravitaillement en carburant. Les moteurs DI-CNG sont optimisés
pour fonctionner au méthane, et les réservoirs dimensionnés pour une autonomie
de plus de 500 km. Le cadre réglementaire régissant le déploiement de
l'infrastructure de ravitaillement et la production de bio-méthane ne semblent pas
appropriés pour soutenir un scénario de forte croissance des véhicules GNC.
4. TRANSFERABILITE DES RESULTATS DU PROJET
Le projet Life DI-CNG a conduit à :
• L’industrialisation et la validation de l’injecteur DI-CNG.
• La démonstration de la conformité du système aux exigences en matière de
CO2 et aux réglementations sur les émissions toxiques post 2020.
• La démonstration d’une réduction de l’empreinte carbone lors du cycle de vie.
Ce sont des prérequis majeurs pour une introduction au marché. Tous les efforts
déployés au cours du projet ont abouti à la préparation du produit et ont identifié
des obstacles de nature technique; dans le réseau des stations-service en Europe et
dans le déploiement à grande échelle de la technologie du GMP.
Tous les résultats du projet seront appliqués pour faire de la technologie DI-CNG
une alternative «propre et verte» aux GMP actuels du transport routier.
Delphi Automotive Systems Luxembourg S.A
Avenue de Luxembourg
L-4940 Bascharage
Luxembourg
Tél : +352 50 18 43 70
Email :camille.feyder@delphi.com
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