Les grandes tendances en terme de réduction de CO2 et de polluants dans les moteurs à combustion interne
←
→
Transcription du contenu de la page
Si votre navigateur ne rend pas la page correctement, lisez s'il vous plaît le contenu de la page ci-dessous
Les grandes tendances en terme de réduction
de CO2 et de polluants dans les moteurs
à combustion interne
Plan de la présentation
1 - Concepts fondateurs de la production d’énergie
2 - Contrôle moteur et stratégies de dépollution
3 - Récupération d’énergie
4 - Avenir des motorisations thermiques
1 Georges Descombes - Ingénieur du Cnam, Professeur des universités au Cnam
1 - Concepts fondateurs de la production d’énergie 2
Les concepts fondateurs CARNOT (1796-1832) Rendement maximal d’un cycle ditherme réversible BEAU DE ROCHAS (1815-1893) et OTTO (1832-1891) Moteur à allumage commandé BOLTZMANN (1844-1906) Mesure du désordre moléculaire DIESEL (1858-1913) Moteur à allumage par compression ARRHENIUS (1859-1927) Théorie du réchauffement climatique 3
Diesel
Musée des arts et métiers
Conservatoire numérique des arts et métiers
Un patrimoine unique de ressources
en sciences et techniques
Description de l'objet :
Moteur Diesel n° 17, 1908
Inventaire n° 20774-0000-
Rudolf Diesel, 1858-1913
Énergie thermique
Source: Musée des arts et métiers - Cnam photo
Michèle Favareille
4
Conversion d’énergie mécanisable
Paradoxe n°1
Loi de moindre action
Le rendement est maximal
lorsque l’on tend vers
la non action.
Loi de pire action
Le désordre l’emporte.
Source: Michel Pluviose
Source: Michel Pluviose
ISBN: 978-2-7466-4098-6
ISBN: 978-2-7466-4098-6
Les équations de comportement sont des lois réversibles par rapport au temps. Elles obéissent au
principe de moindre action (Euler, Lagrange, Hamilton, …) qui stipule que la nature n’aime pas trop se
fatiguer et n’aime pas le désordre.
5
Conversion d’énergie mécanisable
Les irréversibilités minorent significativement la capacité
de la machine thermique à produire un travail.
35
m ec hanical
30
Ene rgy le ve l (%)
power
25
cooling system s
20
15
ex haust gaz
10
5
auxiliaries
0
1
6
Concept d’isolation thermique: objectif rendement
Paradoxe n°2
Conversion d’énergie Le 1er principe en phase
dans une machine fermée du cycle ne rend pas
volumétrique compte de la situation
(couplage périodique des
Ρ
modes de transferts de masse
et d’énergie).
Energy balance at 3000 rpm
Energy level (%)
40
30 Mechanical power
20
Cooling systems
10
Exhaust gas
0
Conventional Insulated Auxiliaries
engine engine
7
Concept d’isolation thermique: objectif rendement • Production combinée d’énergie mécanique et d’énergie thermique non mécanisée. • Alternance périodique d’apports et de retraits de masse et d’énergie dans une enceinte confinée. • Couplage mécanique, thermo dynamique et thermique en proche paroi. 8
Concept d’isolation thermique: objectif cogénération Isolation thermique dédiée à un objectif généralisé de poly- génération. 9
Conversion d’énergie mécanisable Paradoxe n°3 Le rendement du cycle d’un moteur est maximal lorsque la température de la source chaude est maximale. La production d’oxydes d’azote d’un moteur augmente de manière exponentielle avec la température de la source chaude. 10
Concept d’énergie mécanisée
Réaction de
Production d’énergie combustion dont
motrice au sein du CO, CO2, CH4
capsulisme NOx, HC, PM (masse
et nombre), NH3
11Concept global d’énergie mécanisée
• Remplissage en air
• Lois d’introduction du carburant
et du dégagement de chaleur
• Charges partielles et
fonctionnements transitoires
• Contrôle moteur et stratégies
optimisées de dépollution
122 - Contrôle moteur et stratégies de dépollution 13
Contrôle moteur et stratégies de dépollution Les avancées scientifiques Structure de la matière. Physique du solide. Thermodynamique cinétique. Saut technologique majeur Apports de l’électronique et de la technologie des matériaux (Stratégies automatisées de mesure et de pilotage des paramètres d’asservissement). Fonctions de contrôle déconnectées des paramètres mécaniques (Lois de remplissage en air, taux d’injection séquentielle et de combustion, dynamique de post traitement). Réduction des cylindrées unitaires et du nombre de cylindres (Suralimentation). 14
Évolution du contrôle moteur
Allumage commandé
Source: Durget 2015
15Évolution du contrôle moteur
Allumage par compression
Tarage des injecteurs Commande piézoélectrique
de l’aiguille
16Evolution des technologies de contrôle moteur . Optimisation énergétique (géométrie séquentielle, distribution variable, suralimentation variable, taux d’injection séquentiel, lois de combustion séquentielles, post traitement). . Valorisation des rejets thermiques (poly-génération et électrification). . Modes de combustion non conventionnels et carburants additivés ou de substitution (biomasse et hydrogène). 17
Turbocompresseur de suralimentation
Courbes cactéristiques compresseur
2.80
Tauxc
2.60 200000 tr/min
2.40
180000 tr/min
2.20
2.00
160000 tr/min
65%
%
70
%
1.80
%
75
77
%
77
140000 tr/min
%
75
1.60
0%
7
%
65
120000 tr/min
%
0
1.40
6
100000 tr/min
1.20
W √ T1C / 545
___________ ____
lbs
1.00 P1C / 28.4 min
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
18 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341Etude du fonctionnement du turbocompresseur
Banc d’essai de pompage
Bancs d’essai de turbocompresseur avec couplemètre
Dispositif de contrôle de l’effort axial
Turbocompresseur équipé de mesure d’effort axial et de
mesure de couple (télémétrie)
19 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341Briques technologiques d’optimisation
Allumage commandé
Source: Durget 2015
20Dépollution Diesel
Injection de fines
gouttelettes juste
avant la combustion
Combustion autour Températures locales
des gouttes très élevées
Formation d’oxydes
Formation de suies
d’Azote (NOx)
21Dépollution diesel
HC/CO Suies NOx Coût énergétique et catalyse
Lean NOx Trap Mise en action à froid
Catalyseur Filtre à LNT Régénération
d’oxydation particules Selective Catalytic DeSOx
Convertor (SCR)
22Stratégies optimisées de contrôle moteur et de dépollution Difficultés et surcoûts significatifs pour réduire à la fois les émissions de dioxyde d’azote et de particules. Dilemme hautes températures de combustion et production exponentielle d’oxydes d’azote. L’utilisation intensive de la recirculation des gaz brûlés peut générer des contrepressions à l’échappement qui deviennent néfastes au bon fonctionnement du moteur. 23
Réduction des émissions au cours du temps
NEDC
Source: Durget 2015
24Post traitement des effluents Diesel Le diesel est très concerné par la dépollution des oxydes d’azote et des particules depuis les normes Euro 5 (2009), Euro 6 (2014) et Euro 7 (à venir). Les études d’impact sur la santé ont montré que en sus de la masse de particules, leur distribution en taille doit aussi être considérée. La législation s’inscrit dans une démarche de limitation de la masse et du nombre de particules dans le but d’éliminer les particules les plus fines. 25
Modes alternatifs de combustion dans les moteurs
HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition
(Mélange homogène à allumage par compression)
CAI (moteur essence) : Controlled Auto Ignition
(Auto-allumage contrôlé)
Concept HCCI
Bénéficier des avantages des
moteurs à allumage commandé
et de ceux des moteurs Diesel
Source: Desmet 2015
26Combustion dans les moteurs HCCI / CAI
combustible
air
Combustion contrôlée par la cinétique chimique
Mode HCCI / CAI
Faibles charges
Moteur à 2 modes
de combustion
Mode conventionnel
Fortes charges : route, autoroute
Source: Desmet 2015
273 - Récupération d’énergie 28
Poly-génération des moteurs Mise en œuvre généralisée de stratégies de moteurs à haute performance énergétique. Cycles complexes de récupération, d’électrification et de stockage d’énergie. Utilisation d’énergies vertes dont la biomasse et l’hydrogène. 29
Exemple de motorisation poly-générée de transport
Énergie recyclée
Thermo acoustique
Énergie motrice
Contenu
énergétique du Thermo électricité Seebeck
Pertes par radiation
carburant
Pertes thermiques au travers Stirling
Cycles thermodynamiques
du liquide de refroidissement Ericsson
complexes
Rankine - Hirn
Pertes thermiques
dues aux gaz
d’échappement
Évolution des motorisations
2009 - 2010 2011 - 2014 2015 - 2020
Véhicules avec moteur à combustion interne optimisé et énergies décarbonées
Véhicules hybrides
Véhicules électriques
30 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341Boucle de récupération de chaleur
Diagramme T-s de l’eau
Point dur de l'application
Fonctionnement en charge partielle
et régime transitoire 4
• chaud
Q chaud G
- Source chaude à débit d'enthalpie 2
3
très variable par opposition aux
installations fixes de production P
d'énergie. 1 5
froid 1 ’
froid
- Échangeurs et machine de détente
n’existent pas pour ce type
d'application
Le cycle de Rankine - Hirn a été retenu pour
cette application
31 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341 31Production « in situ » d’hydrogène à partir des rejets thermiques du moteur Impact de l’additivation par l’hydrogène d’un carburant principal sur les émissions d’un moteur diesel cogénéré 32 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341
1 - Expérimentation sur banc d’essai Diesel Moteur diesel à aspiration naturelle et injection directe alimenté partiellement à l’admission en hydrogène enrichi (Hydrogen Rich Gas) produit par une électrolyse indépendante. L’addition d'hydrogène dans le carburant principal réduit les émissions de CO2 dans toutes les conditions testées. Les fumées sont réduites. Les NOx augmentent. 33 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 7341
Les problèmes technologiques ◦ Le stockage de l'hydrogène impose de confiner ce gaz à basse température et sous forte pression. ◦ Production et distribution de l'hydrogène. Comment lever ces verrous ◦ La solution en terme de cycle de vie est de produire l'hydrogène et l’oxygène in situ à partir de l'électrolyse de l'eau. ◦ La présence d'oxygène supplémentaire est favorable à la réduction des émissions de polluants. 34
Calibration du modèle et résultats de simulation
Component Turbocharger Cooling Exhaust Steam
group system system Turbine
percentage 10.91 [%] 9.66 [%] 46.73 [%] 6.75 [%]
◦ La production embarquée
d’hydrogène via la récupération
d’énergie améliore le cycle de vie
du procédé.
◦ Le taux d’additivation en
hydrogène pourra être amplifié en
utilisant une nouvelle technologie
d’électrolyseur embarqué.
35 Laboratoire de Chimie Moléculaire, Génie des Procédés Chimiques et Énergétique - EA 73414 - Avenir des motorisations thermiques 36
Les grandes tendances Les tendances lourdes relèvent de la même dynamique de transition énergétique. Production d’énergie propre. Environnement économique contraint. Emplois émergents. 37
Les grandes tendances • Sévérisation de la règlementation européenne en 2020 pour les VP (95 gCO2/km) et les VUL (147 gCO2/km) qui sera poursuivie en 2025. • Électrification des chaînes de traction thermique • Micro, mild et full hybrids • Hybrides rechargeables 38
Les véhicules légers • Baisse probable des ventes de Diesel • Progression à venir des véhicules hybrides (surtout mild hybrid) et hybrides rechargeables (nécessité d’un moteur thermique) • Développement du véhicule électrique via des services de mobilité (VP, VUL et deux-roues) 39
Les grandes tendances Les véhicules à motorisation thermique de nouvelle génération à cylindrée réduite peuvent avoir un bilan CO2 largement équivalent à celui des véhicules électriques. Cette observation dépend des conditions de production de l'électricité en Europe et des conditions de roulage. La densité énergétique des carburants liquides offre une disponibilité et une autonomie inégalées à ce jour. Les potentiels de réduction de consommation sont importants aussi bien au niveau du moteur que de ses auxiliaires (véhicules équipés de moteurs thermiques à 2l/100 km). Ces gains bénéficieront aux véhicules à motorisations hybrides et pourront être amplifiés par une réduction de la demande énergétique par kilomètre parcouru (allègement, aérodynamique, résistance au roulement, puissance absorbée par les auxiliaires). 40
Les grandes tendances Les projections les plus récentes montrent que les véhicules à motorisation thermique et sobre en consommation d’énergie primaire continueront d’occuper une place prépondérante à l’horizon 2030. A l’horizon 2050, le parc de véhicules à propulsion thermique et hybride thermique électrique restera majoritaire avec des fluctuations locales selon les zones géographiques et les usages. Il convient d’insister sur les contraintes économiques prégnantes de ces nouvelles stratégies incontournables dans un contexte international concurrentiel durable. On insiste sur les pistes d’emplois émergents qui sont associées à cette dynamique de transition énergétique. “ Il y a un mythe selon lequel l’action climatique coûtera très cher alors que l’inaction coûtera beaucoup plus cher”, Ban Ki-moon, secrétaire général des Nations unies, novembre 2014. 41
Conclusion
Cinq enjeux stratégiques
• Énergie et réchauffement climatique
• Énergie et pollution
• Énergie et santé
• Énergie et économie
• Énergie et emploi
fin
42Vous pouvez aussi lire
