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RÉSUMÉ
Les moteurs automobiles modernes ont considérablement évolué au rythme imposé par l’évolution de la limitation des émissions polluantes et par la baisse de la consommation de carburant. Aussi, le système d’admission d’air s’est énormément complexifié, devenant un sous-ensemble complet regroupant des fonctions très diverses imposant l’utilisation d’un ou de plusieurs échangeurs thermiques, d’actionneurs, de capteurs et de pièces de formes diverses qu’il faut savoir modéliser et dimensionner. Cet article propose un tour d’horizon des technologies actuelles et des prochaines évolutions.
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The modern automotive engines are involved at the same time than the pollutant emission norms exigency and the fuel consumption reduction request. In consequence, the intake system had been hugely improved, been a complex system with many various functions which required the usage of one or more heat exchangers, of active systems, sensors and some specific parts which must be designed, simulated and sized. This article gives an overview of the current and of the next technologies applied on the intake system.
Auteur(s)
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Laurent ODILLARD : Ingénieur Avance de phase Thermique Moteur - Valeo Système Thermique, La Verrière, France
INTRODUCTION
Lors de l’introduction des refroidisseurs d’air de suralimentation dans les années 1990, l’échangeur était dimensionné comme un simple composant simplement défini par sa puissance thermique et sa perte de charge, fonction du débit d’air d’admission et de la vitesse de l’air en face avant du véhicule.
Les dernières améliorations des moteurs en matière de réduction de la consommation et de leur conformité aux normes antipollution de plus en plus exigeantes ont poussé à une augmentation du besoin de refroidissement des gaz de suralimentation. L'introduction du cycle harmonisé WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle), puis du cycle RDE (Real Driving Emissions), accentuera cette tendance par la nécessité d'une augmentation du taux d’utilisation de gaz recyclés (ou dilution externe plus communément désignée par le sigle EGR pour Exhaust Gas Recirculation) sur des points moteur plus chargés.
La mobilité neutre en CO2 est la phrase clé de l'industrie automobile contemporaine. Passer d'une mobilité carbonée à une mobilité neutre ne peut se faire à très court terme ; c'est la raison pour laquelle les constructeurs et les équipementiers travaillent encore à l’amélioration des motorisations thermiques afin de réduire leur impact carbone. À l'avenir, le CO2 et plus généralement les gaz à effet de serre devront être évalués en prenant en compte le cycle de vie global du berceau à la tombe. Mais pour le moment, seul le CO2 provenant du tuyau d'échappement est pris en compte. C'est la raison pour laquelle le rendement énergétique du Moteur à Combustion Interne (MCI) doit être à nouveau amélioré lorsque celui-ci est encore nécessaire, ou simplement mis à l’arrêt lorsqu'un autre dispositif a la capacité d’assurer à lui seul la propulsion. Ceci constitue la règle d'or des futurs groupes motopropulseurs hybrides.
Les moteurs Diesel toujours très compétitifs sur ce sujet sont désormais techniquement prêts à se conformer aux futures réglementations sur les émissions ; les technologies SCR, le Water Charge Air cooling(WCAC) couplé à l'EGR basse et haute pression sont aujourd'hui largement répandus sur le marché et participent pleinement à la résolution des faiblesses du Diesel. Quoi qu'il en soit, le débat actuel autour des restrictions d’usage de ce type de motorisation a obligé les constructeurs et les équipementiers à travailler sur le moteur à essence, afin de renforcer le potentiel de la technologie des MCI à allumage commandé, mais également à documenter la possibilité d’utiliser des carburants alternatifs (éthanol, gaz, carburants synthétiques « e-fuel », hydrogène).
La tendance au Downsizing et au Downspeeding des moteurs contraint clairement les motoristes à une meilleure intégration de la fonction de refroidissement des gaz aval compresseur pour lequel de nouvelles exigences et fonctionnalités se font sentir, telles que :
-
une importante diminution de la perte de charge afin d’augmenter la pression en amont des soupapes d’admission : ceci équivaut à une augmentation de la pression de suralimentation ;
-
une réduction du volume d’air en aval compresseur afin de réduire les temps de réponse (time to torque) et diminuer le nombre de cycles moteur nécessaire à la vidange de la ligne d’air (meilleur contrôle du taux de dilution en transitoire) ;
-
une stabilité de la température aval échangeur : elle doit être moins dépendante des conditions de roulage (vitesse véhicule) et de la stratégie de dépollution (taux EGR haute, basse pression ou combiné) ;
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la possibilité de contrôler la température aval échangeur en fonction des points de fonctionnement moteur, de la stratégie de dépollution (problématique de condensation en EGR basse pression, régénération du filtre à particule) ou de vie du moteur (amélioration des démarrages à froid, réduction du temps de light off catalyseur) ;
-
une augmentation des performances thermiques et la limitation des échauffements parasites aval échangeur ;
-
l’ajout de fonctionnalité active (boîtier papillon, doseur d’air, module EGR, volet de Swirl, désactivation de cylindre, etc…) ;
-
une compatibilité avec l’ensemble des plateformes véhicule du ou des constructeurs.
Ce besoin d’intégration de la fonction refroidissement des gaz de suralimentation demande à étudier l’ensemble des composants, de la sortie compresseur aux soupapes d’admission, comme un système multi composants appelé « module d’admission » ou « ligne d’air de suralimentation ».
Le présent article traitera de la modélisation des composants de la ligne d’air d’admission, des différentes architectures connues et présentera les principales voies d’amélioration des architectures actuelles.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des sigles, des notations et des symboles utilisés.
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MOTS-CLÉS
modélisation refroidissement des gaz d'admission moteur à combustion interne architecture moteur boucle d'air
KEYWORDS
modelling | charged air cooling | internal combustion engine | engine architecture | air loop
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2014 par Laurent ODILLARD
DOI (Digital Object Identifier)
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5. Conclusion
Le développement d’une ligne d’air de suralimentation requiert de plus en plus une grande transversalité des compétences : thermique, fluidique, mécanique, moteur, pile à combustible, batterie, combustion, véhicule, contrôle moteur, thermique habitable… Le besoin de simuler le véhicule complet, et non pas les sous-ensembles indépendamment, fait aujourd’hui évoluer le cœur de métier de chaque équipementier.
Un travail de développement plus en amont et collaboratif entre l’équipementier et ses sous-traitants est nécessaire afin de concevoir un ensemble de fonctions, d’en maîtriser le coût, la masse et la fiabilité. Cette évolution des méthodes de travail est devenue indispensable pour une meilleure intégration du moteur dans son environnement véhicule et dans les différentes plateformes qu’il équipera.
Évidemment, les nouveaux challenges qui seront dictés par les futures normes de réduction de la pollution et des émissions de GES (réduction des émissions de polluants, de CO2, réglementation de nouveaux polluants, réduction de la consommation sur cycles plus exigeants…) mettront les ingénieurs en face de nouveaux défis, passant par l’amélioration des process, des matériaux (plastique pour la résistance aux températures et aux pressions plus élevées, aluminium pour la résistance à la corrosion) et par la maîtrise de technologies nouvelles associées à des moyens de simulation encore plus performants.
L’introduction de nouvelles sources énergétiques telles que les biocarburants, les carburants de synthèse (H2 et autres e-fuel) et l’électrification plus ou moins massive en fonction des incitations locales seront avec certitude une source de risques et d’opportunité, obligeant l’ensemble de la filière à s’adapter aux enjeux du moment tout en conservant la rigueur scientifique obligeant les ingénieurs et les techniciens à raisonner par une approche holistique des problèmes environnementaux, à les inciter à communiquer sur les possibles conséquences de choix dogmatiques, évitant ainsi de réitérer les erreurs du passé.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GASTON (C.), COTTE (Ph.), ROBERT (E.), HARDY (J.P.), HERNANDEZ (B.), RENON (P.), BOURDILLON (S.) - * - . – The new RENAULT dCi 110 1.5l Diesel engine.
-
(2) - KÖNIGSTEDT (J.) et al - The new 4.0-I V8 TFSI engines from Audi. - Internationales Wiener Motorensymposium (2012).
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(3) - KAHRSTEDT (J.) et al - The new 2.0 I TDI® to fulfill American emission standards in Volkswagens new Passat. - Internationales Wiener Motorensymposium (2011).
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(4) - NEUßER (H.-J.) et al - Volkswagen’s new modular TDI® generation. - Internationales Wiener Motorensymposium (2012).
-
(5) - FURUKAWA (N.), GOTO (S.), SUNAOKA (M.) - On the mechanism of exhaust gas recirculation valve sticking in diesel engines. - International J of Engine Research (2014).
-
(6) - ARNAL (C.) - Study...
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