Chaînes de traction
essences de synthèses-électrique-hydrogène

Bilans environnementaux des chaînes de traction thermiques et électriques

La densité énergétique des hydrocarbures voisine de 12 kwh/kg a beaucoup contribué au rayonnement du moteur automobile.

Celle des batteries lithium-ion est autour de 0.15kwh/kg et pour la future technologie lithium-ion à électrolyte solide, certains fabricants annoncent 0.2 kwh/kg pour les années 2030 soit respectivement 80 et 60 fois moins que les carburants.

Ce handicap est atténué grâce d’une part au très bon rendement du moteur électrique (les courbes d’iso-rendement tracées pour le couple en fonction du régime vont typiquement de 0.6 à plus de 0.9 pour le moteur synchrone) et d’autre part à sa puissance massique élevée de l’ordre de 3kw/kg ou 4ch/kg.

Pour fixer les idées, une batterie lithium-ion de 500kg avec cathode composée de manganèse, nickel, cobalt d’une capacité utile de 70 kwh et brute de 75kwh, procure une autonomie ville/route/autoroute de 400 / 430 / 315 km pour un véhicule SUV de 2000kg soit la même que 30litres d’essence pour un véhicule équivalent à essence pesant 20% de moins. Ces valeurs sont les moyennes du comparatif des voitures Kia EV6, Volswagen ID4, Nissan Ariya, Toyota bZ4X, Volvo C40 (essais à Montlhéry de l’auto-journal numéro 1151 de février 2024).

Avec ces perspectives de capacités énergétiques en lente progression apparente, des temps de charge importants (11h chargeur embarqué AC 11kw et 30 mn chargeur embarqué DC 150 kw), un coût élevé (51300euros), le marché mondial de la voiture électrique progresse malgré également les défis à relever concernant les coûts de production, les infrastructures de charge à déployer, les centrales électriques supplémentaires (ces deux postes étant évalués à plusieurs centaines de milliards d’euros pour un pays comme la France), les émissions de CO2 de la production électrique, les coûts sociaux de la transition énergétique, etc.

Les courbes prévisionnelles du marché mondial des voitures électriques présentent une croissance soutenue pour les décennies à venir.

Evaluation des émissions de CO2 des chaînes de traction thermique et électrique

Chaîne de traction thermique

La masse de CO2 par kwh à la roue est égale à la masse de CO2 produite par la combustion du carburant par kwh d’énergie chimique libérée, divisée par le rendement R0 de la chaîne de traction thermique.

R00 = 0.95 - rendement énergétique de raffinage de l’essence

Il correspond à l’énergie de raffinage pour passer de l’énergie primaire du pétrole à l’énergie secondaire de l’essence.

R0 = R00 x R01 x R02 =0.95 x 0.3 x 0.975 = 0.28 (du puits à la roue) R01 = 0.3 – rendement moyen moteur essence à distribution Intelvalve compris entre 0.24 et 0.39 (dans le cas d’une application hybride rechargeable avec batterie lithium-ion)

R02 = 0.975 – rendement de la boîte de vitesses et de la transmission

Formule chimique du supercarburant CxHyOz avec 4 < x < 7

1.7 < y/x < 1.9

z = 0.3

Pci = 44000 kJ/kg

pour x=5.5 et y = 9.9

Cx / CxHyOz = 0.82

C / CO2 = 0.273

La combustion de 1000g de supercarburant produit donc 820g de C et 3000g de CO2

Densité énergétique 44000 / 3600 = 12.2 kwh / kg

D’où la masse de CO2 par kwh produite par la combustion : 3000 / 12.2 = 246g

Et la masse de CO2 par kwh à la roue : 246 / 0.28 = 879g

Chaîne de traction électrique

En 2022, source AIE (Agence internationale de l’énergie), la production d’électricité dont la part des fossiles est de 60%(charbon 36% - gaz 22% - pétrole 2%), est responsable de 40% des émissions anthropiques mondiales de CO2.

Ces émissions proviennent à 73% des centrales à charbon avec 820g CO2e/kwh, 22% des centrales à gaz avec 490g CO2e/kwh et le reste provient des parts des énergies dans la production d’électricité mondiale égales pour le nucléaire à 9% et pour les renouvelables (hydraulique 15%, photovoltaïque 4%, éolien 7%, biomasse 2,5%, géothermie 1,5%, divers 1%) avec une moyenne d’environ 20g CO2e/kwh.

CO2e/kwh : émissions en g d’équivalent CO2/kwh incluant celles pour la construction, la production d’électricité et pour le recyclage.

La masse de CO2 par kwh d’électricité produite dans le monde en 2022 a donc été de :

708g = 820 x 0,73 + 490 x 0,22 + 20 x 0,05. Notons pour fixer les idées les valeurs du CITEPA (Centre Interprofessionnel Technique d'Études de la Pollution Atmosphérique) avec 80g pour la France, 450g pour l’Allemagne, 750g pour la Pologne, 390g pour l’Italie, 190g pour l’Espagne, 50g pour la Suède, 30g pour la Norvège et 20g pour la Suisse.

Pour évaluer la masse de CO2 par kwh à la roue, avec référence à l’ADEME et l’UFE (Union Française de l’Electricité), les principaux rendements à considérer sont :

- R1 = 0.9 – rendement de la centrale électrique à la prise

R1 = R11 x R12 x R13 = 0.996 x 0. 915 x 0.992 = 0.9

Où R11 =0.996 – rendement de survoltage 20kv à 225kv ou 400kv pour le transport

R12 = 0.9 à 0.93 – pertes en lignes

R13 = 0.992 - rendement de sous voltage pour la distribution de l’électricité

- R2 = 0.63 – rendement de la prise à la roue

R2 = R21 x R22 x R23 x R24 x R25 = 0.95 x 0.88 x 0.93 x 0.95 x 0.85=0.63

Où R21 = 0.95 - rendement du chargeur

R22 = 0.88 – rendement énergétique de charge de la batterie ou rapport des énergies emmagasinée et fournie à la sortie du chargeur, égal à 0.88 pour la technologie lithium-ion.

R23 = 0,93 – rendement de décharge de la batterie

R24 = 0.95 – rendement de l’onduleur DC/AC + transformateur du moteur électrique

R25 = 0.85 – rendement moyen du moteur électrique ; varie de 0.6 à plus de 0.9 avec le point de fonctionnement et les caractéristiques du moteur électrique.

- R3 = 0.57 – rendement de la centrale électrique à la roue

R3 = R1 x R2 = 0.9 x 0.63

D’où l’on déduit la masse de CO2 par kwh à la roue, égale à la masse de CO2 produite aux centrales électriques divisée par R3 :

Dans le monde 1242g ; en France 140g ; en Allemagne 789g ; en Pologne 1316g.

- Rendements déterminés par l’AIE :

R41=0.60 – rendement des centrales électriques à énergie fossile

R42=0.33 – rendement des centrales électriques nucléaires

R43=1 – rendement des centrales électriques à énergies renouvelables (solaire, éolien, hydraulique, etc).

- R51=0.34 – rendement de la chaîne de traction électrique (du puits-fossile à la roue)

R51=R3 x R41 = 0.57 x 0.60=0.34

- R52=0.19 – rendement de la chaîne de traction électrique (du puits-nucléaire à la roue)

R52=R3 x R42 = 0.57 x 0.33=0.19

- R53=0.57 – rendement de la chaîne de traction électrique (du puits-renouvelables à la roue)

R53=R3 x R43 = 0.57 x 1=0.57

Le bilan environnemental de la voiture électrique dépend du type de centrale pour la production d’électricité.

Le rendement R0=0.28 de la chaîne de traction thermique hybride (en utilisation extra-urbaine) avec moteur à essence à distribution variable Intelvalve est supérieur au rendement R52=0.19 de la chaîne de traction électrique dans le cas de centrales électriques à énergie nucléaire mais inférieur aux rendements de 0.34 et 0.57 dans le cas des centrales électriques à énergies respectivement fossiles et renouvelables.

En déplaçant la pollution, la voiture électrique contribue très sensiblement à l’amélioration de la qualité de l’air des villes et de la santé ; elle procure également une diminution des nuisances sonores.

Le moteur électrique peut être utilisé en générateur d’électricité pour la récupération de l’énergie de freinage.

En circulation urbaine, le rendement de la chaîne de traction thermique se dégrade sensiblement.

On conçoit donc l’intérêt de la voiture hybride rechargeable qui offre un meilleur bilan environnemental en cumulant les avantages des deux chaînes de traction électrique et thermique.

Les chaînes de traction thermiques doivent sensiblement progresser pour conserver leurs attraits d’autonomie, de légèreté et de coût.

Le poids de la voiture hybride doit être suffisamment inférieur (au moins 10%) à celui de la voiture électrique de manière à procurer un meilleur comportement routier avec plus d’agrément, d’agilité.

Chaîne de traction à hydrogène

L’Hydrogène

En 2022, la production mondiale de dihydrogène (H2) de 74 millions de tonnes provient à 96% de l’hydrogène gris (coût environ 1.5€ le kg) selon la réaction fortement endothermique de vaporeformage catalytique du méthane à haute température qui génère 0.9Gt de CO2 soit 2% des émissions mondiales.

Il est consommé en majeure partie sur place dans l’industrie chimique et pétrolière pour la synthèse de l’ammoniac (50%), le raffinage et la désulfuration des hydrocarbures (37%), la synthèse du méthanol (12%).

Avec une consommation annuelle de 0.9 Mt, la France a présenté en 2020 son plan hydrogène sur 10 ans de 7 milliards d’euros pour décarboner l’industrie et les transports. L’Allemagne, le Portugal, l’Espagne, l’Italie, les Pays-Bas, l’Autriche ont également des plans pour développer la filière. Ces investissements complétés par la commission européenne pourraient atteindre plus de 400 milliards d’euros sur 30 ans. Aujourd’hui l’H2 compte pour moins de 2% de la consommation énergétique européenne et atteindrait 14% en 2050. Ces plans visent à produire de l’hydrogène vert (coût 5 à 10€ le kg) à partir d’énergie renouvelables (solaire et éolien) qui représente en 2022 4% de la production mondiale. Il permet de stocker les excédents de production de ces sources d’électricité, sinon perdus en les transformant en H2.

Le doublement de la production d’électricité mondiale entre 2022 et 2040 suivi d’une croissance de 25% de 2040 à 2050 va selon le scénario pour 2050 de l’AIE voir la part des fossiles dans cette production tomber de 60 à près de 0% alors que celle des renouvelables passerait de 26 à 89% au total.

Ce scénario très favorable à une filière de l’hydrogène vert permettrait son utilisation à grande échelle pour les transports du futur.

L’AIE suggéra l’arrêt de la production de véhicules thermiques d’ici 2035 ; cette mesure a été prise en 2023 par l’union européenne et le Japon.

L’hydrogène gris et l’hydrogène vert sont des vecteurs d’énergie comme l’électricité et pas des énergies primaires réparties en 2 catégories : les énergies de stock comme le pétrole, le gaz, le charbon, l’uranium et les énergies de flux des renouvelables.

Leurs rendements de production dégradent donc celui de la chaîne hydrogène. Ce ne serait pas le cas avec l’hydrogène blanc encore balbutiant qui est une énergie primaire et extrait de poches d’hydrogène formées dans certaines zones où la grande affinité du fer pour l’oxygène brise les liaisons de la molécule d’eau, provoquant l’oxydation du fer et la libération d’hydrogène.

Production de l’hydrogène vert (source Ademe)

La consommation énergétique d’un électrolyseur dépend de la puissance de l’installation et des équipements annexes (purificateur d’eau, compresseur, onduleur, etc). Elle est plus faible pour les électrolyseurs de forte puissance. Les meilleurs résultats sont obtenus en électrolyse alcaline autour de 50 kwhe/kgH2 pour 20Mw et de l’ordre de 56 kwhe/kgH2 pour 1Mw en électrolyse alcaline ou en électrolyse PEM (membrane à échange de protons).

PCI (pouvoir calorifique inférieur de l’H2) =120 MJ/kg

ou 120 x 10^6/3600=33.33kwh/kg

D’où le rendement moyen de l’électrolyse R61=33.33/56=0.6

Stockage de l’hydrogène

Les applications à 700 bars nécessitent de comprimer à 900bars l’hydrogène qui en sortie de l’électrolyseur est à 30 bars, pour une consommation énergétique de 4.9 kwhe/kgH2

Soit 15%=4.9/33.33 x 100 de l’énergie contenue dans l’hydrogène.

D’où le rendement moyen de l’électrolyse avec compression à 700 bars R62=33.33/(56+4.9)=0.55

Sa masse volumique à la température standard de 25°C passe de 0.09 kg/m3 sous 1 bar à 42 kg/m3 sous 700 bars.

L’hydrogène liquide à -253°C a une masse volumique de 71 kg/m3 sous 1 bar soit une densité énergétique 1.7 fois supérieure à l’hydrogène comprimé à 700 bars.

Les principaux freins à son utilisation sont sa liquéfaction qui réclame 35% de son PCI, l’impossibilité d’éviter les fuites d’hydrogène en ébullition sans que la pression n’augmente rendant le stockage difficile en milieu confiné, son réservoir isotherme.

Réservoir de stockage

Les réservoirs en fibres de carbone bobinées avec liner intérieur en plastique polyéthylène ont des capacités de stockage gravimétrique de 6.4% pour l’hydrogène comprimé à 700 bars.

Soit le stockage de 6.4kg d’H2 dans un réservoir de 100 kg.

Masse volumique H2 sous 700 bars = 42kg/m3 donc 6.4 kg d’H2 sous 700 bars occupent un volume égal à 1000/42 x 6.4= 152 litres pour une masse totale réservoir + H2 de 106.4 kg.

L’ESA a développé un réservoir composé uniquement de polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP).

Transport – Distribution de l’hydrogène

En 2023, les quelques stations-service à hydrogène sont approvisionnées par des camions de 40 tonnes transportant 300kg d’H2 sous 250 bars dans des bouteilles en acier. Le coût du transport et de la distribution représentent plus de 80% du prix d’environ 12€ le kg d’hydrogène gris dans ces stations.

Une solution envisagée est de produire l’hydrogène vert aux moyens de petites unités d’électrolyse construites à proximité.

L’H2 peut être injecté dans le réseau de gaz naturel à raison de 6% soit après conversion en CH4 par méthanation selon la réaction catalysée de Sabatier faisant réagir de l’H2 et du CO2 avec formation de H2O.

Pour les grandes quantités d’hydrogène, le transport par gazoducs est la solution privilégiée. Le projet H2Med pour 2030 d’un pipeline européen d’hydrogène reliant les grands champs éoliens d’Espagne via Marseille et l’Allemagne devrait acheminer deux millions de tonnes d’H2/an vers la France couvrant ainsi 10% des besoins de l’UE.

Potentiel du moteur à hydrogène

La filière hydrogène offre la possibilité de décarboner le moteur à essence en lui apportant des modifications.

Les paramètres physico-chimiques de l’hydrogène permettent une première évaluation du potentiel du moteur à hydrogène.

Le PCI de l’hydrogène est 2.73 (=120x10^6/(44x10^6)) fois supérieur à celui de l’essence.

Le PCI par litre de mélange carburé (PCI/lmc) qui dépend du pouvoir comburivore A0, détermine la puissance du moteur. A0 est égal à la masse d’air nécessaire pour la combustion stochiométrique d’1kg de carburant.

A0essence=14.7kg d’air/kg d’essence ; A0hydrogène=34.4kg d’air/kg d’hydrogène.

PCI/lmc=Rhoair/A0xPCI soit 3876kJ/lmc pour l’essence et 4517kJ/lmc pour l’hydrogène où Rhoair =1.295kg/m^3 (CNTP).

L’hydrogène a donc un potentiel d’accroissement de 16.5% de la puissance du moteur aux conditions stochiométriques (Richesse R=1).

Son indice d’octane supérieur à 130 du fait de sa température d’auto-inflammation très élevée égale à 520°C (455°C pour le méthane ; 400°C pour le supercarburant et 260°C pour le gazole) autorise une augmentation importante du taux de compression (de 14 pour le moteur Intelvalve à essence, à 16 voir 18 pour un moteur à hydrogène à AACV MB Engine à l’admission et à l’échappement ou le système Intelvalve à l’admission et l'AACV à l’échappement) permettant l’optimisation de la partie ouverte du cycle.

Comme le méthane, l’hydrogène ne peut donc pas être utilisé dans un moteur diesel à allumage par compression non équipé de bougies d’allumage ou d’injections pilotes de gazole. L’indice de cétane dont dépend la combustion diesel est schématiquement l’inverse de l’indice d’octane dont dépend la combustion essence.

Sa vitesse de combustion laminaire au moins 5 fois plus rapide que celle des hydrocarbures (2.5m/s contre 0.5m/s) détermine également avec la turbulence, la richesse possible de la combustion. La vitesse de combustion diminue avec la richesse. Le fonctionnement en mélange pauvre avec des vitesses et des températures de combustions plus basses évite ainsi les combustions anormales.

Pendant la combustion l’augmentation de température et de pression des gaz brûlés pousse le front de flamme qui comprime les gaz frais. La vitesse de propagation du front de flamme dépend de la vitesse de combustion turbulente sur le front de flamme typiquement 10 fois supérieure à la vitesse de combustion laminaire mesurée au laboratoire.

La macro turbulence générée par exemple sous forme de tumble sur un moteur à essence de série à 4 soupapes par cylindre est convertie en fin de compression en une turbulence qui plisse le front de flamme multipliant sa surface et donc la vitesse de combustion laminaire d’un facteur 10 et plus.

L’hydrogène a un très large domaine d’inflammabilité (de 4 à 75% en volume).

Sa faible énergie minimale d’inflammation permet d’enflammer les mélanges pauvres.

Il peut donc brûler avec une large gamme de richesses en mélange pauvre avec une combustion complète contrairement au moteur à essence sauf doté d’une préchambre à effet torche.

En réduisant la richesse, la vitesse de combustion diminue générant une loi de dégagement d’énergie optimale, compatible avec la bonne tenue mécanique et sans combustions anormales.

Les variations du coefficient polytropique (gamma) du cycle avec la richesse sont importantes. Or le rendement thermodynamique du cycle étha=1-1/epsilon^(gamma-1) ne dépend que des deux paramètres epsilon et gamma.

Pour fixer les idées, le fonctionnement aux faibles charges aux richesses de 0.3 respectivement 0.5 au lieu de 1, procure un gain sur étha d’environ 20% respectivement 14% et donc une diminution correspondante de 20% respectivement 14% de la consommation de carburant.

Avec une richesse de 0.3 au lieu de 0.5, le gain sur étha H2 est de 5%. 0.631/0.6=1.05

étha(epsilon=14 ; R=0.3 ; gamma=1.36)=0.613

étha(epsilon=14 ; R=1 ; gamma=1.27)=0.510 ; 0.613/0.510=1.20

étha(epsilon=16 ; R=0.3 ; gamma=1.36)=0.631 ; 0.631/0.6=1.05

étha(epsilon=14 ; R=0.5 ; gamma=1.33)=0.581 ; 0.581/0.510=1.14

étha augmente de 3% avec epsilon passant de 14 à 16.

étha(epsilon=16 ; R=0.5 ; gamma=1.33)=0.60 ; 0.6/0.581=1.03 0.6/0.510=1.18

Loi de variation linéaire de gamma avec lambda

gamma=(1.27+(lambda-1)x1.4)/lambda

lambda=1/R : excès d’air

Pour les mélanges très pauvres, R tend vers 0, lambda tend vers l'infini et gamma tend vers 1.4, valeur pour l’air correspondant à étha maximum.

A la stochiométrie, R = 1, lambda = 1 et gamma = 1.27 valeur pour la vapeur d’eau à 700°C.

Aux faibles charges, l’abaissement de la richesse entraîne une diminution significative des pertes par pompage (estimation à 10% de l’augmentation du rendement effectif (éthaef) du moteur Intelvalve déjà supérieur de 20% à celui d’un moteur atmosphérique conventionnel.

D’où aux faibles charges avec R=0.3 :

éthaefH2=éthaefes x éthaH2(16 ; 0.3 ; 1.36)/éthaes(14 ; 1 ; 1.3)x1.1=0.18x 1.15 x 1.1=0.23

Où 1.15=0.631/0.547

et aux moyennes et pleines charges avec R=0.5

éthaefH2=éthaefes x éthaH2(16 ; 0.5 ; 1.33)/éthaes(14 ; 1 ; 1.3) = 0.30 x 1.1 =0.33

1.1=0.6/0.547

Rendement effectif maximum : éthaefH2atmomax= 0.39 x 1.1 =0.43

Rappel : éthaefesatmomax= 0.39

Le fonctionnement en mélange pauvre diminue l’amplitude du pic de température pendant la combustion, responsable de la formation des NOx dont les émissions se trouvent réduites significativement.

Pour enflammer les mélanges ultra pauvres, la bougie ne parvient à déclencher la combustion que si le taux de gaz recyclé est négligeable (préchambre à effet torche à envisager).

Les AACV à l’admission et à l’échappement permettent d'obtenir durant la période de croisement des soupapes, un balayage complet avec le remplacement des gaz brûlés par des gaz frais et contribue ainsi à repousser les limites de fonctionnement en mélange pauvre.

L’optimisation du RFE (retard à la fermeture des soupapes d’échappement) évite les contrepressions à l’échappement responsables du recyclage de grandes quantités de gaz brûlés.

L’optimisation de l’AOA (avance à l’ouverture des soupapes d’admission) améliore le remplissage des cylindres en évitant le refoulement de gaz brûlés dans les conduits d’admission qui sont ensuite réaspirés ; le RFA (retard à la fermeture des soupapes d’admission) étant le paramètre qui gouverne le remplissage.

Le remplacement partiel des gaz brûlés de l’espace mort au croisement peut augmenter de plus de 50°C la température de la charge prise.

Avec l’effet démultiplicateur de la compression adiabatique TxV^(gamma-1)=cste, la température en fin de compression se trouve alors rehaussée de plus de 100°C. La faible énergie d’allumage présente l’inconvénient majeur que les gaz chauds et les points chauds peuvent servir d’allumages prématurés ou pré-allumage, générant du cliquetis et des risques de retour de flamme si l’injection directe d’hydrogène débute avant le RFA. Le moteur doit aussi rester propre sans calamine, ce qui doit être pris en compte dans les stratégies de gestion moteur en bi-carburant.

Le niveau de pression du système d’injection directe doit être suffisant pour obtenir une bonne atomisation de l’hydrogène et un mélange air-carburant optimisé et bien homogène.

Nous venons de voir que le système Intelvalve ou l’AACV sont les moyens efficaces pour abaisser la température de la charge jusqu’à l’allumage.

Des pissettes d’huile sous les pistons et des circuits de refroidissement bore cooling dans les culasses et le haut des cylindres permettent d’éviter les points chauds.

En fonctionnement dans sa plage de puissance maximale, le moteur atmosphérique Intelvalve à hydrogène devra avoir une richesse augmentée pour conserver la même puissance maximale. Des injections multiples à très hautes pression avec des jets à trajectoires optimisées doivent permettre un second mode de combustion certainement compatible avec la richesse visée de 0.85 compte tenu de la distribution variable et des dispositifs de refroidissement précités pour éviter les points chauds.

Estimation de la puissance maximale

Gains cumulés du au fonctionnement en mélange pauvre et à l’augmentation du taux de compression : éthaH2(16 ; 0.85 ; 1.29)/éthaes(14 ; 1 ; 1.3)=0.553/0.547=1.01 soit 1%

Gain dû au PCI/lmc=1.165 16.5%

Perte dûe à la richesse 0.85 15%

Conservation de la puissance maximale : 1.01 x 1.165 x 0.85 = 1

On considère maintenant l’apport d’un turbocompresseur en série avec un échangeur sur l’air.

Aux faibles charges, le cycle est comparable à celui d’un moteur atmosphérique dont le taux de compression est réduit éthaH2(12 ; 0.3 ; 1.36)=0.591 ce qui entraîne une augmentation de rendement par rapport à l’atmosphérique éthaes(14 ; 1 ; 1.3)=0.547 de 8% du au gain sur gamma supérieur à la perte sur epsilon.

Le rendement mécanique est légèrement dégradé en raison de l’allongement de la course (atmo Intelvalve 2litres alésage 86 x course 86mm) ; (turbo Intelvalve 2 litres alésage 84 x course 90mm), l’embiellage prévu pour supporter des pressions de combustion supérieures avec les diamètres des manetons et des tourillons augmentés, le débit et la pression de la pompe à huile augmentés. Ethamécaturbo/éthamécaatmo=0.97.

D’où éthaefH2turbo=éthaefesatmo x 1.08 x 1.1 x 0.97 = 0.21 avec éthaefes=0.18 et 1.1, le gain dû à la réduction des pertes par pompage en mélange pauvre.

Aux charges moyennes et élevées, l’AACV permet d’optimiser la boucle inférieure du cycle alors positive, en ajustant l’AOE (avance à l’ouverture des soupapes d’échappement).

Il prolonge ainsi la détente pour une fourniture supplémentaire de travail au vilebrequin, tout en minimisant les travaux de transvasements à l’échappement et génère en amont de la turbine, la pression juste nécessaire à la récupération d’enthalpie sur l’arbre pour l’entraînement du turbocompresseur.

Son utilisation à l’admission permet également d’optimiser le remplissage et les transvasements dans leur globalité, réalisant la maitrise et l’optimisation de la partie ouverte du cycle sur toute la plage de fonctionnement, nécessaire à l’optimisation du cycle dans son ensemble en raison de l’interdépendance de ses différents temps.

En introduisant beaucoup de flexibilité dans la gestion des modes de combustion ou dans les stratégies de la suralimentation, l’AACV contribue ainsi à la réduction des NOx tout en améliorant le rendement effectif notamment en repoussant les limites du fonctionnement en mélange pauvre et en autorisant un taux de compression plus élevé.

Version du moteur Intelvalve turbo à hydrogène 260Cv à 5000tr/mn Couple à Pmax =365N.m=260x736/(5000x2pi/60) ; pme=4pi/2.10^-3 x 365.10^-5=23bars.

Gains cumulés dû au fonctionnement en mélange pauvre malgré la diminution du taux de compression : éthaH2(16 ; 0.5 ; 1.33)/éthaes(14 ; 1 ; 1.3)=0.6/0.547=1.1 soit 10%

Perte dû à éthaméca : Ethamécaturbo/éthamécaatmo=0.97 3%

Gain dû au PCI/lmc=1.165 16.5%

Perte de puissance dûe à la richesse 0.5 50%

Objectif de gain de puissance : 260/220=1.18 18%

Gain dû au remplissage Gtau=(tau2/lambda2)/(tau1/lamda1) ;lambda2=2 ;lambda1=1 ;tau1=1

tau : taux de remplissage des cylindres ; (indices 2 pour turbo et 1 pour atmo) ; lambda=1/R

Grécup : gain dû à l’énergie récupérée à l’échappement :

Grécup=1 + pmeboucle ouverte /pme boucle fermée = 1+ pmebo/pmebf=1.12 12%

Il vient : 1.1 x 0.97 x 1.165 x 0.5 x Gtau x Grécup=1.18

équivalent à tau2 x (1+ pmebo/(23-pmebo))=3.794 (1)

P x V=m x r x T loi des gaz parfait entraîne p/m=r x T / V où V=cylindrée

Donc p / m = cte x T

tau2 / tau1= m2 / m1 =T1 /T2 x p2 / p1 ce qui entraîne p2=tau2 x p1 x T2 / T1 (2)

T1=298 K température de la masse d’air prise m1

T2=T1+40°C=338Ktempérature de l’air en sortie de l’échangeur et de la masse d’air prise m2

p1=1 bar pression d’admission

p2 : pression moyenne collecteur d’admission

p3 =1.6 bars : pression moyenne collecteur d’échappement

pmebo = p2 –p3 (3)

(1), (2) et (3) entraîne p2=4 bars

pmebo = 2.4 bar ; pme bf = 20.6 bar

pme= pmebo + pmebf = 2.4 + 20.6 = 23 bars

Grécup=1.12 ; tau2=3.4 ; Gtau=1.7

Rendement effectif maximum : éthaefH2turbomax= 0.39 x 1.1 x 0.97 x 1.12 = 0.47

Rendement effectif aux (MPC) : éthaefH2turbo=0.30 x 1.1 x 0.97 x 1.12 = 0.36

Le fonctionnement en mélange pauvre élève très nettement la pression de suralimentation par rapport à un moteur essence turbo. Les valeurs trouvées sont là pour fixer les idées. Les simulations numériques permettent d’optimiser la boucle ouverte des transvasements à l’admission et à l’échappement pilotés par les lois d’ouvertures des soupapes.

Elles servent également à optimiser la suralimentation. Le rendement effectif doit pouvoir être amélioré et atteindre le niveau de 0.5 en jouant sur l’ensemble des paramètres qui gouvernent la performance du moteur à hydrogène suralimenté.

Notons que le choix des matériaux dans la conception des pièces du moteur en contact avec l’hydrogène doit tenir compte de la fragilisation par l’absorption d’hydrogène entraînant une diminution de leurs caractéristiques mécaniques qui les rendent plus fragiles avec le risque de propagations de fissures. Les aciers, le titane, le nickel sont les principaux matériaux fragilisés par l’hydrogène.

Afin d’éviter les problèmes de corrosion, les matériaux utilisés à l’échappement tiennent compte de la présence de vapeur d’eau, d’eau et d’air pendant les arrêts.

Chaîne de traction avec moteur Intelvalve à hydrogène vert

R7 - rendement moyen de la chaîne de traction à moteur atmo (du puits à la roue)

Aux faibles charges (FC)/Ville : éthaefH2atmo=0.23

R71 - rendement aux (FC) de la chaîne de traction à moteur atmo (du puits à la roue)

R71=R43 x R1 x R62 x éthaefH2atmo x R02 =1 x 0.9 x 0.55 x 0.23 x 0.975=0.11

Aux moyennes et pleines charges (MPC) / Route – Autoroute : éthaefH2atmo=0.33

R72 - rendement aux (MPC) de la chaîne de traction à moteur atmo (du puits à la roue)

R72=R43 x R1 x R62 x éthaefH2atmo x R02 =1 x 0.9 x 0.55 x 0.33 x 0.975=0.16

R8 - rendement moyen de la chaîne de traction à moteur turbo (du puits à la roue)

Aux faibles charges (FC)/Ville : éthaefH2turbo=0.21

R81 - rendement aux (FC) de la chaîne de traction à moteur turbo (du puits à la roue)

R81=R43 x R1 x R62 x éthaefH2turbo x R02 =1 x 0.9 x 0.55 x 0.21 x 0.975=0.10

Aux moyennes et pleines charges (MPC) / Route – Autoroute : éthaefH2turbo=0.36

R82 - rendement aux (MPC) de la chaîne de traction à moteur turbo (du puits à la roue)

R82=R43 x R1 x R62 x éthaefH2turbo x R02 =1 x 0.9 x 0.55 x 0.36 x 0.975=0.17

Chaîne de traction avec pile à hydrogène vert

R9 - rendement de la pac à hydrogène variant de 0.5 aux très faibles charges en croissant jusqu’à 0.57 à 15% de la charge maxi puis décroissant jusqu’à 0.43% à la charge maxi avec des productions allant de 18kwhe/kgH2 à 14kwhe/kgH2.

R91=0.52=17.5/33.33 rendement de la pac aux (FC) où 33.33kwh/kg = PCI de l’hydrogène

R92=0.46=15.5/33.33 rendement de la pac aux (MPC)

R10 = 0.79 - Rendement de la pile à combustible (PAC) aux roues

R10=R101 x R102 x R25 = 0.98 x 0.95 x 0.85 = 0.79

R101=0.98 – rendement du convertisseur DC/DC pour le bus entre la pac et la batterie utile dans les transitoires à fortes variation de charges.

R102=0.95 – rendement de l’onduleur et du transformateur en sortie de pac pour la commande du moteur électrique.

R11 - rendement moyen de la chaîne de traction avec pac (du puits à la roue)

R111 - rendement aux (FC) de la chaîne de traction avec pac (du puits à la roue)

R111=R43 x R1 x R62 x R91 x R10 = 1 x 0.9 x 0.55 x 0.52 x 0.79 = 0.20

R112 - rendement aux (MPC) de la chaîne de traction avec pac (du puits à la roue)

R112=R43 x R1 x R62 x R92 x R10 = 1 x 0.9 x 0.55 x 0.46 x 0.79 = 0.18

En ville, la chaîne de traction avec pac a un rendement deux fois supérieur à ceux des moteurs atmo ou turbo alors que sur route ou autoroute les trois chaînes de traction ont des rendements assez voisins.

Chaînes de traction des moteurs à essence

Moteur atmo Intelvalve

R0 - rendement moyen de la chaîne de traction à moteur atmo (du puits à la roue)

Aux faibles charges (FC)/Ville

R03=éthaef=0.18

R04 - rendement aux (FC) de la chaîne de traction à moteur atmo (du puits à la roue)

R04= R00 x R03 x R02 =0.95 x 0.18 x 0.975 = 0.17 (du puits à la roue)

Aux moyennes et pleines charges (Rappel)

(MPC) / Route – Autoroute

R01= éthaef=0.30

R0 - rendement aux (MPC) de la chaîne de traction à moteur atmo (du puits à la roue)

R0 = R00 x R01 x R02 =0.95 x 0.3 x 0.975 = 0.28 (du puits à la roue)

Moteur atmo moderne

Aux faibles charges (FC)/Ville

R05=éthaef=0.18 x 0.8=0.144

Où 0.8 : coefficient des pertes dûes à epsilon 11 au lieu de 14 ; cycle non optimisé par la distribution ; pompage ; embiellage plus lourd – utilisation d’acier et de traitements thermiques moins couteux

R06 - rendement aux (FC) de la chaîne de traction à moteur atmo (du puits à la roue)

R06= R00 x R05 x R02 =0.95 x 0.144 x 0.975 = 0.13 (du puits à la roue)

Aux moyennes et pleines charges

(MPC) / Route – Autoroute

R07= éthaef=0.30 x 0.36/0.39=0.28

Où 0.36/0.39=0.92 : coefficient de perte dans le rapport des rendements effectifs tirés des consommations relevées aux bancs moteurs.

R08 - rendement aux (MPC) de la chaîne de traction à moteur atmo (du puits à la roue)

R08 = R00 x R07 x R02 =0.95 x 0.28 x 0.975 = 0.26 (du puits à la roue)

Moteur turbo downsizing

Aux faibles charges (FC)/Ville

R09=éthaef=0.18 x 0.95=0.171

Où 0.95 : coefficient des pertes dûes à epsilon 9.5 au lieu de 14 ; cycle non optimisé par la distribution ; pompage ; embiellage pouvant supporter les pressions de combustion plus élevées – gain avec moins de pièces pour un trois cylindres au lieu de quatre générant moins de frottement.

R10 - rendement aux (FC) de la chaîne de traction à moteur turbo (du puits à la roue)

R10= R00 x R09 x R02 =0.95 x 0.171 x 0.975 = 0.16 (du puits à la roue)

Aux moyennes et pleines charges

(MPC) / Route – Autoroute

R11= éthaef=0.30 x 0.34/0.39=0.26

Où 0.34/0.39=0.87 : coefficient de perte dans le rapport des rendements effectifs tirés des consommations relevées aux bancs moteurs.

R12 - rendement aux (MPC) de la chaîne de traction à moteur turbo (du puits à la roue)

R12 = R00 x R11 x R02 =0.95 x 0.26 x 0.975 = 0.24 (du puits à la roue)

ANNEXE Le moteur à combustion interne

La fin du règne sans partage du moteur automobile à combustion interne a débuté vers le milieu des années 2010 avec l’essor des voitures électriques(en 2023, la voiture la plus vendue dans le monde est la Tesla Y avec 1.23 millions de ventes).

Le moteur essence

Le moteur essence appelé souvent le moteur automobile car très majoritairement utilisé dans le monde, est apparu avec l’automobile et l’exploitation des puits de pétrole.

Leurs destins semblent totalement liés car on imagine difficilement qu’il puisse prospérer sans l’abondance du pétrole et réciproquement que l’on puisse s’en passer pour brûler l’essence des raffineries.

Parmi ses avantages intrinsèques, citons son coût de production, sa fiabilité, sa dépollution satisfaisante par le pot catalyseur trois voies (NOx, CO, HC).

Notons pour fixer les idées quelques performances typiques des moteurs modernes :

- Moteur atmosphérique

Puissance spécifique 70 ch/l ou 52 kw/l à 6000 tr/mn

Puissance massique 1.2 ch/kg ou 0.9 kw/kg – masse spécifique 60 kg/l

Couple spécifique 10 daN;m/l à 3500 tr/mn

Consommation à la puissance maximale 190 g/chh ou 258 g/kwh soit le rendement effectif (éthaef) de 32% ; éthaefmax=0.36

- Moteur à turbocompresseur

Puissance spécifique 120 ch/l ou 90 kw/l à 5500 tr/mn

Puissance massique 1.8 ch/kg ou 1.3 kw/kg – masse spécifique 70 kg/l

Couple spécifique 18 daN;m/l à 1500 tr/mn

Consommation à la puissance maximale 200 g/chh ou 272 g/kwh soit le rendement effectif de 30% ; éthaefmax=0.34

Le moteur essence à turbocompresseur

Le turbocompresseur conçu au début du XX ème siècle pour rétablir la puissance des moteurs d’avions en altitude a ensuite été utilisé en automobile ce qui a engendré les deux problèmes de fond suivants :

- L’association d’un moteur volumétrique et d’un turbocompresseur centrifuge produit le caractéristique temps de réponse qui a toutefois pu être minimisé avec des améliorations concernant son inertie, les rendements de la turbine et du compresseur et avec certains perfectionnements tels-que les aubages variables ou l’assistance électrique.

- Les caractéristiques physicochimiques du supercarburant ne permettent pas une adaptation très satisfaisante moteur-carburant en raison même du délai d’auto inflammation et du mode de combustion par propagation d’un front de flamme constituant la surface de séparation des produits de combustion et de la charge.

A Peugeot Sport pour tous les V10 atmosphériques réalisés de Sports prototypes et de Formule1 allant de 200 ch/l ou 150 kw/l à 270 ch/l ou 200kw/l, j’ai eu la responsabilité du développement des carburants de compétitions avec les pétroliers successifs Esso, Shell, Total, Agip ; les enseignements tirés éclaireront le propos.

Les premières années, le règlement non verrouillé avait permis de développer des carburants qui procuraient des gains de performances jusqu’à 8%, sans modification notable du rendement effectif, en jouant essentiellement sur le Pci au litre de mélange carburé, la chaleur latente de vaporisation et la vitesse de combustion.

Les essences composées de seulement quelques produits issus du raffinage (contre plusieurs centaines possibles pour le supercarburant) avaient un indice d’octane étonnamment bas, de 10 à 15 points inférieur au supercarburant.

Le net abaissement de la température de la charge (-20°C contre +10°C pour le supercarburant relevés dans les conduits d’admission au voisinage des soupapes) et la vitesse de combustion 30% supérieure, permettaient de combattre efficacement l’apparition du cliquetis malgré le faible indice d’octane et un rapport volumétrique égal à 13.

Cette liberté laissée dans l’élaboration des carburants datait de la seconde moitié de la période des moteurs de Formule1 1500 cm^3 à turbocompresseur qui avait précédé le retour des moteurs atmosphériques.

Le patron Mauro Forghieri des moteurs de compétition Ferrari avait déclaré à la fin de la période des moteurs à turbocompresseur, que l’impact sur le moteur, des carburants moins contraints (avec indice d’octane supérieur à 120, à base d’Avgas, de toluène etc) était considérable et avait été de loin le plus impressionnant qu’il ait connu dans toute sa carrière de motoriste ; le passage du supercarburant à ces essences procurait un bond de 40% de la puissance qui dépassait 600 ch/l ou 440 kw/l, tout en réduisant la consommation spécifique de plus de 20% - l’indice d’octane très élevé permettait de retrouver une lois de dégagement d’énergie favorable ; pour les moteurs de formule 1 atmosphériques, ces carburants ne présentaient par contre pas d’intérêt.

Ces deux cas extrêmes révèlent la bonne adaptation du supercarburant au moteur atmosphérique et le problème de fond pour le moteur essence à turbocompresseur avec comme conséquence, une dégradation du rendement effectif aux charges élevées, croissante avec le niveau de suralimentation.

L’apport de l’injection directe (injecteurs électromagnétiques ou piézoélectriques – les multi-injections) a toutefois permis d’atténuer le besoin en octane. Les chiffres publiés de consommation et des émissions polluantes ont une grande importance commerciale bien qu’ils soient souvent jugés peu réalistes dans les essais.

Les normes ne ciblant pas les fonctionnements aux charges élevées ont empêché que le potentiel de puissance spécifique important du moteur à turbocompresseur soit jugé à l’aune de son rendement effectif.

Le Moteur diesel à turbocompresseur

Le moteur diesel est le meilleur convertisseur d’énergie chimique en énergie mécanique.

Loin devant les turbines pourtant nettement plus compactes et légères qui n’ont jamais pu rivaliser avec sa sobriété particulièrement recherchée pour les applications marines ou la production d’électricité dans les iles.

Les moteurs cathédrales deux temps, lents (moins de 100tr/mn) détiennent le rendement effectif record de 55% =1kwh/(12.2 kwh/kg x 0.15kg) (110 g/chh ou 150 g/kwh).

Un turbo compresseur à haut rendement contribue à cette performance exceptionnelle en maintenant dans le collecteur d’admission une pression moyenne supérieure à celle qui règne dans le collecteur d’échappement ; la boucle inférieure du cycle est positive et la récupération d’énergie se fait par fonctionnement en moteur à air comprimé pendant l’admission.

En automobile, son usage dans le monde a été freiné pour les principales raisons suivantes :

- La maitrise de la précision à quelques micromètres du système d’injection a posé de nombreuses difficultés au début.

- Ses modestes performances (puissances spécifique, massique et volumique) avant l’avènement des versions à turbocompresseur.

- Il a longtemps été critiqué pour ses vibrations, son bruit, ses fumées, ses odeurs.

- Il n’est pas indispensable pour brûler le fioul issu du raffinage du pétrole ; on dénombre les transports maritimes, terrestres de marchandises, les centrales électriques, l’industrie, le chauffage etc.

Il est donc resté minoritaire sauf en Allemagne et surtout en France (80% des voitures neuves étaient diesel en 2012) où les pouvoirs publics l’ont privilégié à travers une moindre taxation du gazole (qui bénéficie en plus d’un pouvoir calorifique volumique favorable), justifiée par le parc des centrales électriques nucléaires qui laisse disponible une grande partie du gazole des raffineries.

Les nombreux développements qu’il a connu depuis quatre décennies (en particulier le système d’injection à rampe commune à très haute pression – 2500 bars) lui ont procuré aujourd’hui des bonnes performances en version à turbocompresseur :

Puissance spécifique 90 ch/l ou 66 kw/l à 4000 tr/mn

Puissance massique 1.2 ch/kg ou 0.9 kw/kg – masse spécifique 80 kg/l

Couple spécifique 22 daN;m/l à 2000 tr/mn

Consommation à la puissance maximale 155 g/chh ou 210 g/kwh ; rendement effectif 39%

Consommation à pleine charge : minimale 145 g/chh ou 195 g/kwh soit le rendement effectif de 42% =1kwh/(12.2 kwh/kg x 0.195kg).

Mais les normes antipollution plus sévères ont rendu complexe et onéreux le traitement des NOx.

Les NOx, sont transformés en ozone par les ultraviolets en grande quantité à basse altitude les jours de canicule, créant une pollution à l’ozone, puissant oxydant néfaste pour la végétation et la santé (système respiratoire – olfactif – rénal).

Le NO2 néfaste également pour la santé (l’asthme) dont les filtres à particules catalysés accroissent paradoxalement les émissions.

Son image écologique a été ternie par les attaques dont il a fait l’objet pour les particules ultra fines, non arrêtées par le filtre à particules (rendu obligatoire par l’Euro 5 en 2011), dont la nature cancérigène est avérée selon l’OMS (Organisation Mondiale pour la Santé) et également par des interdictions localement dans le monde.

Le mode de combustion par auto – inflammation du gazole est gouverné par l’indice de cétane (supérieur à 51 en Europe) dont dépend le délai d’allumage.

La vitesse d’oxydation croissante avec le nombre (10 à 18) d’atomes de carbone est égale à environ 2000 fois celle de l’essence.

La combustion commence par les fractions les plus légères ; les conditions de pression et de température conduisent alors au cracking des molécules ce qui diminue la vitesse de combustion et en empêchant certaines de brûler complètement produit des fumées, des suies et des particules.

Les hétérogénéités de richesse génèrent des particules dans les zones riches et des NOx dans les zones pauvres.

L’excès d’air nécessaire à pleine charge pour éviter les zones top riches pénalise la puissance spécifique.

Le régime de rotation et le dimensionnement découlent de ce mode de combustion ; moins rapide et plus lourd que le moteur essence, sa boite de vitesses est également plus lourde - pour une application non stationnaire, un régime de rotation plus élevé procure un allègement avantageux.

Son coût de production est aussi sensiblement supérieur à celui du moteur essence. Il possède l’avantage d’un rendement thermodynamique plus élevé.