la combustion essence par auto-inflammation contrôlée (...

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Extended reserves | Clean refining | Fuel-efficient vehicles | Diversified fuels | Controlled CO 2 © Pierre DURET - IFP Schooll Cycle de conférences CNAM – SIA – IFP School - UPMC – 17/03/2009 La Combustion essence par Auto-Inflammation contrôlée (CAI) ou Controlled Auto-Ignition Une solution pour des moteurs à essence à faible consommation et émissions polluantes quasi-nulles? Pierre Duret Directeur Centre "Moteurs et Utilisation des Hydrocarbures" IFP School

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Extended reserves | Clean refining | Fuel-efficient vehicles | Diversified fuels | Controlled CO2

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Cycle de conférences CNAM – SIA – IFP School - UPMC – 17/03/2009

La Combustion essence par Auto-Inflammation contrôlée (CAI)

ou Controlled Auto-Ignition

Une solution pour des moteurs à essence à faible consommation et émissions polluantes quasi-nulles?

Pierre DuretDirecteur Centre "Moteurs et Utilisation des Hydrocarbures"

IFP School

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Cycle de conférences CNAM – SIA – IFP School - UPMC – 17/03/2009

La Combustion par Auto-Inflammation contrôlée (CAI)

Introduction

1- Les conditions d’obtention de l'auto-inflammation de carburant essence

2- La réalisation et le contrôle de la combustion par auto-inflammation dans un moteur 4 temps

3- L'application de la combustion CAI: une alternative àl'injection directe essence stratifiée ?

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Essence

DieselHybride

Emissions (HC, NOx, PM)

Con

som

mat

ion

/ CO

2

Targetarea

Adapted from AVL

Les enjeux “CO2 – rendement” et “émissions polluantes” des moteurs d'automobiles

Pour sortir du dilemme "CO2-rendement" / "NOx-particules" des moteurs d'automobiles, comment faire:

� des moteurs àessence ayant les consommations du diesel

� des moteurs diesel ayant les émissions de l'essence

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IFP pionnier dans l'utilisation de la combustion CAI 1995: moteur 2 temps automobile à ID essence

0102030405060708090

100

0 200 400 600 800 1000 1200

TIME (SEC)

0

20

40

60

80

100

120

Auto-ignition

10 % de NOx émis pendant le fonctionnement en CAI (env. 0.07 g/km) = partie urbaine du cycle MVEG à niveau Euro 4 sans catalyse DeNOx

Vite

sse

véhi

cule

(km

/h)

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Une "explosion" du nombre de brevets publiés sur la combustion CAI depuis 1999

Source: Frank van der Staay – European Patent Office

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Consommation de carburant comparée (%) entre divers procédés de combustion essence et diesel (référence 100 = essence stoechio)

Consommation de carburant comparée (%) entre divers procédés de combustion essence et diesel (référence 100 = essence stoechio)

Potentiel de différents procédésde combustion essence

0102030405060708090

100

IDI richesse 1 ID stratifiée pauvre CAI richesse 1 CAI mél. Pauvre

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Emissions de NOx comparées (%) entre divers procédés de combustion essence (référence 100 = ID stratifiée)

Emissions de NOx comparées (%) entre divers procédés de combustion essence (référence 100 = ID stratifiée)

5 2,5

0

100

200

300

400

500

IDI richesse 1 ID stratifiée pauvre CAI richesse 1 CAI mél. Pauvre

Potentiel de différents procédés de combustion essence

La catalyse 3-voies ne convient pas; nécessite une solution DeNOx en

mélange pauvre (cher et complexe)

Compatible avec une réduction par catalyseur 3-voies

Le niveau de conso de l ’ID sans

nécessiter de DeNOx

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L ’appellation CAI de plus en plus utilisée !mais beaucoup d ’autres appellations existent ...

ATAC Active Thermo-Atmosphere CombustionTS Toyota-Soken

2-strokeengines

auto-igncaused by

radicals, not intake temp

ARC Active Radical CombustionRAC Radical Activated Combustion

auto-igncaused by radicals

and/or intaketemp

HCCI Homogeneous Charge Comp IgnitionCIHC Compression-Ignited Homogeneous Charge combCAI™ Controlled Auto Ignition (IFP trade mark !)CCS Combined Combustion SystemPCCI Premixed Charge Compression Ignition

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La Combustion par Auto-Inflammation contrôlée (CAI)

Introduction

1- Les conditions d’obtention de l'auto-inflammationde carburant essence

2- La réalisation et le contrôle de la combustion par auto-inflammation dans un moteur 4 temps

3- L'application de la combustion CAI: une alternative àl'injection directe essence stratifiée ?

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Une leçon d'histoire:le développement de la combustion CAI

Tout a commencé par le moteur 2 temps...

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La première publication CAI...

� En 1979, la première publication sur une combustion de type CAI recherchée dans un moteur 2-temps:

Onishi et. al. (Nippon Clean Engine Research Institute), "Active Thermo-AtmosphereCombustion (ATAC) - A New Combustion Process for Internal Combustion Engines", SAE 790501, 1979

� La description d ’un nouveau procédé de combustion (ATAC) essence fonctionnant à charge partielle en mélange pauvre sans besoin d'allumage

☺ Des améliorations remarquables de la stabilité de combustion, du rendement et des émissions polluantes sont obtenues

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Allumage commandé ATACNo. cycles No. cycles

Pre

ssio

n cy

lindr

e (b

ar)

IMEP (bar) IMEP (bar)

Amélioration de la qualité de combustion et réduction des fluctuations cycliques

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Ce qu'ils ont vu ?

� Absence de front de flamme !

� Absence de noyau de flamme initial� Réaction progressive et simultanée dans l'ensemble de

la chambre de combustion

ATAC Allumage commandé

Source: D. Wang (IFPSchool) / Images: B Johansson (Lund Institute of Technology)

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Quelle explication au phénomène observé ?

ACPropagation d'un front de

flamme des gaz brûlés vers les gaz frais

ATAC (CAI)Absence de front de

flamme !

Combustion simultanée multi-sites dans l'ensemble de la

chambre de combustion

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Fra

ctio

nbr

ulée

Brûlé Imbrûlé

100%

Gaz dans la chambre de combustion

Allumage commandé

Brûlé

Imbrûlé

100%

Gaz dans la chambre de combustion

ATAC

Fra

ctio

nbr

ûlée

Quelle explication au phénomène observé ?

Source: D. Wang (IFP School)

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T°C gaz trop faible pour ATAC

Trop d'EGR pour combustion AC� zone de ratés

Les conditions pour la combustion ATAC (CAI)� Température élevée pour auto-inflammation� Taux de gaz résiduels (EGR interne) élevé

T°C gaz trop faible pour ATAC,AC OKzone de transition

ATAC & ACOK pourATAC

EGR

Gas frais

Température moyenne de la charge

Com

posi

tion

du m

élan

ge

Charge moteur

Source: D. Wang (IFP School)

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Le système ARC (ActivatedRadicals Combustion) développépar Honda :� reprise des travaux des années

1970 sur le sujet avec l'idée additionnelle de contrôler l'instant d'auto-allumage par une valve échappement particulière

� démonstration de l'intérêt du système lors du Rallye Dakar 1995 avec les 2 prototypes EXP-2

� industrialisation au Japon depuis début 97 et en Europe mi 98

Le premier moteur 2-temps CAI en productionHonda ARC (Activated Radical Combustion)

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L ’analyse des conditions d ’obtention de la combustion CAI sur moteur 2 temps

Pour préparer son transfert au moteur 4-temps...

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Températures et taux d’EGR interne en fonction de la PMI

Conditions globales favorables pour l ’auto-inflammation en terme de T°K des gaz et taux d ’EGR interne

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

IMEP (bar)

TE

MP

ER

AT

UR

E (K

)

INTE

RN

AL

EG

R R

ATE

T residual gas T fresh gasT mixture Residual gas rate 100

%

00

1000

800

200

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� avec le même taux d'EGR interne (et la même quantité de gaz frais), la combustion CAI peut avoir lieu dans un cas et pas dans l'autre,

� la combustion CAI est obtenue avec une introduction plus douce et plus étalée dans le temps des gaz frais (par exemple avec valve échappement Honda); il en résulte moins de mélange entre gaz frais et gaz brûlés et sans doute un gradient de températuredans la chambre de combustion

� des conditions globales de fort taux de gaz résiduels à température élevée sont donc nécessaires mais pas suffisantes

� des conditions locales de faible mélange entre gaz frais et gaz brûlés (EGR interne partiellement stratifié ) sont aussi nécessaires

Comment obtenir la combustion CAI dans un moteur 2 temps ?

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Les 1ères voies de recherche pour obtenir l ’auto-inflammation sur moteur 4 temps ? Augmenter le taux de compression...

ou réchauffer l'air admis

... et réduit l ’exigence en réchauffage d ’air admission (application 4T)Source: Schäpertöns and al. (VW)

... avance l ’auto-inflammation et augmente la vitesse de dégagement d ’énergie (CIHC 4-temps)(besoin de fonctionner avec un air admis à 370 °C avec un moteur HCCI avec taux de comp. de 7.5 )Source: Najt and al.

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Comment obtenir l ’auto-inflammation sur un moteur 4 temps essence ?

� sans augmenter le taux de compression

� sans augmenter la température de l ’air admission

non utilisable dans la pratique

pour une application

automobile (en particulier en transitoire)

?...

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à partir de la connaissance des phénomènes qui se déroulent sur moteur 2 temps

� en reproduisant les conditions de forts taux d ’EGR interne stratifié du moteur 2 temps en CAI

� en d’abord maximisant la quantité d ’EGR interne à la fin de la phase d ’échappement, � et ensuite en essayant de retarder l ’introduction de la charge fraîche pour minimiser le mélange avec l ’EGR interne

Comment obtenir l ’auto-inflammation sur moteur 4T.. .sans réchauffage de l ’admission ni taux de compress ion variable

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Quel effet de la stratification de l ’EGR interne ?

Source: SAE 2003-01-0032

AI par réchauffage de l ’air admis CAI avec air admis à

température ambiante !!!

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La Combustion par Auto-Inflammation contrôlée (CAI)

Introduction

1- Les conditions d’obtention de l'auto-inflammation de carburant essence

2- La réalisation et le contrôle de la combustion pa r auto-inflammation dans un moteur 4 temps

3- L'application de la combustion CAI: une alternative àl'injection directe essence stratifiée ?

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� 1ère condition : comment retrouver sur moteur 4 temps les conditions globales (taux d'EGRinterne et températures) du 2 temps ?

� 2ème condition: comment retrouver sur moteur 4 temps les conditions locales (stratification de l'EGR interne et gradient de T°C) du 2 temps ?

Le transfert de la combustion CAI (et de ses avantages !!!) au moteur 4 temps

A partir de l'analyse de ce qui se passe sur moteur 2 temps...

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Les principales solutions techniques étudiées pour respecter ces conditions

L ’utilisation de la distribution variable (lois d ’ouverture des soupapes échappement et admission) pour obtenir

� le piégeage d ’une partie des gaz brulés dans la chambre de combustion et leur recompression avant l ’admission des gaz frais (ou recompression de l ’EGR interne)

ou

� la réaspiration dans la chambre de combustion, avec l ’admission des gaz frais, des gaz brulés du cycle précédent encore dans les conduits d ’échappement

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CAI par recompression de l ’EGR interne

-360 -180 0 180 360Crank Angle [ºCA] ATDC

EVO EVC IVO IVC

Exp

ansi

on

Exh

aust

Res

idua

lR

e-C

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tioni

ng

Inta

ke

Com

pres

sion

NVO

Pressure vs. Cycle number

AC

CAI

Obtenu par un croisement de soupape négatif (NVO: negative valve overlap)

Sou

rce:

H. Z

hao

-B

rune

l Uni

v.

Source: Allen - Lotus

PMH PMBPMB

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� EGR recompressé durant la phase échappement� pertes thermiques aux parois � poursuite possible de l ’oxidation des EGR� réduction des pertes par pompage comparées au fonctionnement

homogène AC (une partie des pertes de pompage subsiste / recompression)

� Mélange EGR/gaz frais plus stratifié� favorise les poches de gaz chauds et avance le calage de la CAI

� Plus fortes T°C et pression cylindre � favorable pour les faibles charges� réduction des émissions de HC

CAI par recompression de l ’EGR interne

La solution (initialement brevetée par IFP) qui fait aujourd’hui l’objet des principaux développements

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500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Engine speed (rpm)

Eng

ine

IMEP (ba

r)CAI trop précoce

combustion violente (cliquetis)NOx��������

PME=0

Limitation du remplissageen gaz frais / lois NVO

Limite basse idem moteur 2 temps trop faibles T°C EGR

CAI par recompression de l ’EGR interneUne zone de fonctionnement limitée surtout vers les fortes charges

Zone de fonctionnement

pour des lois NVO fixes de levée de

soupape

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CAI par réaspiration des gaz brulésObtenu par un retard à la fermeture échappement (croisement positif)

L ’ouverture de la soupape

d ’échappement est prolongée

pendant la phase d ’admission

L ’ouverture de la soupape d ’admission est retardée

et de levée réduite

PMB PMH PMB

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� EGR non recompressé� les plus faibles pertes par pompage (meilleures conso à

richesse 1)� combustion moins stable qu ’avec l ’EGR interne mais peut

fonctionner à de plus fortes charges� charge max ~1.5 bar PMI en plus qu ’avec l ’EGR recompressé

� Mélange plus homogène (plus de mélange gaz frais/EGR)� plus limité pour fonctionner à très faible charge et en

mélange pauvre� plus faibles NOx (en particulier aux charges CAI élevées)

CAI par réaspiration des gaz brulés

Source D. Wang (IFP School)

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1

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500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Engine speed (rpm)

Eng

ine

IMEP (ba

r)

EGR recompressionRe-breathing

εεεε = 12,4= 12,4= 12,4= 12,4

ΤΤΤΤ intake : 40°C

P admission > P P admission > P atmatm

P admission <= P P admission <= P atmatm

CAI par réaspiration de l ’EGRUne zone de fonctionnement étendue vers les fortes charges

… en particulier si combinaison avec la suralimentation de la charge en gaz frais

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1500 rpm / 2.9 bar IMEP

240

250

260

270

280

290

300

0 5 10 15 20 25

ISNOx (g/kWh)

ISFC

(g/

kWh)

SI mode

εεεε = 12,4= 12,4= 12,4= 12,4

ΤΤΤΤ air : ambiant

SI / λλλλ = 1CAI / λλλλ = 1

NOx = 0,3 g/kWh

CAI / λλλλ = 1.7NOx =0,06 g/kWh

CAI mode

SI / λλλλ = 1.7

ISFC -15% / IS

NOx >-99 %

Compromis NOx / CO2 en combustion CAI

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Cycle de conférences CNAM – SIA – IFP School - UPMC – 17/03/2009

Visualisation de la combustion CAI sur moteur 4 temps

Source: B. Thirouard - IFP

CAI (357 - 363.5°CA)par recompression EGR

AC (334 - 349°CA)

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CAI (357 - 363.5°CA)

Source: B. Thirouard (IFP)

AC (334 - 349°CA)

Visualisation de la combustion CAI sur moteur 4 temps

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Le contrôle de la combustion CAI Phasage et loi de dégagement d ’énergie

Les paramètres influents...

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Si il est facile de contrôler une combustion en allumage commandé…

1. en préparant le mélange air/carburant correct (moin s facile en ID !)

2. en générant une étincelle au moment où le piston est à la bonne position

3. …et en attendant !

mais pratiquement aucun moyen d ’affecter la combust ion après l’instant d ’allumage

IGNITIONTIMING

Source: M. Perroti (Politecnico Milano)

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Contrôler une combustion CAI n’est pas aussi facile …

1. Plusieurs paramètres de contrôle avec de complexes interactions (pas encore bien connues)

2. Pas de système vraiment au point pour basculer de la combustion CAI à AC et vice-versa

WallTemp.

Air Temp.

Cyl. Press.

Compr. Ratio

Bla blaChargedistribut.

EGR Fraction

InjectionStrategy

EGR Temp.

Valve Timing

IntakePress.

FuelComp.

Source: M. Perroti (Politecnico Milano)

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Le contrôle de la combustion CAI et les voies de progrès futurs

� Le contrôle précis de la combustion CAI (calage et loi de dégagement d’énergie) et la maîtrise de sa transition avec la combustion par AC quand la charge augmente

� L’extension de la zone de fonctionnement en CAI

� vers les faibles charges (jusqu’à charge nulle ?) pour limiter les besoins en transitions CAI/AC

� vers les fortes charges (jusqu’à couvrir le cycle NEDC) pour tirer profit des gains en émissions, consommation et CO2 offert par CAI

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La Combustion par Auto-Inflammation contrôlée (CAI)

Introduction

1- Les conditions d’obtention de l'auto-inflammation de carburant essence

2- La réalisation et le contrôle de la combustion par auto-inflammation dans un moteur 4 temps

3- L'application de la combustion CAI: une alternati ve à l'injection directe essence stratifiée ?

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Charges partielles en CAI

(conditions urbaines)

Quasi-zero NOx contrôlés par l’auto-inflammation et la très forte dilution

Mélange pauvre pour meilleuresconsommations

Catalyse d’oxydation à amorçage rapidepour HC et CO

Quasi-zero NOx contrôlés par l’auto-inflammation et la très forte dilution

Mélange pauvre pour meilleuresconsommations

Catalyse d’oxydation à amorçage rapidepour HC et CO

Fortes charges en AC(accélérations)

Fonctionnement conventionnel en AC àrichesse 1 et catalyse 3-voies

Fonctionnement conventionnel en AC àrichesse 1 et catalyse 3-voies

L’objectif d’application de la CAI à l’automobileUn moteur bi-mode CAI / AC

Une opportunité pour un moteur 4T essence à haut rendement non dépendant d’un système sophistiquéde post-traitement des oxydes d’azote

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2000 rpm / λ = 1 / 2 lois de levées fixes (croisement négatif)

L’applicationL’application CAI CAI sursur moteurmoteur multicylindremulticylindreComparaison AC / CAI à richesse 1

2L injection indirecte - Rapport volumétrique : 11.5

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0 1 2 3 4 5BMEP (bar)

BS

FC

(g/

kWh) S.I. CAI S.I. - 10%

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500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Speed (rpm)

BM

EP

(ba

r) Mondeo 1.8

CAI

Cruise points

L’applicationL’application CAI CAI sursur moteurmoteur multicylindremulticylindreDes zones de fonctionnement CAI encore très limitées

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Speed (rpm)

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r) Mondeo 1.8

CAI

Cruise points

Avec croisement de soupapes négatif

Avec réaspiration EGR et suralimentation

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La combustion CAI combinée avec l’injection directe d’essence

Quels avantages supplémentaires apportés par la combinaison CAI avec ID ?

� Le “cooling effect” de l’ID lui permet de généralement fonctionner avec des rapports volumétriques un peu plus élevés

� favorable pour étendre la zone CAI vers les faibles charges

� L ’ID: un possible paramètre supplémentaire de contrôle du phasage de la combustion CAI

� favorable pour étendre la zone CAI

� pour une même ouverture papillon, le même point de fonctionnement peut-être réalisé en ID stratifié & distribution classique ou en CAI & distribution croisement négatif

� facilite la transition AC / CAI

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L’applicationL’application CAI CAI sursur moteurmoteur multicylindremulticylindreQuelsQuels apportsapports de de l’injectionl’injection directedirecte ??

Performances comparées entre� ID AC stoechio (homogène) / pauvre (stratifié)� ID CAI stoechio / pauvre

sur moteur prototype IFP 1.2 L / GDI Rapport volumétrique 10.8:13 bars de PME @ 2000 tr/min

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020

4060

80100

120140

160180

200

BSFC BSHC BSCO BSNOx

ReferenceSI Homogeneous Lamdda : 1

SI StratifiedLambda : 2,2

SI Stratified + EGR (15%)Lambda 1,67

CAILambda : 1

CAILambda : 1,4

L ’EGR externe en ID stratifié: un moyen de réduire les NOX qui ne peut rivaliser avec la combustion CAI

L’applicationL’application CAI CAI sursur moteurmoteur multicylindremulticylindreQuelsQuels apportsapports de de l’injectionl’injection directedirecte ??

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Conclusions (1)Le nouveau procédé de combustion CAI

Un nouveau procédé de combustion pour moteur 4 temps a étédécouvert et est en cours de développement avancé. Il présente:

� une plage de fonctionnement limitée, � l’extension de cette plage fait aujourd’hui l’objet des principaux développements

(avec la maîtrise de la transition AC/CAI)

� un potentiel d’émissions d’oxyde d’azote quasi-nulles� émissions de NOx divisées par 50 à 200 comparées à la référence AC: potentiel

pour niveau Euro 4+ sans DeNOx en CAI pauvre (~ 4-5 ppm NOx dans certainesconditions)

� un potentiel de haut rendement et de réduction des émissions de CO2 du moteur à essence

� améliorations à richesse 1 de 5 à 10 % de la consommation par rapport à la référence AC, et de 10 - 15 % jusqu’à plus de 20 % en mélange pauvre (niveau de consommation similaire à l’injection directe stratifiée avec 50 fois moins de NOx)

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� un niveau d’émissions d’HC et de CO acceptables� un fonctionnement avec un air admis à température ambiante� facilite le fonctionnement (en particulier en transitoire) sur véhicule

� un taux de compression conventionnel (ou légèrement accru) � capacité à fonctionner en mode conventionnel AC aux fortes charges

� le phasage de la combustion CAI et son dégagement d’énergie peuventêtre controlés

� par les lois de distribution, par la charge en EGR (quantité, stratégie de piégeage, degré de mélange), et dans un moteur ID par la stratégie d’injection du carburant

� avec l’avènement programmé des technologies de contrôle moteur de plus en plus sophistiquées (multi injection directe de carburant, actionnement variable des soupapes, taux de compression variable,…) les perspectives d’application industrielle des procédés CAI sont sérieuses.

Conclusions (2)Le nouveau procédé de combustion CAI

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La vision EUCAR (EUropean Council of Automotive Research) concernant l’évolution du groupe

moto-propulseur automobile en Europe

La vision EUCAR (EUropean Council of Automotive Research) concernant l’évolution du groupe

moto-propulseur automobile en Europe

Essence CAI & Diesel HCCI

Potentiel et perspectives pour de futures applications automobiles

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Source EUCAR

Conference 2006

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Septembre 2007 !Un exemple extrême , synthèse de technologies Mercedes présente son démonstrateur "DiesOtto" au Salon de Francfort

DOWNSIZINGID essence, bi-turbo, 1800 cc

175 kW (238 cv), 400 mN

HYBRIDATIONstop & start

COMBUSTIONCAI

VVA, VCR

5,3 l/100 km de consommation (127 g/km de CO2)revendiqués pour un véhicule essence Class S !

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toujours en Septembre 2007 !

General Motors présente

2 véhiculesSaturn Aura et

Opel Vectra pour démonstrationHCCI (CAI) !

ID 2200 cm3 ECOTEC, VVA, contrôle bouclé de la combu stion134 kW (180 ch) / 230 Nm

mode CAI jusqu'à 80 km/h, -15 % de consommation

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Et dans le futur…un procédé de combustion et un carburant unique ?

Source: Volkswagen

"What is happening in advanced combustion systemsis particularly interesting. There is a convergence of diesel and gasoline engines. .. In the future, there maybe no significant difference between [them]"

Dr J Gary Smyth, Director, GM Systems Research Laboratories - Emissions Control Technology, Issue 2005-1

Les procédés de combustion essence CAI et diesel HCCI se rapprochent de plus en plus sur le plan de la technologie moteur:� caractéristiques

similaires des émissions de polluants

� réduction de la différence de rendement entre essence et diesel

� augmentation du taux de compression du moteur à essence (10 � 12) quand celui

du moteur diesel diminue (18 � 14)