L
es ressemblances au niveau conceptuel de deux systèmes peuvent être expliquées par le fait qu’on cherche à valoriser au mieux l’énergie utilisée dans deux procédés de conversion de l’énergie. Le schéma de transferts d’énergie est alors conçu en essayant de maximiser le rendement énergétique global. En effet, la valorisation d’une source d’énergie entraîne une modification du bilan thermique du procédé et ne peut donc être étudiée isolément : chaque schéma énergétique devra être étudié dans son ensemble. Les deux applications ont des objectifs communs que nous pouvons décrire par quatre axes sur lesquels nous cherchons à optimiser nos systèmes énergétiques :2.1 Axe n
◦1 : consommation
La réduction de la consommation du groupe motopropulseur revient à améliorer son rendement éner-gétique.
Le rendement énergétique du système illustré par la figure 1.1 s’écrit :
ηGM P = W GM P,out m WcarbGM P,in = W GM P,out m WM DP,out WM DP,out WcarbGM P,in = ηCP . ηM DP (2.1) avec :
– WmGM P,out : puissance mécanique fournie par le groupe motopropulseur (GM P).
– WcarbGM P,in =QM DP,incarb P CIcarb: puissance calorifique du carburant utilisé.QM DP,incarb représente le débit de carburant consommé par le module de puissance.P CIcarbdésigne le pouvoir calorifique inférieure du carburant.
– WM DP,out : puissance effective du module de puissance.
– ηCP : rendement du convertisseur de puissance (CP) .
Le rendement du module de puissance peut être exprimé en fonction des rendement des ses sous modules :
ηM DP =ηM DC . ηM T F . ηM T T
avec :
– ηM DC : rendement énergétique du module de combustion.
– ηM T F : rendement énergétique du module de traitement de fluides. – ηM T T : rendement énergétique du module de traitement thermique. Le rendement énergétique du système illustré par la figure 1.1 s’écrit :
ηGM P =ηCPηGPηM DCηM T FηM T T GM P ∈ {GM P/P AC, GM P/M T D}
avec
– ηCP est le rendement du convertisseur de puissance (moteur électrique avec variateurs/ boîte à vitesses) ;
– ηGP est le rendement de la partie gestion de puissance du MDP :
ηGP = W
M DP,out
WM DC,out+WeM DP,in
1. Système groupe motopropulseur avec pile à combustible
Dans le cas du GMP/PAC nous avons
ηGM P/P AC =ηCPηGPηF CηREFηAM SηM T T
avec
– ηAM Sest le rendement du système de traitement du comburant ;
– ηREF est le rendement du reformeur qui sera exprimé dans la partie modélisation du reformeur ; – ηF C est le rendement de la pile. Il est calculé grâce à la loi de Faraday :
ηF C = U
F C.2.F RA.(P CI)H2
2. Système groupe motopropulseur avec moteur thermique Diesel
Le rendement du système GMP/MTD est donné par :
ηGM P/M T D =ηCPηGPηM OTηADMηP OPηIN JηEGRηM T T
avec
– ηADM est le rendement du système de l’admission de l’air ; – ηP OP est le rendement des pompes d’injection du carburant ;
2.2 Axe n◦2 : pollution
– ηIN J est le rendement des injecteurs ;
– ηEGRest le rendement dû au retour des gaz EGR à la chambre de combustion ; – ηM OT est le rendement du moteur thermique :
ηM OT = 1 2 N 60Vcyl(P M E) QM OT F uel .(P CI)F uel
LaP M Eest la puissance moyenne effective du moteur. Elle décroît lorsque la masse de suies dans le filtre à particule augmente. Afin de réduire l’impact du système de dépollution sur le moteur, il faut régénérer le FAP avant que laP M Echute d’une façon significative. Pour cela on définit une masse limite de suie toléré dans le FAP. Il est indispensable pour la stratégie de régénération du FAP de bien estimer la quantité de suie afin de pouvoir déclencher la régénéra-tion au bon moment.
La comparaison du rendement dynamique pour une même puissance utile fournie au véhicule va nous permettre de comparer la consommation des deux systèmes.
2.2 Axe n
◦2 : pollution
– Groupe motopropulseur avec pile à combustible et reformeur embarqué (type de polluants : mo-noxyde de carbone) : le débit de polluant dans le cas du GMP/PAC est très faibleQP ≈0. – Groupe motopropulseur avec moteur thermique Diesel (types de polluants réglementés :N Ox,
suies) : nous considérons le vecteur de débit de polluant suivant :
QP = QN Ox Qsuies QCO QHC
2.3 Axe n
◦3 : autonomie
– Groupe motopropulseur avec pile à combustible et reformeur embarqué (type du stock :eau) : La pile produit de l’eau et le reformeur en consomme. La gestion du bilan d’eau permet d’optimiser celui-ci. Une fraction de l’eau produite par la pile est récupérée grâce aux différents condenseurs. Une deuxième partie est reconduite vers le reformeur. Le reste de la quantité de l’eau produite est utilisée pour humidifier la membrane de la pile. Le groupe motopropulseur avec pile à combustible consomme 1.5 litre d’eau par 100km de cycle V1. Pour un système avec un volume initialV du stock d’eau, l’autonomie est estimée à V
1.5100km.
– Groupe motopropulseur équipé d’un moteur Diesel, d’un catalyseur d’oxydation, d’un injecteur et d’un filtre à particule (type du stock : huile) : l’autonomie est estimée à 15000 km.
L’utilisation du moteur pour la régénération du filtre à particule provoque une dégradation de la quantité d’huile qui sert à lubrifier le moteur. En plus une partie de l’huile est transformée en couche de résidu qui s’installe sur la paroi du filtre. L’amélioration des lois de contrôle de la régé-nération permet d’augmenter l’autonomie en huile.
– Groupe motopropulseur équipé d’un moteur Diesel, d’un catalyseur d’oxydation, d’un reformeur et d’un filtre à particule (type du stock : huile) : l’autonomie est estimée à 30000 km
Comme on n’utilise pas le moteur pour la régénération du FAP, il n’y a que l’huile transporté par le carburant et qui se transforme en résidus sur le FAP qui réduit d’autonomie en huile.
2.4 Axe n
◦4 : coût
– cas du groupe motopropulseur avec moteur thermique, un catalyseur d’oxydation, un cinquième injecteur et un filtre à particules (type du carburant : gasoil) :ζ(GM P/M T D1) = C1
65 = D1
C/kW.
– cas du groupe motopropulseur avec moteur thermique, un catalyseur d’oxydation, un reformeur et un filtre à particules (type du carburant : gazoil) :ζ(GM P/M T D2) = C2
65 = 1,3D1C/KwkW .
– cas du groupe motopropulseur avec pile à combustible et reformeur embarqué (type du carburant : essence) :ζ(GM P/P AC) = C3
75 = 3D1 C/kW.
Afin de réduire le coût de chaque système, nous avons travaillé à améliorer la précision des estimateurs et des lois de commande. L’amélioration de la précision permet d’utiliser des réacteurs de dimensions plus petites. En réduisant les volumes, nous faisons des économies de la quantité de catalyseurs utilisés. Sachant que les catalyseurs sont fabriqués à partir de métaux précieux tel que le platinum.
2.5 Axe n
◦5 : densité d’énergie
Cet axe de comparaison permet de comparer la puissance maximale des différents groupes moto-propulseurs rapportée au volume effectif occupé par ce dernier. Cette grandeur permet de valoriser les systèmes qui sont les moins encombrants et par conséquent ceux qui sont plus faciles à intégrer dans le véhicule. La densité d’énergie est exprimée en kW/m3.
2.6 Synthèse sur les axes de comparaison entre les deux groupes
moto-propulseur
Nous regroupons les différents axes détaillés dans les paragraphes précédents dans un même dia-gramme qui permet de visualiser les différent axes sur un même graphe, figure 2.1. Ce type de diadia-gramme est appelé kiviat ; il est couramment utilisé pour la validation et la comparaison de différentes solutions technologiques [1, 2].
2.6 Synthèse sur les axes de comparaison entre les deux groupes motopropulseur
FIG. 2.1 – Axes de comparaison entre les deux systèmes
Lorsque les solutions technologiques paraissant les plus intéressantes ont été sélectionnées, puis mo-délisées, il convient de déterminer le système d’affectation optimal des ressources aux besoins d’énergie. Cette optimisation devra être réalisée sous certaines contraintes, garantes des faisabilités techniques et des possibilités d’adaptation des techniques proposées au procédé. L’optimisation énergétique s’accom-pagne d’une optimisation économique tenant compte des investissements et des coûts de fonctionnement. Un schéma énergétique pourra être retenu si l’on démontre, dans un premier temps, sa faisabilité tech-nique et, dans un second temps, son intérêt économique.