moteur thermique Diesel (GMP/MTD)
L
e principe de fonctionnement d’un moteur essence à quatre temps consiste à créer une pression à l’aide d’une combustion, dans un cylindre directement au-dessus d’un piston et le faire déplacer en lui donnant de la force. Pour arriver à cette phase de puissance, trois autres actions sont nécessaires. Il faut, dans un premier temps, faire rentrer de l’air et de l’essence dans le cylindre, puis comprimer l’ensemble pour avoir une bonne combustion. La troisième action est la combustion du mélange air et essence. Il faut enfin évacuer les gaz brûlés pour recommencer le cycle. Quatre actions sont donc nécessaires pour le fonctionnement : c’est le cycle du moteur à 4 temps.Le moteur Diesel est principalement utilisé en automobile en Europe du sud. A la place de l’essence, il utilise du gazole, un carburant plus lourd et moins inflammable. Ce qui pourrait paraître un inconvénient est en fait un avantage car son principe de combustion donne un meilleur rendement (moins de carburant gaspillé). A la différence du premier moteur où l’air et l’essence sont mélangés dans le cylindre avant allumage, le moteur Diesel ne comprime que de l’air, mais à un taux plus élevé. A la fin de la compres-sion, le gazole est injecté directement dans le cylindre et brûle au fur et à mesure de son injection. Avantages : meilleur rendement (consommation inférieure), taux plus faible d’émission de CO2. Inconvénient : poids du moteur plus élevé, émissions supérieures de particules et de NOx.
Pour pallier à ce dernier inconvénient et afin de respecter les normes européennes, certains véhicules, sont équipés de systèmes de post-traitement des gaz d’échappement sortant des moteurs, capables de trai-ter les NOx et les particules. Outre leur prix de revient de fabrication relativement élevé, ces systèmes de post-traitement d’oxyde d’azote ou de particules engendrent des surconsommations en gazole et une complexification de la ligne d’échappement. De plus, ils sont particulièrement intrusifs pour le groupe motopropulseur et nécessitent le développement de stratégies complexes de pilotage et de contrôle.
Nous allons présenter le groupe motopropulseur avec moteur thermique Diesel. Ensuite, nous dé-taillons la modélisation des principaux modules du système étudié. Nous nous intéressons en particulier à la modélisation thermique, mécanique et chimique du moteur (module de la combustion (MDC) de la fi-gure 1.1), nous allons quantifier l’influence de la perte de charge au niveau du système de post-traitement
sur le rendement du moteur thermique, cette étude va nous permettre de découpler la commande du mo-teur thermique et du système de post-traitement. Puis, nous nous intéressons à la modélisation du module de traitement de fluide (MTF). On détaillera essentiellement le modèle du catalyseur et celui du filtre à particule. Nous développons ensuite un modèle 1D du catalyseur d’oxydation que nous réduisons en un modèle 0D. Ce dernier sera utilisé pour des applications de commande et de diagnostic. Nous dévelop-pons un modèle de perte de charge du filtre à particule que nous utilisons pour développer un estimateur de la masse de suie dans le filtre. Nous présentons, par la suite,
8.1 Revue de quelques architectures du GMP/MTD
8.1.1 Le cas général
Un des grands inconvénients du moteur Diesel réside dans la quantité de particules émises par ce der-nier. Ces particules sont cancérigènes et présentent des menaces aux systèmes respiratoire et cardiaque humain. Les normes européennes imposent des émissions de particules de plus en réduites, ce qui im-plique l’utilisation de systèmes de traitement des particules émises par le moteur. Le système le plus au point à l’ordre du jour est celui utilisant un filtre à particules. Pour régénérer le filtre, on injecte un car-burant ou des réducteurs dans la phase de circulation des résidus de la combustion dans l’échappement afin de brûler les particules qui se transforment ainsi en gaz carbonique et en vapeur d’eau. La façon la plus classique d’injection de carburant consiste à utiliser le moteur lui même. Cette injection s’appelle la post-injection. Néanmoins cette méthode présente un grand inconvénient. En effet, lorsqu’on utilise le moteur thermique pour injecter le carburant, on participe à la dégradation de l’huile du moteur. Ce qui réduit considérablement l’autonomie du véhicule.
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FIG. 8.1 – Moteur thermique avec la ligne de post-traitement
Dans le cadre de cette thèse, nous avons travaillé sur deux projets innovants qui utilisent un actionneur indépendant du moteur pour la régénération du filtre à particules.
8.1 Revue de quelques architectures du GMP/MTD
8.1.2 Utilisation d’un actionneur indépendant du moteur pour la régénération du FAP Les deux projets évoqués dans le paragraphe précédent sont le projet IDEAS (Innovative Diesel Ex-haust After treatment System) qui utilise un reformeur embarqué et le projet EPM (Enhanced Powertrain Management) qui utilise un 5èmeinjecteur. Les différents objectifs de ces deux projets sont :
– Réduire le temps de mise au point (MAP) ;
– Réduire les coûts du système (Dimensionnement actionneur, volume du FAP,...) ; – Réduire la consommation ce qui équivaut à réduire la production duCO2; – Valeur client (Disponibilité du véhicule, intervalle de vidange...).
La solution proposée par le projet EPM (figure 8.2) combine l’utilisation du moteur thermique, du 5ème
injecteur et d’un catalyseur d’oxydation (DOC) pour la régénération du FAP. La réaction entre le carbu-rant injecté et le l’oxygène au niveau du catalyseur permet d’élever la température en entrée du FAP.
moteur
Catalyseur (DOC) Filtre `a particules
gazole
5ieme
injecteur
turbo
FIG. 8.2 – Système de dépollution, projet EPM
La solution étudiée dans le cadre du projet IDEAS permet une régénération complètement indépen-dante du moteur. Le système de post traitement utilise un reformeur et un NOxTrap pour la régénération du filtre à particule. Lorsqu’on décide de régénérer le filtre, le reformeur génère des réducteurs. La réaction chimique qui se produit dans le reformeur est une réaction d’oxydation partielle (POX). Le mo-noxyde de carbone CO et le dihydrogène H2 produits par cette réaction d’oxydation réagissent avec l’oxygène provenant du moteur thermique. Cette combustion est exothermique, elle permet d’élever la température en entrée du FAP : c’est la phase de régénération du FAP.
On peut distinguer trois phases de fonctionnement de ce système :
– le Chargement en NOx : le gaz d’échappement provenant du moteur est circulé vers un mélangeur ensuite il passe par le NOxTrap qui permet de stocker les NOx ;
– le déchargement du NOxtrap : Lorsque le stock cumulé des NOx atteint un seuil donné, le gaz d’échappement moteur ne passe plus par le NOxTrap. Nous utilisons alors le reformeur pour la purge.
– le déchargement du FAP : Lorsque le stock cumulé de particules diesel atteint un seuil donné, Nous utilisons le reformeur afin de régénérer le Filtre à Particule.
moteur
NOx Trap Filtre `a particules
reformeur air
gazole
H2, CO
turbo
FIG. 8.3 – Système de dépollution, projet utilisant un reformeur
Remarques
– Il reste à noter que le moteur Diesel fonctionne dans les deux cas précédent en mélange pauvre, c’est-à-dire en excès d’oxygène.
– La régénération du filtre à particule peut se faire avec différentes stratégies. On attend que le filtre atteigne une masse critique, dans ce cas se sont les émissions moteur et le volume du filtre à particule qui sont les paramètres d’ordre 1 sur les intervalles entre les régénérations (par exemple environs chaque 400 à 600 km) soit l’estimation de la masse et le fonctionnement du moteur permettent d’identifier des opportunités et donc les régénérations se feront sur une mode plus complexe.
– Suivant le type d’actionneur, la régénération du filtre à particule a un impact différent sur la consommation de carburant et d’huile (à travers la dilution d’huile lors de l’utilisation de la post injection tardive). Le suivi de l’efficacité de l’actionneur s’avère alors primordial pour les normes OBD ainsi que pour le client à travers son intervalle de vidange et sa consommation de carburant et surtout de la disponibilité du véhicule. De plus, un diagnostic de l’actionneur permet une aide à la reparabilité et la localisation de panne en après vente.