2.3 Les composants des chaînes de traction hybride
2.3.1 Le moteur à combustion interne
2.3.1.1 Introduction
Pour un véhicule HEV, toute l’énergie nécessaire au déplacement provient du car-burant fossile (essence, diesel, GPL, GNV), acheté en station service. Son énergie chimique est transformée à bord du véhicule en énergie mécanique grâce au moteur thermique dit aussi moteur à combustion interne. L’optimisation de son rendement est donc capitale pour un constructeur automobile afin d’améliorer l’efficacité de la chaîne de traction dont le rendement maximal ne pourra jamais excéder celui du moteur thermique. Dans cette étude focalisée sur le potentiel de l’électrification, le levier associé à l’optimisation du moteur thermique ne sera pas activé. Néanmoins, on notera que les moteurs à combustion interne ont fait durant plus d’un siècle d’existence l’objet d’améliorations permettant d’en optimiser le fonctionnement et d’en accroître le rendement. Ils ont été dimensionnés pour l’application automobile en tant que seule source de puissance et de ce fait ils sont conçus pour répondre à la puissance maximale, conditions d’utilisation rares et exceptionnelles dans l’usage courant des véhicules. Paradoxalement, les meilleurs rendements sont obtenus pour les fortes charges alors que l’utilisation normale les conduit à fonctionner majori-tairement à charge partielle. L’hybridation d’un moteur thermique va donc consis-ter à optimiser son point de fonctionnement. Par ailleurs, quand elle apporte un complément de puissance (Boost), elle ouvre de nouvelles pistes pour optimiser la conception des moteurs thermiques par rapport à leur fonctionnement nominal, tel que par exemple, l’utilisation du cycle Miller - Atkinson [26] qui permet d’augmen-ter le rendement à charge partielle, mais au détriment de la puissance maximale, compensée par la motorisation électrique.
On se propose dans ce paragraphe de rappeler les principales lois qui décrivent la performance énergétique d’un moteur thermique qu’il soit à allumage commandé, typiquement à essence, ou à allumage par compression, comme le moteur diesel. On considèrera les moteurs 4 temps dit à cycle Beau de Rochas dont le principe de fonctionnement est rappelé en annexe A.
2.3.1.2 Bilan énergétique
Le moteur à combustion interne est un réacteur qui transforme de l’énergie ther-mique produite par combustion en énergie mécanique. Il fournit un couple et des émissions gazeuses en consommant de l’air (oxygène) et du carburant (essence, ga-soil, . . . ). Seule une partie de l’énergie contenue dans le carburant est transformée en énergie mécanique utilisable pour la traction du véhicule, le reste étant perdu sous forme de chaleur. Aussi, le bilan énergétique du moteur thermique est convention-nellement identifié par trois termes, le travail effectif We en sortie du vilebrequin, le travail indiqué Wi correspondant au travail des forces de pression transmises au pis-ton par les gaz pendant les 4 temps du cycle moteur et enfin les pertes par frottement
Wf , tel que : We = Wi− Wf, (2.3.1) avec Wi = ˛ pdV. (2.3.2)
L’évolution, au cours du cycle moteur, de la pression p en fonction du volume est décrite sous la forme d’un diagramme dit de Clapeyron (voir Figure 2.3.1), où le travail indiqué est représenté par la surface fermée du diagramme. Cette surface se présente sous la forme de 2 boucles, la première représente le travail indiqué brut associé à la phase de compression et de détente des gaz, la deuxième traduit le travail de pompage lié au remplissage et à la vidange du cylindre – phases Admission / Echappement.
Figure 2.3.1 – Diagramme de Clapeyron p = f (V ) au cours d’un cycle moteur à explosion
Le travail effectif correspond au travail de la force appliquée par la bielle sur le maneton du vilebrequin. Il est égal à :
We = ˆ cycle F.ds= 4π ˆ 0 F.r.dθ = 4π ˆ 0 CM T h.dθ, (2.3.3)
et en considérant CM T h comme le couple moyen, constant au cours de la rotation, le travail effectif se résume à :
We = 4.π.CM T h. (2.3.4)
Pour comparer les différents moteurs entre eux, les motoristes ont introduit la notion de pression moyenne qu’elle soit effective (P ME), indiquée (P MI) ou de frottement (P MF ).
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La pression moyenne effective (P ME) correspond à l’expression du travail effectif sur un cycle (2 tours de vilebrequin pour un moteur 4 temps) rapporté à la cylindrée du moteur thermique Vcyl, selon la relation :
P M E= We
Vcyl. (2.3.5)
La pression moyenne indiquée (P MI) représente la pression constante qu’il faut exercer pendant la phase de détente sur le piston par la combustion du carburant pour fournir le travail Wi. Elle est nulle en dehors de la phase de détente. On distingue deux types de pression moyenne indiquée : La pression moyenne indiquée basse pression (P MIbp) liée à un travail résistif (négatif), conséquence des pertes de charges dans les canalisations durant les phases d’échappement et d’admission de gaz et la pression moyenne indiquée haute pression (P MIhp) qui intervient durant les phases de compression et de détente des gaz, tel que P MI = P MIhp− P M Ibp. La P MI est visualisable comme une ordonnée moyenne sur le cycle décrit par la figure 2.3.1.
La pression moyenne de frottement (P MF ) traduit la pression qu’il faudrait exer-cer sur le piston pour obtenir le travail équivalent aux pertes par frottement. Elles correspondent à l’ensemble des pertes par friction des pièces mobiles entre elles tel que le frottement du piston (segmentation) sur la chemise et à l’entraînement des ac-cessoires nécessaires au bon fonctionnement du moteur à combustion interne (pompe à carburant, alternateur, pompe de refroidissement, actionneurs,. . . .).
Ces 3 pressions moyennes sont reliées entre elles par la relation :
P M E= P MI − P MF. (2.3.6)
2.3.1.3 Rendement d’un moteur à combustion interne
Le rendement global d’un moteur à combustion interne se définit par l’équation 2.3.7, où We est le travail effectif en sortie du vilebrequin et Qcombustible, l’énergie contenue dans le carburant :
ηe = We
QCombustible. (2.3.7)
Le rendement du moteur à combustion interne varie en fonction de la puissance demandée. Il se représente sous la forme de cartographies ηe(CM T h,ΩM T h) telles que présentées par la Figure 2.3.2 pour un moteur thermique essence dont le ren-dement maximum atteint 34%. On remarquera que les renren-dements les plus élevés sont atteints pour des conditions de couple et de vitesse élevées. A charge partielle, le rendement diminue fortement (~20%).
0 100 200 300 400 500 600 700 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0 .1 5 0 .1 5 0.15 0.15 0.15 0 .2 0 .2 0.2 0.2 0.2 0 .2 2 0 .2 2 0.22 0.22 0 .25 0.25 0.25 0.25 0 .27 0.27 0.27 0.27 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 2 0.32 0.32 0 .3 2 0.3 2 0.3 3 0.33 0.3 3 0 .33 0.33 0 .3 4 Vitesse [rad/s] C o u p le [ N m ]
Figure 2.3.2 – Cartographie de rendement d’un moteur thermique essence EB0 -Ligne rouge correspondant à la courbe de couple maximum
Pour caractériser la performance ou l’efficacité d’un moteur à combustion interne d’autres notions de rendement ont été définies [27]. On retiendra pour mémoire, le rendement indiqué 2.3.8 qui renseigne sur la qualité de conversion du carburant en énergie mécanique, tel que :
ηi = Wi
QCombustible. (2.3.8)
2.3.1.4 Consommation spécifique
Un moteur thermique se caractérise par sa consommation spécifique effective (CSE) exprimée en g/kWh, correspondant à la quantité de carburant nécessaire pour fournir 1 kWh de travail mécanique au vilebrequin. Au point de fonction-nement considéré, elle est inversement proportionnelle au rendement effectif 2.3.7, défini par :
CSE= 3600
ηM T h∗ P CI , (2.3.9)
avec P CI le pouvoir calorifique inférieur du carburant exprimé en kJ/kg.
Cette consommation spécifique est mesurée sur banc sur toute la plage de régimes de fonctionnement et s’établit sous la forme d’une cartographie CSE, donnée d’entrée des modélisations énergétiques des chaînes de traction, telle que :
CSE = CSE (CM T h, ΩM T h) , (2.3.10) ou
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