Performances du véhicule Consommation

Performances du véhicule Consommation

Pierre Duysinx Université de Liège

Année académique 2010-2011

Références bibliographiques

„

T. Gillespie. « Fundamentals of vehicle Dynamics », 1992, Society of Automotive Engineers (SAE)

„

R. Bosch. « Automotive Handbook ». 5th edition.

2002. Society of Automotive Engineers (SAE)

„

J.Y. Wong. « Theory of Ground Vehicles ». John Wiley & sons. 1993 (2nd edition) 2001 (3rd edition).

„

W.H. Hucho. « Aerodynamics of Road Vehicles ». 4th edition. SAE International. 1998.

„

G. Genta. « Motor vehicle dynamics – Modelling and

Simulation ». World Scientific; 1997.

Plan de l’exposé

„ CONSOMMATION DE CARBURANT

„ Définition de la consommation

„ Consommation des moteurs thermiques

„ Consommation des moteurs électriques

„ Consommation des véhicules

„ Définition

„ Calcul de la consommation

„ Consommation à vitesse constante

„ Consommation sur un cycle à vitesse variable

„ Mesures normalisées de la consommation

„ A vitesse constante

„ Cycles normalisés de consommation

„ Cycles américains

„ Cycles européens

„ Mesure sur bancs à rouleaux

Introduction

„ La consommation des véhicules est devenu un facteur très important

„ Elle dépend d’un nombre de facteurs:

„ Les caractéristiques de consommation et le rendement de la motorisation

„ Les caractéristiques de la transmission (rapport de réduction, rendement)

„ Le poids du véhicule

„ La résistance aérodynamique

„ La résistance au roulement

„ Le cycle de conduite (conditions de conduite)

„ Le comportement du chauffeur...

Consommation du moteur thermique

„ La consommation spécifique du moteur est la quantité de carburant (m_f) utilisée pour produire un travail T donné:

„ Pour un fonctionnement en régime variable:

„ La consommation spécifique dépend du point de fonctionnement du moteur

„ Elle est cartographiée sur le diagramme puissance ou couple en fonction du régime

be= mf

T^mot

dT^mot=P^motdt

dmf =m_fdt be= m_f

P^mot

Consommation du moteur thermique

„ On utilise généralement une cartographie de la consommation pour représenter son évolution en fonction du taux de charge et du régime.

bmep@WOT

2 _R

d

bmep C n V π ⋅ ⋅

=

b f

W bsfc m

=

(2 )

Wb= π⋅N ⋅C

Consommation spécifique du moteur

Wong. Fig. 3.41 et 3.42

Moteur essence

Moteur diesel

Consommation spécifique du moteur

„ On peut également parler de rendement énergétique, ratio entre la quantité d’énergie mécanique que l’on peut extraire d’un Kg de combustible ayant un PCI H_fuel

„ Soit encore

´e= Pmot

_ mfHfuel

´e = T^mot mf Hfuel

Consommation spécifique du moteur

„ Les notions de rendement et de consommation spécifique sont liées par la relation:

„ PCI habituels

´e= 1 beHfuel

Consommation spécifique du moteur

„ Aujourd’hui avec le défi climatique lié aux émissions de CO₂, il est courant d’exprimer la consommation en émissions de CO₂.

„ Compte tenu de la composition chimique moyenne des

carburants, on peut établir un équivalent entre le litre de carburant et la masse de CO₂ émise

1 500 Propane

1 891 Gaz naturel

2 730 Diesel

2 360 Essence

g CO₂/ litre

Consommation spécifique du moteur

„

Exercice:

„

Une consommation normalisée d’essence de 5 l équivaut à une émission 5*2360 /100 = 118 gr CO

/km

„

L’objectif de 120 g de CO

par km équivaut à

„ 120 *100/2360 = 5,08 l/100 km en essence

„ 120 *100/2730 = 4,39 l/100 km de Diesel

Consommation du moteur électrique

„ Pour un moteur électrique, il n’y a pas de carburant. Il y a transformation de puissance électrique en puissance mécanique:

„ A considérer: le rendement de toute la chaîne de traction électrique: moteur, électronique de puissance, batteries…

„ Moteur électrique ~ 90 % - Electronique ~ 95% - Batteries:

entre 60 et 80%

´e =P^mot P^elec

´e=´moteur´electronique´batterie

Consommation spécifique du moteur

Pour un véhicule électrique

Consommation spécifique du moteur

Consommation spécifique du moteur

Consommation spécifique d’une génératrice

Consommation des véhicules

„ Pour les véhicules, on préfère souvent parler de consommation pour une distance parcourue

„ En Europe: consommation aux 100 km: [litres / 100 km]

„ Aux USA: distance parcourue par galon consommé (fuel economy) [miles per gallon]

„ Relation entre les deux:

„ Pour les véhicules électriques, on mesure la consommation en kW.h/100 km

mpg= 253:2 L=100km

Consommation des véhicules

„ Calcul de la consommation B [L/100 km] en intégrant le débit volumique instantané de carburant [L/s] consommé durant un parcours de durée totale T:

„ Le débit volumique instantané est fonction de la consommation spécifique b_e, de la puissance instantanée requise et de la masse volumique du fuel:

B= RT

0 b_dt RT

0 vdt

b_= beP^mot

½fuel

Consommation des véhicules

„ Le travail produit peut servir à

„ Augmenter l’énergie potentielle (force de pente)

„ Augmenter l’énergie cinétique = accélération. Un parcours avec beaucoup d’arrêts et de démarrages est plus consommateur d’énergie

„ Vaincre la résistance aérodynamique, les résistances au roulement (en fonction de la vitesse, des réglages, etc.)

„ L’utilisation du frein moteur

„ Du choix des paramètres : point de fonctionnement, rapport de boîte, violence des accélérations…

„ La consommation dépend fortement du cycle de conduite et du conducteur !

Consommation des véhicules

„ Conclusion: nécessité de définir des conditions standards pour une comparaison objective

„ Notion de cycles de conduite

„ Cycle à vitesse constante

„ Cycle à vitesse variable

Calcul de la consommation à vitesse constante

„ Condition à vitesse constante: consommation obtenue en multipliant la puissance requise par la consommation spécifique et le temps de conduite.

„ Puissance moteur requise

„ Travail total à fournir sur la distance D

„ Consommation totale de carburant P^mot= P^r¶es

´ = Av+Bv³

´

T^mot=P^mot¢t= P^motD v

mf =beT^mot =be P^motD v =be

A+Bv²

´ D

Calcul de la consommation à vitesse constante

„ Consommation à vitesse constante

laisserait à penser que la consommation évolue comme le carré de la vitesse. Cependant la consommation dépend du régime moteur et de la puissance fournie.

mf =beT^mot =be P^motD v =be

A+Bv²

´ D

b_e=f(!;Pmot)=f(V ¤i=R_e;Pmot)

Calcul de la consommation à vitesse constante

Calcul de la consommation à vitesse constante

„ Pour étudier la consommation, il est habituel de raisonner dans le plan du régime moteur N, couple moteur ou de la puissance moyenne effective

„ La puissance des forces de résistance

„ à transformer en fonction de la vitesse de rotation du moteur P^mot=P^r¶es

´ =Av+Bv³

´

Calcul de la consommation à vitesse constante

„ Courbe de couple moteur en fonction du régime

„ La courbe de couple résistant est une quadratique

„ Les coefficients A’’ et B’’ dépendent des caractéristiques du véhicule (Cx, m, f, pente), mais aussi du rapport de réduction sélectionnéet de la longueur de transmission.

Calcul de la consommation à vitesse constante

„ Courbe de puissance constante délivrée par le moteur dans le plan (N,C) est un hyperbole. Il en est de même si on travaille avec la pression moyenne effective:

„ pour un moteur 4 temps (N en tr/s)

„ soit

pmoy = P2 VHN pmoy¤N= P^res2

VH

=Cste

Calcul de la consommation à vitesse constante

„ Effet du rapport de boîte sur la consommation i_B= 0,8 i_A.

„ Point de fonctionnement = intersection de la courbe de résistance quadratique) avec la courbe de puissance constante (hyperbole).

„ Diminuer le rapport de réduction (B) permet de gagner 8% sur la consommation.

Consommation pour un cycle à vitesse variable

„ Pour un cycle de conduite variable, on calcule la consommation à chaque instant en fonction de la puissance moteur à fournir et du régime moteur

Consommation pour un cycle à vitesse variable

„ Pour un cycle de conduite variable, on calcule la consommation à chaque instant en fonction de la puissance moteur à fournir et du régime moteur

„ Influence de

„ la masse (forces d’inertie et de pente, force de résistance au roulement)

„ le C_xet les forces aérodynamiques

„ le coefficient de résistance au roulement

Consommation pour un cycle à vitesse variable

„ Influence des paramètres sur la consommation

„ Masse du véhicule

„ Aérodynamique

„ Résistance au roulement

„ En général, pour une voiture on estime les gains de

consommation suivant en fonction d’une amélioration de 10%

des paramètres masse, Cx et f:

¢ ¢Be

¢m 10 % 6 %

¢Cx 10 % 3 %

¢f 10 % 2 %

Mesure de la consommation

„ Essais à vitesse constante

„ Cycles de conduite normalisés

„ Cycles USA:

„ New York city cycle,

„ EPA cycles: city driving - highway cycle

„ SC03 et US06

„ Cycle CEE

„ NEDC

„ Méthodes et essais expérimentaux:

„ Banc à rouleaux

Essais à vitesse constante

„ Essai sur banc à rouleaux ou sur route

„ Vitesses prescrites: 90 et 120 km/h

„ Parcours

„ plus de 2 km

„ moins de 2% de pente

„ Charge utile = 1/2 charge maximale et supérieur à 180 kg

„ Correction de consommation avec la température: coefficient de dilatation du carburant~0,001 /°C

„ Ancienne mesure DIN70300de consommation: 110% de la consommation à v=min (3/4 de la vitesse max, 110 km/h)

B (2 0 ^± C ) = [ 1 ¡ ® f ( 2 0 ¡ t c )] B ( t c )

Cycles de conduite normalisés

„ Les cycles de conduite= parcours standardisés au cours desquels la vitesse, l’accélération et les rapports de boîte pour les boîtes manuelles doivent être suivis à chaque instant selon les spécifications du cycle.

„ Deux types de cycles:

„ Les cycles réalistes: sont déduits directement d’observation du trafic.

„ Les cycles synthétiquessont élaborés à partir de vitesses et d’accélérations obtenues à partir d’observations classées et pondérées en fonction de leur durée et de leur fréquence

Cycles US

„ Les cycles US sont définis par l’EPA (Environment Protection Agency).

„ Cycles réalistes

„ Différents

„ Le cycle FTP75 (Federal Test Protocol) est un cycle

„ Le cycle HWFET est un cycle autoroutier

„ Le SC03 et le US06

„ Ils servent à la détermination de la consommation 1

mpgcombined

= 0;55 mpgUrbain

+ 0;45 mpgAutoroute

US Urban Emissions and Fuel Economy test (FTP75)

US Highway Fuel Economy Test (HWFET)

Cycle SC03

Cycle US06

Cycles US

„ Plusieurs inconvénients:

„ Procédure assez lourde à mettre en œuvre du point de vue pratique et technique (cycle compliqué)

„ Véhicules classés en catégorie de poids, de sorte que la masse prescrite n’est pas la masse réelle sur la route

„ Etude de sensibilité de la masse n’est pas possible

„ Discordance entre études (masse exacte) et tests officiels (masse prescrite en catégorie)

Cycles US et cycle poids lourds

Cycle New York city pour bus urbains

Cycle européen

„ Jusqu’en 1978, chaque pays avait ses règles propres

„ Les premiers cycles

„ Premiers cycle des années 1970: E-75 et E-80.

„ Consommation souvent mesurée sur les cycles américains

„ En 1978: réglementation 80/1266/EEC et indicateur EUROMIX

„ Cycle urbain

„ consommation à vitesse constante à 90 et 120 km/h

„ Consommation composite EUROMIX:

„ En 1996: nouveau cycle européen pour la mesure à la fois de la consommation et des émissions dans la CE

BEuromix =1

3(BCity+B90+B120)

Cycle européen

Cycle européen

„ Cycle synthétique

„ Trois périodes avec arrêt

„ Vitesse en pallier importante pour la ville

„ Utilisation de 3 rapports

„ Vitesse moyenne plus grande que FTP75 donc plus grande importance à l’aérodynamique

„ Simulation sur banc à rouleaux

Cycle européen

Partie extra urbaine Partie urbaine: 4 fois le cycles de base

Nouveau cycle européen (1996)

Cycle européen

„ Le nouveau cycle européen est

„ valable pour la consommation et les émissions de polluants des voitures et des véhicules utilitaires légers

„ remplace les parties à vitesse constante à 90 et 120 km/h par une partie périurbaine de vitesse moyenne plus lente

„ moins sensible à l’aérodynamique que l’EUROMIX et son influence quasi identique à l’EPA.

„ phases d’accélération augmente l’influence de la masse

„ représente une image de la situation de conduite européenne

„ Est souvent critiqué parce que

„ il ne représente pas une situation réelle de conduite

„ autres cycles d’associations et magazines d’automobile (ex. ADAC)

Cycle SORT pour les bus

„

Proposition de la UITP: cycles SORT (standardized on-road test) pour les bus

SORT 1 : Heavy urban SORT SORT 2: Easy urban SORT

Cycle Japonais 10-15

Cycle ADAC

Cycles ADAC

• Un cycle urbain basé sur le cycle CE

• Un cycle rural à faire 2 fois

• Un cycle autoroutier représentatif de la circulation allemande

Banc à rouleaux

„ La réalisation des différents tests de consommation et d’émission doit être fait dans des conditions d’environnement maîtrisées.

„ Le banc à rouleaux est un dispositif expérimental qui permet de reproduire les conditions de fonctionnement du véhicule sur la route au sein d’un laboratoire

„ Le banc à rouleaux consiste en un ou deux rouleaux menés par les roues motrices et connectés à un système d’absorption de puissance capable de contrôler la charge appliquées au rouleaux et aux roues du véhicule.

„ Un dispositif de contrôle et d’acquisition permet de contrôler la vitesse, la force aux roues et d’enregistrer les mesures

Banc à rouleaux

Banc à rouleaux

Banc à rouleaux

„ Avantages sur banc à rouleaux:

„ possibilité de tester les performances du véhicule complet ou d’un moteur monté sur véhicule

„ pas nécessaire de retirer le moteur du véhicule

„ simplifie la procédure

„ tient compte de l’environnement

„ Désavantages

„ Précision et répétitivité plus faible qu’un banc moteur (perte dans la ligne de transmission, glissement des pneumatiques)

„ Accessibilité des capteurs limitée

Banc à rouleaux

„ Utilisation des bancs à rouleaux

„ Effectuer une vérification rapide de la puissance

„ Réaliser des tests supplémentaires sur le moteur

„ Mesurer les pertes de la ligne de transmission

„ Réaliser des tests requérant la puissance précise développée par le véhicule

„ Effectuer des tests exigeant la présence du véhicule complet pour la mesure de la consommation, des émissions, du bruit…

Banc à rouleaux