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Améliorer les moteurs et carburants conventionnels

Automobile-débat

La recherche et l'industrie automobiles ont d'ores et déjà ouvert plusieurs voies pour répondre aux besoins énergétiques croissants d’un secteur qui doit maîtriser son impact sur l’environnement, tout en continuant à satisfaire les besoins de mobilité auxquels l’homme moderne s’est habitué. Voici résumées les améliorations, en cours et à venir, du "couple moteur à combustion interne/carburant pétrolier" des véhicules d'aujourd'hui.

Cadres Bleus



+ Pourquoi parle-t-on du couple moteur/carburant ?
+ Quel avenir pour le moteur à combustion interne ?
+ Des progrès déjà sensibles
+ L'optimisation du moteur diesel
+ L'optimisation du moteur à essence
+ La montée en puissance du contrôle électronique
+ L'amélioration de la qualité des carburants essence et diesel
+ La conception de moteurs thermiques dédiés à l'hybride

Pourquoi parle-t-on du couple moteur/carburant ?
moteur-carburant

Moteurs et carburants forment un couple indissociable. Les évolutions des moteurs conduisent souvent à des évolutions des caractéristiques et des spécifications des carburants. Cela passe par des re-formulations opérées par des opérations spécifiques de raffinage. Ainsi, certains systèmes de post-traitement des polluants (pièges à oxydes d'azote) ont une plus grande efficacité avec des teneurs en soufre réduites. Le volet carburant est donc une composante à part entière pour contribuer efficacement à l'amélioration de la qualité de l'air et à un meilleur contrôle des rejets de gaz à effet de serre. De même, certaines améliorations des carburants ont un impact bénéfique sur le comportement du moteur, notamment la combustion.
Les industries pétrolière et automobile sont ainsi toutes les deux concernées par la mise en œuvre de technologies innovantes plus propres. En travaillant avec ces deux industries, IFPEN propose des solutions optimales de couple moteur/carburant.

Produire des carburants ultra propres compatibles avec les technologies moteurs

Afin de limiter les émissions de polluants des transports, IFPEN met au point des procédés permettant de fabriquer des carburants ultra propres. C'est le cas du procédé de raffinage Prime-G+, développé par IFPEN et commercialisé par la société Axens. Il permet de produire des essences à très basse teneur en soufre, répondant à la spécification européenne fixant à 10 ppm la teneur en soufre dans les carburants. Véritable innovation dans le domaine de la désulfuration des essences, Prime-G+ rencontre un brillant succès commercial. Aujourd’hui, cette technologie, leader sur son marché, a été choisie par près de 150 raffineries dans le monde entier. Rappelons que le principal avantage de l'élimination du soufre dans les carburants est de permettre l'utilisation de nouvelles technologies de dépollution à l'échappement des voitures (pièges à oxydes d'azote), visant à abaisser le niveau de certains polluants comme les NOx et les particules.

 
Quel avenir pour le moteur à combustion interne ?
Avenir moteur

Dans les prochaines décennies, d'un point de vue technologique, les véhicules qui circuleront sur les routes seront sans doute proches de ceux que l'on connaît aujourd'hui, mais il seront plus efficaces, plus propres et économes. En clair, les motorisations classiques essence et diesel ont encore de beaux jours devant elles. Tout simplement parce qu'on n'a rien trouvé de mieux à un prix acceptable pour le consommateur. Avant de pouvoir passer le relais à des solutions alternatives applicables en série, le moteur classique doit continuer de s'améliorer pour maîtriser ses nuisances dans un contexte de développement durable. Il va, en effet, bénéficier de plusieurs innovations technologiques majeures.

 
 

Des progrès déjà sensibles
Transport-progres

Sous l’impulsion d’une réglementation de plus en plus sévère, la pollution urbaine a déjà été considérablement réduite par les systèmes de post-traitement catalytique des polluants, par l’évolution du système de combustion des moteurs et par l'amélioration de la qualité des carburants. Mais les efforts doivent être poursuivis, en particulier pour réduire les émissions de particules et de NOx.
En ce qui concerne le CO 2 et l’effet de serre, il convient de travailler à la réduction de la consommation des véhicules (les émissions de CO 2 sont proportionnelles à la consommation de carburant), donc à l'amélioration du rendement des moteurs. On vise un objectif de réduction de 10 à 30 % de la consommation (et des émissions de CO 2) par rapport aux consommations actuelles. L'allègement des véhicules est une voie d'action complémentaire mais dont l'efficacité est limitée du fait des exigences de confort et de sécurité des consommateurs.

 
L'optimisation du moteur diesel
progres-carburant

Il offre déjà, par son principe de combustion, une consommation en carburant inférieure d’environ 20 à 25 % à celles d’un moteur à essence de même performance. De plus, les moteurs diesel modernes sont équipés de turbocompresseur et peuvent ainsi bénéficier de la technologie "downsizing" qui améliore sensiblement le rendement du moteur (moins de consommation) du fait de la réduction de la cylindrée. A ce stade, accroître la suralimentation offre un potentiel de progrès supplémentaire.
Mais le véritable enjeu du moteur diesel sera de respecter les futures normes d’émissions d’oxydes d’azote (NOx) et de particules, en s’appuyant sur :
- des systèmes de commande d’injection plus précis et efficaces.
- une optimisation des chambres de combustion.
- des systèmes de post-traitement adaptés : pièges à NOx ou catalyse SCR avec injection d'un agent réducteur spécifique, l'urée.
- la catalyse 4 voies qui permet d’éliminer simultanément 4 polluants (oxydes d'azote, hydrocarbures imbrûlés, CO et particules).
- enfin, de nouveaux procédés de combustion qui permettront de réduire, à la source, les émissions d'oxydes d'azote et de particules, respectivement dans des rapports de 100 et 10.

L'optimisation du moteur à essence
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Le système de post-traitement des émissions polluantes étant, sur les véhicules d'aujourd'hui, déjà très performant, l’enjeu pour les moteurs à essence porte sur la réduction des émissions de CO 2 et donc sur l’amélioration du rendement énergétique, grâce aux approches suivantes :
- l’injection directe du carburant dans la chambre, qui permet des gains potentiels de consommation de 10 à 15 %.
- de nouveaux procédés de combustion par auto-inflammation qui conduisent à une très importante réduction des émissions d'oxydes d'azote associée à une amélioration de 10 à 15 % de la consommation.
- les systèmes de distribution variable : solution dont le gain est limité à environ 10 % en consommation mais qui est intéressante en couplage avec d'autres technologies comme le downsizing et l'injection directe.
- le downsizing qui consiste en une réduction de la cylindrée du moteur, conjuguée à la suralimentation, avec un maintien des performances. C'est la solution qui offre le plus fort potentiel en terme d'amélioration de la consommation.

Grâce à l'apport de la suralimentation et de l'injection directe de carburant, les émissions de CO 2 du moteur à essence pourraient être réduites de 20 à 25 %.

La montée en puissance du  contrôle électronique

Le contrôle électronique moteur

L'amélioration des performances des groupes motopropulseurs (équipés de moteurs thermiques conventionnels ou d'ensembles hybrides thermique / électrique) et la réduction de leur consommation passe aussi par la montée en puissance du contrôle électronique (calculateurs haute performance, algorithmes de contrôle intégrant de plus en plus de modèles physiques, capteurs virtuels, etc.).
Ces différents équipements et logiciels garantissent un pilotage optimisé du moteur, de la boîte de vitesses et de tous les autres éléments de la chaîne de transmission afin qu'en toutes circonstances le fonctionnement du véhicule soit agréable pour l'utilisateur, fiable dans le temps, économe en carburant (faible émissions de CO2) et génère le minimum de nuisances (polluants, bruit, etc.).

L'amélioration de la qualité des carburants essence et diesel
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Toutes ces innovations technologiques s'accompagnent d'une amélioration/évolution de la qualité des carburants, opérée par l'industrie pétrolière. La tendance est à la baisse pour la teneur en soufre, mais aussi pour le benzène et les aromatiques. En 2005, la teneur en soufre est passée à 50 ppm, ce qui favorise une meilleure combustion des moteurs à injection directe (essence comme diesel) et, surtout, une plus grande efficacité des systèmes de post-traitement des polluants (filtres à particules, pièges à NOx). Depuis le 1er janvier 2009, la teneur en soufre est passée à 10 ppm en Europe.

La conception de moteurs thermiques dédiés à l'hybride
Moteur thermique dédié à l'hybride.jpg

Des travaux de recherche sont conduits sur des moteurs thermiques dédiés à l'hybride afin d'exploiter les degrés de liberté offerts par l'hybridation. Le recours au moteur électrique, en particulier dans les configurations de conduite où la demande de puissance est faible, permet de réserver l'utilisation du moteur thermique dans des zones plus restreintes de fonctionnement où le rendement va pouvoir être optimisé (augmentation du taux de compression pour les moteurs à essence, réduction des contraintes sur la suralimentation pour le moteur diesel). Par ailleurs, avec des arrêts et redémarrages plus fréquents - une fois par minute en moyenne en ville -, le moteur à combustion dans un véhicule hybride nécessite une gestion adaptée pour maintenir un bon agrément de conduite (modification du taux de compression apparent via la distribution variable, par exemple).
Enfin, les problèmes de dépollution doivent être traités de façon spécifique en tenant compte notamment des perturbations induites par les phases d'arrêt du véhicule et de la sollicitation renforcée du moteur thermique quand il est en fonctionnement.

IFPEN et l'amélioration des carburants

IFPEN développe des technologies de raffinage respectueuses de l'environnement qui permettent de produire, en plus grande quantité, des carburants de qualité améliorée. Ces technologies sont composées de procédés et de produits (catalyseurs, adsorbants) qui sont commercialisés par la société Axens.
On entend par technologie de raffinage les différents traitements physiques ou chimiques que doit subir le pétrole brut (dont les qualités sont très variables) pour être transformé en produits finis : essences, diesel, jet fuel...
Axens, fait partie des principaux "bailleurs de licences" dans le monde. "Bailleur de licence" signifie simplement qu'Axens cède aux raffineurs le droit d'utiliser le savoir faire qu'il a développé avec IFP Energies nouvelles pour une application identifiée.

Dans le cadre de ses travaux de R&D, IFPEN prend en compte trois évolutions majeures :
- l'augmentation de la demande en carburants, et plus particulièrement en diesel, au détriment notamment de celle en fuel lourd,
- le renforcement des contraintes environnementales (baisse des teneurs en soufre des carburants notamment),
- la nécessité de diversifier les sources d'énergie.

+ Les clés pour comprendre > Automobile et carburants
+ Dossier : Le véhicule décarbonné : les solutions d'IFPEN (02/06/2009)

Liens utiles :

>> ADEME (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie)
>> CCFA (Comité des Constructeurs Français d'Automobiles)
>> PSA-Peugeot-Citroën
>> Renault
>> Total
>> UFIP (Union Française des Industries Pétrolières)
>> Union européenne

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Daniel BALLERINI

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