Bases sur la combustion, les émissions polluantes des moteurs

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Suite au fil "Le Stirling n'intéresse personne" où Kaess a exposé quelques bases de combustion, je voudrais développer le sujet

Equation bilan de la combustion, généralisation aux hydrocarbures de (presque) tous genres

CxHyOz + (x + y/4-z/2) O2 --> x CO2 + y/2 H20

Cette équation est une équation bilan dont le principal intérêt est d'établir les proportions stoechiométriques.
Pour cela, il faut calculer la masse molaire des réactifs :
C : 12 g/mol (pour la lisibilité je vous fait grâce des virgules, que j'ai en revanche mises dans le fichier)
H : 1 g/mol
O : 16 g/mol
Le rapport stoechiométrique est le rapport entre la masse d'air et la masse de carburant définies par l'équation bilan. Pour l'air, on considère qu'il y a 79% d'azote.
N : 14 g/mol
masse molaire carburant : 12x + y + 16z
masse molaire air : (28*0.79 + 32*0.21) / 0.21
rapport stoechiométrique = (28*0.79 + 32*0.21) / 0.21 * (x+y/4-z/2) / (12x + y + 16z)
Pour désigner le rapport réel entre l'air et le carburant, on parle :
- en anglais de rapport Air / Fuel
- en français de richesse = masse Fuel / masse Air * rapport Stoech
- en allemand de lambda = masse Air / masse Fuel / rapport Stoech

Il faut aussi dire que cette équation bilan ne se réalise pas en l'état. En effet, les molécules de carburant sont assez volumineuses. En fait, la combustion est une succession de réactions par lesquelles les grosses molécules de carburant sont progressivement coupées, puis oxydées en CO et finalement en CO2 (pour la combustion du méthane CH4, il faut de mémoire 4 ou 5 réactions). Quand on lit, sur un site d'un économiseur miraculeux de carburant, que les HC traversent le moteur "sans être modifiés par la combustion", c'est faux.
Autre point : la combustion se réalise en phase gazeuse, pas tant que le carburant est à l'état liquide. Ceci explique pourquoi on peut enflammer une cuve d'essence avec une flamme avant de toucher le liquide (on enflamme la vapeur saturante au-dessus de l'essence liquide, assez volatile) et pourquoi on peut paraît-il éteindre une allumette dans une cuve de gazole (nettement moins volatil) (je ne l'ai jamais essayé et déconseille vivement de tenter la manip, surtout si le gazole est chaud). Ceci signifie que le système d'injection doit faire le nécessaire pour vaporiser
le carburant. Le principe est le même pour tous les carburants : pousser le carburant sous pression dans un "petit" trou. Pour les moteurs essence à injection indirecte (l'immense majorité), la pression d'injection est d'environ 5 bar plus élevée que la pression dans le collecteur d'admission. Pour les moteurs essence à injection directe, la pression passe dans la zone 50-200 bar. Pour les moteurs diesel à pompe distributrice, la pression d'injection était proportionnelle au régime et culminait à environ 250-300 bar. En injecteur pompe, même proportionnalité, mais le maximum en série est passé à 2050 bar. En common rail, la pression rail peut être choisie de manière quasi libre entre environ 250 bar et 1400 à 1800 bar (suivant les systèmes). Le sujet de la taille des gouttes, de leur répartition dans le jet a déjà occupé des générations de thésards. (cherchez un jour "spray pattern")
Enfin, quelle énergie apporte la combustion ? On parle de Pouvoir Calorifique Inférieur ou Supérieur. La différence entre les deux est l'état de l'eau : gazeuse (PCI) ou liquide (PCS). Le rendement est calculé sur base du PCI car, à part moteur froid, l'eau ressort à l'état vapeur. A partir de l'équation bilan de la combustion, on calcule facilement la masse de CO2 émise par masse de carburant brûlée = x * (12 + 2*16) / (12x+y+16z)
On obtient finalement la masse de CO2 émise par quantité d'énergie dégagée par la combustion : PCI * x * (12 + 2*16) / (12x+y+16z)
Attention en comparaison les résultats : on compare des quantités d'énergie dégagées par la combustion, pas des quantités d'énergie disponibles pour entraîner une voiture.
NB : les chaudières à condensation porte ce nom car elles condensent partiellement l'eau de l'échappement pour récupérer une partie de la chaleur latente de vaporisation. Cependant, le rendement reste calculé sur base du PCI, ce qui permet à certaines d'afficher un rendement supérieur à 100%.
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Formation des polluants
HC : hydrocarbures imbrûlés. Les causes sont multiples, et parmi elles :
- pendant la détente, la température de combustion diminue et les réactions d'oxydation s'arrêtent
- accumulation de carburant dans un volume mort où la flamme ne pourra passer
- localement la richesse est trop élevée, donc la combustion ne va pas au bout par manque d'oxygène
- absorption de carburant dans le film d'huile pendant la compression et libération pendant la détente, après la combustion

CO : les causes sont similaires à celles des HC

PM : particules. Agglomérats de composés hydrocarbonés "lourds" qui n'ont pas brûlé ou mal brûlé. Ces composés sont poreux et peuvent adsorber d'autres gaz : eau, HC, acide sulfurique (si, si, on en a à l'échappement si le carburant est souffré).
Les émissions de particules sont réglementées pour les moteurs à allumage par compression (= diesel) mais, pas de fausses illusions, il y en a aussi en essence, plus petites, moins nombreuses et plus difficiles à mesurer. D'ailleurs, avec l'injection directe, ça ne s'améliore pas.

NOx : contrairement aux HC et CO, les NOx ne sont pas des produits d'une combustion incomplète. Le mécanisme de formation le plus connu est celui de Zeldovitch. La vitesse de formation des NOx est proportionnelle aux concentrations en azote, en oxygène et à un facteur dépendant de la température. L'ordre de grandeur à retenir est que la vitesse de formation des NOx double lorsque la température de combustion augmente de 50 K.
Donc : si la charge augmente, la masse de carburant augmente, donc la chaleur dégagée aussi, donc la température aussi, donc la teneur en NOx : plus on consomme, plus on produit de NOx. Mais si pour une quantité de carburant donnée, on améliore le rendement de combustion (en jouant sur le moment où se produit la combustion par exemple), alors la température de combustion augmente, donc la production de NOx augmente : en améliorant le rendement, donc en réduisant la consommation, on produit plus de NOx. La contradiction n'est qu'apparente. Ces deux phrases expliquent pourquoi, du point de vue des émissions en sortie de cylindre, on émet plus de NOx en roulant plus vite, mais aussi pourquoi les moteurs diesel, qui ont un meilleur rendement thermodynamique, émettent plus de NOx que les moteurs essence.
J'y reviendrai en parlant des astuces utilisées pour réduire les émissions

Graphique d'évolution des polluants en fonction de la richesse
Ce graphique est un classique inépuisable, ici dans un contexte essence, mais applicable en diesel à condition de dilater la partie gauche. Il se vérifie sur tous les moteurs, la différence résidant dans la valeur des richesses pour les pics de NOx et de rendement.
BSFC = brake specific fuel consumption en g/kWh : c'est l'inverse du rendement, en enlevant le PCI. C'est peut-être une unité barbare, mais c'est l'unité usuelle des motoristes car ils mesurent une consommation de carburant et une énergie fournie par le moteur.
A droite, la combustion est en domaine riche, donc il y a trop de carburant par rapport à l'air. Moralité, les HC et CO s'envolent Le couple délivré augmente un peu avant de chuter, car à richesse faiblement supérieure à 1, on arrive encore à récupérer un peu d'énergie de la combustion incomplète. NB : sur un moteur essence à pleine charge, on peut rencontrer des réglages riches à pleine charge pour des raisons thermiques : rajouter du carburant est un moyen de diminuer la température de combustion.
Les NOx diminuent car il n'y a pas assez d'oxygène pour que la réaction fonctionne.
A gauche, la combustion est en domaine pauvre, donc on a tout l'air qu'on désire pour brûler le carburant. CO et HC s'écroulent sauf à très faible richesse où on finit par avoir du mal à brûler et du mal à finir la réaction (température trop faible).
Le rendement est optimum à une richesse légèrement inférieure à 1 : cela résulte des inégalités locales de richesse dans la chambre, des échanges thermiques aux parois, ....
Quant aux NOx, plus on s'approche de la richesse 1, plus ils diminuent car on commence à manquer d'oxygène. Mais, en partant d'une richesse 0, plus la quantité de carburant augmente, plus la température de combustion augmente, plus il y a de NOx. Le pic de production de NOx est toujours très proche du pic de rendement.

[invite713f8e62]

Techniques de dépollution

Essence
Le principe universellement adopté est de faire au mieux dans le cylindre et de finir le travail dans la ligne d'échappement.
Faire au mieux dans le cylindre, cela signifie :
- optimiser la chambre de combustion, donc les mouvements de l'air dans le cylindre
- optimiser l'atomisation du carburant
- optimiser le mélange air-carburant
- optimiser l'allumage (bougies à plusieurs électrodes, plusieurs bougies, ...)
- faire de l'EGR (recyclage des gaz d'échappements) : à faible dose, cela améliore le rendement en diminuant les NOx. Mais plus on met, plus on dégrade la consommation, les HC et les CO. En revanche, les NOx ne font que diminuer. Explication : l'EGR est un gaz quasiment inerte. En mettant de l'EGR, on augmente la masse de gaz à chauffer par la combustion, donc la température de combustion diminue. Donc à force d'en mettre, on finit par avoir du mal à finir la combustion. Le rendement augmente un peu au début parce qu'on remplir un peu mieux le cylindre, donc c'est mieux pour les pertes par pompage.
- diminuer le taux de compression : c'est mieux pour les NOx, mais comme cela diminue le rendement théorique du cycle thermodynamique....
Ensuite, on finit le travail à l'échappement. Là, pas de variété, il faut passer dans un catalyseur 3 voies, avec 3 comme :
- oxydation des HC
- oxydation du CO
- réduction des NOx
Pour que ces 3 réactions puissent se passer simultanément, il faut être à richesse 1, donc on s'interdit le réglage de richesse optimum en consommation (d'où l'augmentation de consommation constatée sur tous les véhicules essence au début des années 90).
Un catalyseur, c'est :
- un pain, en céramique ou en métal
- un washcoat = revêtement destiné à augmenter la surface développée en contact avec les gaz. Le washcoat est assez important. C'est en le faisant évoluer que les constructeurs, avec les pétroliers qui ont désoufré le super, ont fait disparaître l'odeur d'oeufs pourris.
- une imprégnation en métaux précieux. Historiquement, seulement du platine. Maintenant, c'est généralement platine + rhodium ou palladium + rhodium
Et l'avenir ? Pour récupérer du rendement, la vogue est (de nouveau) à l'injection directe (et tant qu'à faire, on met un turbo histoire de diminuer la cylindrée à performances moteur identiques). Mais comme le point de rendement optimum est aussi celui de NOx maximal (ou peu s'en faut), seule la catalyse d'oxydation fonctionne. L'idée est donc de faire un autre catalyseur, à stockage de NOx, et, lorsqu'il est saturé, à faire de la réduction en basculant en mélange riche.
Et vous savez quoi ?
- pour faire du stockage NOx, une bonne partie de la recette semble être la recette du wash coat
- pour réduire ces NOx, on fait du fonctionnement riche, donc pas très bon en rendement.
C'est dur de dépolluer sans augmenter la consommation...

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Techniques de dépollution

Essence
J'ai oublié un paragraphe (au moins) : la mise au point. Cette fonction mal connue du grand public est celle qui consiste à choisir au mieux les paramètres de fonctionnement du moteur : ici, principalement avance à l'allumage, instant (par exemple, injecter au moment de la combustion précédente de manière à ce que la soupape chaude aide à évaporer le carburant) et durée de l'injection, consigne d'EGR et régulation de richesse. Les objectifs à atteindre sont la courbe de pleine charge moteur, les objectifs de consommation et les objectifs d'émissions, sans oublier les objectifs d'agrément de conduite, les contraintes d'implantation dans un véhicule, la protection thermique du véhicule.... C'est un "sport" qui oblige à un certain nombre de compromis.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite713f8e62]

Techniques de dépollution

Diesel
Comme en essence, on fait au mieux dans le cylindre et on fait du post-traitement dans la ligne d'échappement
Faire au mieux dans le cylindre, cela signifie :
- optimiser la chambre de combustion, donc les mouvements de l'air dans le cylindre
- optimiser l'atomisation du carburant : dessin de l'injecteur, mais aussi choix (si possible) de la pression d'injection. C'est là le désavantage des injections "injecteur-pompe" par rapport au Common Rail : en injecteur pompe, la pression d'injection est une fonction mécaniquement figée du régime moteur, mais peu de pièces sont soumises à cette pression. En Common Rail, la pression d'injection est ajustable, mais presque toutes les pièces sont à forte pression. Moralité, c'est en injecteur pompe qu'on obtient les plus fortes pressions (2050 bar au point de puissance), mais le ralenti en injecteur-pompe claque (trop de pression d'injection).
- optimiser le mélange air-carburant
- faire de l'EGR (recyclage des gaz d'échappements)
- optimiser le schéma d'injection : en injection directe, on n'injecte pas le gazole en une seule fois, mais en plusieurs.
La raison vient du principe de combustion dans ce type de moteur. En essence, on travaille (actuellement) en mélange homogène et avec un allumage commandé (la bougie). En gazole, le mélange est globalement pauvre, mais localement, on trouve toutes les richesses, de 0 à l'infini (que du gazole). En comprimant le mélange, statistiquement, il y a toujours un endroit qui finit par s'enflammer, et d'où la flamme va se propager pour brûler le reste du mélange. La première phase de cette combustion concerne un (tout) petit volume qui va brûler "instantanément", dès lors que des conditions de pression et de température ont été atteintes, et que s'est écoulé un délai nommé délai d'auto-inflammation. La seconde phase de combustion est une combustion de diffusion, qui ressemble à la combustion en moteur essence.
Plus la quantité de carburant qui brûle dans la première phase est importante, plus :
- la combustion est bruyante (claquement, bruit de rafale)
- les NOx sont élevés
L'idée, appliquée sur les moteurs à injection directe, consiste à faire en sorte que la quantité de carburant qui brûle dans cette première phase soit "juste nécessaire". Pour cela, on sépare l'injection en deux parties : injection pilote (environ 1 mm3) et l'injection principale. Si la première phase de combustion se réalise uniquement sur l'injection pilote et que l'injection principale est "soufflée" à travers la flamme créée par la pilote, alors on a une combustion plus douce, sans trop de NOx et sans trop de particules non plus. Si on met trop de pilote, on revient au cas d'une injection unique. Si on n'en met pas assez, elle ne sert à rien.
Côté échappement, deux grands classiques (ou en voie de le devenir) :
- le catalyseur d'oxydation : même principe qu'en essence, sauf que c'est un catalyseur 2 voies : oxydation CO et HC uniquement. Petit effet sur certains composés adsorbés sur les particules
- le filtre à particules : il s'agit d'un pain en céramique poreuse, constitué de canaux parallèles dont 1/2 est bouché côté entrée et 1/2 côté sortie. Les gaz d'échappement traversent la céramique poreuse, mais pas les particules qui s'accumulent dans les canaux. Au bout d'un moment, il est nécessaire de s'en débarasser, il s'agit de la régénération. Les particules sont combustibles, à condition que la température soit suffisamment élevée. Problème, la température d'échappement des moteurs diesel est relativement faible, surtout lorsqu'il y a un turbo. On s'en sort en utilisant un additif catalytique (soit dans dans un réservoir spécial, soit inclus dans le filtre) et en réalisant une injection de carburant qui ne participe pas à la combustion, mais qui va jouer un rôle de torchèr à l'échappement (deux méthodes : réaliser une post-injection dans le cylindre, très tard, voire pendant la phase d'échappement ou monter un injecteur
dans la ligne d'échappement). On a donc 2 pénalités en consommation : une permanente, car le filtre même poreux crée une certaine contre-pression, et une régulière, celle liée à la quantité de carburant qui ne participe pas à la combustion.
Le futur grand classique, c'est la catalyse à stockage de NOx, voir ce que j'ai écrit en essence.
NB : il existe en Allemagne des filtres à particules montables en après-vente, sans modification du réglage moteur. Il s'agit de filtres dont aucun canal n'est bouché. Il paraît que cela permet d'obtenir 40% de diminution des particule (contre environ 90-95% par le procédé décrit plus haut).
NB2 : si vous lisez que quelqu'un a inventé un filtre à particules et ne parle jamais de la manière de brûler les particules qui sont
dedans, méfiance !
NB3 : quel est cet additif catalytique ? de l'oxyde de cérium.
Enfin, comme en essence, signalons que la mise au point joue un rôle non négligeable, avec les mêmes objectifs et une contrainte supplémentaire pour orienter le compromis de réglage : le bruit. Pour faire simple, on pourrait diminuer la consommation des moteurs diesel à condition de ne soucier ni des NOx ni du bruit de combustion.

[invite107e5674]

Merci Gidaz,

Très didactique et enrichissant

[invite713f8e62]

Merci Gidaz,

Très didactique et enrichissant

De rien, tout le plaisir est pour moi .
Sinon, je m'attendais à plus de réactions, de questions... Ca viendra peut-être avec les prochains envois : mesure légale des émissions et de la consommation (je sais, la réglementation, ce n'est pas forcément passionnant, mais pourtant c'est indispensable), et carburants alternatifs ?

[invite107e5674]

Perso, je ne suis pas fort en questions (il me faut du temps pour que ça vienne ...).

Donc, si j'ai bien compris, c'est principalement à cause des NOx que les moteurs ne fonctionnent pas à rendement max. Qu'en est-il des essais qui consistaient à faire des enrobées, ou béton , ou peinture, je ne sais plus, avec du dioxyde de titane qui a un effet sur les NOx. C'est oublié, trop cher, mache pas, va venir, la piste des catalyseurs est suffisante, ...?

Autre question, ça fait plusieurs années qu'on entend parler de camless en étude, voir que certains moteurs ont des systèmes plus ou moins complexes à multiples cames ou permettant de modifier le calage des arbres à cames. Quel sont les gains espérés en terme de conso et/ou pollution?

Pi dernier point, si la réglementation n'avait pas imposé les différentes baisses de pollution, où en serait aujourd'hui les constructeur? Et au contraire, aurait-on pu aller plus loin, avec les techniques actuelles?

[invite713f8e62]

Donc, si j'ai bien compris, c'est principalement à cause des NOx que les moteurs ne fonctionnent pas à rendement max.

Je me suis un peu étendu sur les NOx car c'est l'exemple typique du polluant qui ne diminue pas forcément lorsque la consommation diminue. Mais ce n'est pas le seul polluant dont la prise en compte peut conduire à une augmentation de la consommation : voir le filtre à particules.

Qu'en est-il des essais qui consistaient à faire des enrobées, ou béton , ou peinture, je ne sais plus, avec du dioxyde de titane qui a un effet sur les NOx. C'est oublié, trop cher, mache pas, va venir, la piste des catalyseurs est suffisante, ...?

Bigre, je n'en avais jamais entendu parler. En l'absence d'information, je suis un tantinet sceptique : ça doit coûter une fortune, et je ne vois pas d'argument immédiat selon lequel tous les gaz d'échappement vont passer suffisamment près du bitume.

Autre question, ça fait plusieurs années qu'on entend parler de camless en étude, voir que certains moteurs ont des systèmes plus ou moins complexes à multiples cames ou permettant de modifier le calage des arbres à cames. Quel sont les gains espérés en terme de conso et/ou pollution?

Les systèmes de variation du calage de / des arbre(s) à cames (=déphaseur) sont en série depuis de nombreuses années, d'abord sur des modèles sportifs, puis ont commencé tranquillement à se démocratiser. Le problème de base, c'est que les lois physiques d'écoulement des gaz s'écrivent avec une unité de temps en secondes, alors que le mouvement des cames s'écrit avec le temps en degrés. Il n'est donc pas possible de trouver un calage qui permette de bien remplir le cylindre à tous les régimes. On peut s'en servir aussi pour favoriser / empêcher de l'EGR interne (des gaz qui restent dans le cylindre pour la combustion d'après). Je ne saurais donner un ordre de grandeur comme ça, sur le pouce. Ce système peut servir à augmenter la puissance spécifique (kW / litre de cylindrée) et donc contribuer au "downsizing" (en français dans le texte ), c'est-à-dire à la réduction de la cylindrée à iso-performances moteur, ce qui est bon pour la consommation et les émissions.

Pi dernier point, si la réglementation n'avait pas imposé les différentes baisses de pollution, où en serait aujourd'hui les constructeur? Et au contraire, aurait-on pu aller plus loin, avec les techniques actuelles?

L'ordre de grandeur que j'ai en tête, c'est une augmentation de consommation de l'ordre de 5 à 10% lorsque la régulation de richesse à la stoechiométrie s'est généralisée. Si aujourd'hui, on faisait disparaître par exemple la contrainte sur les NOx, on retrouverait sans doute la même évolution (en sens inverse !). Aurait-on pu aller plus loin ? Sans doute. Si tu regardes de près certains moteurs "poussés", il y a de nombreuses techniques qui, appliquées dans un esprit de downsizing, permettraient de réduire d'un "certain nombre de %" la consommation. Mais à quel coût de production ? A quel prix de vente ? A quelle fiabilité ? Je ne sais pas répondre à ces questions.

[invite713f8e62]

Mesure légale et limitation des émissions et de la consommation
Je sais que la réglementation n'est pas un sujet particulièrement hilarant, mais il vaut le détour.
Reprenons le titre :
Légale : je me limiterai au cadre Europe Communautaire, utilisé dans certains pays extra-européens et mis en commun avec les effort de réglementation mondiale, sous l'égide des Nations Unies, groupe de travail WP29 à Genève, voir ici :
http://www.unece.org/trans/main/welcwp29.htm
Il y a également un cadre réglementaire japonais et un cadre états-unien, avec sa variante californienne (plus sévère).
Je me limiterai également au cas des véhicules particuliers (98/69 et 93/116), mais il y a aussi une réglementation pour les poids lourds

Mesure : un gros intérêt de ces textes est de définir un cadre de mesure répétable. Pour ce faire, il faut
- un cycle de conduite: c'est une courbe définissant la vitesse véhicule en fonction du temps écoulé (voir pièce jointe)
- un matériel de mesure "suffisant"
- des conditions ambiantes : en l'occurence, départ moteur froid, le véhicule a macéré à 20°C pendant un certain nombre d'heures
Je ne rentrerai pas dans le détail du matériel de mesure.
Quelques remarques : mesurer la consommation à la pompe en "vie réelle" n'est pas une mesure répétable. En effet, si on prend le cas d'une comparaison entre une situation A (véhicule normal) et B (véhicule modifié)
- rien ne dit que le véhicule a été conduit exactement de la même manière pour A et B (conditions de circulation, chauffage, température extérieure, …), même si le conducteur affirme de bonne foi qu'il n'a pas changé de manière de conduite.
- la mesure de la quantité de carburant consommée n'est pas fiable. Le problème ne vient pas de la mesure du débit à la pompe (bien surveillée et contrôlée), mais du déclenchement de la gachette du pistolet de remplissage.
- la mesure de la distance parcourue n'est pas fiable. Le tachymètre, donc l'odomètre, doit majorer la vitesse véhicule, avec une erreur maximale de 10% (de mémoire, il faudrait vérifier dans la directive)
Autre bonne question : à quel point le cycle de conduite est-il représentatif ? et le ralenti (utilisé par exemple au contrôle technique) ?
Clairement, personne ne conduit naturellement suivant le cycle de conduite, il est trop défini "à la hache" pour cela. Cependant, je me souviens qu'une marque bien connue, avec l'apparition des consommations suivant la directive 93/116, a mené une politique commerciale au Royaume Uni basée sur la "garantie" d'obtenir en vie réelle des consommations "proches" de celles mesurées suivant la 93/116.
Vous me direz qu'on ne démarre pas toute l'année à +20°C, et effectivement, pour les véhicules à allumage commandé, depuis la directive 98/69, les émissions sont également mesurées lors d'un départ à -7°C. Il semble qu'il y ait aussi des réflexions sur une mesure de consommation ou d'émissions avec mise en marche de la climatisation.
Pour ce qui est du ralenti, c'est clairement insuffisant pour tirer une conclusion globale sur le fonctionnement du moteur. Le cycle de mesure émissions / consommation concerne environ le quart inférieur gauche (bas régime, bas couple) du champ moteur. Le ralenti, c'est juste un point. NB : en poids lourd, les différents cycles applicables balaient environ 80-90% du champ moteur, ce sont des cycles plus sévères.

Limitation des émissions et consommation
Légalement, les émissions polluantes sont tout ce qui sort de l'échappement et qui ne sont pas le résultat d'une combustion "parfaite" : donc HC, CO et PM (combustion incomplète) et NOx (effet secondaire de la combustion).
La réglementation ne parle pas de H2O.
La directive relative aux émissions des véhicules particuliers est la directive 1970/220, modifiée de nombreuses fois depuis, voir ici :
http://eur-lex.europa.eu/fr/repert/1330.htm#133010
Les limites actuellement applicables sont :
polluant allumage commandé allumage par compression
(essence GPL GNV) gazole
CO 1.0 0.5
HC 0.1 -
NOx 0.08 0.25
HC+NOx - 0.30
Particules - 0.025
Ces limites doivent être tenues sur une distance parcourue de 80 000 km. On peut raisonnablement considérer, parce que la dépollution coûte cher, que les véhicules sont "au taquet" sur tous les polluants.
Le CO2 est le résultat normal de la combustion, donc il n'est pas pris en compte dans les directives de limitation des émissions polluantes.
Mais .... en 1999 / 2000, les autorités européennes et 3 associations de producteurs ont conclu des accords de réduction volontaire des émissions de CO2.
ACEA (constructeurs européens) : 31999H0125 : http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/...49:0050:FR:PDF
JAMA (constructeurs japonais) : 32000H0303 : http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/...55:0056:FR:PDF
KAMA (constructeurs coréens) : 32000H0304 : http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/...57:0058:FR:PDF
Ces accords s'accompagnent d'un suivi, voir ici :
http://ec.europa.eu/environment/co2/co2_monitoring.htm
et comme cela se passe mal, l'ACEA en parle ici :
http://www.acea.be/co2_emissions
Evidemment, l'ACEA cherche à "défendre son bifsteack", mais nombre d'arguments sont techniquement fondés. C'est sûr qu'en augmentant l'équipement des voitures, en améliorant le comportement en chocs, en appuyant sur l'accélérateur, la consommation augmente. C'est vrai que certains modèles particulièrement économes ne se sont pas bien vendus. Mais je ne sais évidemment pas à quel point les réseaux étaient motivés pour les vendre. Et on peut aussi dire qu'une bonne manière d'éviter que les consommateurs achètent des modèles à forte consommation est d'arrêter de les proposer à la vente.
Au fait, la consommation est calculée à partir du CO2 suivant la formule suivante :
essence (l/100km) = 0.1154 / D * (0.866*HC + 0.429*CO + 0.273*CO2)
GPL (l/100km) = 0.1212 / 0.538 * (0.825*HC + 0.429*CO + 0.273*CO2)
GNV (m3/100km) = 0.1336 / 0.654 * (0.749*HC + 0.429*CO + 0.273*CO2)
gazole (l/100km) = 0.1155 / D * (0.866*HC + 0.429*CO + 0.273*CO2)
où D est la masse volumique du carburant utilisé, la moyenne étant à 0.75 kg/l pour l'essence et 0.835 pour le gazole
En regardant d'un peu plus près, on constate que la multiplication du premier et du troisième terme de ces équations donne un résultat constant 0.866*0.1154 # 0.1212*0.538 # 0.1 . 0.866 représente la fraction massique moyenne du carbone dans la molécule de carburant. 0.1154 c'est l'inverse, avec un facteur 10 pour passer des gaz en g/km à la consommation en l/100 km avec utilisation d'une masse volumique en kg/l.
Si on a juste besoin d'un ordre de grandeur rapide, il suffit de négliger les contributions des HC et CO et on obtient :
essence : conso (l/100km) = CO2 (g/km) / 23.81
gazole : conso (l/100km) = CO2 (g/km) / 26.48
GPL : conso (l/100km) = CO2 (g/km) / 16.26
GNV : conso (m3/100km) = CO2 (g/km) / 17.93
Finissons par un amusement à peu de frais :
Les limitations d’émissions sont définies indépendamment de la masse véhicule. On peut donc dire qu’une Twingo et qu’une Ferrari ont les mêmes émissions polluantes (CO2 excepté). En cumulant avec des phrases des messages précédents, on peut ainsi dire :
- les NOx augmentent lorsque la consommation augmente (augmentation de la charge moteur, mesure en sortie cylindre)
- les NOx augmentent lorsque la consommation diminue (augmentation du rendement, mesure en sortie cylindre)
- les NOx ne dépendent pas de la consommation (toutes les voitures ont quasiment les mêmes niveaux sur cycle de mesure émissions)
et encore :
- une voiture qui consomme moins pollue plus (comparaison d’un véhicule essence non catalysé réglé au point optimum de rendement et du même véhicule avec régulation de richesse stoechiométrique et catalyseur 3 voies)
Bref, si on omet les compléments, on peut raconter un peu n’importe quoi, alors méfiez-vous des annonces publicitaires sur des procédés efficaces sur pollution et consommation, généralement d’une simplicité dérisoire…

[invite583cf6a4]

Quelques liens qui devraient t'aider:

http://www.econologie.com/equation-d...icles-638.html
http://www.econologie.com/les-carbur...icles-646.html
http://www.econologie.com/pouvoirs-c...icles-534.html
http://www.econologie.com/carburants...cles-1581.html

[invite713f8e62]

Quelques liens qui devraient t'aider:

http://www.econologie.com/equation-d...icles-638.html
http://www.econologie.com/les-carbur...icles-646.html
http://www.econologie.com/pouvoirs-c...icles-534.html
http://www.econologie.com/carburants...cles-1581.html

Merci, j'avais déjà vu certains de tes articles. Je ne suis pas d'accord avec les compositions que tu donnes pour l'essence et le gazole, qui ne peuvent pas être assimilés à des alcanes, par exemple. Ce sont des "soupes" avec 2 à 300 constituants (typiquement). Réfère-toi à ce que j'ai mis dans le premier message, dans la pièce jointe (en format OpenOffice.org) pour avoir une composition moyenne. Tu trouveras également dans ce fichier une formule, tirée de Wikipedia.de, pour calculer le PCI. Sinon, pour l'article que tu annonces sur le CO et les NOx, tu peux allègrement "pomper" ce que j'ai écrit dans ce post.

[invitec584173e]

Gidaz,
Pouvez vous me donner votre avis sur le lien ci-dessous
Ne pas oublier que pour un moteur Stirling la combustion est externe et continue.
Question 2 :
Que ce passe t'il si on désire reduire la puissance en réduisant la masse Combustible-Comburant, Autrement dit, la puissance thermique.

http://www.greencarcongress.com/2006...a_tech_de.html

[invitec584173e]

Encore Bravo pour ces posts.

[invite713f8e62]

Encore Bravo pour ces posts.

Merci, je fais de mon mieux.

[invite713f8e62]

Gidaz,
Pouvez vous me donner votre avis sur le lien ci-dessous
Ne pas oublier que pour un moteur Stirling la combustion est externe et continue.
Question 2 :
Que ce passe t'il si on désire reduire la puissance en réduisant la masse Combustible-Comburant, Autrement dit, la puissance thermique.

http://www.greencarcongress.com/2006...a_tech_de.html

A force de travailler sur des moteurs à combustion interne, je ne suis pas très calé en combustion externe, donc en brûleurs. Je me souviens avoir vu il y a une dizaine d'année un document publicitaire d'un fabricant de chaudières allemand qui vantait son brûleur à faible température de combustion et fort rendement, d'où faibles NOx et HC et CO.
Ici, sur une construction assez différente, on retrouve la même volonté, avec, comme dit dans les commentaires, un effet "type EGR". Ce qui manque pour savoir si cela pourrait convenir à une application automobile d'un Stirling, c'est la taille de la chambre ! Si c'est à l'échelle d'une centrale, je ne sais pas ce qui se passera une fois ramené à la taille d'une voiture.
Ensuite, que se passera-t-il en réduisant la demande de puissance... Bonne question, je suis infoutu d'y répondre convenablement. La réponse bateau la plus simple, c'est "yaka mesurer". Ce qui m'inquiète, avec ce principe où tout me semble fixe, c'est que si la chambre est construite pour donner un bon rendement et de faibles émissions au point de puissance nominale, il n'est pas garanti que les résultats soient aussi bons à puissance réduite. Les accords acoustiques (i.e. des ondes de pression) sont redoutables. Est-ce que le taux de swirl sera adapté ? Est-ce que le taux de mélange réactifs / produits de combustion sera adapté ? Mystère et boule de gomme (en tout cas pour moi).

[invite713f8e62]

La grande question classique qu'on me pose "en société" une fois que j'ai dit que je travaille dans les moteurs, c'est :
"bon alors, tu vas pouvoir enfin nous le dire : qu'est ce qui pollue le moins entre essence et diesel ?"
Ma réponse favorite est : "ça dépend de ce que tu regardes, et au global je ne sais pas".
Voici quelques éléments pour développer ce sujet.
Commençons par bien définir la question. Je propose : "comparaison des émissions polluantes des véhicules essence et diesel". Reste à bien définir chaque terme de cette phrase.
« Emissions polluantes » : légalement, cela comprend CO, HC, NOx et PM. Pour mieux coller à la perception « grand public » et aussi rendre la comparaison plus globale, rajoutons le CO2 (pour l’effet de serre) et la consommation (seule mesure accessible au conducteur lambda, et intéressante pour jauger l’utilisation des ressources pétrolières non infinies)
"Comparaison" : pour pouvoir comparer, il faut disposer de mesures comparables. Les seules que je connaisse et qui soient disponibles pour tous les véhicules, ce sont celles d'homologation émissions et consommation. Ces mesures sont-elles disponibles ? Non, les mesures réalisées par les autorités de certification appartiennent aux constructeurs, et je n’ai pas entendu qu’un organisme certificateur publiait ses résultats (auquel cas il n’aurait qu’une vue partielle sur le sujet), ni que les autorités européennes le fassent (ce sont les seules à avoir la vue complète). Mais heureusement on peut deviner le résultat. Pour les polluants, il faut savoir que dépolluer un moteur coûte cher et pose des problèmes de compromis avec d’autres prestations. Il est tout à fait réaliste de considérer que chaque modèle est « au taquet » par rapport aux limites. (avec une exception pour les diesels, habituellement un peu à l’aise avec la limite en CO). Pour la consommation, à défaut de la mesure, on a la déclaration du contructeur, c’est-à-dire une valeur qui est supérieure à mesure – 4%, de manière à tenir compte de la dispersion de production, et sur laquelle pèse un contrôle de production, avec un test statistique destiné à vérifier que la production n’est réellement pas trop éloignée de cette déclaration. Cette déclaration du constructeur est publique, et affichée sur chaque véhicule en concession. On la trouve aussi dans la synthèse annuelle du « Moniteur Automobile », dans lequel j’ai prélevé toutes les valeurs qui suivent.
Pour comparer, il faut aussi comparer des véhicules comparables. J’ai arbitrairement choisi d’utiliser 4 véhicules, un par tranche de gamme véhicule, et un dans chaque gros groupe automobile européen. Il faut aussi que les véhicules aient des performances proches. Concrètement, cela m’a conduit à choisir des véhicule à presque iso-puissance moteur, et à iso-boîte de vitesse. Cela donne : Fiat Grande Punto 1,4 8V / 1,3 JTD, Renault Megane 1,6 i / 1,5 dCi, Peugeot 407 2,0 16V / 2,0 HDI, Audi A6 2,4 V6 / 2,7 V6 TDI, à chaque fois en boîte mécanique.
Voici les mesures, dans l’ordre : puissance (kW), couple (Nm), Vitesse maximale (km/h), accélération 0-100 km/h (s), 400 m départ arrêté (s), 1000 m départ arrêté (s), reprise 60-90 km/h en 4ème (s), reprise 90-120 km/h en 5ème (s), consommations urbain / extra-urbain / mixte (l/100 km), CO2 (g/km)
Grande Punto 1.4 8V : 57 / 115 / 165 / 13,2 / 18,9 / 35,3 / 9,7 / 14,4 / 7,7 / 5,2 / 6,1 / 145
Grande Punto 1.3 JTD : 55 / 190 / 165 / 15,2 / 18,4 / 36,7 / 8,2 / 12,7 / 5,9 / 4,0 / 4,7 / 123
Megane 1,6 i : 83 / 152 / 191 / 11 / 17,8 / 32,3 / 7,4 / 10,9 / 8,8 / 5,7 / 6,8 / 163
Megane 1,5 dCi : 78 / 240 / 187 / 11,7 / 18,4 / 33,7 / 5,9 / 8,1 / 5,8 / 4,1 / 4,7 / 124
407 2,0 16V : 103 / 200 / 211 / 10,7 / 17,7 / 32,1 / 8,2 / 13,4 / 11,4 / 6,4 / 8,2 / 194
407 2,0 HDI : 100 / 320 / 203 / 10,5 / 17,6 / 32,2 / 5,5 / 7,4 / 7,7 / 4,9 / 5,9 / 155
A6 2,4 V6 : 130 / 230 / 225 / 9,5 / 17,1 / 30,6 / 4,8 / 6 / 13,8 / 6,2 / 9,6 / 235
A6 2,7 V6 TDI : 132 / 380 / 214 / 9,3 / 17 / 30,6 / 11,9 / 9,1 / 9,6 / 5,2 / 6,8 / 183
Note sur l’Audi essence : elle a une boîte CVT, donc un frottement sec, proche d’une boîte mécanique, mais avec des passages de vitesses proches d’une boîte automatique, ce qui explique l’écart en reprises
Nous pouvons maintenant commencer la comparaison chiffrée. Tous les pourcentages qui suivent sont calculés dans le sens « essence par rapport à diesel »
Consommation (mixte seulement) : Punto + 29%, Megane + 44%, 407 + 38%, A6 + 41% : en moyenne + 38%
CO2 : Punto + 17%, Megane + 31%, 407 + 25%, A6 +28% : en moyenne +25%
L’écart entre l’évolution en CO2 et en consommation vient du fait que les émissions de CO2 par masse de carburant sont plus élevées pour le gazole que pour l’essence, c’est une question de composition du carburant (voir le premier post).
Passons aux polluants CO / HC / NOx / PM
HC : essence 0,1, gazole 0,05 : +100%
CO : essence 1, gazole 0,5 : +100%
NOx : essence 0,08, gazole 0,25 : -68%
PM : essence 0 (pas de limitation, donc émissions réputées nulles), PM 0,05 : -100%
Moralité : on ne peut pas dire que l’un ou l’autre des deux moteurs soit meilleur sous tous les aspects.
Si on se projette dans le futur immédiat, ça se complique : avec les filtres à particules, les émissions en particules des moteurs diesel tombent à environ 0,003 g/km. Ca fait toujours -100% pour l’essence, certes, mais les moteurs essence s’orientent vers l’injection directe, et le législateur s’oriente vers une limitation des émissions en particules des moteurs essence à injection directe, identique à celle applicable aux moteurs diesel. En fait, il y a aussi des particules qui sortent des moteurs essence actuels, mais elles sont plus fines.
Si on a trop de données contradictoires, habituellement, on essaie de les pondérer de manière à n’avoir plus qu’une seule grandeur à comparer. Comme facteur de pondération, je ne vois guère que les effets.
Consommation : épuisement des stocks mondiaux d’hydrocarbures. Si quelqu’un a les données pour différencier (s’il y a lieu) la consommation d’énergies pour le transport et le raffinage, il est le bienvenu
CO2 : effet de serre
CO : toxicité évidente et bien connue
HC : sous ce terme, il y a beaucoup de molécules différentes, dont les toxicités sont forcément très variables. Essence et diesel contiennent notamment des dérivés benzéniques, pas vraiment inoffensifs. Autre effet : contribution à la synthèse atmosphérique de l’ozone, celui qui envoie les asthmatiques à l’hôpital.
NOx : je ne connais pas de toxicité particulière, sauf la à la synthèse atmosphérique de l’ozone. Il paraît qu’il y aurait une contribution à l’effet de serre (si quelqu’un a des données….)
PM : toxicité abondamment débattue. A priori, plus c’est fin, plus ça va loin dans les poumons, pire c’est.
Bref, ça ne nous aide pas davantage à obtenir une pondération globale, d’où ma réponse « au global, je ne sais pas ». On pourrait peut-être tenter de ramener tout en termes financiers, mais je n’en ai pas les données et ça me paraît acrobatique.
Finalement, en regardant ce que deviennent les moteurs essence et diesel, je me dis que d’un principe simple, on arrive à des ensembles de plus en plus complexes, avec des dispositifs destinés à améliorer consommation et / ou émissions polluantes, dont certains compensent les effets d’autres. La solution serait peut-être bien de changer le principe de base, en espérant qu’on puisse se passer de ces dispositifs annexes. Bref, pourvu le Stirling, les piles à combustibles et autres fonctionnent bien et aient vraiment de l’avenir.

[invite713f8e62]

Voici quelques extraits de "Carburants et moteurs" de JC Guibet, chez Technip. C'est une somme du genre, malheureusement je n'ai à disposition que l'édition 1987. J'en ai tiré ces feuilles d'analyse d'un super et d'un gazole. Comme ce n'est pas tout jeune, il faut prendre quelques précautions pour interpréter les tableaux :
- la liste des constituants ne représente pas forcément ce qu'on trouve maintenant
- les teneurs ne sont pas forcément représentatives
De plus, toutes les raffineries ne travaillent pas avec les mêmes bruts, la composition du produit final varie donc d'une station service à l'autre, et d'une saison à l'autre (surtout pour le gazole). Bref, ces feuilles sont intéressantes pour comprendre la diversité des molécules comprises dans les carburants.

[invitec513fea5]

Bonjour Gidaz, je sais que votre dernière participation remonte a fort longtemps mais j'espère que vous me répondrez quand même:
Je voudrais savoir si vous connaissez des normes relatives aux émissions polluantes des véhicule de sport automobile (Kart pour être précis). J'ai beau chercher, je n'en trouve pas.
En fait ma démarche a pour but d'évaluer l'impact environnementale d'une course d'endurance mais pour cela il me faut les émissions de moteurs de Kart.
Merci Beaucoup de votre aide.

[invite713f8e62]

Bonjour Gidaz, je sais que votre dernière participation remonte a fort longtemps mais j'espère que vous me répondrez quand même:
Je voudrais savoir si vous connaissez des normes relatives aux émissions polluantes des véhicule de sport automobile (Kart pour être précis). J'ai beau chercher, je n'en trouve pas.
En fait ma démarche a pour but d'évaluer l'impact environnementale d'une course d'endurance mais pour cela il me faut les émissions de moteurs de Kart.
Merci Beaucoup de votre aide.

Les réglementations émissions dont j'ai connaissance s'appliquent aux véhicule routiers. Normalement, les karts ne sont pas concernés... Il existe aussi des réglementations sur les véhicules "off-road", mais là il s'agit plutôt d'engins de chantier.

[invite96586bfb]

Bonjour,
Je ressort cette vieille conversation, je voulais savoir si quelqu'un pouvait m'expliquer comment guidaz avait modélisé l'essence par C7.9H14.8..?
Je crois comprendre les 7.9C (moyenne de 95% de C8 et 5% de C7) mais je ne parvient pas a retrouver les 14.8H ... Je fais référence au tableau openoffice qu'il a donné dans son premier poste.
Merci !

[f6bes]

Bjr à toi,
Gidaz n'a plus remis les pieds sur FUTURA depuis :.....
Dernière activité
09/04/2012 18h58
Je doute qu'il ne te réponde.
Bonne soirée