Performances du véhicule Consommation - LTAS · Consommation spécifique du moteur Moteur essence Wong. Fig. 3.41 et 3.42 Moteur diesel 7 . ... pour un moteur 4 temps (N en tr/s)

Performances du véhicule Consommation

Pierre Duysinx

Université de Liège

Année académique 2015-2016

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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.

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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

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Introduction

La consommation des véhicules est devenu un critère 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...

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Consommation du moteur thermique

La consommation spécifique du moteur est la quantité de carburant (mf) 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

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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

C nbmep

V

b

f

W

mbsfc

(2 ) bW N C

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Consommation spécifique du moteur

Wong. Fig. 3.41 et 3.42 Moteur essence

Moteur diesel

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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 Hfuel

Soit encore

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

PCI habituels

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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

g CO2 / litre

Essence 2 360

Diesel 2 730

Gaz naturel 1 891

Propane 1 500

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Exercice:

Une consommation normalisée d’essence de 5 l équivaut à une émission 5*2360 /100 = 118 gr CO2/km

L’objectif de 120 g de CO2 par km équivaut à

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

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

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Engine Universal Performance Map

Golverk (SAE 941928) a montré que la cartographie des moteurs Diesel peut être approchée par une surface de réponse quadratique avec une précision suffisante

be [gr/kWh] : BFSC

T [Nm] : le couple au frein

N [rpm] : la vitesse de rotation du moteur

Ai : des coefficients empirique ou à identifier

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Engine Universal Performance Map

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Cartographie d’un moteur 1.6 TDCI

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%

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Pour un véhicule électrique 15


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Consommation spécifique d’une génératrice

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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

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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 be, de la puissance instantanée requise et de la masse volumique du fuel:

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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

L’arrêt du moteur lors des arrêts (stop/start system)

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

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

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

Notion de cycles de conduite

Cycle à vitesse constante

Cycle à vitesse variable

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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

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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.

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

On peut voir sur le diagramme

Les courbes d’iso consommation délivrée par le moteur

La puissance nécessaire pour vaincre les forces de résistances

Etant donné que la vitesse est liée à la vitesse de rotation du moteur

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L’expression se transforme en fonction de la vitesse de rotation du

moteur

Il vient

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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 sélectionné et de la longueur de transmission.

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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

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Effet du rapport de boîte sur la consommation iB= 0,8 iA. 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.

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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

Où on utilise la notation

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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

On note l’influence de

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

le Cx et les forces aérodynamiques

le coefficient de résistance au roulement

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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:

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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

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Cycles 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 DIN70300 de consommation: 110% de la consommation à v=min (3/4 de la vitesse max, 110 km/h)

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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 synthétiques sont élaborés sur base de vitesses et d’accélérations obtenues à partir d’observations classées et pondérées en fonction de leur durée et de leur fréquence

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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 cycle SC03 est un cycle avec une forte charge due à l’usage de l’air conditionné

Le cycle US06 est cycle de conduite agressive

Ils servent à la détermination de la consommation

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US Urban Emissions and Fuel Economy test (FTP75)

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US Highway Fuel Economy Test (HWFET)

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Cycle SC03

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Cycle US06

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Cycles US

Plusieurs inconvénients:

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

Véhicules classés en catégories 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)

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Cycles US et cycle poids lourds

Cycle New York city pour bus urbains

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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

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Cycle européen

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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

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Cycle européen

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

Nouveau cycle européen (1996)

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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.

Les phases d’accélération augmentent 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)

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Cycle SORT pour les bus

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

SORT 1 : Heavy urban SORT drive cycle

SORT 2: Easy urban SORT drive cycle

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Cycle Japonais 10-15

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Un cycle urbain basé sur le cycle CE

Un cycle rural à faire 2 fois

Un cycle autoroutier représentatif de la circulation allemande

Cycle ADAC

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 appliquée aux 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

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Banc à rouleaux

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Banc à rouleaux

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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

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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…

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Banc à rouleaux

Mise en place du véhicule sur le banc

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Documents

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