Grâce à sa très haute densité énergétique, le gaz naturel comprimé (GNC) est idéal comme carburant automobile. Le GNC a un indice d’octane d’environ 120 et une chaleur de combustion de 9 000 à 11 000 kcal/kg ou 38 à 47 MJ/kg.
De plus, la combustion du GNC produit beaucoup moins d’émissions de CO2 que la combustion d’essence, par exemple. Et comme le GNC est un carburant particulièrement économique dans de nombreux pays, les constructeurs manifestent un intérêt croissant pour le développement de véhicules capables de fonctionner avec ce type de carburant alternatif.
Le principal défi lié à l’optimisation d’un moteur à combustion interne fonctionnant au GNC consiste à réguler la pression d’injection dans la rampe d’alimentation.
Illustration 1: Exemple d’un système hybride fonctionnant à l’essence et au GNC
Source de l’image: Bosch Mobility Solutions
Le GNC, stocké à environ 200 bars, est généralement injecté entre 2 et 9 bars en fonction des besoins du moteur : une pression basse pour une conduite économe en carburant dans les plages de vitesses basses, et une pression plus élevée lorsque davantage de puissance et de couple sont requis.
L’efficacité de la combustion dans le cylindre d’un moteur dépend fortement de la température et de la pression du GNC : une augmentation de la pression à volume constant se traduira par une densité massique plus élevée du gaz, augmentant ainsi son pouvoir calorifique.
Bien que la température initiale et la pression d’injection puissent être modifiées, des pertes de puissance et une faible manœuvrabilité peuvent survenir si ces éléments ne sont pas calibrés avec précision au cours du développement.
Injecter du GNC sous pression
Généralement, le GNC est alimenté depuis un réservoir haute pression vers la rampe d’alimentation via un régulateur de pression. Pour une combustion efficace du carburant, la quantité de gaz naturel injectée doit toujours correspondre à la masse d’air requise par le moteur. Pour cela, la gestion électronique du moteur utilise généralement un débitmètre pour déterminer la quantité exacte d’air nécessaire, puis la quantité de GNC à injecter.
Dans les moteurs à injection directe, le GNC est alimenté vers le collecteur d’admission par un distributeur de gaz naturel. Un capteur de pression mesure la pression et la température dans le distributeur de gaz naturel, permettant ainsi aux injecteurs de gaz naturel de fournir la quantité précise de carburant requise.
Alternativement, l’injection peut également être mise en œuvre sans distributeur de gaz naturel, en alignant chaque injecteur avec un cylindre correspondant. Avec ce principe d’injection multipoint, le gaz est injecté sous pression à chaque collecteur d’admission de cylindre, en amont de la soupape d’admission.
Étant donné que les variations de pression ont une influence importante sur les performances d’un moteur qui fonctionne au GNC, le couple du moteur et les émissions de gaz d’échappement (CO, CO2, NOx et hydrocarbures) doivent être enregistrés lors des essais du moteur.
Optimiser la pression du rail dans toutes les conditions de conduite
Pour optimiser un système au GNC, il est important que la pression à l’intérieur du rail soit mesurée avec précision à diverses ouvertures du papillon des gaz pendant les phases de conception et d’essais, et qu’elle soit comparée au couple du moteur et aux émissions de gaz d’échappement correspondantes. Par conséquent, la plupart des ingénieurs en développement ont besoin de capteurs de pression de haute qualité.
Il est important que ces capteurs fournissent des lectures précises sur une large plage de pressions, tout en conservant leur intégrité à des températures élevées.
Bien qu’une augmentation de la pression du GNC réduise les émissions de CO2, de HC et de NOx, elle a également pour effet d’augmenter le CO des gaz d’échappement. Il est donc indispensable d’enregistrer avec précision les effets de la modulation de la pression d’injection de GNC.
Pendant les tests, un régulateur de pression est utilisé pour contrôler la pression d’injection mesurée par un capteur de pression situé dans le rail. Et un débitmètre analogique, en général d’une capacité de 2,5 m3/h, est utilisé pour mesurer et contrôler le débit d’air entrant. Enfin, un dynamomètre de châssis est utilisé pour enregistrer le couple moteur.
Tout au long des tests, la température et le débit du gaz sont maintenus à des valeurs constantes, respectivement de 22 °C et de 0,1 SCFH. Un ventilateur de forte puissance est utilisé pour maintenir la température du moteur pendant les tests, et un équipement de contrôle des émissions est fixé à la sortie d’échappement pour enregistrer la teneur en CO, CO2, hydrocarbures et NOx des gaz d’échappement.
Le processus est assez complexe et exige que la pression, le couple et les émissions du rail soient mesurés à des centaines de points d’ouverture du papillon des gaz afin de créer une cartographie efficace des besoins du moteur.
Mesurer, enregistrer et saisir toutes ces données dans des tableaux appropriés prend beaucoup de temps. Par conséquent, les ingénieurs de développement se tournent souvent vers des outils de modélisation pour accélérer le développement. Ces outils fournissent généralement un environnement de simulation et de conception permettant de développer des systèmes dynamiques et intégrés, réduisant ainsi le nombre de versions matérielles requises pour concevoir le système.
Le modèle de simulation est codé avec les informations obtenues lors des tests en temps réel, puis intégré dans un exécutable utilisant un compilateur C afin de l’exécuter sur un système d’exploitation en temps réel.
Une fois les données de base capturées, il est possible de générer un nombre infini de simulations en temps réel qui sont applicables à n’importe quel aspect du cycle de conception – du concept initial à la conception du contrôleur, en passant par les essais et la validation à l’aide de tests HIL (Hardware-in-the-loop).
Un programme d’essai utilisant des équipements et des capteurs de pression professionnels, permet aux véhicules fonctionnant au GNC d’atteindre des performances et une manœuvrabilité comparables aux véhicules fonctionnant aux combustibles fossiles, tout en réduisant les coûts et les émissions
