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Il sera bientôt synonyme de rendements jamais vus dans le domaine des moteurs à combustion interne !
Ce nouveau moteur principalement destiné aux véhicules utilitaires et autres applications industrielles, utilise un échangeur de chaleur pour propulser son rendement effectif à des hauteurs inédites en fonctionnement sous charge faible à intermédiaire.
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KYRDYN! REMEMBER THIS NAME
It will soon be synonymous of striking efficiencies in the field of Internal Combustion Engines (ICEs)!
This new engine primarily intended for industrial vehicles and other industrial implementations, uses a heat exchanger to dramatically enhance its efficiency under low and moderate loads.
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KYRDYN! … EIN NAME, DEN MAN SICH MERKEN SOLLTE Sehr bald ein Synonym für eine nie zuvor erreichte Effizienz bei Verbrennungsmotoren !
Diese neue hauptsächlich für Nutzfahrzeuge und andere Industrieanwendungen entwickelte Maschine verwendet einen Wärmetauscher um deren Effizienz bei niedriger bis mittlerer Last drastisch zu erhöhen.
Un nouveau moteur à combustion ? Maintenant ?
Climat, ressources, géopolitique,.., le domaine de l’énergie fait face à des défis gigantesques qui, toujours plus, appellent des solutions non seulement efficaces, mais aussi réalistes et rapides à mettre en œuvre.
Abaisser immédiatement de 10 % l’ensemble des émissions de carbone jouerait un rôle primordial en modérant l’abondement du stock de CO2, qu’il soit atmosphérique ou emmagasiné dans des réceptacles naturels tels que les océans. Les éventuelles futures technologies, plus radicales mais plus tardives, partiront alors d’un stock plus bas. L’impact bénéfique des solutions immédiates se répercutera sur des décennies, voire plus.
Plus en détail, petit clin d’œil aux mathématiciens parmi nos lecteurs, le niveau de CO2 dans l’atmosphère dépend davantage de l’intégrale (la somme) des émissions antérieures que des émissions de l’année en cours.
Bien plus, certains paramètres comme la quantité de glaces fondues sont eux-mêmes liés à l’intégrale des accumulations de CO2 antérieures, et donc à l’intégrale double des émissions au cours des années antérieures. Impressionnant, non ?
Vous n’êtes pas mathématicien ? Alors disons-le autrement : Si un jour on parvient à ramener les émissions de CO2 à un niveau jugé satisfaisant, ou même, pourquoi pas, nul, la quantité de glace fondue restera la somme des fontes de toutes les années antérieures où le stock de CO2 aura été excédentaire, et continuera de croître tant que ce stock sera excessif.
C’est dire à quel point, encore une fois, les « petits gains » d’aujourd’hui sont importants pour le futur. Et, comme on va le voir, les gains que KYRDYN® se promet de faire sont bien plus que des « petits gains » !!
Et le « tout électrique », direz-vous ? Il existe de nombreuses situations/applications (groupes électrogènes, applications non-routières, zones géographiques où l’infrastructure de rechargement est insuffisante, voire inexistante, navigation, etc.) auxquelles seul le moteur à combustion peut valablement répondre. Et le bilan environnemental du moteur à combustion est parfaitement défendable comparé à celui de l’énergie produite en centrale thermique alimentée par du gaz ou surtout du charbon.
En outre, d’un point de vue géopolitique, l’approvisionnement en gaz, et donc la production de GWh supplémentaires à partir de gaz, sont devenus critiques. Le pétrole, arrivant par bateau, est moins impacté. S’ajoutent à cela les opportunités nouvelles qui se dessinent à court terme dans le domaine des combustibles de synthèse et biocombustibles, bien moins critiques en matière d’environnement que les combustibles fossiles.
De tout cela il ressort que l’Humanité aura encore longtemps besoin des motorisations à combustion, non comme un pis-aller, mais comme véritable solution optimale dans de nombreux contextes.
… en attendant le moteur KYRDYN® !
Le Moteur KYRDYN, quels bénéfices à l’exploitation ?
Un gain de 5 points de rendement, donc faire passer le rendement effectif d’environ 45 % actuellement dans le domaine des poids lourds à 50 %, représente une économie de plus de 10 % de carburant. Sur un poids lourd 38 t longue distance, consommant actuellement autour de 25-30 litres/100km, un tel gain représente une économie minimale de 2,5 à 3 litres/100 km, soit environ 12 500 à 15 000 litres après 500 000 km, soit encore, environ 20-25 000 € de plus dans la caisse et…. 30-35 tonnes de CO2 en moins dans l’atmosphère.
Au-delà de l’économie de carburant, un moteur moderne doit satisfaire les normes anti-pollution en vigueur et plus généralement se montrer exemplaire en matière environnementale. Concrètement il serait souhaitable d’éliminer, mieux que les Diesels actuels et/ou avec moins de dispositions auxiliaires coûteuses, les NOx lorsque le moteur fonctionne à froid ou sous faible charge.
Pour l’utilisateur professionnel, deux principales qualités d’un moteur utilitaire sont, à égalité, son coût d’exploitation (OpEx), très lié à son rendement, et sa fiabilité. Bien sûr le moteur doit en outre être raisonnable en termes de coût d’investissement (CapEx), encombrement, poids, bruit, maintenance etc.
Pour le fabricant, le moteur doit autant que possible permettre le recours à des technologies éprouvées, préserver ainsi tout le bénéfice du savoir-faire antérieur, et modérer les investissements industriels nécessaires, les coûts de fabrication, les risques en termes de fiabilité (réels, ou redoutés par la clientèle), et les délais jusqu’à la commercialisation. La technologie retenue doit être compatible avec un prix de vente à la fois rémunérateur et compétitif. Cerise sur le gâteau, la nouvelle technologie devrait se prêter à une communication commerciale valorisante, en termes d’économie, d’environnement et d’innovation.
Au-delà de ses performances de rendement, le moteur KYRDYN® satisfait de façon éclatante à l’ensemble des aspirations qui viennent d’être évoquées.
- L’architecture d’un moteur classique est entièrement préservée.
- Les éléments additionnels sont essentiellement statiques.
- Le surcoût de fabrication du moteur est dérisoire au regard des gains permis à l’exploitation du moteur.
- Le poids supplémentaire est minime et peut être compensé en réduisant la contenance des réservoirs de carburant sans dégrader l’autonomie, grâce à la moindre consommation.
- Les NOx sont mieux éliminés sous faible charge et moteur froid, ce qui permet d’envisager l’abandon au moins partiel de dispositions auxiliaires telles que post-injection, chauffage auxiliaire, présence de deux catalyseurs etc.
La problématique du rendement des moteurs Diesel
Dans un Diesel moderne, l’air fourni par le compresseur du turbo est refroidi par un inter-refroidisseur (intercooler) avant d’être admis dans le cylindre du moteur. Cet air y est alors suffisamment chauffé (par compression) pour que le carburant injecté en fin de compression s’enflamme spontanément. La température moyenne de combustion, dont dépend directement le rendement, se situe entre la température de fin de compression et la température maximale atteinte en fin de combustion.
Le moteur classique est naturellement conçu pour supporter la température et la pression maximales atteintes lors du fonctionnement à pleine charge (autrement dit quand le moteur fournit son couple maximal).
Or dans la plupart des applications le fonctionnement à pleine charge est l’exception. Les poids lourds et autocars ne sollicitent pleinement leur moteur que lors des accélérations ou sur route ascendante, surtout quand le poids transporté est élevé, ce qui est loin d’être toujours le cas. Le reste du temps, soit au moins 90 % du temps pour bien des véhicules, le moteur n’est souvent même pas sollicité à 50 % de son couple maximal. Résultat, le moteur classique n’exploite généralement pas son potentiel en termes de pression et de température, et donc de rendement.
- Les locomotives Diesel fréquentes dans certains pays n’ont besoin de fort couple que pour lancer le convoi et pour les rampes ;
- Les groupes électrogènes ne sont chargés qu’à proportion de la demande électrique ;
- Les tracteurs agricoles sont certes parfois au labour, mais souvent aussi à l’épandage ou autres tâches bien moins énergivores ;
- Les engins de chantier sont sous charge très fluctuante ;
- Les navires ont aussi des besoins de puissance variables, en fonction de leur vitesse de croisière, du fret transporté, et du sens des courants, notamment en navigation fluviale.
Pour l’automobile, ce qui précède serait encore plus pertinent. Bien des automobiles actuelles disposent de moteurs d’environ 200 ch (150kW), alors que la marche à 100km/h stabilisés n’en demande qu’environ 20-25 (15-20 kW) !
Et KYRDYN, comment ça marche ?
Un échangeur de chaleur est installé en parallèle avec l’inter-refroidisseur (intercooler).
Une vanne pilotée distribue le gaz d’admission (air+EGR) entre l’inter-refroidisseur et l’échangeur.
Le gaz d’admission qui passe par l’échangeur y est réchauffé par les gaz d’échappement sortant de la turbine du turbocompresseur, sans se mélanger à eux.
Les deux trajets d’admission, par l’inter-refroidisseur et respectivement par l’échangeur, se rejoignent avant l’entrée dans le cylindre du moteur.
Le moteur fonctionne comme suit :
- Faible chargeA faible charge, la totalité du gaz d’admission passe par l’échangeur et en ressort donc à une température proche de celle des gaz d’échappement à leur sortie de la turbine du turbocompresseur.
- Charge intermédiaireAux charges intermédiaires, la vanne pilotée envoie une partie ajustée du gaz d’admission dans l’échangeur.
- Pleine chargeA pleine charge tout le gaz d’admission peut passer par l’inter-refroidisseur et le fonctionnement converge alors vers celui d’un Diesel classique.
Avant de passer par l’une et/ou l’autre voie, le gaz d’admission est pré-comprimé par tout moyen, turbocompresseur, assisté électriquement ou non, ou compresseur commandé, ou toute solution de pré-compression en cascade, inter-refroidie ou non. La pression de pré-compression est pilotée en correspondance avec la température d’admission (telle qu’ajustée par la vanne) pour que le couple pression-température à l’entrée dans le cylindre corresponde à un point voulu du cycle KYRDYN®.
En général la pression d’admission est plus élevée que dans un moteur classique, de même que la densité du gaz d’admission malgré sa température également accrue. Pour compenser, la soupape d’admission peut se fermer précocement (admission type Miller).
En fin de compression à charge partielle, la température et la pression sont plus élevées que dans un Diesel classique au même niveau de charge.
La chaleur récupérée de l’échappement a pour le gaz d’admission la même action de réchauffement qu’une sorte de précombustion gratuite, dont les effets vont être multipliés par la compression consécutive dans le cylindre du moteur. A titre d’exemple, si le gaz d’admission est réchauffé de 150°C dans l’échangeur, le surcroît de température en début de combustion est typiquement de l’ordre de 300°C.
Deux résultats principaux sont atteints :
- Le rendement du moteur, qui est d’autant meilleur que la température de rejet des gaz est faible par rapport à la température de combustion, est considérablement accru. Concrètement, le rendement thermodynamique du cycle atteint des valeurs supérieures à 80%. Raison pour laquelle une amélioration de 5 points du rendement réel est une perspective parfaitement réaliste et prudente.
- A charge faible ou intermédiaire, le relèvement général des températures dans le moteur relève la température des gaz sortant de la turbine du turbocompresseur, avant leur passage dans l’échangeur. Placé à ce niveau, le catalyseur bénéficie de cette température accrue, favorable à son bon fonctionnement. Ainsi, à faible charge, moteur froid etc., les NOx sont bien mieux éliminés. Autrement dit, en prime, KYRDYN® répond à un des derniers reproches souvent formulés à l’encontre du Diesel moderne, à savoir ses émissions de NOx à froid ou sous très faible charge.
Bref, on l’aura compris
Les principales adjonctions se limitent à un échangeur de chaleur, une vanne pilotée, et les tubulures de raccordement associées.
Les modifications portent sur le turbocompresseur ou autre appareillage de pré-compression, le pilotage du moteur, et la commande de la soupape d’admission.
Et oui, cela suffit au moteur KYRDYN® pour rebattre magistralement les cartes en termes de motorisation :
- Le moteur KYRDYN® offre des atouts décisifs à l’égard de la concurrence diesel ou autre ;
- Le moteur KYRDYN® accroît encore, et de manière très significative, l’avantage du Diesel sur les moteurs à allumage électrique (« moteurs à essence ») en termes de rendement et de rejets de CO2 ;
- Dans les domaines d’application où les motorisations thermiques font actuellement débat, le moteur KYRDYN® renforce les avantages écologiques du thermique par rapport aux solutions utilisant certaines énergies préalablement transformées, notamment l’électricité produite en centrale thermique ;
En conclusion, non seulement les utilisateurs, mais aussi et surtout Notre Planète, ont urgemment besoin du moteur KYRDYN®!
L’histoire de KYRDYN
Bernard PONTET
Partner, Technical manager
Email : bpontet@kyrdyn.com
Il lui aura fallu presque une dizaine années, et de nombreuses fausses pistes, pour qu’enfin son acharnement soit récompensé par la découverte d’une solution en laquelle il pouvait croire, malgré son sens aigu de l’autocritique.
L’idée qui a germé dans l’esprit de Bernard est d’utiliser la chaleur résiduelle, non pas comme dans d’autres propositions pour alimenter thermiquement une machine auxiliaire ayant elle-même ses propres déperditions thermiques, mais comme source chaude auxiliaire pour le moteur principal lui-même. De ce fait l’échappement refroidi est commun aux deux sources chaudes, d’où le rendement spectaculairement amélioré. Et sans qu’il soit besoin d’une machine auxiliaire.
Au stade actuel le moteur est en cours de développement par une équipe d’ingénieurs regroupant des compétences de haut niveau en thermodynamique, mécanique, mathématiques et informatique.
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