Use of Ethanol/Diesel Blend and Advanced Calibration Methods to Satisfy Euro 5 Emission Standards without DPF Utilisation d’un carburant Diesel éthanolé à l’aide de méthodes de calibration avancées afin de satisfaire les normes Euro 5 sans filtre à particules

Abstract

The use of biofuels has been extensively developed in the last years to diversify energy resources and to participate to the transportation greenhouse gas emissions reduction effort. One of the most promising renewable fuels for large scale production is the ethanol which is nowadays mainly used for spark-ignited engines; nonetheless the European market share of Diesel vehicles is around 60%. These issues lead us to propose an innovative fuel formulation using ethanol for Diesel engine applications. The key issues to deal with the use of ethanol in a Diesel blend are the miscibility, the flashpoint, the lubricity and the cetane number. An intensive work has been done to optimise the formulation coupling the use of ethanol, with first and second generations of Diesel biofuels. The application on a Euro 4-compliant Diesel turbocharged engine with high pressure exhaust gas recirculation shows an outstanding decrease of particulate matter emissions thanks to this oxygenated fuel. Nevertheless unburned hydrocarbons and carbon monoxide emissions could be an issue as well as NOx emissions if the engine control settings are not updated. Combustion analysis helps understanding the fuel effect on the resulting auto-ignition delay and the pilot injection combustion behaviour, which leads to modified engine output compared to Diesel fuel. Therefore, the optimisation of the fuel/engine matching is performed using advanced calibration methodologies combined with design of experiments at the engine test bed. First of all, global and mixed approaches are proposed and compared in warm operating conditions. Finally it permits to simultaneously drop nitrogen oxides emissions and particulate matter emissions. Global CO2 emissions reduction and noise decrease are also expected. To further investigate engine emissions potential reduction, the engine is set up on a dynamic test bed facility, allowing to reproduce cold New European Driving Cycle (NEDC). Several innovative calibration methods, based on the simultaneous optimisation of engine basic settings and cold correction maps, are introduced in order to better suit to the new formulation impact on combustion and catalyst light-off and to drop off engine-out unburned hydrocarbons and carbon monoxide emissions. This stage allows pushing forward the work on test bed facilities in order to reduce the amount of vehicle tests. Tests on a chassis dynamometer are only used to validate the engine test bed results and to perform final tuning of cold correction maps. This alternative blend shows potential to achieve Euro 5 standard with Euro 4 Diesel vehicle configuration, without any hardware modification and without a Diesel particulate filter in the exhaust line. Such an innovative fuel formulation seems to be an interesting answer to the trade-off in the forthcoming years between cost and emissions reduction to achieve sustainable mobility. The presented calibration methods and tools allow to fully take advantage of this alternative fuel in a reduced time scale. L’utilisation des biocarburants s’est développée durant ces dernières années de façon importante afin de diversifier les sources d’énergies et de limiter la hausse des émissions de gaz à effet de serre du secteur des transports. L’un des carburants renouvelables les plus adaptés à une production de masse est l’éthanol. Celui-ci est aujourd’hui principalement utilisé dans les moteurs à allumage commandé, alors que la part des véhicules Diesel sur le marché européen est de l’ordre de 60 %. Ce constat nous a incité à proposer une formulation innovante utilisant de l’éthanol pour les applications Diesel. Les principaux verrous technologiques pour cette utilisation sont la miscibilité, la température d’éclair, la lubrification ou encore l’indice de cétane. Des travaux ont été réalisés pour optimiser la formulation contenant de l’éthanol, des biodiesels de première et seconde générations. Appliqué à un véhicule optimisé pour la norme Euro 4, ce carburant oxygéné a permis une diminution drastique des émissions de particules. Il a été cependant observé que les émissions de HC et de CO peuvent être problématiques tout autant que celles de NOx si les paramètres du contrôle moteur ne sont pas adaptés. Des analyses de combustion apportent une aide à la compréhension de ces résultats par l’étude du délai d’autoinflammation ou encore de la combustion de l’injection pilote. Ainsi, au banc moteur, des méthodes avancées de calibrations telles que les plans d’expériences ont été utilisées pour optimiser l’adéquation moteur/carburant. Une approche de type global a été proposée et comparée à une approche locale plus classique. Cette optimisation à chaud permet une réduction simultanée des émissions de NOx et de particules. Ces résultats laissent également présager une réduction du bruit de combustion et des émissions de CO2 sur véhicule. Un banc moteur dynamique a été ensuite utilisé pour étudier plus en détail le potentiel de réduction des émissions polluantes. Le comportement d’un véhicule sur le cycle européen NEDC avec démarrage à froid a pu être reproduit. Différentes méthodologies innovantes, basées notamment sur l’optimisation simultanée des cartographies de base et des cartographies de correction à froid, sont présentées. Elles permettent d’adapter les réglages du moteur par rapport à l’impact que ce carburant alternatif peut avoir sur la combustion et l’activation du catalyseur ou les émissions de HC et CO à la source. Ces méthodes ont permis de limiter le travail sur véhicule au banc à rouleaux à la validation des résultats obtenus sur banc moteur et à l’optimisation finale des cartographies à froid. Cette étude a prouvé qu’il était possible de satisfaire les normes Euro 5 avec cette nouvelle formulation de carburant tout en conservant une configuration de véhicule Euro 4 sans filtre à particules. En définitive, ce carburant innovant apparaît comme une solution intéressante pour répondre au compromis entre la réduction des émissions polluantes et le coût des futures technologies dans le cadre du développement durable. En outre, les méthodes et outils de calibration présentés permettent d’adapter le couple moteur/carburant dans un temps réduit.