FPT Industrial et Stanadyne discutent de l'innovation des moteurs à combustion interne

Un récent webinaire de l'Engine Technology Forum (ETF) s'est concentré sur les diverses innovations apportées aux moteurs à combustion interne (IC) pour améliorer leur rendement et leurs émissions. Les intervenants du secteur ont abordé des sujets allant des carburants au post-traitement.

Une partie importante du webinaire était toutefois axée sur les avancées technologiques des moteurs à combustion interne eux-mêmes.

Ivan Tate, directeur du centre technique du fabricant de moteurs et de groupes motopropulseurs FPT Industrial, a donné le coup d'envoi de cette partie du webinaire. Il a passé en revue les innovations apportées par FPT pour améliorer les performances, la consommation de carburant et la productivité.

Qualifiant le moteur à combustion interne de « moteur moteur essentiel pour les années à venir », Tate a notamment mis l'accent sur la plateforme du moteur XC13 13 L de FPT, configurable pour plusieurs carburants, dont le diesel et le gaz naturel, deux éléments au cœur de ses propos.

Évolution du moteur

Tate a discuté de l'évolution du XC13, en commençant par le Cursor C13 en 1998.

Le XC13 de FPT Industrial dévoilé au salon IAA Transportation 2022. (Photo : FPT Industrial)

« Conçu comme un moteur routier, nous avons fait le saut vers le tout-terrain au début des années 2010 », a-t-il déclaré. « La puissance a augmenté grâce à la suralimentation à deux étages. Puis, d'importantes modifications législatives ont commencé à intervenir à cette époque (2012). Le moteur a évolué vers le gaz naturel (2017), et en tant qu'entreprise, nous avons compris ce qui se passait. Ainsi, avec le concept Cursor X (2018), nous avons accordé une grande importance à la durabilité, à la modularité et à la flexibilité de nos produits. Et le XC13 représente véritablement la nouvelle génération. »

L'une des innovations communes choisies par FPT pour le XC13, quel que soit le type de carburant, était de migrer des pièces moulées standard pour le bloc-cylindres et la culasse vers la fonte à graphite compacté (CGI).

« Cela nous permet d'être plus légers, mais aussi plus rigides », a-t-il déclaré. « Cela améliore les émissions et la pression dans les cylindres que nous pouvons maintenir. »

Les améliorations apportées par FPT ont permis de réduire le poids d'environ 10 % sur les modèles diesel et au gaz naturel par rapport au moteur C13.

Réduction des frottements

FPT a également cherché à réduire les frottements dans le XC13 en utilisant de nouveaux matériaux sur les bielles et les axes, ce que Tate a qualifié de développement clé.

« Cela paraît simple », a-t-il déclaré. « Il suffit de prendre la surface du roulement, d'améliorer les matériaux, de réduire la surface, de modifier les jeux pour optimiser le frottement. Mais nous nous intéressons également à la facilité d'entretien, notamment en augmentant les intervalles d'entretien et en augmentant la charge par rapport aux générations précédentes. Il a donc fallu collaborer avec les fabricants de lubrifiants et entreprendre un important travail de durabilité pour concrétiser ces avantages et répondre exactement à nos besoins. »

D'autres améliorations apportées au système de commande des soupapes ont permis d'augmenter la puissance de freinage de 29 % dans la version diesel du XC13 et de plus de 300 % dans l'unité au gaz naturel, toutes deux par rapport au prédécesseur du C13.

« Cela améliore en partie évidemment la maniabilité, mais cela se rapproche également de certaines des autres émissions qui entrent dans le spectre des émissions », a-t-il déclaré, ajoutant que cela inclut la poussière de frein et les émissions liées à l'usure des composants qui ont commencé à apparaître sur les tableaux d'émissions à la suite d'émissions de combustion d'échappement considérablement plus faibles.

Auxiliaires et commandes

Deux améliorations supplémentaires, combinées à l'allègement du moteur, ont contribué aux performances et à la consommation de carburant : des auxiliaires intelligents et un contrôle avancé de la combustion. Ces auxiliaires sont des pompes à huile et à eau à vitesse variable, à deux étages ou entièrement variables, a expliqué Tate. Côté commandes, le XC13 bénéficie d'un contrôle avancé de la combustion et d'une gestion thermique.

« En particulier dans les conditions de démarrage, les conditions de froid et les transitoires, les avantages de l'injection de carburant, la possibilité de contrôler les contre-pressions du turbocompresseur, les contre-pressions d'échappement et ensuite de modifier les schémas d'injection révèlent le fait que nous pouvons augmenter la puissance, mais nous pouvons également atteindre les objectifs d'émissions et de consommation de carburant tout en faisant cela », a-t-il déclaré.

Par rapport au C13, ces améliorations, ainsi que d'autres, ont permis au XC13 d'augmenter la puissance de plus de 2 % et le couple de plus de 12 % sur la version diesel, avec une consommation de carburant réduite de 7 %. Le modèle au gaz naturel a enregistré des gains de puissance et de couple de plus de 9 % et de plus de 10 % respectivement, avec une amélioration de la consommation d'environ 8 %.

Injection directe de GPL

Srinu Gunturu, ingénieur en chef de la société de systèmes de carburant Stanadyne, a évoqué les innovations dans les moteurs à combustion interne alimentés au propane, en particulier l'injection directe de gaz de pétrole liquéfié (GPL).

L'injecteur et la pompe Stanadyne distribuent le GPL grâce au système anti-blocage de vapeur développé et conçu par Katech. (Photo : Stanadyne)

« Nous pensons que ce sera une excellente alternative », a-t-il déclaré, « et qu'elle augmentera également l'efficacité des systèmes de carburant au propane liquide actuels disponibles sur le marché. »

Parmi les avantages du GPL, Gunturu a noté l’amélioration de l’efficacité du moteur et des émissions.

« L'indice d'octane est de 105, et l'utilisation d'un catalyseur trois voies nous permettra probablement de réduire encore davantage les émissions, tout en étant moins coûteux que les systèmes diesel de rechange », a-t-il déclaré. « Et grâce au propane liquide, les émissions de particules fines (PM) seront quasi nulles. »

Gunturu a cité le travail que Stanadyne a réalisé avec Katech Engineering et le Propane Education & Research Council (PERC) pour mettre l'injection directe de GPL sur le marché.

Traitement du blocage de vapeur

« Nous avons développé un système sur une plateforme GM, le moteur L8T, sans aucune modification majeure par rapport à un moteur à essence ; nous l'avons directement adapté au propane liquide », a-t-il expliqué. « Nous avons pu convertir et apporter quelques modifications mineures au logiciel et au matériel, et intégrer des inhibiteurs de blocage de vapeur au système sous forme d'application pour faciliter l'allumage de ce moteur au propane liquide. »

Le blocage de vapeur était un problème clé que Stanadyne devait surmonter pour faire fonctionner le moteur au GPL.

« Le principal obstacle était le carburant », explique Gunturu. « Le propane se transforme en gaz à pression ambiante et s'évapore dans le système. »

Gunturu a déclaré que des modifications ont été apportées à la pompe à propane et à l'injecteur pour résoudre le problème de blocage de vapeur.

« Nous avons modifié la conception de notre pompe et du système afin de réduire le risque de blocage de vapeur avec le propane liquide », a-t-il expliqué, « pour le refoulement de la pompe haute pression. Ainsi, la pompe ne se grippera pas et fonctionnera à des pressions plus élevées, évitant ainsi ce blocage. J'ai également développé un système de décompression en cas de formation de vapeur dans le rail, ce qui permettra également d'éliminer cette vapeur, de la libérer et de la fixer au châssis. »

Les injecteurs ont également été conçus pour obtenir un débit plus élevé, a ajouté Gunturu, afin d'améliorer la combustion du GPL dans le cylindre.

Comparable à l'essence

Le moteur d'essai General Motors L8T 6,6 L GDI a été mis à jour avec les composants Stanadyne et fonctionne à l'injection directe de GPL. (Photo : Stanadyne)

Selon Gunturu, les performances du moteur L8T au GPL étaient comparables à celles du moteur à essence. La puissance du moteur était légèrement supérieure à celle du moteur à essence de base dans la plage de régimes de 3 000 à 3 500 tr/min.

Stanadyne a effectué des tests au banc d'essai pour s'assurer que le fonctionnement du moteur au GPL n'endommagerait ni ne détruirait le moteur, les culasses et autres composants mécaniques.

« Nous n'avons constaté aucun signe d'usure mécanique anormale ni de récession des sièges de soupape, ni de problème au niveau des pompes à carburant ou des injecteurs », a déclaré Gunturu, ajoutant que cela faisait suite à plus de 16 millions de cycles d'injection et plus de 50 millions de courses de pompe. « Et pas seulement en régime permanent. Nous avons effectué des cycles transitoires avec différentes conditions de démarrage/arrêt, des démarrages à froid, ainsi que des essais à vitesse de croisière de 88 à 105 km/h afin de déterminer si cette technologie avait un impact sur la fiabilité ou la durabilité du moteur, ainsi que sur les composants du système d'alimentation. »

Projets futurs

Stanadyne étudie si la technologie peut exploiter des mélanges d'éther diméthylique renouvelable (rDME) ainsi que du propane renouvelable.

Gunturu a ajouté que Stanadyne avait l'intention de convertir un camion GM avec un moteur V8 de 5,3 L pour fonctionner au GPL.

« Nous prévoyons de réaliser l'intégralité des tests d'émissions de l'EPA pour prouver que vous bénéficierez d'un avantage mesurable en termes de CO2 et également de nombreuses réductions d'émissions que vous constaterez, ce qui constitue les prochaines étapes pour faire passer ce produit au niveau supérieur pour le marché. »

FPT Industrial présente le moteur N67 Hythane Le nouveau prototype est une « solution de transition » vers un moteur à combustion interne entièrement à hydrogène

Cette pompe à carburant protège les moteurs diesel Le kit de pompe à carburant fournit une solution et représente la nouvelle stratégie de Stanadyne