lundi 28 mars 2016

Véhicule 2,3 l/100 km : 1 - Principes et architecture




Résumé

Six messages consécutifs montrent que les techniques actuellement disponibles, jointes à une architecture axée prioritairement sur l’économie, peuvent aboutir à une consommation moyenne de 2,3 litres d’essence aux 100 km, pour un véhicule conservant des performances normales en usage polyvalent de la ville à l’autoroute, avec une autonomie atteignant  les 1 000 km. Il s’agit bien de consommation réelle sur une longue distance aux vitesses et circonstances usuelles, loin des tests biaisés commencés batterie pleine et terminés batterie vide.

Sa trace carbone, investissement inclus, est largement inférieure à celle :
  • d’un véhicule tout électrique, 2 fois plus cher et d’autonomie 6 fois plus faible,
  • d’un véhicule à hydrogène, 3 fois plus cher et d’autonomie 3 fois plus faible,

même si l’énergie électrique de ces dernières est décarbonée comme dans l’exception française.

Les solutions préconisées dans le présent message visent à améliorer :
  • L’aérodynamisme : largeur et hauteur réduites, Cx optimisé
  • Les forces de roulement : véhicule léger sur roues de grand diamètre et pneumatique de faible section sous pression élevée
  • Les énergies cinétique et potentielle : véhicule léger et récupération au ralentissement et en descente

La motorisation est analysée dans le second message. Elle part du moteur 3 cylindres 1000 cm3 PSA récent, ramené à 666 cm3 par suppression d’un cylindre. Ce bicylindre de 34 KW et de bon rendement nécessitera un double volant amortisseur à l’entrée de la boîte de vitesses.

Dans le troisième message suivant, le choix des rapports de transmission est déterminé à partir des zones de rendement optimum du moteur dans les différentes circonstances d’utilisation. Cet optimum amenant des rapports très longs, l’agrément de conduite impose une boîte pilotée.

Le quatrième message détermine les paramètres de l’hybridation parallèle dans ses différentes utilisations : récupération d’énergie potentielle et cinétique, fonctionnement urbain en mode électrique, démarrage du moteur thermique, marche arrière, repositionnement du point de fonctionnement du moteur thermique… Il aboutit à une machine de 7 Kw permanents autorisant 15 Kw transitoires pendant 10 minutes.

Le cinquième message esquisse le principe d’une transmission complète à double embrayage, analogue aux boîtes VW SDG 6 ou 7, et calcule les prévisions de performance en vitesse et accélération.

Le sixième message analyse les atouts et faiblesses d’un tel véhicule au plan commercial et tente d’en évaluer les perspectives.


Architecture générale

Depuis une trentaine d’années, on observe une évolution paradoxale des véhicules particuliers :
D’une part, le rendement des moteurs a effectué des progrès spectaculaires, et le coefficient de traînée Cx (à section transversale constante) a été grandement amélioré, aboutissant à une réduction substantielle de la consommation, présentée sous la forme d’émissions de CO2 réduites, ce qui est exactement synonyme.

Mais dans le même temps, les véhicules sont devenus de plus en plus larges et hauts (S), et lourds (m), absorbant ainsi une partie du progrès des moteurs. Par surcroît, ces derniers sont devenus de plus en plus puissants, non seulement pour augmenter le confort de conduite, mais aussi pour flatter l’ego du conducteur par des performances inutilisables selon la réglementation routière, au détriment du rendement. Ce n’est que depuis quelques années que l’on assiste enfin à un « downsizing » des cylindrées, sans réduction de puissance grâce aux turbocompresseurs, et à un début de réduction de la masse.

Tout se passe comme si seuls les fabricants, contraints par les réglementations européennes, avaient changé, cependant que les consommateurs n’ont rien modifié de leur demande qui porte toujours sur des véhicules puissants et volumineux.

Le présent message ne comporte aucune invention géniale, et ne présuppose aucune amélioration  des technologies actuelles. Il se limite à montrer qu’il est possible de concevoir un véhicule thermique (hybride non rechargeable) permettant d’accueillir 3 adultes  avec leurs bagages, sans excéder une consommation réelle de 2,0 à 2,6 litres d’essence aux 100 km dans les diverses conditions d’utilisation courante, sans rien sacrifier d’essentiel. Ce message cherche à éveiller les consciences :

Oui, on peut avoir une voiture ayant une vitesse et une autonomie normales, à un prix normal, en consommant 2 fois moins, et en émettant moins de 50 g de CO2 par kilomètre.

Comment réduire les besoins énergétique ?

L’énergie mécanique requise pour faire avancer un véhicule est utilisée pour vaincre :
  • la force de roulement
  • la force aérodynamique
  • l’inertie par création d’énergie cinétique au cours des accélérations.
  • la gravité par création d’énergie potentielle dans les montées


L’énergie thermique consommée est égale à l’énergie mécanique utilisée divisée par le rendement η du moteur (inférieur à 100%). Le but du jeu est de réduire les 4 composantes de l’énergie mécanique requise et d’améliorer le rendement du moteur en l’utilisant exclusivement dans sa zone de rendement optimum.

Force de Roulement : Fr = m g Cr


Elle résulte principalement de la déformation des pneumatiques au contact de la chaussée, et est donc proportionnelle au poids m g du véhicule, c’est-à-dire, g étant pratiquement une constante, à sa masse m. Il y a donc lieu :
  • De concevoir un véhicule léger, réduisant m
  • D’utiliser des pneumatiques de grand diamètre et de faible section à pression élevée réduisant Cr (cas extrême : les vélos de course)


Force aérodynamique : Fa = ρ v² S Cx/2


Pour diminuer la force aérodynamique, il faut   :
  • réduire la surface S de la maîtresse section en réduisant largeur et hauteur, avec des formes arrondies, et des pneumatiques de faible largeur
  • réduire le coefficient de traînée Cx en utilisant des formes appropriées connues : longueur accrue, capot très incliné avec pare-brise dans la continuité,  glaces affleurant, roues arrière carénées, section horizontale avant très arrondie, etc…
  • supprimer les rétroviseurs extérieurs remplacés par un système caméra arrière et écran


Energie cinétique : E = m v²/2


Pour réduire l’énergie cinétique à produire pour atteindre une vitesse donnée, une seule voie : réduire la masse m. Mais l’approche la plus intéressante consiste à récupérer l’énergie cinétique au ralentissement et au freinage, grâce à une conception hybride permettant de la renvoyer à la batterie.  Cette récupération a toutefois deux limites :
  • son rendement qui ne dépasse pas celui de la batterie multiplié deux fois par celui de la machine électrique,
  • sa puissance maximum qui ne permettra jamais de récupérer l’énergie d’un freinage d’urgence à grande vitesse. Pratiquement, on ne récupèrera que l’énergie des décélérations jusqu’à 1,3 m/sec² dans les vitesses inférieures à 15 m/sec (54 km/h) correspondant à l’utilisation urbaine dans laquelle les ralentissements sont fréquents.


Energie potentielle (déclivité) : E = m g h
A nouveau, évidemment, la proportionnalité à la masse m, amène à réduire cette dernière.
Mais ici encore, la meilleure approche est la récupération de l’énergie potentielle dans les descentes. Rappelons que, sur la durée de vie d’un véhicule, la déclivité moyenne est nulle, les montées compensant exactement les descentes. Mais cette compensation n’est vraie que si, dans les descentes, on ne recourt pas au freinage qui la dissipe en chaleur. Ce sera généralement le cas sur des déclivités faibles, jusqu’à 2 ou 3%, mais le problème se posera très vite dès 4 à 5%.



Optimisation de l’architecture du véhicule

La force mécanique nécessaire au le véhicule est modélisée selon la formule :
F = m [ g (Cr + p)+ dv/dt ] + ρ v² S Cx/2
[(Roulement + Pente) + Accélération] + aérodynamique
La puissance requise est donc : P = F v  
Et l’énergie mécanique : E  = F d       (d= distance parcourue)
Plateforme et carrosserie

Les objectifs majeurs de faible maitresse section S, de faible traînée aérodynamique Cx et de faible masse m, imposent véhicule étroit, mais pouvant recevoir deux passagers côte à côte, de faible hauteur mais compatible avec des passagers jusqu’à 1,90 m, et léger. Nous avons adopté les valeurs suivantes
  • Largeur 1,48 m. C’est celle de la Citroën électrique C0, hors rétroviseurs ici supprimés et remplacés par un système écran + caméra arrière.
  • Hauteur 1,25 m, basse, mais pas extrême : C’est celle d’une Audi R8, 10 cm de moins qu’une Austin Mini, 13 cm de moins qu’une Saxo ou 108, mais 15 cm de plus qu’une Lotus Europe ou De Tomaso Pantera.

Compte tenu d’une section transversale assez arrondie, et d’une garde au sol de 20 cm, on peut tabler sur une maîtresse section de 1,35 m²,

La réduction du coefficient de roulement Cr peut être obtenue par des jantes de grand diamètre équipées de pneus étroits à taille plutôt basse. On imaginerait des pneumatiques 145/50 R 17 gonflés à une pression élevée, de 3 à 3,6 bars mais cette référence est à créer, et ceci reste une affaire de spécialistes. Une telle roue a un diamètre de 58 cm. (Code des pneumatiques : Largeur en mm ; Hauteur en % de la largeur ; Structure R = radial ; Diamètre de la jante en pouces)

A la fois pour améliorer le Cx et pour conserver une habitabilité acceptable en usage courant, le nombre de places est limité à 3, et la longueur est portée à 4,40 m, celle d’une berline  moyenne, compatible avec l’usage urbain sans en faire une citadine. Elle permet la présence à l’arrière d’un siège central pour un adulte, les bagages étant répartis de part et d’autre et derrière. Les enjoliveurs de roues sont plans et les roues arrière sont carénées (façon DS19).

En tablant sur Cx = 0,23, envisageable compte tenu de la priorité donnée à ce paramètre, et de la longueur relativement élevée, le S Cx pourrait être de 0,31 m², significativement plus bas que tous les véhicules de tourisme actuels. Exemple : la Toyota Prius, très profilée, avec un Cx de 0,24 selon son fabricant, mais plus large et beaucoup plus haute est donnée pour 0,54 m². Notre évaluation n’est nullement optimiste.

La réduction de la masse m est obtenue par les petites dimensions, la limitation à 3 passagers, l’architecture à deux portes et hayon, le petit moteur thermique à essence, les roues de faible section, l’absence de roue de secours, et le petit réservoir de 25  litres assurant 1 000 km d’autonomie. Mais elle sera obérée par l’hybridation avec une machine électrique (moteur ou génératrice selon les moments) de 15 KW en crête et une batterie de 10 KWh. L’objectif de 800 kg à vide nécessitera peut-être un recours limité à des éléments en aluminium ou en composites, notamment la plateforme, au prix d’une légère augmentation du coût.

En résumé :


Un tel véhicule ne requiert que 14 KW (19 CV) mécanique à 130 km/h sur chaussée horizontale