Chevorolet Malibu FlexFuel
Histoire de l'E85 / Superéthanol du XIXe siècle à nos jours
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| Chevrolet Malibu 1997 |
1998 est l'année de commercialisation de l'E85 aux USA. Il n'y avait pas de modèles de véhicules adaptés disponibles sur le marché.
Le département de génie mécanique et industriel de l'Université d'El Paso (UTEP), dans le cadre de "l'Ethanol Vehicle Challenge de 1998", a développé un véhicule FlexFuel avec l'aide de General Motors avec des caractéristiques supérieures d'émissions de polluants et de démarrage à froid par rapport au véhicule essence d'origine, sans différences de performance et de maniabilité.
Le défi était de convertir une Chevrolet Malibu 1997 avec un moteur V6 de 3,1 litres.
L'éthanol présente de nombreux avantages par rapport aux autres carburants de remplacement. L'un des principaux avantages est que l'éthanol est un carburant renouvelable. En outre, l'éthanol a le potentiel pour des émissions plus faibles que beaucoup d'autres combustibles fossiles en raison de son faible rapport carbone-hydrogène. L'indice d'octane élevé de l'éthanol permet l'utilisation de taux de compression plus élevés, ce qui augmente le rendement thermique du moteur. Enfin, le stockage et la distribution de l'éthanol est similaire à l'essence puisqu'il s'agit d'un carburant liquide.
Malgré les nombreux avantages, il existe également certaines difficultés lors de l'utilisation de l'éthanol comme carburant. Par exemple, l'éthanol est corrosif et conducteur de l'électricité, et ainsi, les composants utilisés dans le système de carburant d'un véhicule à essence traditionnel peuvent ne pas être compatibles avec l'éthanol. L'éthanol a également une faible tension de vapeur, ce qui rend les moteurs difficiles à démarrer à froid.
- Tous les composants du système d'alimentation qui n'étaient pas compatibles E85 ont été remplacés ou modifiés ;
- Les caractéristiques de démarrage à froid ont été améliorées en incorporant un module d'allumage à étincelles multiples (MSD) et un circuit de distribution de carburant à haute pression, améliorant ainsi avec succès l'inflammabilité de l'E85 ;
- Le calculateur d'origine (ECU stock) est utilisé pour le contrôle du moteur et fournit un contrôle suffisant dans toutes les conditions de conduite normales ;
- Pour tenir compte des différences dans les caractéristiques du carburant, des injecteurs à débit massique plus élevé sont utilisés ;
- Un dispositif spécifique afin d'améliorer la montée en température du catalyseur est utilisé pour réduire les émissions. Pour réduire davantage le temps de préchauffage requis, le collecteur d'échappement est recouvert d'un matériau céramique jusqu'au catalyseur d'échappement ;
- Il n'y a eu aucune modification interne du moteur pour maintenir la souplesse de choix du carburant. Cependant, le collecteur d'admission a été poli, ce qui donne une augmentation d'environ 15 chevaux.
COMPATIBILITÉ DU SYSTÈME DE CARBURANT
L'éthanol est corrosif et n'est pas compatible avec certains composants du système d'alimentation prévu pour l'essence, certains plastiques, joints en caoutchouc et l'aluminium.
General Motors (GM) a informé l'équipe que le réservoir d'essence, les conduites flexibles et rigides, la crépine, l'huile de lubrification, la jauge à essence et la pompe à carburant immergée sont compatibles avec l'éthanol n'ont pas besoin d'être remplacés.
Le réservoir de carburant est revêtu d'acier et de zinc-nickel époxy compatible avec l'éthanol. Les conduites de carburant flexibles, le réservoir de la pompe et les conduites de carrosserie sont en nylon ou en acier. La crépine est construite avec le matériau Saran ™ résistant aux acides et aux alcalis, et est insoluble dans les huiles et la plupart des solvants organiques et le capteur de niveau est monté sur une carte en céramique.
Les composants du système de carburant qui ont été remplacés comprennent la pompe à carburant, le régulateur de carburant et les injecteurs de carburant.
Cependant, la pompe à carburant a été remplacée par une pompe à protection électrique fournie par GM. Cette pompe a été placée à son emplacement d'origine dans le réservoir.
Les modifications apportées au système d'alimentation comprennent l'anodisation du rail d'alimentation en aluminium et l'ajout d'un pare-flammes de col de remplissage.
Le régulateur de pression fixé à la rampe d'injection a été remplacé par un régulateur de pression réglable compatible avec l'éthanol. Le régulateur de pression (Paxton 800-1690) ajustable de 0 psi à 70 psi, 0 à 5 bar, permet de tester les effets de pression du circuit carburant sur le démarrage à froid.
Le régulateur de pression fixé à la rampe d'injection a été remplacé par un régulateur de pression réglable compatible avec l'éthanol. Le régulateur de pression (Paxton 800-1690) ajustable de 0 psi à 70 psi, 0 à 5 bar, permet de tester les effets de pression du circuit carburant sur le démarrage à froid.
A cause de la différence de débit massique requise entre E85 et essence, les injecteurs de stock ont été remplacés par des injecteurs MSD 2019 saturés 24 lbs / h (à 45 psi).
Ces injecteurs combinés à une pression de distribution de carburant accrue ont permis à l'ECU OEM de contrôler efficacement le débit de carburant.
En outre, tous les joints toriques sur les injecteurs et la rampe d'injection ont été remplacés par des joints toriques Viton-B.
Ces injecteurs combinés à une pression de distribution de carburant accrue ont permis à l'ECU OEM de contrôler efficacement le débit de carburant.
En outre, tous les joints toriques sur les injecteurs et la rampe d'injection ont été remplacés par des joints toriques Viton-B.
STRATÉGIE DE DÉMARRAGE FROID
Le défi le plus important relevé par l'équipe de l'UTEP de 1998 a été la stratégie de démarrage à froid.
L'éthanol ne s'enflamme pas facilement dans un moteur froid en raison de sa faible pression de vapeur et de sa chaleur élevée de vaporisation.
Pour ces raisons, l'équipe de l'UTEP s'est concentrée sur deux stratégies d'amélioration du démarrage à froid.
Les caractéristiques de démarrage à froid ont été améliorées en incorporant un système d'allumage par étincelles multiples à haute fréquence et un circuit de distribution de carburant à haute pression.
Le prototype d'allumage MSD (Multiple décharge d'étincelle), combiné à un circuit de distribution de carburant à haute pression a amélioré la limite d'inflammabilité pauvre de E85 pour fournir des caractéristiques de démarrage à froid supérieures.
L'éthanol ne s'enflamme pas facilement dans un moteur froid en raison de sa faible pression de vapeur et de sa chaleur élevée de vaporisation.
Pour ces raisons, l'équipe de l'UTEP s'est concentrée sur deux stratégies d'amélioration du démarrage à froid.
Les caractéristiques de démarrage à froid ont été améliorées en incorporant un système d'allumage par étincelles multiples à haute fréquence et un circuit de distribution de carburant à haute pression.
Le prototype d'allumage MSD (Multiple décharge d'étincelle), combiné à un circuit de distribution de carburant à haute pression a amélioré la limite d'inflammabilité pauvre de E85 pour fournir des caractéristiques de démarrage à froid supérieures.
Pour les essais, le véhicule a été placé dans une remorque réfrigérée. Les essais ont été effectués à diverses températures, en utilisant à la fois l'essence et le carburant de compétition E85, avec et sans le système d'allumage par étincelles multiples, et à diverses pressions de rampe d'injection. Ces tests ont permis d'optimiser la stratégie de démarrage à froid de l'UTEP.
Le système d'allumage à décharge par étincelle multiple (MSD) est capable de fournir des étincelles multiples à haute énergie et haute fréquence de 0,105 à 0,115 Joules par étincelle. Cette série d'étincelles augmente la probabilité d'enflammer le mélange inflammable dans la chambre de combustion, et il a été démontré qu'elle améliorait la limite d'inflammabilité pauvre avec l'essence.
La pression du rampe d'injection a été ajustée à l'aide du régulateur de pression entre la pression d'origine de 45 psi et la pression maximale de 70 psi.
Le temps de démarrage du véhicule d'origine à 20° F a été mesurée à 1,4 seconde.
Ainsi, comme le montre le Tableau 1, un circuit de distribution de carburant à haute pression, combiné avec le système d'allumage à étincelle multiple, fournit d'excellentes caractéristiques de démarrage à froid.
Une pression finale de la rampe d'injection de 60 psi a été choisie pour le véhicule. Cette pression était la pression minimale qui permettait un démarrage fiable et reproductible du moteur à 20 ° F.
Enfin, l'équipe a utilisé de l'huile synthétique à faible viscosité et une batterie à ampérage élevé pour améliorer le démarrage à froid.
Enfin, l'équipe a utilisé de l'huile synthétique à faible viscosité et une batterie à ampérage élevé pour améliorer le démarrage à froid.
CONTRÔLE MOTEUR
L'équipe UTEP prévoyait à l'origine d'utiliser un automate programmable MOTEC pour le contrôle du moteur. Cependant, après que le véhicule ait été converti en E85, il a été observé que le calculateur d'origine fournissait un contrôle moteur adéquat pendant le fonctionnement (tel que mesuré avec Tech-II Scan Tool et un test d'émissions FTP).
En conséquence, l'ECU / ECM "stock" a été conservé pour la conversion. Cette stratégie a maintenu la flexibilité du carburant et conduit à une conversion très rentable.
En conséquence, l'ECU / ECM "stock" a été conservé pour la conversion. Cette stratégie a maintenu la flexibilité du carburant et conduit à une conversion très rentable.
Pour conserver l'ECU stock , les injecteurs essence ont dû être remplacés par des injecteurs à plus haut débit adaptés à E85.
Les injecteurs OEM sont de type saturé et ont un débit massique statique d'environ 21 lbs / h. Pour déterminer un injecteur de carburant à débit massique approprié pour E85, l'analyse du tableau suivant a été effectuée.
Les injecteurs OEM sont de type saturé et ont un débit massique statique d'environ 21 lbs / h. Pour déterminer un injecteur de carburant à débit massique approprié pour E85, l'analyse du tableau suivant a été effectuée.
Ainsi, en première approximation, il semble qu'environ 44% de E85 supplémentaire soit requis pour la même puissance de freinage.
En utilisant cette valeur comme référence, l'équipe a identifié des injecteurs potentiels à remplacer. Les injecteurs disponibles sur le marché présentaient une sélection limitée de débits. Les deux tailles d'inecteurs disponibles qui pourraient simplement «se brancher» dans le rail de carburant existant étaient de 24 lb / h et de 38 lb / h (débit statique).
En conséquence, les injecteurs compatibles avec le MSD 2019 12v et l'éthanol de 24 lbs/ h ont été choisis pour les essais.
En conséquence, les injecteurs compatibles avec le MSD 2019 12v et l'éthanol de 24 lbs/ h ont été choisis pour les essais.
Puisque les injecteurs de carburant disponibles ont été spécifiés pour les conditions d'écoulement statique, l'équipe a conçu un banc d'essai d'injecteur de carburant à écoulement dynamique.
Cependant, avant que l'équipe ait fini le banc d'essai d'injecteur de carburant, il a été trouvé expérimentalement (en plaçant les injecteurs dans le véhicule) que l'ECU d'origine pouvait très efficacement contrôler le calage de l'injection de carburant.
Ainsi, ces injecteurs se sont comportés de manière satisfaisante et ont été utilisés dans la conversion finale.
Cependant, avant que l'équipe ait fini le banc d'essai d'injecteur de carburant, il a été trouvé expérimentalement (en plaçant les injecteurs dans le véhicule) que l'ECU d'origine pouvait très efficacement contrôler le calage de l'injection de carburant.
Ainsi, ces injecteurs se sont comportés de manière satisfaisante et ont été utilisés dans la conversion finale.
EMISSIONS POLLUANTES
Pour la réduction des émissions de gaz d'échappement, l'ECU stock a été associé avec un catalyseur spécifique pour l'éthanol et le catalyseur principal ainsi qu'un revêtement céramique du collecteur d'échappement jusqu'au catalyseur.
Le catalyseur de démarrage et le catalyseur principal ont été combinés dans un seul étui par Delphi.
Le collecteur d'échappement a été revêtu d'un matériau céramique pour réduire le temps requis de préchauffage (ou d'extinction) du catalyseur.
Le catalyseur de démarrage et le catalyseur principal ont été combinés dans un seul étui par Delphi.
Le collecteur d'échappement a été revêtu d'un matériau céramique pour réduire le temps requis de préchauffage (ou d'extinction) du catalyseur.
Des convertisseurs catalytiques spécifiques à l'éthanol ont été utilisés pour aider à réduire les émissions d'aldéhydes, et en particulier l'acétaldéhyde, caractéristique des carburants à base d'alcool.
Le catalyseur d'extinction au palladium occupait le premier tiers de la boîte tandis que le catalyseur principal occupait les deux tiers restants de la boîte. On a pris soin de minimiser le temps d'extinction (pour les émissions réduites d'éthanol à démarrage à froid) en plaçant le catalyseur dans l'emplacement de catalyseur courant (36 pouces du collecteur d'échappement) et en revêtant le collecteur d'échappement jusqu'au catalyseur.
Le catalyseur d'extinction au palladium occupait le premier tiers de la boîte tandis que le catalyseur principal occupait les deux tiers restants de la boîte. On a pris soin de minimiser le temps d'extinction (pour les émissions réduites d'éthanol à démarrage à froid) en plaçant le catalyseur dans l'emplacement de catalyseur courant (36 pouces du collecteur d'échappement) et en revêtant le collecteur d'échappement jusqu'au catalyseur.
Deux essais des émissions des procédures d'essai fédérales (FTP) ont été effectués avant la compétition afin de comparer les émissions des gaz d'échappement de référence de l'essence avec celles produites par la conversion E85.
Les résultats E85 représentent les émissions mesurées pour le véhicule converti avec l'ECU stock, le système de carburant compatible E85 et les injecteurs de carburant, et le catalyseur spécifique à l'éthanol. Cependant, ces résultats sont sans les améliorations de performance (à décrire dans la section suivante) et sans le revêtement céramique du collecteur d'échappement.
Les résultats E85 représentent les émissions mesurées pour le véhicule converti avec l'ECU stock, le système de carburant compatible E85 et les injecteurs de carburant, et le catalyseur spécifique à l'éthanol. Cependant, ces résultats sont sans les améliorations de performance (à décrire dans la section suivante) et sans le revêtement céramique du collecteur d'échappement.
Les résultats montrent que les émissions de E85 sont supérieures à celles de l'essence.
Cependant, une analyse plus détaillée des résultats montre qu'une fraction significative des émissions d'hydrocarbures se produisent dans la première partie du test..
Il a été observé que le véhicule avait besoin de 52 secondes pour fonctionner en boucle fermée.
Ainsi, afin de réduire le temps d'extinction du catalyseur et le temps de chauffage du capteur d'oxygène, les collecteurs d'échappement ont été revêtus d'un matériau céramique jusqu'au catalyseur. Cette modification devrait aider à réduire les émissions polluantes.
Cependant, une analyse plus détaillée des résultats montre qu'une fraction significative des émissions d'hydrocarbures se produisent dans la première partie du test..
Il a été observé que le véhicule avait besoin de 52 secondes pour fonctionner en boucle fermée.
Ainsi, afin de réduire le temps d'extinction du catalyseur et le temps de chauffage du capteur d'oxygène, les collecteurs d'échappement ont été revêtus d'un matériau céramique jusqu'au catalyseur. Cette modification devrait aider à réduire les émissions polluantes.
PERFORMANCE
L'éthanol a un indice d'octane plus élevé que l'essence, mais il induit une consommation plus importante.
Comme plus de carburant doit être utilisé pour fournir une puissance et un couple équivalents à ceux de l'essence, l'autonomie est réduite d'environ 30%.
Diverses modifications peuvent être apportées au moteur pour augmenter la puissance.
L'équipe de l'UTEP a envisagé d'augmenter le taux de compression, la suralimentation et de faire des modifications simples sur le système d'admission et d'échappement afin de minimiser les chutes de pression.
Comme plus de carburant doit être utilisé pour fournir une puissance et un couple équivalents à ceux de l'essence, l'autonomie est réduite d'environ 30%.
Diverses modifications peuvent être apportées au moteur pour augmenter la puissance.
L'équipe de l'UTEP a envisagé d'augmenter le taux de compression, la suralimentation et de faire des modifications simples sur le système d'admission et d'échappement afin de minimiser les chutes de pression.
L'équipe UTEP n'a pas augmenté le taux de compression pour que le véhicule garde la flexibilité du type de carburant, une bonne stratégie de marketing pour l'éthanol, mais pas nécessairement une bonne stratégie pour maximiser les performances.
De plus, l'équipe a éprouvé des contraintes financières et, en fin de compte, des contraintes de temps qui n'ont pas permis l'incorporation d'un compresseur de suralimentation.
Par conséquent, la seule modification visant à améliorer les performances du véhicule UTEP était une modification de l'admission du moteur.
De plus, l'équipe a éprouvé des contraintes financières et, en fin de compte, des contraintes de temps qui n'ont pas permis l'incorporation d'un compresseur de suralimentation.
Par conséquent, la seule modification visant à améliorer les performances du véhicule UTEP était une modification de l'admission du moteur.
Les experts de l'industrie ont informé l'équipe de l'UTEP que la puissance du moteur pouvait être augmentée d'environ 15 chevaux en polissant simplement les tubulures du collecteur d'admission. En outre, les experts de l'industrie ont également informé l'équipe que le côté échappement du moteur ne pouvait pas être amélioré de manière significative.
Malheureusement, les essais au ban du moteur ont été limités en raison d'un problème de ratés du moteur qui s'est produit sur le moteur V6 supplémentaire de 3,1 L fourni par GM.
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