Natural Gas - an Environmentally Friendly Fuel for Urban Vehicles: the Smart Demonstrator Approach

Le gaz naturel, un carburant adapté pour les véhicules urbains : cas du démonstrateur Smart

¹ IFP-Lyon
² Institut français du pétrole

Corresponding author: richard.tilagone@ifp.fr

Abstract

The reduction of greenhouse gases emissions remains one of the most important challenges stakes for the next decades involving all energy consumers and especially the industrial actors, although the need to make better use of energy is not appreciated to the same extent by all industrial countries. For the automotive sector, the European car manufacturers' commitment (reduction of the average fuel consumption for new vehicles to 140 grams of CO₂ produced per kilometer by 2008) appears to be a valuable contribution towards meeting the recommendations of the European Commission. A sharp CO₂ emission reduction requires efforts both to reduce vehicle's fuel consumption, and to widen the use of fuel with advantageous molecular hydrogen to carbon (H/C) ratio. Alongside vehicle's optimization itself, improving engine efficiency remains the main target. Reduction of engine displacement volume (commonly named downsizing) is an efficient way to achieve this target. Due to its interesting chemical properties, Natural Gas can be used to achieve low carbon dioxide levels (H/C ratio close to 4), while at the same time maintaining high thermal efficiency through dedicated engine development. The main objective of this project is to confirm (with a dedicated demonstrator vehicle) the high efficiency of CNG fuel when used in urban conditions. The target is to achieve low CO₂ emissions with a maximum level of 90 g/km on the MVEG driving cycle, while keeping pollutant emissions below EURO IV level. The first step was dedicated to CNG specific engine parts design (pistons, connecting rod, crankshaft, etc.) in order to optimize CNG configuration. During the following steps, the engine has been optimized on a test bench. Valve timing and turbocharger selection have been optimized in order to obtain the best trade-off in terms of power, consumption and pollutants. The final step has been spent to calibrate the engine, firstly on the test bench and secondly on the vehicle. This work allows coping with EURO IV emissions level with optimized catalyst light-off, transient running conditions, driveability, etc.

Résumé

La réduction des gaz à effet de serre est un objectif important qui concerne l'ensemble des consommateurs dont notamment le secteur industriel. En ce qui concerne l'automobile, l'engagement pris par les constructeurs européens (diminution des émissions de CO₂ émis par le parc commercialisé à 140 g/km sur cycle normalisé d'ici 2008) répond aux recommandations de la Commission européenne en la matière. La réduction sensible du CO₂ émis par les automobiles nécessite une réduction de la consommation globale de carburant. L'utilisation de carburants avantageux sur le plan du rapport H/C est également une voie efficace. Une solution technologique pertinente pour la réduction de la consommation spécifique des moteurs consiste à en réduire la cylindrée, approche communément appelée « downsizing » ou « éco-suralimentation ». Compte tenu de ses propriétés physico-chimiques, le gaz naturel est un carburant parfaitement adapté pour réduire ces émissions de CO₂ ; il présente en effet un rapport H/C élevé (proche de 4) permettant un gain de l'ordre de 23 %, et des réglages de la combustion à très haut rendement (indice d'octane proche de 130). L'objectif majeur de ce projet a été de démontrer l'intérêt du gaz naturel en tant que carburant vis-à-vis de la réduction des émissions de CO₂. La première étape a consisté à optimiser le moteur pour un fonctionnement dédié (pistons pour un rapport volumétrique de compression augmenté, bielles renforcées, vilebrequin, etc.), puis la combustion a été optimisée grâce à des essais au banc moteur où les cartographies de base ont été réalisées. La suralimentation par turbocompresseur et le calage de distribution ont été particulièrement travaillés pour maintenir des performances en puissance comparable au moteur essence. L'optimisation s'est poursuivie sur le véhicule dont les derniers résultats obtenus confirment le faible niveau de CO₂, 90 g CO₂/km ce qui représente une diminution de 27 % par rapport à l'essence, le respect des normes EURO IV et un agrément de conduite conforme aux attentes client.