Les défis du moteur à combustion à hydrogène (1/3)

Les défis du moteur à combustion à hydrogène (1/3)

24H du Mans



Les défis du moteur à combustion à hydrogène (1/3)

(RacingNews.fr) – Les technologies ont besoin du bon environnement pour fonctionner. Qu’il s’agisse de la propulsion électrique par batterie, qui a mis 120 ans avant que les batteries aient une capacité suffisante pour être utilisées efficacement pour la première fois dans les véhicules. L’ordinateur a mis plusieurs décennies à devenir convivial pour les bureaux. Pour la technologie de l’hydrogène, c’est encore plus extrême.

Moteur à combustion d’hydrogène d’AVL : sans émissions, mais avec des défis à relever
Zoom

En fait, le moteur à hydrogène a déjà plus de 200 ans. Le premier moteur à explosion de l’histoire, développé par Isaac de Rivaz entre 1804 et 1807, utilisait au moins partiellement de l’hydrogène comme moteur. Il a également permis à un véhicule motorisé d’atteindre une vitesse de trois km/h. L’hydrogène a été utilisé pour la première fois en 1960.

Le moteur à explosion, qui a donné naissance au moteur à combustion interne, a lui aussi mis près d’un siècle avant que la première véritable automobile ne soit inventée. Et la voiture à moteur brevetée Benz numéro 1 aura déjà plus de 140 ans lorsque la catégorie hydrogène fera ses débuts aux 24 heures du Mans en 2027.

L’enjeu est de taille, car il s’agit de l’avenir à long terme du sport automobile avec son – et d’une technologie de propulsion durable qui n’implique aucune dépendance vis-à-vis de la Russie et de la Chine.

Mais pourquoi déballer une technologie qui a en fait déjà échoué une fois ? Dans les années 2000, BMW avait déjà lancé un essai à grande échelle sur le terrain avec l’Hydrogen 7. Le concept ne s’est pas imposé. Mais ce n’était peut-être tout simplement pas le bon moment.

Entre-temps, il existe de nombreux projets pour un moteur à combustion H2 sans émissions. Que ce soit l’alliance japonaise (HySE) menée par Toyota lors du Rallye Dakar, ou des projets en endurance sur circuit. Bosch a les yeux rivés sur les constructeurs automobiles avec sa solution en coopération avec Ligier, tout comme AVL Racetech avec son moteur à quatre cylindres.

Photos : Démonstrateur H2 de Bosch

RacingNews.fr s’est entretenu avec Bosch et AVL sur les défis du moteur à combustion à hydrogène.

La diva de l’hydrogène : chaude et sauvage

Le plus simple des éléments a une mèche extrêmement courte. L’hydrogène brûle rapidement et sauvagement, bien plus vite que l’essence. Certes, cette combustion rapide permet en principe d’obtenir une puissance plus élevée.

Lionel Martin, directeur commercial de Bosch Engineering GmbH, explique : « Il n’y a pas de combustible qui brûle mieux. On peut théoriquement aller jusqu’à un mélange de 10:1. Nous sommes plus efficaces qu’un moteur à essence et au moins aussi efficaces qu’un moteur diesel ».

Mais cela s’accompagne d’un revers de la médaille, comme l’explique Paul Kapus, responsable du développement des moteurs à allumage commandé chez AVL : « Tout cela a deux côtés. Bien sûr, une combustion rapide est en principe très bonne, mais il y a malheureusement un mais à cela ».

Paul Kapus a développé avec AVL un brûleur H2 avec un rendement record en litres Zoom

« Mais cela signifie que l’hydrogène brûle beaucoup plus près de la paroi que l’essence. La zone où la flamme s’éteint au bord de la chambre de combustion est donc beaucoup, beaucoup plus mince pour l’hydrogène ».
Les moteurs à combustion n’utilisent jamais la totalité de la chambre de combustion. Selon le carburant utilisé, il reste une fine couche dans laquelle la flamme s’éteint. Dans le cas de l’hydrogène, cette couche, d’environ 0,5 à 1 millimètre, est environ trois fois plus fine que dans le cas de l’essence.

« Cela a pour conséquence que les transferts de chaleur par les parois sont nettement plus élevés qu’avec l’essence, et donc aussi les pertes de chaleur par les parois. Et cela a aussi pour conséquence que les composants qui chauffent deviennent encore beaucoup plus chauds qu’avec l’essence ».

Le risque de pré-inflammation

Le deuxième problème est la forte propension à l’allumage de l’hydrogène. « Le sujet principal des moteurs à hydrogène est la pré-allumage [Vorentflammung] », explique Kapus. « L’hydrogène a des limites d’inflammation très larges et ne nécessite qu’une très faible énergie d’allumage. Il explose sur n’importe quel composant chaud » !

C’est précisément là que réside l’une des raisons des maigres performances en litres des moteurs à hydrogène jusqu’à présent. Il a fallu procéder avec beaucoup de prudence pour éviter que l’hydrogène ne s’enflamme accidentellement sur des composants chauds comme la bougie d’allumage – ou sur d’autres pièces qui dépassent dans la chambre de combustion.

« Et puis, il faut aussi s’intéresser à des sujets comme les systèmes d’allumage », poursuit Kapus. « Il faut des bobines d’allumage sans charge résiduelle pour éviter les allumages intempestifs au niveau de la bougie. Et il faut aussi s’intéresser de près à la bougie d’allumage elle-même. Pratiquement tout ce que l’on peut acheter est trop chaud. Nous avons modifié certaines choses ».

Il ne faut pas confondre pré-inflammation et cliquetis : « En fait, l’hydrogène en soi a même une relativement bonne résistance au cliquetis ! Le dégagement de chaleur lors du cliquetis a lieu après l’allumage, lors de la pré-inflammation avant. Et l’hydrogène explose très volontiers avant le moment de l’allumage ».

Échantillon sonore du démonstrateur H2 de Bosch

Le démonstrateur H2 de Bosch, basé sur la Ligier-JS2-R et équipé d’un moteur à combustion d’hydrogène, montre sa puissance – et sa sonorité.

C’est la raison pour laquelle un soi-disant « modérateur de combustion » doit être utilisé avec l’hydrogène. Dans le cas de l’hydrogène, ce modérateur est généralement de l’air. Cela signifie alors un fonctionnement en régime pauvre.

En cas de fonctionnement stœchiométrique, il peut s’agir de gaz résiduel (recyclage des gaz d’échappement) ou d’eau (injection d’eau). Ce modérateur de combustion entraîne une combustion un peu plus lente et des températures nettement plus basses.

En cas de fonctionnement en mélange pauvre, il y a le problème du besoin élevé de pression de suralimentation – ou alors on vit avec une faible puissance au litre, comme dans les essais précédents. En fonctionnement stœchiométrique, on peut obtenir des performances au litre nettement plus élevées – les plus élevées en utilisant l’injection d’eau.

Bien entendu, un réservoir d’eau supplémentaire est extrêmement contre-productif dans une voiture de course où la légèreté est de mise. Mais en théorie, une réutilisation est possible : « Avec l’hydrogène, on a le bel avantage de pouvoir condenser l’eau du pot d’échappement. Mathématiquement, ce serait possible ». Il suffirait, comme pour le turbo, d’un refroidisseur ou d’un condensateur intercalé dans une partie du tuyau d’échappement.

Dans la deuxième partie, nous nous pencherons sur la faible densité de l’hydrogène et sur les dernières émissions sur lesquelles il faut encore travailler.

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