Les défis du moteur à combustion à hydrogène (2/3)

Les défis du moteur à combustion à hydrogène (2/3)

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Les défis du moteur à combustion à hydrogène (2/3)

(RacingNews.fr) – La combustion d’hydrogène dans le moteur à combustion H2 n’est pas complètement propre. Contrairement à certaines idées reçues, les déchets produits ne sont pas uniquement de l’eau. En effet, l’air avec lequel le mélange est brûlé contient également de l’azote. Et celui-ci réagit également avec l’oxygène disponible dans la chambre de combustion pour former des oxydes d’azote. (Partie 1 : H2, la diva sauvage)

Un des projets actuels sur l’hydrogène : Le démonstrateur H2 de Bosch
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Il faut donc, comme pour le moteur à combustion traditionnel, un système de dépollution des gaz d’échappement. La bonne nouvelle : le traitement ultérieur est plus simple que pour l’essence traditionnelle. En effet, contrairement à l’essence ou au diesel, il n’est guère nécessaire d’éliminer les hydrocarbures imbrûlés des gaz d’échappement, car ils ne sont pas du tout présents dans le mélange de carburant.

En mode pauvre, il faut un traitement des gaz d’échappement pauvre pour les oxydes d’azote, comme pour le moteur diesel. Dans le concept stœchiométrique, au lieu d’un catalyseur à trois voies comme dans le moteur à essence, le moteur à hydrogène n’a besoin que d’un catalyseur à une voie.

« C’est possible. Avec un catalyseur conventionnel comme pour le moteur à essence, on peut réduire les émissions d’oxyde d’azote presque à zéro, comme pour le moteur à essence », explique Paul Kapus, responsable du développement des moteurs à essence chez AVL, à RacingNews.fr.

Il rapporte fièrement que le moteur AVL a fonctionné en mode stœchiométrique, c’est-à-dire avec une valeur lambda de 1, et non en mode pauvre comme les moteurs à hydrogène précédents, qui évitaient le problème de la pré-inflammation grâce à un excédent d’air élevé. Mais de ce fait, leur puissance au litre était également assez faible.

Le rapport stœchiométrique de la combustion d’hydrogène est de 34,3:1. Il faut donc 34,4 kilogrammes d’air pour produire un kilogramme d’hydrogène. C’est nettement plus que ce qu’il faut pour obtenir 1k kilogramme d’essence (environ 14,5 kilogrammes d’air par kilogramme d’essence).

Un autre défi est que, contrairement à l’essence, l’hydrogène ne lubrifie pas. Cela entraîne une usure accrue des injecteurs, des soupapes et des bagues de siège de soupape.

Échantillon sonore du démonstrateur Bosch H2

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.

Lionel Martin, directeur commercial de Bosch Engineering GmbH, explique à RacingNews.fr: « L’hydrogène est sec. Il n’y a donc pas de lubrification dans l’injecteur. Nous avons travaillé plusieurs années sur la manière de créer une grande robustesse sans lubrification externe. Ce n’est pas tenable avec des composants standard ».

Les gicleurs d’huile injectent l’huile par le bas contre le piston, comme dans tout moteur haute performance. En effet, les parois du cylindre doivent également être lubrifiées. Mais ce faisant, des quantités minimes d’huile moteur peuvent bien sûr s’échapper dans les gaz d’échappement.

Martin est optimiste à ce sujet : « L’huile dans le moteur est la dernière source d’émissions, ce sont quelques parties par million (ppm) de HC, de CO et de particules. Mais c’est extrêmement faible. Les compagnies pétrolières travaillent à éliminer cela aussi ».

Il n’a pas toute sa tête

Le plus grand défi est toutefois l’injection du carburant. « L’injection est la chose la plus difficile qui soit, car l’hydrogène a une densité si faible », explique Martin. C’est pourquoi les moteurs à hydrogène ont eu pendant longtemps un rendement au litre extrêmement modéré.

Mais cette époque est révolue une fois pour toutes. Bosch contourne le problème avec un mélange d’injection à tube d’aspiration et d’injection directe et de suralimentation par turbocompresseur. AVL Racetech mise même sur l’injection directe complète.

Les deux parties ont développé ou fait développer des injecteurs spéciaux qui permettent d’atteindre des niveaux de pression d’injection inattendus. AVL se targue même d’avoir établi un nouveau record d’hydrogène avec 150 kilowatts (204 ch) par litre de cylindrée.

Le moteur à combustion d’hydrogène d’AVL fonctionne uniquement avec l’injection directe Zoom

Comme nous l’avons expliqué dans la première partie, la chambre de combustion chaude constituait déjà une limite à la capacité en litres des précédents moteurs à hydrogène, comme la BMW Hydrogen 7. Kapus explique d’autres raisons : « Il s’agissait de [bei BMW] des moteurs à aspiration naturelle. Et quand on injecte un carburant gazeux dans le collecteur d’admission d’un moteur à aspiration libre, il lui manque pas mal d’air. C’était l’un des points délicats ».

Cela signifie que, d’une part, le moteur BMW manquait déjà naturellement d’air et qu’il devait ensuite fonctionner avec un fort excédent d’air en raison de la forte propension de l’hydrogène à s’auto-allumer.

Un excédent d’air nécessaire lorsque le moteur manque d’air – il est évident qu’il ne pouvait pas en sortir beaucoup de puissance. Il ne restait plus qu’une quantité modérée de mélange d’hydrogène et d’air qui parvenait à la chambre de combustion.

Les injecteurs, un domaine de développement central

Dans les deux cas, tant chez Bosch que chez AVL, le moteur ne fait pas appel à des matériaux exotiques, mais se base sur un groupe de série. Toutefois, les deux parties sont d’accord : en ce qui concerne les injecteurs, le développement n’est pas encore terminé. Pas avant longtemps. Et c’est une bonne nouvelle pour le sport automobile.

En effet, les injecteurs sont actuellement le goulot d’étranglement qui empêche d’augmenter encore la puissance au litre. C’est une conséquence directe de la faible densité de l’hydrogène.

« Il faut des injecteurs avec un débit grand comme des portes de grange ».
Paul Kapus (AVL)

Paul Kapus décrit cela de manière imagée : « Il faut des injecteurs dont le débit est grand comme des portes de grange. Ce sont des soupapes à ouverture extérieure. Et les débits dont nous avions déjà besoin n’existent pas. Les injecteurs que nous avions étaient déjà des fabrications spéciales. Et maintenant, si on veut aller encore plus haut, il faut des fabrications spéciales ».

« C’est certainement l’un des maillons les plus faibles de la chaîne. Il faut certainement s’en occuper encore un peu. Il faut encore faire un ou deux tours pour améliorer le régime et la puissance. Mais comme je l’ai dit, il y aura certainement d’autres étapes de développement ».

Et entre-temps, la puissance au litre a de toute façon atteint un niveau compétitif. Avec la puissance au litre de 150 kilowatts (204 ch) atteinte par AVL, la Porsche 963 équipée d’un moteur V8 de 4,6 litres fournirait déjà une puissance de près de 1.000 ch avec de l’hydrogène. On ne peut donc plus parler de problème à proprement parler.

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