Hoerbiger atteint la parité de puissance diesel avec le système H2

Matériel AdaptH2 (Photo : Hoerbiger)

En 2022, Diesel Progress International, alors connue sous le nom de Diesel Progress International, a fait état du développement en cours des injecteurs d'hydrogène chez Hörbiger . Bernhard Zemann, directeur de la division Moteurs de l'entreprise technologique mondiale, a déclaré que ces derniers étaient encore en cours de développement, mais qu'ils s'orientaient vers une production en série.

« C'est directement lié au marché », explique-t-il. « Les piles à combustible étaient censées arriver en premier sur le marché, mais cette technologie ne répond pas à la demande en matière de mobilité. Elles n'offrent pas la robustesse nécessaire à certains secteurs. C'est pourquoi nous continuons à développer des technologies liées aux moteurs à combustion interne à hydrogène ; lorsque le marché sera prêt pour cette technologie, nous le serons également. »

Alors que les travaux finaux sur la technologie de l'injecteur H2 seront bientôt terminés, Hoerbiger et Altronic (un membre du groupe Hoerbiger), en coopération avec Prometheus Applied Technologies, fournisseur de technologie de système de combustion d'hydrogène, font actuellement progresser le développement d'une solution pour l'allumage de l'hydrogène.

Bernhard Zemann (Photo : Hoerbiger)

La plupart des autres composants du moteur à combustion interne étant conservés, notamment les cylindres, le bloc moteur, etc., ce sont les injecteurs et le système d'allumage qui sont essentiels pour exploiter pleinement le potentiel de la combustion de l'hydrogène. Grâce au développement de ces unités, Hoerbiger s'appuie sur son expertise en matière de propulsion au gaz pour se positionner comme fournisseur spécialisé des composants clés, au-delà du joint de couvercle de soupape, assurant la combustion de l'hydrogène.

Zemann affirme que les systèmes d'injection et d'allumage d'hydrogène seront prêts à être commercialisés simultanément. « La combustion de l'hydrogène a toujours fait l'objet d'un débat quant à sa viabilité. Mais cette fois, nous savons qu'il s'agit d'une solution valable, capable de fournir puissance et décarbonation aux moteurs de poids lourds. »

Surmonter la perte de puissance

Dès le début du développement, il était évident qu'il serait impossible de convertir un ancien moteur diesel à l'hydrogène sans un injecteur dédié. Le même constat est désormais posé avec l'allumage H2, qui nécessite un système spécialement conçu pour initier et contrôler la combustion dans les limites très strictes du mélange ultra-pauvre.

Il y a deux ans, la question était de savoir quelle était la configuration minimale requise pour convertir un moteur diesel à l'hydrogène, et la réponse était toujours l'injecteur. C'était le seul changement ; en principe, tout le reste pouvait être conservé », explique Zemann.

Mais s'il était possible de conserver ces composants spécifiques au diesel, Zemann explique que l'utilisation de l'hydrogène dans une telle configuration entraînait une perte de 20 à 30 % de densité de puissance et de rendement. « C'était une perte acceptée », regrette-t-il. C'est à ce moment-là que les ingénieurs de Hoerbiger ont commencé à étudier des modifications spécifiques au mode d'allumage de l'hydrogène, dans le but d'atteindre la même puissance et le même rendement que le diesel.

« Nous avons constaté que la stratégie du système de combustion a un impact plus important sur la puissance de sortie que la fourniture d'un mélange air/carburant entièrement homogène provenant de l'injecteur », explique Zemann.

Pour atteindre cette parité de puissance diesel/hydrogène, les ingénieurs se sont penchés sur une technologie brevetée de moteur à carburant gazeux. Développé en 2022, ce procédé utilise un modèle d'allumage prédictif et contrôlé de la préchambre de combustion.

Efficacité du moteur grâce à la technologie de combustion Prometheus (Photo : Hoerbiger)

Zemann décrit cette technologie de combustion comme un atout pour les moteurs fonctionnant au gaz naturel. Mais avec l'hydrogène, ce n'est pas seulement un atout : elle devient essentielle pour optimiser la consommation de carburant et la puissance produite.

« C'est ainsi que l'on récupère ces 20 à 30 % de densité de puissance et de rendement », ajoute-t-il. « Et c'est ainsi que l'on obtient des performances comparables à celles d'un diesel à partir d'un moteur à combustion à hydrogène. »

L'allumage est la clé

La maîtrise des variations du point de départ de la combustion à chaque cycle est essentielle pour maîtriser la stabilité et ainsi atteindre la performance requise pour une puissance et un rendement équivalents. En effet, l'énergie du combustible n'est pas constante tout au long de la combustion ; c'est l'étincelle qui détermine les performances ; c'est cette énergie qui doit être adaptée pour atteindre le point de combustion souhaité.

En temps réel, cela se traduit par un réajustement de l'énergie d'étincelle en 100 microsecondes, soit 100 millionièmes de seconde. Cet ajustement compense le point d'initiation de l'étincelle sur l'électrode, afin de maintenir le même point de combustion à chaque cycle.

« La mesure vérifie si l'étincelle se trouve sur le bord d'attaque ou le bord de fuite de l'électrode, par rapport au sens du flux », explique Zemann. « Un microprocesseur détermine ensuite la quantité d'énergie d'étincelle nécessaire pour obtenir le démarrage de la combustion souhaité, tout en évitant les points chauds sur l'électrode, responsables d'instabilités de combustion et d'une réduction de la durée de vie de la bougie. »

Tout cela fait une différence substantielle dans les moteurs à essence, mais pas autant que dans les moteurs à hydrogène. Une différence d'un millimètre dans le temps de parcours du noyau d'allumage crée un scénario de combustion complètement différent.

Si l'étincelle se produit sur le bord de fuite, celui-ci est plus proche du mélange air/carburant et nécessite donc moins d'énergie. À l'inverse, si l'étincelle se produit sur le bord d'attaque, celui-ci est plus éloigné et nécessite plus d'énergie pour atteindre le point de départ de la combustion.

Cette nivellement de la séquence des événements de combustion permet d'éviter les ratés d'allumage, les cognements, etc., mais empêche également l'accumulation de chaleur dans des zones spécifiques de la chambre de combustion, un autre problème car cela peut entraîner une combustion prématurée, des pertes d'efficacité et une réduction de la puissance de sortie.

En utilisant une combinaison optimisée d'injection d'hydrogène, de contrôle adaptatif des étincelles basé sur la CFD avancée du processus de combustion et de conception des bougies d'allumage, les instabilités de combustion associées à l'hydrogène peuvent être éliminées et des densités de puissance plus élevées peuvent être obtenues.

Sans exagérer, Zemann commente : « Il faut un mélange air/carburant idéal à l'injecteur, mais en combinant cela avec ce procédé, on compense la perte de puissance de 25 % des moteurs à hydrogène précédents due aux ratés d'allumage, tout en éliminant le cliquetis. Le résultat est époustouflant, c'est une révolution ! »

Vortex dynamique d'écoulement

Bien que la gestion de l’énergie de l’étincelle soit essentielle pour obtenir ces performances de type diesel à partir d’un moteur à combustion interne à hydrogène, d’autres caractéristiques jouent un rôle important.

Diagramme du mélange de carburant dans un vortex toroïdal (Photo : Hoerbiger)

L'un d'eux est la formation d'un vortex toroïdal. Cette forme en anneau, semblable à celle d'un anneau de plasma dans le tokomak d'un réacteur à fusion, favorise une combustion rapide et complète du mélange air/combustible ultra-pauvre. Une combustion complète signifie qu'aucun résidu de combustible ne viendra déséquilibrer le mélange lors de l'injection suivante.

« C'est pourquoi nous avons opté pour une architecture d'injection par port », explique Zemann. « Le système de port assure un angle de diffusion correct et donc la dynamique d'écoulement. Ce n'est pas une question d'énergie supplémentaire, c'est la dynamique d'écoulement qui compte. »

Pour ce faire, un déflecteur métallique miniature est placé devant les soupapes d'admission. Il contribue à orienter le mélange air/carburant et à créer un vortex stable, réduisant ainsi les variations d'un cycle à l'autre. D'ici la commercialisation du nouveau bloc d'allumage, ce déflecteur sera intégré au corps du système.

Le nouveau système d'allumage en cours de développement chez Hoerbiger semble avoir surmonté d'importants problèmes liés à l'utilisation de l'hydrogène comme carburant pour les moteurs à combustion interne. De plus, contrairement aux piles à combustible qui nécessitent de l'hydrogène ultra-pur, pratiquement n'importe quel gaz hydrogène peut être utilisé. Grâce aux avantages supplémentaires de la décarbonation, ces technologies rendront l'hydrogène plus attractif sur le marché, lorsque celui-ci sera prêt.