Les moteurs à hydrogène à injection directe peuvent-il remplacer les moteurs turbo-diesel ?

by STS Sensors on mars 25, 2019
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Hydrogen engines pressure measurement

Jadis emblématique, le moteur Diesel est aujourd’hui tombé en disgrâce et semble être parvenu au terme de son histoire. Même les grandes villes comme Paris, qui auparavant incitaient l’utilisation du diesel, demandent aux constructeurs l’arrêt de la production des moteurs Diesel d’ici à l’horizon 2025. Bien que cet échéancier semble peu probable, cela témoigne des préoccupations grandissantes des nations face aux problèmes de réchauffement climatique et de pollution atmosphérique.

Pour répondre aux réglementations de plus en plus strictes en matière d'émissions, les constructeurs étudient de nouvelles formes de propulsion, souvent inédites : du tout électrique à l’hybride, en passant par les piles à combustible à l'hydrogène ; toutes les solutions sont envisagées.

Les technologies à l’hydrogène suscitent tout particulièrement l’intérêt des chercheurs du monde entier. L’hydrogène est considéré comme un carburant propre qui pourrait bien alimenter les transports de demain.

La principale différence entre l'hydrogène et les hydrocarbures classiques réside dans la grande capacité stœchiométrique de l'hydrogène, allant de 4 à 75 % en volume d'hydrogène dans l'air. Dans des conditions idéales, la vitesse de combustion de l'hydrogène peut atteindre quelques centaines de mètres par seconde. Ces caractéristiques le rendent très efficace lors de la combustion de mélanges pauvres à faibles émissions de NOx.

Quarante ans d'injection à hydrogène

L'injection à hydrogène existe depuis les années 1970 et consiste à injecter de l'hydrogène dans un moteur à combustion interne modifié. Cela permet d’obtenir une combustion plus propre, avec plus de puissance et moins d’émissions.

Les anciens systèmes à basse pression, qui sont encore utilisés de nos jours, injectaient l'hydrogène dans l'air avant de l’introduire dans la chambre de combustion. Mais étant donné que l'hydrogène brûle 10 fois plus vite que le diesel, plusieurs problèmes ont été rencontrés pour augmenter le taux de combustion. Voici les principaux problèmes :

  • Retours de gaz dans le collecteur.
  • Préallumage et/ou auto-inflammation.

Le meilleur moyen de surmonter ces problèmes consiste à installer un système d’injection directe à haute pression qui assure l’injection de carburant dans la course de compression.

L'optimisation du processus de combustion grâce à des mesures précises de la pression

Pour ce faire, la caractérisation de l'injection doit être fidèle aux besoins du moteur. Cela ne peut être accompli qu'en collectant les données de test concernant la température (collecteur, gaz d'échappement et liquide de refroidissement), la pression (cylindres/suralimentation, conduite de carburant et injecteurs), les turbulences dans le collecteur et la chambre de combustion, et la composition du gaz.

La formation du mélange, l'allumage et le processus de combustion, sont généralement étudiés à travers deux séries de tests. Le but du premier test est d’obtenir des informations sur la concentration et la distribution transitoires de l’hydrogène au cours du processus d’injection.

Au cours de ce test, une fluorescence induite par laser est utilisée comme technique de mesure principale pour étudier le comportement de l'hydrogène sous compression et à l'allumage. En utilisant une chambre de combustion à volume constant ayant les mêmes dimensions que le moteur Diesel (ce qui implique que le volume dans la chambre de combustion à volume constant est égal au volume dans le cylindre au point mort haut), de l'hydrogène sous pression est injecté dans l'air à travers une soupape à pointeau à commande hydraulique.

En utilisant des capteurs de pression de haute qualité, il est possible d'étudier l'effet de différentes pressions d'injection sur le processus de combustion. L’observation du comportement et du volume des gaz non brûlés permet de réduire considérablement le temps nécessaire pour optimiser le sens et la pression d'injection de différentes buses d'injecteurs.

Et en utilisant un logiciel spécifique, il est possible de déterminer le délai d'allumage, qui dépend de la température et de la concentration d'hydrogène dans l'air à une pression donnée. Il est important que les lectures de pression soient enregistrées avec précision, dans une plage de pressions allant de 10 à 30 MPa.

En outre, cette méthode permet de définir les zones dans lesquelles les jets d’injection provoquent des conditions d’auto-inflammation, ce qui est utile à la mise au point de systèmes d’injection optimisés pour la conversion d’un moteur Diesel vers l’hydrogène.

Lors de récents essais menés par un grand constructeur automobile, la version optimisée d’un moteur à injection d'hydrogène haute pression a montré une augmentation prometteuse de la puissance, une réduction de la consommation de carburant, et un taux de rendement de 42 %. Ces valeurs correspondent à celles des meilleurs moteurs turbo-diesel.

Sur la base de ces résultats, il semble que les travaux d'optimisation de la pression des systèmes à 30 MPa seraient susceptibles d’offrir une source d'énergie propre pour les transports de demain.

 

Topics: Transmetteurs de Pression, Automobile, Mesure de Pression, Détecteur de Pression, Pile à Combustible, Moteur Hydrogène

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