L'innovation des moteurs à hydrogène est sur la bonne voie
Faire fonctionner un moteurs diesel avec un gaz : un défi d’ingénierie
L'initiative vise à adapter un moteur diesel traditionnel pour la combustion d'hydrogène. NPS Driven dirige ce projet qui fait partie du projet européen GTD-H. La création d’un rapport optimal entre l'oxygène et le carburant nécessite de profond changements dans les technologies utilisées. Le principe de l'injection et des injecteurs diesel, qui crée une forte pression dans la chambre de combustion par compression, est bien connue des automobilistes et des mécaniciens automobiles. Les soupapes du moteur fonctionnent comme d'habitude pour aspirer de l'air en s'ouvrant et en se fermant.Le principal changement réside dans la création d’une étincelle qui, suite à l'introduction du carburant, initie la combustion du carburant.
InjDurationCyl1
Figure 1:
Durée d'injection d'un moteur à combustion à hydrogène pendant trois étapes de charge transitoires. En raison de la faible densité de l'hydrogène, un plus grand volume de carburant doit être injecté. Cela nécessite une fenêtre d'injection plus longue.
Le bon dosage d'hydrogène doit être administré sous forme gazeuse pour qu'il brûle dans un moteur. L'informatique est essentielle pour la précision requise. En se basant sur les technologies utilisées dans les moteurs à gaz, cela rend l'hydrogène est un des meilleurs candidat pour la prochaine avancée. Cepdendant, techniquement parlant, la transition du GNC à l'hydrogène n'est pas simple car les deux carburants ont des caractéristiques de combustion différentes et présentent des difficultés uniques.
SparkMap:
Figure 2:
Mapping des étincelles d'un moteur à combustion à hydrogène. Le graphique représente l'angle de vilebrequin, où le mélange hydrogène/air est enflammé. L'angle dépend du régime moteur et du débit de carburant.
L'expérience GPL et GNC comme base pour l'hydrogène
NPS Driven, Lumipol et TNO travaillent depuis longtemps à réduire les émissions de gaz de combustion. Lors d’un précédent projet, l’équipe de NPS Driven ont déjà travaillé sur l'utilisation du GPL et du GNC comme carburant pour les moteurs diesel. Ce projet réussi a non seulement débouché sur des idées, mais également sur divers brevets qui vont largement aider au développement d'un moteur à combustion à hydrogène. Les expériences d'injection de ce nouveau combustible menées à l'époque ont donné de bons résultats. Cependant, la direction vers l’utilisation de ce carburant n’était pas encore prise et la disponibilité était incertaine. Par conséquent, les expériences et les connaissances de cette époque donnent à NPS Driven une longueur d'avance à TNO. Bien que les moteurs à essence et diesel restent un système efficace, l'hydrogène réduira fortement les émissions des combustibles fossiles dans un futur que nous espérons rendre proche.
Étapes essentielles vers le succés
Rendre un moteur diesel adapté à l'hydrogène nécessite plus d'espace dans la chambre de combustion. Pour cela, expérimentalement, nous réduisons le taux de compression en réduisant la taille du piston. La forme du piston est également optimisée pour la combustion de l'hydrogène. Pour permettre d’adapter le moteur au système d’allumage, nous devons modifier le cache-culbuteur, ajouter des bobines d'allumage et ajouter une rampe de carburant Le produit final sera un kit de conversion prêt à l'emploi. L'hydrogène présente plusieurs avantages par rapport au GPL et au GNC. L'hydrogène a une large plage d'inflammabilité, ce qui signifie que le moteur peut fonctionner très pauvre ou très riche, ce qui peut être le cas au démarrage du moteur, par exemple.
L'hydrogène présente plusieurs avantages par rapport au GPL et au GNC. L'hydrogène a une large plage d'inflammabilité, ce qui signifie que le moteur peut fonctionner très pauvre ou très riche, ce qui peut être le cas au démarrage du moteur, par exemple. L'hydrogène permet d’ajuster très finement le carburant-air et d’atteindre le point de fonctionnement optimal. D'autres avantages sont:
- Haut Vitesse de flamme: cela permet aux moteurs à hydrogène de se rapprocher du cycle moteur thermodynamiquement idéal et donc de fonctionner plus efficacement.
- Haute diffusivité ce qui signifie que sa capacité à se disperser dans l'air est bien supérieure à celle de l'essence ou du diesel. Cela provoque un mélange de air/carburant plus homogène et donc meilleur. Cette haute diffusivité participe à la sécurité car le carburant se disperse rapidement en cas de fuite.
Lambda_AF:
Figure 3:
Rapport air/carburant d'un moteur à combustion à hydrogène pendant deux paliers de charge transitoires. Le rapport air/carburant stœchiométrique est de 34. En raison des larges limites d'inflammabilité (4% - 74%), il est possible de faire tourner le moteur très pauvre ou très riche.
Malgré tous ces avantages, la courbe énergétique de l'hydrogène diffère sensiblement de celle des énergies fossiles. Le système est opérationnel dans les environnements de test. On connaît les forces qu'il faut ajuster ainsi que celles libérées lorsque l'hydrogène s'enflamme.
Hydrogène en réservoir ou production à la demande
NPS Driven et TNO testent des moteurs avec de l'hydrogène pur Il doit être stocké sous haute pression, ce qui nécessite de prendre toutes les mesures de sécurité adéquates. Il n'est pas souhaitable que chaque client se déplace avec un tel carburant. NPS Driven a impliqué DENS dans ce projet pour travailler sur le stockage avec des spécifications moins exigeantes. Le programme de développement fonctionne en deux phases. Tout d'abord, l'hydrogène, produit à partir de l'énergie solaire ou éolienne, est transformé en acide méthanoïque, plus connu sous le nom d'acide formique ( CH2O2 ). Il peut être stocké et transporté sous forme liquide à des températures normales, ce qui est beaucoup plus facile que de travailler avec de l'hydrogène. Puis, à destination, un générateur reconvertit ce composé en hydrogène par un processus chimique. Pour les applications dans les moteurs, cet acide peut être directement stocké en réservoir, et la puissance souhaitée du moteur détermine la quantité d'hydrogène qui doit être produite immédiatement et localement. Ensuite, le gaz carbonique précédemment ajouté est réémis sous forme gazeuse. DENS et NPS Driven parlent néanmoins de système neutre en émission car le CO2 rejeté est égal au CO2 précédemment absorbé pour la production de l’acide formique.
De la même manière, l'hydrogène de DENS est également destiné à des piles à combustible électriques spécifiques en combinaison avec un pack de batteries.
Introduction du moteur H2 en 2024
Les premiers moteurs à combustion interne à hydrogène tournent en laboratoire en remplacement du moteur diesel pour les groupes électrogènes. NPS Driven prévoit de les commercialiser en 2024. Cette application est rapidement réalisable car les générateurs fonctionnent dans un spectre d'énergie limité : la vitesse et la charge ne connaissent que des pics et des creux limités.
Pour les moteurs lourds, le spectre énergétique plus large est le premier défi : les variations de charge et de vitesse doivent fonctionner avec la souplesse à laquelle les conducteurs sont habitués.
Le transport du carburant est le deuxième défi. Apporter suffisamment d'hydrogène à la prochaine station-service dans des bouteilles sous 200 bars de pression atmosphérique est beaucoup plus complexe qu'un réservoir de carburant diesel traditionnel. L'autre solution consiste à ajouter des équipements à la voiture pour stocker et convertir l’acide formique en hydrogène pendant le trajet. Ces modifications nécessitent une reconception profonde des intégrations du moteur dans les vehicules.
Ces innovations sont sous le feu des projecteurs dans le monde entier, et NPS Driven est fermement déterminé à rester à l'avant-garde.
Voulez-vous en savoir plus sur notre moteur H2? Cliquez ici pour lire le dépliant.
H2 ICE n'est pas un projet. C'est une mission
"Nous empruntons la terre à nos enfants, c'est donc notre travail de trouver des solutions aux problèmes de durabilité", déclare Peter van der Heijden. « NPS Driven est connu pour la distribution de moteurs diesel et le développement et la construction de catalyseurs réduisant les émissions. En collaboration avec des collègues de TNO et DAF et nos propres spécialistes H2, nous travaillons à la réalisation d'une alternative propre au moteur à combustion traditionnel.
