Essai routier BMW et hydrogène : deuxième partie
"Eau. Le seul produit final des moteurs propres de BMW est d'utiliser de l'hydrogène liquide au lieu de carburants pétroliers et de permettre à chacun de profiter des nouvelles technologies en toute bonne conscience."
Façon BMW
Ces mots sont une citation d'une campagne publicitaire d'une entreprise allemande il y a plusieurs années. Pendant longtemps, personne n'a mis en doute le fait que les Bavarois savent très bien ce qu'ils font en matière de technologie des moteurs et sont l'un des leaders mondiaux incontestés dans ce domaine. On ne penserait pas non plus qu'une entreprise qui a affiché une solide croissance des ventes ces dernières années jetterait une tonne d'argent sur des publicités peu connues pour des technologies prometteuses à l'avenir incertain.
Dans le même temps, cependant, les mots cités font partie d'une campagne visant à promouvoir une version à hydrogène plutôt exotique de 745 heures du vaisseau amiral du constructeur automobile bavarois. Exotique, car selon BMW, la transition vers des carburants alternatifs aux hydrocarbures, que nourrit l'industrie automobile depuis le tout début, nécessitera un changement de toute l'infrastructure de production. Cette dernière est nécessaire car les Bavarois voient une voie de développement prometteuse non pas dans les piles à combustible largement annoncées, mais dans la conversion des moteurs à combustion interne pour fonctionner à l'hydrogène. BMW estime que la mise à niveau est un problème résoluble et a déjà fait des progrès significatifs dans la résolution du problème principal consistant à obtenir des performances fiables du moteur et à éliminer sa propension à des processus de combustion incontrôlés utilisant de l'hydrogène pur. Le succès dans cette direction est dû à la compétence dans le domaine du contrôle électronique des processus du moteur et à la possibilité d'utiliser les systèmes de distribution de gaz flexibles brevetés BMW Valvetronic et Vanos, sans lesquels il serait impossible d'assurer le fonctionnement normal des "moteurs à hydrogène" . Cependant, les premiers pas dans cette direction remontent à 1820, lorsque le concepteur William Cecil a créé un moteur à hydrogène fonctionnant sur le soi-disant "principe du vide" - un schéma très différent de celui du moteur inventé plus tard avec un moteur interne . brûlant. Dans son premier développement de moteurs à combustion interne 60 ans plus tard, le pionnier Otto a utilisé le gaz synthétique déjà mentionné et dérivé du charbon avec une teneur en hydrogène d'environ 50 %. Cependant, avec l'invention du carburateur, l'utilisation de l'essence est devenue beaucoup plus pratique et plus sûre, et le carburant liquide a remplacé toutes les autres alternatives qui existaient jusqu'à présent. Les propriétés de l'hydrogène en tant que carburant ont été redécouvertes de nombreuses années plus tard par l'industrie spatiale, qui a rapidement découvert que l'hydrogène avait le meilleur rapport énergie/masse de tous les carburants connus de l'humanité.
En juillet 1998, l'Association européenne de l'industrie automobile (ACEA) s'est engagée auprès de l'Union européenne à réduire les émissions de CO2008 des véhicules nouvellement immatriculés dans l'Union de 2 grammes par kilomètre par 140 en moyenne. Dans la pratique, cela signifiait une réduction des émissions de 25% par rapport à 1995 et la consommation moyenne de carburant du nouveau parc était d'environ 6,0 l / 100 km. Dans un proche avenir, des mesures supplémentaires devraient réduire les émissions de dioxyde de carbone de 14% d'ici 2012. Cela rend la tâche des constructeurs automobiles extrêmement difficile et, selon les experts de BMW, peut être résolue soit en utilisant des carburants à faible teneur en carbone, soit en éliminant complètement le carbone de la composition du carburant. Selon cette théorie, l'hydrogène réapparaît dans le domaine automobile dans toute sa splendeur.
L'entreprise bavaroise est devenue le premier constructeur automobile à produire en masse des véhicules fonctionnant à l'hydrogène. Les affirmations optimistes et confiantes du professeur Burkhard Geschel, membre du conseil d'administration de BMW responsable des nouveaux développements, selon lesquelles «l'entreprise vendra des voitures à hydrogène avant l'expiration de la Série 7 actuelle» se sont réalisées. Avec sa dernière version Hydrogen 7, la septième série, lancée en 2006, avec un moteur 12 cylindres de 260 ch. ce message est déjà devenu une réalité. L'intention semblait assez ambitieuse, mais non sans raison. BMW expérimente des moteurs à combustion interne fonctionnant à l'hydrogène depuis 1978 et a fait une démonstration unique le 11 mai 2000 des possibilités de cette alternative. Une flotte impressionnante de 15 750 hl de la génération précédente de la semaine, propulsés par des moteurs à douze cylindres à hydrogène, a bouclé le marathon de 170 000 km, soulignant le succès de l'entreprise et la promesse de nouvelles technologies. En 2001 et 2002, certains de ces véhicules ont continué à participer à diverses manifestations en faveur de l'idée de l'hydrogène. Ensuite, il était temps pour un nouveau développement basé sur la prochaine Série 7, utilisant un V-4,4 moderne de 212 litres et capable d'une vitesse de pointe de 12 km / h, suivi du dernier développement avec un VXNUMX XNUMX cylindres. Selon l’avis officiel de la société, les raisons pour lesquelles BMW a choisi cette technologie plutôt que les piles à combustible sont à la fois commerciales et psychologiques. Premièrement, cette méthode nécessitera beaucoup moins d'investissements si l'infrastructure de production change. Deuxièmement, parce que les gens sont habitués au bon vieux moteur à combustion interne, ils l'aiment et il sera difficile de s'en séparer. Et troisièmement, entre-temps, il s'est avéré que cette technologie se développe plus rapidement que la technologie des piles à combustible.
Dans les voitures BMW, l'hydrogène est stocké dans un récipient cryogénique super isolé, un peu comme une bouteille thermos high-tech développée par le groupe de réfrigération allemand Linde. À basse température de stockage, le carburant est en phase liquide et pénètre dans le moteur comme du carburant ordinaire.
À ce stade, les concepteurs de la société munichoise se sont concentrés sur l'injection indirecte de carburant et la qualité du mélange dépend du mode de fonctionnement du moteur. En mode charge partielle, le moteur fonctionne avec des mélanges pauvres similaires au carburant diesel - le changement n'est effectué que dans la quantité de carburant injecté. C'est ce qu'on appelle le "contrôle de qualité" du mélange, dans lequel le moteur fonctionne avec un excès d'air, mais en raison de la faible charge, la formation d'émissions d'azote est minimisée. Lorsqu'il y a un besoin de puissance important, le moteur commence à fonctionner comme un moteur à essence, passant au soi-disant "contrôle quantitatif" du mélange et des mélanges normaux (non pauvres). Ces changements sont possibles, d'une part, en raison de la vitesse de contrôle électronique des processus dans le moteur, et d'autre part, en raison du fonctionnement flexible des systèmes de contrôle de la distribution de gaz - "double" Vanos, fonctionnant en conjonction avec le Système de contrôle d'admission Valvetronic sans accélérateur. Il convient de garder à l'esprit que, selon les ingénieurs de BMW, le schéma de travail de ce développement n'est qu'une étape intermédiaire dans le développement de la technologie et qu'à l'avenir les moteurs passeront à l'injection directe d'hydrogène dans les cylindres et à la turbocompression. Ces techniques devraient entraîner une meilleure dynamique du véhicule qu'un moteur à essence comparable et une augmentation de l'efficacité globale du moteur à combustion interne de plus de 50 %. Ici, nous nous sommes délibérément abstenus d'aborder le sujet des "piles à combustible", car cette question a été assez activement utilisée ces derniers temps. Dans le même temps, cependant, nous devons les mentionner dans le contexte de la technologie de l'hydrogène de BMW, car les concepteurs de Munich ont décidé d'utiliser de tels dispositifs pour alimenter le réseau électrique de bord dans les voitures, éliminant complètement l'alimentation par batterie conventionnelle. Ce mouvement permet des économies de carburant supplémentaires, car le moteur à hydrogène n'a pas à entraîner l'alternateur, et le système électrique embarqué devient complètement autonome et indépendant de la voie d'entraînement - il peut générer de l'électricité même lorsque le moteur ne tourne pas, ainsi que produire et consommer de l'énergie se prête à une optimisation complète. Le fait que seule la quantité d'électricité nécessaire puisse désormais être produite pour alimenter la pompe à eau, les pompes à huile, le servofrein et les systèmes câblés se traduit également par des économies supplémentaires. Cependant, parallèlement à toutes ces innovations, le système d'injection de carburant (essence) n'a pratiquement pas subi de modifications de conception coûteuses. Afin de promouvoir les technologies de l'hydrogène en juin 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN ont créé le programme de partenariat CleanEnergy, qui a commencé par le développement de stations-service à hydrogène liquéfié et comprimé.
BMW est l'initiateur d'un certain nombre d'autres projets communs, y compris avec des compagnies pétrolières, parmi lesquelles les participants les plus actifs sont Aral, BP, Shell, Total. L'intérêt pour ce domaine prometteur connaît une croissance exponentielle - au cours des dix prochaines années, l'UE à elle seule apportera des contributions financières directes aux fonds destinés à financer le développement et la mise en œuvre des technologies de l'hydrogène pour un montant de 2,8 milliards d'euros. Le volume des investissements des entreprises privées dans le développement de "l'hydrogène" au cours de cette période est difficile à prévoir, mais il est clair qu'il dépassera plusieurs fois les prélèvements des organisations à but non lucratif.
L'hydrogène dans les moteurs à combustion interne
Il est intéressant de noter qu'en raison des propriétés physiques et chimiques de l'hydrogène, il est beaucoup plus inflammable que l'essence. En pratique, cela signifie qu'il faut beaucoup moins d'énergie initiale pour initier le processus de combustion dans l'hydrogène. D'un autre côté, des mélanges très pauvres peuvent être facilement utilisés dans les moteurs à hydrogène - ce que les moteurs à essence modernes réalisent grâce à des technologies complexes et coûteuses.
La chaleur entre les particules du mélange hydrogène-air est moins dissipée, et en même temps, la température d'auto-inflammation et la vitesse des processus de combustion sont beaucoup plus élevées que celles de l'essence. L'hydrogène a une faible densité et une forte diffusivité (la possibilité que des particules pénètrent dans un autre gaz - dans ce cas, l'air).
La faible énergie d'activation requise pour l'auto-allumage est l'un des plus grands défis dans le contrôle des processus de combustion dans les moteurs à hydrogène, car le mélange peut facilement s'enflammer spontanément en raison du contact avec des zones plus chaudes de la chambre de combustion et de la résistance à suivre une chaîne de processus totalement incontrôlés. Éviter ce risque est l'un des plus grands défis du développement des moteurs à hydrogène, mais il n'est pas facile d'éliminer les conséquences du fait qu'un mélange brûlant très diffus se déplace très près des parois du cylindre et peut pénétrer dans des interstices extrêmement étroits. comme les vannes fermées par exemple... Tout cela doit être pris en compte lors de la conception de ces moteurs.
Une température d'auto-inflammation élevée et un indice d'octane élevé (environ 130) permettent une augmentation du taux de compression du moteur et, par conséquent, de son efficacité, mais là encore il y a un risque d'auto-inflammation de l'hydrogène par contact avec la partie la plus chaude. dans le cylindre. L'avantage de la capacité de diffusion élevée de l'hydrogène est la possibilité de se mélanger facilement à l'air, ce qui en cas de panne du réservoir garantit une dispersion rapide et sûre du carburant.
Le mélange air-hydrogène idéal pour la combustion a un rapport d'environ 34:1 (pour l'essence ce rapport est de 14,7:1). Cela signifie qu'en combinant la même masse d'hydrogène et d'essence dans le premier cas, il faut plus de deux fois plus d'air. Dans le même temps, le mélange hydrogène-air prend beaucoup plus de place, ce qui explique pourquoi les moteurs à hydrogène ont moins de puissance. Une illustration purement numérique des rapports et des volumes est assez éloquente - la densité de l'hydrogène prêt à la combustion est 56 fois inférieure à celle de la vapeur d'essence.... Cependant, il convient de noter qu'en principe, les moteurs à hydrogène peuvent également fonctionner avec des mélanges air-hydrogène jusqu'à 180:1 (c'est-à-dire des mélanges très "pauvres"), ce qui signifie que le moteur peut fonctionner. sans papillon des gaz et utilisent le principe des moteurs diesel. Il convient également de noter que l'hydrogène est le leader incontesté dans la comparaison de l'hydrogène et de l'essence en tant que sources d'énergie en termes de masse - un kilogramme d'hydrogène est presque trois fois plus énergivore qu'un kilogramme d'essence.
Comme pour les moteurs à essence, l'hydrogène liquéfié peut être injecté directement devant les soupapes dans les collecteurs, mais la meilleure solution est l'injection directement pendant la course de compression - dans ce cas, la puissance peut dépasser celle d'un moteur à essence similaire de 25 %. En effet, le carburant (hydrogène) ne déplace pas l'air comme dans un moteur à essence ou diesel, permettant uniquement à l'air (beaucoup plus que d'habitude) de remplir la chambre de combustion. De plus, contrairement aux moteurs à essence, les moteurs à hydrogène n'ont pas besoin d'un tourbillon structurel car l'hydrogène diffuse assez bien avec l'air sans cette mesure. En raison des différents taux de combustion dans différentes parties du cylindre, il est préférable de placer deux bougies d'allumage, et dans les moteurs à hydrogène, l'utilisation d'électrodes en platine n'est pas pratique, car le platine devient un catalyseur conduisant à l'oxydation du carburant à basse température.
H2R
Le H2R est un prototype supersport fonctionnel construit par les ingénieurs de BMW et propulsé par un moteur douze cylindres qui atteint une puissance maximale de 285 ch lorsqu'il est alimenté à l'hydrogène. Grâce à eux, le modèle expérimental accélère de 0 à 100 km / h en six secondes et atteint une vitesse de pointe de 300 km / h. Le moteur H2R est basé sur l'unité haut de gamme standard utilisée dans l'essence 760i et n'a pris que dix mois pour se développer. Pour éviter la combustion spontanée, les spécialistes bavarois ont développé un cycle de débit et une stratégie d'injection spéciaux dans la chambre de combustion, en utilisant les possibilités offertes par les systèmes de calage variable des soupapes du moteur. Avant que le mélange n'entre dans les cylindres, ces derniers sont refroidis par air et l'allumage s'effectue uniquement au point mort haut - en raison du taux de combustion élevé avec de l'hydrogène, l'avance à l'allumage n'est pas nécessaire.
résultats
L'analyse financière de la transition vers une énergie propre à l'hydrogène n'est pas encore très optimiste. La production, le stockage, le transport et la fourniture de gaz léger sont encore des processus assez énergivores, et au stade technologique actuel du développement humain, un tel système ne peut pas être efficace. Cependant, cela ne signifie pas que la recherche et la recherche de solutions ne se poursuivront pas. Les propositions visant à fabriquer de l'hydrogène à partir de l'eau en utilisant l'électricité des panneaux solaires et à le stocker dans de grands réservoirs semblent optimistes. En revanche, le processus de production d'électricité et d'hydrogène en phase gazeuse dans le désert du Sahara, de le transporter vers la mer Méditerranée par pipeline, de le liquéfier et de le transporter par des pétroliers cryogéniques, de le décharger dans les ports et enfin de le transporter par camion semble un peu ridicule pour le moment ...
Une idée intéressante a été récemment présentée par la compagnie pétrolière norvégienne Norsk Hydro, qui proposait de produire de l'hydrogène à partir de gaz naturel sur des sites de production en mer du Nord, et le monoxyde de carbone résiduel était stocké dans des champs épuisés sous le fond marin. La vérité se situe quelque part au milieu, et seul le temps nous dira où ira le développement de l'industrie de l'hydrogène.
Variante Mazda
La société japonaise Mazda présente également sa version du moteur à hydrogène - sous la forme d'une voiture de sport à unité rotative RX-8. Ce n'est pas surprenant, car les caractéristiques de conception du moteur Wankel sont extrêmement adaptées à l'utilisation de l'hydrogène comme carburant. Le gaz est stocké sous haute pression dans un réservoir spécial et le carburant est injecté directement dans les chambres de combustion. Du fait que dans le cas des moteurs rotatifs, les zones dans lesquelles l'injection et la combustion ont lieu sont séparées et que la température dans la partie d'aspiration est plus basse, le problème de la possibilité d'un allumage incontrôlé est considérablement réduit. Le moteur Wankel offre également suffisamment d'espace pour deux injecteurs, ce qui est extrêmement important pour injecter la quantité optimale d'hydrogène.
