BMW et l'hydrogène: moteur à combustion interne

Les projets de l'entreprise ont commencé il y a 40 ans avec la version hydrogène de la série 5

BMW croit depuis longtemps à la mobilité électrique. Aujourd'hui, Tesla peut être considérée comme la référence dans ce domaine, mais il y a dix ans, lorsque la société américaine a présenté le concept d'une plate-forme en aluminium personnalisée, qui a ensuite été réalisée sous la forme de la Tesla Model S, BMW travaillait activement sur la Megacity. Projet de véhicule. 2013 est commercialisée sous le nom de BMW i3. La voiture allemande d'avant-garde utilise non seulement une structure de support en aluminium avec des batteries intégrées, mais également une carrosserie en polymères renforcés de carbone. Cependant, ce que Tesla est indéniablement en avance sur ses concurrents, c'est sa méthodologie exceptionnelle, en particulier à l'échelle du développement de batteries pour véhicules électriques - des relations avec les fabricants de cellules lithium-ion à la construction d'énormes usines de batteries, y compris celles avec des applications non électriques. mobilité.

Mais revenons à BMW car, contrairement à Tesla et à nombre de ses concurrents, l'entreprise allemande croit toujours à la mobilité de l'hydrogène. Récemment, une équipe dirigée par le vice-président des piles à combustible à hydrogène de la société, le Dr Jürgen Gouldner, a dévoilé la pile à combustible I-Hydrogen Next, un groupe électrogène automoteur alimenté par une réaction chimique à basse température. Ce moment marque le 10e anniversaire du lancement du développement des véhicules à pile à combustible de BMW et le 7e anniversaire de la collaboration avec Toyota sur les piles à combustible. Cependant, la dépendance de BMW à l'hydrogène remonte à 40 ans et est une "température beaucoup plus chaude".

C'est plus d'un quart de siècle de développements par l'entreprise, dans lesquels l'hydrogène est utilisé comme carburant pour les moteurs à combustion interne. Pendant une grande partie de cette période, l'entreprise a cru qu'un moteur à combustion interne à hydrogène était plus proche du consommateur qu'une pile à combustible. Avec un rendement d'environ 60 % et une combinaison d'un moteur électrique avec un rendement de plus de 90 %, un moteur à pile à combustible est beaucoup plus efficace qu'un moteur à combustion interne fonctionnant à l'hydrogène. Comme nous le verrons dans les lignes suivantes, avec leur injection directe et leur suralimentation, les moteurs downsizés d'aujourd'hui seront parfaitement adaptés à la fourniture d'hydrogène, à condition que les systèmes d'injection et de contrôle de la combustion soient en place. Mais alors que les moteurs à combustion interne à hydrogène sont généralement beaucoup moins chers qu'une pile à combustible combinée à une batterie lithium-ion, ils ne sont plus à l'ordre du jour. De plus, les problèmes de mobilité de l'hydrogène dans les deux cas dépassent largement le cadre du système de propulsion.

Et pourtant, pourquoi l'hydrogène?

L'hydrogène est un élément important du désir de l'humanité d'utiliser de plus en plus de sources d'énergie alternatives, comme un pont pour accumuler l'énergie du soleil, du vent, de l'eau et de la biomasse en la convertissant en énergie chimique. En termes simples, cela signifie que l'électricité produite par ces sources naturelles ne peut pas être stockée en grandes quantités, mais peut être utilisée pour produire de l'hydrogène en décomposant l'eau en oxygène et hydrogène.

Bien sûr, l'hydrogène peut également être extrait de sources d'hydrocarbures non renouvelables, mais cela a longtemps été inacceptable lorsqu'il s'agit de l'utiliser comme source d'énergie. Il est indéniable que les problèmes technologiques de production, de stockage et de transport de l'hydrogène peuvent être résolus - en pratique, même maintenant, d'énormes quantités de ce gaz sont produites et utilisées comme matières premières dans les industries chimiques et pétrochimiques. Dans ces cas, cependant, le coût élevé de l'hydrogène n'est pas mortel, puisqu'il "fond" au prix élevé des produits dans lesquels il est impliqué.

Cependant, le problème de l'utilisation du gaz léger comme source d'énergie et en grande quantité est un peu plus compliqué. Les scientifiques s'agitent depuis longtemps à la recherche d'une éventuelle alternative stratégique au fioul, et l'essor de la mobilité électrique et de l'hydrogène pourrait être en étroite symbiose. Au cœur de tout cela se trouve un fait simple mais très important - l'extraction et l'utilisation de l'hydrogène tournent autour du cycle naturel de combinaison et de décomposition de l'eau... Si l'humanité améliore et étend les méthodes de production utilisant des sources naturelles telles que l'énergie solaire, le vent et l'eau, l'hydrogène peut être produit et utilisé en quantités illimitées sans émettre d'émissions nocives.
production

Actuellement, plus de 70 millions de tonnes d'hydrogène pur sont produites dans le monde. La principale matière première pour sa production est le gaz naturel, qui est traité selon un procédé appelé «reformage» (la moitié du total). De plus petites quantités d'hydrogène sont produites par d'autres procédés, tels que l'électrolyse des composés chlorés, l'oxydation partielle du pétrole lourd, la gazéification du charbon, la pyrolyse du charbon pour la production de coke et le reformage de l'essence. Environ la moitié de la production mondiale d'hydrogène est utilisée pour la synthèse de l'ammoniac (qui est utilisé comme matière première dans la production d'engrais), dans le raffinage du pétrole et dans la synthèse du méthanol.

Ces systèmes de production pèsent sur l'environnement à des degrés divers et, malheureusement, aucun d'entre eux n'offre une alternative significative au statu quo énergétique actuel - d'abord parce qu'ils utilisent des sources non renouvelables, et ensuite parce que la production émet des substances indésirables telles que le dioxyde de carbone. La méthode la plus prometteuse pour la production d'hydrogène à l'avenir reste la décomposition de l'eau à l'aide de l'électricité, connue à l'école primaire. Cependant, boucler le cycle de l'énergie propre n'est actuellement possible qu'en utilisant l'énergie naturelle et surtout solaire et éolienne pour produire l'électricité nécessaire à la décomposition de l'eau. Selon le Dr Gouldner, les technologies modernes "connectées" aux systèmes éoliens et solaires, y compris les petites stations à hydrogène, où ces derniers sont produits sur place, constituent un nouveau grand pas dans cette direction.
lieu de stockage

L'hydrogène peut être stocké en grande quantité dans les phases gazeuses et liquides. Les plus grands réservoirs dans lesquels l'hydrogène est situé à une pression relativement basse sont appelés «compteurs de gaz». Les réservoirs moyens et petits sont conçus pour stocker l'hydrogène à une pression de 30 bars, tandis que les plus petits réservoirs spéciaux (appareils coûteux en acier spécial ou en matériaux composites renforcés de fibres de carbone) maintiennent une pression constante de 400 bars.
L'hydrogène peut également être stocké dans une phase liquide à -253 ° C par unité de volume contenant 1,78 fois plus d'énergie que lorsqu'il est stocké à 700 bar - pour obtenir la quantité équivalente d'énergie en hydrogène liquéfié par unité de volume, le gaz doit être comprimé jusqu'à 1250 bars. En raison de l'efficacité énergétique supérieure de l'hydrogène réfrigéré, BMW s'associe au groupe de réfrigération allemand Linde pour ses premiers systèmes, qui a développé des dispositifs cryogéniques de pointe pour liquéfier et stocker l'hydrogène. Les scientifiques proposent également d'autres alternatives, mais moins applicables pour le moment, pour stocker l'hydrogène - par exemple, le stockage sous pression dans une farine métallique spéciale, sous forme d'hydrures métalliques, etc.

Des réseaux de transport d'hydrogène existent déjà dans les zones à forte concentration d'usines chimiques et de raffineries de pétrole. En général, la technique est similaire à celle du transfert de gaz naturel, mais l'utilisation de ce dernier pour les besoins de l'hydrogène n'est pas toujours possible. Cependant, au siècle dernier, de nombreuses maisons dans les villes européennes étaient éclairées par du gaz léger de pipeline, qui contient jusqu'à 50% d'hydrogène et qui est utilisé comme carburant pour les premiers moteurs à combustion interne fixes. Le niveau technologique actuel permet déjà le transport transcontinental d'hydrogène liquéfié à travers des pétroliers cryogéniques existants, similaires à ceux utilisés pour le gaz naturel.

BMW et moteur à combustion interne

"Eau. Le seul produit final de moteurs BMW propres qui utilise de l'hydrogène liquide au lieu de carburant à base de pétrole et permet à chacun de profiter des nouvelles technologies en toute bonne conscience.

Ces mots sont une citation d'une campagne publicitaire d'une entreprise allemande au début du 745e siècle. Il devrait promouvoir une version à hydrogène plutôt exotique de XNUMX heures du constructeur automobile bavarois phare. Exotique, car, selon BMW, la transition vers des alternatives aux carburants hydrocarbonés, que l'industrie automobile alimente depuis le tout début, nécessitera un changement dans l'ensemble de l'infrastructure industrielle. À cette époque, les Bavarois ont trouvé une voie de développement prometteuse non pas dans les piles à combustible largement annoncées, mais dans la conversion des moteurs à combustion interne en hydrogène. BMW estime que la rénovation en question est un problème résoluble et fait déjà des progrès significatifs pour résoudre le problème principal d'assurer des performances fiables du moteur et d'éliminer sa tendance aux processus de combustion incontrôlés utilisant de l'hydrogène pur. Le succès dans cette direction est dû à la compétence dans le domaine de la commande électronique des processus moteurs et à la capacité d'utiliser les systèmes brevetés BMW pour la distribution flexible de gaz de Valvetronic et Vanos, sans lesquels il est impossible de garantir le fonctionnement normal des "moteurs à hydrogène".

Cependant, les premiers pas dans cette direction remontent à 1820, lorsque le designer William Cecil créa un moteur à hydrogène fonctionnant selon le soi-disant "principe du vide" - un schéma complètement différent de celui 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 découvertes plusieurs 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 à réduire les émissions de CO2 des voitures nouvellement immatriculées dans l'Union à une moyenne de 140 grammes par kilomètre d'ici 2008. Dans la pratique, cela signifie une réduction de 25% des émissions par rapport à 1995 et équivaut à une consommation moyenne de carburant dans le nouveau parc d'environ 6,0 l / 100 km. Cela rend la tâche des constructeurs automobiles extrêmement difficile et, selon les experts BMW, peut être résolue soit en utilisant un carburant à faible teneur en carbone, soit en éliminant complètement le carbone de la composition du carburant. Selon cette théorie, l'hydrogène apparaît dans la scène automobile dans toute sa splendeur.
L'entreprise bavaroise devient le premier constructeur automobile à se lancer dans la production de masse de voitures à hydrogène. Les déclarations optimistes et confiantes de BMW Burkhard Göschel, membre du conseil d'administration de BMW responsable des nouveaux développements, selon lesquelles "la société vendra des voitures à hydrogène avant l'expiration de la 7e série", se réalisent. Avec la version Hydrogen 7 de la septième série introduite en 2006, elle dispose d'un moteur 12 cylindres de 260 ch. Ce message devient une réalité.

L'intention semble assez ambitieuse, mais non sans raison. BMW expérimente les moteurs à hydrogène à combustion interne depuis 1978, avec la 5e série (E12), la version 1984 heures de l'E 745 a été introduite en 23 et le 11 mai 2000, elle a démontré les capacités uniques de cette alternative. Une flotte impressionnante de 15 750 ch L'E 38 de la «semaine» avec ses moteurs 12 cylindres à hydrogène a parcouru un marathon de 170 000 km, démontrant de façon particulièrement vivante le succès de l'entreprise et les perspectives de nouvelles technologies. En 2001 et 2002, certaines de ces voitures ont continué de participer à diverses manifestations pour promouvoir l'idée de l'hydrogène. Vient ensuite un nouveau développement, basé sur la série 7 suivante, utilisant un moteur huit cylindres de 4,4 litres moderne et capable d'une vitesse de pointe de 212 km / h, suivi du dernier développement avec un moteur six cylindres de six cylindres de 12 cylindres.

Selon l'opinion officielle de la société, les raisons pour lesquelles BMW a alors préféré cette technologie aux piles à combustible ont une base à la fois commerciale et psychologique. Premièrement, cette méthode nécessitera beaucoup moins d'investissement si les infrastructures industrielles changent. Deuxièmement, parce que les gens sont habitués au bon vieux moteur à combustion interne, ils l'adorent et il sera difficile de s'en séparer. Et troisièmement, parce qu'en même temps, 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 sur-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 normal.

Les concepteurs de la société munichoise utilisent l'injection de carburant dans les collecteurs d'admission 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 diesel - seule la quantité de carburant injectée est modifiée. Il s'agit du soi-disant «contrôle de la 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 importante, le moteur commence à fonctionner comme un moteur à essence, passant à la "régulation quantitative" du mélange et aux mélanges normaux (non pauvres). Ces changements sont possibles, d'une part, grâce à la rapidité du contrôle électronique du processus dans le moteur, et d'autre part, grâce au fonctionnement flexible des systèmes de contrôle de la distribution de gaz - le «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 devront passer à l'injection directe d'hydrogène dans les cylindres et le turbocompresseur. On s'attend à ce que l'application de ces méthodes conduise à une amélioration des performances dynamiques de la voiture par rapport à un moteur à essence similaire et à une augmentation de l'efficacité globale du moteur à combustion interne de plus de 50 %.

Un fait de développement intéressant est qu'avec les derniers développements des moteurs à combustion interne "à hydrogène", les concepteurs de Munich entrent dans le domaine des piles à combustible. Ils utilisent de tels appareils pour alimenter le réseau électrique de bord des voitures, éliminant complètement la batterie conventionnelle. Grâce à cette étape, des économies de carburant supplémentaires sont possibles, puisque le moteur à hydrogène n'a pas à entraîner l'alternateur, et le système électrique embarqué devient complètement autonome et indépendant du chemin d'entraînement - il peut générer de l'électricité même lorsque le moteur ne tourne pas, et la production et la consommation d'énergie peuvent être entièrement optimisées. Le fait que la quantité d'électricité nécessaire pour alimenter la pompe à eau, les pompes à huile, le servofrein et les systèmes de câblage peut désormais être générée 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 son activité avec le développement de stations-service GPL. et de l'hydrogène comprimé. Dans ceux-ci, une partie de l'hydrogène est produite sur place à l'aide d'électricité solaire, puis comprimée, et de grandes quantités liquéfiées proviennent de stations de production spéciales, et toutes les vapeurs de la phase liquide sont automatiquement transférées vers le réservoir de gaz.
BMW a lancé un certain nombre d'autres projets communs, y compris avec des sociétés pétrolières, parmi lesquels les participants les plus actifs sont Aral, BP, Shell, Total.
Cependant, pourquoi BMW refuse ces solutions technologiques et se concentre toujours sur les piles à combustible, nous vous le dirons dans un autre article de cette série.

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, les moteurs à hydrogène peuvent facilement utiliser de très "mauvais" mélanges - 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 est beaucoup plus élevée, tout comme la vitesse des processus de combustion par rapport à 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).

C'est la faible énergie d'activation nécessaire à l'auto-inflammation qui est l'un des plus gros problèmes 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 dans la chambre de combustion et de la résistance à la suite d'une chaîne de processus complètement incontrôlés. Éviter ce risque est l'un des plus gros problèmes dans la conception des moteurs à hydrogène, mais il n'est pas si facile d'éliminer les conséquences du fait qu'un mélange brûlant très dispersé se déplace très près des parois du cylindre et peut pénétrer dans des espaces extrêmement étroits. par exemple, le long de soupapes fermées ... Tout cela doit être pris en compte lors de la conception de ces moteurs.

La température élevée d'auto-inflammation et un indice d'octane élevé (environ 130) peuvent augmenter le degré de compression du moteur et, par conséquent, son efficacité, mais là encore il existe un danger d'auto-inflammation de l'hydrogène au contact de la partie la plus chaude. dans le cylindre. L'avantage de la haute diffusivité de l'hydrogène est la possibilité d'un mélange facile avec l'air, qui en cas de rupture de 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 la densité de la vapeur d'essence ... Cependant, il convient de noter qu'en général, les moteurs à hydrogène peuvent fonctionner sur des mélanges d'air . l'hydrogène dans des rapports allant jusqu'à 180:1 (c'est-à-dire avec de très "mauvais" mélanges), ce qui signifie que le moteur peut fonctionner sans accélérateur et utiliser le principe des moteurs diesel. Il convient également de mentionner que l'hydrogène est le leader incontesté dans la comparaison entre l'hydrogène et l'essence en tant que source d'énergie de masse - un kilogramme d'hydrogène a presque trois fois plus d'énergie par kilogramme d'essence.

Comme pour les moteurs à essence, l'hydrogène liquéfié peut être injecté directement en amont des soupapes dans les collecteurs, mais la meilleure solution est l'injection directe pendant la course de compression - dans ce cas, la puissance peut dépasser de 25 % celle d'un moteur à essence comparable. En effet, le carburant (hydrogène) ne déplace pas l'air comme avec un moteur à essence ou diesel, permettant à la chambre de combustion de se remplir uniquement d'air (beaucoup plus que d'habitude). De plus, contrairement aux moteurs à essence, l'hydrogène n'a pas besoin d'un tourbillon structurel, car l'hydrogène sans cette mesure se diffuse assez bien avec l'air. En raison des différents taux de combustion dans différentes parties du cylindre, il est préférable d'installer deux bougies d'allumage, et dans les moteurs à hydrogène, l'utilisation d'électrodes en platine n'est pas appropriée, car le platine devient un catalyseur qui conduit à l'oxydation du carburant même à basse température .

Option Mazda

La société japonaise Mazda présente également sa version du moteur à hydrogène, sous la forme d'un bloc rotatif dans la voiture de sport 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. En raison du fait que dans le cas des moteurs rotatifs, les zones dans lesquelles l'injection et la combustion ont lieu sont distinctes et la température dans la partie d'admission est plus basse, le problème de la possibilité d'un allumage incontrôlé est considérablement réduit. Le moteur Wankel offre également un grand espace pour deux injecteurs, ce qui est crucial pour injecter la quantité optimale d'hydrogène.

H2R

Le H2R est un prototype supersport fonctionnel construit par les ingénieurs de BMW et propulsé par un moteur 12 cylindres qui atteint une puissance maximale de 285 ch. lorsqu'on travaille avec de 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 le top standard utilisé dans la 760i essence et n'a mis que dix mois à se développer. .

Pour éviter la combustion spontanée, les spécialistes bavarois ont développé une stratégie spéciale pour les cycles de débit et d'injection dans la chambre de combustion, en utilisant les possibilités offertes par le système 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.