Porsche teste un V8 à hydrogène
18/08/2022
Différentes solutions de groupes motopropulseurs, y compris des systèmes hybrides, des entraînements électriques et des moteurs à combustion efficaces, sont actuellement toutes développées en parallèle pour être utilisées dans les futurs véhicules. L'hydrogène représente une alternative potentielle aux carburants conventionnels ou aux carburants synthétiques (e-carburants) auxquels Porsche croit aussi énormément pour faire perdurer les moteurs à combustion au-delà de l'échéance de 2035 imposée par l'Union Européenne.
Des travaux sont actuellement en cours sur les moteurs à hydrogène dans le monde entier, mais ils sont principalement destinés aux véhicules utilitaires avec une puissance spécifique relativement faible d'environ 50 kW par litre de cylindrée. "Pour le secteur des voitures particulières, c'est insuffisant. Nous avons donc développé un moteur thermique à hydrogène qui vise à égaler la puissance et le couple des moteurs essence hautes performances actuels sous forme d'étude de concept. Dans le même temps, nous avions également pour objectif d'atteindre une faible consommation de carburant et de maintenir les émissions au même niveau que l'air ambiant », explique Vincenzo Bevilacqua, Senior Expert Engine Simulation chez Porsche Engineering. "Le point de départ de notre étude était un moteur à essence huit cylindres de 4,4 litres existant - ou plutôt, son ensemble de données numériques, puisque nous avons mené l'intégralité de l'étude en utilisant virtuellement des simulations de performances du moteur."
Les modifications apportées au moteur comprenaient un taux de compression plus élevé et une combustion adaptée à l'hydrogène, mais surtout, un nouveau système de suralimentation. « Pour une combustion propre de l'hydrogène, les turbocompresseurs doivent, d'une part, fournir environ deux fois plus de masse d'air que dans les moteurs à essence. D'autre part, cependant, les températures plus basses des gaz d'échappement entraînent un manque d'énergie pour leur propulsion côté échappement », explique Bevilacqua. Cet écart ne peut pas être résolu avec les turbocompresseurs conventionnels. Porsche Engineering s'est donc penché sur quatre concepts de suralimentation alternatifs particulièrement performants, dont certains issus du contexte du sport automobile.
Tous les systèmes se composent de plusieurs turbocompresseurs à assistance électrique, certains d'entre eux étant combinés à des vannes de régulation supplémentaires dans le système d'air ou à des compresseurs à entraînement électrique. "Dans les études de référence, chaque système de suralimentation a montré des avantages et des inconvénients spécifiques. Le choix du bon concept dépend donc fortement du profil d'exigences du moteur à hydrogène en question », explique Bevilacqua. Pour l'étude moteur concernée, l'équipe de développement a retenu un système de suralimentation avec compresseurs dos à dos. La particularité de cette conception est la disposition coaxiale de deux étages de compresseur, qui sont entraînés par la turbine ou le moteur électrique de support à l'aide d'un arbre commun. L'air circule à travers le premier compresseur, est refroidi dans le refroidisseur intermédiaire, puis recomprimé dans le deuxième étage.
Avec une puissance d'environ 440 kW, le V8 à hydrogène développé par Porsche est à la hauteur du bloc essence d'origine. Afin de mieux évaluer les performances du groupe motopropulseur, Porsche Engineering l'a testé dans un véhicule de référence du segment de luxe avec un poids total relativement élevé de 2 650 kg sur la Nordschleife du Nürburgring, bien que de manière entièrement virtuelle : le trajet a été effectué à l'aide de ce que l'on appelle un jumeau numérique, c'est-à-dire une représentation informatisée du véhicule réel. Avec un temps au tour de 8 minutes et 20 secondes, le véhicule a démontré un potentiel élevé en matière de dynamique de conduite.
En raison de sa composition chimique, ni les hydrocarbures ni le monoxyde de carbone ne sont libérés lors de la combustion de l'hydrogène, et les particules ne jouent pas non plus de rôle, bien sûr. En termes d'optimisation des émissions du moteur à hydrogène, les experts de Porsche Engineering se sont donc concentrés sur les oxydes d'azote. Au cours de vastes cycles d'optimisation, ils ont adapté la stratégie de fonctionnement du moteur pour la combustion la plus propre possible. Leur approche était de maintenir le niveau d'émissions brutes bas grâce à une combustion extrêmement pauvre et donc plus froide, permettant de se passer d'un système de post-traitement des gaz d'échappement.
"Il s'est avéré que les émissions d'oxydes d'azote sont bien en deçà des limites fixées par la norme Euro 7 actuellement en discussion et sont proches de zéro sur l'ensemble de la carte moteur", rapporte Matthias Böger, ingénieur spécialiste de la simulation moteur chez Porsche Engineering. Afin de mieux contextualiser les résultats des tests d'émissions, il établit une comparaison avec l'indice de la qualité de l'air. Il est utilisé par les autorités gouvernementales et d'autres institutions comme référence pour évaluer le niveau de pollution de l'air. En général, une concentration allant jusqu'à environ 40 microgrammes d'oxyde d'azote par mètre cube est synonyme d'une bonne qualité de l'air. "Les émissions du moteur à hydrogène sont inférieures à cette limite. Son fonctionnement n'a donc pas d'impact significatif sur l'environnement », déclare Böger.
En plus de ses émissions à peine mesurables, le moteur à hydrogène offre un rendement élevé dans le cycle de mesure WLTP ainsi que dans les cycles pertinents pour le client grâce à sa combustion. « Nous avons ainsi atteint l'objectif que nous nous étions fixé : le développement d'un moteur à hydrogène propre, économique et sportif, à tous les niveaux », conclut Bevilacqua. Le coût d'un groupe motopropulseur à hydrogène en série pourrait être comparable à celui d'un moteur à essence. Bien que le système de turbocompresseur et un certain nombre de composants mécaniques du moteur à hydrogène soient plus complexes et donc plus coûteux, le post-traitement des gaz d'échappement requis pour le moteur à essence sous Euro 7 n'est pas nécessaire.
L'équipe Porsche Engineering a pu effectuer tous les tests de manière virtuelle et donc très efficace. Le processus de simulation établi a fourni la base pour cela, ainsi que la vaste expérience de l'entreprise en matière de modélisation et de calcul. « Il ne nous a fallu que six mois entre l'idée initiale et l'achèvement de l'étude », explique Bevilacqua. "Cela comprenait des travaux fondamentaux tels que la création de nouveaux modèles de simulation qui prennent en compte les différentes propriétés chimiques et physiques de l'hydrogène par rapport à l'essence."
Il est peu probable que le moteur à hydrogène entre en production sous sa forme actuelle, mais ce n'était de toute façon pas l'objectif du projet. Au lieu de cela, l'accent a été mis sur l'examen du potentiel technique de la technologie d'entraînement alternative et sur l'expansion des capacités des outils d'ingénierie existants. « L'étude nous a permis d'obtenir des informations précieuses sur le développement de moteurs à hydrogène hautes performances et d'ajouter des modèles et des méthodes spécifiques à l'hydrogène à notre méthodologie de simulation virtuelle », explique Bevilacqua. "Avec ce savoir-faire, nous sommes prêts à gérer efficacement les futurs projets clients."
Source : Texte de Richard Backhaus, publié pour la première fois dans le Porsche Engineering Magazine, numéro 2/2022.
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