Porsche teste un V8 � hydrog�ne
18/08/2022
Diff�rentes solutions de groupes motopropulseurs, y compris des syst�mes hybrides, des entra�nements �lectriques et des moteurs � combustion efficaces, sont actuellement toutes d�velopp�es en parall�le pour �tre utilis�es dans les futurs v�hicules. L'hydrog�ne repr�sente une alternative potentielle aux carburants conventionnels ou aux carburants synth�tiques (e-carburants) auxquels Porsche croit aussi �norm�ment pour faire perdurer les moteurs � combustion au-del� de l'�ch�ance de 2035 impos�e par l'Union Europ�enne.
Des travaux sont actuellement en cours sur les moteurs � hydrog�ne dans le monde entier, mais ils sont principalement destin�s aux v�hicules utilitaires avec une puissance sp�cifique relativement faible d'environ 50 kW par litre de cylindr�e. "Pour le secteur des voitures particuli�res, c'est insuffisant. Nous avons donc d�velopp� un moteur thermique � hydrog�ne qui vise � �galer la puissance et le couple des moteurs essence hautes performances actuels sous forme d'�tude de concept. Dans le m�me temps, nous avions �galement pour objectif d'atteindre une faible consommation de carburant et de maintenir les �missions au m�me niveau que l'air ambiant �, explique Vincenzo Bevilacqua, Senior Expert Engine Simulation chez Porsche Engineering. "Le point de d�part de notre �tude �tait un moteur � essence huit cylindres de 4,4 litres existant - ou plut�t, son ensemble de donn�es num�riques, puisque nous avons men� l'int�gralit� de l'�tude en utilisant virtuellement des simulations de performances du moteur."
Les modifications apport�es au moteur comprenaient un taux de compression plus �lev� et une combustion adapt�e � l'hydrog�ne, mais surtout, un nouveau syst�me de suralimentation. � Pour une combustion propre de l'hydrog�ne, les turbocompresseurs doivent, d'une part, fournir environ deux fois plus de masse d'air que dans les moteurs � essence. D'autre part, cependant, les temp�ratures plus basses des gaz d'�chappement entra�nent un manque d'�nergie pour leur propulsion c�t� �chappement �, explique Bevilacqua. Cet �cart ne peut pas �tre r�solu avec les turbocompresseurs conventionnels. Porsche Engineering s'est donc pench� sur quatre concepts de suralimentation alternatifs particuli�rement performants, dont certains issus du contexte du sport automobile.
Tous les syst�mes se composent de plusieurs turbocompresseurs � assistance �lectrique, certains d'entre eux �tant combin�s � des vannes de r�gulation suppl�mentaires dans le syst�me d'air ou � des compresseurs � entra�nement �lectrique. "Dans les �tudes de r�f�rence, chaque syst�me de suralimentation a montr� des avantages et des inconv�nients sp�cifiques. Le choix du bon concept d�pend donc fortement du profil d'exigences du moteur � hydrog�ne en question �, explique Bevilacqua. Pour l'�tude moteur concern�e, l'�quipe de d�veloppement a retenu un syst�me de suralimentation avec compresseurs dos � dos. La particularit� de cette conception est la disposition coaxiale de deux �tages de compresseur, qui sont entra�n�s par la turbine ou le moteur �lectrique de support � l'aide d'un arbre commun. L'air circule � travers le premier compresseur, est refroidi dans le refroidisseur interm�diaire, puis recomprim� dans le deuxi�me �tage.
Avec une puissance d'environ 440 kW, le V8 � hydrog�ne d�velopp� par Porsche est � la hauteur du bloc essence d'origine. Afin de mieux �valuer les performances du groupe motopropulseur, Porsche Engineering l'a test� dans un v�hicule de r�f�rence du segment de luxe avec un poids total relativement �lev� de 2 650 kg sur la Nordschleife du N�rburgring, bien que de mani�re enti�rement virtuelle : le trajet a �t� effectu� � l'aide de ce que l'on appelle un jumeau num�rique, c'est-�-dire une repr�sentation informatis�e du v�hicule r�el. Avec un temps au tour de 8 minutes et 20 secondes, le v�hicule a d�montr� un potentiel �lev� en mati�re de dynamique de conduite.
En raison de sa composition chimique, ni les hydrocarbures ni le monoxyde de carbone ne sont lib�r�s lors de la combustion de l'hydrog�ne, et les particules ne jouent pas non plus de r�le, bien s�r. En termes d'optimisation des �missions du moteur � hydrog�ne, les experts de Porsche Engineering se sont donc concentr�s sur les oxydes d'azote. Au cours de vastes cycles d'optimisation, ils ont adapt� la strat�gie de fonctionnement du moteur pour la combustion la plus propre possible. Leur approche �tait de maintenir le niveau d'�missions brutes bas gr�ce � une combustion extr�mement pauvre et donc plus froide, permettant de se passer d'un syst�me de post-traitement des gaz d'�chappement.
"Il s'est av�r� que les �missions d'oxydes d'azote sont bien en de�� des limites fix�es par la norme Euro 7 actuellement en discussion et sont proches de z�ro sur l'ensemble de la carte moteur", rapporte Matthias B�ger, ing�nieur sp�cialiste de la simulation moteur chez Porsche Engineering. Afin de mieux contextualiser les r�sultats des tests d'�missions, il �tablit une comparaison avec l'indice de la qualit� de l'air. Il est utilis� par les autorit�s gouvernementales et d'autres institutions comme r�f�rence pour �valuer le niveau de pollution de l'air. En g�n�ral, une concentration allant jusqu'� environ 40 microgrammes d'oxyde d'azote par m�tre cube est synonyme d'une bonne qualit� de l'air. "Les �missions du moteur � hydrog�ne sont inf�rieures � cette limite. Son fonctionnement n'a donc pas d'impact significatif sur l'environnement �, d�clare B�ger.
En plus de ses �missions � peine mesurables, le moteur � hydrog�ne offre un rendement �lev� dans le cycle de mesure WLTP ainsi que dans les cycles pertinents pour le client gr�ce � sa combustion. � Nous avons ainsi atteint l'objectif que nous nous �tions fix� : le d�veloppement d'un moteur � hydrog�ne propre, �conomique et sportif, � tous les niveaux �, conclut Bevilacqua. Le co�t d'un groupe motopropulseur � hydrog�ne en s�rie pourrait �tre comparable � celui d'un moteur � essence. Bien que le syst�me de turbocompresseur et un certain nombre de composants m�caniques du moteur � hydrog�ne soient plus complexes et donc plus co�teux, le post-traitement des gaz d'�chappement requis pour le moteur � essence sous Euro 7 n'est pas n�cessaire.
L'�quipe Porsche Engineering a pu effectuer tous les tests de mani�re virtuelle et donc tr�s efficace. Le processus de simulation �tabli a fourni la base pour cela, ainsi que la vaste exp�rience de l'entreprise en mati�re de mod�lisation et de calcul. � Il ne nous a fallu que six mois entre l'id�e initiale et l'ach�vement de l'�tude �, explique Bevilacqua. "Cela comprenait des travaux fondamentaux tels que la cr�ation de nouveaux mod�les de simulation qui prennent en compte les diff�rentes propri�t�s chimiques et physiques de l'hydrog�ne par rapport � l'essence."
Il est peu probable que le moteur � hydrog�ne entre en production sous sa forme actuelle, mais ce n'�tait de toute fa�on pas l'objectif du projet. Au lieu de cela, l'accent a �t� mis sur l'examen du potentiel technique de la technologie d'entra�nement alternative et sur l'expansion des capacit�s des outils d'ing�nierie existants. � L'�tude nous a permis d'obtenir des informations pr�cieuses sur le d�veloppement de moteurs � hydrog�ne hautes performances et d'ajouter des mod�les et des m�thodes sp�cifiques � l'hydrog�ne � notre m�thodologie de simulation virtuelle �, explique Bevilacqua. "Avec ce savoir-faire, nous sommes pr�ts � g�rer efficacement les futurs projets clients."
Source : Texte de Richard Backhaus, publi� pour la premi�re fois dans le Porsche Engineering Magazine, num�ro 2/2022.
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