MAHLE Powertrain et Liebherr collaborent au développement d’une préchambre de combustion pour les moteurs hautes performances fonctionnant à l’hydrogène

« L’utilisation de l’hydrogène comme combustible pourrait permettre d’accélérer la décarbonation de nombreux véhicules lourds et tout-terrain », déclare Mike Bunce, directeur de recherche chez MAHLE Powertrain aux États-Unis. « Au cours des dernières décennies, de nombreux résultats de recherche ont confirmé la compatibilité de l’hydrogène avec les moteurs à combustion interne. Le défi consistait à obtenir une combustion stable sans réduction du taux de compression, afin d’éviter les cliquetis et un allumage précipité. Notre travail conjoint avec Liebherr a permis d’obtenir des réponses. »

L’hydrogène est un carburant neutre en carbone. Il suscite l’intérêt en raison de sa disponibilité croissante et du fait qu’il peut être produit à partir de sources d’énergie renouvelable. Utilisé comme carburant pour les moteurs à combustion interne existants qui ont fait leurs preuves dans les environnements difficiles, le moteur à combustion à l’hydrogène est parfaitement adapté aux cycles avec des variations brusques et fréquentes de charges, à la poussière, à la chaleur et aux vibrations lors des usages intensifs et tout-terrain. Contrairement aux autres groupes de propulsions, à pile à combustible ou à batterie.

Le problème réside dans le fait que l'hydrogène, lorsqu’il est utilisé comme combustible, est sujet à une combustion particulière, ce qui entraîne des cliquetis au niveau du moteur et un allumage précipité. Cela nécessite généralement une diminution du taux de compression dans le moteur, qui se traduit par une baisse d’efficience. L’une des alternatives possibles consiste à diminuer la température de combustion au moyen d’une forte dilution, ce qui favorise un fonctionnement plus stable, mais nécessite une source d'inflammation à haute énergie. La technologie d’allumage avec chambre de précombustion développée par MAHLE pour les applications à essence permet l’utilisation d’un mélange d’air et d’hydrogène fortement dilué et s’avère donc idéale pour le fonctionnement des moteurs à hydrogène. Pour pouvoir être utilisé, le système MJI a été adapté : la préchambre de combustion dans la culasse, qui contient une bougie d'allumage, a notamment été modifiée. Elle enflamme le mélange d’air et d’hydrogène. Le plasma qui en résulte est injecté à travers de petites ouvertures dans la chambre de combustion principale pour enflammer le mélange combustible de manière rapide et homogène.

Lors d’une étude préalable, l’adaptation de la préchambre de combustion active sur les moteurs Liebherr H966 et H964 a permis de démontrer que cette technologie repousse la limite de dilution stable bien au-delà des capacités des systèmes d'allumage classiques. La combustion est ainsi beaucoup plus rapide et complète.

« Avec Liebherr Machines Bulle SA, nous avons pu adapter la préchambre de combustion active sur les moteurs à hautes performances de Liebherr, ce qui a permis d’améliorer la vitesse de combustion, la puissance et les émissions. De plus, la technologie simplifie l’architecture des moteurs », explique Mike Bunce. « Nous avons ainsi pu diminuer le risque de baisse du taux de compression lié à l’hydrogène et réduire la consommation énergétique. Les connaissances techniques de l’équipe d’ingénieurs Liebherr dans les domaines de la combustion à hauts rendement et de la recherche et développement des moteurs à combustion à carburants alternatifs ont été d'une grande aide dans le cadre de ce programme », ajoute Bouzid Seba, responsable du développement chez Liebherr Machines Bulle, soulignant l’ouverture de Liebherr aux technologies et l’intérêt que porte l’entreprise aux diverses approches de conversion de l’énergie ainsi qu’aux carburants adaptés.

Certains des résultats issus de la collaboration ont été présentés lors du 8e congrès international sur les moteurs en février 2021. Les deux entreprises entendant poursuivre leur coopération pour faire avancer le développement des véhicules zéro émission et répondre aux exigences élevées du secteur des véhicules lourds et des machines de chantier.