Moteur à gaz avec un rendement record

Le projet «Horizon 2020» «GasOn», auquel ont participé une vingtaine de partenaires, dont l’ETH Zurich et l’Empa, ainsi que quatre constructeurs auto européens et des fournisseurs renommés, avait pour objectif de développer les moteurs à gaz pour voitures particulières et camionnettes. Le résultat : un moteur dont le rendement peut atteindre 45%.

Outre les moteurs électriques et à hydrogène, les moteurs à gaz jouent également un rôle important au sein du Centre de compétence suisse pour la recherche énergétique dans le domaine de la mobilité («SCCER Mobility») dirigé par l’ETH Zurich. En effet, les véhicules fonctionnant au biogaz valorisé ou au méthane synthétique («e-gas») émettent très peu de CO₂. Le méthane synthétique est produit à partir de surplus temporaires d’électricité renouvelable et de CO₂. Le biogaz traité et le méthane synthétique peuvent être mélangés à volonté et, avec un indice d’octane allant jusqu’à 130, présentent une résistance au cognement nettement supérieure à celle de l’essence, ce qui en fait un carburant idéal pour les moteurs à combustion interne. Pour les charges lourdes, comme sur autoroute, les véhicules à essence atteignent déjà des rendements supérieurs à ceux des moteurs à essence.Toutefois, l’efficacité pourrait encore être considérablement augmentée – en raison de la résistance élevée au cognement du méthane – parce que les moteurs à gaz actuels des voitures particulières ne sont généralement que des moteurs à essence peu adaptés, c’est-à-dire des concepts qui n’ont pas encore été optimisés pour fonctionner au méthane. Afin d’identifier ce potentiel inexploité, le projet européen «GasOn» a été lancé en 2015 avec la participation de chercheurs de l’ETH Zurich et de l’Empa dans le cadre d’un work package mené par Volkswagen Group Research.

Vue en coupe du processus de combustion de la préchambre, avec lequel la consommation du moteur à gaz peut être réduite d’environ 20%.

Moteur à gaz optimisé
Un procédé de combustion très efficace a été mis en œuvre pour un moteur à gaz de deux litres de cylindrée: un mélange de gaz pauvre est allumé à l’aide d’une antichambre de la taille d’un dé à coudre et calmé par le flux. Dans le laboratoire de l’ETH pour l’aérothermochimie et les systèmes de combustion, des essais de base ont été effectués sur des supports d’essai optiquement accessibles. Ils ont été utilisés pour étudier le comportement de l’allumage dans l’antichambre et le débordement des rayons chauds dans la chambre de combustion principale. A l’aide de ces données, des outils numériques ont également été développés afin de pouvoir calculer les processus en détail à l’aide de simulations informatiques. Ces résultats ont permis à Volkswagen Group Research d’optimiser la conception de l’antichambre et de la chambre de combustion principale. Un moteur équipé de manière adéquate a ensuite été installé à l’Empa et des investigations du processus de combustion ont été effectuées. Un système de commande moteur développé par l’Institut des systèmes dynamiques et de la technique de commande de l’ETH Zurich a été utilisé, qui d’une part coordonne l’ensemble du système complexe et d’autre part permet une adaptation efficace aux nouvelles connaissances.

Le mélange de gaz pauvre est enflammé au moyen d’une antichambre de la taille d’un dé à coudre, qui est calmée par le flux (photo).

Résultat: une efficacité record pour les moteurs de voitures particulières
Par rapport à l’état de l’art, la consommation du nouveau moteur à gaz à combustion préchambre a pu être réduite de 20% (convertie en consommation standard WLTP pour un véhicule moyen de gamme). L’efficacité maximale était de plus de 45%, avec des efficacités de plus de 40% obtenues sur une large plage de fonctionnement du moteur. De telles valeurs ne sont actuellement atteintes que par des moteurs nettement plus gros, tels que ceux utilisés dans les véhicules utilitaires, à l’arrêt ou dans les applications marines; il s’agit d’un nouveau record pour les moteurs de voitures particulières. A titre de comparaison, les moteurs à essence ont généralement un rendement de 35 à 40% à leur meilleur point. Le projet GasOn ne s’est pas encore penché sur le post-traitement des gaz d’échappement d’un tel moteur; il y a encore un besoin de recherche en raison du processus de combustion pauvre.

Dans l’ensemble, il a été démontré que les moteurs à gaz ont le potentiel d’atteindre des rendements similaires à ceux des moteurs diesel (beaucoup plus gros). De plus, ils peuvent être exploités très facilement avec n’importe quelle quantité de méthane biogènic ou synthétique renouvelable et atteignent ainsi de très faibles émissions de CO₂. Les constructeurs automobiles concernés sont en train de clarifier comment les résultats du projet «GasOn» peuvent être transférés aux véhicules de série. (pd, 20 juin 2019)

SCCER Mobility