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HYCE

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HYdrogen Combustion Engine

Projet relevant de la cellule territoriale du plan de relance R&D de la DRARI Centre Val de Loire
Durée ► 24 mois
Démarrage ► Janvier 2022
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Frelance

Contexte

Le 14 juillet 2021, la commission européenne a adopté un ensemble de propositions volontaires et ambitieuses afin d’adapter la politique de l’Union notamment dans le domaine du climat, de l’Energie de l’agriculture et du transport afin de réduire ses émissions nettes de gaz à effet de serre de 55% d’ici 2030 par rapport aux émissions de 1990 et d’atteindre la neutralité climatique d’ici 2050. Cette feuille de route nommée « FIT for 55 » envisage de réduire les émissions moyennes de gaz à effet de serre des véhicules particuliers et des véhicules utilitaires légers de 55% à partir de 2030 et de 100% à partir de 2035 par rapport aux niveaux de 2021. Ainsi, seuls les véhicules électriques ou utilisant l’hydrogène pourront être commercialisés. Pour assumer l’approvisionnement, le réseau de distribution sera renforcé notamment grâce à des bornes de recharge d’au moins 300kW tous les 60 km et des stations de ravitaillement et Hydrogène tous les 150 km et dans chaque nœud urbain d’ici 2030.

L’hydrogène vert est donc une des solutions retenues permettant de répondre à ces objectifs ambitieux et peut être converti en électricité grâce à une pile à combustible ou en énergie mécanique si l’hydrogène est utilisé dans un moteur à combustion interne. Ainsi dans un contexte de transport, d’industrie et de production d’énergie (groupe électrogène), la valorisation optimale de l’hydrogène doit être privilégiée tout en maitrisant le coût d’investissement et de fonctionnement du convertisseur d’Energie (pile à combustible ou moteur à combustion interne).

Ainsi en tenant compte des performances, de l’investissement (CAPEX) et du coût d’exploitation (OPEX), le moteur à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène est une solution élégante (Efficace ?) permettant de répondre aux enjeux environnementaux futurs.

 

Objectifs

Le projet HYCE vise à proposer urgemment, c’est-à-dire dans les 24 mois, des solutions permettant de convertir des moteurs à combustion interne de type Diesel en moteur à allumage commandé et ainsi sauver des moyens de production existant en France chez les équipementiers et les constructeurs automobile/poids-lourds ; puis à concevoir de nouvelles motorisations dédiées à la combustion de l’hydrogène pour de nouveaux usages. Plus précisément, le projet HYCE a pour ambition de développer et d’optimiser des technologies (notamment des injecteurs)  hydrogène afin d’équiper une large gamme de moteur à combustion interne : moteur de type automobile de petite cylindrée, moteur pour poids lourds, moteurs industriels de type groupe électrogène, machine agricole ou BTP.

 

Les partenaires

Le projet HYCE va permettre d'associer les compétences de BorgWarner Blois avec celles du laboratoire PRISME afin de répondre efficacement aux enjeux industriels et scientifiques, de monter rapidement en compétences et de rayonner dans leur domaine d’activités respectif.

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borgwarner
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Prisme

Déroulement

Les taches numériques et expérimentales seront réalisées au sein de la société BorgWarner. Elles s’appuieront notamment sur le centre de calcul de chez BorgWarner et sur les cellules d’essais moteur du site BorgWarner Blois. Des expériences spécifiques seront mises en œuvre au sein du laboratoire PRISME afin de caractériser par diagnostics optiques les injecteurs. L’utilisation de moteurs de recherche monocylindre à PRISME permettra de réaliser des études en avance de phase et de valider des concepts proposés par la tâche numérique.

M. Jean Low-Kame, personnel de l’Université d’Orleans accueilli dans la société BorgWarner pour une durée de 24 mois, sera intégré dans l’équipe Recherche et développement du produit contrôle moteur à combustion interne à Hydrogène du site BorgWarner de Blois. Il assurera la définition des méthodologies afin d’optimiser les paramètres influents du contrôle et de la calibration des moteurs pour respecter les objectifs de performances et d’émissions. Il réalisera et analysera les tests nécessaires à la compréhension de la combustion de l’Hydrogène sur monocylindre et poly-cylindres incluant les essais spécifiques à l’amélioration des méthodologies, et adaptera les techniques de calibration afin d'améliorer la pertinence des méthodes connues sur des motorisations essence ou diesel.

M. Alexis Tinchon, personnel de l’Université d’Orleans accueilli dans la société BorgWarner pour une durée de 24 mois, sera intégré dans l’équipe Recherche et Développement du produit injecteur pour moteur à combustion interne à Hydrogène du site BorgWarner de Blois. Il assurera la caractérisation du spray de l’injecteur sur banc de visualisation et sa corrélation aux modèles numériques ainsi que les essais sur banc moteur. Il proposera, réalisera et analysera les tests nécessaires à la caractérisation d’un Spray Hydrogène incluant les essais spécifiques à l’amélioration des modèles numériques. Il réalisera des études numériques pour créer, améliorer et corréler les modèles CFD. 

 

Résultats Attendus

Une approche numérique permettra de réaliser des modélisations 3D de l’injecteur afin d’améliorer la compréhension du fonctionnement de celui-ci fonction des conditions opératoires (pression d’injection, pression et température du milieu dans lequel l’hydrogène est injecté, réglage électrique du driver d’injection, etc…). Puis des géométries de chambre de combustion et des stratégies d’injection seront calculées afin d’optimiser la préparation du mélange hydrogène-air dans le but de réduire les émissions de Nox et l’apparition du cliquetis.

Cette approche numérique sera complétée par une approche expérimentale. Les injecteurs seront testés sur des enceintes permettant de reproduire les conditions opératoires rencontrées dans les moteurs à combustion interne et des diagnostics optiques permettront de caractériser le spray d’hydrogène. Ces mesures seront comparées aux résultats obtenus par calcul 3D. Des tests sur bancs moteurs (moteurs automobiles et moteurs industriels) permettrons de valider les différents concepts de chambre de combustion, de stratégies d’injection et de stratégie de contrôle moteur.

Des méthodes avancées de caractérisation des injecteurs et des calculs 3D associés à ces mesures seront développées. Une valorisation scientifique, sous la forme de publications et conférences, est attendue.

Les compétences acquises durant ce projet permettront à BorgWarner Blois, centre de compétence R&D pour le groupe, de développer de nouveaux produits (injecteurs, contrôle moteurs, etc…) spécifiques à la combustion de l’hydrogène et de maintenir ainsi l’emploi en R&D et en production.

 

Valorisation

L’étude est en parfaite adéquation avec les objectifs visant à soutenir la transition vers des technologies à faibles émissions de carbone. Elle vise également à maintenir l’emploi sur le territoire national grâce à une diversification de l’offre de produit de la société BorgWarner, emplois résilients face au changement climatique.

Par le déploiement de technologie permettant l’utilisation rationnelle de l’hydrogène, le projet HYCE permettra de répondre à l’objectif de neutralité carbone dans le domaine du transport pour les véhicules et utilitaires légers (objectifs « FIT 55 » en 2035) et à la baisse notable des émissions de CO2 du transports routiers et de l’industries.

 

Contact : Fabrice FOUCHER ⇒ fabrice.foucher@univ-orleans.fr