Liebherr développe l'injection directe d'hydrogène pour les moteurs à combustion

Liebherr a développé un système d'injection directe d'hydrogène (H2-DI) qui permet une densité de puissance égale à celle d'un moteur à combustion conventionnel.

La robustesse contre la poussière, la saleté et les vibrations, ainsi que contre d'autres conditions environnementales difficiles, sont quelques-unes des exigences clés. Cependant, être comparable au moteur diesel en termes de performances et de maniabilité dans toutes les applications constitue l'un des plus grands défis.

L'approche système de Liebherr en matière d'injection d'hydrogène combine divers composants pour contrôler la pression et le débit. Cela permet d’obtenir les mêmes caractéristiques de conduite que le diesel, tout en conservant une conception de système robuste.

Les groupes motopropulseurs à base d'hydrogène constituent un élément important de l'approche technologique ouverte de Liebherr en matière de concepts de groupes motopropulseurs alternatifs.

L'objectif d'adapter les performances d'un moteur H2-DI à celles d'un moteur diesel nécessite que le système soit capable d'assurer des débits élevés. Comme l’hydrogène gazeux a une faible densité, l’injecteur nécessite une conception à haut débit. Pour permettre un contrôle précis, même des plus petites quantités, la pression du système doit être régulée avec une précision extrême. Dans le système d'injection H2 de Liebherr, ceci est réalisé au moyen d'une vanne de régulation du volume de gaz. De plus, il est important de s’assurer que l’injecteur ne présente aucune fuite et qu’il est étanche au gaz.

« Pour obtenir la même maniabilité avec un système H2 qu'avec un diesel, le système d'injection d'hydrogène doit être parfaitement adapté au couple et à la puissance du moteur », a déclaré Richard Pirkl, directeur général de la technologie et du développement chez Liebherr-Components Deggendorf GmbH.

"Cela signifie que lors du passage du ralenti à la pleine charge, la quantité de carburant nécessaire et la pression du système correspondante doivent être mises à disposition le plus rapidement possible."

Le système d'injection H2 de Liebherr est conçu pour fournir un contrôle de pression extrêmement rapide et précis, quelle que soit la position du réservoir de carburant, la taille de la machine, la configuration ou l'installation du moteur. La conception permet un contrôle de pression en deux étapes. Alors que le premier étage stabilise initialement la pression variable du réservoir de carburant, le deuxième étage affine la pression.

La pression d'injection est contrôlée en activant la vanne de dosage de gaz via l'unité de commande électronique (ECU). L'ECU contrôle la vanne de dosage de gaz par un contrôleur à action directe en boucle fermée. Les modules logiciels spécifiques à l'hydrogène développés sur mesure peuvent être intégrés dans des logiciels d'application ou des unités de contrôle tiers.

"Le système H2-DI est conçu pour fonctionner sans soupape de surpression électronique", a déclaré Pirkl.

"L'idée derrière tout cela est de garder le système aussi simple que possible, tout en évitant le rejet d'hydrogène gazeux dans l'atmosphère pendant le fonctionnement."

L'injecteur est un élément clé du système. Les dimensions globales de l'injecteur H2 LPDI de Liebherr sont similaires à celles des injecteurs diesel pour moteurs lourds. En particulier, le diamètre extérieur maximal critique se situe dans la même plage que pour les injecteurs diesel.

"L'injecteur est le composant le plus sophistiqué et, en même temps, le plus déterminant des performances du système de carburant à hydrogène", a déclaré Pirkl.

Dans l'étage d'échantillonnage actuel, l'injecteur peut être équipé de différents raccords hydrogène au moyen d'un insert à visser. Deux variantes de base de la tête d'injecteur — entrée H2 radiale et axiale — permettent différentes situations d'installation.

Pour garantir une forme de pulvérisation et une direction de jet correctes, la buse de l'injecteur est équipée d'un capuchon diffuseur.

« Il est interchangeable au stade de l'échantillonnage et permet de tester de manière rentable différentes variantes afin de définir la meilleure configuration. Grâce à une solution à visser, le capuchon du diffuseur peut être facilement remplacé », a déclaré Pirkl.

L'injecteur est ouvert et fermé via une aiguille directement activée par une bobine sous tension. Pour répondre aux dimensions cibles du boîtier, la bobine a été agrandie.

Le défi consistait à obtenir une force électromagnétique suffisante pour une activation directe, tout en faisant correspondre les dimensions externes critiques de la zone de la bobine aux exigences du constructeur du moteur. De multiples simulations de différents concepts de bobines, matériaux et situations d'installation ont été testées tout au long du processus. La force électromagnétique a été affinée pour garantir la bonne ouverture de l’injecteur, tout en minimisant le délai de fermeture.