Conception de moteurs à combustion interne à hydrogène efficaces et à basse émission – DELHYCE

La chaire DELHYCE est structurée autour de 5 taches.
Les tâches 1 et 2 sont dédiées à des études fondamentales permettant de construire les bases de la méthodologie expérimentales. Les taches 3, 4 et 5 permettront de répondre de manière progressive aux attentes industrielles.
* La tâche 1 est dédiée à l’étude de la combustion turbulente de mélange air-hydrogène dans des conditions de haute pression et haute température. Cette dernière est réalisée dans des enceintes turbulentes permettant d’atteindre des conditions représentatives de celles rencontrées dans les moteurs. Puis les phénomènes d’auto-inflammation, dans des conditions de stratification de richesse et de température, en présence ou non de vapeur d’eau ou d’EGR, seront étudiées dans une machine à compression rapide.
* La tâche 2 est dédiée à la caractérisation du mélange hydrogène-air dans deux moteurs à accès optiques LCV. Des stratégies d’injection et différentes chambres de combustion seront étudiées grâce à l’emploi de diagnostics laser.
Les résultats des tâches 1 et 2 permettrons de valider et d’améliorer les modèles de combustion 0D et 3D utilisés par les industriels pour reconcevoir et redesigner les moteurs, notamment pour leur utilisation dans les taches 3 et 4.
* La tache 3 est dédiée à l’étude et l’optimisation de la combustion, sur deux bases moteurs DW10F et B22, à injection directe hydrogène. Une méthodologie de mesures des émissions polluantes à l’échappement et des performances, par une analyse de la pression cylindre, sera réalisée. L’impact de la stratégie d’injection, la suralimentation et l’optimisation de la chambre de combustion seront étudiés sur le rendement et les émissions de Nox notamment
* La tache 4 sera dédiée à l’optimisation de la combustion sur le monocylindre MH8 Renault Trucks à injection indirecte. Comme pour la tache 4, des mesures fines de polluants et de performances seront réalisées. Plus particulièrement, l’impact de l’injection d’eau ou de l’EGR sera étudié. Plusieurs versions de design du moteur seront testées afin d’augmenter notablement la charge du moteur, d’optimiser le rendement et les émissions polluantes.
* La tache 5 permettra d’élaborer des stratégies de contrôle moteur sur polycylindre DW10F et B22. La gestion des transitoires de charges et de régime sous contrainte d’émissions polluantes et de combustion anormale sera optimisée.
* Et enfin, une tâche 6 sera dédiée à la dissémination et la valorisation des résultats issus de la chaire. Concernant la communauté d’experts : la valorisation des résultats sera réalisée à travers des publications, communications internationales et dépôts de brevets. L’organisation de congrès et workshop permettra de faire rayonner le consortium DELHYCE. La dissémination des résultats envers le grand public et les formations supérieures permettront de valoriser la filière hydrogène auprès du plus grand nombre.

Les retombées scientifiques seront de plusieurs natures : publications dans des articles à comité de lecture, communications dans des conférences internationales et dépôts de brevets (stratégies de contrôle moteur, designs innovants de chambre combustion etc…). La diffusion auprès des professionnels, des étudiants ou du grand public sera également réalisée notamment grâce à l’organisation ou à la participation à des conférences.
Les livrables attendus du projet DELHYCE sont :
(1) la validation des outils numériques industriels,
(2) l’élaboration d’une méthodologie permettant l’optimisation de moteurs (rendement, émissions, combustion) dans le cadre du rétrofit et du réusage des moteurs Diesel LCV et medium Duty,
(3) la réalisation de moteurs polycylindres sur la base du DW10F Stellantis et du MH8 (Renault Trucks) et dans le cadre du rétrofit, la reconception partielle du moteur B22 polycylindre (Stellantis).
(4) le maintien de l’emploi et la création de nouvelles richesses industrielles locales : le retrofit et le réusage des moteurs permettant de concerner les lignes de productions de moteurs existantes.
(5) La production, dès 2023-2024 d’une flotte de véhicules LCV sur la base du DW10F puis en 2024-2025 une flotte de véhicules sur la base du B22 pour Stellantis. Pour Renault Trucks, la construction de la filière rétrofit est en cours d’évaluation.
De plus, le projet DELHYCE permettra également de former des BAC+8 durant les 5 thèses liées aux différentes taches et des ingénieurs durant des stages. La formation par la recherche permettra à ces étudiants de pouvoir s’insérer aux futurs métiers liés à l’utilisation de l’hydrogène dans la mobilité lourde.

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L’Europe définit sa trajectoire pour assumer sa transition écologique, son « Green Deal », au travers de la mise en œuvre d’un ensemble d'initiatives politiques. Devant une ligne directrice inflexible, considérée comme dogmatique par certains, le Parlement européen tend à faire de l’Europe, le premier continent climatiquement neutre. En effet, dans le domaine des transports, l'Union Européenne (UE) a proposé d’abolir les ventes de véhicules légers (voitures, camionnettes, VUL) utilisant des carburants fossiles, ainsi que pour les transports lourds (camions, bus), d’ici 2035. Plusieurs technologies permettent de répondre à ces engagements : la propulsion réalisée par des moteurs à combustion interne Hydrogène en fait partie. Cette dernière permettrait de décarboner rapidement une partie des véhicules existants, grâce au rétrofit des moteurs Diesel en moteur à Hydrogène, puis de proposer de nouveaux véhicules dont les moteurs, issus des chaines de production Diesel, seraient reconçus pour être adaptés à la combustion de l’Hydrogène. Cependant, les moteurs à combustion interne Hydrogène sont également stratégiques, d’un point de vue économique, puisque les usines de production, et les emplois liés, peuvent être sauvegardés localement.
Le laboratoire PRISME, de l’université d’Orléans, engagé avec Stellantis autour d’un laboratoire commun Openlab Energetics, depuis plus de dix ans, et une plateforme expérimentale ExplOe, depuis 4 ans ; ainsi qu’avec Renault Trucks au sein d’un projet ADEME-CORAM PL-H2 (France 2030), possède un savoir-faire, une forte expérience et des dispositifs uniques et reconnus, sur la combustion Hydrogène.
La chaire « DEsign of Low emission and efficient Hydrogen Internal Combustion Engines » (acronyme : DELHYCE) a pour ambition de construire une méthodologie permettant de rétrofiter et de reconcevoir des moteurs à combustion interne Hydrogène, sur la base de moteurs Diesel de petites cylindrées pour les véhicules commerciaux et de plus fortes cylindrées, pour les camions. Puis deux motorisations Stellantis et une Renault Trucks seront optimisées et testées. Le rendement et les émissions de NOx seront notamment fortement optimisés, sous contraintes de maitrise des combustions anormales, caractéristiques de ces motorisations.
Afin de répondre aux enjeux industriels et de lever les verrous scientifiques, six tâches ont été définies, impliquant six doctorants :
• La tâche 1, consacrée à la compréhension des phénomènes de combustion Hydrogène (injection, mélange air-hydrogène, combustion, auto inflammation et pollution) ;
• La tâche 2, pour la caractérisation des phénomènes de mélanges dans des moteurs à accès optiques ;
• La tâche 3, consacrée à l’optimisation de moteurs Stellantis : des moteurs monocylindres de recherche seront développés pour cela ;
• La tâche 4, dédiée à l’optimisation du moteur MH8 de chez Renault Trucks. Le moteur monocylindre développé dans le cadre du projet CORAM PL-H2 sera réutilisé ;
• La tâche 5, pour proposer des nouvelles lois de commandes pour contrôler les moteurs à combustion interne hydrogène, notamment durant les phases de transitoires. Les moteurs polycylindres permettront de valider ces lois de commandes ;
• La tâche 6, dédiée à la valorisation des résultats et à la dissémination de ces derniers (un effort particulier sera fait pour impliquer les formations universitaires mais également sensibiliser un publique plus jeune).

Ainsi, l’ambition du projet DELHYCE, pour le volet industriel, est :
• Pour Stellantis : de disposer de motorisation hydrogène ;
• Pour Renault Trucks : d’améliorer substantiellement le rendement et la charge maximum du moteur MH8 afin de motoriser des démonstrateurs 19 tonnes.