Générateurs d’hydrogène pour voitures : une solution plus propre pour les moteurs
L’hydrogène est de plus en plus utilisé dans les moteurs, principalement dans les moteurs à combustion interne à hydrogène pur et les kits HHO pour voiture. Les deux méthodes offrent un rendement de combustion supérieur et des émissions réduites par rapport aux moteurs essence et diesel traditionnels.
Shelef et al. [1] ont mené des études expérimentales sur les moteurs à hydrogène pur, à essence et électriques, révélant que les moteurs à combustion interne à hydrogène pur possèdent le meilleur rendement énergétique. L’utilisation de l’hydrogène comme carburant pour les moteurs à combustion interne améliore efficacement leur rendement et leurs émissions sans nécessiter de modifications importantes de la structure du moteur. Par conséquent, la combustion interne d’hydrogène est considérée comme une méthode simple et réalisable pour améliorer la puissance du moteur, ainsi qu’une approche pratique pour l’économie d’énergie et la réduction des émissions.
Défis de l’énergie hydrogène dans les moteurs à combustion interne
Bien que l’énergie hydrogène offre un grand potentiel pour les moteurs à combustion interne, des défis subsistent concernant la production et le stockage de l’hydrogène. L’infrastructure incomplète des stations d’hydrogène rend le ravitaillement difficile, et le stockage de grandes quantités d’hydrogène sous haute pression pose de sérieux risques de sécurité. Par conséquent, les moteurs à combustion interne à hydrogène pur ne sont pas encore une solution pratique pour un usage généralisé dans les véhicules.
Le kit générateur d’hydrogène pour voiture, quant à lui, mélange l’hydrogène et l’oxygène avec l’essence pour alimenter le moteur. Le système de production d’hydrogène peut générer l’hydrogène en temps réel, éliminant ainsi le besoin d’un stockage important. De plus, les modifications du moteur sont minimes, puisque la combustion hydrogène-oxygène ne nécessite qu’un tuyau d’admission d’hydrogène supplémentaire à l’entrée d’air du moteur. Cela fait du kit HHO une option plus viable pour les véhicules actuellement.
Comparaison de l’hydrogène et des carburants fossiles conventionnels
L’hydrogène, source d’énergie verte renouvelable, possède une diffusivité quatre fois supérieure et une vitesse de propagation de flamme cinq fois supérieure à celle de l’essence (voir Tableau 1-1). Ces caractéristiques font de l’hydrogène un carburant alternatif idéal pour les moteurs à allumage commandé [2-4]. Contrairement à d’autres carburants alternatifs, l’hydrogène ne contient pas d’atomes de carbone, ce qui signifie aucune émission d’hydrocarbures, de monoxyde ou de dioxyde de carbone lors de la combustion. De plus, une combustion stable réduit les émissions de NOx.
La forte diffusivité de l’hydrogène permet un mélange carburant plus homogène dans le moteur à combustion interne, favorisant une combustion rapide et complète. Par conséquent, les moteurs à combustion interne utilisant l’hydrogène atteignent une durée de combustion plus courte que les moteurs à essence et diesel traditionnels, améliorant ainsi le rendement thermique.
En conclusion, le kit générateur d’hydrogène pour voiture représente une alternative prometteuse aux moteurs traditionnels. Il offre une meilleure économie de carburant, des émissions réduites et une solution plus propre pour le transport. Cependant, des recherches complémentaires et un développement d’infrastructure sont nécessaires pour que l’hydrogène devienne une source d’énergie largement adoptée pour les véhicules.
| Carburant | Hydrogène | Essence | Diesel | Gaz naturel |
| Rapport air/carburant | 34,3 | 14,6 | 14,5 | 17,1 |
| Énergie minimale d’allumage (mJ) | 0,02 | 0,24 | – | 0,28 |
| Température d’auto-inflammation (K) | 858 | 530 | 493 | 632,2 |
| Vitesse de propagation de flamme (cm/s) | 237 | 41,5 | 30 | 37,3 |
| Limite de concentration de combustion (Vol % air) | 4,1-75 | 1,5-7,6 | 0,7-5 | 5,1-15 |
| Pouvoir calorifique net (MJ/kg) | 120 | 44 | 42,7 | 32,5 |
Installation et test du kit HHO pour voiture
1.Kit HHO pour voiture
Le générateur d’hydrogène PEM fonctionne sous une tension de 5 V. Un transformateur convertit les 12 V de la batterie du véhicule en 5 V, alimentant ainsi le générateur PEM qui électrolyse de l’eau pure pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène. Une bouteille de séparation eau-gaz filtre l’eau avant de réintroduire le mélange hydrogène-oxygène dans le moteur, où il se combine à l’air et à l’essence pour la combustion.
2.Voiture de test
Le véhicule d’essai est équipé d’un moteur turbocompressé de 2,0 L à quatre cylindres produit par GAC Group. Les paramètres spécifiques du moteur d’origine figurent dans le tableau « Paramètres du moteur ».
| Détail | Valeur |
| Cylindrée (ml) | 1991 |
| Méthode d’admission | Turbo |
| Disposition des cylindres | En ligne |
| Nombre de cylindres | 4 |
| Puissance (kW) | 185 |
| Puissance (PS) | 252 |
| Alimentation | Injection directe |
3.Instruments de test
Ordinateur de diagnostic véhicule
L’ordinateur de diagnostic véhicule surveille en temps réel différents paramètres du moteur, notamment l’avance à l’allumage, la largeur d’impulsion d’injection et l’ouverture du papillon.
CI de contrôle de l’angle d’allumage
L’angle d’avance à l’allumage influence fortement les performances du moteur ; un réglage inadéquat peut les détériorer. Dans ce test, l’angle d’allumage est ajusté par un système informatique après l’admission d’hydrogène. L’étude examine l’effet de cet angle sur un moteur équipé d’un kit HHO ; l’ordinateur ajuste manuellement l’angle dans une plage sûre en fonction des signaux pertinents du moteur et du véhicule, ainsi que de la teneur en hydrogène et oxygène.
Dynamomètre de puissance
Le dynamomètre de puissance mesure la puissance et le couple du véhicule complet, avec une capacité maximale de 400 kW. L’objectif principal est d’évaluer l’influence du kit HHO sur les performances dynamiques du véhicule.
Analyseur d’émissions automobile
L’analyseur portable des gaz d’échappement peut être installé dans le véhicule pour contrôler en temps réel les émissions du moteur. Le modèle est SV-5QC.
Pour les HC, la plage de mesure est de (0-9999) × 10-6 avec une erreur de ±5 %;
pour le CO, (0-16) × 10-2 avec une erreur de ±5 %;
pour le CO2, (0-18) × 10-2 avec une erreur de ±4 %;
pour l’O2, (0-25) × 10-2 avec une erreur de ±5 %;
pour le NO, (0-4000) × 10-6 avec une erreur de ±4 %
Recherche sur les performances du moteur à essence HHO dans des conditions fixes
Nous avons mené une étude pas à pas sur un moteur à essence équipé d’un générateur d’hydrogène PEM et sur un véhicule complet. Nous avons choisi deux régimes fixes représentatifs et deux pressions d’admission absolues pour les essais : 1500 tr/min pour représenter les conditions urbaines à basse vitesse, et 2000 tr/min pour les conditions périurbaines et à grande vitesse. Pour la pression absolue du collecteur d’admission (MAP), nous avons sélectionné 45 kPa et 70 kPa afin de représenter respectivement des charges moyenne-basse et moyenne-haute. Nous avons ainsi testé quatre combinaisons en associant les deux régimes aux deux niveaux de charge.
Pendant l’expérience, nous avons stabilisé la vitesse du moteur et la MAP dans les quatre conditions de fonctionnement. Le générateur PEM a produit de l’hydrogène et de l’oxygène qui ont ensuite été introduits dans le moteur pour la combustion. Nous avons conservé l’angle d’allumage d’origine du véhicule pour assurer la comparabilité. Nous avons cessé d’augmenter le débit de gaz HHO si un cliquetis survenait afin de protéger le moteur. Nous avons sélectionné six débits différents de production HHO pour le générateur à échange de protons à MAP 45 kPa et quatre débits à MAP 70 kPa. Nous avons veillé à la stabilité des paramètres pendant le test et relevé l’indice de puissance moteur au dynamomètre.
Résultats des tests
Effet de l’augmentation de HHO sur la puissance du moteur à essence
Le couple de sortie est un indicateur essentiel des performances du moteur. Sous des charges moyenne et faible, l’augmentation de la teneur en hydrogène et en oxygène améliore le couple, les gains étant plus importants aux concentrations les plus faibles. L’ajout de HHO accroît la valeur calorifique du mélange, ce qui améliore la puissance et le couple du moteur.
Sous des charges moyenne et élevée, l’augmentation de HHO favorise également la croissance du couple. À 1500 tr/min, l’augmentation de HHO fait passer le couple de 71 Nm à 86 Nm, soit +21 %. À 2000 tr/min, le couple passe de 69 Nm à 83 Nm, soit +20 %. L’augmentation du HHO améliore significativement l’efficacité thermique du moteur, ce qui se traduit par une hausse du couple.
Recherche sur le couple de sortie du kit HHO pour voiture
Le couple transmis par le véhicule est le reflet le plus direct de l’effet de la combustion hydrogène-oxygène sur le moteur. L’objectif de SENZA est de concevoir et de fabriquer un kit HHO pour véhicules grand public. Les propriétaires s’intéressent avant tout à l’impact direct du système sur les performances en puissance.
Dans ce test, nous avons comparé la puissance du véhicule d’origine à celle mesurée après installation du kit HHO. Le véhicule d’origine produisait 89 ch à 2640 tr/min en accélération rapide. Après installation du kit HHO, le moteur délivre 82 ch à 2300 tr/min, permettant une accélération plus rapide que le véhicule d’origine. À 2640 tr/min, le couple du moteur d’origine était de 238 Nm pour 89 ch. Après installation du kit HHO, le couple passe à 293 Nm et la puissance à 110 ch au même régime, soit un gain de 23 %.
Recherche sur le couple de sortie du kit HHO – résultats
Le couple de sortie du véhicule illustre directement l’effet de la combustion HHO sur le moteur. Comme le montre la figure, le véhicule d’origine délivre seulement 89 ch à 2640 tr/min en accélération rapide ; après montage du kit HHO, le moteur atteint déjà 82 ch à 2300 tr/min et le véhicule démarre plus rapidement que l’original. À 2640 tr/min, le couple d’origine est de 238 Nm pour 89 ch ; après installation du kit, le couple passe à 293 Nm et la puissance à 110 ch, soit 23 % de plus que le véhicule d’origine.
Test d’efficacité énergétique HHO
Un autre aspect déterminant des performances moteur est l’efficacité énergétique. Nous avons analysé l’impact du kit HHO sur la consommation de carburant dans les différentes conditions testées. Les résultats indiquent qu’avec l’augmentation de la teneur en hydrogène et en oxygène, le taux de consommation de carburant s’améliore. Cette amélioration est due à une combustion plus efficace et plus complète du carburant, conduisant à une efficacité thermique supérieure.
Impact du HHO sur l’efficacité énergétique
Sous des charges moyenne-basse, la consommation de carburant s’est améliorée jusqu’à 15 %. Sous des charges moyenne-haute, l’amélioration a atteint 18 %. Ces résultats montrent que le kit HHO améliore non seulement la puissance du moteur, mais contribue aussi à des économies de carburant, ce qui en fait une solution attrayante pour les propriétaires de véhicules.
Analyse des raisons de ce phénomène : Avec l’augmentation du HHO, l’hydrogène et l’oxygène se mélangent et brûlent complètement avec le carburant, l’efficacité de combustion étant améliorée grâce à la propagation rapide de la flamme d’hydrogène et à sa combustion. Lorsque la production d’HHO atteint 600 ml/min, la puissance restante fournie par l’alternateur au kit HHO atteint sa limite. Si la production continue d’augmenter, le moteur doit brûler plus d’essence pour alimenter l’alternateur, ce qui augmente la consommation. De plus, lorsque la production d’HHO augmente, la combustion dans le cylindre se fait en environnement riche en oxygène. Lorsque la sonde à oxygène détecte un excès d’oxygène dans le collecteur d’échappement, l’injection de carburant est augmentée au cycle suivant. La combinaison de ces deux facteurs fait que la consommation spécifique augmente au-delà d’un certain débit d’HHO. Le générateur d’hydrogène alcalin traditionnel ne réduit pas la consommation dans les applications pratiques en raison de sa forte puissance (12 V ; 10-20 A). Le générateur d’hydrogène PEM est plus adapté au kit HHO grâce à sa faible puissance (2-3,8 V ; 5-20 A) et à son rendement élevé. Si vous êtes intéressé par l’expérimentation d’un électrolyseur alcalin sur voiture, veuillez laisser un message sous l’article.
Influence de l’introduction du gaz HHO sur les émissions du moteur à essence
1. Émissions de HC
Comme on peut le voir sur les Figures 3-5 et 3-6 : sous des conditions de charge moyenne et petite, l’augmentation du volume d’admission hydrogène-oxygène améliore de manière significative les émissions de HC. À 1500 tr/min et avec une MAP de 45 kPa, lorsque le volume d’hydrogène-oxygène admis passe de 0 à 450 ml/min, les émissions de HC diminuent de 1998 ppm à 937 ppm, soit une réduction de 53 % par rapport au moteur d’origine. À 2000 tr/min, MAP de 45 kPa, et lorsque la teneur en oxygène admise passe de 0 à 450 ml/min, les émissions de HC diminuent de 1970 ppm à 1130 ppm, soit 42 % de moins que le moteur d’origine. À 1500 tr/min, MAP de 70 kPa, et avec un volume d’hydrogène-oxygène admis passant de 0 à 450 ml/min, les émissions de HC passent de 1873 ppm à 847 ppm, une réduction de 54 %. À 2000 tr/min, MAP de 70 kPa, et avec un volume d’hydrogène-oxygène admis de 0 à 450 ml/min, les émissions de HC passent de 2364 ppm à 1532 ppm, soit 35 % de réduction. Lorsque l’hydrogène et l’oxygène pénètrent dans le moteur, la combustion peut être complète même en mélange riche, et les émissions de HC diminuent en conséquence. Toutefois, lorsque la production d’hydrogène dépasse 600 ml/min, la consommation électrique du générateur augmente, la charge moteur s’élève et l’injection de carburant s’accroît également, entraînant une tendance haussière des émissions de HC.
2. Émissions de CO
Comme l’indique la Figure 3-7 : dans des conditions de charge faible et moyenne, lorsque la teneur en hydrogène et oxygène augmente, les émissions de CO connaissent d’abord une hausse puis une baisse. À 1500 tr/min et MAP de 45 kPa, les émissions de CO passent progressivement de 1890 ppm à 3712 ppm à mesure que la teneur en HHO augmente, puis diminuent lorsque celle-ci atteint 300 ml/min. À 2000 tr/min et MAP de 45 kPa, les émissions de CO passent de 1736 ppm à 2237 ppm avant de diminuer lorsque l’oxygène atteint 300 ml/min. Au début de l’injection de HHO, la combustion rapide du carburant crée une zone pauvre, et l’essence tend à produire du CO dans un environnement pauvre. Avec l’augmentation de HHO, notamment de l’oxygène, la zone pauvre est réduite ou éliminée, la combustion redevient normale et complète, et le CO diminue rapidement. Selon les données, les émissions de CO sont minimales pour un débit d’HHO compris entre 300 et 600 ml/min, le minimum se situant à 450 ml/min.
Comme le montre la Figure 3-8 : sous des charges moyenne et élevée, la tendance est inverse : les émissions de CO diminuent d’abord puis augmentent avec la teneur en HHO. À 1500 tr/min et MAP de 70 kPa, les émissions baissent de 3890 ppm à 2730 ppm, puis augmentent à partir de 600 ml/min pour atteindre 4788 ppm. À 2000 tr/min et MAP de 70 kPa, les émissions descendent de 3733 ppm à 1932 ppm, puis remontent au-delà de 450 ml/min pour atteindre 3932 ppm.
Dans ces conditions de charge, l’admission est suffisante, empêchant la formation de zones pauvres ; la présence de HHO permet une combustion complète de l’essence, réduisant ainsi le CO. Toutefois, lorsque la production de HHO augmente, la consommation électrique du générateur croît, obligeant le moteur à injecter plus de carburant pour maintenir sa puissance, d’où un rebond des émissions de CO.
3. Émissions de NOx
Comme illustré par les Figures 3-9 et 3-10, dans des conditions de charge faible et moyenne, les émissions de NOx sont proportionnelles à l’admission de HHO : elles augmentent avec la teneur en hydrogène et oxygène. À 1500 tr/min, les NOx passent de 737 ppm à 3280 ppm lorsque la teneur en HHO s’accroît. À 2000 tr/min, ils passent de 951 ppm à 3780 ppm. Sous charge élevée, la tendance est similaire : à 1500 tr/min, les NOx passent de 2159 ppm à 4370 ppm ; à 2000 tr/min, de 2328 ppm à 4530 ppm. Le mélange HHO augmente la température de combustion dans le cylindre, créant des conditions de haute température et pression propices à la formation d’oxydes d’azote, d’où la hausse des émissions avec l’augmentation de HHO.
Réduction des émissions avec le kit HHO
L’un des avantages majeurs de l’utilisation d’hydrogène et d’oxygène dans les moteurs à combustion interne est la réduction potentielle des émissions. Afin d’évaluer l’impact du kit HHO, nous avons mesuré les niveaux de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrocarbures (HC) produits par le moteur dans diverses conditions.
1. Les émissions de HC diminuent d’abord puis augmentent avec la hausse de la teneur en HHO, la valeur minimale étant atteinte à 600 ml/min. Les émissions de HC peuvent être réduites de 30 %.
2. Les émissions de CO augmentent d’abord puis diminuent avec l’augmentation de HHO en charge basse et moyenne, atteignant un minimum à 450 ml/min ; en charge moyenne et élevée, elles diminuent d’abord puis augmentent, avec un minimum également à 450 ml/min. Les émissions de CO peuvent être réduites de 25 %.
Conclusions
Notre recherche sur les performances des moteurs à essence HHO dans des conditions fixes a révélé plusieurs points clés :
- L’ajout d’hydrogène et d’oxygène via le kit HHO augmente le couple moteur, améliorant ainsi les performances.
- Le kit HHO améliore l’efficacité énergétique, permettant des économies de carburant potentielles.
- Le kit HHO contribue à une réduction significative des émissions nocives, offrant une solution plus respectueuse de l’environnement pour les moteurs à combustion interne.
Ces résultats démontrent que le kit HHO est une solution efficace et pratique pour améliorer les performances, l’efficacité énergétique et réduire les émissions des moteurs à essence. Poursuivre la recherche et le développement dans ce domaine pourrait favoriser une adoption plus large dans l’industrie automobile, contribuant à un transport plus propre, plus efficace et plus durable.
[1]Lucas G. G., Richards W. L. Le moteur hydrogène/essence – un moyen d’obtenir un bon rendement à charge partielle [C]. SAE Paper n° 820315, 1982.
[2]Saravanan N., Nagarajan G. Étude expérimentale de l’induction d’air enrichi en hydrogène dans un moteur Diesel [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(6) : 1769-1775.
[3] Saravanan N., Nagarajan G., Sanjay G., et al. Analyse de la combustion sur un moteur Diesel DI en mode bi-carburant hydrogène [J]. Fuel, 2008, 87(17-18) : 3591-3599.
[4] Das L. M. Recherche et développement sur les moteurs à hydrogène à l’IIT Delhi [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2002, 27(9) : 953-965.
