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H2R (2004)

BMW vient de démontrer ce dont peut être capable une voiture à hydrogène en battant 9 records internationaux pour véhicules équipés d’un moteur à combustion interne brûlant ce type de carburant.

« Ces neuf records marquent le début de l’ère de l’hydrogène. En la matière, BMW maîtrise déjà cette technologie depuis un certain temps. Aujourd’hui, main dans la main avec le monde politique et l’industrie de l’énergie, nous devons transformer notre vision d’une véritable mobilité en réalité tangible », a affirmé le professeur Burkhard Göschel, membre du Directoire de BMW AG, durant la tentative de records. Avec ce succès éclatant remporté sur le circuit d’essais à haute vitesse de Miramas, dans le sud de la France, le BMW Group entend affirmer avec force : oui, l’hydrogène peut remplacer un carburant conventionnel sans exiger du conducteur le moindre compromis en termes de performances et de plaisir de conduire.

D’ailleurs, les caractéristiques du prototype H2R confirment l’avance technique de BMW, son moteur V12 de six litres offrant plus de 210 kW ou 285 ch. Cette puissance permet au H2R d’accélérer de 0 à 100 km/h en près de 6 secondes et d’atteindre l’étonnante vitesse maximale de 302,4 km/h (soit 185,52 mph). Basé sur le moteur à essence de la BMW 760i, ce moteur à combustion interne consommant de l’hydrogène est équipé des technologies les plus modernes comme en témoigne son système BMW VALVETRONIC de commande de la levée des soupapes variable en continu.

Les modifications les plus importantes apportées à ce moteur concernent le système d’injection de carburant qu’il a été nécessaire d’adapter aux exigences particulières de l’hydrogène. Pour cela, le prototype de records H2R a beaucoup bénéficié du résultat des études menées par la marque sur le futur moteur qui équipera la première limousine au monde capable de rouler à la fois à l’essence et à l’hydrogène. En effet, BMW lancera bientôt une version bi-carburant de son actuelle Série 7, celle-ci devenant donc la première voiture du genre.

Le prototype H2R vient de battre les records suivants, présentés ici sous la forme d’une indication de temps et d’une mesure de vitesse :

	temps en seconde	vitesse en km/h
1000 mètres départ lancé	11,993	300,190
1 mile départ lancé	19,912	290,962
1/8 de mile départ arrêté	9,921	72,997
¼ de mile départ arrêté	14,933	96,994
500 mètres départ arrêté	17,269	104,233
1 mile départ arrêté	36,725	157,757
10 miles départ arrêté	221,052	262,094
1000 mètres départ arrêté	26,557	135,557
10 kilomètres départ arrêté	146,406	245,892

Ces records ont été assurés par trois pilotes d’usine BMW, Alfred Hilger, Jörg Weidinger et Günther Weber, qui se sont relayés au volant du prototype durant toute la séance.

En battant ces records, BMW n’entendait pas seulement prouver quelles pouvaient être la puissance et les performances d’un moteur à hydrogène. Il s’agissait plutôt de montrer que la fiabilité et la longévité de la technologie mise en œuvre illustrent clairement la suprématie de BMW en matière de moteurs à hydrogène proches de la série. En l’occurrence, BMW se concentre sur le moteur à combustion interne tout simplement parce que ce type de moteur, vu la somme de ses caractéristiques et particularités, reste le plus avantageux.

La voiture de records BMW H2R développée en 10 mois à peine
Le prototype de records H2R a été dessiné, conçu et mis au point par BMW Forschung und Technik GmbH, célèbre filiale de BMW AG. Le nom « H2R » évoque à la fois « Hydrogène & Racing », « Hydrogène & Records » ou bien encore « Hydrogène & Recherche ».

« Nous disposions d’à peine dix mois pour développer le prototype H2R », explique Jürgen Kübler, le directeur du projet. Cela dit, une période aussi courte n’a rien d’anormal pour les ingénieurs ultra-créatifs d’une entreprise très particulière qui pouvaient par ailleurs compter sur trois facteurs décisifs.

En premier lieu, les composants développés pour la future BMW à hydrogène de série ont désormais atteint un très haut niveau de maturité, ce qui a permis de les adapter sans trop de difficultés au prototype. Ensuite, les techniciens ont pu faire appel, au cours du processus de mise au point, à un châssis et à des trains roulants BMW éprouvés et répondant aux exigences les plus strictes. Enfin, l’utilisation intensive de la conception assistée par ordinateur (CAO) a permis d’orienter très rapidement l’étude et d’économiser beaucoup de temps de développement.

Le moteur : un 12 cylindres de série spécialement adapté à l’hydrogène
Le « cœur » du H2R est dérivé du groupe motopropulseur de la BMW Série 7, un V12 de six litres. Ce moteur tourne à l’hydrogène grâce à une adaptation de sa gestion électronique et des composants servant à former le mélange air/carburant.

Les différences structurelles les plus significatives entre le moteur à essence et le moteur à hydrogène sont les valves d’injection d’hydrogène et le choix des matériaux formant les chambres de combustion. En effet, contrairement au moteur de série dont l’essence est injectée directement dans les chambres de combustion elles-mêmes, les valves d’injection du moteur à hydrogène ont été intégrées dans les tubulures d’admission. Et vu les exigences spécifiques de la tentative de record, le moteur du H2R ne fonctionne qu’à l’hydrogène et non en mode mixte essence/hydrogène. Ceci a permis aux ingénieurs d’adapter ce moteur aux caractéristiques inhérentes à l’hydrogène. Il fallut par exemple utiliser des sièges de soupapes spécifiques car l’hydrogène ne possède pas l’effet lubrifiant d’un mélange conventionnel fait d’air et d’essence. Faisons d’ailleurs remarquer que ce besoin de faire face à une forte baisse de la lubrification des sièges de soupapes s’était déjà fait sentir au moment du passage obligatoire entre essence plombée et essence sans plomb et qu’il fallut à l’époque équiper les moteurs de série de matériaux beaucoup plus résistants.

Une efficacité améliorée grâce à l’hydrogène
Gardons à l’esprit que l’hydrogène possède des propriétés de combustion très différentes de celles de l’essence ou du gazole. Tandis que l’hydrogène brûle plus rapidement que les carburants conventionnels sous une pression atmosphérique normale, sa température de combustion est légèrement inférieure à celle de l’essence.

Cependant, à l’intérieur du moteur, la vitesse de combustion plus rapide du mélange air/hydrogène génère une température plus élevée qu’au cœur d’un moteur essence. La gestion moteur du prototype BMW H2R a donc été modifiée en conséquence, le mélange air/hydrogène n’étant pas enflammé avant que le piston atteigne le point mort haut, assurant de ce fait un rendement maximal. Par comparaison, un mélange air/essence brûlant plus lentement, il convient d’enflammer le mélange de plus en plus tôt au fur et à mesure que croît le régime moteur, le pic de pression étant ainsi toujours atteint juste au moment où le piston commence à redescendre.

Avantage significatif de la pression de combustion plus élevée du mélange air/hydrogène : générer davantage de puissance à partir de la même quantité d’énergie signifie que le rendement du moteur est supérieur.

Bien entendu, une inflammabilité aussi rapide et efficace que celle de l’hydrogène exige de porter également beaucoup d’attention à ce qui se passe en dehors des chambres de combustion. Pour éviter tout raté d’allumage, par exemple, les ingénieurs de BMW ont développé un cycle gazeux et une stratégie d’injection spécifiques, le système de distribution variable BMW VANOS et ses possibilités infinies de calage des arbres à cames jouant un rôle très important dans la régulation des gaz résiduels d’après certaines exigences très spécifiques.

C’est ainsi qu’avant de permettre au mélange air/hydrogène de pénétrer dans les cylindres, les chambres de combustion sont refroidies par de l’air afin d’éviter toute inflammation intempestive - et donc incontrôlée - du mélange.

VALVETRONIC et hydrogène, un duo gagnant
La technologie VALVETRONIC, une exclusivité BMW, commandant le mouvement des soupapes d’admission du 12 cylindres, offre aux ingénieurs de la marque un outil de choix pour contrôler le cycle gazeux très exigeant de l’hydrogène. Le VALVETRONIC, non seulement commande la durée du mouvement des soupapes d’admission, mais aussi l’amplitude de leur levée et cela grâce à un levier intermédiaire entre l’arbre à cames et les deux soupapes d’admission de chaque cylindre, levier dont la position relative à l’arbre à cames peut être modifiée en continu par un arbre excentrique lui-même actionné par un moteur électrique. Selon la position de cet arbre excentrique, le levier transforme la « bosse » sur les cames en levée de soupape plus ou moins ample.

Le VALVETRONIC est logiquement basé sur le système BMW d’ajustement infini de la distribution. Déjà bien connu sous son nom commercial VANOS, ce système fait partie intégrale du concept VALVETRONIC. Incorporant une unité hydraulique d’ajustement dans la commande d’arbre à cames, le VANOS modifie le début et la fin de la période d’ouverture de la soupape, cette gestion des soupapes entièrement variable servant à parfaitement ajuster le cycle gazeux très particulier et très exigeant de l’hydrogène au sein du 12 cylindres.

Valves d’injection spécifiques pour l’hydrogène
Avec l’hydrogène injecté dans la tubulure d’admission aussi tard que possible, les valves d’injection sont elles aussi confrontées à des conditions particulièrement éprouvantes. Par conséquent, ces nouvelles valves ont constitué un défi, brillamment relevé par les techniciens de BMW. Et puisque à énergie égale, l’hydrogène gazeux est plus volumineux que l’essence liquide, les valves d’injection d’hydrogène sont plus grandes que les valves d’injection que l’on trouve habituellement dans les moteurs à essence.

En outre, ces valves doivent satisfaire de très nombreuses exigences, fonctionner sous toutes sortes de niveaux de pression et autoriser des périodes d’injection de très courtes à relativement longues. L’un des grands objectifs du développement de ces valves était d’arriver à une injection précise de la quantité optimale d’hydrogène dans la tubulure d’admission en un temps très court à régime moteur très élevé et à pleine charge.

Un mélange parfaitement formé : consommation réduite en charge partielle, plus de puissance à pleine charge A pleine charge, le 12 cylindres absorbe un mélange air/carburant dont la valeur de richesse lambda est égale à 1, soit exactement le coefficient de richesse d’un moteur à essence moderne, un coefficient qui, en principe, offre le meilleur rendement dans un moteur à combustion interne. Mais en charge partielle - et il s’agit là d’un bénéfice supplémentaire offert par l’hydrogène - le moteur fonctionne en mode « lean burn », autrement dit en mode mélange pauvre avec un important surplus d’air.

Il arrive, sous certaines conditions de richesse, que la combustion du mélange air/hydrogène mène à la formation d’oxydes d’azote (NOx). Le « créneau » de mélange en question démarre un peu au-dessus de lambda égale 1 et monte jusqu’à un indice lambda supérieur à 2. La solution la plus simple à ce problème est d’éluder complètement cette « fenêtre » de richesse puisqu’elle n’est pas nécessaire au fonctionnement du moteur. Il suffit donc que le système de gestion contrôlant le moteur BMW à hydrogène, très rapide, « saute » complètement cette plage de fonctionnement, évitant de ce fait toute émission inutile de NOx. En conséquence, le prototype BMW H2R est aussi puissant qu’une voiture traditionnelle à essence mais ses émissions polluantes, en utilisation courante, sont réduites à rien si ce n’est un peu de vapeur.

Technologie et sécurité
Le circuit de carburant équipant le BMW H2R est basé sur un concept qui a déjà fait ses preuves. Le carburant est introduit dans le réservoir du prototype H2R au moyen d’une station de remplissage d’hydrogène mobile via un accouplement manuel. Le réservoir sous vide, à double paroi, possède une capacité de plus de 11 kilos d’hydrogène liquide et se situe à côté du siège conducteur. Un total de trois soupapes assure une sécurité optimale, la soupape opérationnelle sur le réservoir lui-même s’ouvrant à une pression de 4,5 bars.

Deux autres soupapes de sécurité destinées à éliminer tout risque si d’aventure il existe des fuites dans l’enveloppe entourant le réservoir et servant à maintenir l’hydrogène à la très basse température exigée, ne s’ouvrent que si la pression dans le réservoir dépasse la limite de 5 bars. Une telle redondance est là pour garantir une sécurité optimale en toute circonstance, assurant que le réservoir d’hydrogène n’éclatera pas en raison d’une surpression.

Un échangeur de chaleur en lieu et place d’une pompe à essence
La pression gazeuse s’accumule dans le circuit d’alimentation par la simple augmentation de la température de l’hydrogène liquide dans le réservoir. Elle est conservée à 3 bars environ par un contrôleur. Ensuite, le liquide de refroidissement du V12 joue le rôle de réchauffeur de l’hydrogène gazeux via un échangeur de chaleur qui mène cet hydrogène à la température ambiante.

Technologie des soupapes
Des soupapes supplémentaires surveillent la pression du gaz dans les conduits menant au moteur. A l’intérieur du réservoir, des soupapes fonctionnant à très basse température contrôlent la sortie de l’hydrogène hors de ce même réservoir. Si le moindre conduit de pré-circulation du carburant se met à fuir - avec la pression d’alimentation chutant sous 0,4 bar -, les soupapes d’alimentation se ferment automatiquement, déconnectant et isolant le réservoir de son environnement. Le conduit d’alimentation peut également être fermé manuellement par un robinet.

Afin de maintenir à tout moment une pression d’alimentation optimale sur les valves d’injection - d’autant que cette pression peut varier en fonction des conditions routières -, la gestion moteur ramène la pression dans le conduit d’alimentation à 1,2 bar environ via une soupape spécifique.

De plus, cet impressionnant dispositif de sécurité qui équipe le prototype BMW H2R est supervisé par un système de télémétrie ressemblant beaucoup à ce que l’on voit en Formule 1. Quatre capteurs disposés à des endroits vitaux - par exemple dans le réservoir lui-même et du côté du raccord extérieur - sont là pour détecter immédiatement toute fuite et en informer le conducteur.

Châssis et suspension
Pour élaborer la structure et le châssis du prototype BMW H2R, les ingénieurs et techniciens de BMW Forschung und Technik GmbH ont fait appel à des éléments de série - le cadre monocoque en aluminium, tout le châssis ainsi que les trains roulants - tirés d’une BMW sportive. Des panneaux structurels en aluminium à haute résistance - avantageux car très légers et peu sensibles à la corrosion - remplissent les espaces laissés par les profilés extrudés extra-larges offrant à la voiture une grande stabilité.

Pour le conducteur, le résultat est excellent : une conduite parfaite sans la plus légère vibration ni le moindre frémissement de carrosserie.

La suspension avant se compose de doubles triangles, de bras transversaux en aluminium, d’une traverse supérieure et d’une barre antiroulis. La direction est à crémaillère. Le sous-châssis supportant l’essieu avant est constitué d’une structure en aluminium soudé faite de profilés extrudés et de tôles portant tous les composants de l’essieu avant. Ce sous-châssis est boulonné à la carrosserie en six points et les bras transversaux sont réalisés en aluminium forgé avec deux joints à rotule pour un guidage précis des roues et une grande stabilité directionnelle.

Le guidage des roues et la stabilité arrière sont fournis par un essieu intégral à « quatre dimensions », sorte de suspension multibras brevetée par BMW et complétée dans ce cas-ci par une barre antiroulis. Enfin, le contact direct avec la route est assuré par des pneus de dimensions 245/40 x 19.

La carrosserie : une peau en fibre de carbone
Les designers BMW ont également offert au H2R une ligne unique, à l’aérodynamique optimale, mesurant 5,40 mètres de long et 2 mètres de large. Pour atteindre une vitesse record, il s’agissait de réduire à la fois la traînée et la surface frontale du prototype : c’est chose faite avec un Cx de 0,21 et une surface de 1,85 m². A l’arrière, un diffuseur long de 20 centimètres prévient les remous et tourbillonnements susceptibles de ralentir la voiture.

Le profil bas et la longueur du prototype H2R ont également pour but de stabiliser la voiture à très grande vitesse. A l’image d’une monoplace de Formule 1, l’enveloppe recouvrant la coque - du plastique renforcé de fibres de carbone - offre le meilleur compromis entre excellente rigidité et poids limité. Résultat : le prototype H2R, réservoir plein et pilote au volant, ne pèse que 1 560 kg.