Un vehículo con motor de combustión interna de hidrógeno (HICEV) es un tipo de vehículo de hidrógeno que utiliza un motor de combustión interna . [1] Los vehículos con motor de combustión interna de hidrógeno son diferentes de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno (que utilizan el uso electroquímico de hidrógeno en lugar de la combustión). En cambio, el motor de combustión interna de hidrógeno es simplemente una versión modificada del motor de combustión interna tradicional de gasolina. [2] [3]
Historia
Francois Isaac de Rivaz diseñó en 1806 el motor De Rivaz , el primer motor de combustión interna, que funcionaba con una mezcla de hidrógeno y oxígeno . [4] Étienne Lenoir produjo el Hippomobile en 1863. Paul Dieges patentó en 1970 una modificación de los motores de combustión interna que permitía que un motor de gasolina funcionara con hidrógeno. [5]
La Universidad de la Ciudad de Tokio ha estado desarrollando motores de combustión interna de hidrógeno desde 1970. [6] Recientemente desarrollaron un Bus [7] y un Camión impulsados por hidrógeno .
Mazda ha desarrollado motores Wankel que queman hidrógeno. La ventaja de usar ICE (motor de combustión interna) como Wankel y motores de pistón es que el costo de reequipamiento para la producción es mucho menor. La tecnología existente ICE todavía se puede utilizar para resolver aquellos problemas en los que las pilas de combustible no son una solución viable todavía, por ejemplo, en aplicaciones de clima frío.
Entre 2005 y 2007, BMW probó un automóvil de lujo llamado BMW Hydrogen 7 , impulsado por un ICE de hidrógeno, que alcanzó 301 km / h (187 mph) en las pruebas. [ cita requerida ] Se han fabricado al menos dos de estos conceptos. [ cita requerida ]
Se han realizado demostraciones de las carretillas elevadoras HICE [8] basadas en motores diésel de combustión interna reconvertidos con inyección directa . [9]
En el año 2000, un Shelby Cobra se convirtió para funcionar con hidrógeno en un proyecto dirigido por James W. Heffel (ingeniero principal en ese momento de la Universidad de California, Riverside CE-CERT). La conversión de hidrógeno se realizó con el objetivo de hacer un vehículo capaz de batir el récord actual de velocidad en tierra para vehículos propulsados por hidrógeno. [10] [11] [12] Logró un respetable 108,16 mph, perdiendo el récord mundial de vehículos propulsados por hidrógeno por 0,1 mph. [13]
Alset GmbH desarrolló un sistema de hidrógeno híbrido que permite al vehículo utilizar gasolina y combustibles de hidrógeno individualmente o al mismo tiempo con un motor de combustión interna . Esta tecnología se utilizó con Aston Martin Rapide S durante la carrera de 24 horas de Nürburgring . El Rapide S fue el primer vehículo en terminar la carrera con tecnología de hidrógeno. [14]
El desarrollo de motores de combustión interna de hidrógeno ha estado recibiendo más interés recientemente, particularmente para vehículos comerciales pesados. Parte de la motivación para esto es como una tecnología puente para cumplir con los objetivos futuros de emisiones climáticas de CO2, y como tecnología más compatible con el conocimiento y la fabricación automotrices existentes.
Eficiencia
Dado que los motores de combustión interna de hidrógeno son motores térmicos, su eficiencia máxima está limitada por la eficiencia de Carnot . En comparación, la eficiencia de una pila de combustible está limitada por la energía libre de Gibbs , que suele ser más alta que la de Carnot.
Los motores de combustión de hidrógeno son particularmente sensibles a la fugacidad en carga, en términos de eficiencia y, por lo tanto, más adecuados para operaciones de carga constante.
Emisiones contaminantes
La combustión de hidrógeno con oxígeno produce vapor de agua como único producto:
- 2H 2 + O 2 → 2H 2 O
Sin embargo, dentro del aire, la combustión de hidrógeno puede producir óxidos de nitrógeno, conocidos como NO x . De esta manera, el proceso de combustión es muy parecido a otros combustibles de combustión de alta temperatura, como el queroseno, la gasolina, el diesel o el gas natural. Como tales, los motores de combustión de hidrógeno no se consideran emisiones cero .
El hidrógeno tiene un amplio rango de inflamabilidad en comparación con otros combustibles. Como resultado, se puede quemar en un motor de combustión interna en una amplia gama de mezclas de aire y combustible. Una ventaja aquí es que, por lo tanto, puede ser una mezcla pobre de aire y combustible. Tal mezcla es aquella en la que la cantidad de combustible es menor que la cantidad teórica, estequiométrica o químicamente ideal necesaria para la combustión con una determinada cantidad de aire. La economía de combustible es entonces mayor y la reacción de combustión es más completa. Además, la temperatura de combustión suele ser más baja, lo que reduce la cantidad de contaminantes (óxidos de nitrógeno, ...) emitidos a través del escape. [15]
Las normas de emisión europeas miden las emisiones de monóxido de carbono , hidrocarburos , hidrocarburos no metano , óxidos de nitrógeno (NOx), materia en partículas atmosférica , y el número de partículas .
Aunque se produce NOx, la combustión interna de hidrógeno genera pocas o ninguna emisión de CO, CO2, SO2, HC o PM. [16] [17]
El ajuste de un motor de hidrógeno en 1976 para producir la mayor cantidad de emisiones posible resultó en emisiones comparables con los motores de gasolina operados por el consumidor de ese período. [ cita requerida ] [18] Sin embargo, los motores más modernos a menudo vienen equipados con recirculación de gases de escape . Ecuación al ignorar EGR:
- H 2 + O 2 + N 2 → H 2 O + NO x [19]
Esta tecnología beneficia potencialmente a la combustión de hidrógeno también en términos de emisiones de NOx. [20]
Dado que la combustión de hidrógeno no tiene cero emisiones, pero tiene cero emisiones de CO2 , es atractivo considerar los motores de combustión interna de hidrógeno como parte de un sistema de propulsión híbrido. En esta configuración, el vehículo puede ofrecer capacidades de cero emisiones a corto plazo, como operar en zonas urbanas de cero emisiones.
Adaptación de motores existentes
Las diferencias entre un ICE de hidrógeno y un motor de gasolina tradicional incluyen válvulas y asientos de válvulas endurecidos , bielas más fuertes , bujías con punta sin platino , una bobina de encendido de mayor voltaje , inyectores de combustible diseñados para gas en lugar de líquido, amortiguador de cigüeñal más grande , material de junta de culata más resistente , colector de admisión modificado (para sobrealimentador ) , sobrealimentador de presión positiva y aceite de motor para alta temperatura . Todas las modificaciones equivaldrían a aproximadamente un punto cinco veces (1,5) el costo actual de un motor de gasolina. [21] Estos motores de hidrógeno queman combustible de la misma manera que lo hacen los motores de gasolina.
La salida de potencia máxima teórica de un motor de hidrógeno depende de la relación aire / combustible y del método de inyección de combustible utilizado. La relación estequiométrica de aire / combustible para el hidrógeno es 34: 1. En esta relación aire / combustible, el hidrógeno desplazará el 29% de la cámara de combustión dejando solo el 71% para el aire. Como resultado, el contenido de energía de esta mezcla será menor que si el combustible fuera gasolina. Dado que tanto el método de inyección con carburador como el de puerto mezclan el combustible y el aire antes de que ingrese a la cámara de combustión, estos sistemas limitan la potencia teórica máxima obtenible a aproximadamente el 85% de la de los motores de gasolina. Para los sistemas de inyección directa , que mezclan el combustible con el aire después de que la válvula de admisión se ha cerrado (y por lo tanto la cámara de combustión tiene un 100% de aire), la potencia máxima del motor puede ser aproximadamente un 15% mayor que la de los motores de gasolina.
Por lo tanto, dependiendo de cómo se mida el combustible, la salida máxima de un motor de hidrógeno puede ser un 15% mayor o un 15% menor que la de la gasolina si se usa una relación estequiométrica de aire / combustible. Sin embargo, en una relación estequiométrica aire / combustible, la temperatura de combustión es muy alta y como resultado se formará una gran cantidad de óxidos de nitrógeno (NOx), que es un contaminante criterio . Dado que una de las razones para usar hidrógeno son las bajas emisiones de escape, los motores de hidrógeno normalmente no están diseñados para funcionar con una relación estequiométrica de aire / combustible.
Por lo general, los motores de hidrógeno están diseñados para usar aproximadamente el doble de aire del que se requiere teóricamente para una combustión completa. En esta relación aire / combustible, la formación de NOx se reduce a casi cero. Desafortunadamente, esto también reduce la potencia de salida a aproximadamente la mitad de la de un motor de gasolina de tamaño similar. Para compensar la pérdida de potencia, los motores de hidrógeno suelen ser más grandes que los motores de gasolina y / o están equipados con turbocompresores o supercargadores. [22]
En los Países Bajos, la organización de investigación TNO ha estado trabajando con socios industriales para el desarrollo de motores de combustión interna de hidrógeno. [23]
Ver también
- Vehículo bicombustible : una posible solución para superar la falta de estaciones de H2 [24]
- Conversiones de combustible para automóviles clásicos
- Scooter de gas combustible
- Ácido fórmico
- Mejora del combustible de hidrógeno
- Estación de servicio de hidrógeno para el hogar
- Vehículo de nitrógeno líquido
- Lista de vehículos con motor de combustión interna de hidrógeno
- Eliminación progresiva de vehículos de combustibles fósiles
- Cronología de las tecnologías de hidrógeno
Referencias
- ^ "Vehículos con motor de combustión interna INL-Hydrogen" . Archivado desde el original el 15 de octubre de 2004 . Consultado el 17 de diciembre de 2008 .
- ^ "Uso de hidrógeno en motores de combustión interna" (PDF) . Departamento de Energía de Estados Unidos. Diciembre de 2001 . Consultado el 25 de julio de 2017 . Este artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .
- ^ Motores de combustión interna alimentados con hidrógeno; ver sección 5
- ^ Eckermann, Erik (2001). Historia mundial del automóvil . Warrendale, PA: Sociedad de ingenieros automotrices. ISBN 0-7680-0800-X.
- ^ US 3844262
- ^ Furuhama, Shouichi (1978). Revista Internacional de Energía de Hidrógeno Volumen 3, Número 1, 1978, Páginas 61–81 .
- ^ Bus ICE de combustible de hidrógeno desarrollado por TCU
- ^ "Linde X39" . Archivado desde el original el 6 de octubre de 2008 . Consultado el 17 de diciembre de 2008 .
- ^ HyICE [ enlace muerto permanente ]
- ^ [ https://doi.org/10.4271/2001-01-2530 Heffel, J., Johnson, D. y Shelby, C., "Shelby Cobra impulsado por hidrógeno: conversión de vehículos", documento técnico SAE 2001-01- 2530, 2001
- ^ El diseño y la prueba del motor de combustión interna alimentado con hidrógeno
- ^ Shelby Cobra con hidrógeno: conversión de vehículos
- ^ UCR ejecuta Shelby Cobra con hidrógeno en prueba de velocidad
- ^ de Paula, Mateo. "Aston Martin favorece el hidrógeno sobre los híbridos, al menos por ahora" . Forbes .
- ^ Uso de hidrógeno en motores de combustión interna
- ^ Vehículos de hidrógeno e infraestructura de reabastecimiento de combustible en India
- ^ LM DAS, CARACTERIZACIÓN DE LAS EMISIONES DE ESCAPE DEL SISTEMA DE MOTOR OPERADO CON HIDRÓGENO: NATURALEZA DE LOS CONTAMINANTES Y SUS TÉCNICAS DE CONTROL Int. J. Hydrogen Energy Vol. 16, núm. 11, págs. 765-775, 1991
- ^ PCT De Boera, WJ McLeana y HS Homana (1976). "Rendimiento y emisiones de motores de combustión interna alimentados con hidrógeno". Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . 1 (2): 153-172. doi : 10.1016 / 0360-3199 (76) 90068-9 .
- ^ Uso de hidrógeno en motores de combustión interna. Archivado 2011-09-05 en Wayback Machine.
- ^ Datos de emisión y rendimiento de NOx para un motor de combustión interna alimentado con hidrógeno a 1500 rpm utilizando recirculación de gases de escape
- ^ Conversión de ICE de gasolina a ICE de hidrógeno
- ^ Uso de hidrógeno en motores de combustión interna. Archivado 2011-09-05 en Wayback Machine.
- ^ Archivado (falta la fecha) en tno.nl (Error: URL de archivo desconocida)
- ^ "MINI Hydrogen Concept Car se muestra en el IAA de Frankfurt de 2001" . www.autointell.com . Consultado el 1 de febrero de 2021 .
enlaces externos
- Vehículo con motor de combustión interna EERE-Hydrogen