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 con celdas de combustible de hidrógeno (que utilizan hidrógeno electroquímicamente en lugar de a través de la combustión). En cambio, el motor de combustión interna de hidrógeno es simplemente una versión modificada del motor de combustión interna tradicional alimentado con gasolina. [2] [3] La ausencia de carbono significa que no se produce CO2 , lo que elimina la principal emisión de gases de efecto invernadero de un motor de petróleo convencional.
Como el hidrógeno puro no contiene carbono, no hay contaminantes basados en carbono, como monóxido de carbono (CO) o hidrocarburos (HC), ni tampoco hay dióxido de carbono (CO 2 ) en el escape. Sin embargo, como la combustión del hidrógeno se produce en una atmósfera que contiene nitrógeno y oxígeno, puede producir óxidos de nitrógeno conocidos como NO x . De esta manera, el proceso de combustión es muy parecido a otros combustibles de combustión a alta temperatura, como el queroseno, la gasolina, el diésel o el gas natural. Por lo tanto, los motores de combustión de hidrógeno no se consideran de emisión cero . [ cita requerida ]
En 1806, François Isaac de Rivaz diseñó 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. En 1970, Paul Dieges patentó un motor de combustión interna modificado 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 autobús [7] y un camión alimentados con hidrógeno.
Mazda ha desarrollado motores Wankel que queman hidrógeno. La ventaja de utilizar motores de combustión interna (ICE) como los motores Wankel y de pistón es que el coste de reequipamiento para la producción es mucho menor. La tecnología de ICE existente todavía se puede utilizar para resolver aquellos problemas en los que las pilas de combustible aún no son una solución viable, por ejemplo, en aplicaciones en climas fríos.
En 1990, un vehículo solar eléctrico se convirtió en hidrógeno utilizando un motor de cuatro tiempos de 107 ml. Se utilizó en un proyecto de investigación para examinar y medir las pérdidas de las conversiones de energía sol -> electricidad -> electrólisis -> almacenamiento -> motor -> transmisión -> ruedas. En comparación con su modo eléctrico de batería anterior, la autonomía resultó mayor, pero la eficiencia del sistema menor y el generador de hidrógeno alcalino disponible era demasiado grande para llevarlo a bordo. Se alimentaba con una instalación solar estacionaria y el hidrógeno producido se almacenaba en botellas a presión. [8]
Entre 2005 y 2007, BMW probó un automóvil de lujo llamado BMW Hydrogen 7 , impulsado por un motor de combustión interna de hidrógeno, que alcanzó una velocidad de 301 km/h (187 mph) en las pruebas. [ cita requerida ] Se han fabricado al menos dos de estos conceptos. [ cita requerida ]
Se han demostrado carretillas elevadoras HICE [9] basadas en motores de combustión interna diésel convertidos con inyección directa . [10]
Alset GmbH ha desarrollado un sistema híbrido de hidrógeno que permite que el vehículo utilice combustibles de gasolina e hidrógeno de forma individual o al mismo tiempo con un motor de combustión interna . Esta tecnología se utilizó con el Aston Martin Rapide S durante la carrera de 24 horas de Nürburgring . [11] El Rapide S fue el primer vehículo en terminar la carrera con tecnología de hidrógeno. [12]
Recientemente, el desarrollo de motores de combustión interna de hidrógeno ha recibido más interés, en particular para vehículos comerciales de servicio pesado. Parte de la motivación para esto es que se trata de una tecnología de transición para cumplir con los objetivos futuros de emisiones de CO2 y de una tecnología más compatible con los conocimientos y la fabricación de automóviles existentes. [ cita requerida ]
En septiembre de 2022, Kawasaki presentó un motor de combustión de hidrógeno desarrollado utilizando el mismo inyector que el Corolla de hidrógeno, basado en el Ninja H2 . [ cita requerida ]
En mayo de 2023, Yamaha , Honda , Kawasaki y Suzuki recibieron la aprobación del Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón (METI) para formar una asociación de investigación tecnológica llamada HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) para desarrollar motores propulsados por hidrógeno para movilidad pequeña. [13]
En el año 2000, un Shelby Cobra fue adaptado 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 al hidrógeno se realizó con el objetivo de crear un vehículo capaz de batir el récord actual de velocidad terrestre para vehículos propulsados por hidrógeno. [14] [15] [16] Alcanzó una respetable velocidad de 174,5 km/h, a 0,2 km/h del récord mundial para vehículos propulsados por hidrógeno. [17]
En mayo de 2021, Toyota Corolla Sport, que está equipado con un motor de hidrógeno, participó en la tercera ronda de la carrera de la Serie Super Taikyu "NAPAC Fuji Super TEC 24 Hours", y completó la carrera de 24 horas. [18] Toyota tiene la intención de aplicar sus tecnologías de seguridad y los conocimientos técnicos que ha acumulado a través del desarrollo de vehículos de pila de combustible y la comercialización del Mirai . [19] En noviembre de 2021, cinco fabricantes de automóviles en Japón ( Kawasaki Heavy Industries , Subaru , Toyota, Mazda y Yamaha Motor ) anunciaron conjuntamente que asumirán el desafío de ampliar las opciones de combustible mediante el uso de motores de combustión interna para lograr la neutralidad de carbono , en la sexta ronda de la carrera Super Taikyu (de tres horas) celebrada en el Circuito Internacional de Okayama . [20] Su visión común es que el enemigo no son los motores de combustión interna y necesitamos soluciones diversas para desafiar la neutralidad de carbono. [21] En el evento, Yamaha Motor presentó el motor de hidrógeno V8 de 5.0 litros que se basa en el motor Lexus 2UR . [22]
En junio de 2022, Toyota reveló el progreso de sus esfuerzos en la Super Taikyu Series en la ENEOS Super Taikyu Series 2022. Dicen que el rango de crucero se mejoró en aproximadamente un 20%, la potencia de salida se mejoró en aproximadamente un 20% y el torque se mejoró en aproximadamente un 30%. Además, se agregan proveedores de hidrógeno y su transporte se volvió más eficiente para apoyar la carrera. [23] En julio de 2022, Isuzu , Denso , Toyota, Hino Motors y Commercial Japan Partnership Technologies Corporation (CJPT) anunciaron que han comenzado a planificar e investigar las bases de los motores de hidrógeno para vehículos comerciales pesados con el objetivo de seguir utilizando los motores de combustión interna como una opción para lograr la neutralidad de carbono. [24]
En agosto de 2022, Toyota realizó una carrera de demostración del GR Yaris H2, una versión especial con motor de hidrógeno del Toyota GR Yaris , durante la novena ronda del Campeonato Mundial de Rally (WRC) en Ypres . [25] [26]
En mayo de 2023, el Toyota Corolla Sport, equipado con un motor de hidrógeno líquido , participó en la segunda ronda de la carrera de la Serie Super Taikyu, "NNAPAC Fuji SUPER TEC 24 Hours Race", y completó la carrera de 24 horas. Fue la primera vez que un automóvil que funciona con hidrógeno líquido participó en una carrera en cualquier parte del mundo. [27] [28]
En junio de 2023, Toyota presentó un coche de carreras de hidrógeno, el "GR H2 Racing Concept", construido para las 24 Horas de Le Mans . [29] [30]
La eficiencia térmica de un ciclo Otto ideal depende de la relación de compresión y mejora del 47% al 56% cuando esta se eleva de 8 a 15. [31] Los motores en vehículos prácticos alcanzan el 50-75% de esto, y se sugiere un 60% como límite de costo ilimitado. [32] Sin embargo, una presentación de conferencia de Oak Ridge afirma que el límite de eficiencia teórica es del 100%, basándose en que es un motor de ciclo abierto y, por lo tanto, no está limitado por la eficiencia de Carnot . En comparación, la eficiencia de una celda de combustible está limitada por la energía libre de Gibbs , que normalmente es más alta que la de Carnot. La determinación del rendimiento de una celda de combustible depende de la evaluación termodinámica. Usando el valor calorífico inferior del hidrógeno , la eficiencia máxima de la celda de combustible sería del 94,5%. [33]
La eficiencia de un motor de combustión de hidrógeno puede ser similar a la de un motor de combustión tradicional. Si se optimiza bien, se pueden lograr eficiencias ligeramente superiores. La comparación con una pila de combustible de hidrógeno es interesante. La pila de combustible tiene un pico de eficiencia alto con carga baja, mientras que con carga alta la eficiencia cae. El motor de combustión de hidrógeno tiene un pico con carga alta y puede lograr niveles de eficiencia similares a los de una pila de combustible de hidrógeno. [34] De esto, se puede deducir que los motores de combustión de hidrógeno son un rival en términos de eficiencia para las pilas de combustible para aplicaciones de servicio pesado.
La eficiencia disminuye en el caso de los motores de combustión interna pequeños. Un motor de 4 tiempos de 67 ml convertido a hidrógeno y probado con un dinamómetro en el mejor punto de funcionamiento (3000 rpm, 14 NLM (litros normales por minuto), relación aire/combustible estequiométrica de 2,5 veces) alcanzó 520 W y una eficiencia del 21%. Para medir la eficiencia vehicular, se instaló un motor similar de 107 ml también convertido (Honda GX110 con la mejor eficiencia de gasolina del 26%) en un vehículo liviano y se condujo por pendientes conocidas mientras se medía la velocidad y el flujo de hidrógeno. Los cálculos dieron como resultados eficiencias promedio de 3,5% a 5,9% y 7,5% de eficiencia máxima. El consumo medido en una carretera nivelada fue de 24 NLM/km a una velocidad de 25 km/h y de 31 NLM/km a 43 km/h. [8]
La combustión del hidrógeno con oxígeno produce vapor de agua como único producto:
Sin embargo, el aire es una mezcla de gases, y el gas más abundante en el aire es el nitrógeno. Por lo tanto, la combustión de hidrógeno en el aire produce óxidos de nitrógeno, conocidos como NO x . En este sentido, el proceso de combustión es muy parecido al de otros combustibles de combustión a alta temperatura, como el queroseno, la gasolina, el diésel o el gas natural. Este problema se ve agravado por las altísimas temperaturas generadas por la combustión del hidrógeno. [35] Por ello, los motores de combustión de hidrógeno no se consideran de emisión cero .
A finales de 2021, casi el 96% de la producción mundial de hidrógeno procedía de gas natural (47%), carbón (27%) y petróleo (22%) y solo alrededor del 4% procedía de la electrólisis. [36] Las emisiones derivadas de la quema de hidrógeno pueden ser insignificantes, pero las emisiones derivadas de la producción de hidrógeno son actualmente superiores a las de la combustión directa de la fuente. [37]
El hidrógeno tiene un amplio rango de inflamabilidad (3–70% de H2 en el aire) en comparación con otros combustibles. [35] Como resultado, puede quemarse en un motor de combustión interna en una amplia gama de mezclas de aire y combustible. Una ventaja de esto es que el motor puede funcionar utilizando una mezcla pobre de aire y combustible. Este tipo de 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 cantidad dada de aire. El ahorro 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 (por ejemplo, óxidos de nitrógeno) emitidos. [38]
Las normas de emisiones europeas miden las emisiones de monóxido de carbono , hidrocarburos , hidrocarburos no metánicos , óxidos de nitrógeno ( NO x ), partículas atmosféricas y números de partículas .
Como sucede con cualquier motor de combustión interna, pequeñas cantidades del aceite de motor necesario para la lubricación pueden entrar en la cámara de combustión y participar en el proceso de combustión. Por lo tanto, los gases de escape pueden contener pequeñas cantidades de los productos de la combustión de este aceite. Por lo general, se pueden encontrar cantidades muy pequeñas de CO, CO2, SO2, HC y partículas en los gases de escape. [ 39 ] [ 40 ] Estas son varios órdenes de magnitud inferiores a las que se verían en los gases de escape de un motor de gasolina o diésel.
En 1976, la puesta a punto de un motor de hidrógeno para producir la mayor cantidad posible de emisiones dio como resultado emisiones comparables a las de los motores de gasolina de consumo de ese período. [ cita requerida ] [41] Sin embargo, los motores más modernos suelen venir equipados con recirculación de gases de escape (EGR). Ecuación cuando se ignora la EGR:
Esta tecnología beneficia potencialmente la combustión de hidrógeno también en términos de emisiones de NOx . [43]
Dado que la combustión de hidrógeno no es de emisiones cero , pero sí de emisiones de CO2 , resulta 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 emisiones cero a corto plazo, como operar en zonas de emisiones cero en la ciudad .
Las diferencias entre un motor de combustión interna de hidrógeno y un motor de gasolina tradicional incluyen válvulas y asientos de válvulas endurecidos , bielas más fuertes, bujías con punta que no son de platino , una bobina de encendido de mayor voltaje , inyectores de combustible diseñados para un gas en lugar de un líquido, un 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 de alta temperatura . Todas las modificaciones ascenderían a aproximadamente una coma cinco veces (1,5) el costo actual de un motor de gasolina. [44] Estos motores de hidrógeno queman combustible de la misma manera que lo hacen los motores de gasolina.
La potencia máxima teórica de un motor de hidrógeno depende de la relación aire/combustible y del método de inyección de combustible utilizado. La relación aire/combustible estequiométrica para el hidrógeno es de 34:1. Con 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 energético de esta mezcla será menor que si el combustible fuera gasolina. Dado que tanto el método de inyección por carburador como el de inyección por puerto mezclan el combustible y el aire antes de que entren en la cámara de combustión, estos sistemas limitan la potencia teórica máxima que se puede obtener a aproximadamente el 85% de la de los motores de gasolina. En el caso de los sistemas de inyección directa , que mezclan el combustible con el aire después de que se haya cerrado la válvula de admisión (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 dosifique el combustible, la potencia máxima de un motor de hidrógeno puede ser un 15 % mayor o un 15 % menor que la de la gasolina si se utiliza una relación aire/combustible estequiométrica. Sin embargo, con una relación aire/combustible estequiométrica, 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 utilizar hidrógeno son las bajas emisiones de escape, los motores de hidrógeno normalmente no están diseñados para funcionar con una relación aire/combustible estequiométrica.
Por lo general, los motores de hidrógeno están diseñados para utilizar aproximadamente el doble de aire del que se requiere teóricamente para una combustión completa. Con 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 de gasolina y/o están equipados con turbocompresores o sobrealimentadores. [45] Una pequeña cantidad de hidrógeno se puede quemar fuera de la cámara de combustión y llegar a la mezcla de aire/combustible en la cámara para encender la combustión principal. [46]
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. [47]
En Australia, los ingenieros incorporan además motores diésel de combustión interna para el funcionamiento con hidrógeno de automóviles y camiones. [48] [49]
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