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 pila de combustible de hidrógeno (que utilizan hidrógeno electroquímicamente en lugar de mediante combustión). En cambio, el motor de combustión interna de hidrógeno es simplemente una versión modificada del motor de combustión interna tradicional impulsado por gasolina. [2] [3] La ausencia de carbono significa que no se produce CO 2 , 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 a base de carbono, como monóxido de carbono (CO) o hidrocarburos (HC), ni tampoco 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 NOx . 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. Por tanto, los motores de combustión de hidrógeno no se consideran emisiones cero .
Una desventaja es que el hidrógeno es difícil de manejar. Debido al tamaño muy pequeño de la molécula de hidrógeno, el hidrógeno puede filtrarse a través de muchos materiales aparentemente sólidos en un proceso llamado fragilización por hidrógeno . El gas hidrógeno que se escapa mezclado con aire es potencialmente explosivo.
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. 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 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 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 a hidrógeno utilizando un motor de 4 tiempos de 107 ml. Se utilizó en un proyecto de investigación que examinaba y midía las pérdidas de las conversiones de energía solar -> electricidad -> electrólisis -> almacenamiento -> motor -> transmisión -> ruedas. En comparación con su modo anterior de batería eléctrica, la autonomía resultó mayor, pero la eficiencia del sistema fue menor y el generador de hidrógeno alcalino disponible era demasiado grande para llevarlo a bordo. Estaba alimentado por 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 , propulsado por un motor de combustión interna de hidrógeno, que alcanzó 301 km/h (187 mph) en las pruebas. [ cita necesaria ] Al menos dos de estos conceptos han sido fabricados. [ cita necesaria ]
Se han realizado demostraciones de carretillas elevadoras HICE [9] basadas en motores de combustión interna diésel convertidos con inyección directa . [10]
Alset GmbH desarrolló un sistema híbrido de hidrógeno que permite que el vehículo utilice 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 las 24 Horas de Nürburgring . [11] El Rapide S fue el primer vehículo en terminar la carrera con tecnología de hidrógeno. [12]
El desarrollo de motores de combustión interna de hidrógeno ha despertado más interés últimamente, particularmente para vehículos comerciales pesados. Parte de la motivación para esto es como una tecnología puente para cumplir con los objetivos climáticos futuros de emisiones de CO 2 y como una tecnología más compatible con el conocimiento y la fabricación automotrices existentes. [ cita necesaria ]
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 necesaria ]
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 pequeñas movilidades. . [13]
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 fabricar un vehículo capaz de batir el actual récord de velocidad en tierra para vehículos propulsados por hidrógeno. [14] [15] [16] Alcanzó unas respetables 108,16 mph, perdiendo el récord mundial para vehículos propulsados por hidrógeno por 0,1 mph. [17]
En mayo de 2021, Toyota Corolla Sport, que está equipado con motor de hidrógeno, participó en la ronda 3 de la carrera de la Serie Super Taikyu "NAPAC Fuji Super TEC 24 Horas" y completó la carrera de 24 horas. [18] Toyota tiene intención de aplicar las tecnologías de seguridad y los conocimientos técnicos que ha acumulado mediante el 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 opinión común es que el enemigo no son los motores de combustión interna y que necesitamos soluciones diversas para desafiar la neutralidad de carbono. [21] En el evento, Yamaha Motor presentó el motor V8 de hidrógeno de 5.0 litros basado en el motor Lexus 2UR . [22]
En junio de 2022, Toyota reveló el progreso de sus esfuerzos en la Serie Super Taikyu en la Serie ENEOS Super Taikyu 2022. Dicen que la autonomía de crucero mejoró en aproximadamente un 20%, la potencia de salida mejoró en aprox. 20% y el par se mejoró en aprox. 30%. Además, se suman proveedores de Hidrógeno y se hace más eficiente su transporte para apoyar la carrera. [23] En julio de 2022, Isuzu , Denso , Toyota, Hino Motors y Commercial Japan Partnership Technologies Corporation (CJPT) anunciaron que habían comenzado a planificar y realizar una investigación fundamental sobre motores de hidrógeno para vehículos comerciales pesados con el objetivo de utilizar aún más los motores internos. Los motores de combustión como una opción para lograr la neutralidad de carbono. [24]
En agosto de 2022, Toyota realizó una demostración del GR Yaris H2, una versión especial con motor de hidrógeno del Toyota GR Yaris , durante la novena prueba 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 ronda 2 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 "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 se eleva de 8 a 15. [31] Los motores en vehículos prácticos alcanzan del 50 al 75% de esto, con aproximadamente el 60% es sugerido como límite de costo ilimitado. [32] Sin embargo, una presentación en una 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 pila de combustible está limitada por la energía libre de Gibbs , que suele ser mayor que la de Carnot. La determinación del rendimiento de una pila de combustible depende de la evaluación termodinámica. Utilizando el menor poder calorífico del hidrógeno , la eficiencia máxima de la pila 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 mayores. 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 alcanzar 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 comparables en términos de eficiencia a las pilas de combustible para aplicaciones de servicio pesado.
La eficiencia disminuye en los pequeños motores de combustión interna. 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), 2,5 veces la relación estequiométrica aire/combustible) logró 520 W y una eficiencia del 21%. Para medir la eficiencia del vehículo, 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 arrojaron como resultados eficiencias promedio de 3,5% a 5,9% y eficiencia máxima de 7,5%. El consumo medido en carretera llana 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 el 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 tanto, la combustión de hidrógeno en el aire produce óxidos de nitrógeno, conocidos como NOx . 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] Como tales, los motores de combustión de hidrógeno no se consideran emisiones cero .
A finales de 2021, casi el 96% de la producción mundial de hidrógeno procedía del gas natural (47%), el carbón (27%) y el 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 mayores que las de la combustión directa de la fuente. [37]
El hidrógeno tiene un amplio rango de inflamabilidad (3-70% H 2 en el aire) en comparación con otros combustibles. [35] Como resultado, se puede quemar 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 con una mezcla pobre de combustible y aire. Dicha 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 determinada 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 distintos del metano , óxidos de nitrógeno ( NOx ) , partículas atmosféricas y el número de partículas .
Como ocurre con cualquier motor de combustión interna, pequeñas cantidades de aceite de motor necesarias para la lubricación pueden ingresar a la cámara de combustión y participar en el proceso de combustión. Por tanto, los gases de escape pueden contener pequeñas cantidades de productos de la combustión de este aceite. Normalmente , en los gases de escape se pueden encontrar cantidades muy pequeñas de CO, CO 2 , SO 2 , HC y partículas. [39] [40] Estos son varios órdenes de magnitud inferiores a los que se verían en los gases de escape de un motor de gasolina o diésel.
La puesta a punto de un motor de hidrógeno en 1976 para producir la mayor cantidad de emisiones posible dio como resultado emisiones comparables a las de los motores de gasolina operados por consumidores de ese período. [ cita necesaria ] [41] Sin embargo, los motores más modernos suelen venir equipados con recirculación de gases de escape (EGR). Ecuación al ignorar EGR:
Esta tecnología beneficia potencialmente la combustión de hidrógeno también en términos de emisiones de NOx . [43]
Dado que la combustión de hidrógeno no produce cero emisiones pero sí cero emisiones de CO 2 , resulta atractivo considerar los motores de combustión interna de hidrógeno como parte de un sistema de propulsión híbrido. En esta configuración, el vehículo es capaz de ofrecer capacidades de cero emisiones a corto plazo, como operar en zonas urbanas de cero emisiones .
Las diferencias entre un motor ICE de hidrógeno y un motor de gasolina tradicional incluyen válvulas y asientos de válvulas endurecidos , bielas más resistentes, 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 supondrían aproximadamente una coma cinco veces (1,5) el coste 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 estequiométrica aire/combustible para el hidrógeno es 34:1. Con esta relación aire/combustible, el hidrógeno desplazará el 29% de la cámara de combustión dejando sólo 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 con carburador como el de inyección de puerto mezclan el combustible y el aire antes de que ingrese a 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. 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 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 estequiométrica 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 utilizar hidrógeno son las bajas emisiones de escape, los motores de hidrógeno normalmente no están diseñados para funcionar con una relación estequiométrica aire/combustible.
Normalmente, los motores de hidrógeno están diseñados para utilizar aproximadamente el doble de aire del que teóricamente se necesita 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 que 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] Se puede quemar una pequeña cantidad de hidrógeno 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 trabaja con socios industriales para el desarrollo de motores de combustión interna de hidrógeno. [47]
En Australia, los ingenieros introducen además diésel ICE en el combustible de hidrógeno para automóviles y camiones. [48] [49]
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