Vehículo con motor de combustión interna de hidrógeno

Exposiciones en el Museo Autovision , Altlußheim , Alemania

Boca de llenado de hidrógeno de un BMW

Tanque de hidrógeno líquido de Linde plc

Vehículos de hidrógeno

Coche conceptual BMW Hydrogen 7

Mazda RX-8 Hydrogen RE ( motor rotativo )

BMW H2R

Camión de hidrógeno líquido Musashi 9

Un vehículo con motor de combustión interna de hidrógeno (HICEV) es un tipo de vehículo de hidrógeno que utiliza un motor de combustión interna (ICE) que quema combustible de hidrógeno . ^{[ 1 ]} Los vehículos con motor de combustión interna de hidrógeno son diferentes de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno (que utilizan hidrógeno electroquímicamente en lugar de mediante combustión oxidativa ). 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 en el combustible significa que no se produce CO ₂ , lo que elimina la principal emisión de gases de efecto invernadero de un motor de petróleo convencional .

El hidrógeno puro no contiene carbono. Por lo tanto, en los gases de escape del motor no se producen contaminantes a base de carbono, como monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono ( _CO₂ ) o hidrocarburos (HC). Sin embargo, la combustión del hidrógeno se produce en una atmósfera que contiene nitrógeno y oxígeno, lo que puede generar óxidos de nitrógeno ( NOx ). En este sentido, el proceso de combustión es muy similar al de otros combustibles de combustión a alta temperatura, como el queroseno, la gasolina, _el diésel y el gas natural. Por consiguiente, los motores de combustión de hidrógeno no se consideran de cero emisiones .

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 Hippomóvil en 1863. En 1970, Paul Dieges patentó un motor de combustión interna de gasolina modificado que puede funcionar con hidrógeno. ^{[ 5 ]}

La Universidad de la Ciudad de Tokio ha estado desarrollando motores de combustión interna de hidrógeno desde 1970. ^{[ 6 ]} Recientemente han desarrollado un autobús ^{[ 7 ]} y un camión propulsados ​​por hidrógeno.

Mazda ha desarrollado motores Wankel que funcionan con hidrógeno. La ventaja de utilizar motores de combustión interna como los Wankel y los de pistón radica en que el coste de adaptación para la producción es mucho menor. Los motores de combustión interna de tecnología actual aún pueden utilizarse en condiciones donde las pilas de combustible no son una solución viable, por ejemplo, en aplicaciones de clima frío.

En 1990, un vehículo solar eléctrico se convirtió a hidrógeno utilizando un motor de cuatro tiempos de 107 ml. Se empleó en un proyecto de investigación que examinó y midió las pérdidas en las conversiones de energía: sol → 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 transportarlo a bordo. Se alimentaba mediante una instalación solar fija, y el hidrógeno producido se almacenaba en botellas presurizadas. ^{[ 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 los 301  km/h (187  mph) en las pruebas. Se han fabricado al menos dos de estos prototipos .

Se han presentado carretillas elevadoras HICE ^{[ 9 ]} basadas en motores diésel de combustión interna convertidos con inyección directa . ^{[ 10 ]}

Alset GmbH desarrolló un sistema híbrido de hidrógeno que permite que el vehículo utilice gasolina e hidrógeno por separado o simultáneamente 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 un mayor interés recientemente, sobre todo para vehículos comerciales pesados. Parte de la motivación reside en su función como tecnología de transición para alcanzar los futuros objetivos de reducción de emisiones _de CO₂ y en su mayor compatibilidad con los conocimientos y procesos de fabricación del sector automotriz.

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 .

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 de hidrógeno para la movilidad pequeña . ^{[ 13 ]}

En el año 2000, un Shelby Cobra fue convertido para funcionar con hidrógeno en un proyecto liderado por James W. Heffel (ingeniero principal en ese momento para el CE-CERT de la Universidad de California, Riverside ). La conversión a hidrógeno se realizó con el objetivo de crear un vehículo capaz de batir el récord actual de velocidad en tierra para vehículos propulsados ​​por hidrógeno. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} Logró una respetable velocidad de 108,16  mph, quedándose a 0,1 mph del récord mundial para vehículos propulsados ​​por hidrógeno  . ^{[ 17 ]}

En mayo de 2021, el Toyota Corolla Sport, que está equipado con un motor de hidrógeno, entró en la tercera ronda de la carrera Super Taikyu Series "NAPAC Fuji Super TEC 24 Hours" y completó la carrera de 24 horas. ^{[ 18 ]} Toyota pretende aplicar sus tecnologías de seguridad y conocimientos 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 a través del 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 punto de vista común es que el enemigo no son los motores de combustión interna, y que se necesitan soluciones diversas para desafiar la neutralidad de carbono. ^{[ 21 ]} En el evento, Yamaha Motor presentó un 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. Afirman que la autonomía se mejoró en aproximadamente un 20%, la potencia en aproximadamente un 20% y el par motor en aproximadamente un 30%. Además, se añadieron 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 habían comenzado la planificación y la investigación fundamental sobre motores de hidrógeno para vehículos comerciales pesados ​​con el objetivo de utilizar aún más los motores de combustión interna 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 del Toyota GR Yaris con motor de hidrógeno , 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 Super Taikyu Series, la "NNAPAC Fuji SUPER TEC 24 Hours Race", y completó la carrera de 24 horas. Fue la primera vez en el mundo que un automóvil propulsado por hidrógeno líquido participaba en una carrera. ^{[ 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 aumenta de 8 a 15. ^{[ 31 ]} Los motores en vehículos prácticos alcanzan entre el 50% y el 75% de esto, y se sugiere alrededor del 60% como límite de costo ilimitado. ^{[ 32 ]} Sin embargo, una presentación en conferencia del Laboratorio Nacional 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 suele ser mayor que la de Carnot. La determinación del rendimiento de una celda de combustible depende de la evaluación termodinámica. Utilizando el poder 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 adecuadamente, se pueden alcanzar eficiencias ligeramente superiores. La comparación con una pila de combustible de hidrógeno resulta interesante. La pila de combustible presenta un pico de alta eficiencia a baja carga, mientras que a alta carga la eficiencia disminuye. El motor de combustión de hidrógeno presenta un pico a alta carga y puede alcanzar niveles de eficiencia similares a los de una pila de combustible de hidrógeno. ^{[ 34 ]} De esto se deduce que los motores de combustión de hidrógeno igualan en eficiencia a las pilas de combustible para aplicaciones de servicio pesado.

La eficiencia disminuye en los motores de combustión interna pequeños. Un motor de 4 tiempos de 67 ml convertido a hidrógeno y probado con un dinamómetro en el punto óptimo de funcionamiento (3000 rpm, 14 NLM (litros normales por minuto), relación aire/combustible 2,5 veces la estequiométrica) 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 una eficiencia óptima de gasolina del 26 %) en un vehículo ligero y se condujo por pendientes conocidas mientras se medía la velocidad y el flujo de hidrógeno. Los cálculos arrojaron eficiencias promedio del 3,5 % al 5,9 % y una eficiencia máxima del 7,5 %. El consumo medido en una 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 oxígeno produce vapor de agua como único producto:

2H₂ + _O₂ → _2H₂O​​

Sin embargo, el aire es una mezcla de gases, y el más abundante 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 similar al de otros combustibles de combustión a alta temperatura, como el queroseno, la gasolina, el diésel o el gas natural. Este problema se agrava por las altísimas temperaturas generadas por la combustión del hidrógeno. ^{[ 35 ]} Por consiguiente, los motores de combustión de hidrógeno no se consideran de cero emisiones .

A finales de 2021, casi el 96 % de la producción mundial de hidrógeno provenía del gas natural (47 %), el carbón (27 %) y el petróleo (22 %), y solo alrededor del 4 % provenía de la electrólisis. ^{[ 36 ]} Las emisiones derivadas de la combustión de hidrógeno pueden ser insignificantes, pero las emisiones derivadas de su producción son actualmente superiores a las de la combustión directa de la fuente. ^{[ 37 ]}

El hidrógeno tiene un amplio rango de inflamabilidad (3 %-70 % H₂ _en aire) en comparación con otros combustibles. ^{[ 35 ]} Como resultado, puede combustionarse en un motor de combustión interna (MCI) con una amplia gama de mezclas de combustible y aire. Una ventaja de esto es que el motor puede funcionar con una mezcla pobre de combustible y aire: es decir, una 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. De esta manera, se logra una mayor eficiencia de combustible 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 europeas de emisiones miden las emisiones de monóxido de carbono , hidrocarburos , hidrocarburos distintos del metano , óxidos de nitrógeno ( NO _x ), material particulado atmosférico y número de partículas .

Como en cualquier motor de combustión interna, pequeñas cantidades del aceite lubricante pueden entrar en la cámara de combustión y participar en el proceso. Por lo tanto, los gases de escape pueden contener pequeñas cantidades de los productos de la combustión de este aceite. Normalmente, se encuentran cantidades ínfimas de CO, _CO₂ , SO₂, HC y partículas en los gases de escape. _[ 39 ] [ ^{40 ] Estas concentraciones son varios} órdenes de magnitud inferiores a las que se encontrarían en los gases de escape de un motor de gasolina o diésel.

En 1976, la optimización de un motor de hidrógeno para producir la mayor cantidad de emisiones posible resultó en emisiones comparables a las de los motores de gasolina de uso doméstico de la época. ^{[ 41 ]} Sin embargo, los motores más modernos suelen estar equipados con recirculación de gases de escape (EGR). Ecuación cuando se ignora la EGR:

H ₂ + O ₂ + N ₂ → H ₂ O + NO _x ^{[ 42 ]}

Esta tecnología potencialmente beneficia la combustión de hidrógeno también para las emisiones de NO _x . ^{[ 43 ]}

Dado que la combustión de hidrógeno no genera cero emisiones , pero sí cero 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 cero emisiones a corto plazo, como por ejemplo, operar en zonas urbanas de cero emisiones .

Las diferencias entre un motor de hidrógeno ICE y un motor de gasolina tradicional incluyen válvulas y asientos de válvula endurecidos , bielas más resistentes, bujías con punta no de platino , una bobina de encendido de mayor voltaje , inyectores de combustible diseñados para gas en lugar de líquido, un amortiguador de cigüeñal más grande , un material de junta de culata más resistente , un colector de admisión modificado (para sobrealimentador ) , un sobrealimentador de presión positiva y aceite de motor de alta temperatura . Todas las modificaciones equivaldrían 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 los motores de gasolina.

La potencia máxima teórica de un motor de hidrógeno depende de la relación aire/combustible y del método de inyección. La relación estequiométrica aire/combustible para el hidrógeno es de 34:1. Con esta relación, el hidrógeno ocupa el 29% de la cámara de combustión, dejando solo el 71% para el aire. En consecuencia, el contenido energético de esta mezcla es menor que si se utilizara gasolina. Dado que tanto la inyección por carburador como la inyección en el puerto mezclan el combustible y el aire antes de que entren en la cámara de combustión, estos sistemas limitan la potencia máxima teórica 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 la válvula de admisión se haya cerrado (y, por lo tanto, la cámara de combustión esté llena de aire), la potencia máxima del motor puede ser aproximadamente un 15% superior a 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 un motor de gasolina si se utiliza una relación estequiométrica aire/combustible. Sin embargo, con una relación estequiométrica aire/combustible, la temperatura de combustión es muy alta y, como resultado, se forma una gran cantidad de _óxidos de nitrógeno ( NOx ), que son contaminantes de referencia . Dado que una de las razones para usar hidrógeno son las bajas emisiones de escape, los motores de hidrógeno no suelen diseñarse para funcionar con una relación estequiométrica 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. Con esta relación aire/combustible, la formación de NO _x se reduce a casi cero. Desafortunadamente, esto también reduce la potencia 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 puede quemarse fuera de la cámara de combustión y llegar a la mezcla aire/combustible dentro de la cámara para encender la combustión principal. ^{[ 46 ]}

En los Países Bajos, la organización de investigación TNO ha estado trabajando con socios industriales en el desarrollo de motores de combustión interna de hidrógeno. ^{[ 47 ]}

En Australia, los ingenieros también insertaron motores diésel de combustión interna para que funcionaran con hidrógeno como combustible para automóviles y camiones. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

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