Cómo funciona un motor de gasolina impulsado por hidrógeno

El reciente prototipo de BMW, el Serie 7 accionada por hidrógeno, todavía muy lejos de llegar a los concesionarios.

Enfrentados al costo cada vez mayor de la gasolina, los fabricantes de automóviles de todo el mundo están trabajando horas extra para mejorar de manera rentable la economía de combustible de los vehículos y, al mismo tiempo, cumplir con los estrictos requisitos de emisiones actuales. Una forma prometedora de aumentar la economía de combustible es agregar hidrógeno a la mezcla de aire / combustible en un motor de gasolina convencional. Se llama motor de gas impulsado por hidrógeno. Sin embargo, dado que el hidrógeno no está disponible en su estación de servicio local, vender un motor de gas impulsado por hidrógeno no ha estado en la lista corta de ningún fabricante de automóviles. Hasta ahora, eso es.

En este artículo, explicaremos una nueva tecnología que utiliza un reformador a bordo de respuesta rápida para generar una pequeña cantidad de hidrógeno a partir de gasolina. Este hidrógeno se agrega a la mezcla normal de aire / combustible del motor. Los motores diseñados para funcionar con una mezcla de hidrógeno / gasolina pueden obtener una ganancia de ahorro de combustible del 20 al 30 por ciento sin necesidad de controlar las emisiones nocivas de NOx, óxidos de nitrógeno. En las dos páginas siguientes, le diremos cómo funciona este nuevo motor que ahorra combustible y por qué parece que tiene el potencial de convertirse en una tecnología viable que ahorra combustible. Abordaremos los siguientes problemas relacionados con esta nueva tecnología:

• Qué es un motor de gasolina impulsado por hidrógeno Una pequeña cantidad de hidrógeno fabricado a bordo por el reformador se agrega a la mezcla normal de aire de admisión y gasolina en el motor del vehículo. Esto mejora en gran medida la calidad general de la combustión al permitir que se introduzca en la cámara de combustión casi el doble de aire para una determinada cantidad de combustible. Esto es más eficiente energéticamente porque ahorra energía al reducir la cantidad de bombeo del motor necesario. Conozca lo que dicen los expertos sobre esta nueva tecnología.

• El futuro de los motores de gas impulsados ​​por hidrógeno Se ha iniciado la carrera por la posición de liderazgo en economía de combustible. ¿Dónde encajará el motor de gas impulsado por hidrógeno con otras tecnologías de ahorro de combustible como los automóviles híbridos, los vehículos a etanol E85 y los nuevos automóviles limpios que funcionan con diesel? ¿Cuánto gas ahorra en comparación con otros vehículos que funcionan con combustibles alternativos? ¿Los consumidores comenzarán a ver este tipo de motor en los automóviles en un futuro próximo? Descúbrelo en esta sección.

ArvinMeritor Este prototipo de reformador, montado cerca del motor para probarlo en un SUV V6, mide 18 pulgadas de largo por 4 pulgadas de diámetro.

La tecnología de motores de gasolina impulsados ​​por hidrógeno es nueva y recién ahora comienza a surgir del laboratorio. Ofrece la perspectiva de una forma económica de producir una pequeña cantidad de hidrógeno a partir de gasolina con un sistema a bordo diseñado para ello. Inventado por científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts y perfeccionado por el proveedor de la industria automotriz ArvinMeritor en cooperación con la firma alemana de ingeniería automotriz IAV, este sistema puede proporcionar una alternativa rentable a la tecnología de celda de combustible y la combustión tradicional de gasolina y diesel. motores. Es posible que los motores impulsados ​​por hidrógeno puedan cerrar la brecha entre los vehículos de gasolina actuales y los vehículos de pila de combustible del futuro..

Si bien los vehículos de pila de combustible pueden ser prometedores a largo plazo, la realidad es que faltan años para la producción en masa. Los críticos citan el alto costo de las pilas de combustible, los problemas de producción en masa de combustible de hidrógeno y los problemas generales de abastecimiento de combustible como obstáculos clave. Algunos creen que pueden pasar décadas antes de que los vehículos de pila de combustible estén ampliamente disponibles. Los fabricantes de automóviles europeos ya han optado por motores diésel más caros, pero su costo y la complejidad relacionada están aumentando con los nuevos y estrictos requisitos de emisiones para el control de la materia particulada y las emisiones de NOx..

Los fabricantes de automóviles estadounidenses que se enfrentan a la misma preocupación por los motores diésel son reacios a comprometerse con el enorme gasto que supone el cambio de gasolina a diésel de mayor costo. Por ejemplo, los consumidores actualmente tienen que pagar una prima de aproximadamente $ 3000 por una camioneta liviana con motor diésel frente a un vehículo convencional con motor de gasolina. Esto aumentará en el futuro para compensar los costos crecientes asociados con asegurarse de que los vehículos diesel cumplan con las regulaciones de emisiones futuras. Recientemente, la EPA ha concedido un descanso a los vehículos diésel al flexibilizar los requisitos de NOx a corto plazo, pero solo hasta 2009 y el requisito de emisiones de alto kilometraje se ha endurecido como compensación.

Lo que dicen los expertos

Según los expertos de ArvinMeritor y los ingenieros ejecutivos Rudy Smaling y Jens Beister de IAV, los hechos sobre un motor de gasolina impulsado por hidrógeno y sus ventajas son claros.

Una pequeña cantidad de hidrógeno fabricado a bordo por el reformador se agrega a la mezcla normal de aire de admisión y gasolina. Esto mejora en gran medida la calidad general de la combustión al permitir que se introduzca en la cámara de combustión casi el doble de aire para una determinada cantidad de combustible. Esto es más eficiente energéticamente porque ahorra energía al reducir la cantidad de bombeo del motor necesario.

La eficiencia del combustible también se gana mediante el uso de relaciones de compresión del motor más altas que son posibles gracias a las características de carga rica en hidrógeno. Un sistema de combustible impulsado por hidrógeno también ahorra energía debido a la cantidad notablemente baja de energía eléctrica necesaria para alimentar el reformador. Según los desarrolladores, necesita menos de 75 vatios, que es menos que las necesidades eléctricas de un faro estándar..

Un análisis de vehículos virtuales aceptado por la industria basado en datos de pruebas de motores indicó el potencial de una mejora del 20 al 30 por ciento en el ahorro de combustible para una versión turboalimentada de tamaño reducido del motor impulsado por hidrógeno en comparación con los motores de gasolina convencionales..

A continuación, explicaremos qué le espera a esta tecnología y dónde comenzarán a verla los consumidores.. 

Imagina un SUV de tamaño completo como el Toyota Sequoia [fondo] eso consigue la economía de combustible de una gran sedán como el Ford Five Hundred [parte superior]. El reformador de hidrógeno podría hacer eso una realidad.

Los motores de gasolina impulsados ​​por hidrógeno tienen el potencial de mejorar considerablemente el ahorro de combustible. Una de las principales ventajas medioambientales y de costes del motor de sistema pobre reforzado con hidrógeno son las bajas cantidades de gases de emisión de NOx, por lo que se elimina por completo la necesidad de un control externo de las emisiones de NOx. Actualmente, el control de las emisiones de NOx es un problema de costes importante para los motores diesel que utilizan trampas caras para cumplir con los estándares de emisiones. Las emisiones de partículas diésel también deben recogerse mediante un filtro que debe regenerarse periódicamente..

Los motores de gasolina reforzados con hidrógeno no requieren filtros de control de partículas o NOx y solo requieren un catalizador de oxidación de bajo costo para controlar pequeñas cantidades de escape (hidrocarburos no quemados) formados principalmente durante el arranque del motor y el calentamiento temprano. Los recortes adicionales en los requisitos de control de emisiones se derivan de la capacidad del motor para utilizar solo la carga limpia enriquecida con hidrógeno durante la fase de arranque en frío cuando el 90% de las emisiones se generan en la prueba de emisiones..

El sistema de refuerzo de hidrógeno es efectivamente una tecnología atornillada que se puede agregar al compartimiento del motor de un vehículo existente. Según los desarrolladores, el costo del sistema es menos de la mitad del costo adicional de los motores diesel. Los costos de producción de la industria automotriz de EE. UU. Para las herramientas de diesel para reemplazar los motores de gasolina son enormes y serían difíciles para los fabricantes estadounidenses que actualmente luchan con dificultades financieras.

Ahora se está instalando un prototipo de motor impulsado por hidrógeno en un SUV equipado con V6 que tiene suficiente espacio libre para el reformador y su sistema relacionado. El inicio de las pruebas en carretera a largo plazo para obtener información sobre el rendimiento, la confiabilidad y la durabilidad está previsto para más adelante este año y se espera que la primera aplicación de producción se comercialice en 2010..

Los datos de rendimiento generados durante la fase inicial de las pruebas seguramente serán observados intensamente por prácticamente todos los interesados ​​en asuntos ambientales de energía y automoción, en parte porque el sistema está asociado con la palabra de moda "hidrógeno".

En los primeros lugares de la lista de partes interesadas se encuentran los fabricantes de camionetas y SUV grandes para los cuales los reguladores gubernamentales buscan un promedio de millas por galón un 10 por ciento más alto en comparación con el nivel de 2007 de 22.2 mpg. El nuevo nivel de 24,1 mpg debe cumplirse en 2011.

Es probable que los vehículos de cuatro cilindros también sean los principales candidatos para la tecnología, ya que los altos precios de la gasolina continúan generando competencia entre los modelos de alta economía de combustible que buscan el liderazgo en mpg. Un factor que contribuye al mercado de los automóviles compactos puede ser una preocupación con el costo de vida útil de los vehículos híbridos debido a la complejidad del sistema y el reemplazo de la batería, que en algunos casos se informa que asciende a $ 5000. Esto recién ahora está comenzando a reflejarse en bajos valores de reventa a medida que los híbridos de producción temprana alcanzan un alto kilometraje.

Sin embargo, el motor impulsado por hidrógeno no estará solo en la carrera por la posición de liderazgo en economía de combustible. Los motores avanzados de válvulas variables de inyección directa turbocargados de tamaño reducido, los motores diesel common-rail, los híbridos y los vehículos de combustible flexible compiten por la atención del fabricante de automóviles en la carrera por el ahorro de combustible.

Ninguna de estas tecnologías puede presumir de todas las ventajas del motor impulsado por hidrógeno, a saber, un ahorro de combustible drásticamente aumentado, un control mínimo de emisiones y una rentabilidad general. Al final, se necesitará una combinación de muchas tecnologías para abordar la sed de libertad de conducción de esta nación, pero es probable que escuchemos mucho más sobre el motor impulsado por hidrógeno en el futuro..