• Última modificación de la entrada:30/03/2021
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El tema que vamos a desarrollar en este artículo está relacionado con varios más del blog, de los que incluimos enlaces.

Si eres asiduo lector del blog por tus actividades profesionales y/o afición a la tecnología del automóvil, no te hará falta consultarlos, o tal vez algún detalle.

Los hemos incluido como complemento de información para tener una visión más completa del conjunto de temas relacionados.

Desde hace ya años se ha intensificado la investigación y desarrollo para que los automóviles, y otros vehículos, puedan circular sin emitir dióxido de carbono CO2 (no es tóxico pero potencia el calentamiento global), y por supuesto ningún contaminante tóxico.

Hay varias opciones de las que hemos ido hablando en diversos artículos del blog, entre estas utilizar el hidrógeno como combustible en motores con encendido provocado (con bujías), lo hemos explicado en el motor de combustión de hidrógeno y la pila de combustible de hidrógeno, con artículos centrados en cada uno de estos temas y mencionados en otros al estar relacionados.

También hemos publicado un artículo sobre alimentación por gas (GLP y GNC), en el que hay un detalle que afecta al tema que vamos a tratar en el artículo que estás leyendo, es el sistema dual fuel que permite al motor funcionar simultáneamente con dos combustibles, en ese caso gasóleo y gas.

Combinando todo esto vamos a exponer un proyecto de investigación, que sigue en curso, y se trata del motor dual fuel de gasolina con mezcla ultra pobre e hidrógeno, con los dos combustibles a la vez (dual fuel), que contiene interesantes detalles técnicos y es la razón de dedicarle este artículo.

Al estar el proyecto en desarrollo sobre un motor mono cilíndrico, vamos a hacer en el artículo una recreación con los datos publicados por la investigación de cómo sería el motor dual fuel con cuatro cilindros ya funcionando, y las diversas posibilidades que ofrece; con transmisión (embrague o convertidor, caja de cambios y diferencial), en vehículo híbrido paralelo o serie con baterías de propulsión y eléctrico con autonomía extendida (es en realidad un sistema híbrido serie en el que la autonomía eléctrica es muy superior a la térmica).

Se incluyen enlaces para contar con más información sobre el proyecto EAGLE.

Hay otro proyecto bastante avanzado que afecta al hidrógeno, es utilizarle para fabricar combustible sintético recuperando CO2 emitido.

Dosado en el motor de gasolina

Empezamos las explicaciones con un automóvil que tiene la implantación de motor longitudinal delantero con cuatro cilindros en línea y propulsión (tracción trasera).

Se mantendrá este tipo de motor e implantación en siguientes contenidos con coches, pero los modelos serán distintos:

  • En la línea de escape se ve un elemento que representa en esquema los sistemas anticontaminación, que todavía no son necesarios en este caso al no haber llegado las directivas anticontaminación, y a continuación dos silenciadores
  • Dosado es la proporción de aire y gasolina de la mezcla que va a explotar (en realidad es una combustión rápida) tras el salto de la chispa en la bujía
  • Se da el dosado por un número que indica los gramos de aire por un gramo de gasolina
  • Hay tres dosados característicos entre los que ha de funcionar el motor de gasolina, cada uno tiene sus particularidades y resalta por algún aspecto:
    • Dosado 15 (15 gramos de aire por 1 de gasolina, en realidad son 14,7 gramos de aire); consumo medio, menos contaminación y potencia media
    • Dosado 18 (18 gramos de aire por 1 gramo de gasolina); menos consumo, media contaminación y menos potencia
    • Dosado 12 (12 gramos de aire por 1 gramo de gasolina, en realidad son 12,5 gramos de aire); más consumo, más contaminación y más potencia
  • Curvas de generación de gases contaminantes tóxicos en la explosión; son tres HC hidrocarburos no quemados, CO monóxido de carbono y NOX óxidos de nitrógeno
  • No se contempla el dióxido de carbono CO2 producido al no ser contaminante tóxico, ya se mencionó
  • Se observa que el comportamiento de las curvas de los gases tóxicos es diferente según el dosado
  • El mejor compromiso para generar menos contaminantes tóxicos se logra con el dosado 15
  • Cuando se implanto el catalizador de tres vías o funciones, de oxidación y reducción, para neutralizar respectivamente en la primera parte CO y HC y en la segunda NOX, fue necesario mantener el dosado 15 para proteger de deterioro prematuro al catalizador, muy costoso
  • Se mantiene el dosado 15 con la sonda lambda λ colocada a la entrada del catalizador, que informa al calculador electrónico de inyección
  • El valor λ = 1 corresponde al dosado 15
  • Valores más altos de 1 (con más aire) son dosados “pobres” y más bajos de 1 (con menos aire) son dosados “ricos”
  • La proporción aire – gasolina 15 (λ = 1) se denomina dosado estequiométrico
  • No es posible mantener el dosado 15 con carburación

Antes de las directivas anticontaminación, cuando la alimentación de los motores de gasolina se hacía mediante carburación, se trataba de que los circuitos de gasolina funcionasen con los tres dosados según la actuación sobre el acelerador.

El control era suficiente en posiciones mantenidas del acelerador (mariposa/s), pero durante sus movimientos transitorios se producían picos de alteración del dosado y de la generación de contaminantes tóxicos y no tóxicos.

La implantación del catalizador y sonda lambda λ hizo necesaria la inyección electrónica para mantener el dosado 15 durante el funcionamiento del motor.

En este artículo se explica la historia de la alimentación de gasolina si te interesa.

Motor de gasolina con mezcla pobre

¿Puede funcionar el motor de gasolina con mezcla pobre?; con dosados superiores a 15 (λ > 1).

Veamos una forma con el motor de este automóvil que tiene inyección directa:

  • La cabeza del pistón tiene una marcada forma cóncava centralizada
  • Sube el pistón en compresión
  • Casi al final del recorrido de compresión del pistón se inyecta la gasolina a alta presión en gotas muy finas que inciden al fondo de la cámara cóncava, y a la vez salta la chipa en la bujía
  • Se produce la explosión (rápida combustión) de la gasolina inyectada con el aire en el entorno de la cámara cóncava, donde el dosado es 15
  • El aire de alrededor prácticamente no interviene, pero si se considera, el dosado total es bastante superior a 15, pobre
  • El par motor generado es menor por la inferior energía producida por la explosión, se compensa añadiendo algún sistema de sobrealimentación, vemos un turbocompresor que no solamente compensa la merma de par, pues incrementa su valor por el llenado a presión de los cilindros

En determinados momentos de funcionamiento, entre estos al acelerar rápido, se inicia la inyección de gasolina antes, incluso en admisión, y en cantidad adecuada para que resulte un dosado 15 o próximo, así interviene todo el aire que entra al cilindro aportando más par como respuesta a la demanda de aceleración.

Sin sobrealimentación, Mitsubishi utilizó la inyección directa en algunos de sus modelos de gasolina (1996), pero las prestaciones para lograr menos consumo se resentían bastante, lo que obligaba a acelerar más de la cuenta frecuentemente disminuyendo las ventajas previstas.

Hemos incluido este motor en un artículo sobre la evolución del motor de gasolina para reducir el consumo y emisión de CO2.

Concepto de dual fuel

Las explicaciones que siguen son una preparación para estudiar a continuación el motor dual fuel objeto de este artículo, como anticipo; bi fuel es poder funcionar con dos combustibles, uno u otro, pero no a la vez, y dual fuel es que el motor funciona simultáneamente con dos combustibles.

Se explica en un artículo cuyo enlace se incluye en la introducción.

El concepto de dual fuel es que un motor funciona con dos combustibles a la vez, generando par motor al entrar ambos en explosión o combustión, lo vemos:

  • Depósito de gasolina
  • Inyectores en el interior de los cilindros (inyección directa) y alimentación de gasolina desde el depósito
  • Depósito de gas, inyectores de gas también dentro de los cilindros (inyección directa)
  • Alimentación de gas, es como un aditivo que al quemarse produce energía pudiéndose reducir la cantidad de gasolina inyectada
  • Control electrónico de los sistemas de inyección de ambos combustibles
  • Dual fuel; en este caso hace funcionar al motor con dos combustibles a la vez, gasolina y gas
  • El dual fuel es compatible con la sobrealimentación, representada por un turbocompresor
  • Si se utiliza hidrógeno como gas el funcionamiento es similar al explicado; el hidrógeno es combustible y permite reducir la cantidad de gasolina inyectada, con menos consumo (de gasolina) y menos contaminación
  • El sistema dual fuel que explicamos ahora es mediante gasolina e hidrógeno, el que se utiliza más habitualmente es de gasóleo y gas (GLP o GNC)   

Ya hemos explicado lo que consideramos útil para entender el motor dual fuel de hidrógeno y mezcla ultra pobre de gasolina.

La idea de utilizar hidrógeno como complemento a la gasolina o gasóleo ya existe, pero no conocemos proyectos de su desarrollo para implantación en el automóvil, el motor que vamos a explicar está en fase avanzada.

Recreación del motor dual fuel de hidrógeno y mezcla pobre de gasolina (basado en el proyecto EAGLE)

Tras estudiar con detenimiento el proyecto EAGLE, hemos elaborado este artículo que recrea de forma didáctica como se ha diseñado, sus componentes, el proceso de combustión y los resultados:

  • Se resaltan en el motor el cigüeñal, las bielas y los pistones
  • Cámara de turbulencia específica en la cabeza de los pistones
  • Se representa con una concavidad central que comunica con otras cuatro a su alrededor próximas a la periferia
  • La parte superior de los pistones, incluidas las cámaras de turbulencia, tienen un revestimiento “inteligente” que reduce las pérdidas de calor
  • La idea es mantener una temperatura que permita una buena combustión sin que sea excesiva para minimizar la generación de NOX
  • Se representa en los cuatro pistones la cámara de turbulencia con los revestimientos “inteligentes”
  • Vemos el inyector de hidrógeno en el interior de la bujía de encendido, y oblicuamente el inyector de gasolina
  • El hidrógeno y la gasolina llegan tras un breve recorrido a un conducto común que incide en el cilindro sobre el pistón, inyección directa
  • Se colocan los conjuntos bujía e inyectores de hidrógeno y gasolina en los cilindros sobre los pistones
  • El motor dual fuel funciona con ciclo Miller, llenado a presión durante parte del recorrido de compresión
  • Dispone de sobrealimentación en dos etapas con asistencia eléctrica complementaria

Resumen de lo explicado:

  • Inyección de gasolina sobre el frente de llama generado por la combustión del hidrógeno
  • Mínima cantidad de gasolina inyectada para mezcla ultra pobre
  • Máximo aprovechamiento del calor que es energía
  • Menos emisión de CO2 al ser la mezcla de gasolina con aire ultra pobre
  • Menor generación de NOX en la combustión por el control de temperatura y uso de parte del oxígeno para la combustión del hidrógeno
  • Los NOX que se hayan generado se neutralizan en el escape con nuevos materiales y sistemas
  • El hidrógeno propicia la combustión de la gasolina, en mezcla ultra pobre, manteniendo limpia la cámara de combustión de carbonilla

El proyecto EAGLE se desarrolla sobre un motor dual fuel de un cilindro y se extrapola a otro de más cilindros para afinar los resultados, fiabilidad y valorar las posibles aplicaciones, de las que hablamos seguidamente.

Posibles aplicaciones del motor dual fuel de hidrógeno y gasolina con mezcla ultra pobre

Los objetivos del motor dual fuel de hidrógeno y mezcla ultra pobre de gasolina, proyecto EAGLE, van encaminados a su utilización en sistemas de propulsión híbridos.

Vamos a proponer de las posibles aplicaciones que podría tener teóricamente cuatro, una más de las previstas:

Embrague o convertidor de par E/C

  • Partimos de la imagen de este motor en planta con cuatro cilindros en línea y los componentes explicados
  • Se añade en admisión, antes de la entrada a los colectores, el intercooler para reducir la temperatura del aire comprimido de admisión
  • Con embrague o convertidor de par E/C, caja de cambios CC, árbol de transmisión T y diferencial con los palieres hasta las ruedas motrices traseras, en este caso y los que siguen
  • Es como la utilización de un motor térmico convencional y no es una aplicación prevista en principio

Híbrido paralelo

  • Híbrido paralelo con embrague o convertidor de par ¿E/C?, caja de cambios ¿CC?, transmisión T, motor eléctrico Me y baterías de propulsión Bp
  • Este sistema puede contar con embrague, convertidor y caja de cambios tradicionales u otros más adaptados al sistema híbrido
  • Las ruedas motrices en el híbrido paralelo pueden ser movidas por el motor térmico, el eléctrico o ambos a la vez
  • Las baterías de propulsión Bp se recargan en retenciones y frenadas
  • Puede disponer de cargador en red para las baterías de propulsión, es entonces híbrido enchufable
  • Es una posible aplicación

Híbrido serie

  • Híbrido serie con generador eléctrico Ge, motor eléctrico Me, baterías de prolusión Bp, transmisión reducida Tr (no precisa embrague o convertidor ni caja de cambios) y carga en red Cr
  • En este sistema el motor térmico no mueve las ruedas motrices, hace girar cuando está en marcha un generador eléctrico Ge
  • Las ruedas motrices son siempre movidas por el motor eléctrico
  • Cuando las baterías circulando se descargan se pone en marcha el motor térmico, gira el generador Ge produciendo electricidad para mover el motor eléctrico Me y recargar las baterías de propulsión Bp si es posible
  • Estas se cargan también en la red Cr y parcialmente en retenciones y frenadas
  • Es una aplicación prevista

Eléctrico

  • Eléctrico Me con baterías de propulsión Bp, transmisión simplificada Ts (el motor mueve el diferencial o directamente las ruedas motrices), carga en red Cr y autonomía extendida con el motor dual fuel de hidrógeno y mezcla ultra pobre de gasolina en marcha
  • Las baterías de propulsión Bp aportan suficiente autonomía según el uso previsto, en caso de que el recorrido sea más largo y se descarguen, se pone en marcha el motor térmico que mueve un generador para aportar electricidad y poder continuar la marcha
  • En realidad es como un híbrido serie, con la particularidad de que la autonomía eléctrica es muy superior a la térmica, que se considera como de utilización en situaciones imprevistas, casi de emergencia
  • Es una aplicación con bastantes posibilidades

Hay sistemas híbridos que pueden funcionar en paralelo y serie, se cuenta entonces con caja de cambios o algún sistema que hace esta función.

Con la posibilidad de utilizar hidrógeno de otras formas, como se ha comentado y se puede ver en los enlaces, esta opción que hemos visto tendrá que estudiarse desde varios aspectos y comparar los resultados.

En cualquier caso, parece que el futuro será de tecnología que no generen CO2, las que lo emitan, aunque sea poco, serán sistemas transitorios.

Una opción podría ser el retorno del motor  wankel de hidrógeno.

Hay otra con excelentes expectativas, ya existe y parece que será la más viable en el futuro.

Otros enlaces

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