Motor de combustión de hidrógeno

El hidrógeno como combustible es uno de los objetivos más buscados desde casi prácticamente los inicios del automóvil.

Es el elemento químico más abundante, pero su presencia es en combinación con otros, no existe de forma independiente.

Esto implica que ha de ser producido y distribuido con las estructuras y logística que esto supone.

Además, al poder sustituir al petróleo, con sus implicaciones macroeconómicas inherentes va a ser un camino complejo.

Parece que las marcas de automóviles están sumamente interesadas en el hidrógeno, pues ven que es el futuro para su industria y serán rentables las inversiones necesarias.

De hecho, están las marcas empezando a “forzar” la producción y distribución de hidrógeno con la comercialización de automóviles con este combustible (2014).

Hay en principio dos opciones de utilización del hidrógeno, motor de combustión de hidrógeno y pila de combustible.

Para valorar cual es la tecnología más adecuada se comienza comparando los motores térmicos de gasolina, diésel e hidrógeno.

Motores térmicos de cuatro tiempos de combustión interna

Utilizamos como referencia un motor de cuatro cilindros en línea atmosférico (sin sobrealimentación) con distribución OHC.

Este es el funcionamiento genérico apoyado en la animación siguiente:

  • Entra aire a los cilindros succionado en admisión por el descenso de los pistones
  • Antes pasa por el filtro de aire para evitar la entrada de impurezas y suciedad
  • Se ha representado la mariposa de gases como acelerador, controlando el caudal de aire
  • En algún momento de la admisión, motores de gasolina con inyección indirecta, o en fase de compresión con inyección directa se aporta combustible, este último es el tipo de inyección de la imagen
  • La gasolina procede del depósito y se aporta al caudal de aire mediante los inyectores
  • El control es actualmente electrónico para mejor precisión
Motor de combustión de hidrógeno (1/4)

  • Con la mezcla de aire y combustible sobre el pistón, al final de la compresión se produce la combustión, de dos formas genéricas según el tipo de motor; propiciada por la chispa en la bujía (gasolina e hidrógeno) o por el contacto del combustible con el aire muy caliente (diésel), a continuación se explica la combustión en cada tipo de motor
  • Las combustiones sobre los pistones generan la fuerza de empuje de la se obtiene el par motor que desplaza el automóvil
  • Parte de los gases quemados resultantes son contaminantes
  • Para evitar la salida al exterior de los gases nocivos, se han de incorporar elementos encargados de su neutralización o limpieza previa

Con esta introducción sobre el motor térmico de combustión interna vamos comparar el funcionamiento con tres combustibles; gasolina, gasóleo e hidrógeno

Combustión de los motores térmicos de gasolina, diésel e hidrógeno

La animación que sigue representa el funcionamiento de los tres tipos de motor;

Motor de gasolina (se representa un motor de inyección directa):

  • El acelerador regula el caudal de aire que pasa a los cilindros por el colector de admisión, actuando sobre la mariposa de gases
  • La gasolina parte del depósito y llega a los inyectores, controlados electrónicamente, que aportan el combustible a presión sobre la masa de aire generando la mezcla (con inyección indirecta los inyectores están en el colector de admisión y entra a los cilindros la mezcla)
  • La combustión de la mezcla de aire y gasolina se inicia por el efecto de la chispa en la bujía
  • El motor de gasolina emite gases contaminantes, que seguidamente detallaremos
Motor de combustión de hidrógeno (2/4)

Motor diésel (el motor que se ve es con inyección directa, la otra opción sería inyección en precámara):

  • El motor diésel no necesita mariposa de gases, entra más aire que en el motor de gasolina pues funciona con exceso de aire (algunos motores diésel incorporan la mariposa para reducir vibraciones al parar el motor y colaborar en la reducción de contaminación)
  • El pistón del motor diésel sube más que en el de gasolina, tiene mayor relación de compresión, para que la temperatura del aire sea muy alta
  • Desde el depósito el gasóleo llega a los inyectores controlados electrónicamente, y es aportado por varias salidas sobre el aire muy caliente
  • La cantidad del gasóleo inyectado determina las RPM y energía de la combustión, es decir es la función acelerador
  • Al contactar las gotas de gasóleo con el aire sobre calentado entran en combustión, bueno combustiones, pues se producen muchas que se van propagando por toda la cámara
  • Parte de los gases resultantes que se evacuan por el escape son contaminantes, a continuación se describen

Motor de hidrógeno (su tecnología es muy similar al de gasolina):

  • La aceleración es controlada mediante la mariposa de gases…
  • El hidrógeno se almacena en un depósito específico a presión y es inyectado sobre el aire en el cilindro, con el correspondiente control electrónico
  • La chispa en la bujía provoca la combustión de la mezcla aire e hidrógeno
  • El motor de hidrógeno no emite gases contaminantes, con algún matiz que luego veremos

Tras estas explicaciones ya se va valorando el interés del hidrógeno como combustible.

Anticontaminación de los motores térmicos de gasolina, diésel e hidrógeno

Para poder llegar a conclusiones sobre qué combustible es el más adecuado, se propone comparar la contaminación de los tres combustibles que estamos valorando, y lo hacemos con esta animación.

Antes un comentario, no se incluye el CO2 como contaminante pues su efecto nocivo es potenciar el efecto invernadero y es proporcional al consumo de combustible.

Se puede ingerir, es el gas de las bebidas carbónicas.

Gases contaminantes del motor de gasolina y soluciones:

  • Monóxido de carbono CO
  • Hidrocarburos no quemados HC
  • Óxidos de nitrógeno NOX
  • Estos tres gases contaminantes se neutralizan con el catalizador de tres vías; en su interior se producen reacciones químicas entre estos gases y diferentes metales preciosos que les transforman en gases no contaminantes
  • Los NOX se producen por la reacción de los dos principales componentes del aire, nitrógeno y oxígeno, a causa de la temperatura de la combustión
  • Si el motor funciona con más aire (para mejorar en consumo de gasolina) hay oxígeno sobrante, puede ser necesario en este caso eliminar más cantidad de NOX, y se recurre a la recirculación de los gases de escape EGR

Gases contaminantes del motor diésel y soluciones:

  • Monóxido de carbono CO; más al acelerar
  • Hidrocarburos no quemados HC; más al acelerar
  • Óxidos de nitrógeno NOX; menos al acelerar
  • Micropartículas MPC; se producen a bajas RPM, en aceleración y en recorridos cortos
  • CO y HC se neutralizan en el catalizador de dos vías
  • Los NOX, más cantidad en el diésel al funcionar con exceso de aire, se resuelven con la EGR que quita sitio al aire de admisión con gases de escape ya quemados
  • Para cumplir normativas anticontaminantes más severas se incorpora adicionalmente el catalizador SCR, que acumula el exceso de NOX, para disolverlos químicamente de forma periódica con la inyección en su interior de un aditivo específico, adblue
  • Las MPC se van acumulando en el filtro antipartículas FAP, cuando está lleno se genera un sistema de auto limpieza que aumenta la temperatura de los gases de escape que queman las micropartículas
  • Suele ser mediante una inyección de gasóleo adicional, con sistemas de calentamiento e incluso con aditivos que reducen la temperatura de quemado de las micropartículas

Gases contaminantes del motor de hidrógeno y soluciones:

  • Emite vapor de agua
  • En algunos casos la temperatura de la combustión puede propiciar la generación de pequeñas cantidades de NOX, que se evitan con la EGR
Motor de combustión de hidrógeno (3/4)

Sin entrar en explicaciones complejas:

Motor de gasolina

  • La contaminación del motor de gasolina es bastante uniforme y se soluciona con el catalizador de tres vías, apoyado si es preciso por la EGR
  • Se adapta a cualquier uso, incluido urbano con recorridos relativamente cortos

Motor diésel

  • La contaminación del motor diésel es muy variable según las RPM y aceleración, además de la temperatura de funcionamiento
  • Por esto se están haciendo cada vez más complejos y costosos los sistemas de limpieza de los gases
  • Recorridos cortos propician fatigas adicionales a los sistemas anticontaminación
  • En utilización en carretera con el motor caliente los sistemas anticontaminantes trabajan en las mejores condiciones

Motor de hidrógeno

  • Al no contaminar el motor de hidrógeno parece la solución más adecuada, que irá incrementando su valor según las normativas sean más estrictas y exijan menos contaminación a los motores de gasolina y diésel
  • Los fabricantes de automóviles ya apuestan por su incorporación masiva

Con hidrógeno ¿motor de combustión de hidrógeno o pila de combustible?

El hidrógeno como combustible tiene dos principales posibilidades, comentadas al inicio de este artículo (hay otra más derivada que se expone al final), ser utilizado en un motor de combustión de hidrógeno parecido al de gasolina o la pila de combustible.

Veamos qué opción resulta la más adecuada con la animación que se propone a continuación:

Motor de combustión de hidrógeno (imagen superior):

  • Los gases que entran y salen en el motor térmico están sometidos a recorridos complejos con curvas y recovecos, paso por diferentes elementos que dificultan su tránsito y elevadas inercias y rebotes al actuar las válvulas, “resonancia”
  • El resultado es que la energía de las combustiones, que depende del llenado de los cilindros, no es constante
  • A bajas RPM es débil para ir aumentando hasta un valor máximo y después disminuir de nuevo
  • Es decir, el par motor es variable como se ve en su curva
  • Para iniciar la marcha, y también subir cuestas, se ha de multiplicar el par
  • Esta es la función de la caja de cambios, cuantas más relaciones tenga más posibilidades hay de que el motor funcione en las mejores condiciones según la orografía, peso transportado y aceleración
  • Para acoplar de forma progresiva el motor a la caja de cambios y pasar de una a otra relación es necesario el embrague
  • El automóvil de la imagen tiene motor delantero longitudinal y propulsión

Pila de combustible de hidrógeno (imagen inferior):

  • La pila de combustible es un sistema en el que la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno producen electricidad y como gas resultante vapor de agua
  • Pila de combustible PC y el depósito específico de hidrógeno a presión HG
  • Las ruedas motrices, delanteras en la imagen, reciben el movimiento desde un motor eléctrico a través de unos engranajes de conexión, en este caso con reducción
  • Unas baterías de propulsión pueden colaborar para el arranque en frío y situaciones concretas
  • Al funcionar la pila de combustible recibe hidrógeno del depósito y oxígeno del aire, al reaccionar se genera electricidad que alimenta al motor eléctrico de propulsión y recarga las baterías
  • Se emite por el escape vapor de agua. (Si se generan algunos NOX se eliminan con la EGR, no representada)
  • Como se aprecia, con pila de combustible no se necesita caja de cambios ni transmisión, además de ser bastante más simple que un motor térmico con todos sus componentes, por lo que parece una excelente solución.
Motor de combustión de hidrógeno (4/4)

Hay otra opción intermedia, antes anunciada, consiste en la tecnología de propulsión híbrida en serie con motor de combustión de hidrógeno.

Esta es la idea:

  • El sistema híbrido consiste en disponer de dos fuentes de energía para el movimiento; térmica y eléctrica con baterías de propulsión
  • El híbrido serie indica que la energía que mueve directamente las ruedas es eléctrica
  • El motor de combustión de hidrógeno acciona un generador eléctrico que alimenta al motor eléctrico de propulsión y recarga las baterías
  • Se mantiene el motor de combustión de hidrógeno pero se prescinde de la caja de cambios y transmisión

Veremos que nos va deparando el futuro, entre las posibilidades técnicas y las macroeconómicas, entre otros factores implicados.

Enlaces de interés

Otros enlaces de interés

Vídeos de interés

¿Cómo funciona el motor de hidrógeno?

Cómo funciona una caja de transmisión de doble embrague?

El Hidrógeno y los Motores de Combustión Interna (I)

El Hidrógeno y los Motores de Combustión Interna (II)

El Hidrógeno y los Motores de Combustión Interna (III)

Marcar como favorito enlace permanente.

4 comentarios

  1. Eduardo Villar

    Tengo instalado en una camioneta Saveiro naftera de 1,6 litros y equipo de HHO complementario al consumo de nafta que me proporciona una economía promedio del 25% entre tránsito urbano y de ruta. También tengo un Peugeot 408 HDI de 1,6 lts. con turbo y quisiera saber si es posible instalarle un equipo de HHO complementario con seguridad de funcionamiento.

  2. Hola, Es posible hacer funcionar un motor de motocicleta de 125cc a carburador solamente con hidrógeno? teniendo en cuenta el espacio de la motocicleta para colocar los equipos. La motocicleta en cuestión es ésta: http://img.autocosmos.com/noticias/fotosprinc/0_1194555663.jpg

    Desde ya muchas gracias!

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Información básica sobre protección de datos Ver más

  • Responsable Pilar García .
  • Finalidad Moderar los comentarios. Responder las consultas.
  • Legitimación Tu consentimiento.
  • Destinatarios siteground.com.
  • Derechos Acceder, rectificar y suprimir los datos.
  • Información Adicional Puedes consultar la información detallada en la Política de Privacidad.