Prueba de manejo de BMW e hidrógeno: segunda parte
"Agua. El único producto final de los motores limpios de BMW es usar hidrógeno líquido en lugar de combustibles derivados del petróleo y permitir que todos disfruten de las nuevas tecnologías con la conciencia tranquila".
Camino de BMW
Estas palabras son una cita de una campaña publicitaria de una empresa alemana hace varios años. Durante mucho tiempo nadie cuestionó el hecho de que los bávaros saben muy bien lo que están haciendo cuando se trata de tecnología de motores y son uno de los líderes mundiales indiscutibles en este campo. Tampoco se pensaría que una empresa que ha mostrado un sólido crecimiento de ventas en los últimos años gastaría una tonelada de dinero en anuncios poco conocidos de tecnologías prometedoras con un futuro incierto.
Al mismo tiempo, sin embargo, las palabras citadas son parte de una campaña para promocionar una versión de hidrógeno bastante exótica de 745 horas del buque insignia del fabricante de automóviles bávaro. Exótico, porque según BMW, la transición a combustibles alternativos a los hidrocarburos, que la industria automotriz viene alimentando desde sus inicios, requerirá un cambio en toda la infraestructura productiva. Esto último es necesario porque los bávaros ven un camino de desarrollo prometedor no en las celdas de combustible ampliamente publicitadas, sino en la conversión de motores de combustión interna para que funcionen con hidrógeno. BMW cree que la actualización es un problema solucionable y ya ha logrado un progreso significativo para resolver el problema principal de lograr un rendimiento confiable del motor y eliminar su propensión a los procesos de combustión descontrolados utilizando hidrógeno puro. El éxito en esta dirección se debe a la competencia en el campo del control electrónico de los procesos del motor y la posibilidad de utilizar los sistemas flexibles de distribución de gas patentados por BMW Valvetronic y Vanos, sin los cuales sería imposible garantizar el funcionamiento normal de los "motores de hidrógeno". . Sin embargo, los primeros pasos en esta dirección se remontan a 1820, cuando el diseñador William Cecil creó un motor alimentado con hidrógeno que funcionaba según el llamado "principio de vacío", un esquema muy diferente al del motor inventado más tarde con un motor interno. . incendio. En su primer desarrollo de motores de combustión interna 60 años después, el pionero Otto utilizó el ya mencionado gas sintético derivado del carbón con un contenido de hidrógeno de alrededor del 50%. Sin embargo, con la invención del carburador, el uso de la gasolina se ha vuelto mucho más práctico y seguro, y el combustible líquido ha reemplazado a todas las demás alternativas que existían hasta ahora. Las propiedades del hidrógeno como combustible fueron redescubiertas muchos años después por la industria espacial, que rápidamente descubrió que el hidrógeno tenía la mejor relación energía/masa de todos los combustibles conocidos por la humanidad.
En julio de 1998, la Asociación Europea de la Industria Automotriz (ACEA) se comprometió con la Unión Europea a reducir las emisiones de CO2008 de los vehículos recién matriculados en la Unión en un promedio de 2 gramos por kilómetro en 140. En la práctica, esto significó una reducción de emisiones del 25% en comparación con 1995, y el consumo medio de combustible de la nueva flota fue de unos 6,0 l / 100 km. En un futuro próximo, se espera que medidas adicionales reduzcan las emisiones de dióxido de carbono en un 14% para 2012. Esto hace que la tarea para las empresas de automóviles sea extremadamente difícil y, según los expertos de BMW, puede resolverse utilizando combustibles bajos en carbono o eliminando por completo el carbono de la composición del combustible. Según esta teoría, el hidrógeno está reapareciendo en el ámbito de la automoción en todo su esplendor.
La empresa bávara se convirtió en el primer fabricante de automóviles en producir en masa vehículos propulsados por hidrógeno. Las afirmaciones optimistas y confiadas del profesor Burkhard Geschel, miembro de la junta de BMW responsable de nuevos desarrollos, de que "la empresa venderá coches de hidrógeno antes de que expire la actual Serie 7" se han hecho realidad. Con su última versión, el Hydrogen 7, la séptima serie, presentado en 2006, con un motor de 12 cilindros y 260 CV. este mensaje ya se ha hecho realidad. La intención parecía bastante ambiciosa, pero no sin razón. BMW lleva experimentando con motores de combustión interna que funcionan con hidrógeno desde 1978, y el 11 de mayo de 2000 hizo una demostración única de las posibilidades de esta alternativa. Una impresionante flota de 15 vehículos de 750 hl de la generación anterior de la semana, propulsados por motores de hidrógeno de doce cilindros, completó el maratón de 170 km, destacando el éxito de la compañía y la promesa de nuevas tecnologías. En 000 y 2001, algunos de estos vehículos siguieron participando en diversas demostraciones en apoyo de la idea del hidrógeno. Luego llegó el momento de un nuevo desarrollo, basado en la próxima Serie 2002, utilizando un moderno motor V-7 de 4,4 litros capaz de alcanzar una velocidad máxima de 212 km / h, seguido del último desarrollo con un V-12 de XNUMX cilindros. Según la opinión oficial de la empresa, las razones por las que BMW eligió esta tecnología en lugar de las pilas de combustible son tanto comerciales como psicológicas. Primero, este método requerirá una inversión significativamente menor si cambia la infraestructura de producción. En segundo lugar, debido a que la gente está acostumbrada al viejo motor de combustión interna, les gusta y será difícil desprenderse de él. Y tercero, mientras tanto, resultó que esta tecnología se está desarrollando más rápido que la tecnología de pila de combustible.
En los automóviles BMW, el hidrógeno se almacena en un recipiente criogénico súper aislado, algo así como una botella termo de alta tecnología desarrollada por el grupo de refrigeración alemán Linde. A bajas temperaturas de almacenamiento, el combustible se encuentra en fase líquida y entra al motor como combustible normal.
En esta etapa, los diseñadores de la empresa con sede en Múnich se centraron en la inyección indirecta de combustible, y la calidad de la mezcla depende del modo de funcionamiento del motor. En el modo de carga parcial, el motor funciona con mezclas pobres similares al combustible diesel: el cambio se realiza solo en la cantidad de combustible inyectado. Este es el llamado "control de calidad" de la mezcla, en el que el motor funciona con exceso de aire, pero debido a la baja carga, se minimiza la formación de emisiones de nitrógeno. Cuando hay una necesidad de potencia significativa, el motor comienza a funcionar como un motor de gasolina, pasando al llamado "control cuantitativo" de la mezcla y las mezclas normales (no pobres). Estos cambios son posibles, por un lado, debido a la velocidad del control electrónico de los procesos en el motor y, por otro lado, debido a la operación flexible de los sistemas de control de distribución de gas - Vanos "doble", trabajando en conjunto con el Sistema de control de admisión Valvetronic sin acelerador. Hay que tener en cuenta que, en opinión de los ingenieros de BMW, el esquema de trabajo de este desarrollo es solo una etapa intermedia en el desarrollo de tecnologías y que en el futuro los motores pasarán a la inyección directa de hidrógeno en cilindros y turbocompresor. Se espera que estas técnicas den como resultado una mejor dinámica del vehículo que un motor de gasolina comparable y un aumento en la eficiencia general del motor de combustión interna en más del 50%. Aquí nos abstuvimos deliberadamente de tocar el tema de las "pilas de combustible", ya que este tema se ha utilizado de forma bastante activa últimamente. Sin embargo, al mismo tiempo, debemos mencionarlos en el contexto de la tecnología de hidrógeno de BMW, ya que los diseñadores en Múnich decidieron utilizar estos dispositivos para alimentar la red eléctrica de a bordo en los automóviles, eliminando por completo la energía de la batería convencional. Este movimiento permite ahorros de combustible adicionales, ya que el motor de hidrógeno no tiene que accionar el alternador y el sistema eléctrico a bordo se vuelve completamente autónomo e independiente de la ruta de conducción: puede generar electricidad incluso cuando el motor no está funcionando, así como producir y consumir energía se presta a una optimización total. El hecho de que ahora solo se pueda producir la cantidad de electricidad necesaria para alimentar la bomba de agua, las bombas de aceite, el servofreno y los sistemas cableados también se traduce en ahorros adicionales. Sin embargo, en paralelo con todas estas innovaciones, el sistema de inyección de combustible (gasolina) prácticamente no sufrió costosos cambios de diseño. Para promover las tecnologías del hidrógeno en junio de 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN crearon el programa de asociación CleanEnergy, que comenzó con el desarrollo de estaciones de servicio con hidrógeno licuado y comprimido.
BMW es el iniciador de una serie de otros proyectos conjuntos, incluso con compañías petroleras, entre los cuales los participantes más activos son Aral, BP, Shell, Total. El interés en esta área prometedora está creciendo exponencialmente: en los próximos diez años, solo la UE proporcionará contribuciones financieras directas a los fondos para financiar el desarrollo y la implementación de tecnologías de hidrógeno por un monto de 2,8 millones de euros. El volumen de inversiones de las empresas privadas en el desarrollo del "hidrógeno" durante este período es difícil de predecir, pero está claro que muchas veces superará las deducciones de las organizaciones sin fines de lucro.
Hidrógeno en motores de combustión interna.
Es interesante notar que, debido a las propiedades físicas y químicas del hidrógeno, es mucho más inflamable que la gasolina. En la práctica, esto significa que se requiere mucha menos energía inicial para iniciar el proceso de combustión en hidrógeno. Por otro lado, las mezclas muy pobres se pueden usar fácilmente en motores de hidrógeno, algo que los motores de gasolina modernos logran a través de tecnologías complejas y costosas.
El calor entre las partículas de la mezcla de hidrógeno y aire se disipa menos y, al mismo tiempo, la temperatura de autoignición y la velocidad de los procesos de combustión son mucho más altas que las de la gasolina. El hidrógeno tiene una baja densidad y una fuerte difusividad (la posibilidad de que las partículas penetren en otro gas, en este caso, el aire).
La baja energía de activación requerida para el autoencendido es uno de los mayores desafíos en el control de los procesos de combustión en los motores de hidrógeno porque la mezcla puede encenderse espontáneamente fácilmente debido al contacto con áreas más calientes en la cámara de combustión y la resistencia a seguir una cadena de procesos completamente descontrolados. Evitar este riesgo es uno de los mayores desafíos en el desarrollo de motores de hidrógeno, pero no es fácil eliminar las consecuencias del hecho de que una mezcla de combustión muy difusa viaja muy cerca de las paredes del cilindro y puede penetrar espacios extremadamente estrechos. como válvulas cerradas, por ejemplo... Todo esto hay que tenerlo en cuenta a la hora de diseñar estos motores.
Una alta temperatura de autoignición y un alto índice de octanaje (alrededor de 130) permiten un aumento en la relación de compresión del motor y, por lo tanto, su eficiencia, pero nuevamente existe el peligro de autoignición del hidrógeno por contacto con la parte más caliente. en el cilindro. La ventaja de la alta capacidad de difusión del hidrógeno es la posibilidad de mezclarse fácilmente con el aire, lo que en caso de avería del depósito garantiza una dispersión rápida y segura del combustible.
La mezcla ideal de aire e hidrógeno para la combustión tiene una relación de aproximadamente 34:1 (para la gasolina esta relación es de 14,7:1). Esto significa que al combinar la misma masa de hidrógeno y gasolina en el primer caso, se requiere más del doble de aire. Al mismo tiempo, la mezcla de hidrógeno y aire ocupa mucho más espacio, lo que explica por qué los motores impulsados por hidrógeno tienen menos potencia. Una ilustración puramente digital de proporciones y volúmenes es bastante elocuente: la densidad del hidrógeno listo para la combustión es 56 veces menor que la del vapor de gasolina... Sin embargo, cabe señalar que, en principio, los motores de hidrógeno también pueden funcionar con mezclas de aire e hidrógeno de hasta 180:1 (es decir, mezclas muy "pobres"), lo que a su vez significa que el motor puede funcionar. sin válvula de mariposa y utiliza el principio de los motores diésel. También cabe señalar que el hidrógeno es el líder indiscutible en la comparación de hidrógeno y gasolina como fuentes de energía en términos de masa: un kilogramo de hidrógeno consume casi tres veces más energía que un kilogramo de gasolina.
Al igual que con los motores de gasolina, el hidrógeno licuado se puede inyectar directamente por delante de las válvulas en los colectores, pero la mejor solución es la inyección directamente durante la carrera de compresión; en este caso, la potencia puede superar la de un motor de gasolina similar en un 25 %. Esto se debe a que el combustible (hidrógeno) no desplaza el aire como en un motor de gasolina o diesel, permitiendo que solo aire (mucho más de lo normal) llene la cámara de combustión. Además, a diferencia de los motores de gasolina, los motores de hidrógeno no necesitan un remolino estructural porque el hidrógeno se difunde lo suficientemente bien con el aire sin esta medida. Debido a las diferentes velocidades de combustión en diferentes partes del cilindro, es mejor colocar dos bujías, y en los motores de hidrógeno, el uso de electrodos de platino es poco práctico, ya que el platino se convierte en un catalizador que conduce a la oxidación del combustible a bajas temperaturas.
H2R
El H2R es un prototipo de superdeportivo en funcionamiento construido por ingenieros de BMW y propulsado por un motor de doce cilindros que alcanza una potencia máxima de 285 hp cuando funciona con hidrógeno. Gracias a ellos, el modelo experimental acelera de 0 a 100 km/h en seis segundos y alcanza una velocidad máxima de 300 km/h.El motor H2R se basa en la unidad estándar de gama alta utilizada en el 760i de gasolina y tardó solo diez meses en desarrollarse. Para evitar la combustión espontánea, los especialistas bávaros han desarrollado un ciclo de flujo especial y una estrategia de inyección en la cámara de combustión, aprovechando las posibilidades que ofrecen los sistemas de sincronización variable de válvulas del motor. Antes de que la mezcla ingrese a los cilindros, estos últimos se enfrían con aire y el encendido se realiza solo en el punto muerto superior; debido a la alta tasa de combustión con combustible de hidrógeno, no se requiere el avance del encendido.
Hallazgos
El análisis financiero de la transición a la energía limpia del hidrógeno aún no es muy optimista. La producción, el almacenamiento, el transporte y el suministro de gas ligero siguen siendo procesos que consumen mucha energía y, en la etapa tecnológica actual del desarrollo humano, tal esquema no puede ser eficaz. Sin embargo, esto no significa que la investigación y la búsqueda de soluciones no continúen. Las propuestas para producir hidrógeno a partir de agua utilizando electricidad de paneles solares y almacenarlo en grandes tanques suenan optimistas. Por otro lado, el proceso de generar electricidad e hidrógeno en fase gaseosa en el desierto del Sahara, transportarlo al mar Mediterráneo por oleoducto, licuarlo y transportarlo en cisternas criogénicas, descargarlo en puertos y finalmente transportarlo en camión suena un poco ridículo de momento ...
Recientemente, la compañía petrolera noruega Norsk Hydro presentó una idea interesante, que propuso producir hidrógeno a partir de gas natural en sitios de producción en el Mar del Norte, y el monóxido de carbono residual se almacenó en campos agotados bajo el lecho marino. La verdad se encuentra en algún punto intermedio, y solo el tiempo dirá adónde irá el desarrollo de la industria del hidrógeno.
Variante Mazda
La compañía japonesa Mazda también muestra su versión del motor de hidrógeno, en forma de un automóvil deportivo de unidad rotativa RX-8. Esto no es sorprendente, porque las características de diseño del motor Wankel son extremadamente adecuadas para usar hidrógeno como combustible. El gas se almacena a alta presión en un tanque especial y el combustible se inyecta directamente en las cámaras de combustión. Debido a que en el caso de los motores rotativos, las zonas de inyección y combustión están separadas, y la temperatura en la parte de aspiración es más baja, se reduce significativamente el problema de la posibilidad de un encendido descontrolado. El motor Wankel también ofrece suficiente espacio para dos inyectores, lo cual es extremadamente importante para inyectar la cantidad óptima de hidrógeno.
