BMW e hidrógeno: motor de combustión interna

Los proyectos de la compañía comenzaron hace 40 años con la versión de hidrógeno de la serie 5

BMW ha creído durante mucho tiempo en la movilidad eléctrica. Hoy en día, Tesla puede considerarse el punto de referencia en esta área, pero hace diez años, cuando la compañía estadounidense demostró el concepto de una plataforma de aluminio personalizada, que luego se materializó en la forma del Tesla Model S, BMW estaba trabajando activamente en el Megacity. Proyecto de vehículo. 2013 se comercializa como el BMW i3. El automóvil alemán de vanguardia utiliza no solo una estructura de soporte de aluminio con baterías integradas, sino también una carrocería hecha de polímeros reforzados con carbono. Sin embargo, lo que Tesla está innegablemente por delante de sus competidores es su metodología excepcional, especialmente en la escala de desarrollo de baterías para vehículos eléctricos, desde las relaciones con los fabricantes de celdas de iones de litio hasta la construcción de enormes fábricas de baterías, incluidas aquellas con aplicaciones no eléctricas. movilidad.

Pero volvamos a BMW porque, a diferencia de Tesla y muchos de sus competidores, la empresa alemana sigue creyendo en la movilidad del hidrógeno. Recientemente, un equipo dirigido por el vicepresidente de celdas de combustible de hidrógeno de la compañía, el Dr. Jürgen Gouldner, presentó la celda de combustible I-Hydrogen Next, un grupo electrógeno autopropulsado impulsado por una reacción química a baja temperatura. Este momento marca el décimo aniversario del lanzamiento del desarrollo de vehículos de pila de combustible de BMW y el séptimo aniversario de la colaboración con Toyota en pilas de combustible. Sin embargo, la dependencia de BMW del hidrógeno se remonta a 10 años y es una "temperatura mucho más caliente".

Se trata de más de un cuarto de siglo de desarrollos de la empresa, en los que se utiliza hidrógeno como combustible para motores de combustión interna. Durante gran parte de ese período, la empresa creía que un motor de combustión interna impulsado por hidrógeno estaba más cerca del consumidor que una celda de combustible. Con una eficiencia de alrededor del 60% y una combinación de un motor eléctrico con una eficiencia de más del 90%, un motor de celda de combustible es mucho más eficiente que un motor de combustión interna que funciona con hidrógeno. Como veremos en las siguientes líneas, con su inyección directa y turbocompresor, los motores reducidos de hoy en día serán extremadamente adecuados para entregar hidrógeno, siempre que se cuente con los sistemas de control de combustión e inyección adecuados. Pero aunque los motores de combustión interna impulsados ​​por hidrógeno suelen ser mucho más baratos que una celda de combustible combinada con una batería de iones de litio, ya no están en la agenda. Además, los problemas de movilidad del hidrógeno en ambos casos van mucho más allá del ámbito del sistema de propulsión.

Y sin embargo, ¿por qué el hidrógeno?

El hidrógeno es un elemento importante en el deseo de la humanidad de utilizar cada vez más fuentes de energía alternativas, como un puente para acumular energía del sol, el viento, el agua y la biomasa convirtiéndola en energía química. En pocas palabras, esto significa que la electricidad producida por estas fuentes naturales no puede almacenarse en grandes volúmenes, sino que puede usarse para producir hidrógeno al descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno.

Por supuesto, el hidrógeno también se puede extraer de fuentes de hidrocarburos no renovables, pero esto ha sido inaceptable durante mucho tiempo cuando se trata de usarlo como fuente de energía. Es un hecho innegable que los problemas tecnológicos de producción, almacenamiento y transporte de hidrógeno son solucionables; en la práctica, incluso ahora, se producen enormes cantidades de este gas y se utilizan como materia prima en las industrias química y petroquímica. En estos casos, sin embargo, el alto costo del hidrógeno no es letal, ya que se “derrite” al alto costo de los productos en los que interviene.

Sin embargo, el problema de utilizar gas ligero como fuente de energía y en grandes cantidades es un poco más complicado. Los científicos llevan tiempo moviendo la cabeza en busca de una posible alternativa estratégica al fuel oil, y el aumento de la movilidad eléctrica y el hidrógeno pueden estar en estrecha simbiosis. En el centro de todo esto hay un hecho simple pero muy importante: la extracción y el uso del hidrógeno giran en torno al ciclo natural de combinación y descomposición del agua... Si la humanidad mejora y amplía los métodos de producción utilizando fuentes naturales como la energía solar, el viento y el agua, el hidrógeno se puede producir y utilizar en cantidades ilimitadas sin emitir emisiones nocivas.
producción

Actualmente, se producen más de 70 millones de toneladas de hidrógeno puro en el mundo. La principal materia prima para su producción es el gas natural, que se procesa en un proceso conocido como "reforma" (la mitad del total). Cantidades más pequeñas de hidrógeno son producidas por otros procesos, como la electrólisis de compuestos de cloro, la oxidación parcial de petróleo pesado, la gasificación de carbón, la pirólisis de carbón para la producción de coque y la reforma de la gasolina. Aproximadamente la mitad de la producción mundial de hidrógeno se utiliza para la síntesis de amoníaco (que se utiliza como materia prima en la producción de fertilizantes), en la refinación de petróleo y en la síntesis de metanol.

Estos esquemas de producción son una carga para el medio ambiente en diversos grados y, desafortunadamente, ninguno de ellos ofrece una alternativa significativa al statu quo energético actual, en primer lugar porque utilizan fuentes no renovables y, en segundo lugar, porque la producción emite sustancias no deseadas como el dióxido de carbono. El método más prometedor para la producción de hidrógeno en el futuro sigue siendo la descomposición del agua con la ayuda de la electricidad, conocida en la escuela primaria. Sin embargo, cerrar el ciclo de las energías limpias actualmente solo es posible utilizando energía natural y especialmente solar y eólica para generar la electricidad necesaria para descomponer el agua. Según el Dr. Gouldner, las tecnologías modernas "conectadas" a los sistemas eólicos y solares, incluidas las pequeñas estaciones de hidrógeno, donde estas últimas se producen in situ, son un gran paso nuevo en esta dirección.
lugar de almacenamiento

El hidrógeno se puede almacenar en grandes cantidades tanto en fase gaseosa como líquida. Los depósitos más grandes en los que el hidrógeno se encuentra a una presión relativamente baja se denominan "medidores de gas". Los tanques medianos y pequeños están diseñados para almacenar hidrógeno a una presión de 30 bares, mientras que los tanques especiales más pequeños (dispositivos costosos hechos de acero especial o materiales compuestos reforzados con fibra de carbono) mantienen una presión constante de 400 bares.
El hidrógeno también se puede almacenar en una fase líquida a -253 °C por unidad de volumen que contiene 1,78 veces más energía que cuando se almacena a 700 bar; para lograr la cantidad equivalente de energía en hidrógeno licuado por unidad de volumen, el gas debe comprimirse hasta 1250 bares. Debido a la mayor eficiencia energética del hidrógeno enfriado, BMW se ha asociado con el grupo de refrigeración alemán Linde para sus primeros sistemas, que ha desarrollado dispositivos criogénicos de última generación para licuar y almacenar hidrógeno. Los científicos también ofrecen otras alternativas, pero menos aplicables en este momento, para almacenar hidrógeno, por ejemplo, almacenamiento bajo presión en harinas metálicas especiales, en forma de hidruros metálicos, y otros.

Las redes de transmisión de hidrógeno ya existen en áreas con una alta concentración de plantas químicas y refinerías de petróleo. En general, la técnica es similar a la de la transferencia de gas natural, pero el uso de este último para las necesidades de hidrógeno no siempre es posible. Sin embargo, en el siglo pasado, muchas casas en las ciudades europeas estaban iluminadas por gas de tubería, que contiene hasta un 50% de hidrógeno y que se utiliza como combustible para los primeros motores de combustión interna estacionarios. El nivel de tecnología actual ya permite el transporte transcontinental de hidrógeno licuado a través de buques criogénicos existentes, similares a los utilizados para el gas natural.

BMW y motor de combustión interna

"Agua. El único producto final de motores BMW limpios que utiliza hidrógeno líquido en lugar de combustible de petróleo y permite a todos disfrutar de las nuevas tecnologías con la conciencia tranquila”.

Estas palabras son una cita de una campaña publicitaria de una empresa alemana a principios del siglo XXI. Debería promover una versión de hidrógeno bastante exótica de 745 horas del emblemático fabricante de automóviles bávaro. Exótica, porque, según BMW, la transición a alternativas a los combustibles de hidrocarburos, que la industria automotriz ha estado alimentando desde el principio, requerirá un cambio en toda la infraestructura industrial. En ese momento, los bávaros encontraron un camino de desarrollo prometedor no en las pilas de combustible ampliamente publicitadas, sino en la conversión de motores de combustión interna a hidrógeno. BMW cree que la modificación en cuestión es un problema solucionable y ya está haciendo un progreso significativo en la solución del problema principal de garantizar un rendimiento confiable del motor y eliminar su tendencia a procesos de combustión descontrolados que utilizan 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 capacidad de utilizar los sistemas patentados de BMW para la distribución flexible de gases de Valvetronic y Vanos, sin los cuales es 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 completamente diferente del que se inventó 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 descubiertas muchos años después por la industria espacial, que rápidamente descubrió que el hidrógeno tenía la mejor relación energía/masa de cualquier combustible conocido por la humanidad.

En julio de 1998, la Asociación Europea de la Industria del Automóvil (ACEA) se comprometió a reducir las emisiones de CO2 de los automóviles recién registrados en la Unión a un promedio de 140 gramos por kilómetro en 2008. En la práctica, esto significa una reducción del 25% en las emisiones en comparación con 1995 y es equivalente a un consumo promedio de combustible en la nueva flota de aproximadamente 6,0 l / 100 km. Esto hace que la tarea para las empresas automotrices sea extremadamente difícil y, según los expertos de BMW, puede resolverse utilizando combustible con bajo contenido de carbono o eliminando completamente el carbono de la composición del combustible. Según esta teoría, el hidrógeno aparece en la escena del automóvil en todo su esplendor.
La compañía bávara se está convirtiendo en el primer fabricante de automóviles en dedicarse a la producción en masa de automóviles a hidrógeno. Las declaraciones optimistas y confiadas de BMW Burkhard Göschel, miembro de la junta directiva de BMW responsable de los nuevos desarrollos, de que "la compañía venderá automóviles de hidrógeno antes del vencimiento de la séptima serie", se hacen realidad. Con la versión Hydrogen 7 de la séptima serie presentada en 7, tiene un motor de 2006 cilindros con 12 CV. Este mensaje se está haciendo realidad.

La intención parece bastante ambiciosa, pero no sin razón. BMW ha estado experimentando con motores de combustión interna de hidrógeno desde 1978, con la quinta serie (E5), la versión de 12 horas del E 1984 se introdujo en 745, y el 23 de mayo de 11, demostró las capacidades únicas de esta alternativa. Una impresionante flota de 2000 CV. El E 15 de la "semana" con motores de 750 cilindros impulsados ​​por hidrógeno corrió una maratón de 38 km, lo que demuestra de manera particularmente vívida el éxito de la compañía y las perspectivas de nuevas tecnologías. En 12 y 170, algunos de estos automóviles continuaron participando en varias manifestaciones para promover la idea del hidrógeno. Luego viene un nuevo desarrollo, basado en la próxima serie 000, que utiliza un moderno motor de ocho cilindros y 2001 litros y capaz de alcanzar una velocidad máxima de 2002 km / h, seguido del último desarrollo con un motor de seis cilindros y 7 litros.

Según la opinión oficial de la compañía, las razones por las cuales BMW prefirió esta tecnología a las celdas de combustible tienen una base comercial y psicológica. Primero, este método requerirá una inversión significativamente menor si cambia la infraestructura industrial. En segundo lugar, debido a que las personas están acostumbradas al buen motor de combustión interna, les encanta y será difícil separarse de él. Y en tercer lugar, porque al mismo tiempo esta tecnología se está desarrollando más rápido que la tecnología de celdas de combustible.

En los automóviles BMW, el hidrógeno se almacena en un recipiente criogénico sobreaislado, 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.

Los diseñadores de la empresa de Munich utilizan inyección de combustible en los colectores de admisión, 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 diesel; solo se cambia 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 existe una necesidad de potencia importante, el motor pasa a funcionar como un motor de gasolina, pasando a la llamada "regulación cuantitativa" de la mezcla ya mezclas normales (no pobres). Estos cambios son posibles, por un lado, gracias a la velocidad del control electrónico de procesos en el motor, y por otro lado, gracias a la operación flexible de los sistemas de control de distribución de gas - los Vanos "dobles", trabajando en conjunto con el sistema de control de admisión Valvetronic sin acelerador. Hay que tener en cuenta que, según los ingenieros de BMW, el esquema de trabajo de este desarrollo es solo una etapa intermedia en el desarrollo de la tecnología y que en el futuro los motores deberán pasar a la inyección directa de hidrógeno en los cilindros y el turbocompresor. Se espera que la aplicación de estos métodos conduzca a una mejora en el rendimiento dinámico del automóvil en comparación con un motor de gasolina similar y a un aumento en la eficiencia general del motor de combustión interna en más del 50%.

Un hecho de desarrollo interesante es que con los últimos desarrollos en motores de combustión interna de "hidrógeno", los diseñadores de Munich están ingresando al campo de las celdas de combustible. Utilizan dichos dispositivos para alimentar la red eléctrica de a bordo en los automóviles, eliminando por completo la batería convencional. Gracias a este paso, son posibles ahorros adicionales de combustible, 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. y la producción y el consumo de energía pueden optimizarse por completo. El hecho de que ahora se pueda generar tanta electricidad como sea necesario para alimentar la bomba de agua, las bombas de aceite, el servofreno y los sistemas de cableado también se traduce en ahorros adicionales. Sin embargo, paralelamente a todas estas innovaciones, el sistema de inyección de combustible (gasolina) prácticamente no ha sufrido cambios de diseño costosos.

Para promover las tecnologías del hidrógeno en junio de 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN crearon el programa de colaboración CleanEnergy, que inició su actividad con el desarrollo de estaciones de servicio de GLP. e hidrógeno comprimido. En ellos, parte del hidrógeno se produce en el sitio utilizando electricidad solar y luego se comprime, y grandes cantidades licuadas provienen de estaciones de producción especiales, y todos los vapores de la fase líquida se transfieren automáticamente al depósito de gas.
BMW inició una serie de otros proyectos conjuntos, incluso con compañías petroleras, entre los cuales los participantes más activos son Aral, BP, Shell, Total.
Sin embargo, por qué BMW rechaza estas soluciones tecnológicas y todavía se enfoca en las celdas de combustible, le diremos en otro artículo de esta serie.

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, los motores de hidrógeno pueden usar fácilmente mezclas muy "malas", 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 es mucho mayor, al igual que la velocidad de los procesos de combustión en comparación con la gasolina. El hidrógeno tiene una baja densidad y una fuerte difusividad (la posibilidad de que las partículas entren en otro gas, en este caso, el aire).

Es la baja energía de activación necesaria para el autoencendido el problema más grande en el control de los procesos de combustión en motores de hidrógeno, porque la mezcla puede inflamarse fácilmente espontáneamente debido al contacto con áreas más calientes en la cámara de combustión y la resistencia que sigue a una cadena de procesos completamente incontrolados. Evitar este riesgo es uno de los mayores problemas en el diseño de motores de hidrógeno, pero no es tan fácil eliminar las consecuencias del hecho de que una mezcla de combustión altamente dispersa se mueve muy cerca de las paredes del cilindro y puede penetrar en espacios extremadamente estrechos. por ejemplo, a lo largo de válvulas cerradas ... Todo esto debe tenerse en cuenta al diseñar estos motores.

La alta temperatura de autoencendido y un alto índice de octanaje (alrededor de 130) pueden aumentar el grado de compresión del motor y, por lo tanto, su eficiencia, pero nuevamente existe el peligro de autoencendido de hidrógeno en contacto con la parte más caliente. en el cilindro La ventaja de la alta capacidad de difusión del hidrógeno es la posibilidad de una fácil mezcla con el aire, que en caso de rotura del tanque garantiza una dispersión rápida y segura del combustible.

La mezcla ideal de aire e hidrógeno para la combustión tiene una relación de alrededor de 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 de 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 densidad del vapor de gasolina ... Sin embargo, debe tenerse en cuenta que, en general, los motores de hidrógeno pueden funcionar con mezclas de aire. . hidrógeno en proporciones de hasta 180:1 (es decir, con mezclas muy "malas"), lo que a su vez significa que el motor puede funcionar sin acelerador y utilizar el principio de los motores diésel. También se debe mencionar que el hidrógeno es el líder indiscutible en la comparación entre el hidrógeno y la gasolina como fuente de energía masiva: un kilogramo de hidrógeno tiene casi tres veces más energía por 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 comparable en un 25 %. Esto se debe a que el combustible (hidrógeno) no desplaza el aire como en un motor de gasolina o diésel, lo que permite que la cámara de combustión se llene solo (mucho más de lo habitual) con aire. Además, a diferencia de los motores de gasolina, el hidrógeno no necesita remolino estructural, ya que el hidrógeno sin esta medida se difunde bastante bien con el aire. Debido a las diferentes tasas de combustión en diferentes partes del cilindro, es mejor instalar dos bujías, y en los motores de hidrógeno, el uso de electrodos de platino no es adecuado, ya que el platino se convierte en un catalizador que conduce a la oxidación del combustible incluso a bajas temperaturas. .

Opción de Mazda

La compañía japonesa Mazda también muestra su versión del motor de hidrógeno, en forma de bloque giratorio en el deportivo RX-8. Esto no es sorprendente, ya que 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 al hecho de que, en el caso de los motores rotativos, las zonas en las que tiene lugar la inyección y la combustión están separadas, y la temperatura en la parte de entrada es menor, el problema con la posibilidad de ignición no controlada se reduce significativamente. El motor Wankel también ofrece un amplio espacio para dos inyectores, lo cual es crucial para inyectar la cantidad óptima de hidrógeno.

H2R

El H2R es un prototipo superdeportivo en funcionamiento construido por ingenieros de BMW y propulsado por un motor de 12 cilindros que alcanza una potencia máxima de 285 hp. cuando se trabaja 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 está basado en el tope estándar que se usa en el 760i de gasolina y tardó solo diez meses en desarrollarse. .

Para evitar la combustión espontánea, los especialistas bávaros han desarrollado una estrategia especial para los ciclos de flujo e inyección en la cámara de combustión, aprovechando las posibilidades que brinda el sistema 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.