¿Podría un motor de hidrógeno de inyección directa de alta presión reemplazar al turbodiésel?

¿Podría un motor de hidrógeno de inyección directa de alta presión reemplazar al turbodiésel?

Having fallen from grace, the once iconic diesel power unit appears to have run its course. Even cities, such as Paris, that once incentivized the use of diesel are now calling for OEMs to stop production by 2025. Although this is highly unlikely to happen, it is an expression of the world’s concerns over global warming and air pollution in general.

To meet ever tightening emissions regulations OEMs are studying new and often untried forms of propulsion: Everything from full electrification to hybrids and even hydrogen fuel cells are being tested as possible solutions.

Hydrogen in particular is piquing the interest of researchers around the world – it’s hailed as a clean burning fuel that could very well end up powering the transport of the future.

The difference between hydrogen and conventional hydrocarbons lies in its wide stoichiometric range from 4 to 75 percent by volume hydrogen to air, and under ideal conditions the burning velocity of hydrogen can reach some hundred meters per second. These characteristics make it highly efficient when burning lean mixtures with low NOx emissions.

Forty years of hydrogen injection

Hydrogen injection has been around since the 1970s and works by injecting hydrogen into a modified, internal combustion engine, which allows the engine to burn cleaner with more power and lower emissions.

Earlier low pressure systems, which are still in use today, injected the hydrogen into the air prior to entering the combustion chamber. But with hydrogen burning 10 times faster than diesel and, once mixed with the diesel in the combustion chamber, increasing the burn rate several problems have been experienced. The most significant being:

  • Light-back of the gas in the manifold
  • Preignition and/or autoignition.

The best way to overcome these problems is to fit a high-pressure direct injection system that provides fuel injection late in the compression stroke.

 

Optimizing the combustion process through accurate pressure measurement

In order to do this the injection needs to be accurately mapped to the engine. This can only be accomplished through gathering test data regarding temperature (manifold, EGT and coolant), pressure (cylinder/ boost, line and injector), the turbulence in the manifold and combustion chamber, and the gas composition.

The mixture formation, the ignition and the burning processes are commonly studied through two different sets of experiments. The aim of the first experiment is to obtain information about the highly transient concentration and distribution of hydrogen during the injection process.

During this test a Laser-Induced Fluorescence (LIF) on tracer molecules is used as the primary measurement technique to study the behavior of the hydrogen under compression and ignition. Using a constant volume combustion chamber (CVCC) with the same dimensions as the actual C.I. engine, implying that the volume in the CVCC equals the volume in the cylinder at the top dead center, pressurized hydrogen is injected into the cold pressurized air through a hydraulically controlled needle valve.

Using high quality pressure sensors, the effect of various injection pressures on the combustion process can be studied. By observing the behavior and volume of unburned gas, the time taken to optimize the injection pressure for a specific number and position of injector nozzle holes and also the injection direction is drastically reduced.

And using unique software the ignition delay, which is dependent on the temperature and the concentration of hydrogen in air at a given pressure can be determined. Once again, it’s important that the pressure readings are accurately recorded, across a range of pressures that vary between 10 to 30 MPa.

Furthermore, this method allows for the definition of areas of the injection jet where self-ignition conditions exist, which is useful for the development of an optimized injection system for engines to be converted from diesel fuel to hydrogen.

In recent tests carried out by a premium brand OEM,the optimized high pressure hydrogen injected engine showed a promising increase in specific power while reducing fuel consumption and achieving 42% efficiency – values that match the best turbodiesel engines.

Based on the findings it would certainly appear as if work carried out on optimizing the pressure of these 30 MPa systems may in fact offer another source of clean energy for future transport.

Optimización de la vida útil de los transmisores de presión en contacto con hidrógeno

Optimización de la vida útil de los transmisores de presión en contacto con hidrógeno

Los átomos de hidrógeno son extremadamente pequeños y, debido a esta propiedad, pueden incluso penetrar materiales sólidos en un proceso conocido como permeación. Con el tiempo, los transmisores de presión dejan de funcionar debido a este proceso. Sin embargo, su vida útil se puede optimizar.

En los transmisores de presión piezorresistivos , el chip sensor está envuelto en un fluido, generalmente aceite. Esta sección, a su vez, está rodeada por una membrana de acero muy delgada, de 15 a 50 μm de espesor. Debido a la minúscula dimensión atómica del hidrógeno, el gas puede difundirse a través de la red cristalina de los metales (ver infografía). Con el tiempo, este gas penetrante conduce a un desplazamiento cero ya no tolerable en la señal que surge y la membrana de acero se dobla hacia afuera. Por tanto, el sensor de presión se vuelve inutilizable.

Resumen de las propiedades del hidrógeno

Infographic: malachy120///AdobeStock

Los sensores de presión entran en contacto con el hidrógeno en una amplia gama de aplicaciones, ya sea en la monitorización de los propios depósitos de hidrógeno, en submarinos o en el sector de la automoción.. Especialmente en el último caso, el hidrógeno se utiliza cada vez más en el desarrollo de sistemas de propulsión alternativos. Muchos fabricantes llevan varios años trabajando en modelos que incorporan pilas de combustible y algunas ciudades ya han optado por los autobuses de hidrógeno en el transporte público. Las ventajas no deben descartarse, ya que solo se requieren hidrógeno y oxígeno como materiales de origen. A través de una reacción química, se produce energía en forma de electricidad, sin que se generen gases de escape (el producto de combustión es vapor de agua). Además, el hidrógeno, a diferencia de los combustibles fósiles, está disponible en cantidades inagotables. El desarrollo ya está muy avanzado y ahora hay modelos que consumen solo 3 litros de hidrógeno en 100 kilómetros, mientras que distancias de hasta 700 kilómetros con un tanque lleno son, en parte, ya posibles.

En esta rama son necesarios transmisores de presión de alto rendimiento y  alta precisión , que monitorean los tanques de hidrógeno de los vehículos. Más específicamente, se debe controlar la presión y la temperatura dentro del tanque de hidrógeno del vehículo. Aquí pueden surgir presiones de hasta 700 bar, pero también debe cubrirse un amplio rango de temperatura. Es imperativo, por supuesto, que los transmisores de presión utilizados cumplan con su función durante un período de tiempo prolongado con la precisión requerida. Para optimizar la vida útil de los sensores en aplicaciones de hidrógeno, se deben considerar varios factores que influyen:

  • Rango de presión: el flujo de gas a través de la membrana del sensor es proporcional a la raíz cuadrada de la presión del gas. Una presión diez veces menor aumenta la vida útil del sensor en aproximadamente 3 veces.
  • Temperatura: el flujo de gas a través de la membrana del sensor aumenta a temperaturas más altas y depende de la constante del material.
  • Espesor de la membrana: el flujo de gas es inversamente proporcional al espesor de la membrana. El uso de una membrana de 100 μm en lugar de una de 50 μm de espesor duplica la vida útil del sensor.
  • Área de la membrana: el flujo de gas es directamente proporcional al área de la superficie de la membrana (el cuadrado del diámetro de la membrana). Con una membrana de Ø 13 mm en lugar de una de Ø 18,5 mm, la vida útil del sensor se duplica.

Dado que pueden producirse altas presiones y amplias fluctuaciones de temperatura dentro de los tanques de hidrógeno de los vehículos, estos dos factores no pueden influir en la vida útil de los sensores. Los factores del grosor de la membrana y el área de la membrana también prometen un remedio limitado. Aunque la vida útil puede mejorarse con estos factores, todavía no es la óptima.

Recubrimiento de oro: la solución más eficaz

La permeabilidad del oro es 10.000 veces menor que la del acero inoxidable. Con el revestimiento de oro (0,1 a 1 μm) de una membrana de acero de 50 μm, la permeación de hidrógeno se puede suprimir de forma significativamente más eficaz que duplicando el grosor de la membrana a 100 μm. En el primer escenario, el tiempo para que se acumule un volumen crítico de gas hidrógeno en el interior del sensor de presión se puede aumentar en un factor de 10 a 100, mientras que en el segundo ejemplo solo en un factor de dos. El requisito previo para ello es una soldadura optimizada y sin huecos, así como un recubrimiento prácticamente libre de defectos.

Imagen 1: Ejemplo de un transmisor de presión con revestimiento de oro

Debido a estas propiedades del oro con respecto a la permeabilidad del hidrógeno, STS utiliza membranas de acero inoxidable recubiertas de oro como estándar en aplicaciones de hidrógeno.

Descargue nuestra infografía gratuita sobre el tema:


Imagen 1: Ejemplo de un transmisor de presión con revestimiento de oro

La medición precisa de la presión juega un papel vital en los primeros días de las pilas de combustible para automóviles

La medición precisa de la presión juega un papel vital en los primeros días de las pilas de combustible para automóviles

Si bien los vehículos eléctricos e híbridos están firmemente arraigados como tecnologías que maduran, todavía se necesita mucho desarrollo para almacenar la energía eléctrica de una manera segura, conveniente y rentable. Como posible solución a las costosas baterías de almacenamiento, la mayoría de los fabricantes de todo el mundo están estudiando formas de aprovechar el hidrógeno para generar electricidad para impulsar los motores de tracción eléctrica.

Las celdas de combustible de hidrógeno que emplean membranas de intercambio de protones, también conocidas como celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) (PEMFC), ya han tenido una producción en serie limitada en vehículos como el Mirai de Toyota. 

Las pilas de combustible constan de MEA (conjuntos de electrodos de membrana) intercalados entre separadores. Un MEA es una membrana de electrolito de polímero sólido con capas de catalizador aplicadas.

Estas celdas generan electricidad a través de una reacción química entre hidrógeno y oxígeno: el hidrógeno y el aire ambiental se suministran respectivamente al ánodo (electrodo negativo) y al cátodo (electrodo positivo) de las celdas de combustible para generar electricidad.

Dado que una celda produce menos de un voltio, varios cientos de celdas están conectadas en serie para aumentar el voltaje. Este cuerpo combinado de células se denomina pila de pilas de combustible. 

Además, aunque las pequeñas pilas de combustible PEM funcionan a presión de aire normal, las pilas de combustible más grandes, de 10 kW o más, suelen funcionar a presiones más altas. Las ventajas y desventajas de operar a mayor presión son complejas, y los argumentos no son del todo claros, con muchos puntos de vista convincentes de ambos lados. 

Sobrealimentación de la pila de combustible de hidrógeno 

Al igual que con los motores de combustión interna convencionales, el propósito de aumentar la presión en una pila de combustible es aumentar la potencia específica extrayendo más potencia de la celda del mismo tamaño. Idealmente, el costo, el tamaño y el peso adicionales del equipo de compresión serán menores que el costo, el tamaño y el peso de simplemente obtener la energía adicional aumentando el tamaño de la pila. 

En el caso de los ICE, las ventajas superan claramente a las desventajas. Sin embargo, con las pilas de combustible, el equilibrio entre ventajas y desventajas es mucho más estrecho. Sobre todo, esto se debe a que hay poca energía en el gas de salida del PEMFC, y cualquier compresor debe funcionar en gran parte o en su totalidad utilizando la preciosa energía eléctrica producida por la pila de combustible.

magen 1: Esquema de un sistema de pila de combustible
Fuente de la imagen: James Larminie, Andrew Dicks (Explicación de los sistemas de pila de combustible)

El tipo más simple de celda de combustible PEM presurizada es aquella en la que el gas hidrógeno proviene de un cilindro de alta presión. En este diseño solo se debe comprimir el aire; el gas hidrógeno se alimenta desde un recipiente presurizado y, por lo tanto, su compresión “se libera”. Este método de alimentar hidrógeno al ánodo se conoce como amortiguamiento; lo que implica que no hay ventilación o circulación del gas, es completamente consumido por la celda.

Sin embargo, el compresor de aire debe ser accionado por un motor eléctrico, que por supuesto consume parte de la valiosa electricidad generada por la pila de combustible. Normalmente, para un sistema de 100 kW, el consumo de energía será aproximadamente el 20% de la energía de la celda de combustible. Al igual que en los ICE, para una eficiencia óptima, el aire comprimido también debe enfriarse antes de ingresar a la celda PEM.

Equilibrar la presión para optimizar el rendimiento

Como se trata de una tecnología joven en evolución, es necesario probar y desarrollar la fiabilidad y la durabilidad de estas pilas de combustible “sobrealimentadas” para que se adopten ampliamente. Por lo tanto, se está llevando a cabo una considerable investigación y desarrollo para mejorar el rendimiento y la vida útil.

La prueba en condiciones controladas es un paso importante hacia la viabilidad y la absorción de las pilas de combustible. Los datos de medición detallados son cruciales como información de entrada para crear modelos del funcionamiento de la pila de combustible. Sin embargo, a pesar del interés generalizado, las técnicas de medición adecuadas aún están en proceso de desarrollo.

Normalmente, la pila de combustible PEM funciona a presiones que van desde casi la ambiente hasta aproximadamente 3 bar y a temperaturas entre 50 y 90 ° C. Se logra una alta densidad de potencia a presiones de funcionamiento más altas, pero la eficiencia neta del sistema puede ser menor debido a la potencia necesaria para comprimir el aire. Las temperaturas del aire más altas también aumentan la densidad de energía, pero pueden representar un desafío significativo para la gestión del agua y el calor, especialmente a presiones de funcionamiento más bajas.

Por lo tanto, la selección de la temperatura y presión de funcionamiento del sistema de celda de combustible PEM automotriz debe basarse en (a) alta eficiencia neta del sistema, (b) tamaño de componente pequeño y (c) balance de agua neutral o positivo para que el vehículo no tenga que hacerlo. llevar un depósito a bordo.

El aumento de potencia resultante de operar una celda de combustible PEM a una presión más alta es principalmente el resultado de la reducción en la sobretensión de activación del cátodo, porque la presión aumentada aumenta la densidad de corriente de intercambio, lo que tiene el efecto aparente de elevar la tensión de circuito abierto (OCV ), como se describe en la ecuación de Nernst.

Sin embargo, como se mencionó anteriormente, esta sobrealimentación se produce a expensas de la potencia que produce la celda de combustible presurizada, de ahí la importancia de equilibrar la presión con los requisitos de la celda de combustible específica. Al igual que con las presiones de refuerzo de ICE, esto solo se puede hacer tomando medidas de presión precisas utilizando sensores de presión de alta calidad que están cuidadosamente calibrados para el entorno.

Estas mediciones de presión, registradas con  sensores de laboratorio suministrados por STS, se comparan luego con las salidas de la pila de combustible para minimizar las pérdidas parásitas mientras se optimizan las ganancias en la salida eléctrica.

A medida que la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno para automóviles madura y los datos recopilados de ensayos del mundo real se utilizan para producir modelos predictivos, los ingenieros e investigadores sin duda obtendrán una mejor comprensión de la compleja interrelación entre temperatura, presión y eficiencia: pero mientras tanto esta investigación dependerá en gran medida de sensores de calidad que registren datos precisos.

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