¿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.

Fragilidad por hidrógeno en acero

Fragilidad por hidrógeno en acero

El chip sensor de los transductores de presión piezorresistivos suele estar rodeado por una membrana de acero. Para las carcasas de estos instrumentos de medición, también se utiliza acero inoxidable en la mayoría de las aplicaciones. Pero si se produce el contacto con el hidrógeno, este material puede volverse quebradizo y luego agrietarse.

La fragilización por hidrógeno afecta no solo al acero, sino también a otros metales. Es por eso que el uso de titanio no ofrece ninguna alternativa con respecto a las aplicaciones de hidrógeno.

¿Qué se entiende por fragilidad?

La fragilización por hidrógeno se refiere a una pérdida de ductilidad en el material. La ductilidad describe la propiedad de los materiales de deformarse plásticamente bajo tensión antes de que finalmente fallen. Dependiendo de su tipo, el acero puede deformarse en más del 25 por ciento. Los materiales que no tienen esta capacidad se denominan frágiles.

Pero los materiales dúctiles también pueden volverse quebradizos o frágiles. Cuando esta fragilización del material es el resultado de la absorción de hidrógeno, esto se denomina fragilidad por hidrógeno.

La fragilización por hidrógeno se produce cuando el hidrógeno atómico se difunde en el material. El requisito previo para la fragilización por hidrógeno en sí es generalmente la corrosión por hidrógeno.

La corrosión por hidrógeno , también conocida como corrosión ácida, siempre tiene lugar cuando existe una deficiencia de oxígeno y el metal entra en contacto con el agua. El producto final que queda de esta reacción redox es hidrógeno puro, que luego oxida el metal. El metal se disuelve en forma de iones y hace que el material se degrade uniformemente.

El hidrógeno liberado por esta reacción redox se difunde en el acero debido a su pequeño tamaño atómico de solo 0,1 nanómetros. El hidrógeno ocupa directamente la red metálica del material como intersticiales atómicos. Las imperfecciones de celosía que surgen aquí aumentan la capacidad de absorción. Esto conduce a una fatiga química en el material, que en última instancia puede provocar grietas desde el interior hacia el exterior, incluso con cargas bajas.

Transmisores de hidrógeno y presión

Debido a su dimensión muy pequeña, el hidrógeno no solo puede penetrar el material, sino que puede penetrarlo por completo. Por esta razón, no solo puede producirse una fragilización del material. Las membranas metálicas de los sensores de presión piezorresistivos son muy delgadas: cuanto más delgadas son, más sensible y preciso se vuelve el sensor. Si el hidrógeno se difunde en y a través de la membrana ( permeación ), puede reaccionar con el fluido de transferencia que rodea el chip sensor. Como resultado, se producen cambios en las propiedades metrológicas del puente de medición debido a la adsorción de hidrógeno. Al mismo tiempo, también puede producirse un aumento de la presión como resultado de estos depósitos, con resultados que van desde el pandeo de la membrana del sensor hasta su completa destrucción.

Además de utilizar una membrana más gruesa pero algo más imprecisa, este proceso se puede retrasar en gran medida utilizando una aleación de oro y la vida útil de la unidad optimizada. Puedes leer más sobre esto aquí .

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

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