Un motore a idrogeno con iniezione diretta ad alta pressione potrebbe sostituire il turbodiesel?

Un motore a idrogeno con iniezione diretta ad alta pressione potrebbe sostituire il turbodiesel?

Non più benvisto, il motore diesel, una volta leggendario, sembra abbia fatto il suo corso. Persino città come Parigi, che una volta incentivavano l’uso del diesel, ora chiedono agli OEM di fermarne la produzione entro il 2025. Sebbene sia altamente improbabile che questo accada, è un segno di quanto il mondo sia preoccupato per il riscaldamento globale e per l’inquinamento atmosferico in generale.

Per rispettare le norme sempre più severe sulle emissioni, gli OEM stanno studiando nuove forme di propulsione spesso mai provate prima d’ora. Si stanno testando tutti i possibili scenari: dai motori completamente elettrici agli ibridi e persino quelli a celle a combustibile di idrogeno. 

L’idrogeno, in particolare, sta riscuotendo interesse tra i ricercatori di tutto il mondo – viene ritenuto un carburante pulito che potrebbe benissimo diventare il propulsore dei trasporti del futuro. 

La differenza tra l’idrogeno e gli idrocarburi tradizionali sta nel suo ampio campo stechiometrico che va dal 4 al 75 percento del volume di idrogeno in aria e inoltre, in condizioni ideali, la velocità di combustione dell’idrogeno può raggiungere alcune centinaia di metri al secondo. Queste caratteristiche lo rendono altamente efficiente nella combustione di miscele magre con basse emissioni di NOx. 

Quarant’anni di sistemi di iniezione ad idrogeno 

L’iniezione ad idrogeno esiste dagli anni ’70 e consiste nell’iniettare idrogeno in un motore a combustione interna modificato. In questo modo il motore brucia in modo più pulito, con maggiori prestazioni e minori emissioni. 

I precedenti sistemi a bassa pressione, tuttora in uso, iniettavano l’idrogeno nell’aria prima di arrivare nella camera di combustione. Si verificavano, però, diversi problemi poiché l’idrogeno brucia 10 volte più velocemente del diesel e, una volta mescolato al diesel nella camera di combustione, la velocità di combustione aumenta. I problemi principali sono: 

  • Ritorno di fiamma del gas nel collettore
  • Preaccensione e/o autocombustione

Il modo migliore per superare questi problemi è installare un sistema di iniezione diretta ad alta pressione che inietti il carburante in una fase successiva della corsa di combustione. 

Ottimizzare il processo di combustione attraverso la misurazione accurata della pressione 

Per ottimizzare il processo di combustione, l’iniezione deve essere accuratamente mappata sul motore e questo può avvenire soltanto mediante la raccolta dei dati di prova riguardanti la temperatura (collettore, EGT e refrigerante), la pressione (cilindro/sovralimentatore, tubi e iniettore), la turbolenza nel collettore e nella camera di combustione e, infine, la composizione del gas. 

I processi di formazione della miscela, di iniezione e di combustione sono solitamente studiati attraverso due diversi gruppi di esperimenti. Lo scopo del primo esperimento è ottenere informazioni sulla concentrazione altamente transitoria e sulla distribuzione dell’idrogeno durante il processo di iniezione. 

Durante questo test viene impiegata una fluorescenza indotta da laser (LIF: Laser-Induced Fluorescence) sulle molecole traccianti come tecnica primaria di misurazione per studiare il comportamento dell’idrogeno durante la compressione e l’accensione. Utilizzando una camera di combustione a volume costante delle stesse dimensioni del vero motore a combustione interna– ciò significa che il volume della camera di combustione è uguale al volume del cilindro nel punto morto superiore – viene iniettato l’idrogeno pressurizzato nell’aria fredda pressurizzata mediante una valvola a spillo controllata idraulicamente. 

Grazie ai sensori di pressione di alta qualità è possibile studiare l’effetto delle varie pressioni di iniezione sul processo di combustione. Osservando il comportamento e il volume del gas incombusto, si riduce drasticamente il tempo impiegato per ottimizzare la pressione di iniezione per un determinato numero e posizione dei fori dell’ugello dell’iniettore, nonché la direzione di iniezione. 

Grazie all’utilizzo di un software unico nel suo genere è possibile determinare il ritardo di accensione, che dipende dalla temperatura e dalla concentrazione di idrogeno nell’aria ad una data pressione. Anche in questo caso è importante che le letture della pressione siano registrate in modo accurato entro un range di pressioni che varia tra 10 e 30 MPa. 

Inoltre, questo metodo permette di definire le aree del getto di iniezione laddove si verificano le condizioni di autoaccensione. Questo è utile per sviluppare un sistema di iniezione ottimizzato per i motori che devono essere convertiti dal carburante diesel all’idrogeno. 

Negli ultimi test condotti da un OEM marchio premium, il motore ad iniezione ad idrogeno ad alta pressione ottimizzato ha mostrato un promettente aumento della potenza specifica a fronte di una riduzione del consumo di carburante, raggiungendo così il 42% di efficienza. I valori ottenuti corrispondono ai valori dei migliori motori turbodiesel. 

Sulla base delle scoperte sembrerebbe chiaro che il lavoro svolto per ottimizzare la pressione dei sistemi a 30 MPa possa di fatto fornire un’altra fonte di energia pulita per i trasporti del futuro. 

Infragilimento causato dall’idrogeno nell’acciaio

Infragilimento causato dall’idrogeno nell’acciaio

Il chip del sensore dei trasmettitori di pressione piezoresistivi è solitamente circondato da una membrana in acciaio. Nella maggior parte delle applicazioni l’acciaio inossidabile è utilizzato anche per realizzare il corpo degli strumenti di misura. Se, però, il materiale entra in contatto con l’idrogeno, può indebolirsi e rompersi.

Cosa s’intende per infragilimento? 

L’infragilimento da idrogeno indica una perdita di duttilità del metallo. La duttilità descrive la proprietà dei materiali di deformarsi plasticamente sotto carico prima di rompersi. L’acciaio, a seconda del tipo, può deformarsi di oltre il 25 percento. I materiali che non hanno questa capacità sono detti fragili. 

Anche i materiali duttili possono diventare fragili, cioè indebolirsi. Se l’infragilimento del materiale è causato dall’assorbimento di idrogeno si parla di infragilimento da idrogeno. 

L’infragilimento da idrogeno si verifica quando l’idrogeno atomico si diffonde nel materiale. Prerequisito dell’infragilimento da idrogeno è generalmente la corrosione da idrogeno. 

La corrosione da idrogeno, detta anche corrosione acida, ha luogo ogni volta che si verifica una carenza di ossigeno e il metallo entra in contatto con l’acqua. Il prodotto finale dell’ossidoriduzione è l’idrogeno puro che ossida il metallo. Il metallo va in soluzione sottoforma di ioni, provocando un degrado uniforme del metallo. 

Grazie alle dimensioni ridotte dell’atomo di soli circa 0,1 nanometri, l’idrogeno sprigionatosi attraverso l’ossidoriduzione si diffonde nell’acciaio. L’idrogeno va ad occupare direttamente il reticolo metallico del materiale sottoforma di atomi interstiziali. Difetti reticolari aumentano la capacità di assorbimento. Si arriva così a una fatica chimica dei materiali, che, già a bassi carichi, può causare rotture improvvise dall’interno verso l’esterno. 

L’idrogeno e i trasmettitori di pressione 

In virtù delle dimensioni molto ridotte, l’idrogeno non solo riesce a penetrare nel materiale, ma può pervaderlo completamente. Questo significa che non può verificarsi soltanto un infragilimento del materiale. Le membrane di metallo dei sensori di pressione piezoresistivi sono molto sottili : infatti, più sottili sono e più il sensore è sensibile e preciso. L’idrogeno diffuso nella/attraverso la membrana (permeazione) può reagire con il fluido di trasferimento di pressione che circonda il chip del sensore. Di conseguenza, per via dell’assorbimento dell’idrogeno, si modificano le proprietà tecniche di misurazione del ponte di misura. Allo stesso tempo, per via di questi assorbimenti, può verificarsi anche un aumento della pressione, che provoca una curvatura della membrana del sensore fino alla sua completa rottura. 

Al di là di una membrana più spessa, quindi di conseguenza piuttosto imprecisa, questo processo può essere fortemente ritardato utilizzando una lega d’oro. In tal modo, la durata di vita del dispositivo sarà ottimizzata. Qui potete leggere maggiori informazioni.

Ottimizzazione del ciclo di vita dei trasmettitori di pressione a contatto con l’idrogeno

Ottimizzazione del ciclo di vita dei trasmettitori di pressione a contatto con l’idrogeno

Gli atomi di idrogeno sono molto piccoli. Per via di questa proprietà penetrano anche i materiali solidi. Questo processo è chiamato “permeazione”. Con il passare del tempo, questo meccanismo impedisce ai trasmettitori di pressione di funzionare. Il ciclo di vita può, però, essere ottimizzato.

Nei trasmettitori di pressione piezoresistivi il chip del sensore è circondato da un liquido, solitamente olio. Quest’area è a sua volta separata da una membrana in acciaio inossidabile molto sottile, spessa da 15 a 50 μm. A causa delle piccole dimensioni dell’atomo di idrogeno, il gas può filtrare attraverso il reticolo cristallino dei metalli (vedi l’infografica). Con il tempo questo fa sì che il gas penetrato raggiunga un offset del punto zero del segnale non più tollerabile e si formi un rigonfiamento sulla membrana in acciaio. Di conseguenza, il sensore di pressione non è più utilizzabile.

Panoramica delle proprietà dell’idrogeno

Infographic: malachy120///AdobeStock

I sensori di pressione entrano in contatto con l’idrogeno in un gran numero di applicazioni, come per il monitoraggio dei serbatoi di idrocarburi sia nei sottomarini che nell’industria automobilistica. Soprattutto in quest’ultimo caso si fa sempre più ricorso all’idrogeno per lo sviluppo di sistemi di propulsione alternativi. Da qualche anno, molti produttori lavorano su modelli con celle a combustibile e alcune città hanno già puntato su autobus a idrogeno per il trasporto pubblico. I vantaggi sono innegabili: come materie prime servono solo idrogeno e ossigeno. Attraverso una reazione chimica si genera energia sotto forma di energia elettrica, senza produrre alcun tipo di gas di scarico (il prodotto della combustione è vapore acqueo).Inoltre, a differenza dei combustibili fossili, l’idrogeno è disponibile in quantità inesauribili. Il suo sviluppo è già in fase avanzata, per cui esistono modelli che per 100 chilometri consumano solo 3 litri di idrogeno. Percorrere una distanza fino a 700 chilometri con un pieno è, in parte, già possibile.

In questo settore sono necessari trasmettitori di pressione ad alte prestazioni e ad alta precisione per monitorare i serbatoi di idrogeno dei veicoli. Occorre, di fatto, monitorare la pressione e la temperatura nel serbatoio di idrogeno del veicolo. Al suo interno si raggiungono pressioni fino a 700 bar, ma bisogna coprire anche un campo di temperatura superiore. Ovviamente è fondamentale che i trasmettitori di pressione impiegati svolgano il loro compito con la precisione richiesta per un lungo periodo di tempo. Al fine di ottimizzare la durata di vita del sensore in applicazioni con l’idrogeno, occorre prestare attenzione a diversi fattori che la influenzano:

  • Intervallo di pressione: il flusso del gas attraverso la membrana del sensore è proporzionale alla radice quadrata della pressione del gas. Una pressione dieci volte inferiore aumenta la durata di vita del sensore di circa 3 volte.
  • Temperatura: il flusso del gas attraverso la membrana del sensore aumenta a temperature più elevate e dipende dalla costante del materiale.
  • Spessore della membrana: il flusso del gas è inversamente proporzionale allo spessore della membrana. L’utilizzo di una membrana spessa 100 μm, invece di una spessa 50 μm, raddoppia la durata di vita del sensore.
  • Superficie della membrana: il flusso del gas è direttamente proporzionale alla superficie della membrana (il quadrato del diametro della membrana). Con una membrana da Ø 13 mm, invece di una da Ø 18,5 mm, la durata di vita del sensore raddoppia.

Poiché nei serbatoi di idrogeno dei veicoli possono verificarsi sia pressioni elevate che forti variazioni di temperatura, la durata di vita dei sensori non è influenzata da questi due fattori. Anche i fattori dello spessore e della superficie della membrana influiscono solo in parte. Il ciclo di vita può essere migliorato da questi fattori – è vero – ma non in modo ottimale.

Rivestimento in oro: la soluzione più efficace

La permeabilità dell’oro è 10000 volte inferiore di quella dell’acciaio inossidabile. Con il rivestimento in oro (0.1 fino a 1 μm) di una membrana in acciaio da 50 μm, la permeazione dell’idrogeno può essere ridotta in modo molto più efficace che raddoppiando lo spessore della membrana a 100 μm. Nel primo caso, il periodo di tempo in cui si accumula un volume critico di gas idrogeno all’interno del sensore di pressione può essere prolungato per un fattore da 10 a 100, nel secondo caso solo per un fattore di due. Questo presupponendo una saldatura ottimizzata e il più possibile senza buchi, nonché un rivestimento sostanzialmente senza imperfezioni.

Immagine 1: esempio di trasmettitore di pressione con membrana rivestita in oro.

A causa delle proprietà dell’oro riguardo alla permeabilità dell’idrogeno, come standard per queste applicazioni con l’idrogeno la STS utilizza membrane in acciaio inossidabile rivestite in oro.

Scarica l’infografica STS gratuita su questo argomento ora: