Instituto Tecnológico de Chihuahua
USO DE HIDROGENO EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA.
Jorge Armando Fierro Rodríguez
Erick Omar Martínez Torres
Manuel Alejandro Hernández Gutiérrez
Índice.
Introducción…………………………………………………………………...…….1
Marco Teórico……………………………………………………………………….2
Motor Wankel
Motor de cuatro tiempos…………………………………………………...4
Funcionamiento de un motor de hidrogeno…………………………….8
Formación del hidrogeno………………………………………………….9
Ventajas de los motores de hidrogeno…………………………………10
Inconvenientes de los motores de hidrogeno
Primeros automóviles de motor de hidrogeno………………...……...11
Planteamiento
Preguntas………………………………………………………………………….12
Hipótesis
Objetivo General
Objetivos Específicos…………………………………………………………….13
Justificación
Delimitación
Impactos…………………………………………………………………………...14
Ambiental, Económico, Social, Tecnológico
Metodología……………………………………………………………………….15
Cronograma de Actividades…………………………………………………….16
Aseguramiento Técnico…………………………………………………………17
Fuentes de Información
Introducción.
Cuando nos referimos a un auto ecológico siempre se ha pensado en
vehículos eléctricos que obtienen su energía de baterías, pero se necesitan
conectar a la corriente lo que provoca un elevado recibo en el consumo de
energía. Los autos ecológicos son vehículos relativamente nuevos, por lo
tanto su costo es alto con relación a un vehículo con motor de combustión
interna. Las nuevas tecnologías están ya en marcha pero se necesita hacer
algo de inmediato.
Como poder usar los sistemas de combustión que tienen los autos que se
encuentran circulando por las calles. Existen docenas de alternativas para
poder movernos de una manera ecológica, la opción que nosotros
proponemos es un proyecto que tiene como fin modificar un motor de
combustión para que este pueda utilizar hidrogeno.
Marco Teórico.
Motor de hidrógeno (2008), nos dice que existen dos tipos básicos de motor
de combustión que emplean hidrógeno como combustible. El primero y más
importante es el motor de combustión de hidrógeno de cuatro tiempos, que
es en esencia un motor típico de combustión interna, y el segundo se trata
del motor Wankel.
Motor Wankel.
Este tipo de motor rotativo parece dar
buenos resultados al emplear hidrógeno
como combustible, según lo atestiguan
ensayos realizados con dinamómetro y una
vez resueltos los problemas que presentaba
en lo que a estanqueidad se refiere. Estos
buenos resultados se deben a la
configuración de este motor, el cual
minimiza las dificultades de combustión que
se dan en otros tipos de motores. El motor rotativo no suele dar problemas
de auto encendido pues, tal y como se puede apreciar en la fotografía del
motor, la cámara de combustión presenta una geometría adecuada para la
combustión del hidrógeno, o sea, presenta una relación volumen/superficie
muy elevada. De todos modos, suponiendo que los gases de escape fueran
responsables del auto encendido, tampoco plantearían problemas en el
motor Wankel ya que, cuando los gases frescos entran, la cámara ya se
encuentra vacía y los gases de escape se encuentran lejos.
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En el motor Wankel es posible el aprovechamiento de la alta temperatura de
ignición del hidrógeno. Se está investigando la posibilidad de incluir agua
pulverizada en la mezcla de entrada, la cual se evapora al quemarse el
hidrógeno llegando a ejercer presiones muy altas de forma elástica, a
diferencia de lo que ocurre en el pistón, en el cual se da una detonación.
Actualmente se está tratando de conseguir que la mayor parte de la potencia
se deba a la acción del vapor de agua y no al hidrógeno.
Otra ventaja más de este motor radica en su relación potencia/peso, este
motor desarrolla una alta potencia en comparación con su tamaño lo que
permite tener un sistema motriz de alta potencia sin emisiones y de reducido
tamaño. La compañía Reg Technologies ha conseguido una relación
potencia/peso cerca de los 0,34 kg por caballo de potencia, una cantidad
ínfima comparada con los 2,72 kg/CV que presenta el motor de émbolo.
No obstante, el motor Wankel no está libre de defectos pues presenta un
problema en lo que a lubricación se refiere. El aceite empleado en la
lubricación de los sellos se encuentra en contacto con la mezcla de
combustible y aire, con lo que, al producirse la combustión, no sólo se
quemará el hidrógeno sino que además lo hará el aceite. En realidad este
hecho constituye dos problemas, el primero es la desaparición del lubricante
con lo que el consumo del mismo aumentará, mientras que el segundo
afectará a las emisiones del motor. El aceite, al ser quemado, producirá CO2
además de otros contaminantes como pueden ser los sulfuros, NOx, etc. Lo
cual ha provocado que los automóviles con motor rotativo no lleguen a ser
considerados Z. E. V., es decir, de emisión cero. Además esta clase de
motor no posee la característica de los motores de pistón de actuar como
freno, comúnmente llamado freno motor.
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Otro problema, que aún hoy no ha sido resuelto del todo, es el denominado
dieseling. El dieseling se produce a causa de la precisión del punto de
combustión pues, en caso de retrasarse un poco, puede ocurrir que la
combustión comience antes de que el rotor gire por sí mismo. En este caso,
que se suele dar cuando la velocidad es baja, la explosión empuja al rotor en
sentido contrario al ciclo de rotación y cabe esperar daños en el motor.
A pesar de todo, la compañía Mazda ha desarrollado varios modelos de
coche que cuentan con este tipo de motor desde los años 70 y que, según la
propia compañía, ofrecen unas prestaciones casi iguales que la de los
motores de cuatro tiempos convencionales. No obstante, en la década de los
70 la tecnología no estaba lo suficientemente desarrollada como para que los
motores Wankel fuesen equiparables a los de pistón. Durante estos años la
compañía japonesa ha adaptado algunos modelos de forma que empleen
hidrógeno como combustible. Dichos modelos son el HR-X1, HR-X2, y el
MX5.
Motor de cuatro tiempos
El diseño de este motor es básicamente el
mismo que el de un motor a gasolina, es
decir, un motor que sigue el ciclo Otto, con
sus pistones, válvulas y demás sistemas. Esta
clase de motores permiten aprovechar las
especiales características que presenta el
hidrógeno como combustible, a saber:
Alto número de octanos efectivo.
Ninguna toxicidad y no llega a formar ozono.
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Alta velocidad de llama en flujo laminar.
Por esto, con un adecuado diseño podemos conseguir un motor con
un rendimiento energético mayor que el equivalente en gasolina y
totalmente ecológico. El alto número de octanos permite elevar la
relación de compresión que redundará en un aumento del rendimiento
energético, mientras que la alta velocidad de llama en flujo laminar
contribuye a la reducción de las emisiones de NOx, pues es posible
emplear adosados muy bajos, tan bajos que han llegado al 0,2.
Gracias a esta posibilidad se puede aumentar también el rendimiento.
Con todo esto se han conseguido aumentos del rendimiento del 25-
30% con respecto a los motores equivalentes en gasolina.
El motor de hidrógeno se ha convertido en una de las alternativas más
comentadas para los nuevos vehículos no contaminantes. El hidrógeno
posee más potencia en relación energía/peso que cualquier otro combustible,
y además produce poca o ninguna contaminación, ya que sólo libera vapor
de agua en su combustión.
Casi todos los grandes fabricantes están trabajando en nuevos modelos que
incluyen motor de hidrógeno (Honda FCX, BMW 745H, Nissan X-Trail FCV,
Toyota High Lander FCHV, Opel Zafira Hydrogen 3 o Mercedes Clase B Fuel
Cell).
La mayoría de ellos siguen un esquema similar. El motor eléctrico situado
debajo del capó, recibe la alimentación desde las células de combustible,
que generan electricidad al mezclar el hidrógeno que contiene el depósito de
combustible y el oxígeno del aire. El único residuo que genera esta reacción
es vapor de agua.
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Una celda o célula de combustible es un generador que se basa en procesos
químicos para producir energía al combinar el hidrógeno y el oxígeno. La
célula de combustible produce corriente eléctrica como una batería, pero al
contrario que ésta, nunca se descarga mientras se disponga de combustible
en el depósito de hidrógeno. Una célula de combustible es silenciosa, limpia
y eficiente, por lo que nos olvidaremos para siempre de los ruidos del motor.
Un vehículo de hidrógeno
(Wikipedia 2012) es un
vehículo de combustible
alternativo que utiliza
hidrógeno diatómico como
su fuente primaria de
energía para propulsarse.
Estos vehículos utilizan
generalmente el hidrógeno
en uno de estos dos
métodos: combustión o
conversión de pila de combustible. En la combustión, el hidrógeno se quema
en un motor de explosión, de la misma forma que la gasolina. En la
conversión de pila de combustible, el hidrógeno se convierte en electricidad a
través de pilas de combustible que mueven motores eléctricos de esta
manera, la pila de combustible funciona como una especie de batería.
El vehículo con pila de combustible se considera un vehículo de cero
emisiones porque el único subproducto del hidrógeno consumido es el agua,
que adicionalmente puede también mover una micro-turbina.
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Hoy en día (enero 2010) Honda, es la única firma que ha obtenido la
homologación para comercializar su vehículo impulsado por este sistema, el
FCX Clarity, en Japón y Estados Unidos. El FCX Clarity empezó a
comercializarse en Estados Unidos en julio de 2008 y en Japón en
noviembre del mismo año. De momento, la compañía no ha anunciado
planes de comercializarlo en Europa, aunque sí se sabe que en el centro de
Honda en Alemania ya trabajan con él.
El Rincón del Vago, (en Salamanca 1998) Actualmente, la cuestión
medioambiental es un asunto que preocupa a todos. En Europa hay 400
coches por cada mil personas, y se estima que esta cantidad seguirá
subiendo al ritmo de nuestra sociedad y el consumo de un millón de litros de
gasolina supone la emisión de 2.4 millones de kilos de dióxido de carbono a
la atmósfera. Son datos que explican la importancia de hallar un carburante
que perjudique menos el entorno y la salud de nosotros mismos. Esta gran
cantidad de contaminación me llamó la atención y me hizo reflexionar cuando
aparecieron los motores que funcionan con hidrógeno. Es por ese motivo que
he decidido hacer mi trabajo sobre estos motores.
Existen normativas medioambientales cada vez más estrictas con todo este
lento asunto, pero el agotamiento de las reservas de petróleo parece
impulsar a la industria a optar por energías alternativas antes que a las
combustibles fósiles convencionales. Al hidrógeno le espera convertirse en
una de estas opciones de futuro para un planeta que tiene un consumo de
energía imparable.
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FUNCIONAMENTO DE UN MOTOR DE HIDRÓGENO:
La pila de combustible es el elemento fundamental de un vehículo de
hidrógeno, pues se trata del elemento de almacenamiento y transporte de la
energía limpia de estos motores que no emiten ningún tipo de residuo ni gas
contaminante.
Una pila de combustible es un elemento que funciona muy similar a como
puede funcionar una batería, con la diferencia de que no se termina ni se
recarga ya que (mediante un proceso de combustión fría) convierte la
energía química que posee un combustible en energía eléctrica útil, sin la
necesidad de pasar por un proceso de combustión.
Estas pilas están formadas por dos electrodos (que permiten el paso de una
corriente eléctrica) que se encuentran separados por un electrólito (hecho de
un material que puede ser descompuesto cuando actúa sobre él una
corriente eléctrica).
- Los electrodos extraen los electrones de hidrógeno para convertirlos en
electricidad cuando el hidrógeno fluye hacia el ánodo, donde un catalizador
facilita la separación de protones y electrones.
- Los protones atraviesan una membrana electrolítica para combinarse con el
oxígeno, y los electrones se sitúan al lado del cátodo formando así un circuito
externo ánodo-cátodo que alimenta los dispositivos eléctricos.
- La reacción de hidrógeno con oxígeno que da el resultado de agua pura
más energía.
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Actualmente, las pilas de combustible consiguen una buena eficacia que
permite obtener 2kW por litro o por kilo de combustible. Esto se logra
conectando una serie de hasta 200 células simples (de 1 voltio cada una)
que transforman las variaciones de presión en variaciones de intensidad de
corriente que logra esta potencia que se inyecta en el rotor.
La tecnología de la pila ha tenido ciertos avances significativos los últimos
años, y algunos fabricantes de automóviles ya han empezado a ensañar esta
tecnología en la fabricación de vehículos experimentales o con fuente de
energía alternativa. No obstante, estos aun son demasiado pesados,
costosos y el gran volumen de la propia pila de combustible.
FORMACIÓN DEL HIDRÓGENO:
Las centrales de hidrógeno pueden llegar a obtener hidrógeno electrificando
el agua con energía eléctrica renovable (de los campos eólicos o colectores
solares). Es cierto que obtenerlo por electrólisis es menos eficaz, pero una
vez comprimido y almacenado en el vehículo, este hidrógeno superara el
75% de rendimiento, mientras que si se extrae del metano, el rendimiento
inicial es más elevado pero, en global y valorando todo el proceso, se situará
alrededor del 48-60%.
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VENTAJAS DE LOS MOTOTRES DE HIDRÓGENO:
- Los motores de combustión tienen un rendimiento mediano del 30%,
mientras que los motores de hidrógeno tienen una mediana del 55%. Este
aspecto los hace equiparables a un automóvil convencional.
- El consumo y mantenimiento es inferior a cualquier otro tipo de coche.
- Como ya he dicho, al utilizar una energía limpia, se permite reducir los
gases que producen el efecto invernadero y diversificar las fuentes de
producción de electricidad.
INCONVENIENTES DE LOS MOTORES DE HIDRÓGENO:
- El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza, se ha de utilizar
energía para obtenerlo tal y como he explicado anteriormente. Este proceso
sufre la insuficiencia de infraestructuras para el abastecimiento de hidrógeno.
- La pila de combustible instalada en el coche tiene un gran peso.
- Su almacenamiento es en unos depósitos que lleva el coche a muy alta
presión,13 y al ser el hidrógeno muy inflamable y de llama invisible, puede
llegar a ser peligroso.
- No está demostrada la fiabilidad de todos los elementos.
- Elevado costo de producción. Valen aproximadamente un 30% más que un
coche de gasolina o diesel de prestaciones parecidas.
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PRIMEROS AUTOMÓVILES DE MOTOR DE HIDRÓGENO:
En 1807 el ingeniero franco-suizo François Isaac de Rivas logró al fin
patentar un motor que, a diferencia de los existentes hasta entonces,
funcionaba por combustión interna usando como combustible el hidrogeno.
Desde el 2003, la flota de autobuses de Barcelona cuenta con tres autobuses
con pila de hidrógeno que han recorrido más de 38 000 km en sus trayectos
de prueba y con muy buena aceptación por parte de los usuarios. De esta
manera, y con la incorporación de más autobuses de este tipo el 2008,
nuestra ciudad es pionera en la incorporación de vehículos propulsados por
energías limpias (también cuentan con 162 vehículos que funcionan con gas
natural y 15 que funcionan con biodiesel).
Planteamiento
Desde los años setentas las grandes empresas automotoras han buscado
crear un motor eficiente para el ahorro de combustible, esto a causa de las
crisis petroleras que se vivieron en aquellos años. Más recientemente se
promulgaron leyes para el control de emisiones lo que llevo a diseñar
motores más limpios. Hoy en día existen motores sumamente eficientes,
pero siguen siendo dependientes de los combustibles fósiles, y continúan
generando emisiones toxicas para la atmosfera.
El uso de combustibles alternos busca reducir aun más los contaminantes
que emiten los vehículos, pero también se busca abaratar la energía. Uno de
estos combustibles el hidrogeno. Este elemento es el más abundante en la
atmosfera y cuando se consume solo libera gases inofensivos tales como el
vapor de agua. Sin embargo el uso del hidrogeno es bastante restringido ya
que las grandes petroleras ven como amenaza directa a sus ingresos.
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Los motores actuales son capaces de utilizar el hidrogeno, pero aun existen
problema. Se requiere modificar los motores para que su uso sea seguro
teniendo en cuenta que el hidrogeno es muy explosivo. También existe el
problema del suministro de el hidrogeno al contenedor del vehículo ya que
los sistemas actuales que utilizan derivados del petróleo no pueden soportar
la presión ni la temperatura del hidrogeno.
Preguntas.
¿Qué se necesita para transformar un motor de gasolina a uno de
hidrogeno?
¿Qué problemas pueden causarle al motor a largo plazo?
¿Es costeable el uso del hidrogeno en los motores a gasolina?
¿Se puede poner un sistema de alimentación que tome hidrogeno a
partir de la electrolisis?
Hipótesis
El motor de gasolina funcionara si se le suministra solamente hidrogeno
como combustible.
Objetivo general.
Conseguir el funcionamiento optimo de un motor a gasolina
exclusivamente con hidrogeno como su combustible.
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Objetivos específicos.
Conocer las piezas de un motor a hidrogeno y verificar cuales se
tienen que cambiar o modificar en un motor a gasolina.
Conocer la corrosión que provocan los gases que emanan a partir de
la combustión del hidrogeno.
Idear diferentes maneras para la obtención y almacenamiento del
hidrogeno.
Investigar los costos del hidrogeno y de la gasolina para una posterior
comparación.
Conocer el funcionamiento de los sistemas de electrolisis.
Conocer el flujo necesario de hidrogeno que necesita el motor y si un
sistema de electrolisis nos lo puede proporcionar.
Justificación.
Se eligió este tema ya que los costos del combustible fósil han ido
aumentando de forma alarmante y las petroleras al ver como amenaza otros
tipos de obtención de energía, optan por comprar las patentes y así eliminar
cualquier amenaza en contra de su compañía.
Delimitación.
Se quiere implementar sistemas de conversión de motores de gasolina a
motores de hidrogeno a dos automóviles: uno con sistema de inyección de
combustible y el otro con carburador. Esto debe lograrse en un periodo que
no rebase 6 meses a partir del inicio de la investigación.
Impactos.
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Ambiental.
Se reduce en gran medida el uso de combustibles fósiles. Con esto se
prevé una disminución drástica de emanaciones de gases tóxicos a la
atmosfera.
Económico.
Los costos por transporte mostraran grandes reducciones por el uso
de estos sistemas.
Social.
Se eliminara gran parte de la dependencia del petróleo.
No se necesitara adquirir un nuevo vehículo, generando ahorros a las
familias.
Tecnológico.
El proyecto seria la punta de lanza para proyectos mas ambicioso.
Metodología.14
Selección del tema.
Planteamiento del problema con puntos específicos.
Redacción de objetivos (generales y específicos).
Incógnitas de por que realizar esta investigación.
Búsqueda de artículos y documentos relacionados con el tema.
Rango de tiempo.
Tipos de impactos realizados con la investigación.
Realización de cronograma de actividades.
Tipo de herramientas y materiales a necesitar.
Obtención de páginas de información.
Primeramente se selecciono un tema entorno a la carrera y relacionado con
energías limpias, esto para obtener un mejor enfoque hacia el futuro y hacer
de este algo mejor para nuestros sucesores.
Se planteo el problema sobre este tema tomando en cuenta la importancia y
los aspectos sobre este problema; se enuncio el problema y se formularon
preguntas para saber a que nos íbamos a enfrentar. Con esto llegamos a
realizar los objetivos de la investigación para así tener un propósito más en
claro en esta investigación.
Después nos preguntamos por que queríamos realizar esta investigación y a
que queríamos llegar con ella, con esto surgió una incógnita con la hipótesis.
Gracias a esto en el marco teórico realizamos una búsqueda considerable de
artículos y documentos para apoyarnos en nuestra investigación.
Marcamos nuestras delimitaciones en un rango de tiempo no muy extenso.
Checamos impactos (resultados) de nuestro trabajo de investigación en el
ámbito social, ambiental, económico y tecnológico; también nos dimos a la
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tarea de realizar un cronograma de actividades de acuerdo al plazo
acordado.
Obtendremos la mayor cantidad de información, para luego determinar el
material que va a ser necesitado para realizar las pruebas.
Por ultimo las páginas investigadas en la red se encuentran en la sección de
fuentes de información.
Cronograma De Actividades.
Actividad Febrero Marzo Abril Mayo Junio1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Definición
Hipótesis
Inv. Doc.
Marco Teórico
Inv. De Campo
Comp. Hip.
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Aseguramiento Técnico
Se necesitara algunos elementos los cuales son:
Un equipo de técnicos especializados en motores de combustión
interna
Un motor con carburador
Un motor con inyección de combustible
Un taller de mecánica donde se puedan hacer las modificaciones y las
pruebas, este debe estar debidamente ventilado para evitar
accidentes por fugas de hidrogeno
Fuentes de información.
http://www.motordehidrogeno.net/que-es-el-motor-de-hidrogeno
http://es.wikipedia.org/wiki/Veh%C3%ADculo_de_hidr%C3%B3geno
http://www.google.com.mx/search?
q=motor+de+hidrogeno&hl=es&prmd=imvns&tbm=isch&tbo=u&source=univ&
sa=X&ei=a43CT6SPBOjc2QWAzfF_&ved=0CFwQsAQ&biw=1280&bih=675
http://html.rincondelvago.com/motores-de-hidrogeno.html
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