Motores de hidrógeno.

Fragmento del artículo académico, "ADAPTACIÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA PARA USAR HIDRÓGENO". Por: Daniel Barilá, Matías Llansa, Maximiliano Bossolasco, William Hughes, Germán Soria, Pedro Kolodka, Alejandro Münnemann.

"...En principio, podría decirse que el hidrógeno utilizado como combustible de un motor de combustión interna alternativo presenta características similares a las de cualquier otro combustible gaseoso y por ello cabría preguntarse por qué no utilizar un simple sistema de carburación para formar la mezcla fuera del cilindro, en algún punto del conducto de admisión. El manejo del hidrógeno como combustible presenta diferencias respecto de los combustibles gaseosos tradicionales básicamente en dos aspectos, los relativos a condiciones de seguridad y los que tienen que ver con cuestiones asociadas a su baja energía de ignición. 

Respecto de las condiciones de seguridad, se han seguido las recomendaciones de diversas fuentes y normativas específicas, y se detallan más adelante al describir el equipamiento desarrollado.

Es en el aspecto referido a la formación de mezcla en el que más se ha trabajado ya que utilizando un sistema de formación de mezcla convencional favorece la aparición de combustión en el tubo de admisión, fenómeno conocido como “contra

explosión” o “backfire” 

Al finalizar la carrera de escape de un motor de 4 tiempos, con el pistón en las cercanías del punto muerto superior, el cilindro contiene gases residuales de la combustión. Estos gases están a elevada temperatura, por encima de la de autoencendido de los combustibles convencionales como la nafta o el gas natural comprimido (GNC) y entran en contacto con la mezcla proveniente del tubo de admisión en el momento en que se comienza a abrir la válvula de admisión por lo que

potencialmente podrían encenderla.

La zona en la que se comienzan a mezclar los gases residuales y los de admisión es en la que podría generarse la combustión y allí entran en juego los parámetros que gobiernan el inicio de una potencial combustión siendo estos, la temperatura de autoencendido, la energía de ignición, el tiempo de retardo y el efecto refrigerante de la mezcla de admisión sobre los gases residuales.

La temperatura de autoencendido es la necesaria para que una mezcla de aire y combustible comience a quemarse si se la calienta homogéneamente, en caso de un encendido localizado (como es el caso por ejemplo de una bujía), es necesario no sólo alcanzar una determinada temperatura sino que además hay que aportar un mínimo de energía de ignición . Esto explica por qué una bujía con una chispa “débil” puede resultar ineficaz para encender una mezcla de aire y nafta aún

cuando su temperatura supera ampliamente la de autoencendido o inflamación.

Cuando una mezcla de aire y combustible es sometida a condiciones de autoinflamación, es necesario además mantener esas condiciones durante cierto tiempo para lograr la ignición. Este concepto es muy importante para el estudio del fenómeno de detonación, en este sentido, se realizan experimentos utilizando lo que se conoce como “máquina de compresión rápida” , esta máquina es capaz de comprimir súbitamente una mezcla de aire y combustible (conceptualmente se buscaría unacompresión instantánea) obteniéndose así un aumento de temperatura por encima de la de autoinflamación casi instantáneo en todo el seno de la mezcla, La combustión comienza luego de algunos milisegundos detectándose a través del cambio brusco de presión, el tiempo transcurrido hasta el inicio de la combustión se denomina tiempo de retardo.

En el caso de los combustibles convencionales, la posibilidad de autoencendido al tomar contacto la mezcla de admisión con los gases residuales, se ve minimizada debido a que necesitan más energía de ignición (aunque la temperatura e autoignición es más baja que la del hidrógeno). El efecto refrigerante de la mezcla de admisión sobre los gases residuales hace que antes de transcurrir el tiempo de retardo, la temperatura reinante en la zona en la que se mezclan residuales y mezcla fresca baje lo suficiente para que no exista autoinflamación.

Cuando una mezcla de aire y combustible es sometida a condiciones de autoinflamación, es necesario además mantener esas condiciones durante cierto tiempo para lograr la ignición. Este concepto es muy importante para el estudio del fenómeno de detonación, en este sentido, se realizan experimentos utilizando lo que se conoce como “máquina de compresión rápida” , esta máquina es capaz de comprimir súbitamente una mezcla de aire y combustible (conceptualmente se buscaría unacompresión instantánea) obteniéndose así un aumento de temperatura por encima de la de autoinflamación casi instantáneo en todo el seno de la mezcla, La combustión comienza luego de algunos milisegundos detectándose a través del cambio brusco de presión, el tiempo transcurrido hasta el inicio de la combustión se denomina tiempo de retardo.

En el caso de los combustibles convencionales, la posibilidad de autoencendido al tomar contacto la mezcla de admisión con los gases residuales, se ve minimizada debido a que necesitan más energía de ignición (aunque la temperatura e autoignición es más baja que la del hidrógeno). El efecto refrigerante de la mezcla de admisión sobre los gases residuales hace que antes de transcurrir el tiempo de retardo, la temperatura reinante en la zona en la que se mezclan residuales y mezcla fresca baje lo suficiente para que no exista autoinflamación.

Cuando el motor opera con mezclas muy pobres, la velocidad de quemado se ralentiza mucho haciendo que la combustión tome buena parte de la carrera de expansión para poder desarrollarse, esto hace que la temperatura al final de la expansión sea bastante más alta que en funcionamiento normal y por ello, los gases residuales incrementen notablemente su temperatura. Esta circunstancia hace que en motores nafteros, se pueda producir retroceso de llama en la admisión cuando

se opera en esta condición.

Sin embargo, cuando se opera con hidrógeno, la baja energía de ignición hace que el fenómeno de encendido de la mezcla de admisión al entrar en contacto con los gases residuales sea inevitable si se utiliza la técnica de formación de mezcla omogénea en el tubo de admisión como es habitual en los motores con carburador o de inyección.

Cuando el motor opera con carga parcial, la temperatura de los gases residuales disminuye y el efecto de contra explosión se atenúa. Por esto es que en caso de utilizar las técnicas convencionales de formación externa de mezcla, resulta difícil alcanzar altas potencias sin encontrar el problema de retroceso de llama en la admisión....".

Daniel Barilá1, Matías Llansa1, Maximiliano Bossolasco1, William

Hughes1, Germán Soria1, Pedro Kolodka1, Alejandro Münnemann1

Barilal,D.,Llansal Matias, et al. (2015). ADAPTACIÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA PARA USAR HIDRÓGENO

COMO COMBUSTIBLE.Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de la Patagonia,1. pp 8.