En un estudio presentado recientemente, Porsche Engineering detalla que ha examinado el potencial de los motores de combustión de hidrógeno. El resultado que se obtuvo de este estudio es un tren motriz de alto rendimiento con emisiones al mismo nivel que el aire ambiente.
Muchos son los fabricantes que se encuentran en la búsqueda de diferentes soluciones de tren motriz, incluidos los sistemas híbridos, accionamientos eléctricos y motores de combustión más eficientes que se están desarrollando actualmente para su uso en futuros vehículos. En esta carrera por obtener las mayores ventajas sin aumentar exponencialmente los costos de producción de los nuevos vehículos, el hidrógeno representa una alternativa potencial a los combustibles convencionales o combustibles sintéticos (e-fuels) para su uso en motores de combustión.
“Por lo tanto, hemos desarrollado un motor de combustión de hidrógeno que tiene como objetivo igualar la potencia y el par de los motores de gasolina de alto rendimiento actuales como un estudio conceptual. Al mismo tiempo, también teníamos el objetivo de lograr un bajo consumo de combustible y mantener las emisiones al mismo nivel que el aire ambiente. El punto de partida para nuestro estudio fue un motor de gasolina de 8 cilindros y 4.4 litros existente, o más bien, su conjunto de datos digitales, ya que realizamos todo el estudio virtualmente utilizando simulaciones de rendimiento del motor”.Vincenzo Bevilacqua, experto sénior en simulación de motores de Porsche Engineering.
Actualmente son pocos los fabricantes de automóviles en todo el mundo que se han atrevido a apostar por el desarrollo de motores que funcionen a base de hidrógeno, sin embargo, esto cambia si hablamos del sector de vehículos comerciales donde es predominantemente, aunque de momento ofrecen una potencia específica relativamente baja de alrededor de 67 hp (50 kW) por litro de cilindrada. “Para el sector de los autos de carretera, esto es insuficiente”, dice Vincenzo Bevilacqua, experto sénior en simulación de motores de Porsche Engineering.
Las modificaciones aplicadas a este motor incluyeron una mayor relación de compresión y combustión adaptada al hidrógeno, pero lo más importante, un nuevo sistema de turbos. Para una combustión limpia de hidrógeno, los turbos tienen que, proporcionar el doble de masa de aire que en los motores de gasolina. Sin embargo, las temperaturas más bajas de los gases de escape resultan en una falta de energía para su propulsión en el lado del escape. Esta discrepancia no se puede resolver con turbos convencionales. Por ello, Porsche Engineering ha examinado 4 conceptos alternativos, algunos de los cuales provienen del mundo de los deportes a motor.
Los sistemas constan de varios turbos asistidos eléctricamente, algunos de ellos combinados con válvulas de control adicionales en el sistema de aire o compresores accionados eléctricamente. “En estudios de referencia, cada sistema de turbo alimentación mostró ventajas y desventajas específicas. Por lo tanto, la elección del concepto correcto depende en gran medida del perfil de requisitos del motor de hidrógeno en cuestión”, dice Bevilacqua.
“El estudio nos permitió obtener información valiosa con respecto al desarrollo de motores de hidrógeno de alto rendimiento y agregar modelos y métodos específicamente para el hidrógeno a nuestra metodología de simulación virtual. Con este know-how, estamos listos para manejar de manera eficiente los futuros proyectos de los clientes”.Vincenzo Bevilacqua, experto sénior en simulación de motores de Porsche Engineering.
El equipo de desarrollo de Porsche seleccionó un sistema de con compresores consecutivos, para su estudio. La característica especial de este diseño es la disposición coaxial de dos etapas del compresor, que son impulsadas por la turbina o el motor eléctrico de soporte utilizando un eje común. El aire en el proceso fluye a través del primer compresor, se enfría en el intercooler y luego se re-comprime en la segunda etapa.
El motor de hidrógeno está a la par con la unidad de gasolina original, ofreciendo una potencia de alrededor de 590 hp (440 kW). Con el fin de evaluar mejor el rendimiento, Porsche Engineering lo probó en un vehículo con un peso total relativamente alto de 2,650 kg en el Nürburgring Nordschleife, aunque de forma virtual: la conducción se llevó a cabo utilizando lo que se conoce como un gemelo digital, del vehículo real. Con un tiempo de vuelta simulada en el Nordschleife de 8’20″20, a una velocidad máxima de 261 km/h, demostrando con ello un alto potencial con respecto a la dinámica de conducción del vehículo.
Debido a la composición química del hidrógeno, no se liberan hidrocarburos, ni monóxido de carbono durante la combustión, y tampoco partículas pesadas. Según los expertos de Porsche Engineering, en términos de optimización de emisiones, estas se concentraron en los óxidos de nitrógeno. En extensas rondas de optimización, adaptaron la estrategia de funcionamiento del motor para una combustión lo más limpia posible. Su enfoque era mantener bajo el nivel de emisiones brutas mediante una combustión extremadamente pobre y, por lo tanto, más fría, lo que permitía prescindir de un sistema de post tratamiento de escape.
“Resultó que las emisiones de óxido de nitrógeno están muy por debajo de los límites establecidos por la norma Euro 7 actualmente en discusión y están cerca de cero en todo el mapa del motor. “Las emisiones del motor de hidrógeno están por debajo de este límite. Por lo tanto, operarlo no tiene un impacto significativo en el medio ambiente”.Matthias Böger, ingeniero especialista en simulación de motores de Porsche Engineering
Con el fin de contextualizar mejor los resultados de las pruebas de emisiones, se hizo una comparación con el Índice de Calidad del Aire. El utilizado por las autoridades europeas y otras instituciones como punto de referencia para evaluar el nivel de contaminación del aire. En general, una concentración de hasta alrededor de 40 microgramos de óxido de nitrógeno por metro cúbico se equipara con una buena calidad del aire.
Además de emisiones apenas medibles, el motor de hidrógeno ofrece una alta eficiencia en el ciclo de medición WLTP, así como en otros ciclos gracias a su combustión pobre. “De este modo, hemos cumplido nuestro objetivo de proyecto autoimpuesto: el desarrollo de un motor de hidrógeno limpio, económico y deportivo, en todos los ámbitos”, concluye Bevilacqua. El costo de un tren motriz de hidrógeno en la producción en serie podría ser comparable al de un motor de gasolina. Aunque el sistema de turbocompresor y una serie de componentes mecánicos son más complejos y, más caros.
El equipo pudo llevar a cabo todas las pruebas en un proceso de simulación establecido que proporcionó la base ideal para esto, junto con la amplia experiencia que tiene la compañía en modelado y cálculo. Es poco probable que Porsche lleve a producción en su forma actual el motor de hidrógeno, dado que ese no era el objetivo del proyecto de todos modos. La atención se centró en examinar el potencial técnico de la tecnología de accionamiento alternativo y ampliar las capacidades de las herramientas de ingeniería existentes.
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