Hoerbiger alcanza la paridad de potencia diésel con el sistema H2

Hardware AdaptH2 (Foto: Hoerbiger)

En 2022, la entonces Diesel Progress International informó sobre el desarrollo continuo de inyectores de combustible de hidrógeno en Hoerbiger . Bernhard Zemann, director de la Unidad de Negocio de Motores de la empresa tecnológica global, afirma que estos aún están en desarrollo, pero que avanzan hacia la producción en serie.

“Está directamente relacionado con el mercado”, explica. “Las pilas de combustible siempre iban a ser las primeras en entrar al mercado, pero esa tecnología no satisface la demanda de movilidad. No ofrece la robustez que necesitan algunos sectores. Por eso seguimos desarrollando tecnología relacionada con los motores de combustión interna de hidrógeno; cuando el mercado esté preparado para esta tecnología, nosotros también lo estaremos”.

Si bien pronto se completará el trabajo final sobre la tecnología del inyector de H2, Hoerbiger y Altronic (un miembro del Grupo Hoerbiger), en cooperación con Prometheus Applied Technologies, proveedor de tecnología de sistemas de combustión de hidrógeno, ahora están avanzando en el desarrollo de una solución para el encendido de hidrógeno.

Bernhard Zemann (Foto: Hoerbiger)

Dado que la mayoría de los demás elementos del motor de combustión interna se han conservado, incluyendo los cilindros, el bloque motor, etc., los inyectores y el sistema de encendido son cruciales para alcanzar el máximo potencial del proceso de combustión de H₂. Con el desarrollo de estas unidades, Hoerbiger aprovecha su experiencia en la generación de energía a gas para posicionarse como proveedor especializado de los componentes clave, por encima de la junta de la tapa de válvulas, que facilitan la combustión de H₂.

Zemann afirma que el inyector de H₂ y los sistemas de encendido estarán listos para su lanzamiento al mercado simultáneamente. «Siempre se ha debatido sobre la combustión de hidrógeno, si era una solución viable. Pero esto ya está hecho, y sabemos que es una solución válida que puede proporcionar la potencia y la descarbonización necesarias para los motores de servicio pesado».

Superar la pérdida de potencia

Desde el inicio del desarrollo, era evidente que sería imposible convertir un motor diésel para que usara hidrógeno sin un inyector específico. Lo mismo ocurre ahora con el encendido por H₂, que requiere un sistema diseñado específicamente para iniciar y controlar la combustión dentro de las estrictas tolerancias de la mezcla de combustible ultra pobre.

Hace dos años, la pregunta era: "¿Cuál es el requisito mínimo para convertir un motor diésel a hidrógeno?", y la respuesta siempre era el inyector. Era el único cambio; en principio, todo lo demás se podía transferir, afirma Zemann.

Si bien era posible conservar esos componentes específicos del diésel, Zemann afirma que el uso de hidrógeno en dicha configuración resultó en una pérdida de entre el 20 % y el 30 % en densidad de potencia y eficiencia. "Era una pérdida aceptada", lamenta. Fue entonces cuando los ingenieros de Hoerbiger comenzaron a considerar cambios específicos en el proceso de encendido del hidrógeno, con el objetivo de alcanzar la paridad de potencia y eficiencia con el diésel.

“Descubrimos que la estrategia del sistema de combustión tiene un impacto mayor en la potencia de salida que incluso el suministro de una mezcla de aire y combustible totalmente homogénea proveniente del inyector”, explica Zemann.

Para lograr la paridad de potencia entre diésel e hidrógeno, los ingenieros analizaron una tecnología patentada de motores de combustible gaseoso. Desarrollada en 2022, el proceso utiliza un modelo de ignición de precámara controlado y predictivo para el proceso de combustión.

Eficiencia del motor gracias a la tecnología de combustión Prometheus (Foto: Hoerbiger)

Zemann describe esta tecnología de combustión como una característica deseable en los motores de gas natural. Pero con el hidrógeno, no es simplemente deseable, sino que se vuelve crucial para lograr eficiencia en el uso del combustible y la potencia.

"Así se recupera ese 20 o 30 % de densidad de potencia y eficiencia", añade. "Y así es como se obtiene un rendimiento comparable al de un diésel con un motor de combustión de hidrógeno".

El encendido es la clave

Controlar la variación en el punto de inicio del proceso de combustión a lo largo de cada ciclo es clave para controlar la estabilidad y, por lo tanto, lograr el avance necesario para ofrecer potencia y eficiencia equivalentes. Esto se debe a que la energía del combustible no es constante durante todo el proceso de combustión; en cambio, el rendimiento se determina durante la chispa; es la energía de la chispa la que debe adaptarse para alcanzar el punto de combustión deseado.

En tiempo real, esto se traduce en un reajuste de la energía de la chispa en 100 microsegundos (o 100 millonésimas de segundo). Este ajuste de energía compensa el punto del electrodo donde se inicia la chispa, con el objetivo de mantener el mismo punto de combustión en cada ciclo.

“La medición examina si la chispa se produce en el borde de entrada o en el borde de salida del electrodo, con respecto a la dirección del flujo”, explica Zemann. “Luego, un microprocesador determina la cantidad correcta de energía de la chispa necesaria para lograr el inicio de la combustión deseado, a la vez que evita los puntos calientes en el electrodo que causan inestabilidad en la combustión y acortan la vida útil de la bujía”.

Todo esto supone una diferencia sustancial en los motores de gas, pero no tanto como en los motores de hidrógeno. Si hay una diferencia de un milímetro en el tiempo de recorrido del núcleo de la chispa, se crea un escenario de combustión completamente diferente.

Si la chispa se produce en el borde de salida, este se encuentra más cerca de la mezcla aire/combustible y, por lo tanto, no requiere tanta energía. Por el contrario, si la chispa se origina en el borde de ataque, este se encuentra más lejos y requiere más energía para alcanzar el punto de inicio de la combustión.

Esta nivelación de la secuencia de eventos de combustión ayuda a prevenir fallos de encendido, golpes, etc., pero también evita la acumulación de calor en áreas específicas dentro de la cámara de combustión, otro problema ya que esto puede causar combustión prematura, pérdidas de eficiencia y reducción de potencia de salida.

Utilizando una combinación optimizada de inyección de hidrógeno, control de chispa adaptativo basado en CFD avanzado del proceso de combustión y diseño de bujías, se pueden eliminar las inestabilidades de combustión asociadas con el hidrógeno y se pueden lograr densidades de potencia más altas.

Sin exagerar, Zemann comenta: «Se necesita la mezcla ideal de aire y combustible del inyector, pero al combinarla con este proceso se recupera el 25 % de pérdida de potencia de los motores de hidrógeno anteriores debido a fallos de encendido, a la vez que se elimina el golpeteo del motor. ¡Los resultados son impresionantes, es una revolución!».

Vórtice dinámico de flujo

Si bien la gestión de la energía del evento de chispa es fundamental para obtener un rendimiento similar al del diésel en un motor de combustión interna de hidrógeno, hay otras características que desempeñan un papel importante.

Diagrama de la mezcla de combustible en un vórtice toroidal (Foto: Hoerbiger)

Una de ellas es la formación de un vórtice toroidal. Esta forma de rosquilla, similar a la de un anillo de plasma en el tokomak de un reactor de fusión, facilita la combustión rápida y completa de la mezcla ultrapobre de aire y combustible. Una combustión completa significa que no quedan residuos de combustible que desequilibren la mezcla en la siguiente inyección.

“Por eso hemos optado por una arquitectura de inyección por puerto”, afirma Zemann. “El sistema de puerto facilita el ángulo de difusión correcto y, por lo tanto, la entrega de la dinámica de flujo. No se trata de más energía, sino de la dinámica de flujo”.

Para facilitar esto, hay un deflector metálico en miniatura delante de las válvulas de admisión que ayuda a dirigir la mezcla de aire y combustible y crea un vórtice estable que reduce la variación entre ciclos. Cuando la nueva unidad de encendido llegue al mercado, este deflector estará incorporado al cuerpo del sistema.

La nueva unidad de ignición en desarrollo en Hoerbiger parece haber superado algunos problemas importantes relacionados con el uso del hidrógeno como combustible para motores de combustión interna. Y, a diferencia de las pilas de combustible, que requieren H₂ ultrapuro, se puede utilizar prácticamente cualquier gas hidrógeno. Con el beneficio adicional de la descarbonización, este tipo de tecnologías harán del hidrógeno una propuesta más atractiva en el mercado, cuando este esté listo.