Hoerbiger raggiunge la parità di potenza diesel con il sistema H2

Hardware AdaptH2 (Foto: Hoerbiger)

Nel 2022, l'allora Diesel Progress International riferì dello sviluppo in corso degli iniettori di idrogeno presso Hoerbiger . Bernhard Zemann, responsabile della divisione motori dell'azienda tecnologica globale, afferma che questi sono ancora in fase di sviluppo, ma si sta procedendo verso la produzione in serie.

"È direttamente correlato al mercato", spiega. "Le celle a combustibile sarebbero sempre state le prime ad arrivare sul mercato, ma questa tecnologia non sta soddisfacendo la domanda in termini di mobilità. Non offrono la robustezza richiesta da alcuni settori. Ecco perché continuiamo a sviluppare tecnologie legate ai motori a combustione interna a idrogeno; quando il mercato sarà pronto per questa tecnologia, lo saremo anche noi".

Mentre il lavoro finale sulla tecnologia degli iniettori di H2 sarà presto completato, Hoerbiger e Altronic (membro del gruppo Hoerbiger), in collaborazione con Prometheus Applied Technologies, fornitore di tecnologia per sistemi di combustione dell'idrogeno, stanno ora portando avanti lo sviluppo di una soluzione per l'accensione dell'idrogeno.

Bernhard Zemann (Foto: Hoerbiger)

Pur mantenendo la maggior parte degli altri elementi del motore a combustione interna, inclusi cilindri, monoblocco, ecc., gli iniettori e il sistema di accensione sono fondamentali per sfruttare appieno il potenziale del processo di combustione dell'H₂. Con lo sviluppo di queste unità, Hoerbiger sfrutta la sua esperienza nel settore dei motori a gas per posizionarsi come fornitore specializzato dei componenti chiave, posti sopra la guarnizione del coperchio valvole, che supportano la combustione dell'H₂.

Zemann afferma che l'iniettore di H2 e i sistemi di accensione saranno pronti per il lancio sul mercato contemporaneamente. "C'è sempre stato un dibattito sulla combustione dell'idrogeno, se fosse una soluzione praticabile. Ma ora che questo è stato fatto, sappiamo che è una soluzione valida in grado di fornire la potenza e la decarbonizzazione necessarie per i motori pesanti".

Superare la perdita di potenza

Fin dall'inizio dello sviluppo, era già evidente che sarebbe stato impossibile convertire un motore precedentemente diesel all'utilizzo di idrogeno senza un iniettore dedicato e specializzato. Lo stesso avviene ora con l'accensione a H2, che richiede un sistema progettato specificamente per avviare e controllare la combustione entro le tolleranze molto strette di una miscela di carburante ultra-magra.

"Due anni fa, la domanda era 'qual è il requisito minimo per convertire un motore diesel all'idrogeno' e la risposta era sempre l'iniettore. Era l'unica modifica, in linea di principio tutto il resto poteva essere mantenuto", afferma Zemann.

Sebbene fosse possibile trasferire quei componenti specifici del diesel, Zemann afferma che l'utilizzo dell'idrogeno in una configurazione del genere ha comportato una perdita del 20-30% in termini di densità di potenza ed efficienza. "Era una perdita semplicemente accettata", afferma con rammarico. È stato a questo punto che gli ingegneri di Hoerbiger hanno iniziato a valutare modifiche specifiche al modo in cui l'idrogeno veniva infiammato, con l'obiettivo di raggiungere la parità di potenza ed efficienza con il diesel.

"Abbiamo scoperto che la strategia del sistema di combustione ha un impatto maggiore sulla potenza erogata rispetto alla semplice erogazione di una miscela aria/carburante completamente omogenea proveniente dall'iniettore", spiega Zemann.

Per raggiungere questa parità di potenza tra diesel e idrogeno, gli ingegneri hanno preso in considerazione la tecnologia brevettata dei motori a gas. Sviluppato nel 2022, il processo utilizza un modello di accensione precamera controllato e predittivo per il processo di combustione.

Efficienza del motore grazie alla tecnologia di combustione Prometheus (Foto: Hoerbiger)

Zemann descrive questa tecnologia di combustione come una caratteristica "piacevole da avere" nei motori a gas naturale. Ma con l'idrogeno non è solo una cosa piacevole: diventa fondamentale per raggiungere l'efficienza in termini di consumo di carburante e potenza erogata.

"È così che si ottiene quel 20-30% in densità di potenza ed efficienza", aggiunge. "Ed è così che si ottengono prestazioni paragonabili a quelle di un diesel da un motore a combustione interna a idrogeno."

L'accensione è la chiave

Controllare la variazione del punto di partenza del processo di combustione in ogni ciclo è fondamentale per controllare la stabilità e quindi ottenere la spinta necessaria per erogare potenza ed efficienza equivalenti. Questo perché l'energia del combustibile non è costante durante l'intero processo di combustione: le prestazioni vengono invece determinate durante l'accensione; è l'energia della scintilla che deve essere adattata per raggiungere il punto di combustione desiderato.

In tempo reale, questo si traduce in una regolazione dell'energia della scintilla entro 100 microsecondi, ovvero 100 milionesimi di secondo. Questa regolazione dell'energia compensa il punto sull'elettrodo in cui si innesca la scintilla, con l'obiettivo di mantenere lo stesso punto di combustione in ogni ciclo.

"La misurazione verifica se la scintilla si trova sul bordo di attacco o di uscita dell'elettrodo, in base alla direzione del flusso", spiega Zemann. "Quindi un microprocessore determina la corretta quantità di energia necessaria per ottenere l'avvio della combustione desiderato, evitando al contempo punti caldi sull'elettrodo che causano instabilità nella combustione e una minore durata della candela."

Tutto ciò fa una differenza sostanziale nei motori a gas, ma non così grande come nei motori a idrogeno. Se c'è una differenza di un millimetro nel tempo di percorrenza del nucleo di scintilla, si crea uno scenario di combustione completamente diverso.

Se la scintilla si verifica sul bordo di uscita, questo è più vicino alla miscela aria/carburante e quindi non richiede molta energia. Al contrario, se la scintilla si verifica sul bordo di attacco, questo è più lontano e richiede più energia per raggiungere il punto di inizio della combustione.

Questo livellamento della sequenza degli eventi di combustione aiuta a prevenire mancate accensioni, battiti in testa, ecc., ma impedisce anche l'accumulo di calore in aree specifiche all'interno della camera di combustione, un altro problema poiché può causare una combustione prematura, perdite di efficienza e riduzione della potenza in uscita.

Utilizzando una combinazione ottimizzata di iniezione di idrogeno, controllo adattivo della scintilla basato su CFD avanzato del processo di combustione e progettazione della candela, è possibile eliminare le instabilità della combustione associate all'idrogeno e ottenere densità di potenza più elevate.

Senza alcuna iperbole, Zemann commenta: "È necessario che l'iniettore fornisca la miscela aria/carburante ideale, ma combinandola con questo processo si recupera il 25% di perdita di potenza dei precedenti motori a idrogeno dovuta alle mancate accensioni, eliminando al contempo il battito in testa. I risultati sono strabilianti, è una rivoluzione!"

Vortice dinamico del flusso

Sebbene la gestione dell'energia della scintilla sia fondamentale per ottenere prestazioni simili a quelle di un diesel da un motore a combustione interna a idrogeno, vi sono altre caratteristiche che svolgono un ruolo significativo.

Diagramma della miscela di carburante nel vortice toroidale (Foto: Hoerbiger)

Una di queste è la formazione di un vortice toroidale. Questa forma a ciambella, non dissimile da quella di un anello di plasma nel tokomak di un reattore a fusione, favorisce una combustione rapida e completa della miscela aria/carburante estremamente povera. Una combustione completa significa che non vi sono residui di carburante che possano sbilanciare la miscela nella successiva iniezione.

"Per questo abbiamo optato per un'architettura a iniezione con porta", afferma Zemann. "Il sistema di porte supporta il corretto angolo di diffusione e quindi la trasmissione della dinamica del flusso. Non si tratta di una questione di maggiore energia, ma di dinamica del flusso."

Per raggiungere questo obiettivo, è presente un deflettore metallico in miniatura a monte delle valvole di aspirazione che contribuisce a dirigere la miscela aria/carburante e a creare un vortice stabile che riduce le variazioni da un ciclo all'altro. Quando la nuova unità di accensione verrà immessa sul mercato, questo deflettore sarà incorporato nel corpo del sistema.

La nuova unità di accensione in fase di sviluppo presso Hoerbiger sembra aver superato alcune problematiche significative legate all'utilizzo dell'idrogeno come combustibile per i motori a combustione interna. E, a differenza delle celle a combustibile che richiedono H₂ ultrapuro, è possibile utilizzare praticamente qualsiasi gas idrogeno. Grazie all'ulteriore vantaggio della decarbonizzazione, queste tecnologie renderanno l'idrogeno una proposta più interessante sul mercato, quando questo sarà pronto.