Hoerbiger atinge paridade de potência diesel com sistema H2

Hardware AdaptH2 (Foto: Hoerbiger)

Em 2022, a então Diesel Progress International relatou o desenvolvimento contínuo de injetores de combustível de hidrogênio na Hoerbiger . Bernhard Zemann, chefe da Unidade de Negócios de Motores da empresa global de tecnologia, afirma que eles ainda estão em desenvolvimento, mas caminhando para a produção em série.

“Está diretamente relacionado ao mercado”, explica ele. “As células de combustível sempre foram as primeiras a entrar no mercado, mas essa tecnologia não está atendendo à demanda em termos de mobilidade. [Elas] não oferecem a robustez necessária para alguns setores. É por isso que continuamos a desenvolver tecnologia relacionada a motores de combustão interna a hidrogênio; quando o mercado estiver pronto para essa tecnologia, nós também estaremos.”

Embora o trabalho final na tecnologia do injetor de H2 seja concluído em breve, a Hoerbiger e a Altronic (membro do Hoerbiger Group), em cooperação com a Prometheus Applied Technologies, fornecedora de tecnologia de sistema de combustão de hidrogênio, estão agora avançando no desenvolvimento de uma solução para ignição de hidrogênio.

Bernhard Zemann (Foto: Hoerbiger)

Com a maioria dos outros elementos do motor de combustão interna sendo transportados, incluindo os cilindros, o bloco do motor, etc., são os injetores e o sistema de ignição que são essenciais para atingir com sucesso todo o potencial do processo de combustão de H2. Com o desenvolvimento dessas unidades, a Hoerbiger está alavancando sua expertise em energia a gás para se posicionar como fornecedora especializada dos principais componentes acima da junta da tampa de válvulas que suportam a combustão de H2.

Zemann afirma que os sistemas de injeção e ignição de H2 estarão prontos para lançamento no mercado ao mesmo tempo. "Sempre houve o debate sobre a combustão de hidrogênio, se seria uma solução viável. Mas agora que isso foi feito, sabemos que é uma solução válida que pode fornecer potência e descarbonização para motores pesados."

Superando a perda de potência

Desde o início do desenvolvimento, já era evidente que seria impossível converter um motor a diesel para hidrogênio sem um injetor dedicado e especializado. O mesmo está sendo observado agora com a ignição por H2, que requer um sistema projetado especificamente para iniciar e controlar a combustão dentro das tolerâncias extremamente rigorosas da mistura de combustível ultrapobre.

"Dois anos atrás, a pergunta era 'qual o requisito mínimo para converter um motor a diesel para hidrogênio', e a resposta sempre foi o injetor. Era a única mudança; em princípio, todo o resto poderia ser mantido", diz Zemann.

Mas, embora fosse possível manter esses componentes específicos do diesel, Zemann afirma que o uso de hidrogênio nessa configuração resultou em uma perda de 20 a 30% na densidade de potência e na eficiência. "Era apenas uma perda aceita", lamenta. Foi nesse ponto que os engenheiros da Hoerbiger começaram a considerar mudanças específicas na forma como o combustível de hidrogênio era acionado, com o objetivo de atingir a paridade de potência e eficiência com o diesel.

“Descobrimos que a estratégia do sistema de combustão tem um impacto maior na potência de saída do que até mesmo o fornecimento de uma mistura ar/combustível totalmente homogênea proveniente do injetor”, explica Zemann.

Para atingir essa paridade de potência entre diesel e hidrogênio, os engenheiros analisaram a tecnologia patenteada de motores a combustível gasoso. Desenvolvido em 2022, o processo utiliza um modelo de ignição pré-câmara controlado e preditivo para o processo de combustão.

Eficiência do motor usando a tecnologia de combustão Prometheus (Foto: Hoerbiger)

Zemann descreve essa tecnologia de combustão como um recurso "bom de se ter" em motores a gás natural. Mas, com o hidrogênio, não é apenas algo bom de se ter – torna-se crucial para alcançar a eficiência no uso de combustível e na produção de energia.

“É assim que você recupera aqueles 20 a 30% em densidade de potência e eficiência”, acrescenta. “E é assim que você obtém desempenho comparável ao de um motor a diesel a partir de um motor de combustão a hidrogênio.”

A ignição é a chave

Controlar a variação no ponto inicial do processo de combustão ao longo de cada ciclo é a chave para controlar a estabilidade e, assim, alcançar o avanço necessário para fornecer potência e eficiência equivalentes. Isso ocorre porque a energia do combustível não é constante ao longo do processo de combustão – em vez disso, o desempenho é determinado durante o evento da faísca; é a energia da faísca que deve ser adaptada para atingir o ponto de combustão desejado.

Em tempo real, isso se traduz em um reajuste da energia da faísca em 100 microssegundos – ou 100 milionésimos de segundo. Esse ajuste de energia compensa o ponto no eletrodo onde a faísca se inicia, com o objetivo de manter o mesmo ponto de combustão em cada ciclo.

“A medição verifica se a faísca está na borda de ataque ou na borda de fuga do eletrodo, em relação à direção do fluxo”, explica Zemann. “Em seguida, um microprocessador determina a quantidade correta de energia da faísca necessária para atingir o início de combustão desejado, evitando pontos quentes no eletrodo, que causam instabilidades na combustão e reduzem a vida útil da vela de ignição.

Tudo isso faz uma diferença substancial nos motores a gás, mas não tanto quanto nos motores a hidrogênio. Se houver uma diferença de um milímetro no tempo de deslocamento do núcleo da faísca, isso cria um cenário de combustão completamente diferente.

Se a faísca ocorrer na borda de fuga, ela estará mais próxima da mistura ar/combustível e, portanto, não exigirá tanta energia. Por outro lado, se a faísca ocorrer na borda de ataque, ela estará mais distante e exigirá mais energia para atingir o ponto inicial de combustão.

Essa nivelação da sequência de eventos de combustão ajuda a evitar falhas de ignição, detonações, etc., mas também evita o acúmulo de calor em áreas específicas dentro da câmara de combustão, outro problema, pois isso pode causar combustão prematura, perdas de eficiência e redução de potência de saída.

Usando uma combinação otimizada de injeção de hidrogênio, controle de faísca adaptável baseado em CFD avançado do processo de combustão e design de vela de ignição, as instabilidades de combustão associadas ao hidrogênio podem ser eliminadas e maiores densidades de potência podem ser alcançadas.

Sem exageros, Zemann comenta: “Você precisa da mistura ideal de ar/combustível vinda do injetor, mas a combinação disso com esse processo recupera a perda de potência de 25% dos motores a hidrogênio anteriores devido a falhas de ignição, eliminando a detonação do motor. Os resultados são impressionantes, é uma revolução!”

Vórtice dinâmico de fluxo

Embora o gerenciamento da energia do evento de faísca seja essencial para obter esse desempenho semelhante ao diesel de um motor de combustão interna a hidrogênio, há outros recursos que desempenham um papel significativo.

Diagrama da mistura de combustível em vórtice toroidal (Foto: Hoerbiger)

Uma delas é a formação de um vórtice toroidal. Esse formato de rosca, semelhante ao de um anel de plasma no tokomak de um reator de fusão, permite a combustão rápida e completa da mistura ar/combustível ultrapobre. A combustão completa significa que não há resíduos de combustível para desequilibrar a mistura na próxima injeção.

“É por isso que optamos por uma arquitetura de injeção por porta”, diz Zemann. “O sistema de portas suporta o ângulo de difusão correto e, portanto, a entrega da dinâmica do fluxo. Não se trata de mais energia, mas sim da dinâmica do fluxo.”

Para ajudar a alcançar esse objetivo, há um defletor metálico em miniatura instalado à frente das válvulas de admissão, que ajuda a direcionar a mistura ar/combustível e a criar um vórtice estável, reduzindo a variação entre ciclos. Quando a nova unidade de ignição chegar ao mercado, esse defletor estará incorporado ao corpo do sistema.

A nova unidade de ignição em desenvolvimento na Hoerbiger parece ter superado alguns problemas significativos com o uso de hidrogênio como combustível para motores de combustão interna. E, ao contrário das células de combustível que exigem H₂ ultrapuro, praticamente qualquer gás hidrogênio pode ser usado. Com o benefício adicional da descarbonização, esses tipos de tecnologias tornarão o hidrogênio uma proposta mais atraente no mercado – quando este estiver pronto.