Instituto Tecnológico de Chihuahua

USO DE HIDROGENO EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA.

Jorge Armando Fierro Rodríguez

Erick Omar Martínez Torres

Manuel Alejandro Hernández Gutiérrez

Índice.

Introducción…………………………………………………………………...…….1

Marco Teórico……………………………………………………………………….2

Motor Wankel

Motor de cuatro tiempos…………………………………………………...4

Funcionamiento de un motor de hidrogeno…………………………….8

Formación del hidrogeno………………………………………………….9

Ventajas de los motores de hidrogeno…………………………………10

Inconvenientes de los motores de hidrogeno

Primeros automóviles de motor de hidrogeno………………...……...11

Planteamiento

Preguntas………………………………………………………………………….12

Hipótesis

Objetivo General

Objetivos Específicos…………………………………………………………….13

Justificación

Delimitación

Impactos…………………………………………………………………………...14

Ambiental, Económico, Social, Tecnológico

Metodología……………………………………………………………………….15

Cronograma de Actividades…………………………………………………….16

Aseguramiento Técnico…………………………………………………………17

Fuentes de Información

Introducción.

Cuando nos referimos a un auto ecológico siempre se ha pensado en

vehículos eléctricos que obtienen su energía de baterías, pero se necesitan

conectar a la corriente lo que provoca un elevado recibo en el consumo de

energía. Los autos ecológicos son vehículos relativamente nuevos, por lo

tanto su costo es alto con relación a un vehículo con motor de combustión

interna. Las nuevas tecnologías están ya en marcha pero se necesita hacer

algo de inmediato.

Como poder usar los sistemas de combustión que tienen los autos que se

encuentran circulando por las calles. Existen docenas de alternativas para

poder movernos de una manera ecológica, la opción que nosotros

proponemos es un proyecto que tiene como fin modificar un motor de

combustión para que este pueda utilizar hidrogeno.

Marco Teórico.

Motor de hidrógeno (2008), nos dice que existen dos tipos básicos de motor

de combustión que emplean hidrógeno como combustible. El primero y más

importante es el motor de combustión de hidrógeno de cuatro tiempos, que

es en esencia un motor típico de combustión interna, y el segundo se trata

del motor Wankel.

Motor Wankel.

Este tipo de motor rotativo parece dar

buenos resultados al emplear hidrógeno

como combustible, según lo atestiguan

ensayos realizados con dinamómetro y una

vez resueltos los problemas que presentaba

en lo que a estanqueidad se refiere. Estos

buenos resultados se deben a la

configuración de este motor, el cual

minimiza las dificultades de combustión que

se dan en otros tipos de motores. El motor rotativo no suele dar problemas

de auto encendido pues, tal y como se puede apreciar en la fotografía del

motor, la cámara de combustión presenta una geometría adecuada para la

combustión del hidrógeno, o sea, presenta una relación volumen/superficie

muy elevada. De todos modos, suponiendo que los gases de escape fueran

responsables del auto encendido, tampoco plantearían problemas en el

motor Wankel ya que, cuando los gases frescos entran, la cámara ya se

encuentra vacía y los gases de escape se encuentran lejos.

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En el motor Wankel es posible el aprovechamiento de la alta temperatura de

ignición del hidrógeno. Se está investigando la posibilidad de incluir agua

pulverizada en la mezcla de entrada, la cual se evapora al quemarse el

hidrógeno llegando a ejercer presiones muy altas de forma elástica, a

diferencia de lo que ocurre en el pistón, en el cual se da una detonación.

Actualmente se está tratando de conseguir que la mayor parte de la potencia

se deba a la acción del vapor de agua y no al hidrógeno.

Otra ventaja más de este motor radica en su relación potencia/peso, este

motor desarrolla una alta potencia en comparación con su tamaño lo que

permite tener un sistema motriz de alta potencia sin emisiones y de reducido

tamaño. La compañía Reg Technologies ha conseguido una relación

potencia/peso cerca de los 0,34 kg por caballo de potencia, una cantidad

ínfima comparada con los 2,72 kg/CV que presenta el motor de émbolo.

No obstante, el motor Wankel no está libre de defectos pues presenta un

problema en lo que a lubricación se refiere. El aceite empleado en la

lubricación de los sellos se encuentra en contacto con la mezcla de

combustible y aire, con lo que, al producirse la combustión, no sólo se

quemará el hidrógeno sino que además lo hará el aceite. En realidad este

hecho constituye dos problemas, el primero es la desaparición del lubricante

con lo que el consumo del mismo aumentará, mientras que el segundo

afectará a las emisiones del motor. El aceite, al ser quemado, producirá CO2

además de otros contaminantes como pueden ser los sulfuros, NOx, etc. Lo

cual ha provocado que los automóviles con motor rotativo no lleguen a ser

considerados Z. E. V., es decir, de emisión cero. Además esta clase de

motor no posee la característica de los motores de pistón de actuar como

freno, comúnmente llamado freno motor.

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Otro problema, que aún hoy no ha sido resuelto del todo, es el denominado

dieseling. El dieseling se produce a causa de la precisión del punto de

combustión pues, en caso de retrasarse un poco, puede ocurrir que la

combustión comience antes de que el rotor gire por sí mismo. En este caso,

que se suele dar cuando la velocidad es baja, la explosión empuja al rotor en

sentido contrario al ciclo de rotación y cabe esperar daños en el motor.

A pesar de todo, la compañía Mazda ha desarrollado varios modelos de

coche que cuentan con este tipo de motor desde los años 70 y que, según la

propia compañía, ofrecen unas prestaciones casi iguales que la de los

motores de cuatro tiempos convencionales. No obstante, en la década de los

70 la tecnología no estaba lo suficientemente desarrollada como para que los

motores Wankel fuesen equiparables a los de pistón. Durante estos años la

compañía japonesa ha adaptado algunos modelos de forma que empleen

hidrógeno como combustible. Dichos modelos son el HR-X1, HR-X2, y el

MX5.

Motor de cuatro tiempos

El diseño de este motor es básicamente el

mismo que el de un motor a gasolina, es

decir, un motor que sigue el ciclo Otto, con

sus pistones, válvulas y demás sistemas. Esta

clase de motores permiten aprovechar las

especiales características que presenta el

hidrógeno como combustible, a saber:

Alto número de octanos efectivo.

Ninguna toxicidad y no llega a formar ozono.

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Alta velocidad de llama en flujo laminar.

Por esto, con un adecuado diseño podemos conseguir un motor con

un rendimiento energético mayor que el equivalente en gasolina y

totalmente ecológico. El alto número de octanos permite elevar la

relación de compresión que redundará en un aumento del rendimiento

energético, mientras que la alta velocidad de llama en flujo laminar

contribuye a la reducción de las emisiones de NOx, pues es posible

emplear adosados muy bajos, tan bajos que han llegado al 0,2.

Gracias a esta posibilidad se puede aumentar también el rendimiento.

Con todo esto se han conseguido aumentos del rendimiento del 25-

30% con respecto a los motores equivalentes en gasolina.

El motor de hidrógeno se ha convertido en una de las alternativas más

comentadas para los nuevos vehículos no contaminantes. El hidrógeno

posee más potencia en relación energía/peso que cualquier otro combustible,

y además produce poca o ninguna contaminación, ya que sólo libera vapor

de agua en su combustión.

Casi todos los grandes fabricantes están trabajando en nuevos modelos que

incluyen motor de hidrógeno (Honda FCX, BMW 745H, Nissan X-Trail FCV,

Toyota High Lander FCHV, Opel Zafira Hydrogen 3 o Mercedes Clase B Fuel

Cell).

La mayoría de ellos siguen un esquema similar. El motor eléctrico situado

debajo del capó, recibe la alimentación desde las células de combustible,

que generan electricidad al mezclar el hidrógeno que contiene el depósito de

combustible y el oxígeno del aire. El único residuo que genera esta reacción

es vapor de agua.

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Una celda o célula de combustible es un generador que se basa en procesos

químicos para producir energía al combinar el hidrógeno y el oxígeno. La

célula de combustible produce corriente eléctrica como una batería, pero al

contrario que ésta, nunca se descarga mientras se disponga de combustible

en el depósito de hidrógeno. Una célula de combustible es silenciosa, limpia

y eficiente, por lo que nos olvidaremos para siempre de los ruidos del motor.

Un vehículo de hidrógeno

(Wikipedia 2012) es un

vehículo de combustible

alternativo que utiliza

hidrógeno diatómico como

su fuente primaria de

energía para propulsarse.

Estos vehículos utilizan

generalmente el hidrógeno

en uno de estos dos

métodos: combustión o

conversión de pila de combustible. En la combustión, el hidrógeno se quema

en un motor de explosión, de la misma forma que la gasolina. En la

conversión de pila de combustible, el hidrógeno se convierte en electricidad a

través de pilas de combustible que mueven motores eléctricos de esta

manera, la pila de combustible funciona como una especie de batería.

El vehículo con pila de combustible se considera un vehículo de cero

emisiones porque el único subproducto del hidrógeno consumido es el agua,

que adicionalmente puede también mover una micro-turbina.

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Hoy en día (enero 2010) Honda, es la única firma que ha obtenido la

homologación para comercializar su vehículo impulsado por este sistema, el

FCX Clarity, en Japón y Estados Unidos. El FCX Clarity empezó a

comercializarse en Estados Unidos en julio de 2008 y en Japón en

noviembre del mismo año. De momento, la compañía no ha anunciado

planes de comercializarlo en Europa, aunque sí se sabe que en el centro de

Honda en Alemania ya trabajan con él.

El Rincón del Vago, (en Salamanca 1998) Actualmente, la cuestión

medioambiental es un asunto que preocupa a todos. En Europa hay 400

coches por cada mil personas, y se estima que esta cantidad seguirá

subiendo al ritmo de nuestra sociedad y el consumo de un millón de litros de

gasolina supone la emisión de 2.4 millones de kilos de dióxido de carbono a

la atmósfera. Son datos que explican la importancia de hallar un carburante

que perjudique menos el entorno y la salud de nosotros mismos. Esta gran

cantidad de contaminación me llamó la atención y me hizo reflexionar cuando

aparecieron los motores que funcionan con hidrógeno. Es por ese motivo que

he decidido hacer mi trabajo sobre estos motores.

Existen normativas medioambientales cada vez más estrictas con todo este

lento asunto, pero el agotamiento de las reservas de petróleo parece

impulsar a la industria a optar por energías alternativas antes que a las

combustibles fósiles convencionales. Al hidrógeno le espera convertirse en

una de estas opciones de futuro para un planeta que tiene un consumo de

energía imparable.

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FUNCIONAMENTO DE UN MOTOR DE HIDRÓGENO:

La pila de combustible es el elemento fundamental de un vehículo de

hidrógeno, pues se trata del elemento de almacenamiento y transporte de la

energía limpia de estos motores que no emiten ningún tipo de residuo ni gas

contaminante.

Una pila de combustible es un elemento que funciona muy similar a como

puede funcionar una batería, con la diferencia de que no se termina ni se

recarga ya que (mediante un proceso de combustión fría) convierte la

energía química que posee un combustible en energía eléctrica útil, sin la

necesidad de pasar por un proceso de combustión.

Estas pilas están formadas por dos electrodos (que permiten el paso de una

corriente eléctrica) que se encuentran separados por un electrólito (hecho de

un material que puede ser descompuesto cuando actúa sobre él una

corriente eléctrica).

- Los electrodos extraen los electrones de hidrógeno para convertirlos en

electricidad cuando el hidrógeno fluye hacia el ánodo, donde un catalizador

facilita la separación de protones y electrones.

- Los protones atraviesan una membrana electrolítica para combinarse con el

oxígeno, y los electrones se sitúan al lado del cátodo formando así un circuito

externo ánodo-cátodo que alimenta los dispositivos eléctricos.

- La reacción de hidrógeno con oxígeno que da el resultado de agua pura

más energía.

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Actualmente, las pilas de combustible consiguen una buena eficacia que

permite obtener 2kW por litro o por kilo de combustible. Esto se logra

conectando una serie de hasta 200 células simples (de 1 voltio cada una)

que transforman las variaciones de presión en variaciones de intensidad de

corriente que logra esta potencia que se inyecta en el rotor.

La tecnología de la pila ha tenido ciertos avances significativos los últimos

años, y algunos fabricantes de automóviles ya han empezado a ensañar esta

tecnología en la fabricación de vehículos experimentales o con fuente de

energía alternativa. No obstante, estos aun son demasiado pesados,

costosos y el gran volumen de la propia pila de combustible.

FORMACIÓN DEL HIDRÓGENO:

Las centrales de hidrógeno pueden llegar a obtener hidrógeno electrificando

el agua con energía eléctrica renovable (de los campos eólicos o colectores

solares). Es cierto que obtenerlo por electrólisis es menos eficaz, pero una

vez comprimido y almacenado en el vehículo, este hidrógeno superara el

75% de rendimiento, mientras que si se extrae del metano, el rendimiento

inicial es más elevado pero, en global y valorando todo el proceso, se situará

alrededor del 48-60%.

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VENTAJAS DE LOS MOTOTRES DE HIDRÓGENO:

- Los motores de combustión tienen un rendimiento mediano del 30%,

mientras que los motores de hidrógeno tienen una mediana del 55%. Este

aspecto los hace equiparables a un automóvil convencional.

- El consumo y mantenimiento es inferior a cualquier otro tipo de coche.

- Como ya he dicho, al utilizar una energía limpia, se permite reducir los

gases que producen el efecto invernadero y diversificar las fuentes de

producción de electricidad.

INCONVENIENTES DE LOS MOTORES DE HIDRÓGENO:

- El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza, se ha de utilizar

energía para obtenerlo tal y como he explicado anteriormente. Este proceso

sufre la insuficiencia de infraestructuras para el abastecimiento de hidrógeno.

- La pila de combustible instalada en el coche tiene un gran peso.

- Su almacenamiento es en unos depósitos que lleva el coche a muy alta

presión,13 y al ser el hidrógeno muy inflamable y de llama invisible, puede

llegar a ser peligroso.

- No está demostrada la fiabilidad de todos los elementos.

- Elevado costo de producción. Valen aproximadamente un 30% más que un

coche de gasolina o diesel de prestaciones parecidas.

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PRIMEROS AUTOMÓVILES DE MOTOR DE HIDRÓGENO:

En 1807 el ingeniero franco-suizo François Isaac de Rivas logró al fin

patentar un motor que, a diferencia de los existentes hasta entonces,

funcionaba por combustión interna usando como combustible el hidrogeno.

Desde el 2003, la flota de autobuses de Barcelona cuenta con tres autobuses

con pila de hidrógeno que han recorrido más de 38 000 km en sus trayectos

de prueba y con muy buena aceptación por parte de los usuarios. De esta

manera, y con la incorporación de más autobuses de este tipo el 2008,

nuestra ciudad es pionera en la incorporación de vehículos propulsados por

energías limpias (también cuentan con 162 vehículos que funcionan con gas

natural y 15 que funcionan con biodiesel).

Planteamiento

Desde los años setentas las grandes empresas automotoras han buscado

crear un motor eficiente para el ahorro de combustible, esto a causa de las

crisis petroleras que se vivieron en aquellos años. Más recientemente se

promulgaron leyes para el control de emisiones lo que llevo a diseñar

motores más limpios. Hoy en día existen motores sumamente eficientes,

pero siguen siendo dependientes de los combustibles fósiles, y continúan

generando emisiones toxicas para la atmosfera.

El uso de combustibles alternos busca reducir aun más los contaminantes

que emiten los vehículos, pero también se busca abaratar la energía. Uno de

estos combustibles el hidrogeno. Este elemento es el más abundante en la

atmosfera y cuando se consume solo libera gases inofensivos tales como el

vapor de agua. Sin embargo el uso del hidrogeno es bastante restringido ya

que las grandes petroleras ven como amenaza directa a sus ingresos.

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Los motores actuales son capaces de utilizar el hidrogeno, pero aun existen

problema. Se requiere modificar los motores para que su uso sea seguro

teniendo en cuenta que el hidrogeno es muy explosivo. También existe el

problema del suministro de el hidrogeno al contenedor del vehículo ya que

los sistemas actuales que utilizan derivados del petróleo no pueden soportar

la presión ni la temperatura del hidrogeno.

Preguntas.

¿Qué se necesita para transformar un motor de gasolina a uno de

hidrogeno?

¿Qué problemas pueden causarle al motor a largo plazo?

¿Es costeable el uso del hidrogeno en los motores a gasolina?

¿Se puede poner un sistema de alimentación que tome hidrogeno a

partir de la electrolisis?

Hipótesis

El motor de gasolina funcionara si se le suministra solamente hidrogeno

como combustible.

Objetivo general.

Conseguir el funcionamiento optimo de un motor a gasolina

exclusivamente con hidrogeno como su combustible.

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Objetivos específicos.

Conocer las piezas de un motor a hidrogeno y verificar cuales se

tienen que cambiar o modificar en un motor a gasolina.

Conocer la corrosión que provocan los gases que emanan a partir de

la combustión del hidrogeno.

Idear diferentes maneras para la obtención y almacenamiento del

hidrogeno.

Investigar los costos del hidrogeno y de la gasolina para una posterior

comparación.

Conocer el funcionamiento de los sistemas de electrolisis.

Conocer el flujo necesario de hidrogeno que necesita el motor y si un

sistema de electrolisis nos lo puede proporcionar.

Justificación.

Se eligió este tema ya que los costos del combustible fósil han ido

aumentando de forma alarmante y las petroleras al ver como amenaza otros

tipos de obtención de energía, optan por comprar las patentes y así eliminar

cualquier amenaza en contra de su compañía.

Delimitación.

Se quiere implementar sistemas de conversión de motores de gasolina a

motores de hidrogeno a dos automóviles: uno con sistema de inyección de

combustible y el otro con carburador. Esto debe lograrse en un periodo que

no rebase 6 meses a partir del inicio de la investigación.

Impactos.

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Ambiental.

Se reduce en gran medida el uso de combustibles fósiles. Con esto se

prevé una disminución drástica de emanaciones de gases tóxicos a la

atmosfera.

Económico.

Los costos por transporte mostraran grandes reducciones por el uso

de estos sistemas.

Social.

Se eliminara gran parte de la dependencia del petróleo.

No se necesitara adquirir un nuevo vehículo, generando ahorros a las

familias.

Tecnológico.

El proyecto seria la punta de lanza para proyectos mas ambicioso.

Metodología.14

Selección del tema.

Planteamiento del problema con puntos específicos.

Redacción de objetivos (generales y específicos).

Incógnitas de por que realizar esta investigación.

Búsqueda de artículos y documentos relacionados con el tema.

Rango de tiempo.

Tipos de impactos realizados con la investigación.

Realización de cronograma de actividades.

Tipo de herramientas y materiales a necesitar.

Obtención de páginas de información.

Primeramente se selecciono un tema entorno a la carrera y relacionado con

energías limpias, esto para obtener un mejor enfoque hacia el futuro y hacer

de este algo mejor para nuestros sucesores.

Se planteo el problema sobre este tema tomando en cuenta la importancia y

los aspectos sobre este problema; se enuncio el problema y se formularon

preguntas para saber a que nos íbamos a enfrentar. Con esto llegamos a

realizar los objetivos de la investigación para así tener un propósito más en

claro en esta investigación.

Después nos preguntamos por que queríamos realizar esta investigación y a

que queríamos llegar con ella, con esto surgió una incógnita con la hipótesis.

Gracias a esto en el marco teórico realizamos una búsqueda considerable de

artículos y documentos para apoyarnos en nuestra investigación.

Marcamos nuestras delimitaciones en un rango de tiempo no muy extenso.

Checamos impactos (resultados) de nuestro trabajo de investigación en el

ámbito social, ambiental, económico y tecnológico; también nos dimos a la

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tarea de realizar un cronograma de actividades de acuerdo al plazo

acordado.

Obtendremos la mayor cantidad de información, para luego determinar el

material que va a ser necesitado para realizar las pruebas.

Por ultimo las páginas investigadas en la red se encuentran en la sección de

fuentes de información.

Cronograma De Actividades.

Actividad Febrero Marzo Abril Mayo Junio1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Definición

Hipótesis

Inv. Doc.

Marco Teórico

Inv. De Campo

Comp. Hip.

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Aseguramiento Técnico

Se necesitara algunos elementos los cuales son:

Un equipo de técnicos especializados en motores de combustión

interna

Un motor con carburador

Un motor con inyección de combustible

Un taller de mecánica donde se puedan hacer las modificaciones y las

pruebas, este debe estar debidamente ventilado para evitar

accidentes por fugas de hidrogeno

Fuentes de información.

http://www.motordehidrogeno.net/que-es-el-motor-de-hidrogeno

http://es.wikipedia.org/wiki/Veh%C3%ADculo_de_hidr%C3%B3geno

http://www.google.com.mx/search?

q=motor+de+hidrogeno&hl=es&prmd=imvns&tbm=isch&tbo=u&source=univ&

sa=X&ei=a43CT6SPBOjc2QWAzfF_&ved=0CFwQsAQ&biw=1280&bih=675

http://html.rincondelvago.com/motores-de-hidrogeno.html

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