Posibilidades de acondicionamiento y fabricación de motores de combustión interna que utilicen como combustible hidrógeno líquido (LH2), para el uso en tractores, cosechadoras y, en general, máquinas autopropulsadas.
¿Puede ser posible la transformación (fabricación) de un motor de combustión interna diésel para uso de hidrógeno líquido (LH2), modificando mecanismos, que permitan el uso de este combustible, en tractores, máquinas agrícolas, de obras y embarcaciones? Recientemente, la compañía Ford Motor, Troy-Michigan ha patentado un motor de combustión interna, cuyo combustible es el LH2. Toyota también está en proceso de ensayo.
Motor desarrollado por Toyota que utiliza el hidrógeno como combustible.
Preámbulo
En automóviles, ya se han incorporado algunas soluciones desarrollando sistemas mixtos: los llamados ‘híbridos’, con la incorporación de motor gasolina/motor eléctrico, alimentado con pila eléctrica, que recarga el motor, interconectándose con el motor a gasolina, según precisen las necesidades de tracción (mayor par). El motor eléctrico propulsa el vehículo, mientras el de gasolina sólo entra en dos situaciones específicas de tracción del automóvil: cuando el sistema informático detecta una disminución del par de tiro preestablecido: batería al 20% corta carga y batería al +80%, también, cuando el sensor alerta que el vehículo requiere mayor par. Los dos valores son controlados entre mínimos y máximos permisibles.
Los motores diésel de combustión interna, respecto a los diésel, ofrecen por diseño, un alto par de torsión a velocidades, de a 2000/2100 rev/min. próximo a dos veces más que un motor eléctrico de la misma potencia (a 6000 rev/min), dispondría de menor o ninguna elasticidad positiva, en situaciones de sobrecargas. El motor de combustión interna ofrece par creciente, hasta un máximo 20% progresivo, entre 2100 y 1500 rev/min, cuando su régimen disminuye, ante distinta tenacidad de las tierras, sin cambiar a una velocidad inferior: un motor eléctrico, ante el descenso de revoluciones por minuto, el par descendería y obligaría al conductor a sincronizar una marcha de avance inferior, con excesiva frecuencia, salvo que los cambios se realizaran automáticamente por el sistema informático.
Hecha esta reflexión, parecerían poco aconsejables los motores eléctricos como generadores de un par, a velocidades moderadas del motor, muy útil, en trabajos de tracción de aperos, una de las actividades principales en trabajos agrícolas.
Combustible hidrógeno líquido (LH2)
Analizaremos las posibilidades, por comparación (motores 2 tiempos) que permitieran la reconversión, sustituyendo el uso del gasóleo por hidrógeno líquido (LH2).
Relación comparativa, de viabilidad, sobre datos estudio
Combustible: HIDRÓGENO LÍQUIDO
| Motores (ciclo dos tiempos) |
GM 4-71 Diesel |
Detroit 4-71 (LH29) |
| Cilindros / Cilindrada (nº / cm3) |
4 / 4.650 |
4 / 4.650 |
| Diámetro/recorrido (mm) |
114/127 |
105/127 |
| Régimen nominal (rev/min) |
2.000 |
2.100 |
| Potencia a rég. nominal (CV) |
110 |
110** / 140* |
| Par motor a rég. nominal (kg) |
39,4 |
47,75 |
| Kcal gasoleo/Hidrógeno (LH2) |
10.500 |
28.860 |
| Rendimiento mec. (motor 2 tiempos) (%) |
71 |
71 |
| Pres. a Vel, inicio/final carrera (kg/cm2) |
30/60 |
230/60 |
| Vol. aire impulsado, soplador Roots (%) |
80 |
80 |
| Relación compresión |
1 / 16 |
1 / 16 |
| Temperatura de ignición (ºC) |
257 |
571 |
| Avance de la inyección -º antes PMS |
12º/2º |
* (=) |
| Densidad de gasóleo / LH2 |
0,84 |
0,70 |
| Consumo combustible (L/h) |
22,57 |
17,74 |
| CV / Litro |
4,884 |
6,20 |
| mm3 embolada |
47,02 |
35,20 |
* A determinar, mediante ensayo en el dinamómetro
** En el supuesto de una transformación de un motor diésel en servicio
Ante el consumo de hidrógeno liquido, habrá de reajustar el avance de la inyección, antes del PMS (punto muerto superior), de acuerdo con la distinta temperatura y velocidad de ignición, entre gasoil 705ºC e hidrógeno 600ºC, para evitar detonaciones peligrosas, no deseadas.
- Rtº Mec. 71% (1-inyec; vuelta) *Motor 2 tiempos
- Rtº Mec. 35% (2 inyec;vuelta) **Motor 4 tiempos
Si se validaran los motores de dos tiempos, modernos, Detroit Diesel, Serie 71, los inyectores/bomba, se podrían instalar los de sincronización electrónica) disponibles en mercado, por la compañía Robert Bosch.
Depósito de hidrógeno líquido especial
La empresa Salzburger Aluminium (SAG) está especializada en la fabricación de depósitos de hidrógeno líquido (LH2) a 700 bar de presión ‘icriónicos’ de doble pared, para camiones, ensayados para soportar caídas desde una altura de 10 metros en caso de vuelco de camión. Tienen prevista la fabricación en serie para el año 2025 y permiten una autonomía de unos 500 km.
En el supuesto de ser posible la recomposición física del motor Detroit Diesel Series 71 y, confirmada su viabilidad ensayado en el dinamómetro, sería posible el uso de LH2 para su aplicación en tractores agrícolas, equipos de movimientos de tierras, transporte pesado y propulsión náutica.
Si es el caso que no se pudieran utilizar los inyectores/bomba originales, en motores ya instalados, se podría incorporar el sistema de inyección Common Rail o mejor, tratar de adaptar inyectores/bomba Bosch, controlados electrónicamente (dosificación y orden de inyección). En cualquier caso, quedaría por resolver, la incorporación de un dispositivo de precalentamiento del hidrógeno líquido, en el tránsito hacia los inyectores: posiblemente necesario, para aumentar la temperatura del (LH2) entre el depósito y los inyectores.
Tengo leído y asumido que, para los proyectos a futuro, los motores de combustión interna diésel que se instalaron, desde 1940, en el mercado de tractores y máquinas autopropulsadas, de modo prioritario, fueron los de 4 tiempos, y que, por diseño, su rendimiento mecánico (la energía neta generada resultante de la expansión) se estimó, generalizando el 35% y, en consecuencia, es necesario dedicarle una atención especial en desarrollar, su posible remodelación, dando contenido a cuatro preguntas iniciales siguientes:
- ¿Qué? Ver si los motores diésel pudieran permitir una remodelación, y desarrollar un nuevo modelo de motor, para usar un combustible distinto al gasóleo (hidrógeno líquido) que resolviera los problemas de contaminación, con menor esfuerzo y coste.
- ¿Por qué se debería escoger un motor de dos tiempos? Tres serían las razones: su simplicidad en el sistema de admisión y escape (sistema de soplado); incorpora un inyector/bomba en cada uno de los cilindros (desaparece la bomba de inyección colectiva): y porque consigue elevar el rendimiento mecánico de la energía generada por la combustión al 71%, respecto al 35% que aportan los motores de cuatro tiempos.
- ¿Dónde? Una vez terminada las pruebas de validación, y establecido el protocolo, la ejecución debería llevarse a cabo en los talleres oficiales de las marcas que conocen los mecanismos a sustituir, mientras que los organismos del Estado deben validar los prototipos de los nuevos motores, como es preceptivo.
Desde 1955 fueron motores diésel de 4 tiempos los que se instalaron en tractores y máquinas autopropulsadas, es decir, un 80-90% del mercado. Por esta razón, es necesaria desarrollar la comparativa entre un motor diésel rápido, que consume gasóleo, y otro transformado, supuestamente, para el uso de hidrógeno líquido.
Gráfica de pruebas dinamométricas par, potencia y consumo.
Relación comparativa sobre un modelo de motor diésel, instalado, de 89,4 kW = 120 HP = 121,58 CV. D.I.N, 70020, a gasóleo y que utilizará hidrógeno líquido (LH2)
| Motor |
4 tiempos diésel |
4 tiempos (LH2) |
| Nº cil, diámetro/recorrido |
6 NA 1 |
12 x 127 mm |
| Cilindrada – aspiración natural (L) |
7,51 |
7,51 |
| Velocidad nominal en carga (rev/min) |
2.100 |
2.100 |
| Potencia a rég. nominal (HP/CV) |
120 / 121,5 |
(X) 148,22 / 154 |
| Par motor a rég. nominal (kg) |
41,43 |
(X) 52 |
| Par máximo a 1200 rev/min (Nm/kg) |
500 / 50,98 |
(X) |
| Reserva de par (%) |
24 |
(X) |
| Kcal. gasoil / Kcal LH2 |
10.500 |
28.680 |
| Volumen aire aspirado cámara combustión (%) |
80 |
80 |
| Relación compresión |
17,5 / 1 |
17,1* |
| Vel. media pistón (m/s) |
8,89 |
8,89 |
| Temperatura de ignición (ºC) |
257 |
571 |
| Avance de la inyección antes PMS |
12º |
(X) |
| Densidad de gasóleo / LH2 |
0,84 |
0,70 |
| Consumo combustible (L/h) |
24,9 |
(X) 19,60 |
| CV / Litro |
4,884 |
(X) 6,20 |
| mm3 embolada |
65,87 |
(X) 51,85 |
| Rend. mecánico coef |
0,35 (35%) |
0,35 (35%) |
| Auto ignición (ºC) |
257 |
571 |
* Pendiente ensayo, en el dinamómetro y caudalímetro variable, en función de (+-) vel. de la auto inigción del combustible. Pudiera variar, según el resultado de las pruebas del motor, en el dinamómetro.
Bomba inyectora DPS código 8521A880A a 9A – Inyectores.
- Diam. Vástagos 4 x 7.0 mm – Pres. Tub. 0,1 bar = 0,098 kg/cm2
- Presión toberas 173 + 3 bar – Tubos alta presión, 6 x 2 x 845 mm
- Motor: Vel. sin carga = 2250 rev/min; nominal 2100 rev/min; ralentí 750 rev/min
El ensayo es necesario para confirmar si se puede avanzar en el camino hacia el objetivo que se persigue. Pero antes es preciso resolver algunos aspectos complementarios, no por ello menos importantes, que pudieran aplicarse.
