Puntos clave: Familiaridad con el motor de combustión interna: los motores de hidrógeno funcionan como los motores de combustión interna tradicionales, lo que facilita la transición a tecnologías más limpias.
Configuraciones del turbocompresor: los sistemas de turbo avanzados mejoran el rendimiento del motor de hidrógeno y el control de emisiones. Desafíos: las mayores demandas de flujo de aire requieren soluciones de turbocompresor innovadoras.
Liderazgo de Cummins: Cummins está impulsando la innovación en motores y turbocompresores de hidrógeno para una movilidad sostenible.
Desgarro del turbo
Los motores de combustión de hidrógeno de cuatro tiempos (H2ICE) funcionan según los mismos principios que los motores tradicionales, pero son más potentes y eficientes. Comparten componentes como bloques de motor, cigüeñales y sistemas de encendido con los motores de gas natural y se adaptan perfectamente a los diseños existentes. Este artículo analiza en profundidad el papel de los turbocompresores en la mejora del rendimiento y la viabilidad de los motores de hidrógeno, mostrando su potencial en el cambiante panorama energético.
Consideraciones para la configuración del turbocompresor en H2ICE
Los turbocompresores mejoran la eficiencia y la potencia de los motores de hidrógeno al aumentar el flujo de aire hacia la cámara de combustión, compensando así la menor densidad energética del hidrógeno. Los turbocompresores Holset™ de Cummins , con experiencia en aplicaciones de gas natural y diésel, están avanzando en la tecnología de los motores de hidrógeno.
Para elegir la configuración de turbocompresor adecuada para un motor de combustión interna de hidrógeno es necesario equilibrar el rendimiento y las emisiones. A continuación, se indican algunas consideraciones:
Los turbocompresores suministran aire presurizado para aumentar la potencia del motor quemando más combustible y oxígeno. Los motores de hidrógeno requieren un control preciso de la relación aire-combustible para lograr eficiencia y rendimiento, lo que hace que ciertos diseños de turbocompresores con sistemas de control mejorados, como geometría variable o válvulas de descarga controladas electrónicamente, sean más adecuados para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) mientras se quema hidrógeno.
Minimizar el retardo y permitir una combustión pobre es fundamental para reducir las emisiones de NOx y mejorar el rendimiento del motor. Esto impulsa la necesidad de una respuesta transitoria baja óptima que mejore la capacidad de conducción del vehículo y ayude a permitir la transición a combustibles con bajo contenido de carbono.
El uso de un turbocompresor grande en motores de hidrógeno proporciona mucha potencia a altas velocidades, pero pierde potencia y capacidad de respuesta a bajas velocidades. Por otro lado, un turbo más pequeño funciona bien a bajas velocidades, pero no puede proporcionar la presión adecuada en el cilindro a velocidades más altas, lo que restringe la potencia máxima. Ambas configuraciones de turbo único reducen el rendimiento general del motor porque tienen dificultades para gestionar la mezcla de aire y combustible necesaria para los motores de hidrógeno.
Por otro lado, un sistema turbo de dos etapas utiliza dos turbos, dispuestos secuencialmente: un pequeño turbo de alta presión (HP) para un impulso rápido y par motor a bajas velocidades, y un turbo de baja presión (LP) más grande para una potencia suave a velocidades más altas. Esta configuración reduce la presión en un solo turbo y se adapta mejor a las necesidades de combustible del motor . También utiliza una válvula de descarga como válvula de alivio para controlar y regular la presión de impulso de un turbocompresor.
Un turbocompresor de geometría variable (VGT) tiene boquillas ajustables que cambian las características del flujo de aire de un turbocompresor según las condiciones del motor. Esto ayuda a optimizar la presión de sobrealimentación, mejorar la eficiencia y reducir las emisiones al proporcionar un control preciso a diferentes velocidades.
Un turbocompresor eléctrico (e-turbo) utiliza electricidad para controlar el flujo de aire que ingresa al motor, lo que ofrece una respuesta de impulso rápida independientemente de la velocidad del motor. También agrega potencia adicional al rotor (además del escape) para mejorar el rendimiento y la respuesta del motor.
Cada tipo de turbocompresor tiene sus pros y sus contras: los turbos electrónicos pueden ser complejos y los sistemas de dos etapas pueden plantear desafíos de instalación. Sin embargo, los motores de combustión de hidrógeno ofrecen un camino prometedor, familiar y práctico para descarbonizar las flotas, y posiblemente la transición sea más rápida que los vehículos eléctricos de batería o los vehículos eléctricos de pila de combustible.
Desafíos para los turbocompresores en H2ICE
Si bien la tecnología del hidrógeno ofrece un camino para reducir las emisiones, enfrenta varios desafíos:
Densidad de potencia: el hidrógeno requiere un flujo de aire significativamente mayor que los combustibles fósiles, lo que exige sistemas de turbocompresor más grandes y complejos.
Barreras de transición: si bien Cummins está abordando desafíos técnicos, el diésel sigue siendo el estándar de la industria y aún están surgiendo sistemas de hidrógeno competitivos en costos.
Necesidades de inversión: El desarrollo de motores compatibles con hidrógeno y turbocompresores avanzados requiere importantes inversiones en I+D e infraestructura. Cummins se centra en la innovación que equilibra el rendimiento con la asequibilidad.
Ventajas y desventajas de los turbocompresores: los sistemas de una sola etapa son más simples y rentables, pero tienen dificultades para proporcionar el flujo de aire necesario para los motores de combustión de hidrógeno. Los sistemas de dos etapas ofrecen mayores densidades de potencia y mejor rendimiento en una gama más amplia de condiciones, pero son más complejos.
Demandas de flujo de aire: a medida que los motores evolucionan de diésel a gas natural e hidrógeno, aumentan las demandas de los sistemas de manejo de aire . Mientras que los motores naturales requieren un flujo de aire menor que los diésel, los motores de hidrógeno necesitan un flujo de aire mayor que los diésel, lo que requiere soluciones de turbocompresor avanzadas para manejar estas variaciones.
El papel de Cummins en el avance de la tecnología de turbocompresores para H2ICE
En 2023, Cummins presentó un camión conceptual de servicio pesado con el motor de combustión interna de hidrógeno X15H . En el negocio de turbocompresores, Cummins colabora con fabricantes de equipos originales para integrar turbocompresores de última generación en motores de hidrógeno.
La colaboración de Cummins con Accelera™ de Cummins , el segmento comercial de cero emisiones de Cummins, también proporciona perspectivas únicas sobre el futuro de la movilidad, acelerando la transición de los combustibles fósiles hacia un mundo descarbonizado.
