Análisis de combustión de gasolina-hidrógeno en motores de combustión interna

Esta investigación realizada por profesores y alumnos de la Ingeniería en Tecnología Automotriz demostró que si se incrementa el uso de hidrógeno las emisiones de CO2 podrán reducirse en mayor cantidad y la potencia podría incrementar ligeramente o igualar a la potencia obtenida con el motor operado con gasolina.

Alexis Esau Bañuelos Guadarrama*, Aldo Villasana Ibañez*, Juan Manuel Garcia-Guendulain**, America Eileen Mendoza Rojas**, Rodrigo Hernández Alvarado**

Anivel mundial se busca la disminución de la dependencia de combustibles fósiles, de tal manera que se aumente el aprovechamiento de las energías renovables, y se incremente su participación hasta un 30% aproximadamente para 2050.

En el sector transporte se tienen diversas alternativas para reducir esta dependencia de combustibles fósiles, las cuales pueden ser: vehículos eléctricos, vehículos que operan con celdas de combustibles, y vehículos de combustión interna operado con combustibles alternativos.

Éstos últimos son una solución a corto y mediano plazo debido a la infraestructura instalada para el transporte, almacenamiento, entre otros sistemas que requieren modificaciones menores.

En este sentido, nos hemos dado a la tarea de estudiar el uso de hidrógeno como combustible alternativo con alto potencial de uso en motores de combustión interna alternativos.

Esto implica retomar la idea principal de los motores de combustión interna desarrollada en 1804 por Isaac de Rivaz, el cual construyó un motor que operaba con hidrógeno como combustible principal. Al día de hoy, uno de los retos es el uso del hidrógeno para producir una potencia igual o más alta que la que ofrece un motor que opera con combustible convencional (gasolina en este caso).

En este trabajo, se ha realizado una simulación computacional aplicando conceptos de termodinámica y mecánica de fluidos para predecir el comportamiento del proceso de combustión de mezclas gasolina-hidrógeno dentro de un motor convencional de chispa, con la finalidad de evaluar las prestaciones de potencia y de producción de emisiones contaminantes. Para este caso, y debido a las condiciones técnicas de operación, las mezclas utilizadas fueron de 0%hidrógeno100%gasolina,15%hidrógeno-85%gasolina y 25%hidrógeno-75%gasolina.

A continuación, se muestran algunos de los resultados obtenidos en este análisis. En la Figura 1a) se muestra el modelo en 3D que representa el volumen analizado, en esta figura se pueden ver las zonas del múltiple de admisión (donde entrará la mezcla aire con combustible usado), el cilindro (donde ocurre la combustión) y el múltiple de escape (zona donde saldrán los gases quemados).

Las Figura 1b) muestran el proceso de admisión (el color azul indica que la mezcla está a muy baja temperatura), la Figura 1c) muestra el inicio de la combustión (el color rojo representa las altas temperaturas) y la Figura 1d) muestra el proceso de escape, donde puede verse que los gases quemados a alta temperatura son expulsados por el múltiple de escape. Con estas simulaciones se puedo investigar el comportamiento del motor de combustión y la producción de emisiones durante el proceso de combustión.

En este trabajo con una fracción de 25% de hidrógeno se obtuvo un incremento en la potencia de alrededor del 1% y una reducción en emisiones de CO2 de alrededor del 2.5%.

Cabe mencionar que si se incrementa el uso de hidrógeno las emisiones de CO2 podrán reducirse en mayor cantidad y la potencia podría incrementar ligeramente o igualar a la potencia obtenida con el motor operado con gasolina.

Es por ello que los estudiantes y profesores de la Universidad Politécnica de Querétaro seguirán trabajando alrededor de este y otros temas relacionados con la reducción de gases de efecto invernadero y el uso eficiente de la energía.

A) Sólido en 3D

B) Admisión

C) Combustión

D) Escape