PROFILPELAJAR.COM

Veículo com motor de combustão interna a hidrogênio

Mazda RX-8 (2007) equipado com
motor rotativo a hidrogênio.^[1]

Tipo	Veículo movido a hidrogénio

Descoberto
Descobridor	François Isaac de Rivaz
Data	1807

Funcionamento
Motor	hydrogen internal combustion engine (d)

Veículo com motor de combustão interna a hidrogênio é um tipo de veículo movido a hidrogênio equipado com um motor de combustão interna.^[2] Na língua inglesa é identificado pela sigla HICEV (Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle). O funcionamento do motor de tal veículo, difere da célula de combustível que, no lugar da combustão, faz a conversão eletroquímica do hidrogênio, gerando energia para um motor elétrico. Em vez disso, o HICEV é simplesmente uma adaptação do motor de combustão interna convencional.^[3] ^[4]

História

Motor De Rivaz

Hippomobile

Musashi 9 movido a hidrogênio líquido

BMW Hydrogen7

BMW H2R

François Isaac de Rivaz projetou em 1806 o motor De Rivaz, o primeiro motor de combustão interna, que funcionava com uma mistura de hidrogênio/oxigênio.^[5] Étienne Lenoir produziu o Hippomobile em 1860 movido a hidrogênio produzido por eletrólise.^[6] Paul Dieges patenteou em 1970 uma modificação nos motores de combustão interna que permitia que um motor a gasolina funcionasse com hidrogênio.^[7]

A Universidade da Cidade de Tóquio desenvolve o motor de combustão interna a hidrogênio desde 1970.^[8] Recentemente desenvolve ônibus movido a hidrogênio ^[9] e caminhão.

A Mazda desenvolveu motores rotativos Wankel que queimam hidrogênio. A vantagem de usar o ICE (internal combustion engine, motor de combustão interna), como os motores rotativos e a pistão, é que o custo de reequipar as linhas produção é muito menor. O ICE de tecnologia existente ainda pode ser usado para resolver os problemas em que as células de combustível ainda não são uma solução viável, por exemplo, em aplicações de clima frio.

Entre 2005 e 2007, a BMW testou um carro de luxo BMW Hydrogen 7, alimentado por um ICE a hidrogênio, que atingiu 301 km/h (187 mph) em testes.^[^{carece de fontes?]} Pelo menos dois desses conceitos foram fabricados.^[^{carece de fontes?]} O BMW H2R conseguiu superar a velocidade de 300 km/h.^[10]

As empilhadeiras a hidrogênio foram demonstradas ^[11] com base em motores a diesel convertidos com injeção direta.^[12]

No ano de 2000, um Shelby Cobra foi convertido para rodar com hidrogênio num projeto liderado por James W. Heffel (na época, engenheiro principal da Universidade da Califórnia em Riverside, CE-CERT). A conversão para hidrogênio foi feita com o objetivo de tornar um veículo capaz de bater o recorde atual de velocidade terrestre para veículos movidos a hidrogênio.^[13] ^[14] ^[15] Alcançou um respeitável 108,16 mph, perdendo o recorde mundial de veículos movidos a hidrogênio por 0,1 mph.^[16]

A Alset GmbH austríaca desenvolveu um sistema bicombustível que permite ao veículo usar gasolina e hidrogênio individualmente ou ao mesmo tempo com um motor de combustão interna. Essa tecnologia foi usada no Aston Martin Rapide S durante as 24 Horas de Nürburgring. O Rapide S foi o primeiro veículo a terminar a corrida com a tecnologia de hidrogênio.^[17]

Emissões próximas de zero

A água é o único resíduo da combustão do hidrogênio:

$2H_{2}$ + $O_{2}$ → $2H_{2}O$

Por outro lado, a queima de combustíveis de alta temperatura, como querosene, gasolina ou gás natural, com o ar, pode produzir óxidos de nitrogênio (NOx).

O hidrogênio tem uma ampla faixa de inflamabilidade em comparação com outros combustíveis. Como resultado, ele pode ser queimado em um motor de combustão interna em uma ampla variedade de misturas combustível-ar. Uma vantagem aqui é que, portanto, pode haver uma mistura pobre de combustível e ar. Essa mistura é aquela em que a quantidade de combustível é menor que a quantidade teórica, estequiométrica ou quimicamente ideal necessária para a combustão com uma determinada quantidade de ar. A economia de combustível é então maior e a reação de combustão é mais completa. Além disso, a temperatura de combustão geralmente é mais baixa, o que reduz a quantidade de poluentes (óxidos de nitrogênio, etc.) emitidos pelo escapamento.^[3]

Os padrões de emissão europeus medem as emissões de monóxido de carbono (CO), hidrocarbonetos (HC), hidrocarbonetos não metânicos, óxidos de nitrogênio (NOx), material particulado (MP) atmosférico e número de partículas.

De acordo com um artigo de L.M Das, a combustão interna de hidrogênio não gera emissões de CO, CO₂ (dióxido de carbono), dióxido de enxofre (SO₂), HC ou MP.^[18] ^[19] Ele o descreve como sendo de "quase zero de emissões".

Em 1976, ajustar um motor a hidrogênio para produzir a maior quantidade possível de emissões resultou em emissões comparáveis aos motores operados a gasolina a partir de 1976.^[^{carece de fontes?]} ^[20] Os motores mais modernos, entretanto, geralmente são equipados com EGR (exhaust gas recirculation, recirculação de gases de escape), e essa tecnologia beneficia o hidrogênio também em termos de emissões de NOx.^[21]

Equação na ausência da EGR:

$H_{2}$ + $O_{2}$ + $N_{2}$ → $H_{2}O$ + $NO_{X}$ + $N_{2}$ ^[3]

Adaptação de motores convencionais

Bocal de abastecimento de hidrogênio líquido de um BMW...

...e um tanque de hidrogênio líquido de fabricação da Linde AG, ambos expostos no Museum Autovision (Altlußheim, Alemanha).

Motor do BMW Hydrogen 7.

As diferenças entre um ICE de hidrogênio e um motor a gasolina tradicional incluem válvulas e assentos de válvulas mais resistentes, bielas mais fortes, velas de ignição com ponta sem platina, bobina de sistema de ignição de alta tensão, injetores de combustível projetados para combustível gasoso em vez de líquido, cambota, material da junta principal mais forte, coletor de admissão modificado (para compressor), compressor de pressão positiva e óleo de motor para alta temperatura. Todas as modificações equivaleriam a cerca de 1,5 o custo atual de um motor a gasolina.^[3] Esses motores a hidrogênio queimam combustível da mesma maneira que os motores de ciclo de Otto.

A potência máxima teórica de um motor a hidrogênio depende da razão ar/combustível e do método de injeção de combustível usado. A razão estequiométrica ar/combustível para hidrogênio é 34:1. Nessa proporção ar/combustível, o hidrogênio deslocará 29% da câmara de combustão, deixando apenas 71% para o ar. Como resultado, o conteúdo energético dessa mistura será menor do que seria se o combustível fosse gasolina. Como os métodos de injeção de carburador e porta misturam o combustível e o ar antes de entrar na câmara de combustão, esses sistemas limitam a potência teórica máxima obtida a aproximadamente 85% da dos motores a gasolina. Para sistemas de injeção direta, que misturam o combustível com o ar após o fechamento da válvula de admissão (e, portanto, a câmara de combustão possui 100% de ar), a potência máxima do motor pode ser aproximadamente 15% maior que a dos motores a gasolina.

Portanto, dependendo de como o combustível é medido, a produção máxima de um motor a hidrogênio pode ser 15% maior ou 15% menor que a da gasolina se for usada uma relação estequiométrica ar/combustível. No entanto, na proporção estequiométrica ar/combustível, a temperatura de combustão é muito alta e, como resultado, formará uma grande quantidade dos poluentes óxidos de nitrogênio (NOx). Como uma das razões para o uso do hidrogênio é a baixa emissão de gases de escape, os motores a hidrogênio normalmente não são projetados para funcionar com uma relação estequiométrica ar/combustível.

Normalmente, os motores a hidrogênio são projetados para usar cerca de duas vezes mais ar do que o teoricamente necessário para a combustão completa. Nesta relação ar/combustível, a formação de NOx é reduzida para quase zero. Infelizmente, isso também reduz a produção de energia para cerca da metade da de um motor a gasolina de tamanho semelhante. Para compensar a perda de energia, os motores a hidrogênio geralmente são maiores que os motores a gasolina e/ou são equipados com turbocompressores ou supercompressores.^[3]

Ver também

Bicombustível (uma possível solução para superar a falta de postos de abastecimento de H₂).^[22]
Combustíveis alternativos
Economia do hidrogênio
Ônibus movido a hidrogênio
Produção de hidrogênio
Tecnologias emergentes

Referências

↑ Turbo-lento (22 de agosto de 2008). «Wankel a hidrogenio? Sim por favor!». 4rodas1volante. Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ Advanced Vehicle Testing, Idaho National Laboratory. «HICE Fleet TestingAdvanced Vehicle Testing Activity» (PDF). avt.inl.gov (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ ^a ^b ^c ^d ^e College of the Desert (em inglês) (dezembro de 2001). «Hydrogen Use in Internal Combustion Engine» (PDF). EERE (Energy Efficiency & Renewable Energy), US Department of Engergy. Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ Sebastian Verhelsta, Thomas Wallnerb (em inglês) seção 5 (19 de agosto de 2009). «Hydrogen-Fueled Internal Combustion Engines». Universidade de Gante. Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ Erik Eckermann (2001). World History of the Automobile. [S.l.]: Society of Automotive Engineers (em inglês). 371 páginas. ISBN 9780768008005
↑ Detlef Stolten (2010). Hydrogen and Fuel Cells: Fundamentals, Technologies and Applications. [S.l.]: John Wiley & Sons (em inglês) pág. 810. ISBN 9783527327119 Adicionado em 24 de novembro de 2019.
↑ «VAPORIZATION OF EXHAUST PRODUCTS IN HYDROGEN-OXYGEN ENGINE». Espacenet (em inglês). 29 de outubro de 1974. Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ Shouichi Furuhama (1978). «International Journal of Hydrogen Energy Volume 3, Issue 1, 1978, Pages 61–81.». Sciencedirect (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ Kimitaka YAMANE, Masaaki TAKIGUCHI (2009). «Hydrogen Fuel ICE Bus developed by TCU» (PDF). HESS-Hydrogen Energy Systems Society of Japan (em inglês) e (em japonês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ Eric Tucker. «How the BMW H2R Works». HowStuffWorks (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ Paolo Fornasiero, Mauro Graziani (dezembro de 2011). «Renewable Resources and Renewable Energy: A Global Challenge, Second Edition». CRC Pres, Google Livros (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ «HyICE» (PDF). fpeurope.org. Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ «Hydrogen Powered Shelby Cobra: Vehicle Conversion». Society of Automotive Engineers (em inglês). 20 de agosto de 2001. Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ Evangeline Bulla (abril de 2017). «The Design and Testing of Hydrogen Fueled Internal Combustion Engine». ResearchGate (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ James W. Heffel (2003). «Hydrogen Powered Shelby Cobra: Vehicle Conversion». American Hydrogen Association (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ Kris Lovekin (30 de outubro de 2001). «UCR Runs Hydrogen Powered Shelby Cobra in Speed Trial». Universidade da Califórnia em Riverside (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ Matthew de Paula (30 de abril de 2013). «Aston Martin Favors Hydrogen Over Hybrids, At Least For Now». Forbes (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ L. M. Das (10 de dezembro de 2009). «Hydrogen vehicles and refueling infrastructure in India» (PDF). Indian Institute of Technology Delhi (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ L.M.Das (1991). «Exhaust emission characterization of hydrogen-operated engine system: Nature of pollutants and their control techniques». Siencedirect (International Journal of Hydrogen Energy) (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ P.C.T.De Boer, W.J.McLean, H.S.Homan (1976). «Performance and emissions of hydrogen fueled internal combustion engines». Siencedirect (International Journal of Hydrogen Energy) (em inglês). Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ James W Heffel (agosto de 2003). «NOx emission and performance data for a hydrogen fueled internal combustion engine at 1500rpm using exhaust gas recirculation». ResearchGate. Consultado em 24 de novembro de 2019
↑ «MINI Hydrogen Concept Car Shown At The 2001 IAA Frankfurt». Autointell (em inglês). 3 de outubro de 2001. Consultado em 24 de novembro de 2019