Come funziona un motore a benzina alimentato a idrogeno

La recente concept car BMW, la La Serie 7 alimentata a idrogeno è ancora molto lontano dall'arrivo alle concessionarie.

Di fronte al costo sempre crescente della benzina, le case automobilistiche di tutto il mondo stanno facendo gli straordinari per migliorare in modo conveniente il risparmio di carburante dei veicoli pur rispettando i severi requisiti di emissioni odierni. Un modo promettente per aumentare il risparmio di carburante è aggiungere idrogeno alla miscela carburante / aria in un motore a benzina convenzionale. Si chiama motore a gas potenziato dall'idrogeno. Tuttavia, poiché l'idrogeno non è prontamente disponibile presso la tua stazione di servizio locale, la vendita di un motore a gas potenziato dall'idrogeno non è stata nella lista ristretta di nessuna casa automobilistica. Fino ad ora, lo è.

In questo articolo, spiegheremo una nuova tecnologia che utilizza un reformer di bordo a risposta rapida per generare una piccola quantità di idrogeno dalla benzina. Questo idrogeno viene aggiunto alla normale miscela aria / carburante del motore. I motori progettati per funzionare con una miscela di idrogeno / benzina possono ottenere un risparmio di carburante dal 20 al 30 percento senza necessità di controllo delle emissioni nocive di NOx, ossidi di azoto. Nelle prossime due pagine, vi diremo come funziona questo nuovo motore a risparmio di carburante e perché sembra che abbia il potenziale per diventare una tecnologia valida per il risparmio di carburante. Affronteremo i seguenti problemi relativi a questa nuova tecnologia:

• Che cos'è un motore a benzina alimentato a idrogeno Una piccola quantità di idrogeno prodotta a bordo dal reformer viene aggiunta alla normale miscela di aria aspirata e benzina nel motore del veicolo. Ciò migliora notevolmente la qualità complessiva della combustione consentendo quasi il doppio di aria per una data quantità di carburante introdotta nella camera di combustione. Questo è più efficiente dal punto di vista energetico perché consente di risparmiare energia riducendo la quantità di pompaggio del motore necessaria. Scopri cosa dicono gli esperti di questa nuova tecnologia.

• Il futuro dei motori a gas potenziati dall'idrogeno La corsa è iniziata per la posizione di leadership nel risparmio di carburante. Dove si adatterà il motore a gas potenziato dall'idrogeno con altre tecnologie di risparmio di carburante come le auto ibride, i veicoli alimentati a etanolo E85 e le nuove auto diesel pulite. Quanto gas fa risparmiare rispetto ad altri veicoli alimentati a carburante alternativo? I consumatori inizieranno a vedere questo tipo di motore nelle auto nel prossimo futuro? Scoprilo in questa sezione.

ArvinMeritor Questo prototipo di reformer, montato vicino al motore per i test in un V6 SUV, è lungo 18 pollici per 4 pollici di diametro.

La tecnologia dei motori a benzina potenziati dall'idrogeno è nuova e sta appena iniziando ad emergere dal laboratorio. Offre la prospettiva di un modo economico per produrre una piccola quantità di idrogeno dalla benzina con un sistema di bordo progettato per farlo. Inventato da scienziati del Massachusetts Institute of Technology e perfezionato dal fornitore dell'industria automobilistica ArvinMeritor in collaborazione con la società di ingegneria automobilistica tedesca IAV, questo sistema può fornire un'alternativa economica alla tecnologia delle celle a combustibile e alla tradizionale combustione di benzina e diesel motori. È possibile che i motori potenziati dall'idrogeno possano colmare il divario tra i veicoli a benzina di oggi ei veicoli a celle a combustibile del futuro.

Mentre i veicoli a celle a combustibile possono mantenere una promessa a lungo termine, la realtà è che sono lontani anni dalla produzione di massa. I critici citano l'elevato costo delle pile di celle a combustibile, i problemi di produzione di massa di combustibile a idrogeno e problemi generali di alimentazione come principali ostacoli. Alcuni ritengono che potrebbero passare decenni prima che i veicoli a celle a combustibile diventino ampiamente disponibili. Le case automobilistiche europee si sono già rivolte a diesel più costosi, ma il loro costo e la relativa complessità stanno aumentando con i nuovi rigidi requisiti sulle emissioni per il controllo del particolato e delle emissioni di NOx.

Le case automobilistiche statunitensi che devono affrontare la stessa preoccupazione per i diesel sono riluttanti a impegnarsi nell'enorme spesa richiesta dal passaggio dalla benzina al diesel più costoso. Ad esempio, i consumatori attualmente devono pagare un premio di circa $ 3000 per un camion leggero alimentato a diesel rispetto a un veicolo a benzina convenzionale. Ciò aumenterà in futuro per compensare i crescenti costi associati alla garanzia che i veicoli diesel soddisfino le imminenti normative sulle emissioni. L'EPA ha recentemente concesso ai veicoli diesel una pausa allentando i requisiti di NOx a breve termine, ma solo fino al 2009 e il requisito delle emissioni ad alto chilometraggio è stato rafforzato come compromesso.

Quello che gli esperti stanno dicendo

Secondo gli esperti di ArvinMeritor e gli ingegneri esecutivi Rudy Smaling e Jens Beister di IAV, i fatti su un motore a benzina potenziato con idrogeno e sui suoi vantaggi sono chiari.

Una piccola quantità di idrogeno prodotta a bordo dal reformer viene aggiunta alla normale miscela di aria aspirata e benzina. Ciò migliora notevolmente la qualità complessiva della combustione consentendo quasi il doppio di aria per una data quantità di carburante introdotta nella camera di combustione. Questo è più efficiente dal punto di vista energetico perché consente di risparmiare energia riducendo la quantità di pompaggio del motore necessaria.

L'efficienza del carburante si ottiene anche attraverso l'uso di rapporti di compressione del motore più elevati resi possibili dalle caratteristiche di carica ricca di idrogeno. Un sistema di alimentazione potenziato dall'idrogeno consente inoltre di risparmiare energia a causa della quantità notevolmente bassa di energia elettrica necessaria per alimentare il reformer. Secondo gli sviluppatori, ha bisogno di meno di 75 watt, che è inferiore al fabbisogno elettrico di un faro standard.

Un'analisi del veicolo virtuale accettata dal settore basata sui dati dei test del motore ha indicato il potenziale per un miglioramento dal 20% al 30% del risparmio di carburante per una versione ridimensionata con turbocompressore del motore potenziato a idrogeno rispetto ai motori a benzina convenzionali.

Successivamente, spiegheremo cosa c'è in serbo per questa tecnologia e dove i consumatori inizieranno a vederla. 

Immagina un SUV a grandezza naturale come il Toyota Sequoia [parte inferiore] che ottiene il risparmio di carburante di un grande berlina come la Ford Five Hundred [superiore]. Il reformer dell'idrogeno potrebbe renderlo realtà.

I motori a benzina potenziati dall'idrogeno hanno il potenziale per migliorare notevolmente il risparmio di carburante. Un importante vantaggio in termini di costi e ambientali del motore con sistema snello potenziato dall'idrogeno sono le basse quantità di gas di emissioni di NOx, quindi l'eliminazione completa della necessità di controllo delle emissioni di NOx esterno. Attualmente, il controllo delle emissioni di NOx è un grave problema di costo per i diesel che utilizzano trappole costose per soddisfare gli standard sulle emissioni. Le emissioni di particolato diesel devono inoltre essere raccolte da un filtro che deve essere periodicamente rigenerato.

I motori a benzina potenziati dall'idrogeno non richiedono né filtri NOx né filtri antiparticolato e richiedono solo un catalizzatore ossidante a basso costo per controllare piccole quantità di gas di scarico (idrocarburi incombusti) che si formano principalmente durante l'avviamento del motore e il riscaldamento precoce. Ulteriori tagli ai requisiti di controllo delle emissioni derivano dalla capacità del motore di utilizzare solo la carica arricchita di idrogeno pulito durante la fase di avviamento a freddo quando il 90% delle emissioni viene generato nella prova delle emissioni.

Il sistema di spinta dell'idrogeno è effettivamente una tecnologia imbullonata che può essere aggiunta al vano motore di un veicolo esistente. Secondo gli sviluppatori, il costo del sistema è inferiore alla metà del costo aggiuntivo per i diesel. I costi di produzione dell'industria automobilistica statunitense per gli utensili diesel per sostituire i motori a benzina sono enormi e sarebbero difficili per i produttori statunitensi attualmente alle prese con difficoltà finanziarie.

Un prototipo di motore potenziato dall'idrogeno viene ora installato in un SUV dotato di V6 che dispone di spazio libero sufficiente per il reformer e il relativo sistema. L'inizio dei test su strada a lungo termine per informazioni su prestazioni, affidabilità e durata è previsto per la fine dell'anno con la prima commercializzazione di applicazioni di produzione prevista per il 2010.

È certo che i dati sulle prestazioni generati durante la prima fase dei test saranno osservati intensamente da quasi tutti coloro che si occupano di questioni ambientali automobilistiche ed energetiche, in parte perché il sistema è associato alla parola d'ordine "idrogeno".

In cima alla lista delle parti interessate ci sono i produttori di grandi SUV e furgoni per i quali le autorità di regolamentazione del governo stanno cercando un aumento medio del 10% di miglia per gallone rispetto al livello del 2007 di 22,2 mpg. Il nuovo livello di 24,1 mpg deve essere rispettato entro il 2011.

I veicoli a quattro cilindri saranno probabilmente anche i primi candidati per la tecnologia poiché i prezzi elevati della benzina continuano a generare concorrenza tra i modelli ad alto risparmio di carburante che cercano la leadership nel mpg. Un fattore che contribuisce nel mercato delle auto compatte potrebbe essere una preoccupazione per il costo della vita del veicolo ibrido a causa della complessità del sistema e della sostituzione della batteria, che in alcuni casi può arrivare fino a $ 5000. Questo sta cominciando a riflettersi solo ora in bassi valori di rivendita quando gli ibridi di prima produzione raggiungono un elevato chilometraggio.

Il motore potenziato dall'idrogeno, tuttavia, non sarà solo nella corsa per la posizione di leadership nel risparmio di carburante. Motori avanzati a valvola variabile a iniezione diretta ridimensionati con turbocompressore, motori diesel common-rail, ibridi e veicoli a carburante flessibile sono tutti in lizza per l'attenzione della casa automobilistica nella corsa al risparmio di carburante.

Nessuna di queste tecnologie può vantare tutti i vantaggi del motore potenziato dall'idrogeno, vale a dire un risparmio di carburante notevolmente aumentato, un controllo minimo delle emissioni e un'efficienza complessiva dei costi. Alla fine, ci vorrà una combinazione di molte tecnologie per affrontare la sete di libertà di guida di questa nazione, ma è probabile che in futuro sentiremo parlare molto di più del motore potenziato dall'idrogeno..