Generadores de Hidrógeno para Coches: Una Solución más Limpia para Motores
El hidrógeno se utiliza cada vez más en motores, principalmente en motores de combustión interna de hidrógeno puro y kits de coche HHO. Ambos métodos ofrecen una mayor eficiencia de combustión y menores emisiones en comparación con los motores tradicionales de gasolina y diésel.
Shelef y otros [1] realizaron estudios experimentales sobre motores de hidrógeno puro, gasolina y eléctricos, revelando que los motores de combustión interna de hidrógeno puro tienen la mayor eficiencia energética. Utilizar el hidrógeno como combustible para motores de combustión interna mejora efectivamente su economía y emisiones sin requerir cambios significativos en la estructura del motor. Como resultado, la combustión interna de hidrógeno se considera un método sencillo y factible para mejorar la potencia del motor y un enfoque práctico para la conservación de energía y la reducción de emisiones.
Desafíos de la Energía de Hidrógeno en Motores de Combustión Interna
Aunque la energía de hidrógeno tiene un gran potencial en motores de combustión interna, hay desafíos relacionados con la producción y almacenamiento de hidrógeno. La infraestructura incompleta de estaciones de hidrógeno dificulta el repostaje y el almacenamiento de grandes cantidades de hidrógeno a alta presión plantea serios peligros de seguridad. Por lo tanto, los motores de combustión interna de hidrógeno puro todavía no son una solución práctica para su uso generalizado en vehículos.
El kit de coche generador de hidrógeno, por otro lado, mezcla hidrógeno y oxígeno con gasolina para alimentar el motor. El sistema de producción de hidrógeno puede generar hidrógeno en tiempo real, eliminando la necesidad de almacenamiento extenso. Además, las modificaciones del motor son mínimas, ya que la combustión de hidrógeno-oxígeno solo requiere un tubo de admisión de hidrógeno adicional para la entrada de aire del motor. Esto hace que los kits de coche HHO sean una opción más viable para vehículos en la actualidad.
Comparación entre el Hidrógeno y los Combustibles Fósiles Convencionales
El hidrógeno, una fuente de energía verde renovable, tiene cuatro veces la difusividad y cinco veces la velocidad de propagación de la llama de la gasolina (Tabla 1-1). Estas características hacen del hidrógeno un combustible alternativo ideal para motores de combustión interna con encendido por chispa [2-4]. A diferencia de otros combustibles alternativos, el hidrógeno no contiene átomos de carbono, lo que resulta en cero emisiones de hidrocarburos, monóxido de carbono o dióxido de carbono durante la combustión. Además, la combustión estable reduce las emisiones de NOx.
La alta difusividad del hidrógeno permite una mezcla de combustible más uniforme en el motor de combustión interna, promoviendo una combustión rápida y completa del combustible. Como resultado, los motores de combustión interna que usan hidrógeno logran una duración de combustión más corta que los motores tradicionales de gasolina y diésel, mejorando finalmente la eficiencia térmica.
En conclusión, los kits de coche generadores de hidrógeno presentan una alternativa prometedora a los motores tradicionales. Ofrecen una mejor economía de combustible, reducen las emisiones y proporcionan una solución más limpia para el transporte. Sin embargo, se necesitan más investigaciones y desarrollo de infraestructura para hacer del hidrógeno una fuente de energía ampliamente adoptada para vehículos.
| Combustible | Hidrógeno | Gasolina | Diésel | Gas Natural |
| Relación aire-combustible | 34.3 | 14.6 | 14.5 | 17.1 |
| Energía mínima de ignición（mJ) | 0.02 | 0.24 | – | 0.28 |
| Temperatura de autoignición（K） | 858 | 530 | 493 | 632.2 |
| Velocidad de propagación de la llama（cm/s） | 237 | 41.5 | 30 | 37.3 |
| Límite de concentración de quemado（% vol de aire） | 4.1-75 | 1.5-7.6 | 0.7-5 | 5.1-15 |
| Valor calorífico neto（MJ/kg） | 120 | 44 | 42.7 | 32.5 |
Instalación y Pruebas del Kit de Coche HHO
Kit de Coche HHO
El generador de hidrógeno PEM opera a un voltaje de trabajo de 5V. Un transformador convierte los 12V del voltaje de la batería del coche en una salida de 5V, que alimenta al generador de hidrógeno PEM para electrólisis de agua pura, produciendo hidrógeno y oxígeno. Una botella separadora de agua-gas filtra el agua antes de reintroducir la mezcla de hidrógeno y oxígeno al motor, donde se combina con aire y gasolina para la combustión.
Coche de Prueba
El vehículo de prueba cuenta con un motor turboalimentado de 2.0L y cuatro cilindros producido por el Grupo GAC. Los parámetros específicos del motor original se pueden encontrar en la Tabla de parámetro del motor.
| Detalle | Valor |
| Desplazamiento（ml） | 1991 |
| Método de admisión | Turboalimentado |
| Disposición de los cilindros | En línea |
| Número de cilindros | 4 |
| Potencia（kw） | 185 |
| Caballaje（ps） | 252 |
| Alimentación | Inyección directa |
Instrumentos de Prueba
Computadora de Diagnóstico del Vehículo
La computadora de diagnóstico del vehículo monitorea en tiempo real los valores de varios parámetros del motor, incluyendo el ángulo de avance de ignición, la amplitud del pulso de inyección de combustible y la apertura del acelerador.
Controlador de IC del Ángulo de Ignición
El ángulo de avance de la ignición afecta significativamente el rendimiento del motor de ignición, y los ángulos de ignición inadecuados pueden afectar negativamente el rendimiento del motor. En esta prueba, el ángulo de ignición se ajusta por un sistema de control informático después de la mezcla de hidrógeno. El estudio examina el efecto del ángulo de avance de la ignición en el rendimiento de un motor equipado con un kit de coche HHO. El computador ajusta manualmente el ángulo de avance de la ignición del motor dentro de un rango seguro basado en señales relevantes de parámetros del motor y del vehículo, así como en el contenido de hidrógeno y oxígeno.
Dinamómetro de Caballos de Fuerza
El dinamómetro de caballos de fuerza mide la potencia y el torque de todo el vehículo, con una potencia máxima de prueba de 400 kilovatios. El objetivo principal es determinar la influencia del kit de coche de hidrógeno en el rendimiento dinámico del vehículo.
Analizador de Emisiones de Automóviles
El analizador portátil de gases de escape puede colocarse en el vehículo para probar el rendimiento de emisión del motor en movimiento. El modelo del producto es SV-5QC.
1.Para HC, el rango de medición es de (0-9999) * 10-6, con un error de ±5%;
2.para CO, el rango de medición es de (0-16) * 10-2, con un error de ±5%;
3.para CO2, el rango de medición es de (0-18) * 10-2, con un error de ±4%;
4.para O2, el rango de medición es de (0-25) * 10-2, con un error de ±5%;
5.para NO, el rango de medición es de (0-4000) * 10-6, con un error de ±4%
Investigación del Rendimiento de un Motor de Gasolina HHO bajo Condiciones Fijas
Realizamos un estudio paso a paso en un motor de gasolina equipado con un generador de hidrógeno PEM y un vehículo completo. Elegimos dos condiciones representativas de velocidad fija y dos presiones absolutas de admisión para las pruebas: 1500 RPM para representar condiciones de carreteras urbanas de baja velocidad, y 2000 RPM para condiciones suburbanas y de alta velocidad. Para la presión absoluta del colector de admisión (MAP), seleccionamos 45 kPa y 70 kPa para representar condiciones de carga media-baja y media-alta, respectivamente. Probamos cuatro condiciones diferentes combinando las dos condiciones de velocidad con las dos condiciones de carga.
Durante el experimento, estabilizamos la velocidad del motor y el MAP bajo las cuatro condiciones operativas. Utilizamos el generador de hidrógeno PEM para producir hidrógeno y oxígeno, que luego se introdujeron en el motor para la combustión. Mantuvimos el ángulo de admisión de encendido original del vehículo para comparabilidad. Detuvimos el aumento de los niveles de gas de hidrógeno y oxígeno si ocurría detonación en el motor para proteger el motor. Seleccionamos seis diferentes caudales para la tasa de producción de hidrógeno y oxígeno del generador de hidrógeno de intercambio de protones a 45 kPa MAP y cuatro caudales a 70 kPa MAP. Aseguramos la estabilidad de los parámetros durante la prueba y registramos el índice de potencia del motor desde el dinamómetro de caballos de fuerza.
Resultados de la Prueba
Efecto del Aumento de HHO en la Potencia del Motor de Gasolina
El torque de salida es un indicador importante del rendimiento de la potencia del motor. Bajo condiciones de carga media y baja, aumentar el contenido de hidrógeno y oxígeno mejora el torque, con mejoras más significativas a concentraciones más bajas de hidrógeno y oxígeno. El aumento de HHO eleva el valor calórico de la mezcla, lo que mejora la potencia de salida y el torque del motor.
Bajo condiciones de carga media y alta, aumentar HHO promueve el crecimiento del torque. A 1500 RPM, el aumento de HHO empuja el torque de 71 Nm a 86 Nm, un incremento del 21%. A 2000 RPM, el torque aumenta de 69 Nm a 83 Nm, un aumento del 20%. El incremento de HHO mejora significativamente la eficiencia térmica del motor, lo que resulta en un aumento del torque.
Investigación sobre el Torque de Salida del Kit de Coche HHO
El torque de salida de un vehículo es el reflejo más directo del efecto del método de combustión de hidrógeno-oxígeno en el motor. El objetivo de SENZA es diseñar y fabricar un sistema de kit de coche HHO para vehículos generales. A los propietarios de vehículos les preocupa principalmente el efecto directo del sistema en el rendimiento de potencia.
En esta prueba, comparamos la potencia de salida del coche original con la potencia de salida después de instalar el sistema de kit de coche HHO. El coche original tenía una potencia de salida de 89 caballos de fuerza a 2640 RPM bajo condiciones de aceleración rápida. Después de instalar el kit de coche HHO, el motor tenía una potencia de salida de 82 caballos de fuerza a 2300 RPM, lo que resultaba en una aceleración del vehículo más rápida que la del coche original. A 2640 RPM, el torque de salida del motor del coche original era de 238 Nm y la potencia era de 89 hp. Después de instalar el kit de coche HHO, el torque de salida del motor aumentó a 293 Nm, y la potencia de salida aumentó a 110 hp a la misma velocidad, un 23% de mejora sobre el coche original.
Investigación sobre el Torque de Salida del Kit de Coche HHO
El torque de salida del vehículo es el reflejo más directo del efecto del método de combustión de hidrógeno-oxígeno en el motor. El propósito de SENZA es diseñar y fabricar un sistema de kit de coche HHO para vehículos sociales. El conductor está naturalmente más preocupado por el efecto más directo del sistema en el vehículo, y el rendimiento de potencia es lo que realmente desea el propietario. En esta prueba, se probaron respectivamente la potencia de salida del coche original y la potencia de salida de todo el vehículo después de instalar el sistema de kit de coche HHO. La imagen muestra que el coche original solo tiene una potencia de salida de 89 caballos de fuerza a 2640rpm bajo la condición de aceleración rápida; después de equipar el kit de coche HHO, el motor comienza a tener una potencia de salida de 82 caballos de fuerza a 2300rpm, y el vehículo comienza más rápido que el coche original. Cuando la velocidad del motor del coche original era de 2640rpm, el torque de salida era de 238 Nm y la potencia era de 89 hp; después de instalar el kit de coche HHO, el torque de salida del motor aumentó a 293 Nm y la potencia de salida aumentó a 110 hp a la misma velocidad, lo que fue un 23% más alto que el coche original.
Prueba de Eficiencia de Combustible HHO
Otro aspecto crítico del rendimiento del motor es la eficiencia del combustible. Analizamos el impacto del kit de coche HHO en el consumo de combustible bajo las diversas condiciones probadas. Los resultados indicaron que con el aumento del contenido de hidrógeno y oxígeno, la tasa de consumo de combustible mejoró. Esta mejora puede atribuirse a la combustión más eficiente y completa del combustible, lo que lleva a una mayor eficiencia térmica.
Impacto del HHO en la Eficiencia del Combustible
Bajo condiciones de carga media-baja, la tasa de consumo de combustible mejoró hasta un 15%. Bajo condiciones de carga media-alta, el consumo de combustible mejoró hasta un 18%. Estos resultados demuestran que el kit de coche HHO no solo mejora la potencia de salida del motor, sino que también contribuye al ahorro de combustible, lo que lo convierte en una solución atractiva para los propietarios de vehículos.
Análisis de las razones de este fenómeno: Con el aumento del HHO, el hidrógeno y el oxígeno se mezclan y queman a fondo con el combustible, y la eficiencia de la combustión del combustible se mejora utilizando las características de la rápida propagación de la llama del hidrógeno y la combustión del hidrógeno; cuando la cantidad de hidrógeno y oxígeno producida por el kit de coche HHO alcanza los 600ml/min, la energía restante proporcionada por el generador del coche al kit de coche HHO ha alcanzado el límite superior. Si la producción de hidrógeno continúa aumentando, el motor necesita quemar más gasolina para proporcionar energía al generador, y el consumo de combustible también aumentará. Además, cuando aumenta la cantidad de hidrógeno y oxígeno producido, la combustión en el cilindro del motor está en un ambiente rico en oxígeno. Cuando el sensor de oxígeno en el colector de escape del motor detecta que la concentración de oxígeno excede el estándar, la cantidad de inyección de combustible en el próximo ciclo se aumentará. La combinación de las dos razones anteriores hará que el consumo específico de combustible del motor aumente después de que la producción de hidrógeno alcance un cierto valor. El generador de hidrógeno alcalino tradicional no reduce el consumo de combustible de los automóviles en aplicaciones prácticas debido a su alta potencia (12v; 10A-20A). El generador de hidrógeno PEM es más adecuado como el generador de hidrógeno del kit de coche HHO debido a su baja potencia (2v-3.8v; 5A-20A) y alta eficiencia de producción de hidrógeno. Si está interesado en el experimento de aplicar el electrolizador alcalino al coche, por favor deje un mensaje debajo del artículo.
La Influencia de la Introducción de Gas HHO en las Emisiones del Motor de Gasolina
Emisiones de HC
Como se puede ver en las Figuras 3-5 y 3-6: bajo condiciones de carga media y pequeña, el aumento del volumen de hidrógeno-oxígeno en la admisión mejora significativamente las emisiones de HC. A una velocidad de 1500 rpm y un MAP de 45kPa, cuando el volumen de hidrógeno-oxígeno en la admisión aumenta de 0 a 450ml/min, las emisiones de HC disminuyen de 1998ppm a 937ppm, una reducción del 53% en comparación con el motor original. A una velocidad de 2000 rpm, MAP de 45kPa, y un aumento en el contenido de oxígeno de admisión de 0 a 450ml/min, las emisiones de HC disminuyen en un 42% en comparación con el motor original, de 1970ppm a 1130ppm. A una velocidad de 1500rpm, MAP de 70kPa, y un aumento en el volumen de hidrógeno-oxígeno de admisión de 0 a 450ml/min, las emisiones de HC disminuyen de 1873ppm a 847ppm, una reducción del 54% en comparación con el motor original. A una velocidad de 2000rpm, MAP de 70kPa, y un aumento en el volumen de hidrógeno-oxígeno de admisión de 0 a 450ml/min, las emisiones de HC disminuyen de 2364ppm a 1532ppm, una reducción del 35% en comparación con el motor original. Cuando el hidrógeno y el oxígeno entran en el motor, este puede lograr una combustión completa incluso en un estado de pulverización rico, y las emisiones de HC disminuirán en consecuencia. Sin embargo, cuando el volumen de producción de hidrógeno excede los 600ml/min, el consumo de energía de la máquina de producción de hidrógeno aumenta, la carga del motor aumenta, y también causará más inyección de combustible, lo que resulta en una tendencia ascendente en las emisiones de HC.
Emisiones de CO
Como se puede ver en la Figura 3-7: bajo condiciones de carga baja y media, a medida que aumenta la cantidad de hidrógeno y oxígeno, las emisiones de CO muestran un aumento inicial seguido de un declive. Cuando la velocidad de rotación es de 1500rpm y el MAP es de 45kPa, las emisiones de CO aumentan gradualmente de 1890ppm a 3712ppm a medida que aumenta el contenido de hidrógeno y oxígeno, y comienzan a disminuir cuando el contenido de hidrógeno y oxígeno alcanza los 300ml/min. Cuando la velocidad de rotación es de 2000rpm y el MAP es de 45kPa, las emisiones de CO aumentan gradualmente de 1736ppm a 2237ppm, y comienzan a disminuir cuando el contenido de oxígeno alcanza los 300ml/min. Al principio, cuando el hidrógeno y oxígeno entran al motor, el combustible en el cilindro del motor se quema rápidamente, creando una zona pobre. La gasolina es propensa a producir CO cuando se quema en un ambiente pobre. A medida que aumenta la cantidad de hidrógeno y oxígeno, especialmente con el aumento en el contenido de oxígeno, la zona pobre se reduce o elimina, la combustión de la gasolina se vuelve normal y completa, y las emisiones de CO disminuyen rápidamente. Desde el análisis de datos experimentales, las emisiones de CO son menores en el rango de 300ml/min a 600ml/min de admisión de hidrógeno y oxígeno, siendo las más bajas cuando la producción de hidrógeno y oxígeno es de 450ml/min.
Como se puede ver en la Figura 3-8: bajo condiciones de carga media y alta, las emisiones de CO son exactamente opuestas a las condiciones de carga baja y media, a medida que aumenta el contenido de hidrógeno y oxígeno, las emisiones de CO muestran un declive inicial seguido de un aumento. Cuando la velocidad de rotación es de 1500rpm y el MAP es de 70kPa, las emisiones de CO disminuyen de 3890ppm a 2730ppm, y a medida que el contenido de hidrógeno y oxígeno alcanza los 600ml/min, las emisiones de CO comienzan a aumentar, con el aumento continuo en la admisión de hidrógeno y oxígeno, las emisiones de CO aumentan a 4788ppm. Cuando la velocidad de rotación es de 2000rpm y el MAP es de 70kPa, las emisiones de CO disminuyen de 3733ppm a 1932ppm, y cuando la concentración de hidrógeno y oxígeno se eleva a 450ml/min, las emisiones de CO comienzan a aumentar, y a medida que el contenido de hidrógeno y oxígeno aumenta aún más, las emisiones de CO aumentan a 3932ppm.
Bajo condiciones de carga media y alta, el motor tiene suficiente admisión, y no habrá zonas pobres en el cilindro durante la combustión. Con la introducción de hidrógeno y oxígeno para asistir la combustión, la gasolina se quema completamente, y las emisiones de CO se reducen. Sin embargo, a medida que aumenta la producción de hidrógeno y oxígeno, el consumo de energía del generador de hidrógeno aumenta, y el motor necesita rociar más combustible para mantener la salida de potencia. En este punto, las emisiones de CO rebotan y comienzan a aumentar.
3.NOx Emissions
As shown in Figure 3-9 and Figure 3-10, under low and medium load conditions, NOx emissions are proportional to the hydrogen and oxygen intake, and NOx emissions increase as the hydrogen and oxygen content increases. When the rotational speed is 1500rpm, NOx emissions increase from 737ppm to 3280ppm with the increase in hydrogen and oxygen content. When the rotational speed is 2000rpm, NOx emissions increase from 951ppm to 3780ppm as the hydrogen and oxygen content increases. The trend of NOx emissions under high load conditions is basically consistent with that under low load conditions. When the rotational speed is 1500rpm, NOx emissions increase from 2159ppm to 4370ppm with the increase in hydrogen and oxygen content. When the rotational speed is 2000rpm, NOx emissions increase from 2328ppm to 4530ppm as the hydrogen and oxygen content increases. The mixture of hydrogen and oxygen gas enters the engine to assist combustion, and the combustion temperature in the cylinder is higher than that of the original engine. The combustion of mixed gas is more likely to cause high temperature and high pressure conditions, and nitrogen gas will generate nitrogen oxides under high temperature conditions. Therefore, NOx emissions also increase with the increase in hydrogen and oxygen content.
Reducción de Emisiones con el Kit de Coche HHO
Uno de los beneficios significativos del uso de hidrógeno y oxígeno en motores de combustión interna es la potencial reducción de emisiones. Para evaluar el impacto del kit de coche HHO en las emisiones, medimos los niveles de monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC) producidos por el motor bajo varias condiciones.
Las emisiones de HC disminuyen primero y luego aumentan con el aumento del contenido de hidrógeno y oxígeno, siendo el valor más bajo de emisión cuando el contenido de hidrógeno y oxígeno es de 600ml/min. Las emisiones de HC se pueden reducir en un 30%.
Las emisiones de CO aumentan primero y luego disminuyen con el aumento del contenido de hidrógeno y oxígeno bajo condiciones de carga baja y media, siendo las emisiones más bajas cuando el contenido de hidrógeno y oxígeno es de 450ml/min; bajo condiciones de carga media y alta, las emisiones de CO disminuyen primero y luego aumentan, siendo las emisiones más bajas cuando el contenido de hidrógeno y oxígeno es de 450ml/min. Las emisiones de CO se pueden reducir en un 25%.
Conclusiones
Nuestra investigación sobre el rendimiento de los motores de gasolina HHO bajo condiciones fijas reveló varios hallazgos clave:
- La adición de hidrógeno y oxígeno al motor a través del kit de coche HHO conduce a un aumento en el par motor, resultando en una mejora del rendimiento de potencia.
- El kit de coche HHO mejora la eficiencia del combustible, lo que lleva a posibles ahorros de combustible para los propietarios de vehículos.
- El kit de coche HHO contribuye a una reducción significativa en emisiones dañinas, haciéndolo una solución amigable con el medio ambiente para motores de combustión interna.
- Nuestra investigación sobre el rendimiento de los motores de gasolina HHO bajo condiciones fijas reveló varios hallazgos clave:
Estos resultados demuestran que el kit de coche HHO puede ser una solución efectiva y práctica para mejorar el rendimiento del motor, la eficiencia del combustible y reducir las emisiones en motores de gasolina. Una mayor investigación y desarrollo de esta tecnología pueden ayudar a allanar el camino para una adopción más amplia en la industria automotriz, contribuyendo en última instancia a un transporte más limpio, más eficiente y más sostenible.
[1]Lucas G G, Richards W L. The hydrogen/petrol engine-the means to give good part-load thermal efficiency [C].SAE paper No. 820315, 1982.
[2]Saravanan N, Nagarajan G. An experimental investigation of hydrogen-enriched air induction in a diesel engine system [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(6): 1769一1775.
[3]Saravanan N, Nagarajan G, Sanjay G, et al. Combustion analysis on a DI diesel engine with hydrogen in dual fuel mode [J]. Fuel, 2008, 87(17一18): 3591-3599.
[4]Das L M. Hydrogen engine research and development in IIT Delhi [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2002, 27(9): 953-65.
