Como funciona um motor a gasolina impulsionado por hidrogênio

O carro-conceito recente da BMW, o Série 7 movida a hidrogênio, ainda é muito longe de chegar às concessionárias.

Enfrentando o custo cada vez maior da gasolina, os fabricantes de automóveis em todo o mundo estão trabalhando horas extras para melhorar a economia de combustível dos veículos de maneira econômica e, ao mesmo tempo, atender aos rígidos requisitos de emissões de hoje. Uma maneira promissora de aumentar a economia de combustível é adicionar hidrogênio à mistura combustível / ar em um motor convencional a gasolina. É chamado de motor a gás impulsionado por hidrogênio. No entanto, uma vez que o hidrogênio não está prontamente disponível em seu posto de gasolina local, vender um motor a gás impulsionado por hidrogênio não está na lista de qualquer fabricante de automóveis. Até agora, isso é.

Neste artigo, explicaremos uma nova tecnologia que utiliza um reformador a bordo de resposta rápida para gerar uma pequena quantidade de hidrogênio a partir da gasolina. Este hidrogênio é adicionado à mistura normal de ar / combustível do motor. Os motores projetados para funcionar com uma mistura de hidrogênio / gasolina podem ter um ganho de economia de combustível de 20 a 30 por cento, sem necessidade de controle de emissões nocivas de NOx, óxidos de nitrogênio. Nas próximas duas páginas, contaremos como funciona esse novo motor de economia de combustível e por que parece que tem potencial para se tornar uma tecnologia de economia de combustível viável. Abordaremos os seguintes problemas em relação a esta nova tecnologia:

• O que é um motor a gasolina impulsionado por hidrogênio? Uma pequena quantidade de hidrogênio feito a bordo pelo reformador é adicionada à mistura normal de ar e gasolina de admissão no motor do veículo. Isso melhora muito a qualidade geral da combustão, permitindo quase o dobro de ar para uma determinada quantidade de combustível introduzido na câmara de combustão. Isso é mais eficiente em termos de energia porque economiza energia ao reduzir a quantidade de bombeamento do motor necessária. Saiba o que os especialistas estão dizendo sobre esta nova tecnologia.

• O futuro dos motores a gás impulsionados por hidrogênioA corrida pela posição de liderança em economia de combustível começou. Onde o motor a gasolina impulsionado por hidrogênio se encaixará com outras tecnologias de economia de combustível, como carros híbridos, veículos movidos a etanol E85 e novos carros movidos a diesel limpo. Quanto gás ele economiza em comparação com outros veículos movidos a combustível alternativo? Os consumidores começarão a ver esse tipo de motor nos carros em um futuro próximo? Descubra nesta seção.

ArvinMeritor Este reformador de protótipo, montado próximo ao motor para teste em um V6 SUV, tem 18 polegadas de comprimento por 4 polegadas de diâmetro.

A tecnologia do motor a gasolina impulsionado por hidrogênio é nova e só agora está começando a emergir do laboratório. Oferece a perspectiva de uma forma econômica de produzir uma pequena quantidade de hidrogênio a partir da gasolina com um sistema de bordo projetado para isso. Inventado por cientistas do Massachusetts Institute of Technology e sendo aperfeiçoado pelo fornecedor da indústria automotiva ArvinMeritor em cooperação com a empresa de engenharia automotiva alemã IAV, este sistema pode fornecer uma alternativa econômica à tecnologia de célula de combustível e à combustão tradicional de gasolina e diesel motores. É possível que os motores impulsionados por hidrogênio possam preencher a lacuna entre os veículos movidos a gasolina de hoje e os veículos a célula de combustível do futuro.

Embora os veículos com células de combustível possam ser uma promessa de longo prazo, a realidade é que estão a anos de distância da produção em massa. Os críticos citam o alto custo das pilhas de células de combustível, questões de produção em massa de hidrogênio combustível e problemas gerais de abastecimento de combustível como os principais obstáculos. Alguns acreditam que pode levar décadas até que os veículos com células de combustível se tornem amplamente disponíveis. As montadoras europeias já se voltaram para motores diesel mais caros, mas seu custo e complexidade relacionada está aumentando com novos requisitos de emissões rígidos para controle de partículas e emissões de NOx.

As montadoras americanas que enfrentam a mesma preocupação com o diesel relutam em se comprometer com as enormes despesas exigidas pela mudança da gasolina para o diesel de custo mais elevado. Por exemplo, os consumidores atualmente têm que pagar cerca de US $ 3.000 a mais por um caminhão leve movido a diesel em comparação a um veículo convencional movido a gasolina. Isso aumentará no futuro para compensar os custos crescentes associados à garantia de que os veículos a diesel atendam aos regulamentos de emissões futuros. A EPA concedeu recentemente aos veículos a diesel uma pausa, facilitando os requisitos de NOx de curto prazo, mas apenas até 2009 e o requisito de emissões de alta quilometragem foi reforçado como uma compensação.

O que os especialistas estão dizendo

De acordo com especialistas da ArvinMeritor e os engenheiros executivos Rudy Smaling e Jens Beister da IAV, os fatos sobre um motor a gasolina impulsionado por hidrogênio e suas vantagens são claros.

Uma pequena quantidade de hidrogênio feita a bordo pelo reformador é adicionada à mistura normal de ar e gasolina de admissão. Isso melhora muito a qualidade geral da combustão, permitindo quase o dobro de ar para uma determinada quantidade de combustível introduzido na câmara de combustão. Isso é mais eficiente em termos de energia porque economiza energia, reduzindo a quantidade de bombeamento do motor necessária.

A eficiência do combustível também é obtida através do uso de taxas de compressão mais altas do motor, possibilitadas pelas características de carga ricas em hidrogênio. Um sistema de combustível impulsionado por hidrogênio também economiza energia devido à quantidade notavelmente baixa de energia elétrica necessária para alimentar o reformador. De acordo com os desenvolvedores, ele precisa de menos de 75 watts, que é menos do que as necessidades elétricas de um farol padrão.

Uma análise de veículo virtual aceita pela indústria com base em dados de teste de motor indicou o potencial para uma melhoria de 20 a 30 por cento na economia de combustível para uma versão reduzida com turbocompressor do motor impulsionado por hidrogênio em comparação com os motores convencionais a gasolina.

A seguir, explicaremos o que está reservado para essa tecnologia e onde os consumidores começarão a vê-la. 

Imagine um SUV de tamanho normal como o Toyota Sequoia [inferior] isso fica a economia de combustível de um grande sedan como o Ford Five Hundred [topo]. O reformador de hidrogênio poderia tornar isso uma realidade.

Os motores a gasolina impulsionados por hidrogênio têm o potencial de melhorar consideravelmente a economia de combustível. Um dos principais custos e vantagens ambientais do motor do sistema enxuto com aumento de hidrogênio são as baixas quantidades de gases de emissão de NOx, portanto, a eliminação completa da necessidade de controle externo de emissões de NOx. Atualmente, o controle de emissões de NOx é um grande problema de custo para motores diesel que usam armadilhas caras para atender aos padrões de emissões. As emissões de particulados de diesel também devem ser coletadas por um filtro que deve ser regenerado periodicamente.

Motores a gasolina impulsionados por hidrogênio não requerem NOx ou filtros de controle de partículas e requerem apenas um catalisador de oxidação de baixo custo para controlar pequenas quantidades de gases de escape (hidrocarbonetos não queimados) formados principalmente durante a partida do motor e o aquecimento inicial. Cortes adicionais nos requisitos de controle de emissões decorrem da capacidade do motor de usar apenas a carga enriquecida com hidrogênio limpo durante a fase de partida a frio, quando 90% das emissões são geradas no teste de emissões.

O sistema de aumento de hidrogênio é efetivamente uma tecnologia integrada que pode ser adicionada ao compartimento do motor de um veículo existente. De acordo com os desenvolvedores, o custo do sistema é menos da metade do custo adicionado para diesel. Os custos de produção da indústria automotiva dos EUA para ferramentas a diesel para substituir os motores a gasolina são enormes e seriam difíceis para os fabricantes dos EUA que atualmente lutam com dificuldades financeiras.

Um protótipo de motor impulsionado por hidrogênio está agora sendo instalado em um SUV equipado com V6 que tem espaço livre suficiente para o reformador e seu sistema relacionado. O início dos testes de estrada de longo prazo para informações de desempenho, confiabilidade e durabilidade está planejado para o final deste ano, com o primeiro marketing de aplicativo de produção previsto para 2010.

Os dados de desempenho gerados durante a fase inicial de testes certamente serão observados intensamente por praticamente todos os envolvidos com questões ambientais automotivas e de energia, em parte porque o sistema está associado à palavra da moda "hidrogênio".

No topo da lista de partes interessadas estão os fabricantes de grandes SUVs e vans para os quais os reguladores do governo estão buscando uma média de milhas por galão 10% mais alta em comparação com o nível de 2007 de 22,2 mpg. O novo nível de 24,1 mpg deve ser aderido até 2011.

Os veículos de quatro cilindros provavelmente também serão os principais candidatos para a tecnologia, já que os altos preços da gasolina continuam a gerar concorrência entre os modelos de alta economia de combustível que buscam a liderança no motor. Um fator que contribui para o mercado de carros compactos pode ser uma preocupação com o custo da vida útil do veículo híbrido devido à complexidade do sistema e substituição da bateria, relatada em alguns casos como sendo de até US $ 5.000. Isso só agora está começando a se refletir em baixos valores de revenda, já que os primeiros híbridos de produção atingem alta quilometragem.

O motor impulsionado por hidrogênio não estará sozinho, no entanto, na corrida pela posição de liderança na economia de combustível. Motores avançados de válvula variável com injeção direta turboalimentada, motores a diesel common-rail, híbridos e veículos flex-fuel estão todos competindo pela atenção da montadora na corrida pela economia de combustível.

Nenhuma dessas tecnologias pode se orgulhar de todas as vantagens do motor impulsionado por hidrogênio, a saber, economia de combustível dramaticamente aumentada, controle mínimo de emissões e economia geral. No final, será necessária uma combinação de muitas tecnologias para atender à sede desta nação por liberdade de direção, mas é provável que ouviremos muito mais sobre o motor movido a hidrogênio no futuro.