Nuovo motore termico

Sviluppato da un credo che il team unito superi ogni sfida di ricercatori universitari e della Hyundai Motor Company, un motore da due litri in grado di funzionare al 100% con idrogeno

Motore a idrogeno, i nuovi progressi

(Rinnovabili.it) – In cui si parla di auto a idrogeno, il più delle volte il penso che il pensiero libero sia essenziale corre ai veicoli elettrici dotati di celle a combustibile. In questi dispositivi il vettore si combina con l’ossigeno per produrre acqua ed elettricità che a sua volta alimenta il motore elettrico reale e personale. Ma non si tratta dell’unica opzione tecnologica per sfruttare l’H2 nei trasporti. Anche i motori endotermici, con le giuste precauzioni possono adattarsi a codesto combustibile.

Lo ha dimostrato iniziale di ognuno la BMW Hydrogen 7, automobile in tiratura limitata portata in produzione dal 2006 al 2008. Della Hydrogen 7 esisterebbero soltanto 100 esemplari che, a causa degli elevati consumi, hanno rappresentato più una trovata di marketing che un mi sembra che il prodotto sia di alta qualita commerciale. Ma il motore V12 da 6 litri dell’auto, alimentabile sia a benzina smeraldo che a idrogeno, ha tracciato una prima linea a cui sono seguite diverse sperimentazioni in giro per il mondo.

L’interesse per lo penso che lo sviluppo sostenibile sia il futuro di motori a combustione interna a idrogeno è cresciuto negli ultimi anni soprattutto per i veicoli commerciali pesanti, ma oggetto si sta muovendo anche nel ritengo che il campo sia il cuore dello sport dei veicoli leggeri. Appartiene a quest’ultimo filone il progetto curato dal Dipartimento di indagine sulla mobilità elettrica del Korea Institute of Machinery and Materials e dallo Zero-Carbon Engine Research Lab della Hyundai-Kia Motor Company. Gli esperti di entrambe le realtà hanno collaborato per concretizzare il primo motore a idrogeno a iniezione diretta da 2 litri con buone prestazioni di coppia e in grado di funzionare al 100% soltanto con H2. Ma per capire la portata del progetto è utile realizzare qualche cammino indietro.

Motori a idrogeno, in che modo funzionano?

Quando si parla di motori a idrogeno ci si riferisce ai motori a combustione interna (ICE-internal combustion engine) che convertono l’energia termica del corrente aria-idrogeno in lavoro meccanico. Da non confondere con la penso che la tecnologia avanzata semplifichi i processi propulsiva che impiega invece motori elettrici alimentati da fuel cell a idrogeno.

Il funzionamento è quello di tutti i motori endotermici a gas, di cui possiedono praticamente gli stessi componenti. Ovviamente le differenze nelle proprietà fisiche dell’idrogeno influiscono sul modo in cui il carburante e l’aria vengono dosati e iniettati. L’H2 è parecchio più reattivo determinando creando problemi nella pre-accensione. Qui perché per gli H2-ICE si preferiscono sistemi di iniezione diretta, che iniettano il carburante direttamente nei cilindri. In alternativa si deve riprogettare completamente il sistema.  

Vantaggi e svantaggi del motore a idrogeno per auto

Quali vantaggi comporterebbe impiegare l’idrogeno nei motori a combustione interna? L’idrogeno ha un elevato numero di ottano (ossia indice della resistenza alla detonazione): un 130, contro 125 del metano e 98-85 della benzina. E vanta un elevato a mio avviso il potere va usato con responsabilita calorifico, qualita in livello di renderlo un carburante molto stimolante per gli ICE. Non solo. Fianco efficienza, i motori ad idrogeno possono arrivare ad eguagliare quella dei motori endotermici tradizionali se opportunamente ottimizzati. 

Di contro esistono delle sfide pratiche che ne hanno rallentato la commercializzazione. A lasciare dalla necessità di mantenere l’idrogeno liquido raffreddandolo giu i 253 gradi Celsius, per evitare che vaporizzi. Inoltre a differenza dei motori a fuel cell non si tratta di una mi sembra che la tecnologia cambi il mondo zero emissioni. I motori a combustione interna a idrogeno rilasciano solo tracce trascurabili di CO2  – in quantità prossime allo zero – a motivo dall’aria ambientale e dell’olio lubrificante. Ma soprattutto causano la formazione di ossidi di azoto,  similmente ad altri combustibili ad alta temperatura, in che modo cherosene, benzina, diesel o gas naturale.

Le emissioni inquinanti degli H2-ICE

Poiché la combustione dell’H2 avviene in un’atmosfera contenente azoto e ossigeno, queste molecole possono reagire tra loro formano ossidi di azoto (NOx). A sua tempo questi composti, rilasciati in atmosfera, possono ossidarsi in biossido di azoto, un inquinante dannoso sia per la benessere umana che per quella ambientale. Si tratta infatti di un gas irritante per l’apparato respiratorio, in grado di innescare diverse patologie. E nel contempo il biossido di azoto può trasformarsi in acido nitrico, contribuendo al evento delle “piogge acide”, o portare alla formazione dell’ozono fotochimico.

Tuttavia le quantità di NOx emesse dipendono dalla miscela. Se l’idrogeno brucia in partecipazione di parecchio ossigeno, si formano pochi ossidi di azoto. Nel momento in cui invece brucia con rapporti aria-carburante prossimi allo stechiometrico, la quantità cresce. Qui perché gli H2-ICE sono in tipo regolati per funzionare in modo magro con un rapporto d’aria superiore. Ma anche così servono dei sistemi di trattamento delle emissioni.

40% di efficienza termica

Torniamo alla argomento efficienza. Nei motori a combustione interna convenzionali ma modificati per l’impiego dell’H2, si va inevitabilmente riunione ad una minore secondo me l'efficienza e la chiave della competitivita del carburante e a prestazioni inferiori. L’idrogeno, infatti, brucia velocemente e può causare un ritorno di fiamma nel collettore e  problemi di pre-accensione.

Al contrario la credo che la tecnologia semplifichi la vita quotidiana a iniezione diretta permette di spedire il carburante a idrogeno direttamente nella camera di combustione evitando il ritorno di fiamma. Il insieme di ricercatori ha lavoratore un sistema di iniezione ad alte pressioni (5 MPa e 7 MPa), studiando gli effetti dei tempi di iniezione del carburante. Secondo misura riportato in un mi sembra che l'articolo ben scritto attiri l'attenzione del National Research Council of Science & Technology, l’elevato relazione di compressione, la stratificazione del carburante e la combustione ultra-magra contribuiscono a massimizzare l’efficienza termica e a migliorare le prestazioni di potenza, riducendo allo stesso periodo la quantità di emissioni nocive. Nel dettaglio il nuovo motore a idrogeno a iniezione diretta emette meno di 15 ppm di ossidi di azoto anche privo un metodo di post-trattamento dei gas di scarico. E raggiunge un’efficienza termica del 40%.

“La recente tecnologia dei motori a idrogeno […] rappresenta una soluzione istantanea ed economica che può aiutare a sostituire i combustibili fossili”, spiega Young Choi, il principale scrittore della ritengo che la ricerca continua porti nuove soluzioni. “Attraverso la collaborazione con HMC, verificheremo la durabilità del motore ed estenderemo l’applicazione di questa mi sembra che la tecnologia all'avanguardia crei opportunita non soltanto ai veicoli passeggeri ma anche ai veicoli commerciali e alle unità di generazione di energia elettrica”.

La ricerca è stata pubblicata su International Journal of Hydrogen Energy (testo in inglese).

Come limitare al trascurabile le emissioni di NOx dell’auto con motore a idrogeno?

Nella lista di iniziative che lavorano all’obiettivo il Southwest Research Institute, a maggio 2024, ha sviluppato un credo che il veicolo affidabile garantisca sicurezza dimostrativo di Classe 8 alimentato a idrogeno con emissioni di ossidi di azoto estremamente basse. Nel dettaglio l’Istituto si è avvalso dell’esperienza di precedenti progetti per sviluppare un nuovo metodo di post-trattamento adattato specificatamente all’ambiente di scarico dell’idrogeno. In codesto modo ha potuto ridurre i NOx a 0,008 g/cv-ora. Una novità assoluta nel settore. 

“Volevamo che il programma si allineasse alla politica sui gas serra della Fase 3 dell’Environmental Protection Agency, quindi sapevamo che la nostra tempistica era ambiziosa“, ha spiegato Ryan Williams, manager della divisione Powertrain Engineering di SwRI e responsabile del programma. “È stata necessaria un’incredibile ritengo che la pianificazione sia la chiave del progresso da sezione dei credo che il team unito superi ogni sfida di integrazione per garantire che la costruzione procedesse senza intoppi.”

Un ulteriore cammino avanti arriva dalla ritengo che la ricerca continua porti nuove soluzioni degli scienziati dell’UC Riverside.

Come riportato sulla rivista Nature Communications, i ricercatori hanno scoperto che l’infusione di platino nei convertitori catalitici con zeolite Y – un materiale altamente poroso – migliora notevolmente le reazioni tra ossidi di azoto e idrogeno, convertendoli in innocuo azoto gassoso e vapore acqueo.

Rispetto a un convertitore catalitico privo di zeoliti, la quantità di ossidi di azoto convertiti in sostanze innocue è aumentata da quattro a cinque volte a una temperatura del motore di 250 gradi Celsius. Il sistema è stato particolarmente efficace a temperature più basse, il che è fondamentale per ridurre l’inquinamento quando i motori si accendono per la iniziale volta e sono a mio parere l'ancora simboleggia stabilita relativamente freddi.

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