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| El hidrógeno representa una potencial alternativa a los combustibles convencionales o incluso a los combustibles sintéticos (e-fuels) en los que Porsche también cree, para poder sostener los motores de combustión más allá del plazo de 2035 impuesto por la Unión Europea. |
Actualmente se está trabajando en motores de hidrógeno en todo el mundo, pero estos están destinados principalmente a vehículos comerciales con una potencia específica relativamente baja, de alrededor de 50 kW por litro de cilindrada. "Para el sector de los automóviles de pasajeros, esto es insuficiente. Por lo tanto, hemos desarrollado un motor de combustión de hidrógeno que tiene como objetivo igualar la potencia y el par de los motores de gasolina de alto rendimiento actuales como un estudio conceptual. Al mismo tiempo, también buscamos lograr un bajo consumo de combustible y mantener las emisiones al mismo nivel que el aire ambiente", explica Vincenzo Bevilacqua, experto senior en simulación de motores de Porsche Engineering. "El punto de partida de nuestro estudio fue un motor de gasolina de ocho cilindros y 4.4 litros existente".
Las modificaciones del motor incluyeron una relación de compresión más alta y una combustión amigable con el hidrógeno, pero lo más importante, un nuevo sistema de sobrealimentación. “Para la combustión limpia del hidrógeno, los turbocompresores deben, por un lado, suministrar aproximadamente el doble de masa de aire que en los motores de gasolina. Sin embargo, por otro lado, las temperaturas más bajas de los gases de escape conducen a una falta de energía para su propulsión en el lado del escape”, explica Bevilacqua. Esto no se puede resolver con turbocompresores convencionales. Por lo tanto, Porsche Engineering ha investigado cuatro conceptos de sobrealimentación alternativos particularmente exitosos, algunos de los cuales provienen del contexto de los deportes de motor.
Los sistemas utilizados constan de varios turbocompresores asistidos eléctricamente, algunos de los cuales se combinan con válvulas de control adicionales en el sistema de aire o compresores accionados eléctricamente. "En los estudios de referencia, cada sistema de sobrealimentación mostró ventajas y desventajas específicas. Por lo tanto, elegir el concepto correcto depende en gran medida del perfil de requisitos del motor de hidrógeno en cuestión", explica Bevilacqua. Para el estudio de motor relevante, el equipo de desarrollo se decidió por un sistema de sobrealimentación con compresores back-to-back. La característica especial de este diseño es la disposición coaxial de dos etapas del compresor, que son impulsadas por la turbina o el motor eléctrico de apoyo mediante motores eléctricos. El aire fluye a través del primer compresor, se enfría en intercooler y luego se vuelve a comprimir en la segunda etapa.
Con una potencia de alrededor de 440 kW, el V8 de hidrógeno desarrollado por Porsche está a la par del de gasolina original. Para evaluar mejor el rendimiento del sistema de propulsión, Porsche Engineering lo probó en un vehículo de referencia del segmento de lujo con un peso total relativamente alto de 2650 kg en el Nordschleife de Nürburgring, aunque de forma totalmente virtual: el viaje se realizó utilizando lo que se conoce como gemelo digital, es decir, una representación computarizada del vehículo real. Con un tiempo de vuelta de 8 minutos y 20 segundos, el vehículo demostró un gran potencial en términos de dinámica de conducción.
Comparación de sistemas de turbocompresores
Debido a su composición química, cuando se quema el hidrógeno no se liberan hidrocarburos ni monóxido de carbono, ni las partículas juegan un papel, por supuesto. Por lo tanto, en términos de optimización de las emisiones del motor de hidrógeno, los expertos de Porsche Engineering se han centrado en los óxidos de nitrógeno. Durante extensos ciclos de optimización, adaptaron la estrategia operativa del motor para lograr la combustión más limpia posible. Su enfoque fue mantener bajo el nivel de emisiones de óxido de nitrógeno utilizando una combustión extremadamente pobre y, por lo tanto, más fría, lo que permite prescindir de un sistema de postratamiento de gases de escape.
"Resultó que las emisiones de óxidos de nitrógeno están muy por debajo de los límites establecidos por la norma Euro 7 actualmente en discusión y son cercanas a cero en todo el mapa del motor", informa Matthias Böger, ingeniero especialista en simulación de motores. en Ingeniería Porsche.
“Hemos conseguido así el objetivo que nos habíamos marcado: el desarrollo de un motor de hidrógeno limpio, económico y deportivo, a todos los niveles”, concluye Bevilacqua. El costo de un tren motriz de hidrógeno en serie podría ser comparable al de un motor de gasolina. Aunque el sistema de turbocompresor y una serie de componentes mecánicos del motor de hidrógeno son más complejos y, por lo tanto, más caros, el tratamiento posterior de los gases de escape requerido para el motor de gasolina según Euro 7 no es necesario.
Es poco probable que el motor de hidrógeno entre en producción en su forma actual, pero ese no era el objetivo del proyecto de todos modos. “El estudio nos permitió obtener información valiosa sobre el desarrollo de motores de hidrógeno de alto rendimiento y agregar modelos y métodos específicos de hidrógeno a nuestra metodología de simulación virtual”, dice Bevilacqua.
Fuente: Texto de Richard Backhaus, publicado en Porsche Engineering Magazine, número 2/2022
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