Mentrestant les cel·les de combustible es presenten com el futur en quan a font d'energia sostenible i neta per al sector del transport, els avenços sobre motors de combustió interna d'hidrogen i motors, basats en mescles d'hidrogen/hidrocarbur, estan patint canvis importants.
En el sector marítim on són utilitzats els motors dièsel, tan per a la propulsió com per a la generació d'electricitat, seria aplicable la tecnologia de combustió conjunta dièsel-hidrogen aprofitant els motors ja existents.
1. Mètodes d'Introducció de l'Hidrogen al Motor
.Existeixen diferents maneres d'introduir el combustible a la cambra de combustió:
CARBURACIÓ o ENRIQUIMENT D'HIDROGEN
Aquesta tècnica consisteix en l'enriquiment de l'aire mitjançant un carburador de venturi/gas.
A més a més de ser el mètode més simple, és el que millor permet passar d'un motor de benzina a un motor d'hidrogen, amb el ventall dual intermig.
Un altre avantatge que suposa utilitzar la carburació d'hidrogen en un motor de combustió interna és que no es requereix una pressió de subministre del combustible tan elevada com en altres mètodes d'admissió de l'hidrogen.
L'inconvenient de la carburació es que resulta més susceptible a combustions irregulars, problemes de pre-encesa i retrocés de flama. Així mateix, a major quantitat de mescla aire/hidrogen dins del conducte d'admissió més problemes i efectes de les pre-enceses.
INJECCIÓ INDIRECTA: Sistemes d'injecció per conducte o col·lector d'admissió d'aire.
El plantejament per a la introducció de l'hidrogen per a motors d'encesa per compressió, és diferent: La introducció del combustible alternatiu, no es pot realitzar mitjançant el carburador o un adaptador d'aquest perquè no en disposa. Independentment on s'ubiqui la introducció del nou combustible, s'haurà de sol·licitar disposar d'un injector capaç de subministrar el nou combustible dins de la cambra de combustió.
L'hidrogen pot ser injectat en el conducte d'admissió utilitzant injectors, ja siguin operats mecànica o electrònicament.
Si els injectors són accionats mecànicament, es podria parlar d'injecció a volum constant, CVI (Constant Volume Injection). Aquests sistemes utilitzen un dispositiu mecànic accionat per lleves per escollir l'instant en el qual s'ha d'injectar l'hidrogen en cada cilindre. El sistema CVI utilitza la sincronització constant i una pressió variable en el conducte del combustible.
Els injectors electrònics per la seva banda, tenen un disseny més robust amb un major control sobre els temps d'injecció i la seva durada. A més a més, resulten més adequats per a funcionar en condicions d'alta velocitat.
Quan s'utilitzen sistemes electrònics per al control dels moments d'injecció, es parla de sistemes d'injecció de combustible, EFI (Electronic Fuel Injection). Aquest tipus d'injecció calcula la quantitat d'hidrogen que s'ha d'introduir en cada cilindre.
Aquest sistema utilitza injectors electrònics de combustible individuals (vàlvules solenoides) per cada cilindre i utilitzen una sincronització variable i una pressió constant al conducte de combustible.
La posició de l'injector, és a dir, en el col·lector o conducte, determinarà si el tipus d'introducció del carburant al cilindre es tracta de PFI (Port Fuel injection) o MFI (Mainfold Fuel Injection).
Es tracta d'un PFI si es realitza la injecció just en els orificis abans de la vàlvula d'admissió de cada cilindre. Per una altra banda, els sistemes MFI injecten l'hidrogen bastant abans de la vàlvula, en el col·lector anterior als conductes individuals de cada admissió, on es repartirà la mescla cap els cilindres.
Per ambdós sistemes, la font d'encesa de l'hidrogen serà el combustible dièsel.
La pressió de subministre a l'entrada per l'orifici d'admissió tendeix a ser major que en un sistema de carburació o en un sistema d'injecció central, però menor que en els sistemes d'injecció directa.
Un altre avantatge de la injecció davant la carburació es que els temps d'injecció són més adequats, podent-se eliminar els problemes de pre-enceses i de retorn de flama. Això es degut a que normalment, el combustible s'injecta al conducte després de l'inici de la carrera d'admissió. D'aquesta manera es redueixen les possibilitats de que es produeixi la pre-ignició de l'hidrogen, doncs l'aire que hagi entrat a la cambra de combustió haurà refredat una mica el recinte i per tant, tots aquells punts o zones calentes que podrien comportar-se com a font d'ignició.
En aquest sistema, l'aire subministra al motor per separat a l'inici de la carrera d'admissió, per, com ja s'ha mencionat anteriorment, diluir els gasos residuals i refrescar qualsevol punt calent que hagi pogut quedar. Com que en el conducte d'admissió hi haurà menys gas a qualsevol instant, qualsevol pre-encesa que es produeixi serà molt menys greu.
INJECCIÓ DIRECTA (In-cylinder Injection)
En els sistemes d'injecció directa, l'hidrogen es injectat directament dins la cambra de combustió a la pressió requerida al final del temps de compressió.
Com que l'hidrogen té una difusió ràpida, la mescla d'hidrogen s'encén instantàniament. Sol ser un sistema que utilitza per l'encesa simultàniament tan la compressió com la bugia.
Mitjançant injecció directa s'obtenen rendiment majors que amb els sistemes Port Injection i els sistemes Mainfold, essent el que major eficiència té.
Existeixen dos tipus d'injectors utilitzats en els sistemes d'injecció directa.
Un d'ells, és l'injector directe de baixa pressió o LPDI (Low-Pressure Direct Injector). Els injector de baixa pressió injecten el combustible tan aviat com la vàlvula d'admissió es tanca i on la pressió dins del cilindre és baixa.
L'altre es l'injector directe d'alta pressió o HPDI (High-Pressure Direct Injector). Els injector directes d'alta pressió realitzen injecció al final de la carrera de compressió, on la pressió dins el cilindre és alta.
El major problema relacionat amb l'ús dels sistemes d'injecció directa es que aquests haurien de suportar una temperatura de combustió molt alta, per evitar la corrosió de l'injector causada pels gasos d'escapament. La lubrificació d'aquest tipus d'injectors també fa més complicada la implementació d'aquests.
2. Sistemes Duals de Combustió
.Els sistemes duals consisteixen en utilitzar o bé, quantitats relativament petites d'hidrogen per a modificar les característiques de la combustió i de les emissions del motor, o bé utilitzar quantitats majors d'hidrogen, inclús, com a font principal d'energia, i controlar l'encesa mitjançant la injecció dièsel dins de la cambra de combustió.
L'hidrogen donarà problemes per a l'encesa en motors d'encesa per compressió en solitari, sense ajuda elèctrica. Aquests problemes es donen per la diferencia de temperatura d'ignició del dos combustibles.
L'hidrogen té una auto-ignició a la temperatura de 585º C, mentrestant el dièsel la té de 252º C. Així doncs, al necessitar una major temperatura per a que es doni l'auto-ignició en el cas de l'hidrogen, la solució passa per requerir en instal·lar una font d'encesa per a cremar en un motor de compressió. El dièsel amb la temperatura d'auto-ignició més baixa, en els sistemes duals, es pot usar com a combustible per encendre l'hidrogen.
Moltes investigacions s'han dirigit cap al desenvolupament de combustibles alternatius. Alguns dels combustibles alternatius que s'han utilitzat per reemplaçar els combustibles a base de petroli inclouen olis vegetals, alcohols, gas liquat de petroli (GLP), el gas natural liquat (GNL), gas natural comprimit (GNC), gas, bio gas pobre, hidrogen, etc.
En aquest context, l'hidrogen (H2), un combustible gasós no carbonífer i no tòxic, ha atret gran interès i té un enorme potencial. L'H2 és només un dels molts combustibles alternatius possibles que es poden derivar de diversos recursos naturals. En un encesa per compressió (IC) del motor, però, l'H2 no es pot utilitzar directament per la seva major temperatura d'auto-ignició, però que pot ser utilitzat en la manera de combustible dual.
El concepte de l'ús de l'hidrogen com a combustible alternatiu per a motors dièsel és recent. La temperatura d'auto-ignició d'hidrogen és 858 K, cosa que fa que l'hidrogen no es pot utilitzar directament en un motor d'encesa sense una bugia o bugies incandescents. Això fa que l'hidrogen sigui no aptes com a combustible exclusiu per a motors dièsel (Barreto, L., A. Makihira, K. Riahi, 2003). Un mètode alternatiu és l'ús d'hidrogen en l'enriquiment o la inducció, en què el dièsel s'utilitza com a combustible pilot per a la ignició.
Com l'hidrogen és un gas, es barreja bé amb l'aire, el que resulta en una combustió completa. Motors d'hidrogen enriquit produeixen aproximadament la mateixa potència de frenada i una major eficiència tèrmica dels motors dièsel en tot el rang d'operació (Buckel, JW, S. Chandra, 1996; Haragopala Rao, B., et al, 1983).