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XII Conferencia Internacional de Ingeniería Mecánica

COMEC 2025

VII Simposio de Diseño e Ingeniería asistida por computadora, Biomecánica y Mecatrónica

El hidrógeno como alternativa prometedora de combustible en motores de combustión interna

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Resumen

La reducción o eliminación completa de las emisiones de CO₂ y otros contaminantes en el sector del transporte es un tema central tanto para la industria como para las políticas medioambientales. Para garantizar el cumplimiento de la legislación sobre emisiones, los combustibles alternativos desempeñan un papel cada vez más relevante en la disminución de los gases de escape. Una vía potencial para erradicar rápida, sostenible y económicamente las emisiones en el transporte es el uso de un motor de combustión interna moderno alimentado con hidrógeno (H₂). El hidrógeno, al ser un combustible libre de carbono, representa una alternativa significativa a los combustibles convencionales y puede desempeñar un papel clave para afrontar los retos de la transición energética. Además, se espera que el hidrógeno contribuya de manera destacada a la ideología de cero emisiones y la descarbonización sostenible del transporte.

La inyección de hidrógeno en el motor de combustión se realiza de forma análoga a la de los combustibles convencionales. Se distinguen dos procesos básicos. El combustible puede inyectarse mediante inyección multipunto (MPI), ya sea en la admisión o en el colector, o directamente en la cámara de combustión (DI: inyección directa). El comportamiento del hidrógeno como combustible es considerablemente más complejo que el de los combustibles tradicionales. Debido a su alta inflamabilidad, se requieren mayores exigencias en el sistema de encendido y en el diseño de la cámara de combustión. En la MPI con formación de mezcla externa pueden ocurrir contrallamas como anomalías de combustión provocadas por la formación de puntos calientes locales. Estas contrallamas han de evitarse. Este fenómeno se caracteriza por la ignición de la mezcla aire-combustible en sentido inverso, es decir, hacia el conducto de admisión. Además, dada su menor densidad, el hidrógeno inyectado desplaza el aire en el colector de admisión. Esta situación se debe a la fuerte expansión del hidrógeno tras su inyección. En consecuencia, la eficacia volumétrica del motor se ve reducida.

Asimismo, con el hidrógeno se pueden alcanzar ventajas de rendimiento en comparación con la combustión en motores de gasolina. La potencia específica aumenta en un 15 % con combustión estequiométrica, utilizando hidrógeno criogénico y formación de mezcla externa, y hasta en un 17 % con inyección directa de hidrógeno. A diferencia de la MPI, con la inyección directa de H₂ y formación de mezcla interna se elimina la pérdida por llenado. Para aprovechar al máximo el potencial de eficiencia, resulta por tanto ventajoso inyectar el hidrógeno directamente en la cámara de combustión. Esto proporciona ventajas decisivas en eficiencia para vehículos con altos requisitos de rendimiento, especialmente frente a la conducción con pila de combustible o con motores de combustión convencionales.

Abstract

The reduction or complete elimination of CO2 emissions and other pollutants in the transport sector is a central issue for both industry and environmental policy. To ensure compliance with legislation for emissions [1], alternative fuels are playing an increasingly important role in reducing exhaust emissions. One possible method to rapidly, sustainably and cost-efficiently decimate emissions in the transport sector is a modern internal combustion engine that runs on hydrogen (H2). Hydrogen, as a carbon-free fuel, represents a meaningful alternative to conventional fuels and can be used as a key element in overcoming the challenges of the energy transition. Furthermore, hydrogen can be expected to make a remarkable contribution to the ideology of zero emission and the sustainable decarbonization of the transport sector.

The injection of hydrogen into the combustion engine is the same as with the conventional fuel. A distinction is made between two basic processes. The fuel can be injected either through Multi-Point-Injection (MPI) into the intake, manifold or directly into the combustion chamber (DI: Direct-Injection). The behaviour of hydrogen as a fuel in the combustion engine is far more complicated than that of conventional fuels. Due to the high ignitability of hydrogen, higher demands are placed on the ignition system and the combustion chamber design. In MPI with external mixture formation, backfires can occur as combustion anomalies caused by local hotspot formation. These backfires must be prevented. Backfiring is characterized by the ignition of the fuel-air mixture back into the intake duct. Furthermore, due to its lower density, the injected hydrogen displaces the air in the intake manifold. This is caused by the strong expansion of the hydrogen, after it has been injected into the intake manifold. As a result, the volumetric efficiency of the combustion engine is reduced.

Furthermore, performance advantages can be achieved with hydrogen in comparison to petrol engine combustion. The specific power is increased by 15 % with stoichiometric combustion using cryogenic hydrogen and external mixture formation, and by 17 % with direct injection of hydrogen [2, 3]. In contrast to MPI, the filling loss is avoided with H2 direct injection and internal mixture formation. To exploit the full efficiency potential, it is therefore advantageous to inject hydrogen directly into the engine combustion chamber. These results in decisive advantages in efficiency for vehicles with high performance requirements compared to driving with fuel cells or with the conventional combustion engine [4].