Minimización de la preignición en motores de combustión interna de hidrógeno (H2ICE)

Revista Lubes em Foco edición 98

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A medida que se intensifican los esfuerzos para lograr cero emisiones netas, crece el interés por el uso de combustibles alternativos con bajas o nulas emisiones de carbono en motores de combustión interna (MCI). El hidrógeno es una opción atractiva para aplicaciones de mayor tamaño, aunque presenta nuevos desafíos, siendo la preignición la principal preocupación para los fabricantes de automóviles. Carina Foster, tecnóloga de nuevas especificaciones para vehículos comerciales en Infineum, conversó con Insight sobre el reciente trabajo de desarrollo de lubricantes que está ayudando a minimizar el número de eventos de preignición en MCI alimentados con hidrógeno.
Para cumplir con sus compromisos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, los fabricantes de automóviles del sector del transporte buscan la transición de la quema de combustibles fósiles a fuentes de energía con bajas o nulas emisiones de carbono. En el segmento de vehículos comerciales, donde la electrificación de los sistemas de propulsión representa un desafío, existe un creciente interés en el uso de hidrógeno en motores de combustión interna convencionales (H2ICE). Esta configuración puede proporcionar la potencia, la eficiencia y la capacidad de carga necesarias para estas aplicaciones, y sus ventajas hacen que ya esté entrando en la fase de pruebas y comercialización. Si bien la falta de infraestructura de repostaje y la disponibilidad de hidrógeno verde han sido las principales barreras para su adopción, se están realizando importantes inversiones en estas áreas.

Inversión en capacidad e infraestructura

Durante los últimos cinco años, el Consejo del Hidrógeno informa de un crecimiento constante en la producción de hidrógeno limpio, con la mayor parte de los volúmenes producidos en Norteamérica y China.
Actualmente, Estados Unidos se centra en la producción de hidrógeno bajo en carbono, a menudo denominado «hidrógeno azul», impulsado por la Ley de Reducción de la Inflación (IRA) y los créditos fiscales asociados. En Europa, un gran número de proyectos se dedican a aumentar la capacidad de hidrógeno renovable «verde», impulsados por regulaciones y políticas. La región de Asia-Pacífico, liderada por China y cada vez más por India, se está consolidando como la región de mayor crecimiento en términos de instalaciones operativas de hidrógeno verde.
El rápido crecimiento de la producción de hidrógeno verde en China se debe a varios factores. Entre ellos, la alta capacidad de fabricación de electrolizadores (aproximadamente el 60 % de la producción total) y las economías de escala, así como la energía renovable de bajo coste. Es importante destacar que esto se sustenta en una sólida política gubernamental orientada a lograr la neutralidad de carbono y la descarbonización de los procesos industriales. Como resultado, el precio del hidrógeno verde en China es aproximadamente tres veces menor que en otros lugares, y se espera que el país produzca más hidrógeno verde que el resto del mundo en conjunto para 2026.

Según el Consejo del Hidrógeno, entre 9 y 14 millones de toneladas anuales de capacidad de hidrógeno limpio podrían entrar en funcionamiento para 2030, repartidas equitativamente entre capacidad renovable y baja en carbono. Sin embargo, los volúmenes finales dependerán de cuánta de esa capacidad pueda garantizar una demanda estable, probablemente respaldada por políticas públicas. Sin una demanda garantizada, el Consejo afirma que los proyectos de suministro permanecerán estancados.
En los últimos cinco años, también se ha observado un aumento constante en el número de estaciones de repostaje de hidrógeno (ERH).

De cara a 2030, aunque existe un alto grado de incertidumbre, los analistas sugieren que podría haber más de 6000 estaciones de almacenamiento de hidrógeno (HRS) en todo el mundo. Estas inversiones continuas en suministro e infraestructura hacen que el uso de hidrógeno en el sector de vehículos comerciales sea cada vez más viable.

Requisitos de lubricación

Una de las principales ventajas del desarrollo de motores de combustión interna que permiten a los vehículos comerciales funcionar con hidrógeno es la familiaridad con el hardware, lo que hace que la experiencia operativa y las habilidades de mantenimiento actuales sean relevantes durante mucho tiempo. Sin embargo, si bien los requisitos de lubricación de los motores de combustión interna diésel son bien conocidos, el uso de hidrógeno implica que los formuladores de lubricantes deberán abordar un nuevo conjunto de desafíos en este ámbito.

La acumulación de agua, la durabilidad, el desgaste y la compatibilidad con el sistema de postratamiento son factores importantes a considerar. No obstante, los fabricantes de equipos originales (OEM) afirman que la preignición es el desafío más importante a superar para facilitar la implementación exitosa de motores de combustión interna.

¿Qué es la preignición?

La muy baja energía de ignición del hidrógeno permite que el H2ICE experimente una ignición espontánea del combustible antes de la chispa, lo que también genera altas presiones dentro del cilindro. Este fenómeno, conocido como preignición, es más común en las condiciones de alta velocidad y alta carga que se encuentran en los vehículos comerciales.
Los problemas asociados con la preignición incluyen:

• • • Reducción de la potencia del motor
    • Menor eficiencia de combustible
    • Rendimiento inferior del motor
    • Experiencia de conducción deficiente para el conductor.

Sin embargo, el problema más importante es que los episodios graves de preignición pueden dañar los componentes del motor y potencialmente provocar una falla del mismo.
La preignición puede deberse a múltiples causas operativas y de hardware, como puntos calientes en la zona de combustión, gases de escape calientes y una mezcla inadecuada de hidrógeno y aire. Además, el lubricante puede desempeñar un papel importante, ya que los depósitos derivados del lubricante pueden aislar las superficies metálicas y crear puntos calientes. Sin embargo, se cree que la principal causa de la preignición derivada del lubricante proviene de las gotas de lubricante que se expulsan de los anillos del pistón hacia la cámara de combustión. Estas gotas pueden actuar como fuente de ignición mediante reacciones químicas exotérmicas, como la degradación química de los aditivos. La energía liberada es suficiente para encender la mezcla de hidrógeno y aire, lo que significa que la combustión se produce antes de la chispa.
La acumulación de agua, la durabilidad, el desgaste y la compatibilidad con el sistema de postratamiento son factores importantes a considerar. No obstante, los fabricantes de equipos originales (OEM) afirman que la preignición es el mayor desafío a superar para facilitar la implementación exitosa de los motores de combustión interna de hidrógeno (H2ICE) en el mercado.

La combustión directa del lubricante en sí no se considera la causa principal de la preignición. En la investigación, ni la temperatura de autoignición ni el punto de inflamación del aceite mostraron correlación con la tasa de preignición. El gráfico a continuación muestra que, a pesar de la pequeña variación tanto en el punto de inflamación como en la temperatura de autoignición de los cinco aceites analizados, se observó una gran variación en la tasa de preignición entre ellos. Estas pruebas sugieren que la composición química del lubricante tiene un impacto más significativo en la preignición que sus propiedades físicas.

Optimización de los métodos de prueba

La selección de las pruebas es fundamental para comprender claramente el impacto de los lubricantes en la preignición. Es importante, por ejemplo, asegurar que las pruebas minimicen la preignición derivada del hardware, ya que la optimización del lubricante difícilmente superará o mitigará sustancialmente las deficiencias del hardware o del funcionamiento del motor. Infineum utilizó dos métodos de prueba de preignición para investigar el impacto de la composición del lubricante en la preignición. Las pruebas difieren en varios aspectos, incluyendo el tamaño y tipo del motor, las condiciones de funcionamiento y, lo más importante, el método de suministro del aceite candidato.
En uno de los métodos de prueba, la preignición derivada del lubricante se produce como resultado de la eyección de aceite en la zona de combustión desde el conjunto de los anillos del pistón (“transporte natural de aceite”). En la otra prueba, conocida como método de dosificación de aceite, el aceite candidato se introduce artificialmente en la zona de combustión del motor a través del colector de admisión de aire. Ambos métodos de ensayo han demostrado ser estadísticamente repetibles y capaces de diferenciar de forma clara y comparable las formulaciones de lubricantes.

La preignición de hidrógeno es una novedad

Aunque son fenómenos similares, la preignición en motores de combustión interna de hidrógeno (H2ICE) no es igual que la preignición a baja velocidad de la gasolina (LSPI), que ha sido ampliamente estudiada. La preignición de hidrógeno se produce en un rango más amplio de condiciones del motor, y las respuestas de las formulaciones de lubricantes no son las mismas que las observadas para la LSPI. Esto significa que no se puede esperar que un lubricante formulado para minimizar la LSPI de la gasolina ofrezca la misma protección en un motor de hidrógeno, y viceversa. En nuestra opinión, es fundamental desarrollar un ensayo específico de preignición de hidrógeno para garantizar que los lubricantes se optimicen para proporcionar la protección necesaria en los motores H2ICE.

Using existing gasoline LSPI approaches may result in a lubricant with very poor H2 pre-ignition

Infineum ha realizado extensas pruebas de preignición. Mediante investigación fundamental, nuestros tecnólogos han desarrollado un profundo conocimiento de las diferentes contribuciones de diversas combinaciones de aditivos, aceites base y viscosidades. Este conocimiento permite el desarrollo de lubricantes optimizados con una amplia gama de composiciones. El análisis comparativo de la tecnología de lubricantes para vehículos pesados existente ha demostrado una gran variedad de capacidades, y algunas formulaciones presentan una fuerte capacidad de minimizar la preignición. Sin embargo, un desarrollo y reformulación a medida pueden garantizar un rendimiento óptimo de la preignición.

Lubricants with optimised pre-ignition can be formulated across a broad composition map

Si bien el tipo de aceite base puede tener un impacto significativo en la tasa de preignición, optimizar la formulación del aditivo es crucial. Una tecnología de aditivos robusta puede reducir el impacto negativo de un aceite base menos eficiente, lo que permite flexibilidad en la selección del aceite base, que puede estar determinada por la disponibilidad, el precio u otros criterios de rendimiento.

Enfoque para el desarrollo de lubricantes

Aunque el mercado de motores de combustión interna de hidrógeno (H2ICE) aún está en sus inicios, es difícil predecir qué demandará y valorará la industria en los lubricantes desarrollados específicamente para esta nueva aplicación. Infineum ha investigado tres enfoques principales: a medida, optimizado y adaptado al uso.

En nuestra opinión, es esencial que los lubricantes destinados al uso en H2ICE se evalúen en función de su capacidad de preignición. Los aceites para motores de servicio pesado existentes, diseñados para motores diésel de combustión interna, pueden ofrecer un rendimiento aceptable en H2ICE. Sin embargo, es probable que, a medida que los motores de hidrógeno se consoliden en el mercado, aumente la demanda de lubricantes formulados específicamente para esta aplicación. Infineum estará preparada con los productos químicos necesarios para respaldar la implementación de motores de hidrógeno.
No obstante, esta no es toda la historia sobre la lubricación de motores de hidrógeno. Infineum también está trabajando para evaluar otros beneficios de rendimiento que los lubricantes pueden ofrecer en este nuevo entorno.