Motoarele cu ardere interna pe hidrogen: Uzura și lubrifianții

Motoarele cu ardere internă pe bază de hidrogen prezintă provocări semnificative, în special în ceea ce privește uzura și lubrifierea.

Hidrogenul este un combustibil atractiv datorită densității sale mari de energie. Un kilogram de hidrogen generează prin ardere aproape la fel de multă căldură precum arderea a trei kilograme de benzină.

De asemenea, hidrogenul nu este toxic. Nu este un gaz direct cu efect de seră (totuși cu alte efecte secundare specifice). Nu contaminează solul și apa în cazul unor scurgeri sau deversări.

Utilizarea hidrogenului în motoarele cu combustie internă (HICEV) este o alternativă promițătoare. Există însă și provocări. Arderea hidrogenului în combinație cu aerul generează temperaturi foarte ridicate. Acest lucru duce la formarea de oxizi de azot (NOx) în cantități semnificative, pe lângă apă.

Pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot se pot folosi sisteme de filtrare pe sistemul de eșapament. Tendința însă este de a reduce producerea lor la sursă prin creșterea cantității de aer care participă la procesul de ardere. Astfel se reduce temperatura de ardere și cantitatea de oxizi produsă este neglijabilă (funcționare tip ”running lean”).

Când motorul funcționează la temperaturi scăzute, are nevoie de mai mult timp pentru a ajunge la temperatura optimă de operare. Acest lucru menține uleiul și alte componente la temperaturi scăzute. Dacă motorul rămâne sub 100° C pentru o perioadă îndelungată, apa produsă în timpul arderii se poate condensa pe pereții cilindrului.

VEZI ȘI: Defecțiunile neprevăzute ale rulmenților motoarelor mașinilor electrice

Această apă acumulată poate provoca probleme serioase, cum ar fi oxidarea pereților cilindrului, ceea ce duce la uzură accelerată. Această uzură poate afecta etanșeitatea segmenților pistonului, reducând astfel eficiența arderii și, în final, scăzând puterea motorului.

În plus, prezența apei va duce și la diluarea uleiului de motor. Consecințele sunt grave în ceea ce privește protecția la coroziune și capacitatea acestuia de a reduce frecarea și uzura.

Autovehiculele echipate cu motoare cu ardere internă pe hidrogen (HICEV) oferă avantaje semnificative, în special datorită costurilor de producție mai mici, realizate prin reutilizarea tehnologiei existente din motoarele convenționale. Totuși, acestea au un randament scăzut, de doar 25 – 30%, ceea ce reprezintă un dezavantaj major comparativ cu vehiculele electrice cu pile de combustie (FCEV), care beneficiază de o eficiență energetică mult mai mare.

Utilizarea lor necesită rezolvarea unor dificultăți tehnice. Îndeosebi în ceea ce privește reducerea coroziunii sau dezvoltarea unor lubrifianți capabili să își păstreze performanța în prezența apei.

Lubrifianții reprezintă soluția accesibilă

Lubrifianții reprezintă o soluție accesibilă și rapidă pentru a adresa provocările legate de arderea hidrogenului în motoare. Cercetările în acest domeniu sunt în plină desfășurare. Spre deosebire de benzina sau motorina, arderea hidrogenului are un impact asupra peliculei de lubrifiant de pe pereții cilindrului. În plus, hidrogenul poate interacționa cu moleculele lubrifiantului și ale aditivilor. Astfel le modifică proprietățile.

Acest lucru se aplică, de exemplu următoarelor proprietăți: vâscozitate, capacitatea de reducere a spumării, protecția la oxidare. Poate duce la o schimbare considerabilă a funcționalității și performanței uleiului. Și simpla dizolvare a hidrogenului in lubrifiant ii poate modifica proprietățile. Prezența apei în ulei contribuie de asemenea la scăderea dramatică a performanței. Duce la creșterea uzurii la nivelul atât a segmenților pistonului cât și la nivelul lagărelor arborelui cotit sau ale arborelui cu came.

Prezența apei în ulei reduce protecția componentelor împotriva uzurii. Pentru noile generații de lubrifianți, se urmărește îmbunătățirea proprietăților acestora prin aditivare. Printre proprietățile vizate se numără: solubilitatea gazelor și a apei, variația densității și vâscozității în funcție de conținutul de apă, precum și în funcție de presiune și temperatură. De asemenea, se vor îmbunătăți capacitatea de măsurare a tensiunii superficiale la interfața ulei/apă, rezistența la oxidare în prezența apei și rezistența la nitrare.

Există și soluții care să elimine necesitatea unui lubrifiant pentru contactul între piston și cilindru.

Tehnologia compresoarelor cu piston fără lubrifiere are un rol esențial în industrie. Aceste sisteme utilizează soluții de etanșare bazate pe garnituri de piston fabricate din polimeri armați cu fibre. Compozitele de tip PPS au fost deja implementate cu succes în aplicații tribologice, oferind o rezistență mecanică și o durabilitate la uzură deosebit de ridicate. În plus, includerea lubrifianților solizi poate spori considerabil performanța tribologică a acestor compresoare.