Publicado em 02 de setembro de 2021 por Mecânica de Comunicação

Adição do hidrogênio em motores de combustão interna diminui emissões de poluentes

O hidrogênio tem mostrado ser uma alternativa de energia renovável a ser utilizada em veículos. O uso do hidrogênio em automóveis pode ocorrer através de dois métodos: células a combustível e hidrogênio alimentado em motores de combustão interna (MCI).

O segundo caso é atraente por inúmeras razões, sendo a mais importante, a possibilidade de contar com uma indústria madura e uma infraestrutura vasta de produção. Uma segunda vantagem reside na flexibilidade de combustível nestes motores, podendo ser executados com diferentes fontes de energia, desde que a unidade de controle do motor seja adaptada e a compatibilidade com os diferentes combustíveis seja assegurada. A possibilidade de MCI operarem com bicombustíveis (gasolina/diesel/etanol ou com hidrogênio puro) ou com misturas de combustíveis (gasolina-hidrogênio, diesel-hidrogênio ou etanol-hidrogênio) é muito importante. Esta característica é considerada essencial durante o período de transição, sendo a força motriz no sentido da consolidação de uma infraestrutura de hidrogênio.

Outra característica atraente do uso de hidrogênio em MCI refere-se aos requisitos mais baixos para sua pureza em comparação com as células a combustível, o que leva a um custo inferior do combustível. Além disso, o uso de hidrogênio nos motores de combustão interna não depende de materiais raros. As propriedades únicas de combustão de hidrogênio podem melhorar a eficiência térmica e níveis de emissão nos motores MCI, e pode ser útil para a economia de combustível.

O coeficiente de difusão do hidrogênio é maior do que dos demais combustíveis e, por esse motivo, pode-se afirmar que o hidrogênio aumenta a homogeneidade da mistura ar-combustível. Uma mistura mais homogênea proporciona uma combustão mais rápida e eficiente. Como consequência, tem-se um aumento na eficiência do motor e menores produções de fuligem e hidrocarbonetos não queimados resultantes do processo de combustão incompleta.

A velocidade de frente de chama do hidrogênio (265 a 325 cm/s) é maior do que do diesel (30 cm/s), da gasolina (37-43 cm/s) e do etanol (41 cm/s). Velocidades de frente de chama altas diminuem o período de combustão, permitindo ao motor operar com um grau mais elevado de combustão a volume constante e, portanto, muito mais perto de seu ciclo teórico. Como consequência, obtêm-se o aumento da taxa de queima de combustível, a diminuição da temperatura dos gases de escape e a possibilidade de se operar com pressões de cilindro superiores. Dessa forma, a adição de hidrogênio produz uma maior eficiência térmica do motor, um aumento da pressão média efetiva e um menor consumo de combustível.

A adição de hidrogênio em pequenas quantidades com outros combustíveis, tais como álcoois, gasolina ou diesel reduz o risco de pré-ignição, torna a operação do motor mais eficiente e pode diminuir as emissões de NOx em misturas pobres, sem perdas graves na potência do motor. Como são necessárias pequenas quantidades de hidrogênio, pode-se reduzir o tamanho do tanque de armazenamento e sua complexidade.

Finalmente, não é difícil converter um MCI para operar com o enriquecimento de hidrogênio. Um melhor desempenho dos motores alimentados com hidrogênio como combustível adicional tem sido relatado há alguns anos na literatura. Os pesquisadores Ji e Wang (2009) analisaram o efeito da adição de hidrogênio (3 e 6% em volume de ar alimentado), em um motor a gasolina com velocidade constante de 1400 rpm, em diferentes relações ar-combustível. Os resultados mostraram que, com a adição de hidrogênio, houve um aumento na eficiência térmica aproximadamente constante em todas as razões investigadas. As emissões de hidrocarbonetos (HC) e de dióxido de carbono (CO₂) também foram reduzidas pela adição de hidrogênio.

As informações foram extraídas da dissertação de mestrado Efeito da adição de hidrogênio produzido a partir de eletrólise alcalina no desempenho de um motor de combustão interna, defendida por Paula Cordeiro Rodrigues da Cunha, no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia, sob orientação dos professores João Jorge Ribeiro Damasceno e Luiz Gustavo Martins Vieira.