ES1326221U - Sistema bi-fuel de combustion gas natural-hidrogeno - Google Patents

Abstract

Sistema bi-fuel de combustión gas natural-hidrógeno, destinado a acoplarse a un motor (1) de combustión interna, caracterizado por que comprende: - una toma de carga (2), destinada a conectarse a una estación de suministro de hidrógeno, - un filtro de hidrógeno (3), conectado a la toma de carga (2), - un depósito (4), destinado a almacenar hidrógeno, conectado a la toma de carga (4) a través del filtro de hidrógeno, - una válvula automática (5), conectada al depósito (4), - una válvula antirretorno (6), conectada a la toma de carga (2), - una válvula de corte (7), conectada al depósito (4), - un regulador de presión (9), conectado al depósito (4), - una centralita electrónica (10), encargada de inyectar la cantidad optima de hidrógeno al motor, - un conmutador (11), destinado a seleccionar la cantidad de hidrógeno a suministrar y a indicar la cantidad almacenada en el depósito (4), - una rampa de inyección (12), conectada al motor a través de los inyectores, - un sensor de presión y temperatura del hidrógeno (13), conectado a la rampa de inyección (12), - un sensor MAP (14) ubicado en el colector de admisión del motor (1), - una sonda lambda (15), conectada a un escape del motor (1), - una sonda de temperatura de escape (16), conectada al escape del motor (1), - un sistema de dilución de flujo del cárter de aceite (17), conectado a un cárter del motor(1), y - un sensor de temperatura del refrigerante (18), conectado a un circuito del refrigerante del motor (1), donde la centralita electrónica (10) está conectada a todos los elementos con capacidad de detectar la situación de la combustión del motor o de variar el flujo del hidrógeno.

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0004] SISTEMA BI-FUEL DE COMBUSTIÓN GAS NATURAL-HIDRÓGENO

[0006] OBJETO DE LA INVENCIÓN

[0008] La presente invención se refiere a un sistema bi-fuel que permite que un motor de combustión interna alternativo pueda funcionar al 100% no solo con gas natural sino también con hidrógeno.

[0010] El motor tiene la capacidad de operar en todo el rango de funcionamiento con gas natural o biometano y pasar a modo hidrógeno 100%, sin mezclar combustibles, permitiendo mantener el modo 100% gas natural / biometano en todo momento.

[0012] El campo de aplicación sería principalmente en vehículos terrestres, como camiones, furgonetas, autobuses y autocares que ya incorporen motores habilitados para funcionar con gas natural. Sin embargo, la tecnología también es aplicable a motores estacionarios como, por ejemplo, generadores, motobombas y, en general, todo tipo de motores térmicos que funcionen con gas natural y que sean de encendido provocado.

[0014] ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0016] En el estado de la técnica existen sistemas bi-fuel para convertir coches de gasolina a GNC/Biometano o Gasolina a GLP. Sin embargo, la conversión de un vehículo con motor de combustión a su uso con hidrogeno 100%, manteniendo la posibilidad de poder volver a funcionar con gas natural / biometano en cualquier momento es aún un salto que no ha sido abordado en el estado de la técnica.

[0018] Existen en el estado de la técnica vehículos con motor de encendido provocado, no sobrealimentado, para su operación con hidrógeno. Fabricantes conocidos de maquinaria, como JCB, o de vehículos ligeros, como Toyota, han presentado motores 100% de combustión de Hidrogeno, pero ninguno ha enfocado el desarrollo en un sistema que permita operar tanto en gas natural/biometano como en hidrógeno indistintamente, a partir del mismo motor.

[0019] DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

[0021] La presente invención viene a llenar este vacío posibilitando que un motor de combustión, sobrealimentado, de encendido provocado, que está diseñado para su uso con gas natural / biometano, funcione en modo bi-fuel, es decir, que también pueda funcionar con hidrogeno al 100%, en modo puramente ecológico, eliminando por completo las emisiones de CO2.

[0023] A diferencia del gas natural, el hidrógeno no contine carbono, por lo que un motor que utiliza hidrógeno como combustible elimina radicalmente la emisión de carbono a la atmosfera.

[0025] Este hecho permite obtener nuevos usos del hidrogeno, que actualmente se usa principalmente en la industria, teniendo muy poca representación en aplicaciones para movilidad.

[0027] La presente invención permite un despliegue masivo del uso del hidrogeno en camiones, autobuses, que ya sean de gas natural, cambiando esta situación de forma definitiva.

[0029] Desde el punto de vista técnico, la ventaja de este sistema con respecto a otras soluciones conocidas es:

[0031] - Permitir adaptar un motor de encendido provocado a un motor bi-fuel con la posibilidad de ser utilizado alternativamente con hidrogeno, sustituyendo el uso del gas natural por hidrógeno en un 100% sin necesidad de modificar el motor en sus órganos internos y permitiendo que el uso del motor tenga una configuración reversible, pudiendo alternar, siempre que sea requerido entre el uso como motor de gas natural o motor de hidrógeno.

[0033] De este modo, la invención se refiere a un sistema bi-fuel de combustión gas naturalhidrógeno, destinado a acoplarse a un motor de combustión interna, que comprende:

[0034] - una toma de carga, destinada a conectarse a una estación de suministro de hidrógeno,

[0035] - un filtro de hidrógeno, conectado a la toma de carga,

[0036] - un depósito/s, destinado/s a almacenar hidrógeno, conectado a la toma de carga a través del filtro de hidrógeno,

[0037] - una válvula automática, conectada al depósito,

[0038] - una válvula antirretorno, conectada a la toma de carga,

[0039] - una válvula de corte, conectada al depósito,

[0040] - un regulador de presión, conectado al depósito,

[0041] - una centralita electrónica, encargada de inyectar la cantidad optima de hidrógeno al motor,

[0042] - un conmutador, destinado a seleccionar la cantidad de hidrógeno a suministrar y a indicar la cantidad almacenada en el depósito,

[0043] - una rampa de inyección, conectada al motor a través de los inyectores,

[0044] - un sensor de presión y temperatura del hidrógeno, conectado a la rampa de inyección,

[0045] - un sensor MAP, ubicado en el colector de admisión del motor,

[0046] - una sonda lambda, conectada a un escape del motor,

[0047] - una sonda de temperatura de escape, conectada al escape del motor,

[0048] - un sistema de dilución de flujo del cárter de aceite, conectado a un cárter del motor, y

[0049] - un sensor de temperatura del refrigerante, conectado a un circuito del refrigerante del motor,

[0051] La centralita electrónica está conectada a todos los elementos con capacidad de detectar la situación de la combustión del motor o de variar el flujo del hidrógeno.

[0053] De forma preferente, el sistema de la invención comprende una pluralidad de depósitos, donde cada uno de los depósitos está conectado a los mismos elementos.

[0055] También de forma preferente, el motor está configurado para actuar alternativamente con gas natural, con hidrógeno y con una mezcla de los anteriores.

[0057] DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0059] Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

[0061] Figura 1.- Muestra un esquema general de la distribución y comunicación de los diferentes elementos del sistema de la invención.

[0062] A continuación se proporciona un listado de los diferentes elementos representados en las figuras con las referencias numéricas que llevan asociados:

[0064] 1. Motor.

[0065] 2. Toma de carga.

[0066] 3. Filtro de hidrógeno.

[0067] 4. Depósitos de hidrogeno.

[0068] 5. Válvula automática del depósito.

[0069] 6. Válvula antirretorno.

[0070] 7. Válvula de corte.

[0071] 8. Dispositivo de alivio de presión térmica.

[0072] 9. Regulador de presión.

[0073] 10. Centralita electrónica.

[0074] 11. Conmutador de gas natural-hidrógeno.

[0075] 12. Rampa de inyección.

[0076] 13. Sensor de presión y temperatura del hidrógeno.

[0077] 14. Sensor MAP.

[0078] 15. Sensor de presión y temperatura del aire.

[0079] 16. Sonda de temperatura de escape.

[0080] 17. Cárter de aceite.

[0081] 18. Sensor de temperatura del refrigerante.

[0082] 19. Tubos de hidrógeno a baja presión.

[0083] 20. Tubos de hidrógeno a alta presión.

[0085] REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

[0087] A continuación se describe, con ayuda de la figura, una realización preferente del sistema bifuel de combustión gas natural-hidrógeno según la presente invención.

[0089] La invención está enfocada a un sistema que se añade en paralelo, es decir, adicionalmente, a un motor (1) de combustión interna que utiliza gas natural, que queda intacto y totalmente operativo, para poder funcionar alternativamente con hidrógeno. Es decir, el motor (1) puede funcionar solo con gas natural, solo con hidrógeno o con una mezcla de gas natural con hidrógeno.

[0090] El proceso de conversión del motor (1) implica integrar los componentes del nuevo sistema al motor (1). Una vez instalados, junto a los depósitos (4), ya podría funcionar operando con hidrogeno.

[0092] La integración de los nuevos componentes al motor (1), se realiza por técnicos cualificados que tienen experiencia y que son perfiles de técnico electromecánico. A su vez los ingenieros programan el software, tanto de comunicación como de gestión motor (1).

[0094] Los sistemas se añaden sobre el motor (1), siguiendo siempre un procedimiento específico, más de la línea de montaje y ensamblaje.

[0096] A continuación se hace una descripción más detallada de cada uno de los componentes más importantes que incorpora el sistema de conversión de la invención.

[0098] La toma de carga (2) o unidad de llenado. Es el dispositivo mediante el que el vehículo se conecta con una estación de suministro de hidrógeno, también llamadas hidrolineras, para permitir que el hidrógeno pase hasta el sistema de almacenamiento del vehículo, normalmente los depósitos (4).

[0100] En el caso de los vehículos que usan hidrógeno, se instala siempre una toma de carga (2) que suele ser del tipo TN1, y que es unidireccional estación-vehículo, la estándar para estaciones de carga de hidrogeno comprimido a flujo normal. Incluye en su interior una válvula antirretorno (6), para evitar que el hidrógeno pueda salir hacia el exterior del sistema.

[0102] Es de vital importancia mantener la boca de la toma de carga (2) en zona segura (protegida, no expuesta a golpes) y siempre limpia, para evitar que entren partículas o se acumule suciedad.

[0104] El depósito (4). Es el encargado de recibir el hidrógeno en el proceso de carga a través de la toma de carga (2) y almacenarlo de forma segura en estado gaseoso y comprimido a 35 MPa o 70 MPa y temperatura ambiente.

[0106] Suele tener instalado, además:

[0107] - una válvula de corte (7), una válvula que tiene tanto un cierre manual como un cierre/apertura controlada por la centralita electrónica (10), con el objetivo de aislar el depósito (4) del resto del sistema, y

[0108] - un dispositivo de alivio de presión térmica (8) o TPRD, por sus siglas en inglés (Thermal Pressure Relief Device). Se trata de un elemento que permite evacuar el hidrógeno del depósito (4) ante una situación adversa o descontrolada, como una sobrepresión o incendio.

[0110] En función del tipo de vehículo, se pueden instalar dos o más depósitos (4) en paralelo, alimentando de forma común al motor (1), a través de una conexión común al regulador de presión (9) por la válvula automática (5) montada en cada depósito (4).

[0112] La válvula de corte (7) automática tiene la función tanto de no permitir al hidrógeno salir, para lo que incorpora un antirretorno que solo se abre durante el proceso de llenado, como de permitirle salir cuando la centralita electrónica (10) lo determine, mediante el accionamiento eléctrico del solenoide de 12 o 24 V, situado en la válvula, y que hace de llave de paso automática para alimentar el sistema de hidrógeno.

[0114] La válvula automática (5) dispone de una rosca cónica, que se conecta al cuello del depósito (4) de hidrógeno, y que debe ser roscada siguiendo los requisitos del fabricante, tanto en forma como en par de apriete.

[0116] A su vez, la válvula automática (5) dispone de un cierre manual/llave de paso, y de una entrada y salida de hidrógeno.

[0118] A su vez, la válvula automática (5) dispone de una válvula de alivio tipo PRD. En caso de que exista un incendio o temperaturas muy elevadas, dicha válvula de alivio PRD se fundirá, dejando salir el hidrógeno del interior del depósito (4).

[0120] Si el depósito (4) está en el techo del vehículo o de la cabina, los PRD (todos) tienen que estar colocados de manera que evacuen de forma vertical y hacia arriba.

[0122] El depósito (4) de hidrógeno es cilíndrico y puede ser de dos tipos. Unos trabajan a 35 MPa de presión y son de fibra y aluminio (Clase III). Otros trabajan a 70 MPa de presión y son de núcleo plástico, envueltos en fibra de carbono (Clase IV).

[0124] Los depósitos (4) se llenan por diferencia de presión y se fijan al vehículo con unos anclajes adecuados.

[0125] El filtro de hidrogeno (3). Está ubicado tras la toma de carga (2) y antes del depósito (4) de hidrogeno. Tiene la misión de evitar partículas que ensucien el depósito (4), así como el resto de tuberías y sistemas.

[0127] El filtro de hidrógeno (3) es un elemento clave en la durabilidad de los componentes como inyectores y los depósitos (4). Permite, en el caso del hidrógeno, filtrar las pequeñas partículas microscópicas que pueden haber entrado en el sistema debido al proceso de carga en la estación de carga mediante la toma de carga (2), así como en el depósito (4), tuberías, etc., por efecto de arrastre. Tiene posición de montaje para el sentido del flujo, que se encuentra claramente indicada en el cuerpo de este.

[0129] La válvula automática del depósito (5). Se trata de una válvula que tiene tanto un cierre manual como un cierre/apertura controlada por la centralita electrónica (10). Aísla el depósito (4) del resto del sistema. Una vez actuada por la centralita electrónica (10), el hidrógeno puede fluir hacia el regulador de presión (9). Si no está alimentada, el hidrogeno queda almacenado dentro del depósito (4).

[0131] La centralita electrónica (10), con su correspondiente cableado, encargada por medio de señales que recibe, de ajustar la cantidad de hidrógeno suministrada al motor (1), manteniendo siempre una relación adecuada para cada punto operativo.

[0133] La centralita electrónica (10) calcula, en base a los sensores instalados y otros del propio motor (1), la cantidad optima de hidrógeno a inyectar en función de carga del motor (1), régimen, temperatura, presión, etc.

[0135] Además, también se encarga de la gestión de las diferentes válvulas del sistema y cualquier elemento con el que haya que tomar una decisión en cuanto al hidrógeno.

[0137] Una característica especial del sistema de la invención es que la mayoría de señales son recogidas desde la unidad original del vehículo, en el CAN BUS, y la centralita electrónica (10), evitando cortar cableado o interferir señales.

[0139] Para la correcta gestión del motor (1), a diferencia de otros sistemas del mercado de conversión que emulan señales como la rampa de inyección de gas natural, el sistema de la invención no necesita dicha operación, sino que tiene otra estrategia de operación. En la invención se usa la propia lógica del motor (1), que de referencia tiene unos mapas definidos de riqueza.

[0141] Efectivamente, en la invención esto ocurre de forma diferente, siendo el proceso más limpio y avanzando, ya que los algoritmos indican un objetivo de inyección de hidrógeno y son estos valores los que se inyectan en función de la carga motor (1) y del régimen de giro. En el modo hidrogeno, es la unidad de mando de H2 la que teniendo en cuenta señales de la de Gas Natural, adapta y modula la inyección y otros parámetros, para inyectar Hidrogeno en la cantidad adecuada.

[0143] Entre otras ventajas, hace que el sistema original de combustión interna no falle, al no ser manipulado.

[0145] La centralita electrónica (10) también controla otros parámetros, como detonación, picado y otros aspectos de seguridad, como sensores de detección de fuga de hidrógeno, sistema de dilución de los gases del cárter, etc.

[0147] El conmutador de gas natural-hidrógeno (11). Es un botón conmutador que permite la selección de forma manual para activar y desactivar el modo bi-fuel, a la vez que hace de indicador de nivel de hidrógeno en el depósito/s (4). Está instalado en el interior del habitáculo del vehículo, libre de golpes, y de fácil visibilidad y accesibilidad desde el puesto de conducción. El conmutador está directamente conectado por el cableado con la ECU, y recibe la señal del estado del conmutador para saber si el sistema está apagado/encendido, o el nivel de hidrógeno disponible en los depósitos (4). Por defecto, al activar el sistema, el conmutador (11) está en modo activado para operar con hidrógeno.

[0149] El conmutador (11) incluye un buzzer, un zumbador, que también reportará de forma acústica si hay un problema en el sistema. En el caso de que el conmutador (11) no esté conectado o se rompa su conexión, el sistema dejará automáticamente de funcionar, por seguridad.

[0151] El regulador de presión (9). Está encargado de reducir la presión del hidrógeno almacenado en el depósito (4), hasta la presión de trabajo adecuada para la rampa de inyección. Incorpora una electroválvula que bloquea el paso de hidrógeno cuando el motor está parado o cuando el vehículo funciona en modo 100% combustión interna de hidrogeno por encendido provocado.

[0152] El regulador de presión (9) acondiciona la presión almacenada en el depósito (4) de hidrógeno, independientemente que sea de 35 MPa o de 70 MPa, para que sea adecuada a las condiciones de servicio necesarias en la rampa de inyección (12).

[0154] Dispone a su vez, de diferentes elementos:

[0155] - Cuerpo principal, donde están las membranas.

[0156] - Toma de entrada de hidrógeno, donde se conecta a los tubos de alta presión que provienen de los depósitos de hidrógeno

[0157] - Válvula de corte, que es alimentada por la centralita electrónica (10), y que debe tenerse en cuenta si se alimenta a 12V o 24V.

[0158] - Salida de emergencia. En caso de sobrepresión, el regulador (9) liberará la presión a la atmosfera.

[0159] - Salida hacia la rampa de inyección (12). Esta salida ya dispone del hidrógeno acondicionado a temperatura de servicio, así como a la presión adecuada (1 a 3 MPa).

[0160] - Toma de conexión para la sonda de temperatura, que le facilita información a la centralita electrónica (10) sobre la temperatura del hidrógeno en el sistema.

[0162] La rampa de inyección (12) integra los inyectores de hidrógeno, y está encargada de inyectar la cantidad de hidrógeno necesaria para el motor (1), según las indicaciones de la centralita electrónica (10).

[0164] Los inyectores son elementos eléctricos que permiten el flujo de hidrógeno de forma secuencial, para cada cilindro del motor (1).

[0166] El hidrógeno, acondicionado a presión y temperatura por el regulador (9), llega a la rampa de inyección (12), que consta de un rail común para mantener la misma presión en todos los inyectores, y de un inyector para cada cilindro, que recibe la señal eléctrica de apertura y cierre de forma secuenciada por la centralita electrónica (10) en función de las condiciones de servicio del motor (1) y carga del mismo.

[0168] Conectada a la rampa de inyección (12), hay sendos eyectores, que permiten la conexión con el múltiplo de admisión. Los orificios de cada inyector están calibrados, para cada tipo de motor (1) y son conectados al múltiplo de admisión, de forma individual, por tubos flexibles o rígidos.

[0169] Cada inyector debe conectarse al cableado, siguiendo las marcas adecuadas y en conjunto con su conector del cableado, que están identificados con una numeración secuencial, ya que cada uno está secuenciado a un cilindro.

[0171] El sensor de presión y temperatura del hidrógeno (13), situado en las rampas de inyección (12) de hidrógeno, se encarga de informar a la centralita electrónica (10) de los valores instantáneos de presión y temperatura del hidrógeno. Está situado en la rampa de inyección (12) de hidrógeno.

[0173] El sensor MAP (14) o de Presión Absoluta del Múltiple. Se sitúa en la zona de soplado del turbo. Se encarga de informar a la centralita electrónica (10) de los valores instantáneos de presión y temperatura del aire de la admisión. Está situado en el colector de admisión de aire en el motor (1), después del intercooler y antes de los cilindros. Es un elemento clave para la correcta regulación y dosificación del hidrógeno dentro de los cilindros, pues facilita a la centralita electrónica (10) datos como presión y temperatura del hidrógeno. En este caso, se usa el sistema original del motor, leyendo los parámetros, no integrando uno nuevo.

[0175] La centralita electrónica (10) utiliza dichos datos para conocer la presión de salida del regulador de presión (9) de hidrógeno, así como la temperatura del hidrógeno tras ser acondicionado en el regulador de presión (9).

[0177] La sonda Lambda (15) está encargada de medir la concentración de oxígeno en el escape y permitir conocer la riqueza de la mezcla tras la combustión dentro del motor.

[0179] La sonda de temperatura de escape (16) está destinada a medir la temperatura de los gases de escape.

[0181] El sistema de dilución de flujo del cárter de aceite (17). Con el fin de evitar acumulaciones de hidrogeno en el cárter, se posiciona un sistema que recupera los gases del cárter, que pueden tener un alto contenido de hidrógeno, y se diluyen con aire del exterior, bajando la concentración del % de hidrógeno hasta condiciones seguras. Se incluye un separador del aceite, que es reintroducido al motor (1).

[0183] El sensor de temperatura del refrigerante (18) tiene el objetivo de controlar la temperatura del refrigerante.

[0184] Además, el sistema también incorpora tubos de alta y baja presión.

[0186] Los tubos de hidrógeno a baja presión (19). Se trata de tubos que pueden ser tanto flexibles como rígidos, que permiten suministrar el hidrógeno desde la rampa de inyección (12) hasta el colector de admisión, a baja presión.

[0188] Los tubos de hidrógeno a alta presión (20). Son tubos de acero inoxidable de alta resistencia que permiten suministrar el hidrógeno desde el depósito (4) hasta el regulador de presión (9).

Claims (3)

1. REIVINDICACIONES

1. Sistema bi-fuel de combustión gas natural-hidrógeno, destinado a acoplarse a un motor (1) de combustión interna, caracterizado por que comprende:

- una toma de carga (2), destinada a conectarse a una estación de suministro de hidrógeno,

- un filtro de hidrógeno (3), conectado a la toma de carga (2),

- un depósito (4), destinado a almacenar hidrógeno, conectado a la toma de carga (4) a través del filtro de hidrógeno,

- una válvula automática (5), conectada al depósito (4),

- una válvula antirretorno (6), conectada a la toma de carga (2),

- una válvula de corte (7), conectada al depósito (4),

- un regulador de presión (9), conectado al depósito (4),

- una centralita electrónica (10), encargada de inyectar la cantidad optima de hidrógeno al motor,

- un conmutador (11), destinado a seleccionar la cantidad de hidrógeno a suministrar y a indicar la cantidad almacenada en el depósito (4),

- una rampa de inyección (12), conectada al motor a través de los inyectores, - un sensor de presión y temperatura del hidrógeno (13), conectado a la rampa de inyección (12),

- un sensor MAP (14) ubicado en el colector de admisión del motor (1),

- una sonda lambda (15), conectada a un escape del motor (1),

- una sonda de temperatura de escape (16), conectada al escape del motor (1), - un sistema de dilución de flujo del cárter de aceite (17), conectado a un cárter del motor (1), y

- un sensor de temperatura del refrigerante (18), conectado a un circuito del refrigerante del motor (1),

donde la centralita electrónica (10) está conectada a todos los elementos con capacidad de detectar la situación de la combustión del motor o de variar el flujo del hidrógeno.

2. El sistema bi-fuel de combustión gas natural-hidrógeno de la reivindicación 1, que comprende una pluralidad de depósitos (4), donde cada uno de los depósitos (4) está conectado a los mismos elementos.

3. El sistema bi-fuel de combustión gas natural-hidrógeno de la reivindicación 1, donde el motor está configurado para actuar alternativamente con gas natural, con hidrógeno y con una mezcla de los anteriores.