ImplementaciondeunsistemageneradordehidrogenoenunMEP

•

Artes

Jhonatan Rivera

22/1/2024

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Ingeniería Mecánica

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

INSTALACIÓN DE UN GENERADOR DE HIDRÓGENO EN UN
MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA PARA REDUCIR LA
CONTAMINACIÓN.

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

LUIS ARMANDO CAIZA QUISHPE

DIRECTOR: ING. CESAR PADILLA

Quito, Junio 2015

DECLARACION
Yo LUIS ARMANDO CAIZA QUISHPE, declaro que el trabajo aqul descrito
es de ml autorla; que no ha sido previamente presentado para ningUn grado
o calificaciôn profesional; y, que he consultado las referencias bibliograficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnolôgica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, segUn 10 establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
LUISIARMP¼NDO CAIZA QUISHPE
CI. 100286102-7
CERTIFICACION
Certifico que el presente trabajo que Ileva per tItulo "lnstalaciôn de un
generador de hidrógeno en un motor de combustion interna para reducir la
contaminaciOn", que, para aspirar al tItulo de Ingeniero Automotriz fue
desarrollado por Luis Armando Caiza Quishpe, bajo mi direcciOn y
supervisiOn, en la Facultad de Ciencias de la Ingenierla; y cumple con las
condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de TitulaciOn artIculos
l8y25.
Ing. Cesar Padilla
DIRECTOR DEL TRABAJO
0.1.1700493925

DEDICATORIA

A mis padres que con amor, esfuerzo, paciencia y sacrificio lograron mantener
en mí su ejemplo de vida, su apoyo económico-moral, me permitieron culminar
una meta muy importante en mi vida, después de tantos años de sacrificio y
entrega en la carrera de Ingeniería Automotriz.

A mis abuelitos que supieron acogerme en toda mi carrera, su fortaleza y
carácter me enseño que no se debe rendir ante nada y que nada es imposible.

AGRADECIMIENTO

Quiero expresar mi más sincero agradecimiento a Dios, que me brindo vida y
salud, encaminado hacia el camino del bien, ya que sin Él y su fuerza espiritual
esto no hubiera sido posible.

De la misma manera quiero agradecer a mi abuelita Rosa, que desde el cielo
me cuido, me guío y me brindó la fuerza para seguir luchando.

Un sincero reconocimiento de gratitud a la Universidad Tecnológica
Equinoccial, a todos los docentes que intervinieron en mi formación
profesional de la carrera de Ingeniería Automotriz, en especial al Ing. Cesar
Padilla, que ha sido un claro ejemplo de profesionalismo, que con paciencia,
apoyo y voluntad me brindo su guía en la preparación, desarrollo y
culminación de este trabajo de titulación.

ÍNDICE GENERAL

Página
2.1. USO DEL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE ALTERNATIVO ... 4
2.1.1. HIDRÓGENO ................................................................................ 5
2.1.2. PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO............................................... 6
2.1.3. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO...................... 8
2.1.3.1. Recursos fósiles .................................................................. 9
2.1.3.2. Hidrógeno a partir del agua .............................................. 12
2.1.4. CARACTERÍSTICAS DEL HIDRÓGENO ................................... 15
2.1.5. APLICACIONES DEL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE .... 16
2.1.5.1. Ventajas del hidrógeno como combustible ....................... 17
2.1.5.2. Desventajas del hidrógeno como combustible .................. 18
2.1.6. USOS POTENCIALES DEL HIDRÓGENO ................................. 18
2.1.7. Tipos de generadores de hidrógeno vehicular ............................ 19
2.1.7.1. Sistema generador de hidrógeno con tanque de
almacenamiento ............................................................................... 20
2.1.7.2. Generadores eléctricos ..................................................... 21
2.1.7.3. Generadores de Hidrógeno/Oxígeno ................................ 22
2.1.8. CONSECUENCIAS SOCIALES Y ECONÓMICAS DEL USO
DEL HIDRÓGENO ...................................................................... 23
2.2. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ........................................... 24
2.2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO .......................................... 26
2.2.2. datos TÉCNICOS san remo ........................................................ 27
2.2.2.1. Características Mecánicas ................................................ 28
2.2.3. PARTES DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ................ 29

2.2.3.1. Cigüeñal ............................................................................ 29
2.2.3.2. Muñones de los cojinetes principales de la bancada ........ 31
2.2.3.3. Pistones ............................................................................ 32
2.2.3.4. Bielas ................................................................................ 34
2.2.3.5. Tren de válvulas ................................................................ 35
2.2.3.6. Árbol de levas ................................................................... 36
2.2.3.7. Válvulas ............................................................................ 36
2.2.4. CARBURADOR........................................................................... 38
2.2.4.1. Funcionamiento del carburador ........................................ 38
2.2.4.2. Principio de funcionamiento del carburador ...................... 39
2.2.4.3. Mezcla de combustible ..................................................... 40
2.2.4.4. Bomba de aceleración ...................................................... 42
2.2.4.5. Dispositivos de arranque en frio ........................................ 43
2.2.4.6. Tipos de carburador .......................................................... 48
2.3. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE ...................... 54
2.3.1. COMBUSTIÓN ............................................................................ 54
2.3.2. TIPOS DE COMBUSTIÓN .......................................................... 55
2.3.2.1. Combustión completa ....................................................... 55
2.3.2.2. Combustión incompleta .................................................... 55
2.3.2.3. Combustión estequiométrica o teórica .............................. 56
2.3.2.4. Combustión con exceso de aire ........................................ 57
2.3.2.5. Combustión con defecto de aire ....................................... 57
2.3.3. COMBUSTIBLES CLASIFICACIÓN ............................................ 57
2.3.3.1. Combustibles comerciales ................................................ 57
2.3.3.2. Combustibles especiales .................................................. 58
2.3.4. PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES ............................... 59
2.3.4.1. Composición ..................................................................... 59
2.3.4.2. Temperatura ..................................................................... 60
2.3.4.3. Límites de inflamabilidad .................................................. 61
2.3.4.4. Poder calorífico PC ........................................................... 62
2.3.4.5. Viscosidad ........................................................................ 62

iii

2.3.4.6. Densidad ........................................................................... 62
2.3.5. COMBURENTE........................................................................... 63
2.3.5.1. Aire ................................................................................... 63
2.3.5.2. Aire teórico ........................................................................64
2.3.5.3. Oxigeno teórico ................................................................. 64
2.3.5.4. Exceso de aire .................................................................. 64
2.3.5.5. ANÁLISIS TEÓRICO DE LA MEZCLA AIRE
COMBUSTIBLE ............................................................................... 65
3.1. INSTALACIÓN ................................................................................ 67
3.1.1. DESCRIPCIÓN GENERAL ......................................................... 67
3.1.2. PRODUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE HIDRÓGENO ................. 68
3.1.3. CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE HIDRÓGENO ..... 68
3.1.3.1. Ventajas ............................................................................ 69
3.1.3.2. Desventajas ...................................................................... 69
4.1. DIFERENCIAS ENTRE CÁLCULOS ............................................... 70
4.2. RELACIÓN ESTEQUIOMETRICA .................................................. 73
4.2.1. MANUAL DE INSTALACIÓN DEL SISTEMA .............................. 74
4.2.1.1. Seguridad ......................................................................... 74
4.2.1.2. Preinstalación - lista de comprobación ............................ 75
4.2.1.3. Información general de los electrolitos .............................. 76
4.2.1.4. Instalación del generador .................................................. 76
4.2.1.5. Instalación de la salida de hidrógeno al motor .................. 77
4.2.1.6. Válvula de retención ......................................................... 78
4.2.1.7. Instalación eléctrica .......................................................... 78
4.2.1.8. Mantenimiento del electrodo ............................................. 80
4.2.1.9. Vida útil del electrodo ........................................................ 81
4.2.1.10. Limpieza del generador .................................................... 81
4.2.1.11. Temperatura ..................................................................... 81
4.2.2. SISTEMA ELÉCTRICO DEL GENERADOR DE HIDRÓGENO .. 82

4.2.3. PARTES DEL GENERADOR DE HIDRÓGENO ......................... 85
4.2.3.1. Celdas de acero inoxidable SAE 316l ............................... 85
4.2.3.2. Tapa de plástico CAST- IRON .......................................... 86
4.2.3.3. Pernos y tuercas de plástico (PVC) .................................. 87
4.2.3.4. Abrazadera para cierre hermético de tapa ........................ 88
4.2.3.5. Manguera de PVC ............................................................ 89
4.2.3.6. Válvula anti-retorno para paso de hidrógeno .................... 89
4.2.3.7. Cableado del sistema eléctrico a 12 V .............................. 90
4.2.3.8. Recipiente de vidrio con recubrimiento de aluminio .......... 91
4.2.4. INSTALACIÓN DEL GENERADOR EN EL VEHÍCULO .............. 91
4.2.4.1. Verificación de espacio ..................................................... 92
4.2.4.2. Instalación ......................................................................... 92
4.2.5. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ........................................... 93
4.2.5.1. Pruebas dinamómetro previas a la instalación ................. 93
4.2.5.2. Análisis de gases previos a la instalación ......................... 97
4.2.5.3. Pruebas dinamómetro con el sistema instalado ............... 99
4.2.5.4. Análisis de gases con el sistema instalado ..................... 103
4.2.5.5. Consumo de combustible ............................................... 105
4.2.5.6. Prueba de recorrido previas a la instalación ................... 108
4.2.5.7. Prueba de recorrido con el sistema instalado ................. 110
4.2.6. CÁLCULOS PREVIOS A LA INSTALACIÓN DEL SISTEMA .... 113
4.2.7. CÁLCULOS REALIZADOS CON EL SISTEMA INSTALADO ... 117
5.1. CONCLUSIONES.......................................................................... 119
5.2. RECOMENDACIONES ................................................................. 121

ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1. Diagrama del proceso de obtención de hidrógeno por reformado
de hidrocarburos ligeros con vapor. ............................................................... 8
Figura 2. Proceso de producción de hidrógeno que requiere aporte de
energía térmica. ............................................................................................. 9
Figura 3. Oxidación Parcial del metano ...................................................... 11
Figura 4. Esquema de combustión que utiliza hidrógeno ............................ 12
Figura 5. Estructura de costos de producción de hidrógeno por electrólisis
(2030) para estación de llenado doméstica ................................................. 13
Figura 6. Extracción de hidrógeno por tanque de almacenamiento ............ 20
Figura 7. Distribución de los componentes del sistema generador de
hidrógeno ..................................................................................................... 21
Figura 8. Tanque de hidrogeno presurizado ............................................... 23
Figura 9. El motor de combustión interna ................................................... 24
Figura 10. El conjunto móvil. ....................................................................... 26
Figura 11. Presentación Chevrolet San Remo ............................................ 29
Figura 12. Cigüeñal ..................................................................................... 30
Figura 13. Cojinete principal de cigüeñal. ................................................... 32
Figura 14. Anillos o segmentos del pistón ................................................... 33
Figura 15. Disposición de la Biela ............................................................... 34
Figura 16. Tren de válvulas OHV y OHC .................................................... 35
Figura 17. Componentes de válvula ............................................................ 37
Figura 18. Esquema de principio de funcionamiento del carburador ......... 39
Figura 19. Fases de funcionamiento del carburador ................................... 40
Figura 20. Bomba de alimentación .............................................................. 43
Figura 21. Esquema de funcionamiento del estrangulador ......................... 46
Figura 22. Esquema de un carburador doble .............................................. 50
Figura 23. Carburador cuádruple ................................................................ 52
Figura 24. Diferentes formas de alimentar un motor de 4 cilindros. ............ 53
Figura 25. Diferentes formas de alimentar un motor de 6 cilindros. ............ 53
Figura 26. Límites de inflamabilidad ............................................................ 61

Figura 27.Conexión del sistema en el múltiple de admisión ....................... 77
Figura 28. Válvula de retención ................................................................... 78
Figura 29. Conexión directa del sistema a la batería .................................. 79
Figura 30. Conexión del sistema por medio de relé .................................... 80
Figura 31.Sistema eléctrico (vehículo apagado) ......................................... 83
Figura 32. Sistema eléctrico (Vehículo encendido) ..................................... 84
Figura 33. Sistema Eléctrico (En funcionamiento) ..................................... 84
Figura 34. Esquema del sistema instalado ................................................. 85
Figura 35. Celdas de acero inoxidable 316L y recipiente ............................ 86
Figura 36. Tapa de plástico CAST – IRON ................................................. 87
Figura 37. Pernos y Tuercas de PVC ..........................................................88
Figura 38. Tapa, Abrazadera y Recipiente .................................................. 88
Figura 39. Recipiente, Tapa, Celdas y Manguera de PVC .......................... 89
Figura 40. Válvula Anti-retorno Para Paso de Hidrógeno ........................... 90
Figura 41. Cableado, Fusiblera, Interruptor y Conectores .......................... 90
Figura 42. Recipiente vidrio con recubrimiento aluminio ............................. 91
Figura 43. Vehículo Dinamómetro ............................................................... 93
Figura 44. Pruebas previas instalación del sistema (Prueba 1) .................. 94
Figura 45. Valores de la prueba realizada en el vehículo .......................... 94
Figura 46. Segunda prueba de potencia y torque ...................................... 95
Figura 47. Valores de la prueba 2 ............................................................... 96
Figura 48. Prueba realizada de potencia y torque ....................................... 96
Figura 49. Valores de la prueba .................................................................. 97
Figura 50. Sistema instalado en el vehículo ................................................ 99
Figura 51. Prueba de potencia con el sistema instalado. ............................ 99
Figura 52. Valores de las pruebas realizadas con el sistema instalado. ... 100
Figura 53. Curva de potencia con el sistema instalado. ............................ 100
Figura 54. Valores de la prueba dos con el sistema instalado. ................ 101
Figura 55. Prueba de potencia con el sistema instalado. .......................... 102
Figura 56. Valores de las pruebas con el sistema instalado. .................... 102
Figura 57. Medidor electrónico de combustible instalado en vehículo ...... 106
Figura 58. Representación en plano x/y tabla 18 ...................................... 109

vii

Figura 59. Rango de funcionamiento del motor ........................................ 109
Figura 60. Representación en plano x/y tabla 20 ...................................... 111
Figura 61. Representación en plano x/y tabla 21 ...................................... 112

viii

ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 1. Densidades de energías de varios combustibles/ hidrógeno ......... 16
Tabla 2. Elementos del carburador (Crouse, 1993) ..................................... 48
Tabla 3. Composición de gas natural (Burns, 2003) .................................... 60
Tabla 4. Composición del aire atmosférico (Barrow, 1975) ......................... 65
Tabla 5. Diferencias Resultados .................................................................. 72
Tabla 6. Diferencias Análisis de Gases ....................................................... 72
Tabla 7. Diferencias Análisis de Gases Ralentí. .......................................... 73
Tabla 8. Pruebas previas instalación del sistema / Análisis de Gases ........ 97
Tabla 9. Pruebas previas instalación del sistema / Análisis de Gases ........ 98
Tabla 10. Pruebas con el sistema instalado / Análisis de gases ............... 103
Tabla 11. Pruebas con el sistema instalado / Análisis de gases ............... 104
Tabla 12. Pruebas de consumo de combustible previas a la instalación. .. 106
Tabla 13. Pruebas de consumo de combustible con el sistema instalado . 107
Tabla 14. Diferencias entre pruebas .......................................................... 108
Tabla 15. Análisis de comportamiento motor en plano .............................. 108
Tabla 16. Análisis de comportamiento motor pendiente. ........................... 110
Tabla 17. Análisis de comportamiento motor plano. .................................. 111
Tabla 18. Análisis de comportamiento motor pendiente ............................ 112
Tabla 19. Datos técnicos motor san remo. ................................................ 113
Tabla 20. Potencia media (pruebas dinamómetro) .................................... 117

ÍNDICE DE ANEXOS
Página
ANEXO 1. ANALIZADOR DE GASES 2500 RPM .................................... 129

ANEXO 2. ANALIZADOR DE GASES RALENTÌ RPM .............................. 130

ANEXO 3. ANALIZADOR DE GASES 2500 RPM ..................................... 131

ANEXO 4. ANALIZADOR DE GASES RALENTÌ RPM .............................. 132

ANEXO 5. PRUEBAS PREVIAS DINAMÓMETRO ................................... 133

ANEXO 6. PRUEBAS DINAMÓMETRO (SISTEMA INSTALADO) ............ 135

ANEXO 7. FOTOS VEHÍCULO DINAMÓMETRO ..................................... 137

ANEXO 8. PARTES GENERADOR ........................................................... 139

ANEXO 9. GENERADOR DE HIDRÓGENO EN FUNCIONAMIENTO ...... 139

ANEXO 10. CIRCUITO ELÉCTRICO/ FUNCIONAMIENTO ...................... 140

RESUMEN

Este proyecto detalla la adecuación de un sistema generador de hidrógeno,
en un motor convencional con el objetivo primordial de reducir la
contaminación creada por este, para lo cual se realizó la inspección del
vehículo Chevrolet San Remo 1990, tanto en partes mecánicas así como en
partes eléctricas. Con estos antecedentes se procedió a la instalación del
sistema generador de hidrógeno en el vehículo, tomando en cuenta que el
sistema de inyección del motor es provisto por el carburador, se utilizó un
generador de hidrógeno de bajo caudal de producción (1 a 2 litros) ya que la
aspiración del carburador es mediante el efecto Venturi, se necesita el ingreso
mínimo de caudal de hidrógeno por cada parte de aire combustible. En lo que
respecta al sistema eléctrico, el sistema generador de hidrógeno utiliza una
intensidad de corriente de 7 a 15 amperios, que no repercuta de ninguna forma
en el correcto funcionamiento del vehículo, ni crea una sobrecarga en el
mismo, pero como medio de seguridad se implementó dos contactos en el
generador para su monitoreo con multímetro. La seguridad y ubicación del
mecanismo de accionamiento eléctrico del generador es primordial, ya que
controla la producción de hidrógeno, el cual es un gas volátil e inflamable,
permite solo la producción de este con el vehículo en funcionamiento. Para la
instalación del generador de hidrógeno se construyó bases de acero, ubicadas
técnicamente en lugares donde exista mayor ventilación para que este no
sobrepase los 80°C y funcione de manera continua sin perjudicar el
rendimiento del motor. Para el análisis de los resultados, se realizó la prueba
con un analizador de gases, obteniendo porcentajes de disminución en los
principales gases contaminantes y aumento en Oxígeno y Vapor de Agua.
Para la prueba de potencia se obtuvo los resultados mediante una serie de
prueba en el dinamómetro, obteniendo un porcentaje de aumento del 5%
aproximadamente con menor consumo de combustible y menor emisión de
gases tóxicos.

ABSTRACT

This project details the suitability of a generator system of hydrogen in a
conventional engine with the primary objective of reducing pollution created by
this, for which vehicle inspection Chevrolet San Remo 1990 was performed in
both mechanical parts as well as parts electric. With this background, we
proceeded to the installation of the generator system hydrogen in the vehicle,
taking into account that the injection system of the engine is provided by the
carburetor, generator hydrogen low production rate (1-2 liters) was used since
the carburetor suction by the Venturi effect, the minimum hydrogen flow entry
is required for each part of combustion air. With respect to the electrical
system, the hydrogen generation system using a current of 7-15 amperes, that
does not affect in any way with the operation of the vehicle, and creates an
overload on the same, but as a safety two contactswas implemented in the
generator to monitor them with multimeter. The safety and location of electric
drive generator is crucial as it controls the production of hydrogen, which is a
volatile, flammable gas, can only produce this with the vehicle running. To
install the hydrogen generator steel bases, technically located in places where
there is more ventilation so that this does not exceed 80 ° C and run
continuously without affecting engine performance was constructed. For the
analysis of the results, the test was performed with a gas analyzer, obtaining
percentage reductions in major pollutants gases and increased Oxygen and
Water Vapor. To power test results was obtained through a series of test on
the dynamometer, obtaining a percentage increase of about 5% less fuel
consumption and lower emission of toxic gases.

INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCCIÓN

El trabajo a realizar se sustenta con el ahorro de combustible, mediante la
disminución de consumo de este en vehículos propulsados por combustibles
fósiles en este caso la gasolina. Mejorando la potencia en los vehículos y
optimizando la combustión de los automotores, logrando una disminución de
gases contaminantes enviados a la atmosfera y que son fuente esencial para
crear los gases de efecto invernadero.

En el Ecuador, el aumento del parque automotor, es cada vez mayor ya que
es el cuarto país en Sudamérica, con un número de 8 automotores por cada
mil personas, indicado por un estudio de la Asociación Nacional Automotriz de
Chile, efectuado en el 2011. Indica que el parque automotor está aumentando
más, y como consecuencia el consumo de combustibles fósiles aumenta
considerablemente cada año, al mismo tiempo las emisiones de gases
contaminantes enviadas al medio ambiente son cada vez mayores.

El presente proyecto propone la instalación de un generador de hidrógeno
vehicular con el fin de reducir la emisiones de gases contaminantes y
disminuir el consumo de combustibles fósiles en este caso de la gasolina,
logrando aumentar potencia, mediante él envió de hidrógeno al sistema de
alimentación de un vehículo a carburador.

Al conocer que los principales problemas en la contaminación del medio
ambiente en el país son los vehículos, de todo tipo y especificaciones, así
como sistemas de alimentación de combustible, el presente trabajo trata de
ser una ayuda a la disminución de esta contaminación y proporcionar una
mejorara en la potencia y disminuir el gasto de los propietarios de vehículos
en combustibles fósiles.

Los principales gases emitidos por el escape del automóvil y los más
peligrosos para la atmósfera y el ser humano son monóxido y bióxido de

carbono, acompañado de óxido de nitrógeno por lo que se ha tomado en
cuenta para enfocar el proyecto en la reducción de los gases de escape del
motor.

Utilizando la electrólisis como medio de separación de moléculas del agua, en
hidrógeno y oxígeno, mediante reacciones electroquímicas producidas por la
intensidad de corriente de 7 a 15 amperios y con una tensión de 12v de
alimentación se logrará separar dichas moléculas, utilizando el sistema de
alimentación del vehículo el cual es a carburador se podrá enviar el hidrógeno
a los cilindros y permitir que se queme con el combustible fósil que en este
caso es la gasolina para reducir las emisiones de gases contaminantes al
medio ambiente.

El trabajo será realizado en un vehículo Chevrolet San Remo, cuyas
especificaciones son: sedan, sistema de encendido convencional y
alimentación a carburador mediante efecto Venturi, el generador de hidrógeno
será instalado en este automotor basado en el sistema de alimentación por
medio de carburador, este permitirá que el aire de ingreso al motor absorba el
hidrógeno e ingresen simultáneamente los dos gases.

El objetivo principal de este trabajo, es la instalación de un generador de
hidrógeno vehicular, que servirá como ayuda para utilizar con mayor
detenimiento el hidrógeno como un combustible único para los automotores
ya que es una fuente renovable de energía y proporciona el mínimo de
emisiones, según como se lo utilice ya que si solo se usa hidrógeno como
combustible único, las emisiones seria vapor de agua es decir cero emisiones
contaminantes al ambiente.

El hidrógeno en la actualidad está tomando fuerza por las grandes compañías
ensambladoras de vehículos en el mundo, ya que es ahí donde se encuentra
el futuro al crear vehículos cero emisiones, conocido como vehículos verdes
o ecológicos por su nivel diminuto de emisiones contaminantes. Ya que el

hidrógeno puede encontrarse en casi todo el planeta como el elemento más
abundante del universo, con un 75% en masa y 90% en número de átomos.
El hidrógeno es altamente inflamable por dicha razón su proceso en la
combustión, mejora la potencia ya que se tiene una mezcla estequiometrica
casi perfecta con lo cual se aprovecha casi al máximo la potencia del motor
utilizando menos combustible fósil y compensándolo con hidrógeno para no
perder la combustión por mezclas pobres de combustibles fósiles.

MARCO TEÓRICO

2. MARCO TEÓRICO

2.1. USO DEL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE
ALTERNATIVO

Debido al aumento del consumo de combustibles fósiles, al generar consigo
mayor contaminación al medio ambiente, así como el incremento de los gases
de efecto invernadero, es por esta razón, que la necesidad de reducir los
efectos que crea la contaminación es demasiada, no solo en el ámbito
automotriz, pero en este caso la industria automotriz a nivel mundial está para
crear vehículos mucho más ecológicos que los existentes en la actualidad.

Nuevas tecnologías propulsadas a mejorar el medio ambiente en general, la
reducción del consumo de combustibles fósiles, la manufacturación de
implementos amigables al medio ambiente, etc.

El hidrógeno considerado como combustible es una gran forma de reducir y
en algunos casos tomar dependencia de combustibles fósiles. Y así
concentrar esfuerzos en el uso de energía alternativa y optimización de la
misma. De esta forma aprovechar los notables beneficios en el aspecto
económico y ambiental (Carrasco & Rodriguez).

La conclusión final de lo antes expuesto es la utilización de un combustible
renovable, libre de emisiones contaminantes o en dicho caso reduzca las
emisiones contaminantes enviadas al medio ambiente, y precisamente estos
beneficios son el producto de una fuente de energía alterna. El combustible
propuesto como solución es el hidrógeno (Rifkin, 2002).

Al seleccionar al hidrógeno como combustible se puede solucionar muchos
problemas debido a:

 La base de obtención es el agua.
 Es muy abundante con un 75 % de la materia visible.
 No se limita su uso en regiones o en países de todo el mundo.
 Puede ser utilizado como recurso energético.
 Puede sustituir a los combustibles fósiles como el gas natural o
derivados del petróleo.
 La combustión produce el mínimo de emisiones contaminantes al
medio ambiente.
 Bajos costos de producción y competitividad con los demás
combustibles.
 Mayor autonomía en vehículos que el resto de combustibles fósiles, e
incluso vehículos propulsados por energía eléctrica.
 Puede ser almacenado, transmitido y utilizado como fuente de energía
alterna.

2.1.1. HIDRÓGENO

El Hidrógeno H2, descrito por vez primera por T. Von Hohenheim (Paracelso)
(1493-1541) obtuvo al mezclar metales con ácidos fuertes, sin darse cuenta
que el gas procedente era un nuevo elemento químico. Posteriormente Robert
Boyle redescubrió en 1671, de la misma forma que Paracelso, describió la
reacción producida por ácidos diluidosy limaduras de hierro, las cuales
generaban Hidrógeno gaseoso. En 1766 el Hidrógeno gaseosos fue
reconocido como sustancia discreta, producido por una reacción ácido- metal,
como un gas inflamable que al combustionar generaba agua, por Henry
Cavendish. En 1783, Antonio Lavoisier nombro al elemento como hidrógeno
al comprobar junto a Laplace, lo antes mencionado.

Elemento químico representado por la H, es un gas diatónico, inoloro e
incoloro, no metálico e inflamable, numero atómico 1, Punto de Fusión (ºC): -
259,34, Punto de Ebullición (ºC): -252,87, Densidad (kg/m3): 0,08988; (0 ºC)
y Volumen atómico (cm3/mol): 14,24, en condiciones de normales de

temperatura y a presión atmosférica, es un elemento químico muy ligero y
abundante en el universo con 75% de la materia visible (Diccionarios Oxford-
Complutense, Diccionario de ciencias, 2000).

El hidrógeno al reaccionar con el oxígeno forma agua, esta es una reacción
demasiado lenta a temperatura ambiente, pero al acelerar esta reacción con
un catalizador, con chispa eléctrica, produce una reacción violenta explosiva.

El nitrógeno al reaccionar con el hidrógeno, presenta una reacción que
proporciona amoniaco, de igual manera al reaccionar con metales en
elevadas temperaturas produce hidruros. Al reaccionar con oxido en
temperatura elevadas son reducidos por el hidrógeno y se obtiene óxidos más
bajos o metales libres. Al reaccionar con sales de los metales menos
electropositivos este reacciona con ellos y produce una reducción de su
estado metálico.

2.1.2. PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO

El proceso de producción del hidrógeno mediante la separación de diversos
elementos químicos como carbono en combustibles fósiles y del agua. Los
procesos de extracción de hidrógeno en el agua son por medio de electricidad
(electrolisis), reducción química y termólisis.

La producción de hidrógeno va en aumento ya que es una fuente baja en
emisiones contaminantes enviadas al medio ambiente, además de obtener
mayor potencia en los generadores, motores de combustión, además en los
motores basados en pilas de hidrógeno (San Miguel, Dufour, Calles, & A)

El elemento más abundante del universo, con un 75% en masa y 90% en
número de átomos, es un elemento en abundancia en las estrellas, el
hidrógeno es altamente inflamable y en las estrellas forman reacciones
nucleares entre núcleos de hidrógeno.

En la industria automotriz, ya que es la principal causante de la contaminación
y de los gases de efecto invernadero, en la actualidad es la que más ha
concentrado sus esfuerzos en la producción de hidrógeno, al ser este el
elemento más abundante en el planeta, brinda una combustión más limpia en
el motor, se evitara la contaminación y reducirá el consumo de combustibles
fósiles en exceso.

Al ser el hidrógeno un combustible netamente puro, que tiene un sin número
de posibilidades de proporcionar energía, pero en lo referente a los aspectos
negativos residen en su generación y transportación que pierde de cierta
manera un porcentaje mínimo de energía.

Además de producirse 40 millones de toneladas anuales, según datos de la
Agencia Internacional de Energía. El 96% del hidrógeno producido en la
actualidad es a partir de combustibles fósiles, en su mayoría por reformado de
gas natural ya que este posee partículas de carbono y al realizar el proceso
el hidrógeno es el propulsor de varios procesos en las diferentes industrias
como químicas, petroquímicas y otras afines a procesos industriales, así como
la propulsión de vehículos espaciales.

El 4% restante es producido por electrolisis del agua, en algunas aplicaciones
es destinado a la propulsión de vehículos, es decir a aplicaciones que
necesitan gran pureza del gas para una mejor combustión (Hortal & Miranda
Barrera, 2012).

Entre las desventajas, los procesos para obtener el gas son a partir de energía
basada en combustibles fósiles por lo tanto el método de obtención emite CO2
el cual es utilizado como materia prima, pero son recursos agotables es así
que en países desarrollados existe reservas de gas natural y petróleo, el cual
es distribuido para países que no poseen yacimientos de gas y petróleo, así

que estos empiezan a considerar e investigar el uso de combustibles
amigables con el ambiente y de fácil obtención como es el caso del hidrógeno.

2.1.3. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DEL HIDRÓGENO

Lo principal para tomar en cuenta es que la obtención del hidrógeno no debe
depender del consumo de combustibles fósiles para lograr un desarrollo
prolongado sostenible, ya que si no se cumpliera con lo antes mencionado la
eficiencia energética pasaría a segundo plano por su obtención, con lo que el
hidrógeno producido seria menos amigable con el ambiente y no sería factible
su producción. En la figura 1 se aprecia la obtención de hidrógeno por proceso
de producción.

Figura 1. Diagrama del proceso de obtención de hidrógeno por reformado de
hidrocarburos ligeros con vapor.
(Consejo Superior de Investigaciones Cientìficas, 2003)

Entre las materias de las cuales se puede producir hidrógeno están:

 Recursos Fósiles: Derivados del petróleo, Gas Natural y Carbón.
 Recursos Renovables: Agua, Biomasa

2.1.3.1. Recursos fósiles

En este grupo se encuentra al carbón, derivados del petróleo y gas natural,
empleados como combustibles debido a sus características químicas.
Elaborados por varios procesos milenarios como Biogeoquímicos, de restos
vegetales y comunidades planctónicas, además de ser un recurso no
renovable. En la figura 2 se observa el proceso de producción del hidrógeno
mediante un aporte de energía térmica.

Figura 2. Proceso de producción de hidrógeno que requiere aporte de energía
térmica.
(Gonzales Garcia-Conde, 2006)

 Hidrógeno en base a Gas Natural

Es la fuente principal de producción de hidrógeno industrial, y la producción
es por reformado de vapor de agua aunque existen los procesos de oxidación
parcial.

 El reformado de vapor de agua, consiste en mantener la materia en
cierta temperatura y presión elevada, para luego ser mezclado con el
vapor de agua y finalmente por un catalizador. Es un método con el
cual se obtiene hidrógeno a partir de hidrocarburos y el gas natural,
mediante una gran cantidad de energía y obtener el resultado como
reacción química del hidrógeno y dióxido de carbono así como
monóxido de carbono, las variaciones dependen del gas natural, para
formar dos reacciones la primera a 800-900 °C y presión de 25 bar, y
obtener un gas rico en dióxido de carbono e hidrógeno, la segunda
reacción está entre los 400 y 200°C respectivamente para producir
mezclas gaseosas, para terminar se realiza un proceso de purificación
Pressure Swing Adsorption (PSA), con el cual se obtiene hidrógeno al
99,99%, con un contenido energético superior al gas natural.

𝐶𝐻4 + 𝐻2𝑂 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → 𝐶𝑂 + 3𝐻2 [2.1.1]

Normalmente se produce al mezclar CO con vapor de agua y se
produce 𝐶𝑂2, con el fin de obtener una producción adicional de
hidrógeno a partir del segundo proceso realizado.

𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 [2.1.2]

Oxidación parcial consiste en la combustión incompleta de cualquier
sustancia que contenga carbono orgánico, con vapor de agua que
puede reaccionar también con la alimentación (reacción reformado),
controlar la dosificación, se logra estabilizar la temperatura del reactor,

para generar un gas sintético, rico en hidrógeno, que puede ser usado
posteriormente como por ejemplo en una celda de combustible,
detallado en la figura 3.

Figura 3. Oxidación Parcial del metano
(Netto, s.f.) Hidrógeno a base del Carbón

Es una tecnología madura comercialmente para la producción de hidrógeno
por gasificación de carbón, el costo para la producción de hidrógeno es mucho
más elevado que los procesos utilizados por el Gas Natural, pero puede ser
un proceso competitivo debido en cuanto el precio del gas natural aumente.

El proceso consiste en la gasificación del carbono en presencia del oxígeno
para su oxidación, este método consiste en realizarlo a temperaturas
superiores a 1000 ºC, como producción se obtiene CO y de H2, el monóxido
de carbono se desplaza hacia el dióxido de carbono, y resulta H2 y CO2 y las
impurezas de este proceso son desechadas por medios de absorción física.

2.1.3.2. Hidrógeno a partir del agua

Se puede producir hidrógeno a partir de las moléculas de agua, mediante su
separación por varios procesos:

 Electrolisis
En la actualidad el 5% del hidrógeno generado es obtenido por electrolisis del
agua con cierta implementación en ciertas zonas geográficas. En Islandia
existe la primera estación generadora de hidrógeno para la automoción,
utilizada por vehículos equipados con pilas de combustible, mediante la
utilización energía eléctrica previamente generada por la geotérmica e
hidráulica, en la figura 4 se detalla el esquema de combustión utilizada por
hidrógeno (Burns, 2003).

Figura 4. Esquema de combustión que utiliza hidrógeno
(Dufour, 2012)

En la actualidad la electrolisis es una tecnología conocida, las celdas son
construidas en acero al carbón, refrigeradas por agua que es un sistema de
enfriamiento de calor, los electrodos son separados por una membrana de
cerámica, el material del cátodo es acero inoxidable, y el ánodo es níquel.

Si la energía producida para la electrolisis es renovable no se produce
emisiones a la atmosfera. Consiste en la separación de moléculas de
hidrógeno y oxígeno mediante la aplicación de electricidad.

𝐻2𝑂 + 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 → 𝐻2 +
1
2
𝑂2 [2.1.3]

La estructura de los costos de producción por electrólisis, se detalla en la
figura 5, en estaciones de llenado doméstico.

Figura 5. Estructura de costos de producción de hidrógeno por electrólisis (2030)
para estación de llenado doméstica
(2 vehículos/día) y de gran escala (100 vehículos/día)
(Richard, 2004)

 Fotoelectrólisis

La utilización de sistemas de energía fotovoltaica conectada a electrolizadores
utilizados en aplicaciones remotas o en funcionamiento aislado de red
eléctrica, la principal ventaja es suministrar electricidad e hidrógeno como

combustible, esta técnica combina dos procesos los cuales son la generación
de electricidad fotovoltaica y producción de hidrógeno en un único dispositivo
denominado fotoelectrólisis, mediante la utilización de células foto-
electroquímicas, las cuales como objetivo tiene unir materiales
semiconductores. Estos dispositivos están a prueba en constante
investigación pero en el ámbito de laboratorio, según la Agencia Internacional
de la Energía, se ha determinado la eficiencia de conversión solar-hidrógeno
del 16% esto podría ser el beneficiario al disminuir los costos de producción
de hidrógeno comparado con los sistemas de energía antes detallados
(Cornell University, 1983).

 Hidrógeno a partir de biomasa

Al tomar en cuenta la biomasa como materia prima para la obtención del
hidrógeno, el cual aporta el 14% del consumos energético mundial. Las
formas de aprovechar la biomasa son diversas y dependen de su naturaleza.

Es el caso del etanol que es utilizado como combustible para la automoción,
a partir de diferentes residuos de celulosa. Además aporta un balance de CO2
neutro, de forma que es capaz de retener su crecimiento en el proceso de
producción de hidrógeno, por otro lado la biomasa es un recurso renovable y
sostenible, que al tomar en cuenta que su consumo no sea mayor a la
capacidad de regeneración natural.

La gasificación es un proceso de aprovechamiento de la biomasa que permite
obtener CO + H2 mediante la calefacción controlada del residuo a temperatura
de 800- 1000 ºC en atmosfera de oxígeno y vapor de agua. El gas de
hidrógeno obtenido puede utilizarse como combustible directo como fuente de
hidrógeno o materia prima para la preparación de gasolina y diésel. Al
aumentar la cantidad de vapor de agua utilizado en este proceso incrementa
la producción de hidrógeno y reduce en gran parte la cantidad de monóxido
de carbono y alquitranes.

 Fotobiólisis

Consiste en la producción de hidrógeno por la vía fotobiológica, mediante dos
etapas: Fotosíntesis y producción por algas verdes y en cianobacterias o
producción catalizada por hidrogenasas. La producción por algas verdes y
cianobacterias consiste en la modificación por ingeniería genética para lograr
alcanzar los niveles de hidrógeno factibles para una producción significativa.

Esta técnica requiere de investigación básica y una inversión a largo plazo, si
la investigación y el desarrollo son factibles, se puede preparar el camino para
producción de hidrógeno sostenible.

2.1.4. CARACTERÍSTICAS DEL HIDRÓGENO

 Es el elemento más liviano que existe, es así que es 14 veces más
liviano que el aire.
 Bajo nivel de contaminación por emisión de gases contaminantes
enviadas al ambiente.
 Fácil combustión completa.
 Es abundante en todo el planeta.
 Reservas ilimitadas prácticamente.
 No existe libre en la naturaleza.
 Su obtención genera un balance energético negativo en todo el ciclo de
la vida.
 Es utilizado como refrigerante en generadores eléctricos, para evitar el
sobrecalentamiento en los mismos.
 Costos de producción bajos.
 Al relacionar con otros combustibles se puede determinar que la
densidad de energía del hidrógeno es superior a otros combustibles,
así como en la tabla 1 se detalla las densidades de energías, de varios
combustibles (Reverte, 1977).

Entre las características del hidrógeno, es el que posee la máxima relación
energía/peso, a temperatura y presión normales. En condiciones ambientales
1 kilogramo de hidrógeno ocupa 11,135m3, es decir que almacena menor
cantidad de energía comparado con los demás combustibles antes
relacionados en la Tabla 1.
Tabla 1. Densidades de energías de varios combustibles/ hidrógeno
combustible del futuro (Peretti & Visintin)

2.1.5. APLICACIONES DEL HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE

Las aplicaciones del hidrógeno, en la actualidad son múltiples como la
utilización doméstica en estufas y calentadores de agua al proporcionar
hidrógeno y oxígeno a bajas temperatura mediante la utilización de un
catalizador que genera como reacción vapor de agua empleado por
quemadores o calentadores en las aplicaciones antes mencionadas.

La variedad de aplicaciones convierte al hidrógeno en un combustible ideal,
“Cada vez se escucha hablar más del hidrógeno, considerándolo, dadas sus
propiedades físicas y químicas, como un importante combustible sintético del
futuro. Esto se basa en sus características de ser renovable, abundante y no
contaminante, que lo convierten en un combustible ideal”. (Arnaldo Visintin)

La aplicación del hidrógeno, en los motores de combustión interna basados
en el consumo de combustibles fósiles (gasolina, diésel, gas natural, etc.), los
cuales son modificados basados en dos parámetros como la modificación de
la cámara de combustión para aprovechar al máximo el hidrógeno y la
adaptación de los sistemas del motor para un uso óptimo del hidrógeno. Una
de las ventajas del uso del hidrógeno como combustible es un aumento del
20% eficiencia en los motores con este sistema comparado con los que
emplean combustibles fósiles, como característica el hidrógeno al ser
combustionado enla cámara de combustión produce mínimas cantidades de
emisiones contaminantes ya que la mayoría es vapor de agua y pequeñas
cantidades de Óxido de nitrógeno (NOx).

2.1.5.1. Ventajas del hidrógeno como combustible

 No consume recursos, al realizar la electrolisis el hidrógeno se toma
del agua y lo que no se utiliza regresa al agua, con lo cual se evita
procesos secundarios y tóxicos.
 La seguridad en los sistemas que utilizan hidrógeno es impresionante,
el hidrógeno es más seguro que el combustible remplazado en algunos
de los casos.
 La eficiencia es muy alta, comparada con otro sistema de energía.
 El funcionamiento es silencioso.
 El mantenimiento es casi nulo y posee larga vida en el funcionamiento.
 La producción de hidrógeno es realizado por fuentes renovables.
 Disminuye en gran cantidad el consumo de combustibles fósiles.

 Su combustión no libera dióxido de carbono, y se podría eliminar la
mayor cantidad de contaminación de agua y aire.
 Produce una combustión del hidrógeno con el aire, es limpia y amigable
con el medio ambiente, además los productos de la combustión son en
su mayoría vapores de agua (Van Jaag, 2013).

2.1.5.2. Desventajas del hidrógeno como combustible

 La principal desventaja del hidrógeno es que existe en cantidades
mínimas del gas en la naturaleza.
 Su producción requiere de electricidad y calor de temperatura elevada
producida por fuentes de energía amigables al medio ambiente como
son la energía solar, eólica y térmica, o a su vez en energía no
amigables como la nuclear.
 La producción de hidrógeno requiere una mayor cantidad de energía
que la que se combustiona o quema sin necesidad de involucrar el fin
de su uso, es decir su producción genera energía útil negativa por su
proceso de producción.
 Su producción depende de un suministro abundante y permisible
obtenido de energía amigable con el medio ambiente y aceptable con
la sociedad.
 La producción de hidrógeno así como su obtención por cualquier
método es costosa.
 El sistema de almacenamiento no son desarrollados debidamente y su
valor es elevado. El hidrógeno puro es demasiado caro.

2.1.6. USOS POTENCIALES DEL HIDRÓGENO

Los hornos y motores de vehículos puedes ser adaptado para utilizar
hidrógeno como combustible sin la necesidad de realizar una gran cantidad
de cambios en el motor convencional.

Al realizar la combustión produce menos emisiones contaminantes que la
gasolina y diésel, al ser el hidrógeno un gas muy inflamable, con alta
temperatura de detonación además de necesitar menos energía para su
ignición a comparación con la gasolina. El hidrógeno proporciona una gran
cantidad de beneficios en la combustión además de ventajas al medio
ambiente, pero la principal desventaja es la infraestructura de distribución. Por
eso se presenta nuevas maneras de usar el hidrógeno como las celdas de
combustible que proporcionan 2,5 veces mayor eficiencia que si se quema en
un motor de combustión interna, en una celda de combustible el hidrógeno y
el oxígeno alimentan a los electrodos, constituidos por metales porosos dentro
de un electrolito el cual mantiene el flujo de electrones, esto genera una fuente
de energía eléctrica que permite efectuar cualquier trabajo. El mayor impacto
que puede aplicar estas celdas son las plantas de fabricación en la actualidad
una de ellas está en Japón, las plantas de potencia son de 45 MW y 11MW
con tecnología de ácido fosfórico, que permite una mayor duración de las
celdas.

2.1.7. TIPOS DE GENERADORES DE HIDRÓGENO VEHICULAR

En el ámbito automotriz existe un sin número de sistemas economizadores de
combustibles, entre ellos se destacan los sistemas generadores de hidrógeno
por dos razones:

 Son sistemas amigables al medio ambiente ya que sus residuos de
combustión son cero.
 Son sistemas que permiten economizar el combustible fósil que utilizan
los vehículos con motor de combustión interna.
Además de ser un sistema que permite al conductor su activación o
desactivación según las operaciones que este realice, entre los más comunes
tenemos:

2.1.7.1. Sistema generador de hidrógeno con tanque de
almacenamiento

Este tipo de generador produce hidrógeno puro para alimentar un motor de
combustión interna, pero posee algunas desventajas por lo que no es muy
factible encontrar este sistema en el mercado. Entre las principales destaca
que el tanque para almacenar el hidrógeno es excesivamente costoso y difícil
de encontrar, la instalación de este no es complicada y se puede hacer sin
mayor dificultad, se debe tomar en cuenta que al instalarlo, el técnico debe
fijarlo al vehículo para evitar movimientos, en lo posible alejado del motor
como es el caso del tanque de gasolina.

Para la instalación de este sistema es necesario realizarla en vehículos con
carburador, ya que la ingeniería de un motor a inyección varía por sus
múltiples sensores y evita que el sistema entre en funcionamiento.

En el caso de los vehículos a carburador, este es sustituido por un sistema de
alimentación de hidrógeno, así como las tomas de ingreso del gas a la cámara
de combustión. Hasta la fecha solo cuatro personas han realizado este cambio
con éxito el Primero lo realizó en Filipinas y los tres restantes en Estados
Unidos. En la figura 6, se aprecia el funcionamiento del tanque de
almacenamiento y producción de hidrogeno de los vehículos Audi.

Figura 6. Extracción de hidrógeno por tanque de almacenamiento
(Baeza, 2011)

2.1.7.2. Generadores eléctricos

Esta tecnología está revolucionando el mercado automotriz, como principal
diseñador y creador esta BMW, que llevan más de 5 años incursionando en
este tipo de motores eléctricos a hidrógeno, se estima que tiene más de 50
unidades rodando por Europa con esta tecnología.

Entre Alemania e Inglaterra al menos tres marcas de vehículos, tienen ya sus
prototipos rodando apuro hidrógeno, en sus múltiples versiones con tracción
a las cuatro ruedas (4x4) tracción a las tres ruedas (3x3) y tracción a las dos
ruedas (4x2), este último se encuentra en desuso por su poca autonomía y
velocidad, el que obtuvo mayores resultados en sus múltiples pruebas fue el
tipo 4x4 por seguridad, autonomía y velocidad. Entre este grupo existe otra
subdivisión que son los generadores de hidrogeno con bloques de celdas
secas o húmedas, este tipo a diferencia del anterior alimenta a un solo motor
eléctrico y de este a su trasmisión.

Este tipo de vehículos son utilizados para el trasporte público en Barcelona,
España con una flota aproximada de 4 vehículos. En el resto de Europa se
estima que vehículos con este tipo de sistema se aproxima a 20, y todos
puestos en marcha y trabajando a prueba hasta la fecha, en la figura 7, se
evidencia la distribución del sistema generador de hidrógeno en vehículos de
transporte público en Europa. (Instituto de Energías Renovables de España,
2010)

Figura 7. Distribución de los componentes del sistema generador de hidrógeno
(Fuel Cell Norway, 2006)

2.1.7.3. Generadores de Hidrógeno/Oxígeno

Es el que se encuentra en demanda en el mercado, por su fácil adquisición y
utilidad en vehículos a gasolina y diésel, estos motores se alimentan de una
gas que es producido por la electrolisis del agua al separar sus moléculas en
hidrógeno y oxígeno, en el interior del generador envía este gas al sistema de
alimentación del motor, para su proceso de combustión en el mismo. Es decir
que cuando el motor esta encendido, es alimentado por medio de la demanda
de aire que este pide y lo ajusta según su desempeño lo requiera.

Entre las principales características de este sistema generador de hidrógeno
tenemos:

 Su presión de trabajo usualmente es de 3 a 8 PSI.
 El hidrógeno producido no puede almacenarseya que este, depende
de la demanda de aire que requiera el motor, en el caso de que el
vehículo sea apagado este se disipara con el aire mediante un sistema
de evacuación, que evita encendidos bruscos.
 Su porcentaje de producción varía del 15% al 60%, dependiendo del
sistema adquirido.
 Su instalación no es complicada y se la puede hace mediante un
manual, que será detallado en un posterior capítulo.
 Los materiales para su fabricación son comunes y se encuentran en el
mercado.
 Posee un bajo costo de mantenimiento, en tiempo y dinero.
 El accionamiento es dado solo cuando el vehículo se encuentra
encendido para evitar arrancones bruscos en un motor frío.

En la actualidad existen varios subtipos de este sistema que son:

 Sistema presurizados.- se usa generalmente para Motores a diésel
muy grandes, su costo es relativamente alto, en vista de que su

fabricación requiere de mucho cuidado y muchas piezas, muy bien
acopladas y selladas, en la figura 8 se aprecia el sistema presurizado
para vehículos diésel.
 Sistema no presurizado.- que se encuentra actualmente en demanda,
y se los puede conseguir fácilmente y es el que se va utilizar en esta
investigación y será detallado en posteriores capítulos más
detenidamente.

Figura 8. Tanque de hidrogeno presurizado
(Fuel Cell Norway, 2006)

2.1.8. CONSECUENCIAS SOCIALES Y ECONÓMICAS DEL USO DEL
HIDRÓGENO

El uso del hidrógeno en la actualidad generará el cambio en el poder
económico, consecuencias para la sociedad. El actual flujo de energía
controlado por las empresas petroleras y servicios quedaran obsoletos, ya que
la producción de hidrógeno cada persona puede ser productor consumidor de
su energía. En un futuro la economía del hidrogeno será tanta que podría ser
utilizada en una red global como lo es la web, el automóvil que es el medio
por el cual iniciaría esta tecnología llegaría a ser una central de
abastecimiento, con capacidad de generar 20 kilovatios/hora, su carga podría
ser mediante un sistema de carga continua que se encontraría en cualquier

estacionamiento de vehículos incluido el hogar. Creando así una forma
descentralizada para su uso y poder compartir su energía como iguales.

El hidrógeno podría a futuro poner fin la dependencia del petróleo y sus
consecuencias dañinas al medio ambiente. Además que el hidrógeno se
encuentra en todas partes del mundo, “todos los seres humanos dispondrían
de energía convirtiéndose en el primer sistema energético verdaderamente
democrático de la historia” según (Amaldo Visintin; Hidrógeno como
Combustible, pág. 6).

2.2. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

El motor de combustión interna basa su funcionamiento en la explosión y
quemado de la mezcla de aire-combustible, en el interior de la cámara de
combustión o también conocida como cilindro, cuyo fin es incrementar presión
para poder mover el pistón, con un movimiento lineal alternativo con suficiente
potencia como se puede apreciar en la figura 9.

Figura 9. El motor de combustión interna
(Banco Repulica Cultural de Colombia, 2003)

El movimiento creado por el pistón es transmitido a la biela que esta a su vez
está conectada con el cigüeñal, con el fin de convertir el movimiento lineal
alternativo en movimiento rotativo, y el cual es transmitido a los mecanismos
de transmisión de potencia por medio de la caja de velocidades, ejes,
diferenciales, etc. Hasta que este movimiento termine en las ruedas, con la
potencia suficiente para desplazar el vehículo con la velocidad deseada por el
conductor al igual que la necesidad de transportar la carga requerida para
cualquier situación en la que se encuentre el conductor (Nash, 2004).

El proceso de combustión de la mezcla aire combustible es basado en la
energía química presente en el combustible, así esta se transforma en energía
calorífica, parte de esta es transformada en energía cinética que proporciona
el movimiento, para producir trabajo útil en las ruedas, disipándose el exceso
en el sistema de alimentación y escape, así como por accionamiento de
accesorios y las respectivas perdidas por fricción de los materiales
involucrados en el proceso.

La mezcla de aire-combustible previamente preparada o dosificada por el
carburador o en la actualidad por los inyectores mediante el sistema de
alimentación electrónico, se encarga de introducir la mezcla en la cámara de
combustión, esta se combustiona por medio de la chispa generada por el
sistema de encendido del motor.

Además de proporcionar la potencia necesaria para mover el vehículo, el
combustible es el diferenciador de un motor de combustión interna ya sea este
propulsado a gasolina o diésel, sus características mecánicas de
funcionamiento es casi similar, y entre los principales componentes del motor
de combustión interna se encuentran:

 El bloque de cilindros o monoblock
 Conjunto de válvulas o tren de válvulas
 Sistema de escape

 Sistema de entrada
 Sistema de lubricación
 Sistema de enfriamiento

2.2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El principio de funcionamiento es basado en la velocidad lineal producida por
el pistón en su recorrido de punto muerto superior (PMS) al punto muerto
inferior (PMI), denominado carrera.

Figura 10. El conjunto móvil.
(Banco Repulica Cultural de Colombia, 2003)

La energía química que posee el combustible es transformada en movimiento
lineal, a través de los cilindros y estos a su vez a la biela y finalmente al
cigüeñal.

Este último es un eje asegurado por bancadas al block del motor, las bielas
son acopladas al cigüeñal por medio de descentramiento, de esta forma
produce movimiento rotativo.

El movimiento circular del cigüeñal esta sincronizado con el sistema de
encendido y con el sistema valvular, el cual está compuesto por válvulas de

admisión y escape, su principal función es la de permitir el ingreso de la
mezcla antes de producirse la combustión, al igual que la salida de los gases
de escape después de la combustión. Las válvulas de escape son aleadas
con cromo, aleadas con níquel, manganeso y nitrógeno en pequeñas
cantidades, en su mayoría, esto permite que incrementen la resistencia a la
oxidación debido a altas temperaturas de trabajo y el contacto corrosivo de los
gases de escape (Heither,1998).

2.2.2. DATOS TÉCNICOS SAN REMO

Al ser un vehículo descontinuado y fabricado en Ecuador os datos técnicos
son casi difíciles de obtener, los datos presentados son de un vehículo
completamente nuevo y un posterior capítulo se presenta los datos del
vehículo con el que se realizó las pruebas pero se ha realizado un resumen
con los mismos:

Motor

 Tipo: Anterior longitudinal a gasolina enfriado por agua, 4 cilindros, 8
válvulas.
 Cilindrada: 1.398 cc, Automático 1600cc.
 Potencia Máxima: 71 CV/5.200 rpm.
 Torque Máximo: 10.8 Kgm/3.800 rpm.
 Velocidad Máxima: 145 km/h (teniendo en cuenta la altura sobre e,
nivel del mar).
 Diámetro Pistón(Ө pistón)= 81.99 // 0.082
 Carrera (h) = 65.99 mm // 0.066 m
 Fuerza de trabajo mecánico (F) = 4000 Kg
 Numero de revoluciones para completar el ciclo = 2
Transmisión / Dirección

 Tipo transmisión: 4 velocidades sincronizada, 1 atrás

 Tipo de Tracción: Trasera.
 Dirección: De piñón y cremallera.
 Tipo / Estructura (para 1.6)
 Tipo: Anterior longitudinal a gasolina enfriado por agua, 4 cilindros, 8
válvulas.
 Cilindrada: 1.598 cc
 Potencia Máxima: 80 CV/5.800 rpm
 Velocidad Máxima 160 km/h

A continuación se detallan las características mecánicas de este vehículo, así
como un resumen de algunas partes o sistemas que conforman el vehículo
para un mejor entendimiento del resultado de la investigación.

2.2.2.1. Características Mecánicas

El motor varia de 1385cc y 1598 cc con una velocidad máxima de 160 km/h
a 186 km/h, con una caja de velocidades de 4 marchas y reversa, en
posteriores años se modificó la carrocería por un diseño más moderno y
atrevido al igual que en algunas versiones se incluyó caja de 5 velocidades
con sobre marcha, con modificaciones en el encendido y correas de
repartición que lograron mejor sus prestaciones volviendo más rápido, ligero
y eficiente.

En la figura 11, se aprecia de mejor manera la campaña de comercialización
que presentó este vehículo en los años que fue producido evidenciando que
era un automóvil icono de la marca Chevrolet, con las mejores prestaciones
para desenvolverse en el territorio, con los últimos adelantos en tecnología
que presento la marca Chevrolet hasta finales del ’90.

Entre sus principales características tenemos, su sistema de alimentación
posee un bomba mecánica, carburador simple en vertical y filtro de aire seco
de papel. En lo referente a la dirección es piñón y cremallera con neumáticos

Rin 13. Con un espacio interior para 5 pasajeros con un tamaño de 4 metros
aproximadamente. Con un sorprendente espacio interior, el baúl no pedía
ningún favor con su profundidad de 313 dm3 y gran espacio para carga y
descarga de operaciones. Con un diseño muy atractivo versión ’80, focos
cuadrados, hundidos e inclinados, las molduras laterales le dan un toque más
clásico y sirven de protección para los costados y puertas del vehículo. Uno
de los principales efectos de este modelo en su dinámica muy inestable en la
carretera pero excelente en las calles, gracias a su tracción posterior y un
sistema de tren delantero basado en tijeras, que le confieren un gran agarre
en las curvas, además los frenos delanteros no brindan seguridad a los
cambios de temperatura, pudiendo originar accidentes en ocasiones.

Figura 11. Presentación Chevrolet San Remo
(Japarzam 1337, 2010)

2.2.3. PARTES DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

2.2.3.1. Cigüeñal

El movimiento necesario para impulsar las ruedas del vehículo, es por medio
del cigüeñal transforma el movimiento lineal en giratorio. El cigüeñal es

montado en el block por medio de soportes en forma de “U” fundidos en el
block. Las tapas de cojinetes son atornilladas para fijar al cigüeñal sobre el
bloque de cilindros. Entre el cigüeñal y sus superficies de montaje se tiene
metales que permiten fijar y sostener al cigüeñal al igual que permite que
realice su giro. La principal característica del cigüeñal es la de soportar fuerzas
producidas por los impulsos de los pistones en las carreras de explosión.

La fabricación del cigüeñal depende del fabricante pero entre sus principales
características posee hierro fundido pesado y de alta resistencia. Así como los
cigüeñales fabricados para aplicaciones de alto rendimiento o para el servicio
pesado se fabrican en acero forjado. Algunos cigüeñales incluyen contrapesos
fundidos en posición opuesta a los muñones de biela, los contrapesos
permiten equilibrar el cigüeñal así como impedir las vibraciones durante la
rotación a cualquier régimen de velocidad del mismo. El cigüeñal es
representado en la figura 10 con sus partes detalladas.

Figura 12. Cigüeñal
(Instituto Tecnológico de Capacitación Automotriz, 2014)

1. Extremo delantero
2. Pasaje de aceite
3. Muñón de biela
4. Extremo volante de inercia
5. Muñón de cojinete principal

2.2.3.2. Muñones de los cojinetes principales de la bancada

Su proceso de fabricación está basado, en un acabado superficial perfecto es
decir altamente pulido, con el fin de que actué en un radio de giro, su ángulo
debe ser perfecto al estar en contacto con los metales de los cojinetes.
Mediante conductos de lubricación evitamos desgastes en zonas de contacto
entre metales en el bloque de cilindros, entre las superficies en contacto
tenemos bielas, muñones de bielas, cigüeñal y cojinetes de biela.

Los muñones de cojinetes principales o conocidos también como muñones de
cigüeñal, son aquellas áreas que sirven de superficie para el asentamiento y
fijación del cigüeñal al bloque de cilindros así como el asentamiento y fijación
de las bielas al cigüeñal. Los muñones para las bielas son conocidos como
muñones de biela, en un diseño común de un motor de 4 cilindros tiene 5
muñones principales y 4 para bielas, es el caso de los motores en “V” se fija
dos bielas a cada muñón de biela.

Los cojinetes principales están fabricados con metales capaces de soportar la
fricción y evitar el desgaste al mínimo, por la función que realizan de soportar
al cigüeñal, es vital que el material utilizado sea de óptima calidad, para evitar
futuros problemas a largo plazo.

Los cojinetes están divididos en dos secciones la superior que posee uno o
más orificios que sirven como conductos para el aceite de lubricación, el cual
cubre el interior de los cojinetes. Y así queda la mitad superior dentro del
soporte principal en el bloque de cilindros, y la mitad inferior dentro de la tapa
del cojinete.

La superficie que está sometida a la fricción es de un metal más suave que el
cigüeñal, por lo que permite moldearse alrededor de la superficie desnivelada
en el muñón principal, de igual manera permite reducir la fricción. En el caso
de ocurrir el desgaste, esta afecta al cojinete, de tal manera que es más

económico sustituir un cojinete que un cigüeñal, en la figura 11 se detalla las
partes de un cojinete principal de cigüeñal.

Figura 13. Cojinete principal de cigüeñal.
(Nash, 2004)

1. Cojinete principal superior
2. Orificios de lubricación
3. Cojinete principal inferior

2.2.3.3. Pistones

La principal función es la de transmitir la potencia generada resultante de la
quema de aire-combustible, el pistón forma la parte inferior de la cámara de
combustión.

Su proceso de fabricación son dos, fundido y forjado, son construidos con
materiales que puedan soportar las altas temperaturas, presiones, de igual
manera velocidades y aceleraciones altas. De esta forma el material escogido
deben ser aleaciones que puedan disminuir la energía cinética producida por
estos desplazamientos, es por eso que el material para producir los pistones
es el aluminio con aleantes de cobre, silicio, magnesio y manganeso. Para

lograr que el pistón soporte los esfuerzos producidos por dilatación y por las
velocidades.

La parte superior del pistón es conocida como cabeza del pistón, el pistón no
es más que un embolo que se ajusta a las paredes de los cilindros mediante
aros flexibles, llamados segmentos o anillos como se detalla en la figura 13,
estos anillos pueden ser de compresión y de aceite, realiza un movimiento
alternativo lineal, con el fin de permitir que el fluido que ocupa el cilindro en
ese proceso pueda cambiar su presión y volumen, para transformar en
movimiento este cambio.

La parte inferior del pistón, bajo las ranuras para los anillos es conocida como
la falda, la superficie de empuje de la falda del pistón permite guiar al pistón
en el diámetro interior, para evitar que el pistón se mueva de un lado a otro en
el cilindro. La mayoría de pistones posee una marca en un lado, para
identificar el lado del mismo que queda frente al motor.

Figura 14. Anillos o segmentos del pistón
(Bosch, 1999)

1. Anillo superior de comprensión
2. Segundo anillo de comprensión
3. Anillos raspadores en el anillos de control de aceite
4. Expansor en los anillos de control de aceite

2.2.3.4. Bielas

Es la encargada de transferir el movimiento del pistón, al muñón de biela
ubicado en el cigüeñal. Es decir convierte el movimiento lineal alternativo del
pistón en movimiento giratorio continuo en el cigüeñal, sometida a esfuerzos
de tracción y comprensión. Su fabricación es por forjamiento en algunoscasos
de fabricantes las fabrican por mecanizado, además son construidas con
materiales de aleaciones de acero, titanio o aluminio. En la figura 12 se detalla
la disposición de la biela en el motor.

Figura 15. Disposición de la Biela
(Nash, 2004)
1. Biela
2. Cigüeñal
3. Depósito de aceite
4. Bloque de cilindros
5. Perno del pistón

2.2.3.5. Tren de válvulas

El aire y combustible ingresan a los cilindros por medio del tren de válvulas
sea el tipo de motor que sea, las válvulas se localizan al ingreso de la cámara
de combustión ya que su función es la de abrir para permitir el ingreso del
flujo, o se cierra de tal forma que crea un sello hermético en la cámara de
combustión.

Las válvulas deben cerrarse y abrirse en el momento preciso según el
requerimiento del motor, esta apertura y cierre de las válvulas es efectuado
por el árbol de levas, en el campo automotriz se utiliza dos tipos de trenes de
válvulas entre los más comunes, como se detalla en la figura 14, estos tipos
son Válvulas en la cabeza OHV su siglas en inglés, en este tipo el tren de
válvulas utiliza un solo árbol de levas, ubicado en la parte central del block, la
apertura y cierre de válvulas son controlados por medio de componentes
mecánicos de conexión. El otro tipo es de árbol de levas en cabeza, OHC por
sus siglas en inglés, utiliza uno o más árboles de levas fijados.

Figura 16. Tren de válvulas OHV y OHC
(Bosch, 1999)

1. OHC árboles de levas ubicados en la cabeza de cilindros
2. OHV los árboles de levas localizados en el block

2.2.3.6. Árbol de levas

Existe dos tipos básicamente SOHC por sus siglas en inglés, el cual posee un
solo árbol de levas en la cabeza, normalmente acciona dos válvulas por
cilindro, estos motores que poseen SOHC, utilizan seguidores del tipo rodillo
que se asientan bajo el árbol de levas o utilizan balancines que se localizan
arriba del árbol de levas.

El otro tipo es DOHC, en este tipo de motor posee un diseño con doble árbol
de levas en cabeza, divide el trabajo de abrir las válvulas entre dos árboles de
levas, este tipo de motores normalmente abren 4 válvulas por cilindro, el
hecho de poseer un mayor número de válvulas, repercuta en el aumento de
la eficiencia en la mezcla de combustible, durante el tiempo de admisión, así
como en la expulsión de los gases de escape. Estos motores utilizan
seguidores en forma de rodillo o levantadores mecánicos de acción directa
para accionar las válvulas, la tarea del sistema de sincronización del motor es
de coordinar el ingreso de la mezcla aire-combustible, de igual manera en el
caso de la expulsión de los gases de escape, todo mediante la sincronización
del cigüeñal con el árbol de levas, es decir dos revoluciones del cigüeñal por
cada ciclo de combustión es una revolución del árbol de levas, es decir una
relación de 2:1.

2.2.3.7. Válvulas

Su principal función es la de brindar un sello hermético a la cámara de
combustión, su cabeza es redonda y una cara cónica que permite el sello en
la cabeza de cilindros.

La superficie de la cabeza de cilindros se llama asiento de válvulas. La cabeza
de la válvula tiene una superficie rectificada llamada cara de la válvula, la cual
es el punto donde se pone en contacto la cara y el asiento de la válvula. Los
dos deben formar un sello seguro y firme al momento de cerrarse.

El vástago de la válvula es otra parte esencial de la válvula es la parte larga y
arriba de la cabeza, tiene una ranura utilizada para la fijación de la válvula en
la cabeza de cilindros mediante seguros, el resorte de la válvula es instalado,
en el extremo del vástago, mediante un resorte y un retén es fijado al vástago.

El vástago es insertado mediante una guía de válvulas que permite mantener
la válvula alineada y segura en la cabeza del cilindro. Se muestra el vástago
de la válvula en la figura 17, de tal forma la disposición de la válvula en la
cabeza de cilindro, las guías de válvula permiten mantener alineada la válvula
en forma precisa en la cabeza de cilindro.

Los diseños de tres o cuatro válvulas por cilindro, son utilizados ya que
permiten una mayor precisión y eficiencia en la admisión y escape. En el
diseño de tres válvulas por lo general dos son de admisión y una de escape,
de igual forma de 4 válvulas, las cuales dos son de admisión y dos de escape.

Figura 17. Componentes de válvula
(Crouse, 1993)
1. Cabeza de cilindros
2. Sello de aceite de la válvula
3. Vástago de la válvula
4. Guía de la válvula
5. Asiento de válvula

2.2.4. CARBURADOR

2.2.4.1. Funcionamiento del carburador

El objetivo principal es conseguir una mezcla lo más similar a la mezcla
estequiométrica entre el aire-gasolina, en proporciones adecuadas para el
óptimo funcionamiento del vehículo. Su funcionamiento es basado en el efecto
Venturi, cuyo principio de funcionamiento es que toda corriente de aire que
pase por una canalización, genera una succión (depresión), en el caso del
carburador este efecto es aprovechado con el fin de beneficiarse del
combustible suministrado por el mismo carburador, y mediante este efecto
utilizarse para la succión de combustible hacia la cámara de combustión
(Bosch, 1999).

La depresión creada en el carburador depende de la velocidad de entrada del
aire, entre menor sea la sección de paso de las canalizaciones mayor será la
entrada de aire. Al tener un difusor en las canalizaciones se logra aumentar la
velocidad del aire, en ese punto se coloca un surtidor comunicado a una cuba
con el combustible a nivel constante. Este proceso produce una depresión de
tal forma que se produce la salida de combustible por el surtidor, que se
mezclara con el aire que pasa por el estrechamiento, para ser arrastrado hacia
la cámara de combustión.

Figura 18 Carburador esquema en el colector de admisión.
(Aficionados a la Mecanica, 2009)

2.2.4.2. Principio de funcionamiento del carburador

Su principio está basado en la depresión creada por los pistones en su carrera
hacia el punto muerto inferior (PMI) ya que el carburador es un elemento
mecánico y su funcionamiento es basado en la depresión. En la figura 18, se
aprecia el principio de funcionamiento del carburador basado en el efecto
Venturi, brindado por el difusor, por medio de la cuba se envía el combustible
para ser aprovechado por las canalizaciones y provocar el efecto Venturi para
posteriormente enviarlo a los cilindros.

Figura 18. Esquema de principio de funcionamiento del carburador
(Aficionados a la Mecanica, 2009)

El pistón realiza un recorrido descendente en el tiempo de admisión se
provoca un vacío en la cámara de combustión de tal forma que la presión
absoluta en la misma será muy inferior a la atmosférica, con lo que conlleva a
un aumento en la depresión.

La cual será transmitida por la tubería de admisión del carburador y hacia el
exterior lo que producirá, la entrada de combustible proporcionada por el
carburador la cual se mezclara con el aire y debido a la depresión se formara
la mezcla aire-combustible para posteriormente quemarse en el interior de la
cámara. En la figura 19 se detalla las diferentes fases de funcionamiento del
carburador, la fase de motor apagado, en esta los puntos de presión son

iguales es decir la presión en el carburador es similar a la atmosférica, sin
movimiento de aspiración para la realización de la mezcla. En cada fase la
mariposa es la que se encarga de la depresión transmitida hacia el difusor,
entre mayor sea la apertura de la mariposa el caudal de aire que pasara será
mayor al igual que la depresión que arrastra mayor cantidad de gasolina desde
el surtidor hacia los cilindros.

Figura 19. Fases de funcionamiento del carburador