PT107973B

PT107973B - Método para aumentar a eficiência de motores de combustão

Info

Publication number: PT107973B
Application number: PT107973A
Authority: PT
Inventors: Adair Christopher; Eduardo De Meneses Moutinho E Henriques Gonçalo Paulo; Diogo Quintão Duarte Silva Francisco
Original assignee: Ultimate Cell Lda
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2018-03-29
Also published as: PL3209875T3; DK3209875T3; EP3209875B1; ES2701236T3; TR201819141T4; NZ731080A; CA2964232A1; AU2015337159A1; AU2015337159A8; BR112017008247A2; US20180058387A1; EP3209875A1; WO2016064289A1; BR112017008247B1; AU2015337159B2; CA2964232C; US10704503B2

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO DIZ RESPEITO A UM MÉTODO PARA A OPTIMIZAÇÃO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, QUE REDUZ O CONSUMO DE COMBUSTÍVEL E AS EMISSÕES DE GASES DE ESCAPE E MATERIAL PARTICULADO. O PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO BASEIA-SE NA INTRODUÇÃO DE PEQUENAS QUANTIDADES DE HIDROGÉNIO NA CONDUTA DE ADMISSÃO DE AR DO MOTOR COM O OBJECTIVO DE OPTIMIZAR A QUEIMA DOS COMBUSTÍVEIS TRADICIONAIS, MELHORANDO OS PARÂMETROS DA REACÇÃO DE COMBUSTÃO. ESTA COMBUSTÃO OPTIMIZADA IRÁ AUMENTAR A EFICIÊNCIA DO MOTOR E REDUZIR O SEU IMPACTO AMBIENTAL. O HIDROGÉNIO É PRODUZIDO ATRAVÉS DE UMA REAÇÃO DE ELECTRÓLISE NUMA CÉLULA ELECTROQUÍMICA FECHADA DE ELECTRÓLITO NÃO CIRCULANTE.

Description

MÉTODO PARA AUMENTAR A EFICIÊNCIA DE MOTORES DE COMBUSTÃO

Introdução hidrogénio, apesar de ser o elemento químico mais abundante no Universo, constituindo aproximadamente 75% da sua massa, é na sua forma elementar relativamente raro no Planeta Terra. Industrialmente é produzido a partir de hidrocarbonetos presentes no gás natural, tais como metano, sendo habitualmente utilizados localmente dada a sua dificuldade de transportar em segurança e sem que se recombine com os demais elementos. Os maiores mercados do mundo utilizam hidrogénio para o aprimorar combustíveis fósseis em processos de hidrocraqueamento, que consiste na fragmentação das longas cadeias moleculares de hidrocarbonetos em cadeias mais pequenas mais reativas à combustão. 0 hidrogénio também pode ser obtido por meio da eletrólise da água, sendo um processo habitualmente dispendioso, quer a nível material, quer a nível energético.

utilizado, combustível hidrogénio tem vindo a ser frequentemente em motores de combustão interna, como principal, ou como substituto parcial do combustível hidrocarbónico (gasolina e diesel) adicionado à mistura comburente/combustível. 0 hidrogénio pela sua reactividade e afinidade electroquímica possui elevado risco de explosão quando pressurizado, sendo o seu armazenamento e transporte uma tarefa sujeita às mais apertadas regras de segurança. Como alternativa ao transporte e armazenamento começaram a ser estudados métodos de transformação e produção de hidrogénio directamente no local de consumo, sendo o processo de electrólise da água um dos métodos mais comuns. A partir da molécula da água (H2O) são obtidas, após electrólise, duas moléculas de hidrogénio e uma de oxigénio, sob a forma de gás habitualmente conhecido por HHO. Este processo tem sido estudado e optimizado ao longo do tempo, sendo ainda que com sistemas actuais, uma reacção de elevado consumo energético e baixa eficiência, com inúmeras dificuldades de equilíbrio electroquímico que frequentemente provocam corrosão de eléctrodos, degradação de materiais e manutenção constante para garantir a operação dos sistemas.

Inúmeros sistemas de substituição de combustível utilizam percentagens mássicas de substituição na ordem dos 5%. Rácios desta ordem, para um motor comum de veículo ligeiro com 1,6 litros de cilindrada, exigem caudais de hidrogénio na ordem dos 3 litros por minuto. Para fornecer caudais de hidrogénio desta ordem por electrólise são necessários consumos eléctricos muito elevados para a capacidade do sistema eléctrico do veículo, ultrapassando os 30A. Mesmo assumindo os aumentos de eficiência e redução de consumo de combustível em motores de combustão interna pela introdução de hidrogénio como combustível, anunciados por estes sistemas existentes no mercado, o seu elevado consumo eléctrico torna-os energeticamente inviáveis. Estes sistemas consomem energia eléctrica que transformam em energia química (HHO), que será posteriormente queimada para transformar em energia mecânica (motor de combustão interna), que por último é transformada em energia eléctrica (alternador) que irá alimentar a pilha electroquímica onde se dá a electrólise. Este último terá naturalmente o acréscimo de consumo de energia mecânica para garantir o consumo eléctrico consumido no processo de electrólise. Tendo todos estes processos de transformação energética eficiências naturalmente inferiores a 100%, torna todo o processo termodinamicamente ineficiente, deixando de fazer sentido a utilização de hidrogénio como combustível quando produzido por electrólise alimentada pelo próprio sistema que o consome.

Por outro lado a electrólise da água, não produz apenas hidrogénio, sendo o oxigénio outro produto da reacção. O oxigénio irá ser alimentado em conjunto com o hidrogénio no ar de admissão do motor influenciando igualmente a combustão. O acréscimo de oxigénio no ar irá tornar a mistura mais pobre, podendo este aumento de concentração ser detectado pelos sensores do sistema de gestão do motor (sonda labda), que irá considerar a combustão pobre e corrigir a mistura adicionando mais combustível. Esta correcção não é desejada pois irá contra o objectivo inicial de redução de consumo de combustível, sendo frequentemente utilizados sistemas de correcção para os sensores (lambda) de forma a enganar o seu sinal e considerar uma leitura de concentração de oxigénio inferior à real.

Todas estas dificuldades levaram os sistemas, muitos deles ainda rudimentares, de tentativa de utilização de hidrogénio em motores de combustão ao fracasso, com resultados pouco consistentes e duvidosos quanto ao real aumento de eficiência dos motores.

Apesar de continuar a existir o risco de armazenamento e transporte, os construtores automóveis iniciaram o processo de utilização de hidrogénio como fonte energética para a produção de energia eléctrica que é posteriormente utilizada para alimentar um ou mais motor eléctricos responsáveis pela propulsão dos veículos. Tal evolução vem modificar radicalmente o sector automóvel, até agora baseado em sistemas de propulsão de combustão interna. Na prática trata-se de um sistema de eléctrolise invertido onde é alimentado hidrogénio e oxigénio a uma pilha electroquímica, convertendo-os em água (H+H+O -> H2O) , produzindo energia eléctrica, posteriormente consumida pelo motor. A globalização deste conceito pressupõe a substituição de milhões de veículos com motores de combustão, e transfere para a indústria a responsabilidade e custos energéticos da produção, armazenamento e fornecimento de hidrogénio.

Sumário da invenção

Baseando-se no estado da arte actual da utilização de hidrogénio em processos de optimização de motores de combustão interna, foi testada e provada uma nova utilização desta pequena e poderosa molécula. A invenção refere-se pois a um método para aumentar a eficiência de motores de combustão, agindo não como combustível, mas sim como um optimizador de parâmetros de combustão sob a forma de comburente alimentado em conjunto com o ar ao motor. Foram obtidos resultados significativos de aumento de eficiência química e consequentemente energética em motores de combustão interna.

De facto utilizando uma reduzida proporção mássica de hidrogénio face ao combustível utilizado, consegue-se optimizar a eficiência do processo de combustão dos combustíveis hidrocarbónicos tradicionais. Tal adição de hidrogénio permite tornar a queima mais completa com menos emissões de escape nocivas, produzindo mais energia mecânica a partir da mesma quantidade de combustível. A quantidade de hidrogénio necessária para a optimização desta reacção é mínima, tornando a produção por electrólise uma possibilidade válida com consumos eléctricos muito reduzidos e quimicamente estável.

hidrogénio possui parâmetros únicos e uma reactividade extremamente elevada. A sua adição à reacção de combustão faz acelerar a velocidade de frente de chama, que num motor de combustão interna condiciona fortemente a eficácia da combustão na transferência de energia química para energia mecânica. 0 hidrogénio no interior da câmara de combustão irá reagir com o combustível combinando-se com as moléculas de carbono que o constituem, quebrando as suas cadeias moleculares. Esta reação é despoletada pela explosão característica do motor de combustão, ocorrendo instantes antes da combustão normal do combustível, que quando ocorre encontra já um combustível com cadeias préquebradas por acção do hidrogénio. Este combustível préquebrado é de mais fácil e rápida combustão, permitindo uma maior e completa libertação energética que se irá reflectir numa maior eficiência global do processo de combustão. 0 motor irá assim conseguir realizar mais trabalho com a mesma quantidade de combustível. Em simultâneo, a reação de combustão mais completa por efeito do hidrogénio como catalizador, irá produzir menos hidrocarbonetos não queimados responsáveis pela contaminação das câmaras de combustão do motor e por consequência todo o motor e óleo de lubrificação. A acção catalítica do hidrogénio no motor de combustão irá desta forma também contribuir para a sua limpeza, não acumulando resíduos de combustão. A redução destes resíduos provenientes duma combustão incompleta tem um impacto directo na redução de emissões poluentes de gases de escape.

processo foi estudado e optimizado com o objectivo de minimizar a corrosão de eléctrodos e a degradação de materiais, possuindo autonomias e períodos de manutenção alargados. Utilizando a última tecnologia na gestão do consumo eléctrico da reacção foi também minimizado o consumo eléctrico, permitindo chegar a um conceito energeticamente válido e eficiente na optimização de motores de combustão interna. Este invento vem dar uma nova possibilidade aos motores de combustão interna utilizados globalmente para os mais variados objectivos. Sem modificar o seu modo de operação os motores de combustão podem ver reduzido o seu impacto ambiental em simultâneo com uma redução significativa do seu consumo de combustível para a realização do mesmo trabalho.

dispositivo e método objecto da invenção vem revolucionar o modo de obtenção e aplicação do hidrogénio no processo de combustão. É um dispositivo de optimização de motores de combustão interna, que reduz o consumo de combustível e as emissões de gases de escape. 0 dispositivo funciona como um gerador de hidrogénio por eléctrolise controlada electronicamente, com electrólito não circulante. Com um consumo optimizado de energia eléctrica, o equipamento produz apenas a quantidade de hidrogénio necessária para a optimização da eficiência do motor de combustão. 0 hidrogénio, alimentado directamente pela admissão de ar, irá funcionar como optimizador de parâmetros de combustão no interior do motor, permitindo uma combustão mais rápida e completa do combustível tradicional. Com este funcionamento optimizado do motor, o consumo de combustível pode atingir reduções de 30% e as emissões de gases poluentes podem ser reduzidas em até 80%.

Podendo ser aplicada em qualquer motor de combustão interna sem grandes modificações, apresenta custos reduzidos de instalação e manutenção, permitindo ROIs extremamente atractivos.

A instalação do dispositivo objecto da invenção em veículos ligeiros foi aprovada pelo IMT em Novembro de 2013, após a realização de diversos testes de comprovação do funcionamento da tecnologia bem como da sua segurança e fiabilidade em institutos de renome como o Instituto

Superior Técnico e o Instituto de Soldadura e Qualidade. O produto respeita as normas comunitárias CE Directiva 2006/42/EC e Directiva 2011/65/EU.

Este dispositivo objecto da invenção está actualmente certificado pela VCA tendo o produto uma marcação E-mark, (Eli - 10R-058662), garantindo a sua aprovação mundial para a instalação em veículos automóveis.

Este produto está em consonância com os objectivos da União Europeia para 2020, relativos às alterações climáticas e de sustentabilidade energética para Portugal.

Estado da técnica da invenção

Os documentos encontrados em pesquisa ao estado da técnica e tidos como os mais relevantes, são:

(Dl)

US2010206721 Al;

(D2) US2003024489 Al;

(D3) CN203307438 U.

A distinção entre o estado da técnica e a presente invenção incide na quantidade de hidrogénio utilizada. A proporção mássica utilizada na presente invenção é manifestamente inferior à utilizada nos documentos do estado da técnica, uma vez que nos referimos a um processo de optimização diferente da queima tradicional de HHO em conjunto com combustível.

Descrição detalhada da invenção método objecto da invenção destina-se à optimização de motores de combustão interna, que reduz o consumo de combustível e as emissões de gases de escape e material particulado. Recorre a um dispositivo específico para a produção de hidrogénio.

A presente invenção baseia-se na introdução de pequenas quantidades de hidrogénio na conduta de admissão de ar do motor com o objectivo de optimizar a queima dos combustíveis tradicionais, melhorando os parâmetros da reacção de combustão. Esta combustão optimizada irá aumentar a eficiência do motor e reduzir o seu impacto ambiental. 0 hidrogénio é produzido através de uma reação de electrólise numa célula electroquímica fechada de electrólito não circulante.

O referido método, utiliza um dispositivo de produção de hidrogénio que é alimentado através do circuito eléctrico do motor, podendo ser ligado directamente a uma bateria ou a uma caixa de fusíveis. O dispositivo é controlado electronicamente através de um módulo integrado que gere a reacção de electrólise, garantindo que apenas se liga quando o motor se encontra em funcionamento e que a quantidade de hidrogénio produzido é adequada à quantidade de combustível consumida pelo motor, podendo ser inferida pela cilindrada do motor e ao seu regime de funcionamento. Quando o dispositivo liga, inicia-se no seu interior um processo de electrólise controlada electronicamente, resultando na separação química das moléculas de hidrogénio e oxigénio do electrólito contido no dispositivo, que serão introduzidas no ar de alimentação do motor.

O hidrogénio produzido vai então misturar-se com o ar e combustível nas câmaras de combustão do motor, modificando os parâmetros da reacção, permitindo uma combustão mais rápida e completa do combustível tradicional com uma temperatura mais homogénea sobre a superfície dos pistons do motor. O resultado é um aumento da eficiência do motor que apresentará um funcionamento mais silencioso e suave, com um aumento de binário a baixa rotação. Este funcionamento optimizado do motor irá reduzir o consumo de combustível e diminuir as emissões de gases de escape e material particulado, reduzindo os custos de funcionamento e protegendo o ambiente. O electrólito no interior do dispositivo é consumido durante o funcionamento, devendo ser recarregado em função do tempo de operação do motor bem como do seu regime de funcionamento. 0 dispositivo sinaliza o utilizador quando for necessário o reabastecimento de electrólito.

Este dispositivo de produção de hidrogénio por electrólise consiste num equipamento hermeticamente fechado, funcionando como uma célula electroquímica de electrólito não circulante. Necessita ser aberto, apenas para o abastecimento de novo electrólito. No fundo do reservatório estão colocados, no mínimo dois eléctrodos de níquel, com pureza superior a 99%. A distância entre eléctrodos e a sua área são definidos de acordo com a geometria e capacidade de produção do dispositivo, de forma a permitir estabelecer uma tensão adequada que não potencie a corrosão. De acordo com o diagrama de Pourbaix (Figura 1) para o níquel, é necessário estabelecer uma relação entre pH e tensão qua mantenha a reação de electrólise na zona de passividade. 0 electrólito utilizado é uma solução aquosa baseada em hidróxido de potássio com uma concentração escolhida de forma a garantir uma tensão de 2 volt aos terminais dos eléctrodos. Como configuração possível para manter estes parâmetros na sua forma mais simples, temos 2 eléctrodos de níquel (NÍ201) com 12,4cm² distanciados a 5mm com o electrólito com uma concentração de 0,5Mol (2,5%).

processo de electrólise é controlado por um circuito electrónico (PCB), de forma a garantir o correcto débito de hidrogénio em função do combustível consumido pelo motor a optimizar e do seu regime de funcionamento, regulando a corrente eléctrica fornecida à pilha electroquímica. 0 PCB é também responsável por assegurar que o dispositivo ligará apenas quando o motor está em funcionamento, detectando o incremento da tensão resultante do funcionamento do alternador. Esta tensão limiar é ajustável no PCB de forma a se adaptar a qualquer veículo. De forma a optimizar o consumo de energia eléctrica e permitir ser alimentado com uma tensão entre os 3 e os 30 volts contínuos, o PCB incorpora uma fonte de switching que comuta a tensão de entrada com a frequência necessária para que a tensão equivalente seja a necessária, alisada por um condensador de forma a minimizar a tensão de ripple (componente de corrente alternada que se sobrepõe ao valor médio da tensão de uma fonte de corrente contínua). Quando o dispositivo inicia a produção de hidrogénio, é indicado no painel frontal que o equipamento se encontra ligado.

Quando é necessário o abastecimento de electrólito, é igualmente indicado no painel frontal a necessidade de recarga. No topo, a célula é selada por uma membrana de condensação que impede os derrames e minimiza a evaporação de electrólito, deixando apenas passar o gás produzido pela reacção de electrólise. A membrana pode ser feita dos mais diversos materiais e configurações de forma a garantir a sua funcionalidade resistindo quimicamente à formulação do electrólito escolhida, sendo a tela de EPDM, perfurada com preferencialmente lmm de espessura uma das configurações escolhidas.

Ao ser ligado, o dispositivo inicia o processo de electrólise com a separação das moléculas de água em moléculas de hidrogénio e oxigénio, que atravessam a membrana de condensação, saindo pelo orifício na tampa superior do equipamento. 0 caudal de gás HHO produzido é ajustado pelo PCB em função do regime e cilindrada do motor, sendo o PCB ajustado de forma a assegurar uma percentagem mássica de HHO relativamente ao combustível utilizado entre 0,0005% e 0,05%, ou preferivelmente de 0,002% a 0,010%, tendo como valor de referência da equação de controlo gerida pelo módulo electrónico do equipamento a relação mássica de 0,005% para motores Diesel e de 0,002% para motores a Gasolina. Esta proporção, em situações de estequiometria da combustão equivale a um rácio volúmico ar: hidrogénio entre l:2,5xl0“⁶ e l:3,5xl0“⁶. Este rácio extremamente reduzido faz com que o gás HHO adicionado ao meio comburente não interfira na leitura de sensores de gestão do motor como é o caso do sensor de massa de ar (MAF) ou a sonda de O2 no escape (Lambda).

Para assegurar esta proporção foi considerada a densidade do gás HHO produzido igual a 0,5363 g/1, tendo sido estabelecida como ideal para a optimização da combustão, uma relação mássica entre HHO e o combustível utilizado de 0,0005% a 0,05%, ou preferivelmente de 0,002% a 0,010%. Esta relação com os devidos ajustes mássicos mostra-se aplicável para todo o tipo de combustíveis hidrocarbónicos utilizados em motores de combustão interna, considerando as densidades: Gasolina (0,75kg/l); Gasóleo (0,85kg/l); GPL (2,5g/l).

gás produzido é injectado na conduta de admissão de ar do motor. Não existe no dispositivo, em nenhuma altura, armazenamento pressurizado de hidrogénio, sendo todo o caudal de gás produzido consumido directamente pelo motor de combustão interna. 0 vácuo existente na conduta de admissão de ar irá despressurizar o dispositivo garantindo a extração do gás produzido do interior da célula.

dispositivo deverá ser instalado perto do motor, longe de fontes de calor ou partes móveis. 0 dispositivo é alimentado electricamente a partir do circuito eléctrico do motor (12 ou 24volts) , directamente da bateria ou da caixa de fusíveis do veículo, sendo o seu circuito protegido por um fusível adequado ao consumo máximo do dispositivo. 0 tubo de alimentação de hidrogénio que sai do topo do equipamento será conectado à conduta de admissão de ar do motor, numa secção após filtragem de ar e antes de qualquer compressor volumétrico, caso exista.

Breve descrição das figuras

Figura 1 - Diagrama de Pourbaix para o Níquel no qual se apresenta a representação gráfica das possíveis fases de equilíbrio estáveis de um sistema electroquímico.

Tal como supracitado é possível, de acordo com o diagrama aqui aprrsentado, determinar a necessidade de estabelecer uma relação entre pH e tensão qua mantenha a reação de electrólise na zona de passividade. 0 electrólito utilizado é uma solução aquosa baseada em hidróxido de potássio com uma concentração escolhida de forma a garantir uma tensão de 2 volt aos terminais dos eléctrodos. Como configuração possível para manter estes parâmetros na sua forma mais simples, temos 2 eléctrodos de níquel (NÍ201) com 12,4cm²distanciados a 5mm com o electrólito com uma concentração de 0,5Mol (2,5%).

Claims

1. Método para aumentar a eficiência de motores de combustão caracterizado pelas seguintes etapas:

a) produção de gás HHO num sistema de electrólise em célula de electrólito não circulante;

b) introdução do referido gás na conduta de ar do motor

c) despressurização do dispositivo de produção de gás HHO, precedida pela extração do gás a introduzir na conduta de admissão de ar do motor de combustão, a qual recorre ao vácuo existente na conduta de admissão de ar, e sendo que todo o gás produzido no sistema de produção de electrólise é injectado na conduta de admissão de ar do motor; e

d) em que a percentagem mássica óptima de HHO relativamente ao combustível utilizado varia entre

0,0005% a 0,05%, tendo como valor de referência a relação mássica de 0,005% para motores diesel e de 0,002% para motores a gasolina.

2. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a percentagem mássica óptima de HHO relativamente ao combustível utilizado variar entre 0,002% a 0,010%.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a alimentação de hidrogénio pelo tubo de alimentação de hidrogénio que sai do topo do sistema de electrólise produtor de gás ser conectado à conduta de admissão de ar do motor, numa secção após filtragem de ar e antes de qualquer compressor volumétrico, caso exista.

4. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado o caudal de gás HHO produzido ser ajustado por circuito electrónico em função do regime e cilindrada do motor, mantendo em caso de estequiometria da combustão um rácio volúmico ar: hidrogénio entre l:2,5xl0“⁶ e l:3,5xl0“⁶.

5. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por eléctrodos utilizados na electrólise serem de níquel de pureza superior a 99% .

6. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a tensão nos eléctrodos ser regulada electronicamente.