El hidrógeno es sinónimo de máximas prestaciones y no sólo en las naves espaciales que surcan el espacio exterior: BMW ha demostrado lo que es capaz de ofrecer un vehículo con motor de hidrógeno, al batir nada menos que nueve records con un prototipo con motor de combustión alimentado por hidrogeno.
"Estos nueve redords señalan el comienzo de la era del hidrógeno. La tecnología BMW ya ha recorrido un largo camino. Ahora, conjuntamente con los políticos y la industria energética, hemos de hacer realidad nuestra visión de la movilidad sostenible", declaró el Profesor Burkhard Göschel, Consejero de BMW AG, durante las pruebas de velocidad celebradas en el circuito de Miramas. Con este espectacular éxito logrado en las Pistas de Alta Velocidad de Miramas (Francia), BMW Group demuestra claramente que es posible sustituir el combustible convencional por hidrógeno sin menoscabo alguno de la dinámica o las prestaciones del vehículo.
Las especificaciones del prototipo H2R Record Car confirman claramente esta superioridad. Este motor de seis litros de cilindrada y 12 cilindros, desarrolla nada menos que 210 kW o 285 CV. El prototipo de BMW alcanza los 100 km/h desde la salida en parado en 6 segundos aproximadamente y una velocidad máxima de 302,4 km/h. Derivado del motor de gasolina utilizado en el modelo BMW 760i, el motor de combustión de hidrógeno de BMW incorpora las tecnologías más avanzadas, entre otras, el control variable de la apertura de las válvulas con el sistema VALVETRONIC.
Las principales modificaciones del motor implicaron el empleo de un sistema de inyección de combustible adaptado a las características y exigencias especiales del hidrógeno. El H2R Record Car aprovecha los resultados obtenidos durante el desarrollo del futuro motor BMW de hidrógeno, de funcionamiento dual, que se instalará por primera vez en la historia en una berlina de lujo - la Serie 7- y que BMW introducirá durante el ciclo de producción del actual modelo, en lo que será el primer coche de su naturaleza capaz de circular con hidrógeno y gasolina.
El prototipo H2R ha establecido los records siguientes tanto en término de tiempos como de velocidad:
Tiempo (sg) Velocidad (km/h)
Alfred Hilger, Jörg Weidinger y Günther Weber, pilotos de prueba de BMW, condujeron el Record Car en esta sesión sin precedentes.
La razón que condujo a BMW a batir estos records no fue únicamente la de demostrar la potencia y las prestaciones del motor de hidrógeno. La fiabilidad y durabilidad de la tecnología utilizada también demuestra claramente la supremacía de BMW en el desarrollo de motores de hidrógeno para producción en serie. En este proceso, BMW se ha centrado en el motor de combustión simplemente porque, dadas sus características y prestaciones, sigue siendo el que ofrece mayor número de ventajas y beneficios.
El H2R Record Car: desarrollado en tan solo 10 meses.
El H2R Record Car de BMW ha sido concebido, diseñado y desarrollado por BMW Forschung und Technik GmbH, legendaria filial de BMW AG. La denominación "H2R" significa "H Two Race Car", "Hydrogen Record Car" o "Hydrogen Research Car".
"Sólo necesitamos diez meses para desarrollar el prototipo H2R", señala Jürgen Kübler, Director del Proyecto. Pero esto es algo habitual entre los ingenieros creativos que hacen que esta Compañía sea tan especial.
En el proceso, los ingenieros y especialistas de desarrollo contaron, desde luego, con el respaldo de tres factores: en primer lugar, los componentes utilizados en el futuro BMW de producción en serie con motor de hidrógeno ya han alcanzado una elevada madurez tras su sencilla adaptación al prototipo H2R. En segundo lugar, los especialistas de desarrollo pudieron utilizar los sistemas probados de suspensión y chasis de BMW que cumplían, de forma natural, las exigencias más rigurosas. Y por último, el empleo continuado y extensivo de tecnología CAD permitió ahorrar tiempo y llevar a cabo un proceso de desarrollo perfectamente orientado.
El motor: un doce cilindros de serie adaptado a la combustión con hidrógeno
El ?corazón? del H2R Record Car se basa, en general, en el avanzado motor de seis litros y 12 cilindros de BMW, capaz de funcionar con hidrógeno tras ajustar el sistema de gestión del motor así como los componentes encargados de la mezcla de combustible/aire.
Las diferencias más significativas en términos de componentes estructurales son la válvula de inyección de hidrógeno y los materiales empleados en las cámaras de combustión: al contrario que el motor de serie en el que el combustible se inyecta directamente en las propias cámaras de combustión, las válvulas de inyección del motor de hidrógeno están integradas en los colectores de admisión. Y, en este caso, para cumplir las necesidades específicas que exigía batir un record de velocidad, se diseñó un motor alimentado por hidrógeno que funcionase exclusivamente con este combustible.
Esto permitió a los ingenieros configurar y ajustar el motor a las exigencias del hidrógeno utilizando, por ejemplo, los asientos y guías de válvulas fabricados en el material apropiado. La razón de ello es que el hidrógeno carece del efecto lubrificante de la mezcla convencional de gasolina/aire. Hemos de destacar, en este contexto, que la necesidad de hacer frente a un bajo nivel de lubricación ya surgió en el pasado con la introducción de los motores de gasolina sin plomo que exigieron el uso de materiales más adecuados.
El hidrógeno mejora la eficiencia
Una consideración fundamental es la de que las propiedades de combustión del hidrógeno son muy diferentes a las de la gasolina o el diesel: aunque la combustión del hidrógeno es más rápida que la de los combustibles convencionales a presión de aire normal, su temperatura de combustión es ligeramente más baja que la de la gasolina.
En el interior del motor, la elevada velocidad de combustión de la mezcla de hidrógeno/aire genera temperaturas más altas que las experimentadas por un motor de gasolina. La gestión del motor del H2R Record Car de BMW se ha modificado oportunamente de forma que la mezcla de hidrógeno/aire no alcance la combustión hasta que el pistón se sitúe en el centro del punto muerto superior, garantizando, de esta forma, el máximo rendimiento. Dado que la combustión de la mezcla de gasolina/aire es, por comparación, relativamente lenta, debe explosionar antes en función de la velocidad del motor, por lo que la presión máxima se alcanza cuando el pistón empieza a descender.
Una ventaja clave de la mayor presión de combustión de la mezcla de hidrógeno/aire es que genera más potencia utilizando la misma cantidad de energía, lo que supone un mayor grado de eficiencia.
Independientemente de lo ventajosas que resulten las propiedades de inyección del hidrógeno en el interior del motor, el exterior de la cámara de combustión requiere minuciosa atención. Para evitar fallos de encendido, por ejemplo, los ingenieros de BMW han desarrollado una estrategia de inyección y un ciclo de gas específico, en los que los ilimitados ajustes del árbol de levas VANOS de BMW gestionan el gas residual según exigencias específicas: antes de que la mezcla de hidrógeno/aire penetre en los cilindros, las cámaras de combustión son refrigeradas por aire para impedir que se produzca una combustión incontrolada.
VALVETRONIC ofrece óptimas condiciones para el hidrógeno
La tecnología VALVETRONIC exclusiva de BMW, encargada de optimizar el funcionamiento de las válvulas de los doce cilindros, ha proporcionado a los especialistas de desarrollo de la Compañía la herramienta ideal para controlar este exigente ciclo de carga de gas. El sistema VALVETRONIC supervisa no sólo la duración del movimiento de las válvulas sino también su apertura. Esto es posible gracias a una palanca intermedia entre el cigüeñal y las dos válvulas de admisión de cada cilindro que modifica continuamente su posición respecto al cigüeñal mediante un eje excéntrico adicional accionado por un motor eléctrico. Dependiendo de la posición de este eje excéntrico, la palanca transforma el movimiento de la curva de las levas en un mayor o menor movimiento de las válvulas.
El sistema VALVETRONIC se basa en el proceso de ajuste continuado del árbol de levas de BMW. Conocido por el nombre comercial de VANOS, este sistema forma parte integral del concepto VALVETRONIC. Incorporando una unidad de ajuste controlada hidráulicamente en la distribución del árbol de levas, VANOS modifica el principio y final del periodo de apertura de la válvula, mientras que la gestión variable de las válvulas ajusta perfectamente el ciclo de carga de gas del motor de doce cilindros de acuerdo con las exigencias y características del hidrógeno.
Inyectores especiales
Dado que el hidrógeno se inyecta en el colector de admisión, las válvulas de inyección deben cumplir condiciones muy exigentes. Por consiguiente, estas válvulas constituyen un nuevo desarrollo de BMW. Y dado que el hidrógeno gaseoso ocupa mayor volumen por unidad de energía que la gasolina líquida, las válvulas de inyección de hidrógeno tienen mayor diámetro que las válvulas convencionales.
Otro punto a tener en cuenta es que las válvulas deben abarcar un rango mucho más amplio de características y exigencias, operando bajo todo tipo de presiones del sistema y con periodos de inyección que varían desde intervalos muy cortos a otros relativamente largos. Uno de los principales objetivos buscados al desarrollar las válvulas fue el de inyectar en el colector de admisión exactamente la cantidad requerida de hidrógeno, en un periodo muy corto, a velocidades de motor extremadamente elevadas y a plena carga.
Proceso de mezcla limpio: menos consumo de combustible con carga parcial; potencia adicional a plena carga.
En condiciones de plena carga, el motor de 12 cilindros funciona con una mezcla de combustible/aire cuyo valor lambda es 1. Este valor coincide exactamente con el que encontramos en los más avanzados motores de gasolina, dado que, por regla general, es el que proporciona mejores resultados en un motor de combustión. Bajo cargas parciales- una nueva ventaja del hidrógeno- el motor funciona eficazmente en la modalidad de mezcla pobre con exceso de aire.
En condiciones específicas de mezcla de combustible/aire, la combustión del hidrógeno genera óxidos nítricos. Este rango comienza ligeramente por encima del valor lambda 1 y se extiende hasta los valores de lambda > 2.
La solución más sencilla para este problema es evitar este rango de mezcla dado que no es necesaria para el funcionamiento del motor. Así pues, el rápido sistema de gestión que controla el motor de hidrógeno de BMW omite este rango de funcionamiento evitando la emisión de NOx durante el proceso. Como resultado, el H2R Record Car es tan potente como un vehículo de gasolina mientras que sus emisiones se limitan, a todos los efectos prácticos, a vapor de agua.
Tecnología de seguridad.
El sistema de alimentación de combustible que incorpora el H2R Record Car de BMW se deriva de un concepto probado. El combustible se introduce en el depósito del prototipo H2R, en una estación de servicio de hidrógeno móvil a través de una pistola manual. Este depósito, con doble pared aislada por vacío, tiene una capacidad superior a 11 kilos de hidrógeno líquido y está instalado cerca del asiento del conductor. Un total de tres válvulas garantiza la máxima seguridad y la válvula de funcionamiento del depósito se abre a una presión de 4,5 bares.
Dos válvulas de seguridad adicionales eliminan las peligrosas consecuencias de posibles fugas en la camisa que rodea al depósito al tiempo que mantienen el hidrógeno a la baja temperatura requerida. Estas válvulas se abren tan pronto como la presión del depósito excede el límite de cinco bares. Este doble sistema de protección redundante garantiza la seguridad en todo momento, al impedir que el depósito de hidrógeno explosione como resultado de una presión excesiva.
Intercambiador de calor en lugar de bomba de gasolina
La presión del gas aumenta en el sistema de suministro de combustible debido al aumento de la temperatura del hidrógeno líquido del depósito cuya presión nominal se mantiene a unos tres bares aproximadamente gracias a un controlador de presión. A continuación, el refrigerante, tras circular por el motor de doce cilindros, calienta el hidrógeno en el intercambiador de calor hasta alcanzar la temperatura ambiente.
Tecnología de las válvulas
Un conjunto de válvulas adicionales supervisa la presión del gas en los conductos de alimentación del combustible que conectan con el motor: las válvulas de baja temperatura situadas en el interior del depósito controlan la salida de hidrógeno del depósito. Si cualquiera de estos conductos sufre una fuga y la presión de suministro desciende por debajo de 0,4 bares, las válvulas de alimentación de combustible se cierran automáticamente, desconectando y aislando el depósito del resto de los componentes. El conducto de alimentación también se puede interrumpir manualmente mediante un interruptor.
Para mantener en todo momento presiones óptimas de suministro en las válvulas de inyección -especialmente si tenemos en cuenta que esta presión puede variar en función de las condiciones de conducción- el sistema de gestión del motor reduce la presión en el conducto de suministro 1,2 bares aproximadamente mediante una válvula de control instalada específicamente para este fin.
El completo sistema de seguridad del H2R Record Car es supervisado adicionalmente por un sistema telemétrico del mismo tipo que los empleados en la Fórmula UNO. Cuatro sensores de hidrógeno instalados en puntos neurálgicos -en el propio depósito y entorno a sus acoplamientos, por ejemplo-reconoce inmediatamente cualquier fuga e informa de ello al conductor.
Chasis y suspensión
Para la estructura y chasis del H2R Record Car de BMW, los ingenieros y especialistas de desarrollo de BMW Forschung und Technik GmbH utilizaron la estructura de aluminio monocasco así como la totalidad del chasis y del sistema de suspensión de un purasangre deportivo BMW. Las planchas de la estructura de aluminio de gran resistencia aprovechan las ventajas de este material particularmente ligero y resistente a la corrosión, para rellenar los espacios abiertos entre los perfiles extra-largos prensados por extrusión para obtener el estable ?esqueleto? del vehículo. El resultado es excelente desde el punto de vista del conductor, al que ofrece una experiencia de conducción directa sin la más ligera vibración o ?temblor? de la carrocería.
La suspensión delantera emplea muelles helicoidales y doble trapecio, dirección de piñón y cremallera, articulación transversal, tirante y barra estabilizadora. El subbastidor del eje delantero está compuesto por una estructura de aluminio soldada formada por barras de perfil prensado por extrusión y planchas que sujetan todos los componentes del eje delantero empernándolos a la carrocería en seis puntos. La articulación transversal, fabricada en aluminio forjado, se complementa con dos rótulas que hacen posible la orientación precisa de las ruedas y mejoran la estabilidad direccional.
La orientación y estabilidad de las ruedas posteriores depende de un eje cuadrimensional integral, basado en el principio multibrazo patentado por BMW y complementado, en este caso, por una barra estabilizadora. Los neumáticos 245/40 x 19 garantizan, por ultimo, el óptimo contacto con la carretera y la máxima estabilidad.
Carrocería de fibra de carbono.
Los diseñadores de BMW han creado una carrocería verdaderamente exclusiva para el H2R Record Car: con 5,40 metros de longitud y 2 metros de ancho, ha sido diseñada para optimizar la aerodinámica de un extremo a otro. Y para alcanzar velocidades record, el frontal mide 1,85 metros cuadrados y el coeficiente aerodinámico es de tan sólo 0,21. En la parte posterior, un reflector de 20 centímetros de largo impide que el aire haga turbulencia bajo el vehículo, lo que podría reducir su velocidad.
El perfil lateral y la longitud del prototipo H2R garantizan una conducción estable a cualquier velocidad. Al igual que en los coches de Fórmula 1, el recubrimiento exterior está fabricado en plástico reforzado con fibra de carbono lo que ofrece una óptima combinación de resistencia y bajo peso: con el depósito lleno y el conductor al volante, el H2R pesa tan sólo 1.560 kg.
