2019 május 21 - kedd

2.4.1.2. Hidrogénmotorok

College of the Desert

Ez a leírás a hidrogén belsőégésű motorokban történő felhasználásának néhány tulajdonságát mutatja be. A világ autógyárai már régóta kísérleteznek ezzel és szép eredményeket értek el. Minket a vízmeghajtású autó érdekel, de mivel a vízből a hidrogént kinyerve azt ugyanúgy használhatjuk fel, mint a gyári hidrogénmotoros autók, melyek a folyékony hidrogént alakítják gázneművé, ezért ezt a szakemberek által készített ismertetőt nagyon hasznosnak tartom.

1. Hidrogénmotorok

Mivel még kevés jármű használ hidrogén-meghajtású belsőégésű motort (HBÉM), ezért nehéz elmagyarázni, hogyan is kell azokat javítani. Így ez a dokumentum nem egy javítási-karbantartási útmutató, hanem a hidrogénmotorok működésének és főbb részeinek a leírását, valamint az előnyöket és hátrányokat taglalja és azt, hogy ezeket az alkatrészeket hogyan lehet megváltoztatni vagy újratervezni a hátrányok csökkentése érdekében.

Általánosságban szólva, egy belsőégésű motort nem nehéz átalakítani hidrogénüzeműre. Egy jól működő belsőégésű motort kapni azonban már nehezebb. Ez az írás azokkal a fő alkatrészekkel foglalkozik, melyek ahhoz szükségesek, hogy egy HBÉM ne csak működjön, hanem jól működjön.

A legkorábbi, hidrogénmotor kifejlesztésére irányuló kísérlet Reverend W. Cecil nevéhez fűződik, mely az 1820-as évekre nyúlik vissza. Cecil a munkáit a Cambridge-i Filozófiai Társaságnak (Cambridge Philosophical Society) terjesztette elő. A munkája a következő címet viselte: “A hidrogéngáz alkalmazása gépek mozgatására” (“On the Application of Hydrogen Gas to Produce Moving Power in Machinery”). Maga a motor a vákuum elvén működött, melyben a légnyomás nyomta vissza a dugattyút a vákuumba és ez végezte a munkát. A vákuum a hidrogén-levegő keverék elégetésekor keletkezett, ami először kitágult, majd lehűlt. Annak ellenére, hogy a motor hibátlanul működött, a vákuummotor sohasem került felhasználásra.

HA1 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

Hidrogénmeghajtású 1965-ös Cobra Replica

Hatvan évvel később, az 1860-as és 1870-es években N. A. Otto, az Otto-motorok feltalálója, miközben a belsőégésű motorral kísérletezett, bizonyíthatóan szintetikus gázt használt üzemanyagként, melynek hidrogéntartalma meghaladta az 50 %-ot. Otto benzinnel is kísérletezett, de a használatát veszélyesnek találta, ezért visszatért a gázalapú üzemanyagokhoz. A porlasztó kifejlesztése azonban egy új korszak hajnalát jelentette, melyben a benzint már biztonságosan felhasználhatták a gyakorlatban. Ez a többi gáz használatát teljesen kiszorította.

A hidrogént széles körben alkalmazzák a különböző űrprogramokban, mivel ennek van a legjobb energia/súly aránya. A folyékony hidrogén a rakétamotorok üzemanyaga és sokszor alkalmazták azt, például a Holdon végzett Apolló programban, a Marsra irányuló Viking programban vagy a Szaturnuszt kutató Voyager programban.

Az utóbbi években a tisztább levegő elérése érdekében valamint az olajszármazékokból nyert üzemanyagtól való függőség megszüntetésére az emberek érdeklődése visszatért a hidrogén üzemanyagkénti hasznosítása felé.

HA2 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

Hidrogénmeghajtású Pickup

2. A hidrogén égési tulajdonságai

A hidrogén üzemanyagként való alkalmazásánál a következő tulajdonságokat kell figyelembe vennünk:

  • A gyúlékonysága széles skálán mozog
  • Alacsony energia kell a meggyújtásához
  • Rövid távolság kell az eloltásához
  • Magas az öngyulladási hőmérséklete
  • Gyorsan terjed a lángja
  • Nagy a terjedési sebessége
  • Nagyon kicsi a sűrűsége

A gyúlékonysága széles skálán mozog

A hidrogén gyúlékonysága sokkal szélesebb tartományban mozog, mint az összes többi üzemanyagnak. Ez azt eredményezi, hogy a hidrogént az üzemanyag-levegő keverék arányának széles skáláján lehet elégetni a belsőégésű motorokban. Ez ahhoz a jelentős előnyhöz vezet, hogy nagyon sovány keveréknél is elégethető a hidrogén. A sovány keverék azt jelenti, hogy a hidrogén mennyisége az adott levegőmennyiséghez képest jóval kevesebb, mint amennyi elméletileg vagy kémiailag ideális lenne az elégetéséhez. Ezért olyan rendkívül könnyű beindítani a hidrogénmotorokat.

Általánosságban, sovány keverék használatakor az üzemanyag-megtakarítás nagyobb és az égés tökéletesebb. Ezen kívül az égés hőmérséklete is alacsonyabb, ezáltal csökkentve a szennyező anyagok, mint például a nitrogén-oxid mennyiségét a kipufogásnál. Ugyanakkor van egy bizonyos határa annak, hogy mennyire lehet sovány egy keverék, mivel a sovány keverék jelentősen lecsökkenti a motor teljesítményét a keverék térfogati hőmennyiség csökkenése miatt.

Alacsony energia kell a meggyújtásához

A hidrogénnak nagyon alacsony a gyulladási energiája. A hidrogén meggyújtásához szükséges energia egy teljes nagyságrenddel kisebb, mint ami a benzin meggyújtásához szükséges. Ez teszi lehetővé a hidrogénmotorokban a sovány keverék meggyújtását, ami azonnali indítást eredményez.

Az alacsony gyulladási energia sajnos azt is eredményezi, hogy a hengerekben lévő forró gázok és forró cseppek túl korai begyújtást és visszaégést eredményezhetnek. Ennek a megakadályozása a hidrogénüzemű motoroknál nagy kihívást jelent. A hidrogén széles skálán mozgó gyúlékonysága azt is jelenti, hogy szinte minden keverék begyulladhat a forró cseppektől.

Rövid távolság kell az eloltásához

A hidrogén eloltásához rövid távolság kell, kisebb, mint a benzinnél. Következésképpen a kipufogás előtti pillanatban a hidrogén lángnyelvei közelebb vannak a henger falához, mint bármelyik más üzemanyag esetében, így a hidrogént jóval nehezebb eloltani, mint a benzint. A kisebb oltási távolság növelheti a visszaégési hajlamot, mivel a hidrogén-levegő keverék hajlamosabb a közelebb lévő nyitott szelepen távozni, mint a hidrokarbon-levegő keverék.

Magas az öngyulladási hőmérséklete

A hidrogénnak viszonylag magas az öngyulladási hőmérséklete. Ez akkor válik fontossá, mikor a hidrogén-levegő keveréket összenyomjuk. A tény az, hogy az öngyulladási hőmérséklet fontos tényező annak meghatározásában, hogy milyen nyomásviszonyokat alkalmazhatunk agy adott motornál, mivel a nyomás során a hőmérséklet növekszik. A hőmérsékletnövekedést a következő egyenlettel határozhatjuk meg:

HA3 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

ahol:

V1 / V2 = Nyomásarány

T1 = Abszolút kezdőhőmérséklet

T2 = Abszolút véghőmérséklet

Gamma = Hőarány

A hőmérsékletnek nem szabad meghaladnia a hidrogén öngyulladási hőmérsékletét, mert az korai begyulladást eredményezne. Ezért az abszolút véghőmérséklet (T2) korlátozza a nyomásarányt. A hidrogén magas öngyulladási sebessége nagyobb nyomásarányt tesz lehetővé a hidrogénmotorban, mint a hidrokarbon motorban. Ez a magasabb nyomásarány azért fontos, mert ez a rendszer hőhatásfokával áll kapcsolatban, mint azt a 7. fejezetben majd látni fogjuk. Másrészről viszont a hidrogént nehéz begyújtani nyomásgyújtással vagy dízel üzemmódban, mivel az ilyen típusú begyújtáshoz szükséges hőmérséklet viszonylag magas.

Gyorsan terjed a lángja

A hidrogén lángja gyorsan terjed. Azonos feltételek mellett a hidrogénláng sebessége egy nagyságrenddel meghaladja a benzinlángét. Ez azt jelenti, hogy a hidrogénmotorok jobban meg tudják közelíteni a termodinamikailag ideális motorciklust. A soványabb keveréknél azonban a lángsebesség jelentősen lecsökken.

Nagy a terjedési sebessége

A hidrogénnak nagyon nagy a terjedési sebessége. Ez a képessége, hogy a levegőben könnyebben terjed, mint a benzin, két okból is előnyös. Először is, ez elősegíti a hidrogén egyenletesebb keveredését a levegővel. Másodszor, ha a hidrogéntartály valahol léket kap, a hidrogén gyorsan eloszlik. Ez megszűnteti vagy legalábbis csökkenti a nem biztonságos körülményeket.

Nagyon kicsi a sűrűsége

A hidrogénnak nagyon kicsi a sűrűsége. Ez két problémához vezet a hidrogén belsőégésű motorokban történő használatánál. Először is, nagyon nagy méretű tartályra van szükség ahhoz, hogy elegendő mennyiségű hidrogénnal rendelkezzünk a jármű megfelelő használatához. Másodszor, ez a hidrogén-levegő keverék energiasűrűségét – következésképpen a teljesítményt – lecsökkenti.

3. Levegő – üzemanyag arány

A hidrogén és oxigén elméleti égését a következőképpen írhatjuk le:

2H2 + O2 = 2H2O
A teljes égéshez szükséges H2 mólban

= 2 mól

A teljes égéshez szükséges O2 mólban = 1 mól

Mivel az égéshez a levegőt használjuk az oxigén helyett, a levegő nitrogéntartalmát is figyelembe kell vennünk a számításoknál:

A levegő N2 tartalma mólban

= O2 mól * (79% N2 / 21% O2)
= 1 mól O2 * (79% N2 / 21% O2)
= 3.762 mól N2

A levegő mól száma = O2 mólban + N2 mólban
= 1 + 3.762
= 4.762 mól
Az O2 súlya = 1 mól O2 * 32 g/mól
= 32 g
Az N2 súlya = 3.762 mól N2 * 28 g/mól
= 105.33 g
A levegő súlya = az O2 súlya + az N2 súlya
= 32g + 105.33 g
= 137.33 g
A H2 súlya = 2 mól H2 * 2 g/mól
= 4 g

A levegő és hidrogén stoichometrikus aránya (L/H):

(L/H) tömegben számolva

= levegő tömege / hidrogén tömege
= 137.33 g / 4 g
= 34.33:1

(L/H) térfogatban számolva = levegő térfogata / hidrogén térfogata
= 4.762 mól / 2 mól
= 2.4:1

Stoichometrikus keverék esetén a hidrogén égéstérben elfoglalt aránya %-osan kifejezve:

H2 %-ban

= H2 térfogata / teljes térfogat
= H2 térfogata / (levegő + H2
térfogata)
= 2 / (4.762 + 2)
= 29.6 %

Mint ezek a számítások is mutatják, a hidrogén elégetésének legmegfelelőbb L/H aránya stoichometrikusan vagy kémiailag kifejezve körülbelül 34:1. Ez azt jelenti, hogy a teljes égés érdekében minden egyes font hidrogénhez 34 font levegő szükséges. Ez jóval magasabb, mint a benzinnél szükséges 14.7:1 arány.

Mivel a hidrogén gáznemű üzemanyag, ezért az égéstérben jobban szétterjed, mint a folyékony üzemanyagok, következésképpen a levegő az égéstér kevesebb részét tudja elfoglalni. Stoichometrikus körülmények között a hidrogén az égéstér 30 %-át foglalja el, míg a benzin csak a 2 %-át. A következő ábrán összehasonlítjuk a benzin- és hidrogén-üzemanyagú motorok égésterének térfogatát és energiatartalmát.

HA4 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

A hidrogén motorba juttatásától függően a teljesítmény a benzinmotorokhoz képest 85 % (egyszerű bevezetés) és 120 % (nagynyomású befecskendezés) között változik.

Mivel a hidrogén gyúlékonysága széles skálán mozog, a hidrogénmotorok L/H aránya 34:1 (stoichometrikus) és 180:1 között változhat.

4. Az időelőtti begyulladás problémája és annak megoldása

A működőképes hidrogénmotorok fejlesztésénél az elsődlegesen jelentkező probléma a hidrogén időelőtti begyulladása. Az előgyújtás jóval nagyobb probléma a hidrogénmotoroknál, mint a többi belsőégésű motornál, mivel a hidrogén begyújtásához jóval kevesebb energia kell, a gyúlékonysága szélesebb skálán mozog és rövidebb az eloltási távolsága.

Az öngyulladás azt jelenti, hogy az üzemanyag-keverék az égéstérben már a gyújtószikra megjelenése előtt meggyullad, ami egy alacsony hatásfokú, egyenetlen motort eredményez. Visszaégés is létrejöhet, ha az előgyújtás az üzemanyag-bevezető szelepek közelében jön létre, amitől a keletkezett láng a tápláló rendszerbe juthat.

Számos tanulmány készült, melyek a hidrogénmotorok előgyújtásának okait vizsgálják. Az eredmények némelyike azt mutatja, hogy az előgyújtást az égéstérben lévő forró cseppek okozzák, melyek a gyújtógyertyán vagy a kipufogószelepen találhatóak, de a szénszármazékok is okozhatják ezt. A további kutatások azt is kimutatták, hogy a visszaégés akkor jön létre, mikor a motor az üzemanyag bevezető- és a kipufogó szelepek nyitásai és zárásai közötti átmenet állapotában van.

Vannak olyan vélemények is, hogy az égéstérben lévő olaj pirolízise (a hő által létrejövő kémiai szétválasztása) vagy a dugattyú felső gyűrűje felett lévő rés okozza az előgyújtást. Ez a pirolízis által szétválasztott olaj az említett rés mentén vagy a szelepeknél beszivároghat az égéstérbe.

4.1 Üzemanyagellátó rendszer

Az üzemanyagellátó rendszer átalakításával vagy újratervezésével elérhetjük az időelőtti begyulladás csökkenését vagy akár teljes megszűntetését is. A hidrogén üzemanyagellátó rendszereknek három fő típusa van: központi befecskendezésű (vagy porlasztós), kapuzott befecskendezésű és közvetlen befecskendezésű.

A központi és kapuzott üzemanyagellátó rendszerek az üzemanyagot a szívás ütemében adagolják az égéstérbe. A központi vagy porlasztós befecskendezésnél a befecskendezés a levegőcsatlakozónál valósul meg, míg a kapuzott befecskendezésnél a hidrogént egy kapuba fecskendezzük.

A közvetlenül a hengerbe történő befecskendezés jóval kifinomultabb módszer, melynek során a levegő-üzemanyagkeverék az égéstérben alakul ki, miután a levegő-bevezető szelepek bezáródtak.

Központi vagy porlasztós befecskendezés

A hidrogénmotorok üzemanyagellátásának legegyszerűbb módja a porlasztó vagy központi befecskendezés használata. Ennek a rendszernek megvannak az előnyei. Először is, a központi befecskendezés közel sem igényli a hidrogén olyan nyomását, mint a többi módszer. Másodszor, központi befecskendezőt vagy porlasztót használnak a benzinmotoros autók, így azokat könnyen át lehet alakítani hidrogén/benzin vagy hidrogénmeghajtásúra.

A központi befecskendezés hátránya, hogy a motor egyenetlenebbül jár az előgyújtás és a visszaégés miatt. Az előgyújtást a szívócsonknál jelenlévő hidrogén-levegő keverék nagyobb mennyisége okozza.

Kapuzott befecskendező rendszer

A kapuzott befecskendező rendszer közvetlenül a szívócsonkba fecskendezi az üzemanyagot minden csatlakozókapunál, nem pedig egy központi hely felé szívja azt. A hidrogént rendszerint a szívás kezdetekor fecskendezik a csonkba, mivel ekkor a legkedvezőbbek a körülmények az előgyújtás elkerülésére.

A kapuzott befecskendezésnél a levegőt a szívás kezdetekor a hidrogéntól elválasztva fecskendezzük be, így hígítva és hűtve a bennmaradt gázokat és forró cseppeket. Mivel bármely időpillanatban kevesebb gáz (hidrogén és levegő) van egyidejűleg a csonknál, ezért az előgyújtás lehetősége jelentősen lecsökken. A rendszer nyomása magasabb, mint a központi vagy porlasztós befecskendező rendszereknél, de alacsonyabb, mint a közvetlen befecskendezésűeknél.

Az állandó térfogatú befecskendező (ÁTB) [angolul CVI] rendszerek mechanikai bütyökvezérlésű eszközt használnak a hidrogén befecskendezésére minden egyes hengerbe. A következő ábra az ÁTB-t mutatja be.

HA6 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

Állandó térfogatú befecskendező

Az elektromos üzemanyag-befecskendező (EÜB) [angolul EFI] rendszer minden egyes hengerhez egyedi üzemanyag-befecskendezőt használ (elektromágneses szelepeket), melyek egy, a szívócsonk középpontja alatt elhelyezett közös üzemanyag elágaztatóhoz vannak kötve.

HA5 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

Elektromos üzemanyag-befecskendező

Míg az ÁTB rendszereknél a befecskendezés időzítése konstans és az üzemanyagnyomás változtatható, addig az EÜB rendszereknél a befecskendezés időzítése változtatható és az üzemanyagnyomás konstans.

HA7 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

ÁTB rendszer

HA8 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

EÜB rendszer

Közvetlenbefecskendezésű rendszerek

A jóval kifinomultabb hidrogénmotorok a sűrítési ütemben a hengerbe történő közvetlen befecskendezést használják. A közvetlen befecskendezésnél a szívócsonk szelepe zárva van, mikor az üzemanyagot befecskendezzük, s ez teljesen kizárja az idő előtti begyulladást a szívási ütemben. Így a szívócsonknál létrejövő visszaégés is ki van küszöbölve.

A közvetlenbefecskendezésű rendszerek teljesítménye több, mint 20 %-kal haladja meg a benzinmotorokét és 42 %-kal a porlasztós hidrogénmotorokét.

Bár a közvetlen befecskendezés megoldja a szívócsonknál fellépő előgyújtás problémáját, de ez még nem küszöböli ki feltétlenül az égéstérben fellépő előgyújtást. Ezen kívül az üzemanyag és a levegő elkeveredésének idejét lecsökkentve a keverék nem lesz teljesen homogén. Némely tanulmány kimutatta, hogy ez a nem közvetlen befecskendezésű rendszereknél nagyobb NOx kibocsátáshoz vezethet. A közvetlenbefecskendezésű rendszerek ezen kívül nagyobb üzemanyagnyomást igényelnek, mint a többi rendszer.

4.2 Hőhigítás

Az előgyújtás lehetőségét hőhigítással megfékezhetjük. Erre szolgáló módszerek például a kipufogógáz keringetés (KGK) [angolul EGR] vagy a vízbefecskendezés.

Mint a neve is mutatja, a KGK rendszer a kipufogógáz egy részét újra a szívócsonkba vezeti. A kipufogógázok bevezetése lecsökkenti a forró cseppek hőmérsékletét, ezáltal csökkentve az előgyújtás lehetőségét is. Ezen kívül a bevezetett kipufogógázok csökkentik az égés csúcshőmérsékletét, mely viszont csökkenti az NOx kibocsátást. Általában a kipufogógázok 25-30 %-a már elegendő a visszaégés megakadályozásához is.

Másrészt viszont a KGK használata esetén a motor teljesítménye csökken, mivel a kipufogógázok jelenléte lecsökkenti az égéstérbe vezethető üzemanyagkeverék mennyiségét.

Az üzemanyag-keverék hőhigításának másik módszere a vízbefecskendezés. A víz befecskendezése a hidrogéngőzbe még a levegővel való elkeverés előtt jobb eredményeket mutatott, mint mikor a már elkevert levegő-üzemanyagkeverékhez lett hozzáadva a víz a szívócsonknál. Ennek a módszernek az egyik lehetséges problémája az, hogy a víz elkeveredhet az olajjal, ezért nagyon oda kell figyelni arra, hogy a tömítések sehol se eresszenek.

4.3 A motor tervezése

Az előgyújtás és a motor kopogásának elkerülésére a leghatékonyabb mód a motor újratervezése hidrogénmeghajtásúra, különös figyelmet szentelve az égéstérre és a hűtőrendszerre.

Tárcsaformájú égésteret (sík dugattyúval és hengerfedéllel) használva a turbulenciát lecsökkenthetjük. A tárcsaforma segíti lecsökkenteni a sugár- és oldalirányú gyorsulási vektorokat és nem erősíti fel a szívócsonknál jelentkező örvényt a sűrítés közben.

Mivel az elégetlen hidrokarbont nem kell figyelembe venni a hidrogénmotoroknál, nagy furatátmérő-ütés arányt használhatunk ezeknél a motoroknál. A lángsebesség szélesebb skálán való mozgásának kiegyensúlyozására két gyújtógyertyát használunk. A hűtőrendszer tervezésénél arra is gondot kell fordítani, hogy a hűtés az összes szükséges helyen megoldott legyen.

Az előgyújtás elkerülésének további módja az, hogy két, egymással szemben elhelyezkedő kisebb kipufogószelepet használunk egy nagyobb helyett, valamint egy hatékony söprő rendszer kifejlesztése, melynek célja a kipufogógázok kiszorítása az égéstérből friss levegőt használva.

HA9 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

Hidrogénmeghajtású belsőégésű motor

5. Gyújtórendszer

A hidrogén meggyújtásához szükséges alacsony energiaszint miatt a hidrogén meggyújtása egyszerű, így a benzines gyújtórendszert használhatjuk. Nagyon sovány levegő-üzemanyagaránynál (130:1 és 180:1 között) a lángsebesség jelentősen lecsökken, ezért előnyös a dupla gyújtógyertyarendszer használata.

A pazarló gyújtórendszerek használata nem ajánlott a hidrogénmotoroknál. Ezek a rendszerek energizálják a gyújtógyertyát a dugattyú felső holtpontjában, mind a sűrítési mind a kipufogási ütemben. A benzines rendszereknél a pazarló gyújtórendszerek jól működnek és olcsóbbak, mint más rendszerek, a hidrogénmotoroknál azonban ez az előgyújtás forrásaként szolgálhat.

A hidrogénmotor gyújtógyertyájának hideg és nem platina típusúnak kell lennie. A hideg típusú gyertya a hőt gyorsabban adja át a hengerfejnek. Ez azt jelenti, hogy a gyújtógyertya csúcsától való nemkívánatos begyulladás lehetősége csökken. A forró típusú gyújtógyertya nagyobb hőt termel a karbon származékok jobb elégetése céljából, de mivel a hidrogén nem tartalmaz szenet, a forró típusú gyújtógyertya nem szolgál hasznos célt.

A platinacsúcsú gyújtógyertya használata szintén nem ajánlott, mivel a platina a hidrogén oxidálásánál katalizátorként szolgál.

6. A forgattyúház hűtése

A forgattyúház hűtése a hidrogénmotoroknál mégfontosabb, mint a benzinmotoroknál.

Akárcsak a benzinmotoroknál, az el nem égett üzemanyag a dugattyúgyűrűk mentén beszivároghat a forgattyúházba. Mivel a hidrogén begyújtásához kevesebb energia kell, mint a benzinhez, minden, a forgattyúházba bejutott el nem égett hidrogénnek nagyobb az esélye a begyulladásra. Ezt hűtéssel kell megakadályozni.

A forgattyúház begyulladása lehet, hogy csak ijesztő hangot ad, de a motor begyújtását is okozhatja. A hidrogén begyulladása a forgattyúházban hirtelen nyomásnövekedést eredményez, amit egy biztonsági szelepen keresztül ki kell engedni. Ezt mutatja be a következő ábra.

HA10 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

A kipufogógáz szintén beszivároghat a forgattyúházba a dugattyúgyűrűk mentén. Mivel a hidrogéngáz égésterméke víz, ez az ott lévő olajjal elkeveredve csökkenti annak kenőhatását, ami viszont csökkenti a motor élettartamát.

7. Hőhatásfok

Az Otto-motorok elméleti termodinamikai hatásfoka a motor nyomásarányától és az üzemanyag hőarányától függ, mint azt a következő egyenlet is mutatja:

HA11 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

ahol:

V1 / V2 = Nyomásarány

Gamma = Hőarány

Minél nagyobb a nyomásarány és/vagy a hőarány, annál nagyobb a motor termodinamikai hatásfoka. Egy motor nyomásarányának határát az üzemanyag kopogással szembeni ellenállása határozza meg. A sovány hidrogénkeverék kevésbé hajlamos a kopogásra, mint a hagyományos benzin, ezért a hidrogénkeveréknél magasabb nyomásarány érhető el.

A hőarány az üzemanyag molekuláris szerkezetével van összefüggésben. Minél kevésbé összetett az üzemanyag molekuláris szerkezete, annál magasabb a hőarány. A hidrogénnak sokkal egyszerűbb a molekuláris struktúrája, mint a benzinnek, ezért a hőaránya (gamma=1.4) is magasabb, mint a benziné (gamma=1.1).

8. Szennyezőanyag kibocsátás

A hidrogén oxigénnel történő elégetése csak vizet eredményez:

2H2 + O2 = 2H2O

A hidrogén levegővel való elégetése azonban nitrogén-oxidot (NOx) eredményez:

H2 + O2 + N2 = H2O + N2 + NOx

A nitrogén-oxid a magas hőmérséklet eredménye. Ez a magas hőmérséklet a levegőben lévő nitrogén egy részének az oxigénnel való egyesülését eredményezi. A képződött NOx mennyisége a következő tényezőktől függ:

  • A levegő/üzemanyag arányától
  • A motor nyomásarányától
  • A motor sebességétől
  • A gyújtás időzítésétől
  • Az esetlegesen alkalmazott hőhígítástól

A nitrogén-oxidon kívül az égéstérbe beszivárgott olaj elégésének következtében szénmonoxid és széndioxid is keletkezhet a kipufogógázban.

A motor körülményeitől (olajégés) és az alkalmazott működtetési stratégiától (gazdag vagy szegény keverék) függően a hidrogénmotornak a szennyezőanyag kibocsátása a majdnem nullától a magas értékig változhat. A következő ábra a hidrogénmotorok tipikus NOx görbéjét ábrázolja a Phi függvényében.

HA12 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

A hidrogénmotor szennyezőanyag kibocsátása

A következő ábra azt mutatja, hogy a benzinmotor szennyezőanyag kibocsátása csökken a Phi növeléséve (akárcsak a hidrogénmotoroknál). Ugyanakkor a benzinmotornál az NOx csökkenése a szénmonoxid és a hidrokarbon növelését vonja maga után.

 HA13 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

A benzinmotor szennyezőanyag kibocsátása

9. Teljesítmény

A hidrogénmotor elméleti maximális teljesítménye a levegő/üzemanyag aránytól és az üzemanyag-befecskendezés módjától függ.

Mint azt a 3. fejezetben már említettük, a stoichometrikus levegő/hidrogén arány 34:1. Ennél a L/H aránynál a hidrogén az égéstér 29 %-át tölti ki, a maradék 71 %-ot pedig a levegő. Ez azt eredményezi, hogy a keverék energiatartalma kevesebb lesz, mint a benzinkeverék esetében (mivel a benzin folyékony, az égéstérnek csak nagyon kis részét foglalja el, ami több levegő beengedését teszi lehetővé).

Mivel mind a porlasztós, mind pedig a kapuzott befecskendezési módnál az üzemanyag és a levegő a motorba lépés előtt már elkeveredett, a rendszer elméleti teljesítményhatára a benzinmotornak csak a 85 %-a. A közvetlenbefecskendezésű rendszernél, ahol az üzemanyag a levegővel az égéstérben keveredik el zárt szelepek mellett (és így az égéstérben 100 % a levegőtartalom), a rendszer maximális teljesítménye 15 %-kal meghaladja a benzinmotorét.

Következésképpen az üzemanyag adagolásától függően a hidrogénmotor teljesítménye 15 %-kal meghaladhatja vagy 15 %-kal kevesebb lehet, mint a benzinmotoré. A stoichometrikus levegő/hidrogén arány mellett azonban az égés hőmérséklete nagyon magas, ami nagy mennyiségű szennyező nitrogén-oxid (NOx) termelést eredményez. Mivel a hidrogénmotor használatának egyik célja a kipufogógázok légszennyezésének csökkentése, ezért a hidrogénmotorokat úgy tervezik, hogy ne a stoiciometrikus levegő/hidrogén aránnyal működjenek.

A tipikus hidrogénmotoroknál a felhasznált levegő körülbelül kétszerese a tökéletes égéshez elméletileg szükségesnek. Emellett az NOx kibocsátás majdnem a nullára csökken. Sajnos ez a motor teljesítményét is a felére csökkenti az ugyanolyan méretű benzinmotorokhoz képest. A teljesítményveszteség kiküszöbölésére a hidrogénmotorokat nagyobbra tervezik, mint a benzinmotorokat és/vagy turbótöltést alkalmaznak.

10. Hidrogéngáz keverék

( Ezt a fejezetet nem fordítottam le, mivel minket csak a hidrogénmotor érdekel. )

11. A jelenlegi helyzet

Néhány autógyártó hidrogénmeghajtású járművek fejlesztésével kísérletezik. (A Ford nemrég jelentette be, hogy kifejlesztett egy “gyártásra kész” belsőégésű hidrogénmeghajtású járművet. A BMW most fejezte be a világturnéját, ahol egy tucat hidrogénmeghajtású 750i típusú járművet vonultatott fel.) Ugyanakkor nem valószínű, hogy akármilyen hidrogénmeghajtású jármű elérhető lesz a nagyközönség számára, amíg nem épül ki egy megfelelő üzemanyag utánpótló infrastruktúra és nem lesz megfelelő számú jól képzett szakember, akik ezeket a járműveket karbantartanák ás javítanák.

HA14 2.4.1.2. Hidrogénmotorok

A BMW egyik belsőégésű hidrogénmeghajtású járműve

Akárcsak a jelenlegi benzinüzemű járművek, a hidrogénmeghajtású járművek is különbözőek lesznek az autógyártóktól és modellektől függően. Az egyik modellnek egyszerűbb lehet a tervezése és az üzemeltetése, például egy szegény keveréket adagoló stratégia, amelynek célja a lehető legkisebb környezetszennyezés. Mások nagyon igényes tervezésűek lehetnek.

Amíg a hidrogénellátó infrastruktúra nem épült ki teljesen, a hidrogén és a természetes gázok keveréke jelentené a logikus átmenetet a tiszta hidrogénmeghajtású járművekhez. Ezek a járművek a lehetőségektől függően bármelyik üzemanyaggal üzemeltethetőek.

A teljes leírást angol nyelven itt tekintheted meg.

A következő oldalon a víz eddig ismeretlen tulajdonságaival ismerkedhetsz meg.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás