Autótechnika 009 I motortechnika

---

24

autótechnika   2009 I 9

Motortechnika

A hidrogén alkalmazása  

belső égésű motorok tüzelőanyagaként

3–2. ábra (Forrás: [1], MAN)

3–1. ábra (Forrás: [1], MAN)

4–2. ábra (Forrás: Mazda)

4–1. ábra (Forrás: Mazda)

A hidrogén-belsőégésű motorok 

csoportosítási lehetőségei  

különböző szempontok szerint 

Keverékképzés  helye,  illetve  időpontja 

szerint

Alapvetően  egy  felosztást  lehet  tenni  a 

keverékképzési  eljárásra  vonatkozóan, 

a  keverékképzés  helye  és  időpontja  sze-

rint.  Ellentétben  a  külső  keverékképzéssel 

(H

2

-AGB, Äussere GemischBildung), amely-

nél  a  hidrogént  szívócsőbe  adagolják, 

belső  keverékképzésnél  (H

2

-IGB,  Innere 

GemischBildung)  a  befúvás  közvetlenül  a 

A  4–1.  és  4–2.  képen  ábrázolt  motorki-

vitelekig, amelyek a Mazda H2-Wankel 

nevet  kapták,  a  hidrogén  hajtóanyagú 

motorok  csak  löketdugattyús  kivitelben 

készültek. 

A H2-Wankelmotor működési folyamata, 

amely löketdugattyú helyett forgódugaty-

tyúval rendelkezik, a 4–1. ábrán látható. 

A  Wankel-féle  forgódugattyús  építési 

mód,  és  az  ehhez  kapcsolódó  égéstér-

forma  a  hidrogén  anyagtulajdonságá-

nak,  mint  a  nagy  égési  sebesség,  egy 

kedvező feltételt biztosít. Ahogy a képen 

látható, a felső kamrába beszívott levegő 

egy  elektronikusan  vezérelt  befúvósze-

lepen  keresztül  bejuttatott  hidrogénnel 

keveredik. A rotor forgása által a tüzelő-

anyag-levegő  keveréket  komprimálja,  és 

végül  gyújtógyertyák  segítségével  gyújt-

ják.  Az  égés  által  előidézett  nyomásnö-

vekedés a rotort tovább forgatja, és a ki-

pufogógáz  a  kiömlőcsatornán  keresztül 

a motort elhagyja. 

A hidrogén-belsőégésű motor folyamata a hagyományos belső égésű motorok folyamatán alapszik (legtöbbször az 

Otto-folyamat szerint), azonban a keverékképző rendszeren, az égésfolyamaton átalakítást végeznek a kizárólag 

hidrogénnel vagy a kettős üzemben való működtethetőség céljából, és így hidrogénnel vagy hidrogént tartalmazó 

gázokkal (hidrogén-földgáz) mint tüzelőanyagokkal képesek üzemelni. 

2. rész

motor  égésterébe  történik.  Egy  kombinált 

keverékképzési  eljárás  az  előzőekben 

említett variánsok összetételéből áll. A ke-

verékképzés  helye  és  időpontja  szerinti 

lehetséges felosztásokat a 2. táblázat tar-

talmazza.

Felosztás a hajtómű építési módja szerint

Ugyanúgy,  mint  azoknál  a  motoroknál, 

amelyek  hagyományos  tüzelőanyagokat 

használnak,  a  hajtómű  szempontjából  lö-

ketdugattyús  és  forgódugattyús  motorokat 

különböztetünk meg.

A 3–1. és 3–2. képek mutatnak egy kisszé-

riában gyártott MAN hidrogénbuszmotort, 

amelyet szívómotorként és feltöltő alkalma-

zásával is autóbuszokba építettek be.

---

25

autótechnika   2009 I 9

Motortechnika

5. ábra (Forrás: [1])

További felosztási szempontok

A  keverékképzési  eljárás  helye  és  a  tüze-

lőanyag-befúvás  időpontja  szerinti  meg-

különböztetés mellett további felosztásokat 

lehet  alkalmazni  a  következő  szempontok 

alapján:

–  A  bevezetett  hidrogén  hőmérséklete 

(környezeti hőm./extrém alacsony hőm.)

–  A gyújtásbevezetés módja (idegengyúj-

tás/kompressziógyújtás)

–  Részterhelés-szabályozás  (fojtás  → 

mennyiségszabályozás/fojtás  nélkül  → 

minőségszabályozás)

–  A  hengertöltés  állapota  szerint  (szívó/

feltöltött)

–  A keverék kialakítása szerint (homogén/

rétegezett)

A járműben széles határok között variáló-

dó  és  dinamikus  üzem  megvalósíthatósá-

ga számára a fenti felosztási szempontok 

szerint megkülönböztetett eljárások kombi-

nációja  gyakran  célszerű.  Külső  keverék-

6. ábra (Forrás: [1])

[min

-1

]

képzésnél 

folyé-

kony 

állapotban 

tárolt 

hidrogén 

esetében  a  mély-

hűtött hidrogén be-

fúvásával  jelentős 

javulásokat  lehet 

elérni  a  környezeti 

hőmérsékletű  hid-

rogénnel szemben. 

Az  előny  azzal  a 

hatással  magya-

rázható,  hogy  a 

hideg  hidrogén  a 

szívócsőben 

az 

egész  töltettömeg 

lehűléséhez  vezet. 

A  redukált  hőmér-

7. ábra (Forrás: [1])

séklet  a  sűrűség  növelését  vonja  maga 

után,  és  ezzel  együtt  a  keverék  fűtőérté-

kének a növelését is eredményezi. A mo-

tor  teljesítménypotenciálja  külső  keverék-

képzéssel,  extrém  alacsony  hőmérsékletű 

hidrogénnel az említett hatás jelentkezése 

mellett  kb.  azon  a  szinten  van,  mint  ami 

a  hidrogén  közvetlen  égéstérbe  történő 

fúvásával  elérhető,  és  ezzel  15%-kal  na-

gyobb, mint egy benzinüzemű motoré. Eh-

hez járulékosan kapcsolódik az az előny, 

hogy  a  friss  töltet  lehűtésével  az  égési 

anomáliák fellépését, pl. visszalövés, korai 

gyulladás,  kedvezően  lehet  befolyásolni. 

Az 5. ábrán az elméleti teljes terhelési tel-

jesítménypotenciál összehasonlítása látha-

tó,  a  különböző  hidrogén-keverékképzési 

eljárások és a benzinüzem esetén.

A  gyújtásbevezetés  módja  szerint  a  hid-

rogénmotoroknál  is,  ugyanúgy,  mint  a 

szokásos  módon,  idegen-  és  kompresz-

sziógyújtású  üzemet  különböztetnek  meg. 

A  hidrogénnek  a  dízel  tüzelőanyaghoz  

képesti  nagy  öngyulladási  hőmérséklete 

miatt, amely kb. 585 °C, egy stabil öngyul-

ladási üzeme csak nagy sűrítési viszonnyal 

és részben kiegészítő levegő-előmelegítés-

sel realizálható. A H

2

-tüzelőanyagú, belső 

égésű motorok aktuális felhasználási terüle-

te személyautó hajtására ma már nem kizá-

rólag Otto-motorikus koncepcióval történik, 

és  természetesen  a  múltban  sem  hiányoz-

tak a vizsgálatok és a koncepciók a hidro-

génnel  működő  személyautó-dízelmotorok 

és  a  kétütemű  Otto-motorok  vonatkozásá-

ban sem.

---

26

autótechnika   2009 I 9

Motortechnika

9. ábra (Forrás: BMW)

8. ábra (Forrás: BMW)

A jármű technikai adatai

Gyártó

BMW

Modell

760 h

Összlökettérfogat

5972 cm

3

Üzem

kettős  

(benzin és hidrogén)

Motorteljesítmény, hidrogénüzem

191 kW (260 LE)

Motorteljesítmény, benzinüzem

191 kW (260 LE)

Hidrogénfogyasztás

4 kg / 100 km

Hidrogénnel  megtehető  út-

hossz

200 km

Hidrogén-tanktartalom

8 kg folyékony

Benzinfogyasztás

14,8 l / 100 km

Benzinnel megtehető úthossz

500 km

Benzintanktérfogat

74 l

Gyorsulás 0–100 km/h H

2

9,5 s

Gyorsulás 0–100 km/h benzin

9,5 s

Maximális sebesség H

2

230 km/h

Maximális sebesség benzin

230 km/h

4. táblázat: BMW Hydrogen 7 műszaki adatai  

(Forrás: [1])

10–1. ábra (Forrás: [1], BMW)

mazása  az  egyenletes  alapjárati  futás  és 

az  égéstartamoknak  az  alsó  részterhelési 

tartományban való optimalizálásához, va-

lamint  a  kipufogógáz-utánkezeléshez  a 

λ=1  keverékszabályozás  eszközének  egy 

hármas hatású katalizátorral való kombiná-

ciója révén.

A  motorkoncepciók  tagolását  végül  a 

hengertöltés  kialakítása  alapján  lehet 

végrehajtani.  A  hidrogénmotorok  elvben, 

mind a szívó-, mind a feltöltéses üzemhez 

megfelelnek.  Ellentétben  a  benzinmoto-

rokkal, amelyeknek a szűk gyújtáshatárok 

miatt  szegénykeverékű  üzemben  tüzelő-

anyag-rétegezéssel kell üzemelniük, a hid-

rogén a széles gyújtáshatárai révén mind 

homogén,  mind  rétegezett  szegényüzem-

hez megfelel.

A különböző koncepciók értékelése azt is 

mutatja,  hogy  a  környezeti  hőmérsékletű 

hidrogén  külső  keverékképzésű  eljárását 

összehasonlítva, mind a közvetlen befúvási 

eljárással, mind az extrém alacsony hőmér-

sékletű  (kryogen)  hidrogén  külső  keverék-

képzési eljárásával, utóbbiakkal mindenkor 

nagyobb fejlesztési potenciált lehet elérni a 

teljesítményre, a hatásfokra és a nyersemisz-

szióra való tekintettel. 

Miközben a kidolgozott külső keverékkép-

zéses  eljárást  elsősorban  a  koncepciójár-

műveknél  és  a  kisszériás  járműveknél  fa-

vorizálják, a jövőben feltehetően többször 

alkalmazott  koncepciók  lesznek  a  korai 

közvetlen befúvás, valamint egy kombinált 

eljárás, amelyekben a külső és belső 

keverékképzést kombinálják. Az 

utóbb leírtakra mutat egy pél-

dát a 7. ábra.  

Az alacsony hőmérsékletű 

hidrogén  külső  keverék-

képzési  koncepcióját  fo-

lyékony  halmazállapotú 

tárolással  egybekötve 

belátható  időn  belül  le-

hetne  szériafejlesztésbe 

átvinni. Az olyan koncepci-

Már  a  különböző  tüzelő-

anyag-tulajdonságokból 

–  különösen  a  lamináris 

lángsebesség  tekintetében 

–  levezethető  különbségek 

miatt  a  motorikus  égésnél 

különböző  égéssebessé-

geket  lehet  megfigyelni.  A 

6. ábrán feltüntetett diagra-

mok  az  égéstartam  jellem-

ző értékeit mutatják benzin- 

és  hidrogénüzem  esetén, 

λ=1  mint  állandó  paramé-

ter  mellett,  a  fordulatszám 

függvényében. 

A részterhelés-szabályozás-

ra vonatkozóan a hidrogén 

újra egy más megközelítést 

von maga után, mert a szé-

les  gyújtáshatárok  miatt  a 

minőségszabályozott üzem 

az  egész  terheléstarto-

mányban  lehetséges.  Az 

elérhető  legnagyobb  ha-

tásfokra való tekintettel a mi-

nőségszabályozott  üzemet 

a  mennyiségszabályozás-

hoz képest, minden esetben 

előnyben  kell  részesíteni. 

Előnyös  lehet  egy  fojtás 

(fojtószelep)  alkal-

10–2. ábra (Forrás: [1], BMW)

---

27

autótechnika   2009 I 9

Motortechnika

11. ábra (Forrás: [1])

2007-ben 

prezentálta 

BMW  Hydrogen  7-ként 

az első személyautót hid-

rogén-belsőégésű  motor 

hajtással,  amelyet  már 

szériafejlesztésre  szánt 

állapotban  mutattak  be 

(9. ábra).

A  BMW  Hydrogen  7 

egy  kettős  motorüzemet 

valósít  meg,  ugyanis  hid-

rogénnel  és  benzinnel  is 

üzemel. Ez lehetővé teszi 

a  megfigyelhető  átmenet 

nélküli  átállást  hidrogén-

üzemről benzinüzemre, amelyet automati-

kusan menet közben tudnak végrehajtani. 

A  tankrendszer  az  extrém  alacsony  hő-

mérsékletű folyékony hidrogén számára a 

csomagtérben a hátsó ülések mögött van 

elhelyezve. A tank elhelyezése a 10–1. és 

10–2. ábrán látható.

ria)  tesztelte.  A  motor  keverékképzésének 

sémája a 11. ábrán látható.

Hengerenként  egy  hidrogénbefúvó  van  a 

motoron  elhelyezve,  amelyet  az  osztrák 

Hörbiger  cég  készít.  A  BMW  Hydrogen 

7 műszaki adatai a 4. táblázatban vannak 

összefoglalva.

Az elektronikus motorszabályozás segítsé-

gével a benzinüzemben elért motorteljesít-

mény  egyenlő  a  hidrogénüzemmel,  azért, 

hogy lehetővé tegyenek egy rántásmentes 

átkapcsolást a két üzem között. Az emisszi-

ós  értékek  a  különböző  menetciklusok  so-

rán mérve alacsonyabb szinten vannak. Az 

EURO 4-es értékekhez képest 2% alatt, és 

az amerikai SULEV (Super Ultra Low Emissi-

on Vehide) határértékeihez képest is. Egye-

dül a nitrogén-oxid jelentős, amely a ciklus 

alatt a határérték kb. 30%-át eléri. Mono-

valens hidrogénüzem megvalósításával to-

vábbi nitrogén-oxid-csökkentés lehetséges, 

a határértékhez képest 10%-ra. A 12. ábrán 

láthatóak a különböző menetciklusok során 

felvett emissziós értékek a határértékek vo-

natkozásában.

A legújabb fejlesztések eredmé-

nyei a BMW-től

A  „BMW  hidrogénmotor  csúcshatásfokot 

ér el” címmel a BMW közös munkával gra-

zi és bécsi kutatókkal, a H2BR Plus Projekt 

keretében  egy  monovalens  hidrogénmo-

tort dízelmotorra vonatkozó geometriával 

és előrehaladott nagynyomású, közvetlen 

befúvatási technológiával fejlesztettek. En-

nek a hatásfoka a legjobb turbó dízelmo-

torok hatásfokának a szintjén fekszik, kere-

ken 42%-on. Ebben a programban, amely 

az  osztrák  Közlekedési  Innovációs  és 

Technológiai  Minisztérium  által  támoga-

tott, partnerek a Grazi Műszaki Egyetem 

Belső Égésű Erőgépek és Termodinamika 

Intézete (Institüt für Verbrennungskraftmas-

chinen und Thermodinamik der TU Graz), 

a  HyCentA  Research  GmbH  (Graz),  va-

lamint  a  HÖRBIGER  ValveTec  GmbH 

(Bécs).  A  BMW  mérnökei  egy  széria  dí-

ók, mint a késői közvetlen befúvás vagy az 

égésvezérlés, ma még csak a kutatás stá-

diumában vannak.

A  következő  részben  konkrét  járműgyárt-

mányokat  is  bemutatunk,  amelyekbe  épí-

tett  motorok  hidrogént  használnak  tüzelő-

anyagként.

12. ábra: a menetciklusok során mért emissziós értékek (Forrás: [1])

13–1. és 13–2. ábrák (Forrás: [2])

BMW Hydrogen 7

Néhány gépjárműgyártó, úgy mint a BMW, 

az MAN, a Mazda és a Toyota, hidrogén-

nel üzemelő belső égésű motort realizált és 

kisszériában gyártott. A következőkben rö-

viden bemutatjuk a BMW ez irányú fejlesz-

téseit.  A  BMW  több  mint  két  évtized  óta 

foglalkozik a hidrogén használatával belső 

égésű  motorokban.  2000  májusában  az 

EXPO  2000  világkiállítás  alkalmával  pre-

zentált egy 15 db BMW 750 hl-járműből 

álló  hidrogénflottát,  folyékony  halmazálla-

potú hidrogént tartalmazó tartállyal és tüze-

lőanyag-cellával (8. ábra).

A tankot a grazi MAGNA STEYR cég készí-

tette és a HyCentA (Hydrogen Center Aust-

---

28

autótechnika   2009 I 9

zelmotort alapul véve fejlesztettek egy új 

hengerfejet  a  hidrogénüzem  számára.  A 

motor égésterét közösen a Grazi Műszaki 

Egyetem  mérnökeivel  numerikus  áramlás- 

szimulációs program eszközével képezték 

ki. Az áramlásszimuláció során és a való-

ságban felvett befúvási képet mutatnak a 

13–1. és a 13–2. ábrák.

A HÖRBIGER ValveTec GmbH nagy nyo-

mást (300 bar) előállító injektorokat konst-

ruált a hidrogén égéstérbe történő közvet-

len  befúvásához.  Az  injektor  a  14.  ábrán 

látható. 

Ezeket az injektorokat a Hydrogen Center 

Austria  (HyCentA)  –  amely  egyébként    a 

14. ábra (Forrás: [2])

15. ábra (Forrás: [2])

hidrogénhez 

ka p c s o l ó d ó 

infrastruktúrát  is 

készítette  –,  tesz-

telte  és  mérte.  A 

kiadós  tesztelések 

eredményéből  az  tű-

nik ki, hogy az Otto- és dízel 

égésfolyamat kombinációja hőmérsék-

letvezérelt  felszíni  gyújtás  (Oberflächen-

zündung,  Surface  Ignition)  és  a  hozzá 

kapcsolódó diffúziós égés által a hatásfok 

tekintetében az ideális megoldás. A próba-

padon  elhelyezett  motorról  mutat  képet  a 

15. ábra. 

Következésképpen az egész jellegmező-tarto-

mányát egy tipikus személygépjármű-motornak 

lefedik, és a legmagasabb szintű hatásfok eléré-

se mellett. Ezzel együtt jár a fajlagos teljesítmény 

növelése,  és  egyidejűleg  a  tüzelőanyag-fo-

gyasztás  csökkenése.  Az  égési  eljárással  a 

motor hatásfoka már ebben a korai kutatási fá-

zisban eléri az aktuálisan legjobb feltöltött dízel-

motoroknak megfelelő 42%-os értékét.

A belső égésű motoroknál a nagy kipufo-

gógáz-hőmérsékletek  miatt  fennálló  kipu-

fogógáz  hőmennyiségének  jó  kihasználá-

sával  a  jövőben  további  hatásfoknövelés 

lehetséges.

Szabados György

Tudományos s. munkatárs

KTI Járműtechnikai, Környezetvédelmi és 

Energetikai Tagozat

Forrás:

[1] Helmut Eichlseder, Manfred Klell: Was-

serstoff in der Fahrzeugtechnik

[2]  BMW  Wasserstoffmotor  erreicht  Spit-

zenwirkungsgrad. 12.03.2009

[3]  Institut  für  Verbrennungskraftmaschinen 

und  Thermodynamik  der  Technischen  Uni-

versität Graz (http://fvkma.tu-graz.ac.at/)

Motortechnika