1
A hidrogén felhasználása belsőégésű motorokban
Irodalmi összefoglaló és szakirodalmi jegyzék
Készítette:
a BME Gépjárművek tanszéke
2008.
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
2
HIDROGÉN A MOTORHAJTÓANYAGOK RENDSZERÉBEN
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
3
1. Hidrogénmotorok
Ez a dokumentum a hidrogénmotorok működésének és főbb részeinek a leírását,
valamint előnyeit és hátrányait taglalja és azt, hogy milyen intézkedéseket lehet
tenni a hátrányok csökkentése érdekében.
A legkorábbi hidrogénmotort 1807-ben Francois Isac de Rivaz fejlesztette ki. Maga
a motor u.n. atmoszférikus szabaddugattyús gázgép volt, a hidrogén meggyújtása
okozta terjeszkedés szabadon röpítette a dugattyút felfelé, a munkavégzés akkor
történt, amikor a dugattyút a reá ható gravitációs erő és a külső levegő nyomása a
kezdeti, alsó állásába nyomta vissza. A mozgást a dugattyúrúdon lévő fogasléc és
a kilincsműves fogaskerék alakították forgó mozgássá. Ezzel a motorral 1913-ban
több, mint 100 métert tett meg egy jármű, ez volt az első, belsőégésű motorral
hajtott jármű.
Hatvan évvel később, az 1860-as és 1870-es években N. A. Otto, az Otto-motorok
feltalálója, miközben a belsőégésű motorral kísérletezett, szintézisgázt használt
üzemanyagként, melynek hidrogéntartalma meghaladta az 50 %-ot. Otto
benzinnel is kísérletezett, de a használatát veszélyesnek találta, ezért visszatért a
gáz halmazállapotú motorhajtóanyagokhoz. A karburátor kifejlesztése azonban új
korszak hajnalát jelentette, melyben a benzint már biztonságosan felhasználhatták
a gyakorlatban. Ez a gázok használatát teljesen kiszorította.
A hidrogént széles körben alkalmazzák a különböző űrprogramokban, mivel ennek
a legjobb energia/tömeg aránya. Folyékony hidrogén a rakétamotorok hajtóanyaga
is, és a Holdon végzett Apolló programban, a Marsra irányuló Viking programban
vagy a Szaturnuszt kutató Voyager programban is alkalmazták.
Az utóbbi években a környezetszennyezés csökkentése érdekében és az
olajszármazékoktól való függőség megszüntetésére ismét előtérbe került a
hidrogén hajtóanyagkénti hasznosítása.
2. A hidrogén égési tulajdonságai
A hidrogén fontosabb fizikai tulajdonságai:
Szintelen, szagtalan, íztelen.
Normálállapotban gáz halmazállapotú.
A legkönnyebb gáz, sűrűsége a levegőnél 14,4-szer kisebb.
Olvadás- és forráspontja igen kicsi. Környezeti hőmérsékleten a többi
gázzal ellentétben, kiterjedéskor felmelegszik, ezért a legnehezebben
cseppfolyósítható gázok közé tartozik.
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
4
Minthogy molekulái igen kis tömegűek, ezért hőmozgásuk sebessége igen
nagy (0° C-on 1845 m/s). Ezzel magyarázható a nagy diffúziósebesség
valamint a nagyon jó hővezető-képesség.
Fajhője igen nagy (minden anyag fajhőjénél nagyobb), ez a kis atom- ill.
molekulatömegek következménye.
Vízben igen kis mértékben – gyakorlatilag nem – oldódik, melynek oka az
apoláros molekulaszerkezet.
Egyes fémekben, elsősorban a platinafémekben nagymértékben oldódik.
Fémekben való oldódása azonban nem csupán fizikai, hanem kémiai
folyamat is, mert u.n. fémes hidridek keletkezésével jár.
Egyéb gázokhoz hasonlítva, feltűnően nagy az elektromos
vezetőképessége (ez a fémekre hasonlító tulajdonsága).
Motorhajtóanyagként alkalmazva, a következő tulajdonságai is fontosak:
A levegő-hidrogén keverék széles tartományban gyúlékony
Meggyújtásához kis energia szükséges.
Hidegebb falhoz közelítve a hidrogénláng a falhoz közelebb érve alszik el
(vékonyabb határréteg).
Jó kompressziótűrés
Nagy lángsebesség
2.1. A levegő-hidrogén keverék széles tartományban gyúlékony
A hidrogén-levegő keverék sokkal szélesebb tartományban gyúlékony, mint az
összes többi hajtóanyag. Ezért a hidrogén-levegő keverék szegény keveréke is
elégethető a belsőégésű motorokban. A szegény keverék azt jelenti, hogy a
hidrogén mennyisége az adott levegőmennyiséghez képest jóval kevesebb, mint
amennyi elméletileg az elégetéshez szükséges lenne. Ezért könnyű a
hidrogénmotorokat indítani.
Általánosságban szegény keverékkel a motorüzem gazdaságosabb és az égés
tökéletesebb. Ezen kívül kisebb az égés hőmérséklete, ez kedvező a nitrogén-oxid
kibocsátás szempontjából. A keverék szegényítése viszont csökkenti a motor
teljesítményét a szegény keverék kisebb energiatartalma miatt.
2.2. Kis gyújtási energia
A hidrogén meggyújtásához nagyon kis energia kell, egy nagyságrenddel kisebb,
mint a benzin meggyújtásához. Ez teszi lehetővé a hidrogénmotorokban a sovány
keverék meggyújtását, a könnyű motorindítást.
A kis gyújtási energia sajnos azt is okozhatja, hogy a hengerekben lévő forró
gázok vagy forró részek idő előtt meggyújtják a hengerben lévő hidrogént (amikor
még nyitva van a szívószelep), és a szívócsőbe „visszaég” a hidrogén-levegő
keverék. Ez a keveréket beszívó (nem közvetlen befecskendezésű)
hidrogénmotoroknál egyik nagy problémája. A hidrogén széles skálán mozgó
gyúlékonysága azt is jelenti, hogy szinte minden keverék begyulladhat a forró
részektől.
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
5
2.3. Hidegebb falhoz közelítve a hidrogénláng a falhoz közelebb érve alszik el
(vékonyabb határréteg)
A hidrogénláng csak a falhoz közelebb érve alszik el, mint a benzin lángja.
Következésképpen a hidrogén lángnyelvei közelebb vannak a henger falához,
mint más motorhajtóanyagoké. Ez is növelheti a visszaégési hajlamot.
2.4. Jó kompressziótűrés
A hidrogénnek viszonylag nagy az oktánszáma. Ennek az a jelentése, hogy a
hidrogént jobban össze lehet sűríteni anélkül, hogy öngyulladás következne be. A
sűrítés okozta hőmérsékletnövekedést a következő összefüggés határozza meg:
1
2
1
1
2
n
V
V
T
T
ahol:
V
1
/V
2
= sűrítési arány
T
1
= kezdőhőmérséklet
T
2
= véghőmérséklet
n = politrópikus kitevő
A hőmérséklet nem lehet nagyobb, mint a hidrogén öngyulladási hőmérséklete,
mert az korai gyulladást okozna. Ezért a véghőmérséklet (T
2
) korlátozza a sűrítési
arányt. A hidrogén jó kompressziótűrése nagyobb sűrítési arányt tesz lehetővé a
hidrogénmotorban, mint a hagyományos motorokban szokásos érték. Ez a
nagyobb sűrítési arány azért fontos, mert ez a rendszer termikus hatásfokával áll
kapcsolatban. A nagy oktánszám miatt a hidrogén a szikragyújtású motorok
hajtóanyagának felel meg.
2.5. Nagy lángsebesség
A hidrogén lángja gyorsan terjed. Azonos feltételek mellett a hidrogénláng
sebessége egy nagyságrenddel nagyobb a benzinlángénál. Ez azt jelenti, hogy a
hidrogénmotorban lejátszódó folyamat jobban megközelítik a termodinamikai
körfolyamatot. A hidrogén-levegő keverék szegényítésével azonban az égési
sebesség jelentősen csökken.
2.6. Nagy diffúziósebesség
A hidrogén diffúziósebessége nagy. A levegővel gyorsabban keveredik, mint pl. a
benzingőzök, ami két okból is előnyös: egyrészt a hidrogén-levegő keverék
egyenletesebb, mint pl. a benzingőz-levegő keverék (jobb égés), másrészt, ha a
hidrogéntartály megsérül, a kiszabaduló hidrogén gyorsan szétoszlik a környező
levegőben, ezáltal kisebb a robbanásveszély.
2.7. Kis sűrűség
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
6
A hidrogén nagyon könnyű. Ezért: adott út megtételéhez nagy méretű tartályra van
szükség.
3. Levegő-hidrogén arány
A hidrogén égését a következőképpen írhatjuk le:
2H
2
+ O
2
= 2H
2
O
A teljes égéshez szükséges H
2
= 2 mol
A teljes égéshez szükséges O
2
= 1 mol
Mivel az égéshez a levegőt használjuk az oxigén helyett, a számításoknál a
levegő nitrogéntartalmát is figyelembe kell vennünk:
A levegő N
2
tartalma
A levegő összetétele79% N
2
és 21% O
2
.
1 mol O
2
-höz tartozik 79/21 = 3,762 mol N
2
A levegő molszáma = O
2
mol + N
2
mol
= 1 + 3,762 = 4,762 mol
Az O
2
tömege = 1 mol O
2
* 32 g/mol = 32 g
Az N
2
tömege = 3.762 mol N2 * 28 g/mol = 105,33 g
A levegő tömege = O
2
tömeg + N
2
tömeg
= 32g + 105,33 g = 137,33 g
A H
2
tömege = 2 mol H2 * 2 g/mol = 4 g
A levegő és hidrogén sztöchiometrikus aránya (L/H):
(L/H) tömegarány =
levegő tömege/hidrogén tömege
= 137,33 g/4 g = 34,33
(L/H) térfogatarány =
levegő térfogata/hidrogén térfogata
= 4,762 mol/2 mol = 2,4
Sztöchiometrikus keverék esetén a hidrogén égéstérben elfoglalt térfogataránya:
H2 v/v % =
H
2
térfogata/teljes térfogat
= H
2
térfogat/(levegő + H
2
térfogat) = 2/(4,762+2) = 29,6%
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
7
Mint a számítások is mutatják, a hidrogén elégetésének elméleti
(sztöchiometrikus) L/H tömegaránya körülbelül 34:1. Ez azt jelenti, hogy
elméletileg minden kilogramm hidrogénhez 34 kg levegő szükséges. Ez jóval
nagyobb, mint a benzinnél szükséges 14,7 arány.
Ha a hidrogén gáz halmazállapotban, a szívócsövön át kerül az égéstérbe, ott
több helyet foglal el, mint a folyékony tüzelőanyag; következésképpen a levegő
részére kevesebb hely marad. Sztöchiometrikus keverék esetén a hidrogén a
lökettérfogat 30%-át foglalja el, míg a benzin kevesebb, mint 2%-át. A következő
táblázatban 1 liter lökettérfogatú a benzin- és hidrogén-tüzelőanyagú motor
teljesítményét hasonlítjuk össze.
Tüzelőanyag
benzin
hidrogén,
gáz vagy
cseppfolyós
hidrogén,
nagynyomású gáz
vagy cseppfolyós
Keverékképzés
karburátor vagy
szívócsőbe
fecskendezés
szívócsőbe szívás
vagy
fecskendezés
közvetlen
befecskendezés
(külső keverékképzés)
(belső
keverékképzés)
tüzelőanyag
17 cm
3
300 cm
3
420 cm
3
levegő
983 cm
3
700 cm
3
1000 cm
3
energia
3,8 kJ
100%
3,2 kJ
85%
4,5 kJ
120 %
A táblázatból kiolvasható, hogy a szívó motor esetén a hidrogén hengerbe
juttatásától függően a hidrogénmotor teljesítménye a benzinmotorokhoz képest
85% (egyszerű bevezetés) és 120% (nagynyomású befecskendezés) között
változik. Feltöltött motor teljesítménye mindhárom esetben a feltöltés mértékével
(p
töltő
/p
o
) arányosan nagyobb lehet.
Mivel a hidrogén-levegő keverék gyúlékonysága széles skálán mozog, a
hidrogénmotorok L/H aránya 34:1 (sztöchiometrikus) és 180:1 között lehet.
4. A korai gyulladás problémája és annak megoldása
A működőképes hidrogénmotorok fejlesztésénél elsődlegesen jelentkező
probléma a hidrogén korai gyulladása, mert a hidrogén meggyújtásához kis
energia is elegendő, a keverék gyúlékonysága széles skálán mozog és a láng
csak a falhoz közelebb alszik el.
Az öngyulladás azt jelenti, hogy a hidrogén-levegő keverék az égéstérben már a
gyújtószikra megjelenése előtt meggyullad, ez rosszhatásfokú, egyenetlen járású
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
8
motorüzemet okoz. Visszaégés is létrejöhet, ha a korai gyulladás a
hidrogénbevezető szelep közelében jön létre, és így az égő hidrogénláng a
tüzelőanyag-rendszerbe visszajuthat.
Számos tanulmány vizsgálja a hidrogénmotorok korai gyújtásának okait. Az
elemzések némelyike azt mutatja, hogy a korai gyújtást az égéstérben, a
gyújtógyertyán vagy a kipufogószelepen lévő forró lerakódások okozzák.
4.1. Tüzelőanyaganyag-ellátó rendszer
A tüzelőanyag-ellátó rendszer megfelelő kialakításával csökkenthető -- vagy akár
teljesen meg is szűntethető -- az időelőtti gyulladás gyakorisága. A hidrogénellátó
rendszereknek három fő típusa van:
központi befecskendezés (vagy karburátoros),
szívócsőbe fecskendező és
közvetlen befecskendezésű.
A központi és szívócsőbe fecskendező rendszerek a hidrogént a szívóütemben
juttatják a hengerbe. A központi befecskendezésű és a karburátoros
keverékképzésnél a hidrogén a közös szívócsőbe áramlik, a szívócsőbe
fecskendező rendszerek a hidrogént az adott henger szívószelepéhez juttatják.
A közvetlen befecskendezés az előbbieknél kifinomultabb módszer, a levegő-
hidrogén keverék a sűrítési ütemben, az égéstérben alakul ki.
Központi befecskendezés (vagy karburátoros) keverékképzés
A hidrogénmotorok tüzelőanyag-ellátásának legegyszerűbb módja. Előnyei:
egyrészt a központi befecskendezés közel nem igényel akkora hidrogénnyomást,
mint a többi módszer; másrészt benzinmotoros autók központi befecskendezős
vagy karburátoros keverékképző rendszereit egyszerűen át lehet alakítani
hidrogén/benzin vagy hidrogén üzemre.
A rendszer hátránya, hogy a motor egyenetlenebbül jár a korai gyújtások és az
esetleges visszaégések miatt. A visszaégés mértékét a szívócsőben jelenlévő
nagyobb hidrogén-levegő keverékmennyiség fokozza.
Szívócsőbe fecskendező rendszer
A szívócsőbe fecskendező rendszer a hidrogént a szívócsatornába, a szívószelep
közelébe fecskendezi be. A hidrogént rendszerint a szívóütemben fecskendezik
be a szívócsőbe, mivel ekkor a legkedvezőbbek a körülmények a korai gyújtás
elkerülésére.
A szívócsőbe fecskendezésnél a hidrogénnel együtt beszívott levegő hígítja és
hűti a visszamaradt égéstermékeket, gázokat és forró részecskéket. Mivel a
szívócsőben kevesebb hidrogén van, ezért a visszagyújtás lehetősége jelentősen
csökken. A rendszer nyomása nagyobb, mint a központi vagy karburátoros
keverékképző rendszereknél, de kisebb, mint a közvetlen befecskendezésűeknél.
Közvetlen befecskendezésű rendszerek
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
9
A korszerűbb hidrogénmotorok a sűrítési ütemben közvetlenül a hengerbe
fecskendezik be a hidrogént. A szívószelep a hidrogén befecskendezésekor zárva
van, s ez teljesen kizárja a szívócsőben lévő keverék meggyulladását, és a
visszaégést.
A közvetlen befecskendezésű rendszerek teljesítménye több mint 20%-kal
nagyobb, mint a benzinmotoroké és 42%-kal nagyobb, mint a központi
befecskendezésű vagy karburátoros hidrogénmotorok teljesítménye.
Bár a közvetlen befecskendezés megoldja a szívócsőben létrejövő gyulladás
kérdését, de nem küszöböli ki feltétlenül az égéstérben fellépő korai gyulladást.
A hidrogén és a levegő elkeveredésének ideje csökken, a keverék nem lesz
teljesen homogén. Ez okozhatja, hogy a közvetlen befecskendezésű rendszerek
NOx-kibocsátása nagyobb, mint a másik két rendszeré. A közvetlen
befecskendezésű rendszerek nagyobb hidrogénnyomást igényelnek, mint az előző
rendszerek.
4.2. A hengerben lévő gázok hőmérsékletének csökkentése (belső
hengerhűtés)
Az korai gyulladás valószínűsége csökkenthető, ha a hengerben lévő gázok
hőmérséklete kisebb. Ez kipufogógáz-visszavezetéssel (EGR) vagy
vízbefecskendezéssel érhető el.
Mint a neve is mutatja, az EGR rendszer a kipufogógáz egy részét visszavezeti a
szívócsőbe. Ez csökkenti az esetlegesen felizzott részek, lerakódások
hőmérsékletét, ezáltal csökkentve a korai gyulladás valószínűségét, de ezen kívül
a visszavezetett kipufogógázok csökkentik az égés csúcshőmérsékletét és így a
NO
x
kibocsátást is. Általában a 25-30%-os kipufogógáz-visszavezetés már
elegendő a visszaégés megelőzéséhez is.
A kipufogógáz-visszavezetés azonban csökkenti a motor teljesítményét, mivel a
kipufogógázok jelenléte csökkenti az elégethető levegő-hirdrogén keverék
mennyiségét.
A belső hengerhűtés másik módszere a vízbefecskendezés. A víz hidrogéngázhoz
fecskendezése -- még a levegővel való elkeveredés előtt -- jobb eredményeket
mutatott, mint amikor a szívócsőbe -- a már összekeveredett levegő-hidrogén
keverékhez -- fecskendeződik a víz. A vízbefecskendezésnél azonban gondosan
ügyelni kell a tömítések állapotára, hogy a befecskendezett víz ne keveredhessen
a motorolajjal.
4.3. A motor kialakítása
A korai gyulladások és a rendellenes égések elkerülésére a leghatékonyabb
módja, ha a motort eleve úgy alakítják ki -- különös figyelemmel az égéstérre és a
hűtőrendszerre -- hogy a hidrogénhajtáshoz optimális legyen.
Tárcsaformájú égéstérrel (sík dugattyútetővel és égéstértetővel) az égéstérben a
turbulencia mértéke csökkenthető. Kisebbek lesznek a sugár- és érintőirányú
gázsebességek, és a beszíváskor kialakuló örvények sűrítés közben nem
erősödnek fel jelentősen.
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
10
Mivel hidrogénmotorban elégetlen szénhidrogének keletkezésétől nem kell tartani,
nagy furat-löket arányú (rövidlöketű) hengerkialakításra kell törekedni. A nagyobb
égési sebesség miatt két gyújtógyertyát célszerű alkalmazni. A hűtőrendszer
kialakításakor gondot kell fordítani arra, hogy a hűtés az összes szükséges helyen
megoldott legyen.
A korai gyulladás elkerülését ugyancsak elősegíti, ha egy nagyobb helyett két,
kisebb kipufogószelepet használunk, valamint hatékony átöblítő rendszer
kialakítása, melynek célja a kipufogógázok minél teljesebb kiszorítása az
égéstérből.
5. Gyújtórendszer
A hidrogén meggyújtásához szükséges alacsony energiaszint miatt a hidrogén
meggyújtása egyszerű, így a benzinüzemű motor gyújtórendszerét változtatás
nélkül használhatjuk. Nagyon sovány levegő-üzemanyagaránynál (130:1 és 180:1
arányok között) a lángsebesség jelentősen lecsökken, ezért előnyös a kétgyertyás
gyújtórendszer használata.
A hidrogénmotor gyújtógyertyájának a kis höértékű és nem platinaelektródás
típusok felelnek meg. A kis hőértékű gyertya nagyobb hőmennyiséget ad át a
hengerfejnek. Ennek következtében gyújtógyertya elektródáinak hőmérséklete
kisebb, az elektróda felizzása okozta nemkívánatos gyulladás lehetősége
csökken.
A platinaelektródás gyújtógyertya használata azért nem ajánlott, mivel a platina a
hidrogén oxidálásánál katalizátorként viselkedik.
6. A forgattyúház hűtése
A forgattyúház hűtése a hidrogénmotoroknál még fontosabb, mint a
benzinmotoroknál.
Akárcsak a benzinmotoroknál, az el nem égett motorhajtóanyag a dugattyúgyűrűk
mellett átkerülhet a forgattyúházba. Mivel a hidrogén meggyújtásához kisebb
energia kell, mint a benzinhez, a forgattyúházba bejutott el nem égett hidrogén
könnyebben meggyulladhat.. Ezt hűtéssel kell megakadályozni.
A hidrogén meggyulladása a forgattyúházban lehet, hogy csak ijesztő hangot ad,
de a motortüzet is okozhat. A hidrogén meggyulladása a forgattyúházban hirtelen
nyomásnövekedést okoz, amit biztonsági szelepen keresztül kell ki engedni. Ezt
mutatja be a következő ábra.
Égéstermékek is átkerülhetnek a forgattyúházba a dugattyúgyűrűk mellett. Mivel a
hidrogén égésterméke víz, ez a motorolajjal kenőképességét csökkenti. Ez a
motor élettartama szempontjából hátrányos.
7. Termikus hatásfok
Az Otto-motorok termikus hatásfoka a motor sűrítési arányától és a tüzelőanyag-
levegő keverék adiabatikus kitevőjétől függ, a következő egyenlet szerint:
sűrítés okozta hőmérsékletnövekedést a következő összefüggés határozza meg:
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
11
1
2
1
0
1
1
V
V
ahol:
V
1
/V
2
= sűrítési arány(kompreszióviszony)
= adiabatikus kitevő
Minél nagyobb a sűrítési arány, annál jobb a motor termikus hatásfoka. Egy motor
sűrítési arányának határát az tüzelőanyag keverék kopogástűrése (oktánszáma)
határozza meg. A sovány hidrogén-levegő keverék kevésbé hajlamos a
kopogásra, mint a benzin, ezért a hidrogénüzemű motorban nagyobb sűrítési
arány valósítható meg.
Az adiabatikus kitevő a tüzelőanyag molekulaszerkezetével van összefüggésben.
Minél egyszerűbb a tüzelőanyag molekulaszerkezete, annál nagyobb az
adiabatikus kitevő. A hidrogén molekulaszerkezete sokkal egyszerűbb a, mint a
benziné adiabatikus kitevője is nagyobb (=1,4), mint a benziné (=1,1).
8. Károsanyag-kibocsátás
A hidrogén elégetése oxigénben csak vizet eredményez:
2H
2
+ O
2
= 2H
2
O
Ha azonban a hidrogén levegőben (nitrogén + oxigén) ég el, nitrogén-oxidok (NO
x
=
NO+NO
2
) is keletkeznek:
H
2
+ O
2
+ N
2
= H
2
O + N
2
+ NO
x
Nitrogén-oxidok magas hőmérsékleten keletkeznek. A hőmérséklet nagyságától
függ, hogy a beszívott levegő nitrogénjének mekkora hányada oxidálódik. Az NOx
mennyisége a következő tényezőktől függ:
a levegő/tüzelőanyag aránytól
az égéstérnyomások nagyságától
a motor fordulatszámától
a gyújtás időzítésétől
az esetlegesen alkalmazott belső hengerhűtés mértékétől.
A nitrogén-oxidokon kívül az égéstérbe felkerült motorolaj elégésének
következtében szénmonoxid és széndioxid is keletkezhet a kipufogógázban.
A motor állapotától (olajégés) és az alkalmazott működtetési stratégiától (gazdag
vagy szegény keverék) függően a hidrogénmotor károsanyag-kibocsátása a
majdnem nullától a nagyobb értékekig változhat. A következő ábra a
hidrogénmotorok tipikus NO
x
-kibocsátás diagramját mutatja a λ légviszony
(beszívott levegőtömeg/az égéshez elméletileg szükséges levegőtömeg)
függvényében.
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
12
A hidrogénmotor károsanyag-kibocsátása
9. Teljesítmény
A hidrogénmotor elméleti maximális teljesítménye a levegő/hidrogén aránytól és a
hidrogénbefecskendezés módjától függ.
Mint azt a 3. fejezetben már említettük, a sztöchiometrikus 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. Ennek az a következménye, hogy a hengertérfogatot kitöltő
keverék energiatartalma kevesebb, mint a benzin-levegő keverék esetében (mivel
a benzin folyékony, az égéstérnek csak nagyon kis -- 2% alatti -- részét foglalja el,
ami több levegő beszívását teszi lehetővé).
Mivel mind a karburátoros, mind pedig a szívócsőbe fecskendezési
keverékképzésnél a hidrogén és a levegő a hengerbe lépés előtt keveredik össze,
a rendszer elméleti teljesítményhatára a benzinmotornak csak a 85%-a. A
közvetlen befecskendezésű rendszernél, ahol a hidrogén a levegővel csak az
hengerben, zárt szelepek mellett keveredik el (és így a hengerben 100% a
levegőtartalom), a rendszer maximális teljesítménye akár 20%-kal is nagyobb
lehet, mint a benzinmotoré.
Következésképpen a keverékképző rendszertől függően a hidrogénmotor
teljesítménye 20%-kal nagyobb vagy 15%-kal kisebb lehet, mint a benzinmotoré.
A sztöchiometrikus levegő/hidrogén arányú keverék égési hőmérséklete azonban
nagyon magas, ami nagy mennyiségű szennyező nitrogén-oxid (NO
x
) kibocsátást
okoz. Mivel a hidrogénmotor használatának egyik célja a kipufogógázok
légszennyezésének csökkentése, ezért a hidrogénmotorokat úgy tervezik, hogy ne
sztöchiometrikus levegő/hidrogén aránnyal működjenek.
A hidrogénmotorokban a felhasznált levegő körülbelül kétszer annyi. mint amennyi
a tökéletes égéshez elméletileg szükséges lenne (λ=kb. 2). Ily módon az NO
x
-
kibocsátás majdnem nullára csökken. Sajnos, ez a motor teljesítményét is a felére
csökkenti az ugyanolyan méretű benzinmotorokhoz képest. A
teljesítményveszteség kiegyenlítésére a hidrogénmotorokat nagyobb
lökettérfogatúra tervezik, mint a benzinmotorokat és/vagy turbótöltést
alkalmaznak.
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
13
10. A jelenlegi helyzet
Csaknem mindegyik autógyártó foglalkozik hidrogénhajtású járművek
fejlesztésével. A sorozatgyártáshoz a BMW került legközelebb: a sorozatgyártásra
alkalmas BMW Hydrogen 7 modellből száz darabot készítettek, amelyeket
politikai, gazdasági és közéleti személyiségeknek adnak kipróbálásra. A
szemléletváltáson túl e tesztelések másik célja, hogy a hétköznapi használat
tapasztalatait felhasználják a modell továbbfejlesztésében.
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
14
Hidrogén és a hagyományos motorhajtóanyagok összehasonlító táblázata
Tulajdonság
egység
Benzin
Gázolaj
Metán
Hidrogén
Euroszuper
Sűrűség (cseppfolyós)
1
kg/m
3
720...780 820. .. 845
423
70,8
°C
15
15
-162
-253
Sűrűség (gáznemű)
1,2
kg/m
3
-
-
0,716
0,090
Moltömeg
kg/kmol
≈ 98
≈ 190
16,043
2,016
Forráspont ill. tartomány
1
°C
210…355
-161,5
-252,8
Elméleti levegöarány
kg
lev
/kg
tüa
14,7
17,2
34,3
v/v %
30…190
-
9,5
29,5
Fűtőérték
MJ/kg
14,0
42,9
50
120
cseppfolyós
1
31,7
35,8
21
8,5
Energiasűrűség
gáz
MJ/dm
3
-
-
12,6
3
3,0
3
Keverékfűtőérték
1,2,4
(keverékbeszívás)
MJ/m
3
3,76
-
3,40
3,19
Keverékfűtőérték
1,2,4
(levegőbeszívás)
MJ/m3
3,83
3,77
3,76
4,52
v/v %%
1...7,6
0,6...5,5
4,4...15
4...76
Gyulladási tartomány
1,5,7
λ
1,4...0,4
1,35...0,48 2,28...0,6
10...0,13
Öngyulladási hőmérséklet
1,4
°C
230...450
250
595
585
Minimális gyújtási energia
3,4
mJ
0,24
0,24
0,29
0,017
1,2
-
0,16
0,61
Diffuziós együttható
4
6
cm
2
/s
0,05
-
1,9·10
-2
8,5·10
-2
Lamináris Iángsebesség
1,4,5,7
cm/s
≈ 40
≈ 40
≈ 42
≈ 230
Kísérleti oktánszám (ROZ)
-
95
-
130
-
Motor-oktánszám (MOZ)
-
85
-
100
0
Cetánszám (CZ)
-
-
52...54
-
-
Tőmeghányadok
C
%
85,6
86,1
74,9
0
H
%
12,2
13,9
25,1
100
O
%
2,2
0
0
0
1
1,013 bar nyomás
2
0° C hőmérséklet
3
350 bar és 280 K
4
λ=1 légviszony
5
levegőben
6
100 bar nyomás és 1000 K
7
25°C hőmérséklet
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
15
IRODALOMJEGYZÉK
Könyv:
1. DEZSÉNYI GY. - EMŐD I. - FINICHIU L.: Belsőégésű motorok tervezése és
vizsgálata, 2. kiadás. Budapest, Tankönyvkiadó, 1992.
2. Neuen Kraftstoffen auf der Spur. Bundesministerium für Forschung und
Technologie, Bonn 1974..
3. EICHLSEDER, H – KLELL, M.: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik. Wiesbaden,
Vieweg + Teubner Verlag, 2008.
4. EMŐD I. - TÖLGYESI Z - ZÖLDY M.: Alternatív járműhajtások. Budapest, Maróti
Könyvkereskedés és Könyvkiadó, 2006.
5.
6. .
Tanulmány:
7. EMŐD I. - FINICHIU L. - KESZTHELYI K. - VARGA F.: Alternatív motor-
hajtóanyag előállítási és felhasználási lehetőségek. I-IV. kötet. (Szerkesztette: dr.
Tóth László). Tanulmány az OMFB részére. Gödöllő, 1992.
8. EMŐD I.: Alkohol hajtóanyag alkalmazása Otto-motorokban. Megbízó: Győri
Olajipari Rt, 1995.
9. .
10.
Folyóirat cikk:
11. BULLA M.: Áttekintés az alternatív erőforrásokról. = Környezet és fejlődés 5.k.
7.sz. 1995. p.19-23.
12. EMŐD I.: Környezetkímélő motorhajtóanyagok. = Környezet és fejlődés, 5.k. 7.sz.
1995. p.24-26.
13. Peschka, W.: Die Entwicklung des Wasserstoffantriebs zur Serienreife I-II. = ATZ
Automobiltechnische Zeitschrift. 106.k. 6 és 7-8.sz. 2004.
14. HARNDORF, H. - SCHÜMANN, U. és tsai.: Motorprozessvervalten und
Abgasemissionen alternativen Kraftstoffe im Vergleich mit Dieselkraftstoff. = MTZ
Motortechnische Zeitschrift, 69.k. 07-08.sz. 2008.
15. WILLAND, J - GROTE A. és tsai.: Der Volkswagen-Wasserstoff-
Verbrennungsmotor für Flurförderzeuge. = Sonderausgabe von ATZ ATZ Juni
2008.
16. ENKE, W. - GRUBER,
M. és tsai: Der bivalente V12-Motor des BMW Hydrogen 7.
= MTZ Motortechnische Zeitschrift, 68.k. 06.sz. 2007.
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
16
Előadás:
17. EMŐD I. - ABONYI TÓTH I.: Környezetbarát motorhajtóanyagok. Kutatás és
Oktatás a Környezetvédelemért Konferencia. Veszprém, 1993.
18. EMŐD I. - FINICHIU L. - VARGA F.: Alternatív tüzelőanyagokkal Magyarországon
végzett kísérletek. IX. Nemzetközi Közúti Fuvarozási és Közlekedésbiztonsági
Konferencia. Budapest, 1992.
19.
20. EMŐD I.: Alternatív gépkocsihajtások környezetszennyezése. Smog-Stop
Környezetvédelmi Konferencia. Budapest, 1992.
21. EMŐD I.: Alternatív tüzelőanyagok felhasználásának lehetőségei az autóbusz
üzemben. XXIII. Autóbusz Szakértői Tanácskozás. Tata, 1992.
22. RICKEARD, D. – KHSEHGI, H.: European Fuel and Vehicle Options for the
Future. F02E199, FISITA 2002.
Internet
23. The Reversible Hydrides Solution for Hydrogen
http://gcep.stanford.edu/pdfs/hydrogen_workshop/Gross.pdf.
24. Mobil mit Wasserstoff - Clean Energy Partnership (CEP)
http://www.bmvbs.de/artikel-,302.22711/Mobil-mit-Wasserstoff-Clean-En.htm
25. Tüzelőanyagok felhasználásához kapcsolódó légköri szennyezőanyag-
kibocsátások
http://w3.oszk.hu/repscr/wwwi32.exe/%5Bin=rpsr2.in%5D/?SSZ=TAJTHY_TIHAM
ER
26. Emissionen vonWasserstofffahrzeugen. Abschätzung der Emissionen von
wasserstoff- und brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen
http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/publikationen/REP0012.pdf.
27. FIZ Forschungs- und Innovationszentrum BMW-München
http://www.ivv.tuwien.ac.at/uploads/media/Exkursionsbericht_Fiz_01.pdf
28. Der Wasserstoffmotor
http://www.lifeandscience.de/fileadmin/downloads/referate/physik/Wasserstoffmot
or.pdf.
29. Wasserstoff- Verbrennungsmotor
http://www.energieportal24.de/download_179.htm.
30. Sind alternative Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen?
http://www.morphy-tr.de/seminarfacharbeit.pdf
31.
H
2
Mobility: Hydrogen Vehicles Worldwide
http://www.netinform.net/H2/H2Mobility/Default.aspx
Diplomamunka, tudományos diákköri dolgozat
32. VÁRADI I.:Belsőégésű motorok hidrogénüzeme. Diplomamunka, BME 2008.
33. ZSOVÁN N.:Hidrogén üzemű járművek hajtóanyagtárolási megoldásainak
vizsgálata. Diplomamunka, BME 2008.
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
17
34. MIHÁLY A.: Hajtóanyagok és járműrendszerek teljes energialánc vizsgálata.
Diplomamunka, BME 2008.
35. BOROS B.: Alternatív motorhajtóanyagok. Diplomamunka, BME 2008.
36. TRENCSÉNI B.: Hidrogénmotorok vizsgálata és alkalmazása. Diplomamunka,
BME 2001.
Törvény, rendelet, szabvány
37.
38.
Create PDF
files without this message by purchasing novaPDF printer (
http://www.novapdf.com
)
Dostları ilə paylaş: |