A hidrogén alkalmazása belső égésű motorok tüzelőanyagaként 1. rész

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.

1. ábra

Az a gondolat, hogy a hidrogént dugattyús motorok tüzelőanyagaként alkalmazzák, semmi esetre sem új. Már a XX. század ’30-as éveiben kísérleteztek kutatók, részben meglehetősen nagy sikerrel, dugattyús motorok hidrogénüzemre való átépítésével, valamint hagyományosan üzemelő motor hatásfokának növelése érdekében hidrogén hozzákeverésével. Egy ’30-as évekbeli Erren-féle hidrogénmotort mutat az 1. ábra.

1) 1,013 bar nyomáson 2) 0 °C hőmérsékleten 3) 25 °C hőmérsékleten 4) λ = 1-nél 5) levegőben 6) 250 bar nyomáson és 280 K hőmérsékleten
1. táblázat

Bár a hidrogénalapú hajtáskoncepciókra koncentráló kutatói munkák túlnyomó része a tüzelőanyag-cellával történő áramtermelésre, és ezzel az árammal táplált elektromos hajtásokra koncentrálódott, ettől még a hidrogénnel üzemelő belső égésű motorokat is egy versenyképes, jó alternatívaként értékelik. A hidrogénmotorok alkalmazása lehetővé teszi az autóipar jelenlegi gyártóberendezéseinek, valamint a járműben megszokott alkalmazásoknak a használatát.

A hidrogén belső égésű motorban való használatának releváns anyagtulajdonságai

A hidrogén tulajdonságai alapvetően különböznek az eddig, a belső égésű motorok tüzelőanyagaként használt anyagok tulajdonságaitól. A benzinnel és a gázolajjal szemben a környezeti hőmérsékleten való gáz halmazállapot a legszembetűnőbb, de semmi esetre sem a legfőbb különbség. Az 1. táblázatban a hidrogén belső égésű motorban való felhasználása szempontjából releváns tulajdonságait hasonlítottuk össze a hagyományos tüzelőanyagok és a metán tulajdonságaival. A tüzelőanyagoknak már az effajta összehasonlítása alapján a hidrogént, a hagyományos alkalmazáshoz szükséges különböző követelmények szempontjából, egy hidrogénspecifikus égésfolyamatra vonatkozóan világosan véleményezni lehet.

2. ábra

A hidrogén tömegre vonatkoztatott nagy energiatartalmával (Hu=120 MJ/kg) ellentétben a hidrogén-levegő keverék térfogategységre vonatkoztatott fűtőértéke (MJ/m3) nagyon alacsony. Valós üzemi körülmények között külső keverékképzés esetén a hidrogén-levegő keverék térfogatra vonatkoztatott fűtőértéke jelentősen kisebb, mint a hagyományos tüzelőanyagokkal előállított keverék esetében.

A hidrogén széles gyújtáshatárai minőségszabályozást tesznek lehetővé a motor teljes üzemi tartományában. A hagyományos tüzelőanyagokkal szembeni egyik jelentős különbség, hogy a hidrogén-levegő homogén keverék elméletileg λ=10 légviszony értékig hagyományos gyújtástechnika segítségével elégethető. Azonban a szükséges gyújtásenergia ugyanúgy, mint a hagyományos tüzelőanyagok esetében, a légviszony növelésével nő. Egy sztöchiometrikus hidrogén-levegő keverék gyújtásához szükséges gyújtóenergia kevesebb mint az 1/10-e a benzin-levegő keverék gyújtásához szükséges energiának. Ezzel szemben, a hidrogén öngyulladási hőmérséklete jelentősen nagyobb, mint a hagyományos tüzelőanyagoké. Ez előny lehet az Otto-folyamat szerint működő alkalmazásokban, a kopogás kialakulása szempontjából, de nagyobb sűrítési viszonyt és más intézkedéseket is követel a hőmérséklet növeléséhez, a dízelfolyamatú motorokban való alkalmazás során.

2. táblázat: keverékképzési koncepciók a hidrogénüzem során

3. táblázat: a próbamotor jellemző adatai

A nagy lamináris lángsebesség lehetővé teszi, hogy a hidrogénnel extrém rövid és kedvező hatásfokú égéstartam valósuljon meg. Még a szegény keverék tartományában is a lamináris égési sebesség jelentősen nagyobb, mint ami hagyományos tüzelőanyagokkal létrehozható.

Azonban a gyors égés és a nagymértékű nyomásemelkedés miatt a hajtómű nagyobb mértékben van terhelve és gerjesztve, ami zajosabb égést eredményez.

A hidrogént szénhidrogén-mentessége teszi egyedülállóvá, mert elméletileg egy motorikus égést CO, CO2 és CH keletkezése nélkül tesz lehetővé. Reális motorüzemben azonban az égéstérben jelen lévő kenőolaj miatt ugyan, de ezek a káros anyagok is jelen vannak a kipufogógázban, de csak nyomokban, és a szintjük kétségkívül a megfigyelhetőség közelében van. Hidrogénnel való üzemelés során releváns emissziós összetevőként csak a nitrogén-oxidokat kell figyelembe venni. Összességében a hidrogén fent leírt tulajdonságai miatt használható belső égésű motorok tüzelőanyagaként.

(Folytatjuk.)