A hidrogén alkalmazása belső égésű motorok tüzelőanyagaként

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.

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 szerint. Ellentétben a külső keverékképzéssel (H2-AGB, Äussere GemischBildung), amelynél a hidrogént szívócsőbe adagolják, belső keverékképzésnél (H2-IGB, Innere GemischBildung) a befúvás közvetlenül a motor égésterébe történik.

3–1. ábra (Forrás: [1], MAN)

Egy kombinált keverékképzési eljárás az előzőekben említett variánsok összetételéből áll. A keverékképzés helye és időpontja szerinti lehetséges felosztásokat a 2. táblázat tartalmazza.

Felosztás a hajtómű építési módja szerint

Ugyanúgy, mint azoknál a motoroknál, amelyek hagyományos tüzelőanyagokat használnak, a hajtómű szempontjából löketdugattyús és forgódugattyús motorokat különböztetünk meg.

3–2. ábra (Forrás: [1], MAN)

A 3–1. és 3–2. képek mutatnak egy kisszériában gyártott MAN hidrogénbuszmotort, amelyet szívómotorként és feltöltő alkalmazásával is autóbuszokba építettek be.

4–1. ábra (Forrás: Mazda)

A 4–1. és 4–2. képen ábrázolt motorkivitelekig, amelyek a Mazda H2-Wankel nevet kapták, a hidrogén hajtóanyagú motorok csak löketdugattyús kivitelben készültek.

A H2-Wankelmotor működési folyamata, amely löketdugattyú helyett forgódugattyúval rendelkezik, a 4–1. ábrán látható. A Wankel-féle forgódugattyús építési mód, és az ehhez kapcsolódó égéstérforma a hidrogén anyagtulajdonságának, mint a nagy égési sebesség, egy kedvező feltételt biztosít. Ahogy a képen látható, a felső kamrába beszívott levegő egy elektronikusan vezérelt befúvószelepen keresztül bejuttatott hidrogénnel keveredik. A rotor forgása által a tüzelőanyag-levegő keveréket komprimálja, és végül gyújtógyertyák segítségével gyújtják. Az égés által előidézett nyomásnövekedés a rotort tovább forgatja, és a kipufogógáz a kiömlőcsatornán keresztül a motort elhagyja.

4–2. ábra (Forrás: Mazda)

További felosztási szempontok

A keverékképzési eljárás helye és a tüzelőanyag-befúvás időpontja szerinti megkülönböztetés mellett további felosztásokat lehet alkalmazni a következő szempontok alapján:

– A bevezetett hidrogén hőmérséklete (környezeti hőm./extrém alacsony hőm.)
– A gyújtásbevezetés módja (idegengyújtás/kompressziógyújtás)
– Részterhelés-szabályozás (fojtás → mennyiségszabályozás/fojtás nélkül → minőségszabályozás)
– A hengertöltés állapota szerint (szívó/feltöltött)
– A keverék kialakítása szerint (homogén/rétegezett)

5. ábra (Forrás: [1])

A járműben széles határok között variálódó és dinamikus üzem megvalósíthatósága számára a fenti felosztási szempontok szerint megkülönböztetett eljárások kombinációja gyakran célszerű. Külső keverékképzésnél folyékony állapotban tárolt hidrogén esetében a mélyhűtött hidrogén befúvásával jelentős javulásokat lehet elérni a környezeti hőmérsékletű hidrogénnel szemben. Az előny azzal a hatással magyarázható, hogy a hideg hidrogén a szívócsőben az egész töltettömeg lehűléséhez vezet. A redukált hőmérséklet a sűrűség növelését vonja maga után, és ezzel együtt a keverék fűtőértékének a növelését is eredményezi.

6. ábra (Forrás: [1])

A motor teljesítménypotenciálja külső keverékképzéssel, 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 nagyobb, mint egy benzinüzemű motoré. Ehhez 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 teljesítménypotenciál összehasonlítása látható, a különböző hidrogén-keverékképzési eljárások és a benzinüzem esetén.

A gyújtásbevezetés módja szerint a hidrogénmotoroknál is, ugyanúgy, mint a szokásos módon, idegen- és kompressziógyújtású üzemet különböztetnek meg. A hidrogénnek a dízel tüzelőanyaghoz képesti nagy öngyulladási hőmérséklete miatt, amely kb. 585 °C, egy stabil öngyulladási üzeme csak nagy sűrítési viszonnyal és részben kiegészítő levegő-előmelegítéssel realizálható. A H2-tüzelőanyagú, belső égésű motorok aktuális felhasználási területe személyautó hajtására ma már nem kizárólag Otto-motorikus koncepcióval történik, és természetesen a múltban sem hiányoztak a vizsgálatok és a koncepciók a hidrogénnel működő személyautó-dízelmotorok és a kétütemű Otto-motorok vonatkozásában sem.

7. ábra (Forrás: [1])

Már a különböző tüzelőanyag-tulajdonságokból – különösen a lamináris lángsebesség tekintetében – levezethető különbségek miatt a motorikus égésnél különböző égéssebességeket lehet megfigyelni. A 6. ábrán feltüntetett diagramok az égéstartam jellemző értékeit mutatják benzin- és hidrogénüzem esetén, λ=1 mint állandó paraméter mellett, a fordulatszám függvényében.

A részterhelés-szabályozásra vonatkozóan a hidrogén újra egy más megközelítést von maga után, mert a széles gyújtáshatárok miatt a minőségszabályozott üzem az egész terheléstartományban lehetséges. Az elérhető legnagyobb hatásfokra való tekintettel a minőségszabályozott üzemet a mennyiségszabályozáshoz képest, minden esetben előnyben kell részesíteni. Előnyös lehet egy fojtás (fojtószelep) alkalmazása az egyenletes alapjárati futás és az égéstartamoknak az alsó részterhelési tartományban való optimalizálásához, valamint a kipufogógáz-utánkezeléshez a λ=1 keverékszabályozás eszközének egy hármas hatású katalizátorral való kombinációja révén.

8. ábra (Forrás: BMW), 10–1. ábra (Forrás: [1], BMW), 10–2. ábra (Forrás: [1], BMW)

A motorkoncepciók tagolását végül a hengertöltés kialakítása alapján lehet végrehajtani. A hidrogénmotorok elvben, mind a szívó-, mind a feltöltéses üzemhez megfelelnek. Ellentétben a benzinmotorokkal, amelyeknek a szűk gyújtáshatárok miatt szegénykeverékű üzemben tüzelőanyag-rétegezéssel kell üzemelniük, a hidrogén a széles gyújtáshatárai révén mind homogén, mind rétegezett szegényüzemhez 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 hőmérsékletű (kryogen) hidrogén külső keverékképzési eljárásával, utóbbiakkal mindenkor nagyobb fejlesztési potenciált lehet elérni a teljesítményre, a hatásfokra és a nyersemisszióra való tekintettel.

4. táblázat: BMW Hydrogen 7 műszaki adatai (Forrás: [1])

Miközben a kidolgozott külső keverékképzéses eljárást elsősorban a koncepciójárműveknél és a kisszériás járműveknél favorizálják, 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 példát a 7. ábra.

Az alacsony hőmérsékletű hidrogén külső keverékképzési koncepcióját folyékony halmazállapotú tárolással egybekötve belátható időn belül lehetne szériafejlesztésbe átvinni. Az olyan koncepciók, mint a késői közvetlen befúvás vagy az égésvezérlés, ma még csak a kutatás stádiumában vannak.

9. ábra (Forrás: BMW)

A következő részben konkrét járműgyártmányokat is bemutatunk, amelyekbe épített motorok hidrogént használnak tüzelőanyagként.

BMW Hydrogen 7

Néhány gépjárműgyártó, úgy mint a BMW, az MAN, a Mazda és a Toyota, hidrogénnel üzemelő belső égésű motort realizált és kisszériában gyártott. A következőkben röviden bemutatjuk a BMW ez irányú fejlesztéseit. A BMW több mint két évtized óta foglalkozik a hidrogén használatával belső égésű motorokban. 2000 májusában az EXPO 2000 világkiállítás alkalmával prezentált egy 15 db BMW 750 hl-járműből álló hidrogénflottát, folyékony halmazállapotú hidrogént tartalmazó tartállyal és tüzelőanyag-cellával (8. ábra).

2007-ben prezentálta BMW Hydrogen 7-ként az első személyautót hidrogén-belsőégésű motor hajtással, amelyet már szériafejlesztésre szánt állapotban mutattak be (9. ábra).

A BMW Hydrogen 7 egy kettős motorüzemet valósít meg, ugyanis hidrogénnel és benzinnel is üzemel. Ez lehetővé teszi a megfigyelhető átmenet nélküli átállást hidrogénüzemről benzinüzemre, amelyet automatikusan menet közben tudnak végrehajtani. A tankrendszer az extrém alacsony hőmérsékletű folyékony hidrogén számára a csomagtérben a hátsó ülések mögött van elhelyezve. A tank elhelyezése a 10–1. és 10–2. ábrán látható.

11. ábra (Forrás: (1))

A tankot a grazi MAGNA STEYR cég készítette és a HyCentA (Hydrogen Center Austria) 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 segítségével a benzinüzemben elért motorteljesítmény egyenlő a hidrogénüzemmel, azért, hogy lehetővé tegyenek egy rántásmentes átkapcsolást a két üzem között. Az emissziós értékek a különböző menetciklusok során mérve alacsonyabb szinten vannak. Az EURO 4-es értékekhez képest 2% alatt, és az amerikai SULEV (Super Ultra Low Emission Vehide) határértékeihez képest is. Egyedül a nitrogén-oxid jelentős, amely a ciklus alatt a határérték kb. 30%-át eléri. Monovalens hidrogénüzem megvalósításával további nitrogén-oxid-csökkentés lehetséges, a határértékhez képest 10%-ra. A 12. ábránláthatóak a különböző menetciklusok során felvett emissziós értékek a határértékek vonatkozásában.

A legújabb fejlesztések eredményei a BMW-től

A „BMW hidrogénmotor csúcshatásfokot ér el” címmel a BMW közös munkával grazi és bécsi kutatókkal, a H2BR Plus Projekt keretében egy monovalens hidrogénmotort dízelmotorra vonatkozó geometriával és előrehaladott nagynyomású, közvetlen befúvatási technológiával fejlesztettek.

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

Ennek a hatásfoka a legjobb turbó dízelmotorok hatásfokának a szintjén fekszik, kereken 42%-on. Ebben a programban, amely az osztrák Közlekedési Innovációs és Technológiai Minisztérium által támogatott, partnerek a Grazi Műszaki Egyetem Belső Égésű Erőgépek és Termodinamika Intézete (Institüt für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodinamik der TU Graz), a HyCentA Research GmbH (Graz), valamint a HÖRBIGER ValveTec GmbH (Bécs). A BMW mérnökei egy széria dízelmotort 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 valóságban felvett befúvási képet mutatnak a 13–1. és a 13–2. ábrák.

13–1. és 13–2. ábrák (Forrás: [2])

A HÖRBIGER ValveTec GmbH nagy nyomást (300 bar) előállító injektorokat konstruált a hidrogén égéstérbe történő közvetlen befúvásához. Az injektor a 14. ábrán látható.

Ezeket az injektorokat a Hydrogen Center Austria (HyCentA) – amely egyébként a hidrogénhez kapcsolódó infrastruktúrát is készítette –, tesztelte és mérte. A kiadós tesztelések eredményéből az tűnik ki, hogy az Otto- és dízel égésfolyamat kombinációja hőmérsékletvezérelt felszíni gyújtás (Oberflächenzündung, Surface Ignition) és a hozzá kapcsolódó diffúziós égés által a hatásfok tekintetében az ideális megoldás. A próbapadon elhelyezett motorról mutat képet a 15. ábra.

14. ábra (Forrás: [2])

Következésképpen az egész jellegmező-tartományát egy tipikus személygépjármű-motornak lefedik, és a legmagasabb szintű hatásfok elérése mellett. Ezzel együtt jár a fajlagos teljesítmény növelése, és egyidejűleg a tüzelőanyag-fogyasztás csökkenése. Az égési eljárással a motor hatásfoka már ebben a korai kutatási fázisban eléri az aktuálisan legjobb feltöltött dízelmotoroknak megfelelő 42%-os értékét.

15. ábra (Forrás: [2])

A belső égésű motoroknál a nagy kipufogógáz-hőmérsékletek miatt fennálló kipufogógáz hőmennyiségének jó kihasználásával a jövőben további hatásfoknövelés lehetséges.

Forrás:

[1] Helmut Eichlseder, Manfred Klell: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik
[2] BMW Wasserstoffmotor erreicht Spitzenwirkungsgrad. 12.03.2009
[3] Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der Technischen Universität Graz (http://fvkma.tu-graz.ac.at/)
3–1. ábra (Forrás: [1], MAN)