belsőégésű motorok hidrogén Üzeme

BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.

Előzetes összefoglaló

• A hidrogén, mint motorhajtóanyag• A hidrogén égése• Üzemanyag ellátó rendszerek• Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre


A hidrogén, mint hajtóanyag - Tulajdonságok


• Szintelen, szagtalan, egy vegyértékű• Földfelszín harmadik leggyakoribb eleme (víz, szerves vegyületek, élőlények)• Alacsony térfogati energiasűrűség• Oktánszáma kísérletek alapján akár 130• Rendkívül gyúlékony, gyors, romboló hatású égés

A gyulladóképes hidrogén-levegő keverék koncentráció határának változása a hőmérséklet függvényében

A hidrogén fedélzeti tárolása


• Ipari tárolás: 200 bar nyomású palackokban (nagy tömeg és térfogat)

• Hidrogén folyékony állapotban való tárolása (rossz összhatásfok a cseppfolyósítás miatt; párolgó hidrogén – a jármű álló helyzetben is fogyaszt!)

• Hidrogén elnyeletése: felületen való megkötés (adszorpció), anyagon belüli megkötés (abszorpció – fém hidridek), kémiai reakció útján

Hidrogén tárolók működési elve

A hidrogén égése – égési tulajdonságok

• Széles gyulladási határ levegővel keveredve (szegénykeverékes üzemet lehetővé teszi)

• Alacsony begyújtási energia (0,019 mJ – nagyságrenddel kisebb a

benzinnél)• Alacsony kioltási távolság

(hidrogénláng nehezen kioltható)• Magas öngyulladási hőmérséklet

(magasabb kompresszió lehetséges)• Nagy égési sebesség

(jobban megközelíti az ideális körfolyamatot – közel állandó térfogatú égés)• Magas diffúziósebesség

(elősegíti a homogén keverék kialakulását)


A hidrogén égése - égésproblémák

• Korai gyulladás, visszaégés alacsony fordulatszámon, nagy előgyújtási szög mellett, külső keverékképzésű motorok esetén jelent problémát

• Kopogás benzin üzemű motorokhoz hasonlóan kezelhető probléma – blokkra szerelt gyorsulásmérők, ECU a gyújtási időpontot későbbre állítja

• Emisszió Nitrogén-oxidok képződése jelentős probléma, más károsanyag elméletileg nincs a kipufogógázban (nyomokban CO ill. CO2 a kenőolaj égése, szénhidrogének a kenőolaj párolgása miatt, azonban ez a benzin üzemű motorokhoz viszonyítva csupán 5-10%)


A hidrogén égése – égésproblémák - emisszió

• Indiai Műszaki Intézet Gépészeti Részlegének kísérlete négyütemű, egyhengerű, 9,6kW teljesítmény leadására képes motor, 9:1-es kompresszióviszony és 2500/perc-es fordulatszám mellett benzines üzemtől eltérően nem az elméleti keverékarány közelében nő meg a kibocsátás, hanem már a szegény keveréktartományban, közepesen magas terhelések esetén


Szikragyújtású motor NO emisszió változása a terhelés függvényében benzin és hidrogén üzem esetén

A hidrogén égése – égésproblémák kiküszöbölése• Előgyújtási szög változtatása

A hatásfok maximális értékét 9 és 6 főtengely fokos FHP előtti előgyújtás érték esetén éri el Az előgyújtási szög további növelése dús keverék esetén nincs nagy hatással a motor hatásfokára, szegény keverék esetén azonban jelentősebb hatásfok romlást eredményez, amellett, hogy csökkenti az NO kibocsátást

• A keverék hígítása, vízbefecskendezés Nitrogén, Argon gázzal való hígítás: csökkenti az Oxigén koncentrációt, ezáltal az NO képződést Vízbeporlasztás: hatékony megoldás az NO emisszió és a kopogás csökkentésére; csökkenti a visszaégés veszélyét; nem rontja a termikus hatásfokot; korróziót okoz a motoron belül; motorolajba jutva rontja a kenési tulajdonságait Kipufogógáz visszavezetés: hatása a vízbeporlasztáshoz hasonló, csak a víz gőz formában van jelen


Üzemanyag ellátó rendszerek

• Folyamatos hidrogén-beszívás közel atmoszférikus nyomásról

Benzinmotorok gázüzemre alakításának legegyszerűbb módja LPG üzemű autóknál gyakran alkalmazott megoldás Hidrogén üzem esetén magasabb fordulatszámon járó motorok esetén használható (alacsony fordulatszámon a töltet áramlási sebessége kisebb, a hidrogén a motor szívó hatása ellenére diffúzió útján ellentétesen mozoghat) A pillangószelepre szükség van a motor fojtásához, így a hidrogén üzem előnye, a minőségi szabályozás nem valósítható meg (volumetrikus hatásfok nem növelhető) Gázkeverő beépítése szükséges, csakúgy, mint LPG üzemű motorok esetében Visszaégés gátlásáról gondoskodni kell (vízbefecskendezés) Benzines üzemhez képest teljesítmény csökkenés alacsony fordulatszámon jelentős, magas fordulatszám tartományban a motor hatásfoka és teljesítménye megközelíti a benzines üzemet




LPG – benzin kettős üzemű motor gázkeverő egysége


• Hengerenkénti szívócsőbe történő szakaszos befecskendezés

Szabályozott befecskendezéssel lehetőség van a motor minőségi szabályozására, a pillangószelep elhagyható a szívócsőből, kiküszöbölve a magas áramlási veszteségeket részterheléses üzemi tartományban Csökken a visszaégés veszélye, ugyanis a hidrogén csak a szívóütem közben áramlik a szívócsőben, és a befecskendezés a szívószelephez közel történhet Benzines üzemhez képest nagyobb befecskendezési nyomás szükséges a pontos mennyiség befecskendezéséhez (3-6 bar) A motor szabályozása a szelepek nyitvatartási idejének, vagy a tápnyomás nagyságának változtatásával lehetséges (változik a motorba jutó hidrogén mennyisége ezáltal a légviszony az aktuális üzemállapotnak megfelelően változtatható) Nincs szükség közvetlen befecskendezésre a minőségi szabályozás megvalósításához A széles gyulladási határ lehetővé teszi a szegény keverékes üzemet



• Hengerenkénti szívócsőbe történő szakaszos befecskendezés

Égésproblémák kezelése gondot okoz Visszaégés nagy terhelésnél kiküszöbölhető a befecskendezési időtartam csökkentésével (magasabb tápnyomás szükséges ennek megvalósításához) A teljesítmény növelés fő korlátja a kopogásos égés


Hidrogén befecskendező szelep beépítése kettős üzemanyagú motor szívócsövébe és a szelep metszete


• Közvetlen befecskendezés Befecskendező szelepek közvetlenül a szívószelepek mellett Pillangószelep elhagyható (benzines üzemben kizárólag ez esetben) Előnye: a megfelelő befecskendezés időzítéssel megelőzhető a kopogásos égés Előnye: nincs visszaégés a szívócsőben még nagy terhelés esetén sem (mivel a keverékképzés a hengerben történik) Hátránya: a hengerbe történő befecskendezéshez nagy nyomás (80bar) szükséges Használatával megoldható a problémamentes hidrogén üzem Legújabb BMW Hydrogen 7; Mazda RX8 Hydrogen Kipufogógáz visszavezetéssel, ill. vízbefecskendezéssel az emisszió értékek elfogadható értékre csökkenthetők


Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre

• Kísérleti motor főbb paraméterei TR-7E áramfejlesztőbe beépített Honda GX390 (2007. évjáratú) Egyhengerű, négyütemű, felül két szeleppel vezérelt, léghűtéses Hengertérfogata 389 cm3 A motorhoz kapcsolt generátor szinkrongenerátor, csak 3000/perc fordulatszámonműködik, 50 Hz frekvenciájú váltakozó áramot ad le A motor által leadható maximális teljesítmény ezena fordulatszámon 7,7 kW, nyomatéka 24,5 Nm


GX390 nyomaték és teljesítmény görbéi


• Kísérleti motor főbb paraméterei Gyújtásrendszere mágnes-tranzisztoros Gyújtásrendszer részei: a hengerfejre rögzített vasmagos tekercs (1), a lendkerékre (2) rögzített állandó mágnes (3), a gyújtókábel (4), a gyújtógyertya (5) valamint a gyújtáskapcsoló (6)


A gyújtásrendszer részei


• Kísérleti motor főbb paraméterei A keverékképzés egytorkú, vízszintes áramú karburátorral történik (1)


GX390 vízszintes áramú karburátora és a tüzelőanyag ellátó rendszer részei


• A hidrogén motorba juttatása A motor hidrogén ellátó rendszere folyamatos szívócső beszívású (indok: atmoszférikus nyomáson történő hidrogénellátás, egyszerű megvalósíthatóság) Gázkeverő kerül beépítésre, a karburátor és a levegőszűrő közé, a pillangószelep elé. Így a nyomásviszonyt a gázkeverő szűkületében az áramló levegő sebessége határozza meg. A pillangószelep nyitásával a nyomás a szűkületben fokozatosan csökken, és nő a beáramló gázmennyiség


Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre• A hidrogén motorba juttatása

A gázkeverő felépítése hasonló az LPG üzemanyagú motorokéhoz Három lemezből áll, szendvicsszerű felépítés, lemezek között tömítés A szűkületet az első és a középső lemez alkotja, a gáz a középső lemez járataiban jut a legszűkebb keresztmetszetbe. A gázkivezetés a középső és a hátsó lemez közti hézagon keresztül történik, melynek nagyságát a tömítés vastagságának változtatásával módosíthatjuk.


A gázkeverő

Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre• A gyújtásrendszer módosítása

Az előgyújtási szög állítása a gyújtótekercs kerület mentén való mozgatásával lehetséges a tekercsben a feszültség felfutása, így a gyújtószikra keletkezésének időpontja az elmozdulásnak megfelelő szögértékkel változik


Az előgyújtás állító szerkezet a motorra szerelve

Összefoglalás

• A hidrogén tulajdonságai sokféle motorhajtóanyagként való felhasználási módot tesznek lehetővé• Előnyökkel (környezetbarát üzem) és hátrányokkal (költséges, bonyolult) is jár a hidrogénüzem• Fő cél olyan konstrukció kialakítása, amely a hidrogén, mint motorhajtóanyag előnyös tulajdonságait kihasználva a káros következményeket minimálisra csökkenti• A hagyományos motorhajtóanyagokhoz hasonlóan a tökéletesség mértékével arányosan növekszik a konstrukció bonyolultsága és költsége


belsőégésű motorok hidrogén Üzeme

Documents