Belsőégésű Motorok Hidrogén Üzeme

1. BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. Belsőégésű Motorok Hidrogén Üzeme

2. Előzetes összefoglaló • A hidrogén, mint motorhajtóanyag • A hidrogén égése • Üzemanyag ellátó rendszerek • Kísérleti motor átalakítása hidrogén • üzemre BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.

3. 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. A gyulladóképes hidrogén-levegő keverék koncentráció határának változása a hőmérséklet függvényében

4. 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. Hidrogén tárolók működési elve

5. 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) BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.

6. 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%) BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.

7. 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. Szikragyújtású motor NO emisszió változása a terhelés függvényében benzin és hidrogén üzem esetén

8. 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.

9. 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.

10. Üzemanyag ellátó rendszerek BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. LPG – benzin kettős üzemű motor gázkeverő egysége

11. Üzemanyag ellátó rendszerek • 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.

12. Üzemanyag ellátó rendszerek • 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. Hidrogén befecskendező szelep beépítése kettős üzemanyagú motor szívócsövébe és a szelep metszete

13. Üzemanyag ellátó rendszerek • 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.

14. 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 fordulatszámon • működik, 50 Hz frekvenciájú váltakozó áramot ad le • A motor által leadható maximális teljesítmény ezen • a fordulatszámon 7,7 kW, nyomatéka 24,5 Nm BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. GX390 nyomaték és teljesítmény görbéi

15. Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre • 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) BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. A gyújtásrendszer részei

16. Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre • Kísérleti motor főbb paraméterei • A keverékképzés egytorkú, vízszintes áramú karburátorral történik (1) BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. GX390 vízszintes áramú karburátora és a tüzelőanyag ellátó rendszer részei

17. Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre • 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.

18. 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. BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. A gázkeverő

19. 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008. Az előgyújtás állító szerkezet a motorra szerelve

20. 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.