BELSGS MOTOROK HIDROGN ZEME BME Gpjrmvek Tsz Budik
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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
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: Ø felületen való megkötés (adszorpció), Ø anyagon belüli megkötés (abszorpció – fém hidridek), Ø kémiai reakció útján Hidrogéntárolók működési elve BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
A hidrogén égése – égési tulajdonságok • Széles gyulladási határ levegővel keveredve (szegénykeverékes üzemet lehetővé teszi) • Alacsony begyújtási energia (0, 019 m. J – 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.
A hidrogén égése - égésproblémák • Korai gyulladás, visszaégés Ø alacsony fordulatszámon, nagy előgyújtási szög mellett, külső keverékképzésű motorok esetén jelent problémát • Kopogás Ø benzin üzemű motorokhoz hasonlóan kezelhető probléma – blokkra szerelt gyorsulásmérők, ECU a gyújtási időpontot későbbre állítja • Emisszió Ø Nitrogén-oxidok képződése jelentős probléma, más károsanyag elméletileg nincs a kipufogógázban (nyomokban CO ill. CO 2 a kenőolaj égése, szénhidrogének a kenőolaj párolgása miatt, azonban ez a benzin üzemű motorokhoz viszonyítva csupán 5 -10%) BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
A hidrogén égése – égésproblémák - emisszió • Indiai Műszaki Intézet Gépészeti Részlegének kísérlete Ø négyütemű, egyhengerű, 9, 6 k. W teljesítmény leadására képes motor, 9: 1 -es kompresszióviszony és 2500/perc-es fordulatszám mellett Ø 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
A hidrogén égése – égésproblémák kiküszöbölése • Előgyújtási szög változtatása Ø A hatásfok maximális értékét 9 és 6 főtengely fokos FHP előtti előgyújtás érték esetén éri el Ø 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 Ø Nitrogén, Argon gázzal való hígítás: csökkenti az Oxigén koncentrációt, ezáltal az NO képződést Ø 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 Ø Kipufogógáz visszavezetés: hatása a vízbeporlasztáshoz hasonló, csak a víz gőz formában van jelen BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
Üzemanyag ellátó rendszerek • Folyamatos hidrogén-beszívás közel atmoszférikus nyomásról Ø Benzinmotorok gázüzemre alakításának legegyszerűbb módja Ø LPG üzemű autóknál gyakran alkalmazott megoldás Ø 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) Ø A pillangószelepre szükség van a motor fojtásához, így a hidrogén üzem előnye, a minőségi szabályozás nem valósítható meg (volumetrikus hatásfok nem növelhető) Ø Gázkeverő beépítése szükséges, csakúgy, mint LPG üzemű motorok esetében Ø Visszaégés gátlásáról gondoskodni kell (vízbefecskendezés) Ø 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.
Üzemanyag ellátó rendszerek LPG – benzin kettős üzemű motor gázkeverő egysége BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
Üzemanyag ellátó rendszerek • Hengerenkénti szívócsőbe történő szakaszos befecskendezés Ø Szabályozott befecskendezéssel lehetőség van a motor minőségi szabályozására, a pillangószelep elhagyható a szívócsőből, kiküszöbölve a magas áramlási veszteségeket részterheléses üzemi tartományban Ø Csökken a visszaégés veszélye, ugyanis a hidrogén csak a szívóütem közben áramlik a szívócsőben, és a befecskendezés a szívószelephez közel történhet Ø Benzines üzemhez képest nagyobb befecskendezési nyomás szükséges a pontos mennyiség befecskendezéséhez (3 -6 bar) Ø 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) Ø Nincs szükség közvetlen befecskendezésre a minőségi szabályozás megvalósításához Ø A széles gyulladási határ lehetővé teszi a szegény keverékes üzemet BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
Üzemanyag ellátó rendszerek • Hengerenkénti szívócsőbe történő szakaszos befecskendezés Ø Égésproblémák kezelése gondot okoz Ø Visszaégés nagy terhelésnél kiküszöbölhető a befecskendezési időtartam csökkentésével (magasabb tápnyomás szükséges ennek megvalósításához) Ø A teljesítmény növelés fő korlátja a kopogásos égés Hidrogén befecskendező szelep beépítése kettős üzemanyagú motor szívócsövébe és a szelep metszete BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
Üzemanyag ellátó rendszerek • Közvetlen befecskendezés Ø Befecskendező szelepek közvetlenül a szívószelepek mellett Ø Pillangószelep elhagyható (benzines üzemben kizárólag ez esetben) Ø Előnye: a megfelelő befecskendezés időzítéssel megelőzhető a kopogásos égés Ø Előnye: nincs visszaégés a szívócsőben még nagy terhelés esetén sem (mivel a keverékképzés a hengerben történik) Ø Hátránya: a hengerbe történő befecskendezéshez nagy nyomás (80 bar) szükséges Ø Használatával megoldható a problémamentes hidrogén üzem Ø Legújabb BMW Hydrogen 7; Mazda RX 8 Hydrogen Ø Kipufogógáz visszavezetéssel, ill. vízbefecskendezéssel az emisszió értékek elfogadható értékre csökkenthetők BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre • Kísérleti motor főbb paraméterei Ø TR-7 E áramfejlesztőbe beépített Honda GX 390 (2007. évjáratú) Ø Egyhengerű, négyütemű, felül két szeleppel vezérelt, léghűtéses Ø Hengertérfogata 389 cm 3 Ø A motorhoz kapcsolt generátor szinkrongenerátor, csak 3000/perc fordulatszámon működik, 50 Hz frekvenciájú váltakozó áramot ad le Ø A motor által leadható maximális teljesítmény ezen a fordulatszámon 7, 7 k. W, nyomatéka 24, 5 Nm GX 390 nyomaték és teljesítmény görbéi BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre • Kísérleti motor főbb paraméterei Ø Gyújtásrendszere mágnes-tranzisztoros Ø 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre • Kísérleti motor főbb paraméterei Ø A keverékképzés egytorkú, vízszintes áramú karburátorral történik (1) GX 390 vízszintes áramú karburátora és a tüzelőanyag ellátó rendszer részei BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre • A hidrogén motorba juttatása Ø A motor hidrogén ellátó rendszere folyamatos szívócső beszívású (indok: atmoszférikus nyomáson történő hidrogénellátás, egyszerű megvalósíthatóság) Ø 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.
Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre • A hidrogén motorba juttatása Ø A gázkeverő felépítése hasonló az LPG üzemanyagú motorokéhoz Ø Három lemezből áll, szendvicsszerű felépítés, lemezek között tömítés Ø 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 BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
Kísérleti motor átalakítása hidrogén üzemre • A gyújtásrendszer módosítása Ø Az előgyújtási szög állítása a gyújtótekercs kerület mentén való mozgatásával lehetséges Ø a tekercsben a feszültség felfutása, így a gyújtószikra keletkezésének időpontja az elmozdulásnak megfelelő szögértékkel változik Az előgyújtás állító szerkezet a motorra szerelve BME Gépjárművek Tsz. Budik György, 2008.
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.
- Slides: 20