Přidat EnviWeb k oblíbeným odkazům
RSS kanályMobilní verze EnviWeb.cz

Vodíkové spalovací motory

09.12.2007  |  1906× přečteno      vytisknout článek

Vodíkové spalovací motory

V dnešním článku se dotkneme tématu vodíkových spalovacích motorů. Vycházet budeme především ze zkušeností Výzkumného centra automobilů a spalovacích motorů Josefa Božka, Fakulty strojní, ČVUT Praha.

 

Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka se podílí na výzkumu vodíkových hnacích agregátů od r. 1978 na FS ČVUT. Od r. 1998 do r. 2003 spolupracovaly skupiny Centra na FS TU v Liberci (nositel) a FS ČVUT v Praze (spoluřešitel) na řešení komplexního projektu GAČR Vodíkový motor jako budoucí pohon automobilů. Experimenty a konstrukce přímého vstřiku vodíku do válce motoru prováděla FS TU v Liberci, simulační optimalizaci motoru a rozpracování strategie pro konstrukci plnorozměrového motoru FS ČVUT v Praze.

 

Palivové články vs. Spalovací motory na vodík

 

Zřejmou vlastností palivových článků, velmi odlišnou od spalovacích motorů, je vysoká účinnost při nízkém a její pokles s rostoucím zatížením. To na jedné straně zvýhodňuje palivové články z hlediska účinnosti u málo (v průměru) zatížených pohonů osobních vozidel, na druhé straně však značně zmenšuje výhody z použití hybridu (článek dobíjející akumulátor je zatížen téměř trvale).

 

Pro dostatečnou výkonovou rezervu je zapotřebí vozidlo akumulátorem nebo jiným zdrojem záložního výkonu vybavit. Výkon článku je dán při proudové hustotě pro rozumnou účinnost (pod 0.7 A.cm-2) povrchem jeho elektrod a počtem článků v sérii. Běžná jsou napětí kolem 200 V a proudy menší než 1 kA. Objem článku s příslušenstvím (měnič frekvence, příprava paliva a vzduchu, přeplňování, atp.) je větší než odpovídající objem spalovacího motoru, ale instalace do vozidla je jednodušší, neboť sloupec článků lze přizpůsobit tvarově prostoru, který je k dispozici.

 

Obecné vlastnosti spalovacích motorů jsou v jistém smyslu opačné než u palivových článků. Vysoké účinnosti se dosahuje až při větším zatížení, směrem k otáčkami stupňovanému výkonu účinnost opět klesá. Vysokých účinností se dosáhne při přeplňováním zvýšeném měrném výkonu. Takto vysoké účinnosti jsou však dosažitelné jen při vysokém kompresním poměru a rychlém hoření, charakteristickém pro vznětové motory.

 

Vodíkový spalovací motor

 

Pro benzinový zážehový motor je dosažitelná účinnost nižší (obr.1), s použitím přeplňování lze však rozšířit relativně dobrou účinnost i do pásma nízkého zatížení, neboť pro daný výkon stačí menší motor („downsizing"). Přeplňování u zážehového motoru omezí i nepříznivý účinek škrcení směsi před motorem, které se používá z regulačních důvodů. Při použití hybridního uspořádání zde účinnost jednoznačně roste vlivem vytížení motoru při dobíjené akumulátoru a jeho následném vypnutí o dobití („stop-and-go" systém).

 

obr

 

Možnost práce spalovacího motoru na vodík byla zkoušena od 20. let minulého století (vzducholodní motory, Ricardo a Maybach). Vodík hoří velmi rychle řetězovou rozvětvenou reakční kinetikou. Jeho plamen je v důsledku vysoké výhřevnosti stabilní i při velmi chudé směsi s dobrou účinností, kterou lze využít pro omezení emise oxidů dusíku.



Nevýhodou spalování vodíku je malá objemová výhřevnost směsi, daná nízkou hustotou vodíku. Zejména použití chudých směsí vyžaduje proto přeplňování a pokud možno vstřik vodíku do válce až během sání, nejlépe ke konci sacího zdvihu. Zdánlivě ještě výhodnější dodávka paliva během komprese působí podle pokusů na TU v Liberci zvýšení emise oxidů dusíku, dané podle modelu ČVUT nedostatečnou homogenitou směsi a jejím lokálním přehřátím.

 

Zápalnost vodíkovzdušních směsí je velmi dobrá z hlediska měrné spotřeby energie. To vede k nebezpečí zapálení směsi spalinami z vnitřní recirkulace v motoru, vedoucí k zášlehům plamene do sacího traktu, zvláště při použití nízkého kompresního poměru.

 

Na druhé straně obvykle rozšířená představa o nízké odolnosti vodíku proti klepání není úplně pravdivá s ohledem na výjimečně rychlý průběh hoření vodíku, který často vede k vyhoření veškeré směsi před jejím vznětem (klepáním). Dojde-li však ke vznětu, přechází klepání rychle ve velmi silnou detonaci. Míchání vodíku s dalšími pomalu hořícími palivy (jako je např. metan) má většinou kladný účinek na parametry motoru.

 

Dosavadní experimenty ve Výzkumném centru Josefa Božka i v zahraničí ukazují dosud nevyužitý potenciál pístových spalovacích motorů. Prozatím se podařilo použitím moderní technologie přímého vstřiku vodíku do válce odstranit úplně obávané zpětné zášlehy plamene do sacího potrubí. Ukázalo se, že i při provozu na vodík lze využít poměrně vysoký kompresní poměr, zejména v nízkém zatížení.

 

Vysoké zatížení pak vyžaduje adaptivní regulaci předstihu zážehu (optimální úhel zážehu je v blízkosti horní úvratě vzhledem k vysoké rychlosti hoření a regulaci efektivního kompresního poměru změnou časování ventilů (Miller nebo Atkinson), případně - v budoucnu - použití mechanismu pro změnu geometrického kompresního poměru. Tento mechanismus byl již na ČVUT studován s vesměs příznivými výsledky.

 

Možnost a problémy přeplňování vodíkových motorů (s ohledem na klepání a nízkou teplotu výfukových plynů chudé směsi) se tč. ověřují na TU v Liberci i na ČVUT v Praze. Spolu s HCCI v nízkém zatížení pomůže tento způsob odstranit pro zážehové motory typickou regulaci škrcením a tím zlepšit účinnost při nízkém zatížení. Pro práci turbiny bude zajímavý i vliv expanze velmi vlhkých spalin.

 


BMW_ICE

BMM Hydrogen ICE

 

 

Pro budoucnost se jeví jako zajímavá tedy následující opatření, beroucí v úvahu cenovou úroveň danou konkurencí s podstatně dražšími palivovými články:

 

  • Všeobecné použití přeplňování pro snížení mechanických a tepelných ztrát motoru.
  • Regulace tvorby směsi, plnicí účinnosti a přeplňování s využitím možnosti mechatronického "inteligentního" regulátoru, např. eliminujícího dopravní zpoždění, spojeného s prediktivně-adaptivní regulací předstihu zážehu, případně s řízením časování ventilů (nutné pravděpodobně pro použití HCCI).
  • Homogenizace směsi, zejména pro pozdní vstřik (vefuk) paliva v kompresi, a to řízeným pohybem vzduchu ve válci (regulace příčného nebo tečného víru různým průtokovým součinitelem kanálů víceventilových hlav - pomocí individuálních klapek nebo zdvihu ventilů).
  • Spalování tvořící se směsi po pozdním vysokotlakém optimálně regulovaném vefuku paliva (akumulační systém Common Rail). Zápal zážehem, difusní plamen bez nebezpečí detonace; případně lze použít několikanásobný vefuk paliva. Možno použít z hlediska účinnosti optimální velký kompresní poměr. Pravděpodobně bude pro tento způsob nutno ošetřit spaliny (zvýšená tvorba NO, na rozdíl od vznětových motorů žádné saze).

 

Ošetření spalin:

 

  • Řízené chemické reaktory s využitím absorpce v pasivní (Pt, Rh, Pd) nebo chemicky aktivní vrstvě (Ba pro vazbu NOx) s periodicky proměnlivým režimem motoru (chudá/bohatá směs);
  • přídavnou látkou (redukční činidlo, např. močovina pro selektivní katalytickou redukci SCR);
  • masivní recirkulace chlazených výfukových plynů, nahrazujících nadbytečný kyslík ve směsi dusíkem nebo dusíkem s vodní parou.

 

Konkurencí mohou být spalovací motory pro alternativní paliva biomass-to-liquid, BTL nebo směs zemního plynu a H2 - hythane. V posledním případě je shora zmíněný výzkum použitelný i pro toto provedení.

 

Kombinace vodíkového spalovacího motoru a palivového článku

 

Nevýhodou palivového článku je pomalá reakce na požadavek vyššího zatížení a velká cena za instalovaný výkon, spojená s poklesem účinnosti při přetížení. Proto se vozidla s palivovými články od počátku navrhují jako hybridní, i když při trvalém zatížení a nutnosti stálého dobíjení akumulátorů (např. dálniční provoz) vede toto uspořádání ke snížení účinnosti jak vlivem samotného článku, tak vlivem nízké účinnosti cyklu nabíjení - vybíjení, a to i při použití superkapacitoru, vlivem frekvenčních měničů (účinnost <85%). Hybrid má dále větší hmotnost a účinnost rekuperace brzdění-akcelerace bývá < 70%.

 

Jinou cestou je zde proto kombinace palivového článku se spalovacím motorem. Toto uspořádání je výhodné i pro přechod od dnešní k vodíkové infrastruktuře zásobování palivy (viz dále). Palivový článek by měl být zatížen stále, v případě potřeby vyššího výkonu může velmi rychle pokrýt tento požadavek spalovací motor v režimu stop-and-go. Přechodové období přemostí superkapacitor, stále dobíjený palivovým článkem nebo motorem. Toto uspořádání se již simulovalo v National Argonne Laboratory, USA se slibnými výsledky.


Závěr

 

O tom, že je vodíkový spalovací motor důstojnou alternativou motorů spalující benzín i naftu nás přesvědčují přední výrobci automobilů, jako je např. Ford, MAN, BMW a další jejichž testovací vozy již pár let takovéto motory velmi úspěšně testují.

show preview 

show preview

show preview

 

Prof. Ing. Jan Macek, DrSc., redakčně krátil Petr Dlouhý
 


Související články


Poslední diskuse k článku - 0 příspěvků celkem

přidej nový příspěvek

Zatím žádný příspěvek
můžete na tento článek reagovat jako první...


EnviWeb s.r.o. neručí a nenese zodpovědnost za obsah diskusních příspěvků, diskuse nemoderuje ani nerediguje. Diskusní příspěvky vyjadřují názor jejich autorů. EnviWeb s.r.o. si vyhrazuje právo odstraňovat diskusní příspěvky, a to zejména takové, které odporují dobrým mravům, porušují platné zákony ČR, poškozují dobré jméno serveru nebo obsahují neplacenou reklamu. Diskuse NEJSOU určeny pro dotazy na autory článků nebo redaktory EnviWebu.



Search
Partneři
ZmapujTo.cz
Fandíme EnviWebu
Výrobky a služby pro životní prostředí
Výrobky a služby pro životní prostředí
Partnerské časopisy
<< Předchozí Následující >>



Doporučujeme: Ekologove.cz - ekologie v každodenní praxi, EnviMarket.cz - nabídka výrobků a služeb, ZmapujTo.cz - hlášení podnětů od občanů, Nazeleno.cz - úspory energie, Inspirace v bydlení, Cena elektřiny, Dřevěné brikety, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo


Enviweb s.r.o. využívá zpravodajství ČTK, jehož obsah je chráněn autorským zákonem.
Přepis, šíření či další zpřístupňování tohoto obsahu či jeho části veřejnosti,a to jakýmkoliv způsobem, je bez předchozího souhlasu ČTK výslovně zakázáno.
Copyright (2008) The Associated Press (AP) - všechna práva vyhrazena. Materiály agentury AP nesmí být dále publikovány, vysílány, přepisovány nebo redistribuovány.
Toplist