+ All Categories
Home > Documents > Utilizarea Hidrogenului La Motoarele Cu Ardere Interna 1

Utilizarea Hidrogenului La Motoarele Cu Ardere Interna 1

Date post: 20-Jul-2015
Category:
Upload: aura
View: 907 times
Download: 32 times
Share this document with a friend

of 50

Transcript

Utilizarea Hidrogenului la Motoarele cu Ardere InternCAPITOLUL 1 Hidrogenul combustibil pentru motoarele cu ardere intern1.1.

Studii asupra utilizrii hidrogenului drept combustibil

n ultimii 25 de ani, s-au nregistrat numeroase progrese n materie de scdere a emisiilor poluante i a consumului de combustibil la motoarele automobilelor. Supunnduse normelor antipoluare din ce n ce mai severe, vehiculele elimin n atmosfer, noxe din ce n ce mai puine, comparativ cu anii trecui. Cu toate acestea, problemele legate de poluarea aerului i ale efectului de ser sunt departe de a fi rezolvate. Organizaiile i instituiile internaionale, fac presiuni n direcia msurilor ce privesc reducerea emisiilor, practic a realizrii vehiculelor cu zero emisii poluante (ZEV). Pe de alt parte, combustibilii fosili sunt limitai, i sunt concentrai (cei lichizi) n zona Orientului Mijlociu, o regiune relativ instabil politic. Resursele mondiale de iei sunt estimate a rspunde necesitilor omenirii pentru nc o perioad de circa 40 de ani. Dac se ine cont de faptul c unele zone definite a fi n tranziie sunt n plin dezvoltare a parcului auto (Europa de Est, China, .a.) se poate concluziona, c previziunea cu privire la resursele de iei trebuie sczut la 20 de ani. Printre soluiile imaginate este cea legat de utilizarea hidrogenului, un gaz care prin ardere nu produce emisii poluante i este foarte rspndit n natur, practic inepuizabil. Aflat n compoziia apei oceanelor, un km cub de ap conine 113.108 tone de hidrogen.

1

Hidrogenul poate fi utilizat drept combustibil n dou situaii: 1. n motoarele cu ardere intern cu piston, i 2. n pilele de combustie. Motoarele cu ardere intern pe baz de hidrogen cu aplicabilitate n domeniul auto sunt destinate vehiculelor de putere i trebuie s ndeplineasc cteva condiii: s ofere un nivel echivalent de manevrabilitate i o raz de aciune i de siguran c vehiculele cu combustibil convenional. Primele lucrri i ncercri legate de crearea motorului cu hidrogen, dateaz din anul 1820 cnd reverendul Wiliam Cecil profesor al Universitii Cambridge, a prezentat n faa Cambridge Philosophical Society ntr-un document intitulat "Folosirea hidrogenului la producerea de energie pentru instalatii mecanice." Motorul prezentat funciona pe principiul vacuumului, unde puterea este produs cu ajutorul presiunii atmosferice, care mpinge un piston n direcia vacuumului. Vacuumul parial este creat prin arderea unui amestec hidrogen/aer, care se destinde i apoi este rcit. Cu toate c motorul funcioneaz satisfctor, motoarele cu vacuum nu sunt suficient de practice. Alte cercetri semnificative aparin germanului Nikolaus August Otto (1832- 1891), considerat inventatorul motorului cu ardere intern n patru timpi (Otto engine). Se presupune c a folosit un combustibil gazos sintetic avnd un coninut de peste 50% hidrogen. Otto a fcut experimente i cu benzin, dar a considerat-o periculoas. Descoperirea carburatorului a marcat nceputul folosirii sigure a benzinei, i nceputul declinului interesului pentru ali combustibili. Cercetrile lui Otto au fost continuate i perfecionate de inginerul german Wilhelm Maybach (1846-1929). Un alt aspect alt preocuprilor privind folosirea hidrogenului, a fost legat de ideea de a-l folosi drept combustibil n motoarele propulsoare ale dirijabilelor. O alt personalitate cu preocupri n combustia cu hidrogen a fost inginerul german Rudolf Erren, (Erren engine) care a avut cercetri finalizate cu patente nregistrate n Marea Britanie, n 1930 i n USA, 1939, cu privire la motorul folosind hidrogenul. El anticipa c hidrogenul se va folosi pentru propulsia autovehiculelor, dar i a submarinelor.

2

Figura 1.1.1. - 1965 Cobra Replica cu motor care functioneaza pe baza de hidrogen Pn n prezent, hidrogenul a fost folosit mai mult n programele spaiale, datorit celui mai favorabil raport energie/greutate comparativ cu ceilali combustibili. Dup anul 1970, s-au intensificat cercetrile cu privire la utilizarea hidrogenului n transporturi, contientizndu-se perspectiva epuizrii rezervelor de petrol. Ulterior, n anii 80 din diferite segmente ale societii, numeroase voci au cerut msuri urgente de a se limita poluarea aerului, fenomen n care un rol major l au motoarele pe baz de combustibili lichizi, una dintre direciile de urmat fiind trecerea pe combustibili alternativi.

3

Figura 1.1.2. - Camioneta cu motor cu hidrogen Fabricarea hidrogenului. Hidrogenul este actualmente utilizat ntr-o serie de procese industriale: fabricarea metanolului i amoniacului, rafinarea petrolului, hidrogenarea uleiurilor comestibile, fabricarea de mase plastice. n direct legtur cu proporiile acestor necesiti relativ reduse, se afla nivelul tehnologiilor actuale de fabricare a hidrogenului. O parte important din hidrogenul industrial se produce prin reformarea cu vapori de ap a gazului metan, sau oxidarea fraciunilor petroliere grele. De asemenea, se mai fabric hidrogen prin gazeificarea crbunelui i prin electroliz apei. Dintre aceste metode, ultimele, care nu pretind drept materie prim petrol sau gazele naturale, ar putea fi dezvoltate n viitor ca metode de producere pe scar larg a hidrogenului. Alte metode, cum sunt descompunerea termochimic a apei i fotoelectroliza solar ar mai avea anse de aplicare industrial n viitor. Dintre procedeele menionate de producere a hidrogenului, electroliza are eficiena energetic cea mai sczut, 0,23, dac se consider crbunele drept surs energetic primar; prin dezvoltarea procedeului electrolitic, eficiena energetic ar putea fi ridicat pn la circa 0,27. Procedeul de obinere prin gazeificarea crbunelui are o eficien de circa 0,54; lichefierea n continuare a hidrogenului ar cobora eficiena energetic la 0,35.[14] 4

1.2.

Proprietile de ardere ale hidrogenului

Toate substanele de pe pmnt se afla n una din cele 3 stri de agregare: lichid, solid i gazos. Majoritatea i schimba starea de agregare n funcie de temperatur i presiunea din jurul lor. O substan gazoas poate fi transformat ntr-una lichida dac i se scade temperatura. Dac temperatura substanei lichide continua s scad aceasta se transform ntr-o substan solid. O cretere a presiunii transforma o substan gazoas n lichid sau solid la o temperatur mai mare dect starea iniial. Transformarea gazului n lichid este cunoscut sub denumirea de fierbere, iar transformarea lichidului n solid se mai numete i ngheare. Temperatura de fierbere i nghe sunt comparate permanent cu zero absolut. Zero absolut (0 R; 0 K; 459.69 F; 273.15C) este cea mai sczut temperatura din univers la care micare molecular se oprete. Hidrogenul este un gaz incolor, inodor i insipid. Este cel mai uor gaz, cu o densitate fa de aer daer=0,06984, putnd difuza prin orificii fine. Este absorbit de numeroase metale, printre care Fe, Al i Cu, cu inserarea n reeaua molecular, care determin modificri ale unor proprieti ale acestora. n cazul oelului, hidrogenul provoac un fenomen specific de fragilizare, care se manifest i prin tendina de dezvoltare a unor fisuri i eventual sufluri, precum i prin coroziune fisuranta sub tensiune. n acest sens au fost dezvoltate materiale speciale, cu o stabilitate acceptabil la aciunea fragilizant, care sunt recomandate pentru construcia instalaiilor funcionnd cu hidrogen. n tabelul 1.2.1. se prezint principalele constante fizice ale hidrogenului.[2]

Tabelul 1.2.1. Principalele constante fizice ale hidrogenului 5

Denumirea constantei fizice Greutatea molecular Constant gazului, J/kg K Punctul de topire (la

Valoarea 2,0156 4121,735

p0 = 1,013 10 5 N / m 2Temperatura de topire, K C Cldura de topire, KJ/kg Punctul de fierbere (la

): 13,95 -259,20 58,615

(la -

): Temperatura de fierbere, K C Cldura de vaporizare, KJ/kg Punctul critic: Temperatura critic, K C Presiunea critic, MPa 3 Densitatea critic, kg/ m Starea normal

p 0 = 1,013 10 5 N / m 2

20,37 -252,78 460,548 33,25 -239,90 129,4478 31

p 0 = 1,013 10 5 N / m 23

i 273 K): 0,08987 0,06984 presiune 14,235 8,40 0,63

Densitatea, kg/ m Densitatea relativ la aer Cldura specific la

constant, KJ/kg K 2 6 Vscozitatea dinamic, Ns/ m 10 Coeficientul de difuzie n aer,cm 2 / s

Raportul cldurilor specific 1,41 Hidrogenul este cel mai uor element i, corespunztor, are un volum specific foarte mare. n concecinta, prin adugarea hidrogenului n aerul admis n cilindrul unui motor (la formarea amestecului n exterior), se produce o reducere sensibil a masei aerului admis; la plin sarcina, de exemplu, comparativ cu amestecul benzina- aer, masa de aer admis se reduce cu aproximativ 30%. La o valoare aproape egal a valorii puterii calorifice pentru amestecul stoichiometric hidrogen/aer i benzin/aer.(Tabel 1.2.2.) Efectul de reducere a volumului aerului disponibil se evit prin adoptarea principiului formrii amestecului n interior. 6

Tabelul 1.2.2. Caracteristici privind arderea hidrogenului in aerCaracteristica Aerul teoretic necesar pentru ardere, N m 3 aer/N m 3 hidrogen Puterea calorifica inferioara, KJ/N m 3 KJ/kg Puterea calorifica inferioara a amestecului stoichiometric ( Valoarea 2,38 10760 119617 3183

p0 = 1,013 105 N / m 2 , T0 = 293K ) , KJ/Nm3 amestecEnergie minima de aprindere in aer , mJ Temperatura de autoaprindere, K Viteza maxima a flacarii laminare in aer raportata la propan (la p 0 = 1,013 10 N / m , T0 = 288 K )5 2

0,02 845 6,79

Limitele de inflamabilitate (

p0 = 1,013 105 N / m 2 , T0 = 293K )Amestecuri sarace: % (vol.)

-

lsAmestecuri bogate: % (vol.)

2,96 10 75 0,394

lb

Hidrogenul se distinge i prin vitez ridicat de difuzie; comparativ cu benzina, de exemplu, viteza de difuzie a hidrogenului este de 7-8 ori mai mare. Aceast proprietate favorizeaz amestecarea rapid cu aerul chiar n condiiile formrii amestecului n interior, la turaii ridicate de funcionare. Cu oxigenul se combina la rece, n prezena unui catalizator, sau n prezena flacrii. Puterea calorific a amestecului stoichiometric hidrogen- aer este apropiat de cea a amestecului stoichiometric benzina- aer. 1.2.2) Pentru a putea fi folosit drept combustibil hidrogenul are urmtoarele proprieti[10]: gam larg de inflamabilitate energie sczut la aprindere durat sczut de ardere 7 (Tabelul

1.

temperatur mare de autoaprindere viteze mari de propagare a flcrilor la valori stoichiometrice difuzibilitate mare densitate foarte mic Gama larg de inflamabilitate Gama larg de inflamabilitatea a unui gaz este definit n termeni de limita

inferioar de inflamabilitate (LII) i limita superioar de inflamabilitate (LSI). LII a unui gaz este cea mai sczut concentraie de gaz, care va susine arderea unei flcri cnd este amestecat cu aerul. Sub limita inferioar de inflamabilitate nu mai este suficient combustibil pentru a ntreine arderea; amestecul combustibil / aer este prea srac.

Figura 1.2.1. Variaia limitei de inflamabilitate a hidrogenului cu temperatura[4] Hidrogenul are o gam larg de inflamabilitate n comparaie cu toi ceilali combustibili. n consecin hidrogenul poate arde n motoare n mai multe amestecuri aercombustibil. Un avantaj semnificativ este ca el poate arde ntr-un amestec srac. Un amestec srac este acela n care cantitatea de combustibil este mai mic dect valoarea

8

teoretic, stoichiometric sau chimic ideal necesar pentru combustie cu o anumit cantitate de aer. De aceea este foarte uor a porni un motor pe hidrogen. n general economia de combustibil este mai mare i reacia de ardere este mai bun atunci cnd motorul funcioneaz cu un amestec mai srac. n plus temperatura de ardere este mai mic, reducndu-se astfel emisiile poluante cum ar fi oxizii de azot din evacuare. Exist totui o limit a amestecului srac cu care poate funciona motorul, amestec care scade semnificativ puterea motorului determinnd o reducere a valorii de nclzire volumetric a amestecului aer-carburant.

2.

Energie sczut la aprindere Hidrogenul are o energie foarte sczut la aprindere. Cantitatea de energie necesar

aprinderii hidrogenului este cu un ordin de mrime mai mic dect cea necesar aprinderii benzinei. Acest lucru permite motoarelor cu hidrogen o aprindere cu amestec srac i n acelai timp o aprindere promta. Din nefericire energia sczut de aprindere realizeaza gazele fierbini rezultate n urma arderii i punctele fierbini de pe cilindru pot servi drept surse de aprindere, determinnd astfel autoaprinderile i detonaiile. Prevenirea acestor autoaprinderi este una dintre provocrile funcionrii unui motor cu hidrogen. Datorit gamei largi de inflamabilitate a hidrogenului orice punct fierbinte poate determina o autoaprindere aproape a oricrui amestec aer-carburant. 3. Durata scurt de ardere Hidrogenul are o durat scurt de ardere, chiar mai scurt dect benzina. n consecin flcrile de hidrogen ajung mai aproape de pereii cilindrului dect ale altor combustibili nainte de a se stinge. Astfel este mai dificil s se sting o flacr de hidrogen dect una de benzin. Durata scurt de ardere poate determina de asemenea i tendina de ptrundere a flcrilor de hidrogen pe admisie deoarece acestea sunt foarte aproape de supapele de admisie n comparaie cu flcrile altor combustibili. 9

4. Temperatura mare de autoaprindere Temperatura de autoaprindere este temperatura minim necesar pentru a aprinde un amestec de combustibil, n absena unei surse de aprindere. Cu alte cuvinte, combustibilul este nclzit pn cnd izbucnete n flcri. Fiecare combustibil are o temperatur unic de aprindere. Hidrogenul are o temperatur de autoaprindere relativ mare (585 C). Acest lucru este foarte important atunci cnd amestecul de hidrogen-aer este comprimat. De fapt, temperatura de autoaprindere este un factor foarte important pentru determinarea raportului de comprimare la care poate funciona motorul, deoarece creterea temperaturii n timpul compresiei este legat de raportul de comprimare. Tabel 1.2.3. Temperatura de autoaprindere a diferiilor combustibili Combustibil Hidrogen Metan Propan Metanol Benzin Temperatura de autoaprindere 585 C 540 C 490 C 385 C 230-480 C

Creterea temperaturii de autoaprindere este dat de relaia [4]:

T2 =T1 (unde: -

V1 1 ) V2

[1.1]

V1 - raportul de comprimare V2- temperatura iniial absolut - temperatura final absolut - cldura specific

- T1 - T2 -

Temperatura nu poate depi temperatura de autoaprindere a hidrogenului fr a nu se autoaprinde, astfel temperatura final absolut limiteaz raportul de comprimare. 10

Temperatura mare de autoaprindere a hidrogenului permite un raport de comprimare mai mare dect la motoarele pe baz de hidrocarburi. Acest raport de comprimare ridicat este foarte important deoarece este n strns legtur cu randamentul termic al motorului. Pe de alt parte hidrogenul este greu de aprins ntr-un motor cu aprindere prin comprimare deoarece temperatura necesar pentru aprindere este ridicat.

5. Viteza de propagare a flcrilor Hidrogenul are viteze mari de propagare a flcrilor la nivel stoichiometric. Astfel viteza de propagare a flcrilor de hidrogen este cu un ordin de mrime mai mare dect cele ale benzinei, rezultnd faptul c motoarele pe hidrogen se apropie foarte mult de un ciclu termodinamic ideal. Cu toate acestea viteza de propagare a flacrii scade semnificativ la amestecurile srace. 6. Difuzibilitate mare Hidrogenul are difuzibilitate foarte mare. Capacitatea de a se dispersa n aer este considerabil mai mare dect la benzina i este avantajoas din 2 puncte de vedere: a) faciliteaz formarea unui amestec uniform de combustil-aer; b) dac are loc o scurgere de hidrogen acesta se disperseaz rapid. 7. Densitate sczut Hidrogenul are o densitate foarte mic ceea ce implic 2 probleme atunci cnd e folosit drept combustibil pentru motoarele cu ardere intern: a) este necesar un volum foarte mare de stocare pentru a oferi vehiculului o autonomie adecvat; b) densitatea energetic a amestecului hidrogen-aer i puterea motorului sunt reduse. 11

1.3.

Raportul aer - carburant

Raportul stoichiometric dintre hidrogen- oxigen este dat de formul: 2H2+O2 = 2H2O H2 mol pt o reacie complet = 2 molecule O2 mol pt o reacie complet = 1 molecul Deoarece aerul este folosit ca oxidant n locul oxigenului trebuie luat n calcul i azotul: N2 mol/aer = O2 mol x (79% N2 n aer/ 21% O2 n aer) = 1 mol O2 x (79% N2 n aer/ 21% O2 n aer) = 3.762 mol N2 Nr de mol de aer = mol de O2 + mol de N2 = 1 + 3.762 = 4.762 mol de aer Greutatea O2 Greutatea N2 Greutatea H2 = 1 mol O2 x 32g/mol = 32g = 3.762 mol N2 x 28g/mol = 105.33 g = 2 mol H2 x 2g = 4g Greutatea aerului = 32g + 105.33g = 137.33g Raportul stoichiometric aer/carburant (A/C) pentru hidrogen i aer este: A/C masic = 137.33g / 4g = 34.33 : 1 A/C volumic = 4.762 / 2 = 2.4 : 1 Procentul ocupat H2 din camera de ardere pentru un amestec stoichiometric: 12 [1.2]

%H2 = 2/(4.762+2) = 29.6% Din aceste calcule rezulta c raportul masic stoichiometric (A/C) pentru o ardere complet este aproximativ 34:1. Rezultnd ca pentru 34 kg de aer este necesar 1 kg de H 2, un raport mult mai bun dect 14.7:1 ct are benzina. Deoarece hidrogenul este gazos n condiii normale de presiune i temperatura, acesta ocupa n camera de ardere un volum mai mare dect combustibilii lichizi. n condiii stoichiometrice hidrogenul ocupa aproximativ 30% din volumul camerei de ardere n comparaie cu benzin ce poate ocupa doar 1-2%. n figura urmtoare este prezentat volumul ocupat de hidrogen, benzin i aportul de energie n motoarele cu ardere intern.

Figura 1.3.1. Volumele de hidrogen, benzin i aer ocupate n camera de ardere, respectiv energia rezultat n urma arderii[11] n funcie de metoda de admisie a hidrogenului puterea motorului comparat cu cea a benzinei variaz ntre 85% la injecie indirect i 120% la injecie direct. Datorit gamei largi de inflamabilitate a hidrogenului, motoarele cu hidrogen pot funciona cu un raport A/C de la 34:1 pn la 180:1.

13

CAPITOLUL 2 Influena utilizarii hidrogenului asupra caracteristicilor motorului cu ardere intern2.1. Influena utilizrii hidrogenului asupra caracteristicilor motorului cu aprindere prin scnteieProblemele care se ridic la utilizarea hidrogenului n transportul rutier deservit de motoarele cu ardere intern sunt: capacitatea motoarelor termice de a funciona cu hidrogen, efectele noului combustibil asupra performanelor motoarelor i modul de stocare la bordul vehiculului. n ceea ce privete motorul cu aprindere prin comprimare, se poate spune c perspectiva funcionrii sale cu hidrogen este nesigur. Afirmaia se sprijin pe faptul c n stadiul actul de dezvoltare a instalaiilor de alimentare, hidrogenul se preteaz mai puin la formarea interioar a amestecului. Injecia sa n cilindru n faz lichid este foarte dificil din cauza temperaturii de fierbere extrem de coborte. La valorile ridicate ale rapoartelor de comprimare specifice motoarelor diesel i la regimul termic ridicat al acestor motoare, alimentarea prin formarea exterioar a amestecului este legat de riscul unei aprinderi prea timpurii, necorespunztoare dezvoltrii normale a ciclului motor. 14

2.1.1. Motorul cu hidrogen pur

ncercrile de adaptare a motorului cu aprindere prin scnteie la funcionarea cu hidrogen, ncepute nc din deceniul al III-lea al secolului nostru de Ricardo, Broustell i Erren, nu au cptat extindere dect dup 1970. Materialul documentar acumulat n acest domeniu dispune de date suficiente pentru clarificarea aproape integral a tuturor aspectelor problemei, cu unele rezerve privitoare la stocaj i distribuie. Pornind de la premisa c hidrogenul va constitui combustibilul exclusiv al viitorului, primele ncercri au fost organizate pentru a se studia comportamentul motoarelor termice care folosesc hidrogen pur. Abia n al VIII-lea au fost dezvoltate lucrri ample n care hidrogenul a fost privit ca un aditiv menit a prelungi existena actualelor resurse petroliere i pentru a mbunti caracteristicile de poluare. Ulterior s-a constatat c intervenia acestui combustibil n combinaie cu benzina poate aduce i ameliorarea randamentului termic la sarcini pariale. Datorit domeniului de inflamabilitate relativ larg care a permis adoptarea calitativ a reglajului de sarcin, majoritatea studiilor au fost ntreprinse pe motoare fr laminarea admisiunii, alimentarea cu combustibil n cantiti variabile fcndu-se, de regul, n afara cilindrilor fie prin injecie, fie folosind carburatoare. Randamentul efectiv al motorului cu aprindere prin scnteie funcionnd cu hidrogen este superior cu circa 35% celui obinut la funcionarea cu benzina i se obine pentru amestecuri mult mai srace, fa de 1,1 la funcionarea cu benzina; creterea eficienei ciclului motor odat cu srcirea amestecului se explic, pe de o parte prin reducerea cldurii specifice a amestecului de gaze, pe de alt parte, coeficientul de variaie molar =(0,5+2,38):(1+2,38) la arderea hidrogenului n aer crete cu srcirea amestecului. Dup unele informaii, la motorul cu hidrogen puterea i presiunea medie sunt cu 20-25% mai mici dect cele ntlnite la funcionarea cu benzin, dar probabil c scderea este ceva mai mic (18-20%) innd seama i de mbuntirea arderii.

15

Motorul cu aprindere prin scnteie se comporta diferit la funcionarea cu hidrogen i n ceea ce privete solicitrile mecanice, exprimate prin presiunea maxim de ardere i gradientul de presiune. Experimentrile efectuate pe un motor standard pentru determinarea cifrei octanice IT-9/2 au relevat c, modificnd coeficientul de dozaj intre limitele 1,0-3,4 gradientul de presiune a sczut de la 0,45 Mpa/RAC la 0,05 Mpa /RAC atingndu-se astfel valori mult inferioare celor atinse uzual n motorul cu aprindere prin scnteie i mai ales n motorul diesel. Frnarea arderii se poate realiza prin injecia de ap n amestecul aer-hidrogen, aa cum a relevat experimentul Daimler-Benz n 1984; deasemenea, la prototipurile "Pontiac Grande Ville" i "Dodge", n 1976, hidrogenul era amestecat cu aerul ntr-un dispozitiv separat, iar carburatorul motorului era folosit pentru pulverizarea de ap n galeria de admisie. Un ultim aspect care se cere analizat este rezistena la detonaie a motorului cu aprindere prin scnteie care utilizeaz hidrogen. n unele lucrri mai timpurii se releva slaba rezisten la detonaia motorului cu aprindere prin scnteie la funcionarea cu hidrogen. O alt observaie n privina motorului cu hidrogen vizeaz lubrificaia. Cercetrile efectuate n Japonia au artat c hidrogenul nu influeneaz negativ lubrificaia. n acest studiu, arat c, consumul de ulei este echivalent cu cel al motorului cu benzin, dac regimul termic i presiunile inferioare din cilindru sunt aceleeai. Consumul de ulei crete cnd crete sarcina i depresiunea din colectorul de admisie precum i odat cu mrirea vscozitii. O cantitate de circa 10% din uleiul consumat se regsete sub form de hidrocarburi n gazele de evacuare. La motoarele uzate, scprile de hidrogen n carter nu deterioreaz caracteristicile lubrifianilor. Putem formula urmtoarele concluzii privitoare la utilizarea hidrogenului pur n motorul cu aprindere prin scnteie: a) Procesele termodinamice din motorul cu hidrogen sunt stabile ntr-o plaja larg de

variaie a coeficientului de dozaj n cazul n care alimentarea se face pulsatoriu n galeria de admisie; 16

b)

La amestecuri apropiate de dozajul stoichiometric funcionarea motorului cu

hidrogen este mai dur dect a celui cu benzina; c) Puterea motorului este inferioar celui cu benzin cu 18-20% dar prin formarea

interioar amestecului puterea poate fi mrit; d) Din punct de vedere al randamentului indicat, al consumului specific i al emisiei de

NOx, valoarea optim a coeficientului de dozaj se situeaz intre limitele =2,5-2,8; e) Funcionarea motorului cu hidrogen la sarcini reduse i relanti este mai economic

dect cea a motorului cu benzina.[18]

2.1.2. Motorul cu amestec hidrogen- benzinFa de motorul cu benzin cel cu hidrogen funcioneaz mai economic la sarcini inferioare dar creeaz o diminuare a puterii maxime. Aceasta a dus la ideea folosirii hidrogenului n amestec cu benzin; prin modificarea corespunztoare a raportului hidrogen- benzin i a coeficientului de dozaj, se pot mbina avantajele economicitii oferite de hidrogen la sarcini pariale cu obinerea celor mai nalte densiti de energie de care este capabil benzina. Formarea amestecului n acest caz s-a realizat att prin injecie ct i prin carburaie, reglajul se poate efectua dup 3 metode : pstrarea constant a cantitii de hidrogen la toate regimurile funcionale ale motorului; meninerea neschimbat a cantitii procentuale de H2 raportat la cantitatea de benzin; variaia permanent a cantitii procentuale de hidrogen n raport invers proporional cu sarcina n limitele 0-100%.

Primul procedeu este mai simplu i nu necesit dispozitive de reglare complicate schimbarea sarcinii fcndu-se ca la sistemele clasice numai prin variaia debitului de benzin. Deoarece cantitile de hidrogen i benzin se modifica permanent, sistemul de alimentare devine mai complicat iar controlul su exact impune intervenia electronicii care favorizeaz astfel folosirea sistemelor de injecie. 17

ncercrile pe standul cu role dup ciclul urban au relevat c, consumul de combustibil este inferior cu 30-35% fa de cel realizat cnd se utilizeaz numai benzin. Aceasta nseamn c n cazul folosirii amestecului hidrogen-benzina, se realizeaz o economie de combustibil hidrocarbonat de 70-75% n raport cu motorul cu benzina.

2.2. Influena utilizrii hidrogenului asupra caracteristicilor motorului cu aprindere prin comprimareDatele privitoare la rezultatele experimentelor aplicrii hidrogenului la alimentarea motoarelor diesel, dei dateaz de mult timp, sunt mai srace. Se tie c firma "Naional" a prezentat la o expoziie londonez un motor diesel de 8 kW la care puterea era mai mare cu 25% fa de varianta standard, iar mersul mai puin zgomotos. Firma "Leyland" a fost i ea preocupat de dezvoltarea unui motor diesel care s funcioneze cu hidrogen pur sau n adaos. Motorul "Beadmor" cu care a fost echipat un autobuz, a artat c prin diluarea motorinei consumul acesteia se reduce cu 30%.[1]

2.3. Autoaprinderea probleme i soluiiPrincipala problem ntlnit la motoarele cu hidrogen este autoaprinderea. Autoaprinderea n motoarele cu hidrogen este o problema mult mai mare dect n orice alt motor cu ardere intern, din cauza proprietilor hidrogenului: energie sczut de aprindere, gam larg de inflamabilitate, durat scurt de ardere. Autoaprinderea are loc atunci cnd amestecul combustibil se aprinde nainte ca bujia s dea scnteie, rezultnd astfel un motor ineficient i zgomotos. De asemenea, din cauza autoaprinderii flcrile arderii ies din motor pe galeria de admisie, acestea fiind foarte aproape de supapele de admisie avnd loc aa zisele rateuri. Numeroase cercetari s-au axat pe determinarea cauzelor autoaprinderii la motoarelor cu hidrogen. Unele rezultate arata cum c autoaprinderea este datorat 18

punctelor fierbini din camera de ardere cum ar fi bijia, supapele de evacuare, zone de carbon. Alte studii arata c rateurile sunt produse din cauza suprapunerii deschiderii supapelor de evacuare cu nchiderea celor de admisie.

2.3.1. Sisteme de alimentareAdaptarea sau reproiectarea sistemului de alimentare poate reduce sau chiar elimina efectul de autoaprindere. Sistemul de alimentare la hidrogen poate fi de 3 feluri: injecie central (carburator), injecie indirect i injecie direct. Injecia central i indirect i formeaz amestecul carburant-aer n timpul cursei de admisie. n cazul carburatorului injecia are loc la intrarea aerului n galeria de admisie, injecia indirect are loc n poarta supapei de admisie. n cazul injeciei directe amestecul carburant-aer se formeaz n cilindru dup nchiderea supapelor de admisie. Injecia central sau carburatorul Cea mai simpl metoda de alimentare este cea a injeciei centrale (carburator). Aceasta metoda are avantaje cum ar fi: n primul rnd hidrogenul nu are nevoie de o presiune mare de alimentare injecia central (carburatorul) este folosit i la motoarele pe benzin ceea ce nseamn c e mai uor de transformat un motor pe benzin standard n unul care s funcioneze cu hidrogen sau mixt benzina/hidrogen. Dezavantajul injeciei centrale este faptul c este mai predispus la o ardere neregulat din cauza autoaprinderilor i a rateurilor. Cantitatea mare de amestec carburant- aer amplifica efectele de autoaprindere.

19

Injecia indirect Injecia indirect pulverizeaz carburant direct n poarta supapelor de admisie. Hidrogenul este introdus n galeria de admisie naintea deschiderii supapelor de admisie, astfel este redus femomenul de autoaprindere. La injecia indirect aerul este injectat separat la nceputul cursei de admisie pentru a dilua gazele reziduale fierbini i a rcii eventualele puncte fierbini din cilindru. Dac n colector se gsete o cantitate mai mic de carburant la un moment dat, autoaprinderile sunt mai puin severe. Presiunea din admisie la injecia indirect este mai mare dect la injecia central (carburator), dar mai mic dect la cea direct. Sistemul de injecie cu volum constant - pompa cu elemente n linie - (CVI) folosete un dispozitiv mecanic cu cama pentru a introduce hidrogen n fiecare cilindru. De la pomp ctre fiecare cilindru pornete cte o conduct. Sistemul electronic de injecie introduce n fiecare cilindru o cantitate exact de combustibil. Acest sistem folosete injectoare electronice individuale pentru fiecare cilindru n parte. Injectorul este alimentat cu carburant la presiune constant. n momentul primirii impulsului de la calculatorul motorului, injectorul se deschide permind carburantului accesul n galeria de admisie. n timp ce la pompa cu elemente n linie timpul de injecie este constant iar presiunea este variabil, la sistemul electronic de injecie variaz timpul de injecie , presiunea rmnnd constant.

20

Figura 2.3.1.1. Pompa de alimentare cu elemente in linie

Figura 2.3.1.2. Injectorul electronic de combustibil

Exemple de injecie indirect:

21

Fig.2.3.1.3 Sistem de alimentare cu pompa cu elemente in linie

Figura 2.3.1.4 Sistem de alimentare cu injector electronic [12]

Injecia direct Motoarele mai sofisticare, mai performante folosesc injecia direct de hidrogen n cilindru, n timpul cursei de compresie. n timpul injeciei de hidrogen supapele de admisie 22

sunt nchise evitndu-se astfel autoaprinderile n timpul cursei de admisie. De asemenea motorul nu va mai avea rateuri. Puterea unui motor cu injecie direct de hidrogen este cu 20% mai mare dect a unui motor pe benzin i cu 42% mai mare dect a unui motor pe baz de hidrogen folosind un carburator. Dac injecia direct de hidrogen rezolva problema autoaprinderii din galeria de admisie, aceasta nu mpiedica i autoaprinderile din cilindru. n plus, din cauza timpului scurt de amestec ntre hidrogen i aer, amestecul rezultat poate fi neomogen. Studiile au artat c acest lucru duce la o emisie mai mare de oxizi de azot (NOx), dect sistemele de injecie indirect. Injecia direct necesita o presiune mai mare de injecie dect alte metode de alimentare.

2.3.2. Micorarea temperaturii amestecului carburantCondiiile de autoaprindere pot fi combtute folosind tehnici de micorare a temperaturii amestecului cum ar fi recircularea gazelor de evacuare (EGR) sau injectarea de ap. Sistemul EGR reintroduce o parte din gazele de evacuare napoi n galeria de admisie. Introducerea gazelor de evacuare n galeria de admisie ajuta la scderea temperaturii punctelor fierbini i reduce de asemenea posibilitatea autoaprinderii. n plus recircularea gazelor de evacuare reduce vrful temperaturii de ardere din camera de ardere reducndu-se astfel emisiile de NOx. O recirculare de 25-30% din gazele de evacuare ajuta la eliminarea detonaiilor i a rateurilor. Pe de alt parte recircularea gazelor de evacuare duce la scderea puterii motorului, deoarece prezena gazelor de evacuare reduce cantitatea de amestec carburant ce poate fi introdus n cilindru. O alt metod de reducere a temperaturii amestecului carburant este injectarea de ap. Injectarea de ap n fluxul de hidrogen nainte de amestecarea cu aerul are rezultate mai bune dect injectarea acesteia n amestecul hidrogen-aer din galeria de admisie. O 23

potenial problema a acestui tip de sistem este c, apa se poate amesteca cu uleiul de aceea trebuie foarte bine verificate etaneitile.

2.3.3. Proiectarea motoruluiCea mai eficient metoda de reducere a autoaprinderii i rateurilor este remodelarea motorului pentru folosirea hidrogenului, n special a camerei de ardere i a sistemului de rcire. Pentru a reduce turbulenele din interiorul camerei de ardere se poate utiliza una n form de disc. Forma de disc produce componente mici ale vitezei pe direcie radial i tangenial i nu amplifica vrtejul n timpul compresiei. Pentru a aprinde tot amestecul din camera de ardere sunt necesare 2 bujii. Sistemul de rcire trebuie s fie n aa fel proiectat nct s rceasc toate componentele care necesit acest lucru. Msuri suplimentare pentru a reduce autoaprinderile sunt : - folosirea a doua supape de evacuare mai mici n locul uneia singure de dimensiune mai mare; - dezvoltarea unui sistem eficient de baleiaj, evacuarea gazelor arse din camera de ardere cu aer proaspt.

24

Fig.2.3.3.1 Motorul cu ardere intern cu hidrogen

2.4. Sistemul de aprindereDatorit limitei sczute de aprindere a hidrogenului, aprinderea lui este foarte uoar i de aceea se poate folosi sistemul de aprindere de la moatoarele cu benzin. La un raport sczut aer/hidrogen (130:1 180:1) viteza de propagare a flcrilor se reduce considerabil fiind necesar folosirea unui sistem de aprindere cu 2 bujii pe cilindru. Sistemele de aprindere care folosesc doua scntei pe ciclu nu ar trebui folosite la motoarele alimentate cu hidrogen. Aceste sisteme dau scnteie de fiecare dat cnd 25

pistonul se afla la punctul mort superior, indiferent dac e n faza de compresie sau de evacuare. Pentru motoarele pe benzin aceste sisteme funcioneaz bine i sunt mai puin costisitoare dect alte sisteme. Pentru hidrogen, scnteia din faza de evacuare reprezint o surs de autoaprindere. Bujia de la motorul cu hidrogen trebuie s fie rece i s nu aibe vrful din platin. O bujie rece este aceea la care vrful se rcete mai repede deoarece nveliul izolator din ceramic este mai mic dect la o bujie fierbinte. Astfel se reduce efectul de autoaprindere. Bujiile fierbini sunt concepute s rmn permanent fierbini pentru ca depunerile de carbon s nu se acumuleze. Din moment ce hidrogenul nu conine carbon, bujiile fierbini nu sunt utile pentru acest tip de motor.

Figura 2.4.1 Bujie fierbinte si bujie rece De asemenea trebuiesc evitate i bujiile cu vrf de platin deoarece , platina fiind catalizator, face ca hidrogenul s oxideze n contact cu aerul.[8]

26

CAPITOLUL 3 Particularitile motoarelor cu ardere intern alimentate cu hidrogen3.1. Ventilarea carterului motorului

Ventilarea carterului motorului este mult mai important la motoarele pe baz de hidrogen decat la cele pe benzin. 27

La motoarele pe baz de benzin o parte din combustibilul nears poate ptrunde pe lang segmenii pistonului in carter. Deoarece hidrogenul are o limit scazut a energiei de aprindere, orice cantitate de hidrogen ptruns in carter se poate aprinde. Astfel aceste acumulri de hidrogen pot fi prevenite printr-o bun ventilaie. Aprinderile din carter pot fi niste zgomote ciudate la motor sau pot duce chiar la incendierea motorului. Cnd hidrogenul se aprinde, n carter are loc o cretere brusc de presiune. Pentru a elibera aceast presiune, trebuie montat o supapa pe carter. Un exemplu de supap de presiune instalat se prezinta in figura de mai jos.

Figura 3.1.1. Supapa de presiune pe carterul motorului n carter pot ptrunde de asemenea i gazele arse. Gazele rezultate n urma arderii hidrogenului sunt vapori de ap, vapori care patrunzand n carter unde, nu este o ventilaie corespunztoare pot condensa. Amestecul de ap i ulei din carter reduc proprietile de lubrifiere ale uleiului ducnd la o uzura mai mare a motorului.

3.2. Randamentul termicRandamentul termodinamic teoretic al motoarelor cu ardere intern este dat de raportul de comprimare al motorului i de cldura specific a combustibilului ca n urmtoarea relaie [2]: 28

th =1

1 v1 v 2 1

[3.1]

unde:

-

v1 v2

- raportul de comprimare - cldura specific - randamentul termodinamic teoretic

th

Cu ct este mai mare raportul de comprimare i/sau cldura specific, cu att mai mare este randamentul termodinamic al motorului. Limita raportului de comprimare este data de rezistena la detonare a combustibilului. Un amestec srac de hidrogen este mai puin predispus la detonaie dect benzina i poate astfel s tolereze un raport mai mare de comprimare. Cldura specific este n strns legtur cu structura molecular a combustibilului. Cu ct este mai simpl structura molecular cu att mai mare este cldura specific. Hidrogenul (

=1.4) are o structur molecular mai simpl dect benzina prin urmare

cldura specific este mai mare dect a benzinei (

=1.1).

3.3. Emisiile motoarelor alimentate cu hidrogenn urma reaciei dintre hidrogen i oxigen rezulta ap: 2H2+O2=2H2O n urma reaciei hidrogenului cu aerul rezulta oxizii de azot (NOx) : H2 + O2 + N2 = H2O + N2 + NOx [3.3] Oxizii de azot sunt rezultai datorit temperaturii ridicate din camera de ardere. Aceast temperatur ridicat face ca azotul s se combine cu oxigenul. Cantitatea de NO x rezultat depinde de: raportul aer/combustibil 29 [3.2]

-

raportul de comprimare turaia motorului momentul aprinderii metoda de reducere a temperaturii amestecului carburant n plus fa de oxizii de azot n evacuare se mai pot gsi CO i CO 2, rezultai ca

urmare a arderii uleiului ptruns n camera de ardere pe lng segmenii pistonului. n funcie de starea motorului (de a consuma ulei) i de condiiile de utilizare (amestec bogat sau srac de aer/combustibil), motorul cu hidrogen poate s produc de la aproape zero emisii pn la un nivel ridicat de NOx i CO. n figurile urmtoare sunt reprezentate curbele emisiilor att pentru motoarele cu hidrogen ct i pentru cele cu benzin.[5]

Figura 3.3.1 Emisiile motorului cu hidrogen

30

Figura 3.3.2. Emisiile motorului cu benzina este raportul stoichiometric A/C divizat cu raportul actual A/C. este inversul lui ( = 1/). Dup cum se vede i n figura precedent emisiile de NOx la motorul cu benzin scad odat cu la fel ca i la motorul cu hidrogen. La motorul cu benzin reducerea emisiilor de NOx este compromis de creterea hidrocarburilor i a monoxidului de carbon.

3.4. Puterea motoruluiPuterea maxim teoretic a unui motor cu hidrogen depinde de raportul aer/carburant i de metoda de administrare a combustibilului. Dup cum s-a prezentat n subcapitolul 1.3 raportul stoichiometric aer/carburant pentru hidrogen este de 34:1. La acest raport hidrogenul va dislocui 29% din volumul camerei de ardere iar 71% fiind ocupat de aer. Ca urmare energia produs de acest amestec va fi mai mic dect cea produs de benzin, deoarece benzina este lichid i ar ocupa mai puin volum din camera de ardere iar aerul ar putea ptrunde ntr-o cantitate mai mare. Deoarece i carburatorul ct i injecia n poarta supapei de admisie formeaz amestecul aer/carburant nainte de a intra n camera de ardere, acest lucru limiteaz puterea maxim teoretic a motorului la 85% fa de motorul pe benzin. Pentru injecia direct de combustibil care amestec aerul i carburantul dup nchiderea supapelor de admisie, n 31

camera de ardere aflndu-se 100% aer, puterea maxim a motorului poate fi cu pn la 15% mai mare dect a celui pe benzin. Prin urmare n funcie de metoda de alimentare a motoarelor cu hidrogen, acestea pot avea o putere cu 15% mai mare sau mai mic dect cele cu benzin n cazul folosirii unui raport stoichiometric. Cu toate acestea la folosirea unui raport stoichiometric, temperatura de ardere este foarte ridicat i ca urmare se va forma o mare cantitate de oxizi de azot (NOx), care reprezint un criteriu de poluare. Din moment ce principalul motiv pentru care se folosete hidrogenul este nivelul sczut de emisii, motoarele cu hidrogen nu sunt concepute pentru a funciona cu un raport stoichiometric de aer/carburant. n general motoarele cu hidrogen sunt concepute s funcioneze cu de dou ori mai mult aer dect este teoretic necesar pentru o ardere complet. n acest caz oxizii de azot sunt redui aproape la zero. Din pcate acest lucru reduce de asemenea i puterea motorului la aproximativ jumtate din puterea unui motor de aceeai capacitate pe benzin. Pentru a compensa aceste pierderi de putere, motoarele cu hidrogen sunt n general mai mari dect motoarele cu benzin, i/sau sunt echipate cu turbocompresor sau supraalimentare.

CAPITOLUL 4 Sisteme de stocare a hidrogenului si dezvoltarea motoarelor cu hidrogen4.1. Stocarea hidrogenuluiSistemul de stocare a hidrogenului comprimat n butelii, exprimat n procente din masa total a autovehiculului, ar reprezenta 71% pentru un autoturism de cilindreea mic, 60% pentru un autoturism de cilindree medie i circa 23% pentru autobuze. Acest dezavantaj, asociat coeficientului mrit de risc privind securitatea funcionarii, exclude utilizarea acestui sistem de stocare pentru autovehicule. Hidrogenul poate fi stocat n 3 tipuri de rezervoare: rezervoare pentru hidrogen comprimat, rezervoare pentru hidrogen lichid i rezervoare cu hidruri metalice. Rezervoarele pentru hidrogen comprimat sunt cele mai utilizate. Acestea nu necesit o izolare termic i o rcire suplimentar ca i cele pentru hidrogen lichid. Spre 32

deosebire de recipientele de stocare folosite pentru gazele naturale comprimate, cele pentru hidrogen trebuie s fie etane din cauza densitii sczute a hidrogenului. n plus, rezervoarele de stocare de hidrogen trebuie s fie realizate din materiale mai uoare, cum ar fi de aluminiu sau carbon / compui grafit.

Figura 4.1.1. Rezervoare de hidrogen la presiune nalt Rezervoarele de hidrogen lichid au o structur special pentru ca temperatura hidrogenului s fie meninut foarte sczut, deoarece starea lichida este atins la -253C. Izolarea acestor rezervoare este reprezentat de un strat izolate termic, chiar i vid, asemenea termosurilor. Rezervoarele nu necesit o presurizare la fel de mare ca n cazul celor precedente, dei trebuie s fie rezistente pentru utilizarea lor la autovehicule. Sistemul de stocare la bordul autovehiculelor este complicat i costisitor, datorit performanelor tehnice ale rezervorului i echipamentelor auxiliare (schimbtoare de cldur, pompe criogenice), dificultilor de realizare a izolaiei (n vederea reducerii la minimum a pierderilor inevitabile datorate temperaturii foarte sczute a hidrogenului) i dispozitivelor de control, comand i sigurana care trebuie instalate pe autovehicul. n cadrul cercetrilor privind alimentarea cu hidrogen lichid au fost experimentate diferite variante de stocare: recipiente de laborator de tip Dewar, recipiente de gaz natural lichefiat i rezervoare proiectate n mod special pentru autovehicule.[13]

33

Figura 4.1.2 Rezervor de hidrogen lichid Rezervoarele cu hidruri metalice sunt posibil viitoarele tipuri de rezervoare de hidrogen. Hidrurile metalice sunt compui solizi ntre hidrogen i un metal (Fe, Ni, Cu, Mg, Mn, La, i, Zn, V, Pa) sau a aliajelor acestuia, avnd proprietatea de a dizolva, la anumite temperaturi, hidrogenul, n cantiti foarte mari (Fe de 19 ori propriul su volum, Pa de 875 de ori). Aceast proprietate constituie baza principiului de stocare a hidrogenului n compui metalici, n vederea utilizrii sale drept carburant sau n procese industriale. n cazul utilizrii hidrurilor metalice drept sistem de stocare a hidrogenului pentru alimentarea motoarelor de autovehicul, desorbia gazului nu implica utilizarea unei energii suplimentare, cldura necesar desorbiei fiind furnizat de motorul cu ardere intern. Din acest punct de vedere pot fi utilizate att hidrurile de temperaturi joase (agentul termic fiind fluidul de rcire al motorului), ct i hidrurile de temperaturi nalte, desorbia hidrogenului realizndu-se cu ajutorul gazelor evacuate de motor. Condiia principal impus rezervorului de hidruri metalice pentru echiparea unui autovehicul este furnizarea unor anumite debite de hidrogen, la presiuni determinate, n conformitate cu regimurile de funcionare a motorului.[3]

34

Figura 4.1.3. Rezervor cu hidruri metalice

Primele staii de hidrogen n Norvegia. O staie de petrol a companiei Statoil, din oraul norvegian Forus, a fost echipat i cu o pomp de hidrogen, nc din august 2007. Autovehiculele care au buteliile de hidrogen goale pot opri la aceast staie exact ca la o pomp de benzin i se pot alimenta cu hidrogen lichid, printr-o instalaie special de presurizare. Patronii spun c la nceput aveau doar trei patru clieni pe zi, dar acum numrul lor au crescut deja de cteva zeci de ori. Norvegienii s-au artat foarte interesai de noile tehnologii. Dei n aceast ar nu exist un productor local de autoturisme cu motoare pe baz de hidrogen, norvegienii au adoptat modelul japonez Toyota Highlander FCHV. Pe 5 iulie 2007, compania Statoil a mai deschis nc patru pompe de hidrogen, pe coasta de sud a Norvegiei. Programul prevede crearea unui lan continuu de staii de hidrogen, ntre Oslo i Stavanger, aflate la cel mult 570 de kilometri una de alta, ntruct un rezervor de hidrogen este suficient pentru 600 de kilometri de drum. La realizarea acestui proiect, numit HyNor (de la Hydrogen for Norvegia), particip acum 40 de corporaii partenere. n 2008, s-au deschis primele staii de hidrogen i n capitala rii, Oslo.

35

Figura 4.1.4. Pomp cu hidrogen lichid

4.2. Amestecuri gazoase cu hidrogenUn mod avantajos de folosire a hidrogenului este ca aditiv pentru combustibilii pe baz de hidrocarburi. Hidrogenul se gsete cel mai des n amestecul de gaze naturale sub presiune, deoarece acestea pot fi stocate n acelai rezervor. Dac hidrogenul este amestecat cu ali 36

combustibili, acesta trebuie stocat separat i amestecat imediat naintea aprinderii n stare gazoas. n general, folosirea hidrogenului n amestec cu ali combustibili nu este util deoarece acetia necesit sisteme de stocare voluminoase (cum ar fi propanul). Hidrogenul gazos nu poate fi stocat n acelai vas ca un combustibil lichid. Densitatea sczut a hidrogenului va face ca acesta s rmn pe partea de sus a lichidului i nu se amestec. n plus combustibilii lichizi sunt stocai la presiuni relativ sczute, ceea ce face ca doar o mic parte de hidrogen s poat fi adugat n acelai recipient. Hidrogenul lichid nu poate fi stocat n acelai recipient ca i ceilali combustibili. Punctul de fierbere sczut al hidrogenului va face ca acesta s nghee ali combustibili. De asemenea hidrogenul poate fi utilizat n asociere cu combustibili lichizi ca benzina, alcoolul sau motorina cu condiia ca fiecare s fie depozitat separat. n aceste cazuri rezervoarele pot fi modelate s poat fi montate n spaiile nefolosite din cadrul automobilului. Vehiculele existente tind s funcioneze cu un combustibil sau cu cellalt, dar nu cu amndou n acelai timp. Un avantaj al acestui tip de vehicul este c acesta poate nc funciona chiar dac nu mai are hidrogen.

Figura 4.2.1. Camioneta Ford cu alcool 37

Hidrogenul nu poate fi folosit direct ntr-un motor diesel din cauza temperaturii prea mari a hidrogenului de autoaprindere (lucru valabil i pentru gazele naturale). Astfel motoarele diesel trebuie echipate cu bujii sau s foloseasc o cantitate mic de motorin pentru a aprinde gazul, cunoscut i sub denumirea de aprindere pilot. Dei tehnicile de aprindere pilot au fost dezvoltate pentru utilizare cu gaze naturale, nimeni nu face n prezent acest lucru cu hidrogenul.

Figura 4.2.2. Camioneta Ford cu gaz natural/hidrogen Un amestec de gaze disponibil pe pia cunoscut sub numele de Hythane conine hidrogen 20% i 80% gaze naturale. La acest raport, nu sunt necesare modificri ale motorului cu gaz natural, iar studiile au artat c emisiile sunt reduse cu mai mult de 20%. Amestecurile cu mai mult de 20% hidrogen cu gaze naturale pot reduce i mai mult emisiile, dar sunt necesare unele modificri ale motorului. Funcionarea cu amestec srac a motorului cu ardere intern este avantajoas din punct de vedere a emisiilor de oxizi de azot i economia de combustibil.

38

Figura 4.2.3. Pomp Hythane

Figura 4.2.4. Autobuz cu hythane La motoarele cu hidrocarburi, amestecurile srace duc la emisii sczute de monoxid de carbon i hidrocarburi nearse. Excesul de oxigen oxideaz monoxidul de carbon 39

rezultnd astfel un compus mai puin nociv dioxidul de carbon (CO2). Excesul de oxigen ajuta de asemenea la o ardere complet i la reducerea hidrocarburilor nearse.

4.3. Starea actual de dezvoltare a motoarelor cu hidrogenPrincipalele dou tipuri de autovehicule care funcioneaz pe baza de hidrogen sunt: H2ICE H2 Internal Combustion Engine (vehicule cu motor cu combustie intern de hidrogen) i PEM Fuel Cell (motor electric alimentat de o pila electric). n ultima perioad, cercetarea i dezvoltarea din domeniul hidrogenului (ca i combustibil), s-au axat n special pe tehnologia PEM Fuel Cell. Hidrogenul, ca i combustibil, se gsete sub dou forme: hidrogen lichid i hidrogen gazos. Cu mici modificri, motoarele cu ardere intern pot fi adaptate pentru a utiliza hidrogen lichid drept combustibil. Hidrogenul lichid este stocat n containere destul de mari (de obicei deasupra autobuzului) i propulseaz autovehiculul alimentnd un motor cu ardere intern. Hidrogenul lichid poate fi folosit n amestec cu gaz natural comprimat (CNG). Dei energia stocat n hidrogenul lichid este mai mare, i exista avantajul alimentrii cu o cantitate mai mare de combustibil, hidrogenul lichid se confrunt cu principalul dezavantaj, i anume c este foarte inflamabil, i este stocat i transportat sub presiune foarte mare, existnd un risc 40

semnificativ de accidente; probleme pot aprea att n fabricile i depozitele de hidrogen, ct i n vehiculele care l folosesc i staiile de alimentare. Hidrogenul n stare gazoas, poate fi utilizat att n motoare cu ardere intern, ct i pentru alimentarea unui motor electric, n sistem PEM Fuel Cell (celula de combustibil). Un exemplu de autovehicul produs de firma BMW este BMW H2R ("Hydrogen Record Car") cu o putere de 210 kW (286 CP) a atins 300 km/h. Hydrogen 7 al aceleiai firme este construit cu un motor de 260 kW, 229 km/h, acest vehicul a ajuns la 100 km/h in doar 9.5 sec. Cu posibilitate dubl de alimentare benzin i hidrogen. Acest lucru s-a realizat prin montarea unui rezervor de hidrogen lichid ceea ce a redus capacitatea compartimentului de bagaje de la 500 la 250 l. Hidrogenul nmagazinat permite o autonomie de 200 km, dar la neutilizare n decurs de 9 zile se reduce la o cantitate suficient pentru parcurgerea a 20 km.[17]

Figura 4.3.1. Autovehicule BMW H2R - BMW Hydrogen 7 Firma Mazda a echipat modelul su RX-8 cu motor Wankel (piston rotativ) ce funcioneaz cu combustibil hibrid benzin sau hidrogen dezvoltnd 184 kW (250 CP).

41

Figura 4.3.2. Autovehicul Mazda RX-8 Hydrogen RE

Mazda a expus n premier la Salonul Auto de la Tokyo noua generaie a motorului rotativ RENESIS pe benzin, care echipeaz modelul concept Taiki, motorul rotativ cu alimentare alternativ hidrogen benzin aflat n dotarea noii Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid. Constructorul japonez a demarat procesul de dezvoltare a motorului rotativ cu injecie direct 16X, cu o capacitate de 1600cc, care marcheaz evoluia structurii de baz a acestui tip de motor. Acest nou generaie este prima cu alimentare pe benzin care folosete injecia direct. Dei dimensiunile motorului au crescut, acesta a rmas la fel de compact i de uor ca i generaia actual, fiind i mai economic. Pentru noul motor s-a utilizat i aluminiul, reducndu-se astfel greutatea automobilului pe care este montat.

42

Figura 4.3.3. Mazda 5Hydrogen RE Hybrid [19]

Mazda 5Hydrogen RE Hybrid reprezint o abordare nou pentru motorul rotativ. Acest model beneficiaz de un motor rotativ cu alimentare combinat pe hidrogen i benzin, dispus transversal, ce dezvolt cu aproximativ 40% mai mult putere dect cel ce echipeaz modelul RX-8 Hydrogen RE, rezultnd astfel o performan mai bun la accelerare. Noul motor pe hidrogen a necesitat i dezvoltarea unui nou sistem hibrid care si faciliteze funcionarea. Motorul rotativ pe hidrogen convenional prezenta un cuplu mic i o eficien sczut la turaii mici. Noul sistem depeete aceste neajunsuri i extinde autonomia pentru alimentarea cu hidrogen la aproximativ 200 km, de dou ori mai bun dect pentru modelul RX-8. 43

Componentele principale ale unui sistem hibrid sunt motorul rotativ cu hidrogen, un generator, un invertor, un motor electric i o baterie. Generarea de putere, ncrcarea i descrcarea sunt optimizate n concordan cu condiiile de mers.

Figura 4.3.4 Motorul rotativ cu alimentare pe hidrogen i benzin Mazda 5Hydrogen RE Hybrid Pornire - Puterea bateriei. Funcionare constant - Acionat de motorul rotativ cu hidrogen i generator. Accelerare - Acionat de motorul rotativ cu hidrogen i generator plus baterie. Decelerare - Energia este recuperat de motor atunci cnd frneaz i cnd folosim motorul ca frna. Energia recuperat reaprovizioneaz bateria. Mersul n gol - Motorul se oprete automat. Dac este necesar, se va restarta i va ncarc bateria. n figurile urmatoare sunt prezentate regimurile de funcionare a motorului rotativ cu hidrogen pentru modelul Mazda 5Hydrogen RE Hybrid: Staionare n mod normal, motorul se va ntrerupe. Totui, dac puterea rmas n baterie este sczut, motorul va continua s mearg n gol pentru a se rencrca.

44

Figura 4.3.5. Motorul rotativ cu hidrogen n stationare Pornire Puterea bateriei acioneaz motorul electric. Cuplul motor este transferat ctre diferenial prin schimbarea de vitez ntr-o treapt inferioar, care nvrte rotile i pornete autoturismul. Cnd este necesar putere suplimentar, motorul pornete pentru a mri puterea vehiculului.

Figura 4.3.6. Motorul rotativ cu hidrogen la pornire Mers normal

45

Cnd viteza crete, motorul nceteaz s mai funcioneze. Generatorul, care este conectat direct la motor, transform productivitatea motorului n electricitate i invertorul transfer electricitatea spre vehicul.

Figura 4.3.7. Motorul rotativ cu hidrogen la mers normal Accelerare Cnd este nevoie de cuplu suplimentar pentru a urca un deal sau pentru a depi alte vehicule, bateria este folosit pentru a mri puterea provenit de la motor.

Figura 4.3.8. Motorul rotativ cu hidrogen la accelerare 46

Decelerare Motorul se comport ca un generator. Recupereaz energia frnarii transformnd-o n electricitate i ncarc bateria.

Figura 4.3.9. Motorul rotativ cu hidrogen la decelerare

De asemenea, Honda FCX Clarity reprezint o nou generaie de vehicul cu zero emisii poluante, propulsat cu celule de combustie fuel cell, bazat exclusiv pe platforma Honda V Flow. Noul vehicul include numeroase mbuntiri n cadrul grupului motopropulsor, fiind mai eficient i avnd o greutate mai sczut. Aspectul exterior deosebit este dat de caroseria alungit i dinamic, Honda FCX Clarity marcnd un real progres n sectorul vehiculelor fuel cell. Honda FCX Clarity folosete sistemul V Flow n combinaie cu un nou pachet de baterii Li-Ion, mai compact i mai eficient, alturi de un rezervor de hidrogen pentru a propulsa motorul electric. Sistemul fuel-cell este principala surs de energie. n interiorul sistemului fuel cell, hidrogenul este combinat cu oxigenul din atmosfer, iar din aceast reacie rezult energia ce se convertete n putere electric folosit la propulsia vehiculului. Este capturat energia suplimentar din frnare i decelerri, energie ce se nmagazineaz n baterii i se folosete la nevoie. Singurele emisii ale noului Honda FCX Clarity sunt vapori de ap.[16] 47

Figura 4.3.10. Autovehicul Honda FCX- fuel cell

Avantajele autoturismelor care functioneaza pe baza de hidrogen: vehiculele care funcioneaz pe baz de hidrogen au emisii atmosferice aproape nule; n aer se elimin doar cldur i vapori de ap care nu conin poluani; autovehiculele clasice, cu motor pe ardere intern pot fi adaptate pentru utilizarea hidrogenului, reducndu-se astfel emisiile de CO2 n atmosfer; autoturismele care funcioneaz pe hidrogen au o greutate redus au costuri de ntreinere reduse, deplasare mai lin, zgomot redus; utilizarea hidrogenului diminueaz considerabil dependena de petrol; hidrogenul poate fi utilizat n amestec cu gaz natural comprimat (CNG); numrul staiilor de alimentare la nivel mondial este n cretere (dei nc foarte mic).

48

Dezavantajele utilizrii hidrogenului: producerea hidrogenului este destul de costisitoare; utilizarea hidrogenului pe scar larg, ar presupune o infrastructur specific pentru producerea hidrogenului, staii de stocare, reele de pompare i transport, staii de alimentare etc , rezult costuri foarte mari; un dezavantaj imens n achiziionarea i utilizarea unei maini pe hidrogen este chiar lipsa acestei infrastructuri, lipsa staiilor de alimentare cu hidrogen. La nivelul anului 2010, n SUA existau 90 de staii de alimentare, n Europa 70 de staii (n special Europa de Vest, Germania i Islanda ocupnd primele locuri, cu peste 20 de staii fiecare). Printre alte ri cu staii de alimentare H2 se afl: Coreea de Sud, India, China, Indonezia, Canada, Brazilia, Argentina. n prezent exist n jur de doar 250 de staii de alimentare de H2 la nivel mondial; numrul limitat de staii de alimentare face utilizarea mainilor pe hidrogen posibil doar pe distane limitate, n centre urbane sau de-a lungul unor autostrzi dotate cu staii H2 (aa numitele Hydrogen Highways); hidrogenul este stocat la presiune foarte mare, astfel depozitarea, transportul i utilizarea trebuie s ndeplineasc standarde nalte de protecie; vehiculele care funcioneaz pe hidrogen sunt foarte scumpe, depind posibilitile de cumprare ale celor mai muli soferi; hidrogenul conine mai puin energie dect GPL sau Diesel, astfel, n cazul unei maini cu motor cu ardere intern de hidrogen, distana parcurs ntre alimentri este mai mic; la nivel planetar, energia electric este produs n procente destul de mici din surse regenerabile, astfel, producerea hidrogenul pe scar larg (fie din gaze naturale/petrol, fie din electroliza apei), va duce la emisii de gaze cu efect de ser; criticii utilizrii hidrogenlului pentru alimentarea mainilor personale susin c tehnologia n acest domeniu avanseaz foarte lent, i c timpul i sumele foarte mari de bani investite ar trebui direcionate spre soluii mai rapide la emisiile de gaze cu efect de ser din transporturi;

49

hidrogenul este produs n special din gaze naturale i petrol, contribuindu-se astfel la epuizarea acestor resurse neregenerabile.[15] Alimentarea autovehiculeleor cu hidrogen produs prin consum de curent electric

poate prea paradoxal: se produce curent electric se utilizeaz curentul electric pentru a produce hidrogen se alimenteaz autovehiculul cu hidrogen iar hidrogenul produce curent electric pentru a alimenta motorul electric. Privind faptul c n prezent, n lumea ntreag poluarea este un fapt ngrijortor, s-au luat unele msuri de precauie cum ar fi introducerea de noi tehnologii de fabricare a motoarelor cu ardere intern, deoarece autovehiculele reprezint unul din cei mai importani factori de poluare, totui acest lucru nu se va realiza ntr-un viitor prea apropiat deoarece nc se studiaz diferite tehnologii pentru reducerea emisiilor poluante. Numrul de autovehicule rutiere este din ce n ce mai mare, n mod special n mediul urban, iar cantitatea emisiilor de gaze, care pune n pericol viaa oamenilor i calitatea mediului, este n continu cretere. Deocamdat nu se poate vorbi de reducerea numrului de autovehicule rutiere; se tie c resursele de combustibil pentru autovehicule sunt limitate i neregenerabile, iar n acest secol ele se vor epuiza. Specialitii consider c, una dintre soluiile radicale poate fi schimbarea profund a modului de propulsie al autovehiculelor prin promovarea sistemelor hibride de propulsie sau introducerea autoturismelor cu motoare pe baz de hidrogen. Un fapt real este, c pentru construcia motoarelor cu ardere intern se pune accentul pe scderea emisiilor i consumului de carburant dar practic aceste obiective intr n conflict unul cu cellalt, dac unul este redus, atunci inevitabil cellalt crete, deci dezavantaje vor exista ntotdeauna; iar sistemele sofisticate de purificare i tratare a gazelor pot avea ca rezultat emisii crescute i consumuri de combustibili de asemenea mai mari. n consecina se afirm, c cele mai eficiente motoare sunt motoarele pe baz de hidrogen din punct de vedere al reducerii polurii i din punct de vedere al performanelor energetice.

50


Recommended