موتورهاي هيدروژني

خصوصيات احتراقي هيدروژن
• محدوده وسيع قابليت احتراق
• انرژي مشتعل شدن كم
• ضخامت كم لايه خاموش شدن(quench )
• دماي خودسوزي بالا (اكتان زياد )
• سرعت سوختن زياد در نسبت استوكيو متريك
• ضريب پخش زياد
• چگالي خيلي كم
محدوده وسيع قابليت اشتعال
n هيدروژن در مقايسه با ديگر سوخت ها محدوده وسيعي در قابليت اشتعال دارد . يعني موتور ميتواند در نسبت هاي مختلفي از مخلوطهاي هوا به سوخت كار كند. يك مزيت مهم آن اين است كه هيدرژن مي تواند در يك مخلوط رقيق هم روشن باشد. اين همان علت آن ست كه موتور هيدروژني واقعا به آساني روشن مي شود.هيدروژن از نسبت 34:1 تا 180:1 مي تواند كار كند.
انرژي مشتعل شدن كم
n هيدروژن انرژي مشتعل شدن كمي دارد. ميزان انرژي مورد احتياج براي مشتعل شدن هيدروژن حدودا يك مرتبه بزرگي كمتر از بنزين است. اين موتور هيدروژني را توانا مي كند تا در مخلوطهاي رقيق روشن شود و روشن شدن سريع را اطمينان دهد.
ضخامت كم لايه خاموش شدن(quench )
n هيدروژن ضخامت لايه خاموش شدن كمي دارد ،كمتر از بنزين. در نتيجه ، شعله هاي هيدروژن نسبت به سوخت هاي ديگر قبل از اينكه خاموش شوند به ديواره سيلندر نزديكتر مي شوند. بنابراين يك شعله هيدروژن سخت تر از بنزين خاموش مي شود.
دماي خودسوزي بالا (اكتان زياد )
n هيدروژن دماي خود سوزي نسبتا بالايي دارد. اين وقتي مخلوط سوخت و هوا فشرده مي شود معني خيلي مهمي دارد . در واقع ، دماي خود سوزي يك فاكتور مهم در تعيين نسبت تراكمي كه موتور ميتواند استفاده كند است ، چون ميزان بالا رفتن دما هنگام تراكم به نسبت تراكم مربوط مي شود.
سرعت سوختن زياد در نسبت استوكيو متريك
n تحت شرايط استوكيو متريك، سرعت سوختن هيدروژن تقريبا يك مرتبه بزرگي بزرگتر از بنزين است . اين به اين معني است كه موتورهاي هيدروژني به سيكل ايده آل ترموديناميكي نزديكتر هستند . در مخلوطهاي رقيق تر ، هر چند ، سرعت شعله به طور چشمگيري كم مي شود.
ضريب پخش زياد
n اين توانايي پراكنده شدن در هوا به طور قابل توجهي بزرگتر از بنزين است و اين مزيت است ، به دو دليل اصلي: اولا ، آن تشكيل مخلوط يكنواخت را آسان مي كند. ثانيا، اگر نشتي هيدروژن اتفاق بيفتد ، هيدروژن به سرعت پراكنده مي شود . از اين رو ، خطر انفجار مي تواند كم يا جلوگيري شود .
چگالي خيلي كم
n اين دو عيب را در موقعي كه در موتورهاي احتراق داخلي استفاده مي شود بوجود مي آيد: اولا ، حجم زيادي براي ذخيره سازي هيدروژن كافي نياز است تا به خودرو محدوده لازم حركت را بدهد. ثانيا ، چگالي انرژي مخلوط هيدروژن-هوا ، و بنابراين قدرت خروجي كم مي شود
نسبت هوا به سوخت
n محاسبات نشان مي دهد كه نسبت شيميايي يا استوكيو متريك هوا به سوخت براي احتراق كامل هيدروژن در هوا از نظر جرمي حدود 34:1 است . اين خيلي بزرگتر از نسبت هوا به سوخت بنزين ( 14.7:1) است.

n چون هيدروژن در شرايط معمولي گازي است ، از يك سوخت مايع فضاي بيشتري در اتاقك احتراق اشغال مي كند . در نتيجه فضاي كمتري از اتاقك احتراق مي تواند توسط هوا پر شود . در شرايط استوكيومتريك ، هيدروژن حدودا 30% فضاي اتاقك احتراق را مي گيرد. در مقايسه ، بنزين حدودا 1 تا 2 درصد است . شكل زير حجم هاي مختلف را براي اتاقك احتراق و انرژي را براي موتورهاي بنزيني و هيدروژني مقايسه مي كند.

n Phi=نسبت استوكيوكتريك / نسبت عملي
نسبت هوا به سوخت
http://www.gerdavari.com/hidrog1.jpg

مشكل احتراق پيش رس و راه حل آن
n مشكل اوليه كه در تكميل عملكرد موتورهاي هيدروژني با آن برخورد مي شود ، احتراق پيش رس است . اين مشكل در موتورهاي هيدروژني كه احتراق جرقه اي هستند بسيار بزرگتر از موتورهاي احتراق تراكمي هيدروژني است ، به دلايل : انرژي مشتعل شدن كم و محدوده وسيعتر قابليت اشتعال و كم بودن ضخامت لايه خاموش شدن هيدروژن .
n احتراق پيش رس وقتي اتفاق مي افتد كه مخلوط در اتاقك احتراق قبل از روشن شدن بوسيله شمع ، روشن شود . و روشن شدن سخت موتور را در يك بازدهي منفي منتج شود . شرايط بازگشت شعله به منيفولد ورودي ( backfire ) نيز ميتواند ايجاد شود ، اگر ، احتراق پيش رس نزديك سوپاپ ورودي اتفاق بيفتد و شعله حاصل در داخل سيستم مكش برگردد.
n يك تعداد از مطالعات در جهت تعيين علت احتراق پيش رس در موتورهاي هيدروژني بودهاند. بعضي از نتايج اشاره مي كنند كه احتراق پيش رس بوسيله نقاط داغ در اتاقك احتراق ناشي مي شود ، مثل روي يك شمع يا سوپاپ خروجي يا روي رسوبات كربن . مطالعات دوباره نشان داده اند كه برگشت شعله ميتواند وقتي كه حالت قيچي كردن سوپاپ هاست ( overlap) اتفاق بيفتد.
n همچنين اين باور است كه تفكافت (pyrolysis) ( تغيير شيميايي بوسيله حرارت ) روغن كه در اتاقك احتراق يا در درز هاي ، درست بالاي رينگ بالايي معلق مي شوند مي توانند به احتراق پيش رس كمك كنند. اين روغن تفكافت شده مي تواند از طريق دميدن از محفظه لنگ از طريق راهنماي وسوپاپ و يا از سيستم تهويه مثبت محفظه لنگ وارد اتاقك احتراق شود .
سيستم سوخت رساني
سيستم سوخت رساني هيدروژن مي تواند در سه نوع زير جدا شود: پاشش مركزي (كاربراتوري) ، پاشش در پشت سوپاپ ورودي و تزريق مستقيم.
n سيستم هاي سوخت رساني پاشش مركزي و پشت سوپاپ در هنگام كورس مكش مخلوط هوا ، سوخت را تشكيل مي دهند. در مورد پاشش مركزي يا كاربراتوري ، پاشش سوخت در ورودي مانيفولد هوا است. در مورد پاشش پشت سوپاپ ، آن در دريچه ورودي تزريق مي شود.
قدرت خروجي در دو نوع قبل 85% موتور بنزيني است.
n نوع تزريق مستقيم به سيلندر از نظر تكنولوژيكي پيچيده تر است و تشكيل مخلوط سوخت و هوا را داخل سيلندر احتراق بعد از اينكه سوپاپ ورود هوا بسته شده است انجام مي شود.
قدرت خروجي 115%موتور بنزيني است.
سيستم تزريق مستقيم
موتورهاي هيدروژني پيچيده تر از تزريق مستقيم به داخل سيلندر در هنگام كورس تراكم استفاده مي كنند . در تزريق مستقيم ، سوپاپ ورودي وقتي كه سوخت پاشيده مي شود بسته مي شود ، كاملا از احتراق پيش رس در مدت كورس مكش جلوگيري مي شود . در نتيجه ، حالت برگشت شعله به منيفولد گاز نمي تواند انجام شود. قدرت خروجي موتور هيدروژني با سيستم سوخت رساني تزريق مستقيم به محفظه احتراق 15%بيشتر از موتور بنزيني و 42% بيشتر از موتور هيدروژني كاربراتوري است.
سيستم تزريق مستقيم
تزريق مستقيم مشكل احتراق در منيفولد ورودي را حل مي كند، آن لزوما از احتراق پيش رس در اتاقك احتراق جلوگيري نمي كند. به علاوه، به خاطر زمان كم مخلوط شدن هوا و سوخت در موتور تزريق مستقيم ، مخلوط هوا و سوخت مي تواند نا همگن باشد (غير يكنواخت) . مطالعات نشان مي دهد كه اين مساله آلاينده ها را به سمت NOx بيشتر از سيستم هاي پاشش غير مستقيم هدايت مي كند. سيستم هاي تزريق مستقيم احتياج به فشار بالاي ريل سوخت نسبت به سيستم هاي ديگر دارند.

n نكته: شرايط احتراق پيش رس مي تواند بوسيله تكنيك هاي رقيق سازي حرارتي مثل گازهاي خروجي (EGR)و پاشش آب داخل بخار هيدروژن محدود شود.
طراحي موتور
n بيشترين تاثير بر روي احتراق پيش رس و knock را طراحي مجدد و مخصوص موتور هيدروژني دارد، مخصوصا اتاقك احتراق و سيستم خنك كاري موتور.
يك اتاقك احتراق به شكل ديسك يا استوانه اي مي تواند استفاده شود تا اغتشاش درون اتاقك را كاهش دهد. شكل ديسكي كمك مي شكند به توليد سرعت شعاعي و مماسي كم مخلوط و موقع تراكم حالت چرخشي را تقويت نمي كند.
n چون هيدرو كربورهاي نسوخته يك وابستگي به موتورهاي هيدروژني نيستند مي توان از نسبت قطر به كورس بزرگي استفاده كرد. جهت اصلاح سطح وسيعتر شده شعله و سرعت آن كه روي سطوح بزرگتر اتفاق مي افتد ، دو شمع نياز است . سيستم خنك كاري بايد طوري طراحي شود تا جريان يكنواخت به همه قسمت هايي كه نياز به خنك كاري دارند فراهم آورد.
به علاوه، اقداماتي براي كاهش احتمال احتراق پيش رس عبارتنداز:

n استفاده از دو سوپاپ خروجي كوچك به جاي يك سوپاپ بزرگ
n و نصب يك سيستم جارو كن محتويات سيلندر، كه يك وسيله جايگزين كردن گاز اگزوز در اتاقك احتراق با هواي تازه است.
http://www.gerdavari.com/hidrig2.jpg

سيستم هاي جرقه زني
n به علت انرژي احتراقي كم هيدروژن ، مشتعل كردن هيدروژن آسان است و سيستم جرقه زني بنزيني مي توان استفاده كرد. در نسبت هاي هوا به سوخت خيلي رقيق (130 تا 180 )سرعت شعله به طور قابل ملاحظه اي كم مي شود و استفاده از يك سيستم شمع دو تايي خوب است.
n سيستم هاي جرقه زني كه از جرقه زايع استفاده مي كنند نبايد براي موتورهاي هيدروژني استفاده شوند. زيرا براي موتورهاي هيدروژني ، جرقه هاي زايع يك منبع براي احتراق پيش رس هستند.
n شمعي كه براي موتور هيدروژني استفاده مي شود بايد شمع خنك باشد و نوك غير پلاتيني داشته باشد. شمع گرم براي اين است كه رسوبات كربن جمع نشود و از آن جايي كه هيدروژن حاوي كربن نيست شمع گرم نيز لازم نيست. البته گرم بودن شمع خود باعث احتراق پيش رس نيز مي شود. از شمع نوك پلاتيني نيز بايد پرهيز كرد زيرا پلاتين يك كاتاليست است ، كه باعث مي شود هيدروژن با هوا اكسيد شود.
تهويه محفظه لنگ
تهويه محفظه لنگ براي موتور هيدروژني از موتور بنزيني مهمتر است .
n به عنوان مثال با موتور بنزيني ، سوخت نسوخته مي تواند از رينگ هاي پيستون رسوخ كند و وارد محفظه لنگ شود. چون هيدروژن حد انرژي پايينتر از بنزين دارد ، هر هيدروژن نسوخته اي كه وارد محفظه لنگ مي شود شانس بيشتري براي احتراق دارد. از ذخيره شدن هيدروژن در محفظه لنگ بوسيله تهويه جلوگيري مي شود.
n احتراق داخل محفظه لنگ مي تواند فقط يك ارتعاش باشد با آتش سوزي موتور را منتج شود. وقتي كه هيدروژن درون محفظه لنگ مشتعل شود ، ناگهان فشار بالا مي رود . براي فرو نشاندن اين فشار، يك سوپاپ فشار شكن بايد روي در(پوشش) سوپاپ نصب شود. يك نمونه سوپاپ فشار شكن نصب شده در شكل زير نشان داده مي شود.
http://www.gerdavari.com/hidrog3.jpg

تهويه محفظه لنگ
n گازهاي اگزوز نيز مي تواند بوسيله رينگ هاي پيستون به داخل اتاقك احتراق رسوخ كند. چون خروجي هيدروژن بخار آب است ، آب مي تواند در محفظه لنگ تقطير شود، اگر يك تهويه مناسب وجود نداشته باشد ، مخلوط شدن آب در روغن محفظه لنگ توانايي روانكاري آن را كاهش مي دهد، و درجه فرسايش موتور بالا مي رود.
بازده حرارتي
همان طور كه مي دانيد بازده حرارتي سيكل اتو برابر معادله زير است:
η = 1-1/(r)^γ-1
n يعني به نسبت تراكم و نسبت گرماهاي ويژه بستگي دارد.

يك مخلوط هيدروژن رقيق نسبت به بنزين ميتواند تراكم بالاتري را تحمل كند و نسبت گرماهاي ويژه بالاتري از بنزين معمولي دارد.

آلاينده ها
H2+O2+N2=H2O+N2+NOx
n تنها آلاينده هيدروژن اكسيدهاي نيتروژن هستند.
http://www.gerdavari.com/hidrog4.jpg
http://www.gerdavari.com/hidrog5.jpg
همان طوري شكل نشان مي دهد ، NOx براي موتور بنزيني زماني كه مخلوط غليظتر مي شود كاهش ميابد ( مثل موتور هيدروژني). هرچند در موتور بنزيني كاهش NOx همراه افزايش مونواكسيد كربن و هيدرو كربورها است .
نكته : در موتور هيدروژني نيز اثري از مونوراكسيد و دي اكسيد كربن در گاز اگزوز هست ، به خاطر روغن نفوذ كرده به محفظه احتراق.
قدرت خروجي
قدرت خروجي ماكزيمم تئوري يك موتور هيدروژني در نسبت هوابه سوخت و روش پاشش سوختي كه استفاده مي كند مربوط مي شود.

n نسبت هوا به سوخت استوكيومتريك براي هيدروژن 34:1 است . در اين نسبت هوا به سوخت هيدروژن 29% حجم اتاقك احتراق را اشغال مي كند و فقط 71% براي هواباقي مي ماند . در نتيجه ،گنجايش انرژي اين مخلوط كمتر از مخلوط هوا و بنزين آن خواهد بود ( چون بنزين مايع است ، آن فقط يك حجم خيلي كوچك از اتاقك احتراق را اشغال مي كند و بنابراين اجازه مي دهد هواي بيشتري وارد شود).

n چون در هر دو روش كاربراتوري و پاشش پشت سوپاپ ورودي سوخت وهوا قبل از اينكه وارد اتاقك احتراق شوند مخلوط مي شوند ، اين سيستم ها قدرت تئوري ماكزيمم قابل دستيابي را تا حدود 85% قدرت موتور بنزيني محدود مي كنند. براي سيستم هاي پاشش مستقيم ، كه در آنها سوخت با هوا بعد از بسته شدن سوپاپ ورودي مخلوط مي شود (و بنابراين 100% اتاقك احتراق هوادارد)، قدرت خروجي ماكزيمم موتور مي تواند در حدود 15% بيشتر از قدرت موتور هاي بنزيني شود.
قدرت خروجي
n بنابراين ، بسته به اينكه چگونه سوخت اندازه گيري مي شود ، قدرت ماكزيمم براي موتور هيدروژني مي تواند يا 15% بيشتر يا 15% كمتر از موتور بنزيني باشد. هرچند، در يك نسبت استوكيومتريك دماي احتراق خيلي بالاست و در نتيجه آن مقدار زيادي اكسيدهاي نيتروژن تشكيل خواهد داد. از آنجايي كه يكي از دلايل استفاده از موتور هيدروژني آلودگي كمتر است، موتور هيدروژني معمولا طوري طراحي نمي شود كه در نسبت استوكيومتريك كار كند.
n به طور نمونه موتورهاي هيدروژني طوري طراحي مي شوند تا حدود دو برابر ميزان هواي لازم تئوري براي احتراق كامل استفاده كنند. دراين نسبت هوا به سوخت تشكيل NOx تا صفر كم ميشود. متاسفانه اين كار قدرت خروجي را تا حدود نصف يك موتور بنزيني هم اندازه كاهش مي دهد. جهت جبران تلفات قدرت ، موتورهاي هيدروژني معمولا بزرگتر از موتورهاي بنزيني هستند و يا با توربو شارژر يا سوپر شارژر مجهز مي شوند.
تركيب هاي گاز هيدروژن
سوخت هيدروژن را مي توان با اكثر سوخت هاي ديگر در يك موتور استفاده كرد ولي به طور جدا . تنها سوختي كه مي توان آنرا با هيدروژن در يك مخزن واحد ذخيره كرد گاز طبيعي است.

n هيدروژن مي تواند در تركيب با سوخت هاي مايع متراكم مثل بنزين ، الكل، يا گازئيل تركيب شود طوري كه هر كدام جداگانه ذخيره شوند. در اين عمل ها مخازن سوخت مي توانند طوري شكل داده شوند تا داخل فضاي غير قابل استفاده خودرو فيت شوند. خودروهاي موجود دوگانه به اين شكل هر دو سوخت را همزمان استفاده نمي كنند. يك مزيت اين روش آن است كه اگر هيدروژن جايي وجود نداشته باشد خودرو مي تواند به عمل كردن ادامه دهد.
n هيدروژن نمي تواند مستقيما در يك موتور ديزل استفاده شود چون دماي خود سوزي هيدروژن خيلي بالاست (اين در مورد گاز طبيعي نيز صادق است). ازاين رو موتورهاي ديزلي بايد يا به يك شمع مجهزشوند يا يك مقدار كمي سوخت ديزل براي سوزاندن گاز تزريق شود (به عنوان احتراق پيلوت)، اگرچه تكنيك اي جرقه پيلوت براي استفاده با گاز طبيعي پيشرفت داده شده اند، آن صحيح نيست كه با هيدروژن استفاده شود.
n يك گاز تجارتي موجود كه به عنوان هيتان(Hythane) شناخته مي شود شامل 20% هيدروژن و 80% گاز طبيعي است. در اين نسبت ، هيچ تغييري در يك موتورگاز طبيعي نياز نيست، و مطالعات نشان داده است كه آلاينده ها بوسيله هيدروژن بيش از 20% كاهش مي يابد . مخلوطهايي با بيش از 20% هيدروژن با گاز طبيعي مي تواند آلاينده ها را بيشتر كاهش دهد اما بعضي موتورها لازم كه تغيير يابند.
تركيب هاي گاز هيدروژن
كار كردن در مخلوط رقيق يك فايده براي موتورهاي احتراق داخلي است به خاطر آلاينده هاي اكسيدهاي نيتروژن و سوخت اقتصادي تر.

n براي موتورهاي هيدروكربوري فوايد ديگري هم دارد و آن آلودگي كمتر مونواكسيد و هيدروكربورهاي نسوخته است. اما مخلوط رقيق هم در موتور هيدروژني و هم در موتورهاي هيدروكربوري باعث كاهش قدرت مي شوند، ولي در موتورهاي هيدروكربوري عيب ديگري نيز دارد و آن روشن شدن سخت و بعضي مواقع نيز در هنگام كار كردن موتور جرقه زايع (misfire) را نتيجه مي شود.
n پيامد جرقه زايع افزايش هيدروكربورهاي نسوخته ، كاهش كار خروجي ، اتلاف سوخت و كم شدن ضريب تبديل كاتاليست كانورتور 3 راهه است.
n مخلوط كردن مقداري هيدروژن با سوخت هاي هيدروكربوري ديگر همه اين عيب ها را كاهش مي دهد. انرژي مشتعل شدن كم هيدروژن و سرعت سوختن بالاي آن باعث مي شود مخلوط هيدروژن/هيدروكربور آسانتر روشن شود ، كاهش جرقه زايع و از ان طرف بهتر شدن آلاينده ها، عملكرد و سوخت اقتصادي را همراه دارد . راجع به قدرت خروجي ، هيدروژن چگالي انرژي مخلوط را در نسبت هاي رقيق زياد مي كند بوسيله افزايش نسبت هيدروژن به كربن ، و از اين رو بهتر شدن گشتاور در شرايط تمام گاز.
n هرچند، در ارتباط با ذخيره سازي مقدار كافي هيدروژن مشكلي است كه مي تواند ظرفيت خودرو را كاهش دهد.
http://www.gerdavari.com/hidrog6.jpg
http://www.gerdavari.com/hidrog7.jpg

تهيه كننده : عزیز وظیفه شناس
استاد : مهندس مجید سالاری
www.gerdavari.com