Producerea Si Utilizarea Hidrogenului In Motoarele cu Ardere Interna

Producerea și utilizarea hidrogenului în motoarele cu ardere internă

CUPRINS

Capitolul I

1 SISTEME DE PROPULSIE SI COMBUSTIBILI ALTERNATIVI PENTRU AUTOMOBILE

1.1 Introducere

1.2 Automobilul cu propulsie hibrida

1.3 Automobilul cu pile de combustie

1.4 Automobilul propulsat electric

1.5 Automobilul cu GPL

1.6 Automobilul cu etanol

1.7 Automobilul cu GNC

1.8 Automobilul biodiesel

1.9 Automobil cu hidrogen

1.10 Concluzii privind utillizarea carburantilor alternativi

Capitolul II

2 DIAGNOSTICAREA TEHNICĂ A COMPONENTELOR MECANICE

2.1 Diagnosticarea ambreiajului

2.2 Diagnosticarea cutiei de viteze

2.3 Diagnosticarea motorului

2.3.1 Diagnosticarea motorului prin măsurarea presiunii de compresie

2.3.2 Diagnosticarea pe baza pierderii de aer introdus în cilindrii

2.3.3 Diagnosticarea instalației de ungere

2.3.4 Diagnosticarea instalației de racire

2.3.5 Diagnosticarea instalației de alimentare

2.3.6. Diagnosticarea mecanismului de distribuție

2.3.7 Diagnosticarea instalației electrice

2.4 Diagnosticarea sistemului de direcție

2.4.1 Verificarea jocului liber al volanului (joc unghiular)

2.4.2 Verificarea forței de acționare a volanului

2.4.3 Verificarea geometriei roților de direcție

2.5 Diagnosticarea sistemului de frânare

2.6 Diagnosticarea sistemului de suspensie

2.6.1 Diagnosticarea amortizoarelor prin demontare de pe autoturism și montare pe un stand dinamometric

2.6.2 Diagnosticarea arcurilor

Capitolul III

3 DEZASAMBLAREA INTEGRALĂ A AUTOTURISMULUI

3.1 Identificarea zonelor cu probleme (porțiuni ale caroserieie care prezintă rezistență mecanică scăzută provocată de coroziune )

3.2 Curățarea caroseriei

3.3 Protecția anticorozivă a caroseriei

3.4 Procedee de asamblare a parților corodate care trebuiesc înlocuite

3.4.1 Sudarea prin puncte

3.4.2 Sudarea în mediu protector

3.4.3 Sudarea cu laser

3.4.4 Tehnologii de asamblare cu adezivi sintentici

3.4.5 Asamblari filetate

3.4.6 Niturile

CAPITOLUL IV

4 CALCULUL DINAMIC AL AUTOVEHICULULUI

4.1. Generalități

4.1.1 Studiul soluțiilor similare

4.1.2 Tendințe de dezvoltare

4.1.3 Amenajarea interioară a vehiculului

4.1.4 Organizarea generală a autovehiculului Dacia 1100 și adoptarea principalilor parametri de calcul

4.2. Parametrii calculului dinamic

4.2.1. Greutatea autovehiculului, repartizarea acesteia pe punți și determinarea coordonatelor centrului de greutate al autovehiculului proiectat

4.2.2 Alegerea pneurilor și jenților

4.2.3 Determinarea rezistențelor la înaintare

4.3 Calculul de tracțiune

4.3.1. Adoptarea randamentului transmisiei

1 SISTEME DE PROPULSIE ȘI COMBUSTIBILI ALTERNATIVI PENTRU AUTOMOBILE

INTRODUCRE

Proiectul de dizertație realizat are ca scop expunerea etapelor de producere și folosirea hidrogenului la alimentarea motoarelor cu ardere internă.

Traficul rutier are efecte advesre asupra calității aerului care afectează implicit viața precum și sănatate oamenilor.

Majoritatea sistemelor de propulsie folosite pe automobile sunt reperezentate de motoarele cu ardere internă care folosesc drept combustibil benzina și motorina.

Dezavantajul major al acestor combustibili îl reprezintă emisiile poluante rezultate în urma arderii care afecteaza mediul înconjurator și oamenii.

Prin urmare reducerea poluării cauzate de emisiile din traficul rutier trebuie să constituie un obiectiv bine determinat.

În industria auto se fac cercetări continue pentru introducerea sistemelor de propulsie alternative.

Principale avantaje implementate acestor sisteme sunt :

reducerea emisiilor poluante (CO,HC,NOx,particule), co2(produc efectul de seră)

reducerea dependenței de folosire a combustibililor convenționali

Sistemele de propulsie alternative se pot împărții în 3 categorii:

propulsoare hibride (propulsor termic+ propulsor electric)

propulsoare electrice

sisteme cu pila de combustie

Zăcămintele de petrol ale Terrei sunt în continuă scădere și de aceea la nivel mondial se fac studii pentru găsirea unor combustibili alternativi cu un cost de producție scăzut și un randament ridicat.

Combustibilii alternativi sunt reprezentați de: gazul natural comprimat (GNC), gazul petrolier lichefiat (GPL), hidrogen, biodiesel,etanol (E85),metanol (M85), ulei vegetal presat la rece.

Avantajul utilizării carburanților alternativi în motoarele clasice cu ardere internă sau a automobilelor electrice constă în reducerea cu aproximativ 90% a emisiilor de noxe,comparativ cu vehiculele cu motor clasic.

Prin folosirea combustibililor alternativi se remarcă o economie semnificativă a combustibililor fosili neregenerabili, precum și o reducere semnificativă a emisiilor nocive cu efect de seră.

AUTOMOBILUL CU PROPULSIE HIBRIDĂ

În anul 1901 Ferdinand Porsche a proiectat automobilul Mixte care asigura o autonomie de aproximativ 50 km și atingea o viteză maximă de 50 km/h.

Automobilele hibride sunt propulsate de 2 surse de putere (motor termic + motor electric). Automobilul combină avantajele ambelor motoare obținându-se un consum de combustibil scăzut.

Automobilele hibride au o autonomie mai ridicată decat a unui automobil echipat doar cu motor termic. Fig.1 Porsche Mixte primul automobil hibrid

Motorul electric poate asista propulsorul termic pe o perioada scurta de timp la accelerarea brusca a automobilului. În unele cazuri, la plecare de pe loc a automobilului, acesta este propulsat doar electric.  

Automobilele propulsate hibrid sunt foarte complexe, ceea ce ridică prețul de producție comparativ cu un automobil convențional cu performanțe aproximativ identice din punctul de vedere al consumului de combustibil și al performanțelor dinamice. 

AUTOMOBILUL CU PILE DE COMBUSTIE

Primul automobil propulsat cu ajutorul pilelor de combustie a fost produs în anul 1994 de catre Mercedes Benz .Acesta purta numele de NECAR1.

Automobilele cu pile de combustie utilizează drept combustibil ,hidrogenul deoarece asigură cel mai bun randament si este nepoluant. Singurele produse rezultate în urma reacțiilor chimice sunt apa și energia electrică.

    Fig1.1 Mercedes Benz NECAR1

Propulsarea automobilelor cu pile de combustie este asigurata de motorul electric,singura diferenta fata de automobilele electrice constand in sursa energieie electrice. În cazul pilelor de combustie cu hidrogen, energia electrică este produsă printr-un procedeu chimic de combinare a hidrogenului (H2) cu oxigenul (O2).

Hidrogenul folosit la producerea energiei electrice este stocat în rezervoare sub presiune sau poate fi produs la bordul automobilului cu ajutorul unui reformator ce utilizează unul dintre combustibili: gaz natural, benzină sau metanol.

Principalul dezavantaj al folosirii unui reformator constă în randamentul mai scăzut decât în cazul folosirii hidrogenului pur. De asemenea, dezavantajele acestei tehnologii sunt constituite de metodele prin care se obține hidrogenul precum și metodele de stocare ale acestuia.

   AUTOMOBILUL PROPULSAT ELECTRIC

In anul 1910 a fost produsă prima mașină propulsată electric, careia nu i s-a acordat prea multă atenție deoarece în acea perioadă a început sa se descopere petrolul.

Automobilul Detroit Electric Model D atingea o viteza de 25 km/h și avea o autonomie de 100 de km.

Aceste automobile sunt puse în mișcare cu ajutorul motorului electric care se alimentează cu energie electrică stocată în bateriile de la bordul autoturismului. Fig. 1.3 Detroit Electric Model D

Avantajul folosirii unui motor electric este acela că în timpul frânării el are rol de generator și reîncarcă bateriile automobilului.

Un alt avantaj foarte important al automobilelor electrice îl reprezintă lipsa emisiilor poluante, în afara celor de producție.

Dezavantajele acestor automobile sunt prețul ridicat al producției,autonomia scăzută,timpul de încarcare al acumulatorului, capacitatea acumulatorilor la temperaturi scăzute se poate diminua cu 50%.

AUTOMOBILUL CU GAZ PETROLIER LICHEFIAT

    Aceste automobile folosesc pe lângă gazul petrolier lichefiat și benzină.

Gazul petrolier lichefiat (GPL) este un combustibil alternativ fosil care se folosește la alimentarea motoarelor cu ardere internă.

În componența acestor automobile se gasesc sisteme de stocare,alimentare și injecție distincte pentru cei doi combustibili.

    Fig.1.4 Instalație de alimentare cu GPL

Avantajele pe care lereprezinta utilizarea gazului petrolier lichefiat sunt urmatoarele:

cost mai mic decât al benzinei

emisiile nocive rezultate în urma arderii sunt mult mai mici

Printre dezavantajele principale enumerăm creșterea consumului de combustibil, spatiul ocupat prin montarea rezervorului pentru GPL

AUTOMOBILUL CU ETANOL

Motoarele clasice pe benzină se pot adapta pentru a permite funcționarea cu etanol în anumite proporții.

Automobilul flex-fuel poate avea drept combustibil benzina,etanol în proporție de 15% (E15) sau etanol cu o concentrație de 85% (E85).

Avantajul folosirii etanolului este acela că nu trebuiesc modificate sistemele de stocare,alimentare și injecție . Fig. 1.5 Ford Focus fexifuel

Etanolul este obținut din plante agricole (porumb,trestie de zahăr),iar emisiile poluante rezultate în urma arderii sunt mai mici decat cele ale benzinei.

Dezavantajul principal este constituit de consumul mai mare de combustibil.

AUTOMOBILUL CU GAZ NATURAL COMPRIMAT

Automobilul alimentat cu gaz natural comprimat este asemănător cu autoturismele ce folosesc drept combustibil alternativ GPL alaturi de benzină.

Gazul natural este un gaz inflamabil inodor și incolor,ce nu are efecte corozive. Cea mai mare parte din compoziția chimică a gazului natural este metanul (aproximativ 97% CH4) .

Fig. 1.6 Audi A3 g-tron (GNC)

Avntajele care le ofera folosirea gazului natural comprimat sunt :emisii poluante mai reduse,pretul mai mic decât al benzinei.

Printre dezavantajele principale se numără: autonomia automobilelor cu GNC este mai scăzută decât în cazul automobilelor alimentate doar cu benzină,denistatea de energie mai mică decât a benzinei.

   AUTOMOBILUL CU BIODIESEL

Biodiesel-ul este un combustibil alternativ ce se gasește sub formă lichidă care este obținut din lipide naturale ca uleiuri vegetale sau grăsimi animale.

Cele mai folosite amestecuri de biodiesel sunt B2 (motorina reprezintă 98%, restul de 2% fiind reprezentat de biodiesel), B5,B20.

Fig. 1.7 Biodiesel

Biodiesel-ul prezintă urmatoarele avantaje:

poate fi utilizat pe majoritatea motoarelor diesel

emisiile rezultate în urma arderii au un efect poluant mai mic

este biodegradabil (prietenos cu mediul înconjurator)

se obține din surse regenerabile

Principalele dezavantaje:

comparativ cu motoarele alimentate cu motorină ,motoarele alimentate cu biodiesel au un consum de combustibil mai ridicat, iar performantele dinamice sunt mai mici.

vascozitate mai mare decât a motorinei la temperaturi scăzute generează probleme de ardere

se pot păstra pe o perioada de maxim 8 luni

prețul de producție este mai ridicat

AUTOMOBILUL CU HIDROGEN

Automobilele pot fi propulsate cu ajutorul hidrogenului prin arderea acestuia în pile de combustie sau direct în cilindrii.

Consumîn proporție de 15% (E15) sau etanol cu o concentrație de 85% (E85).

Avantajul folosirii etanolului este acela că nu trebuiesc modificate sistemele de stocare,alimentare și injecție . Fig. 1.5 Ford Focus fexifuel

Etanolul este obținut din plante agricole (porumb,trestie de zahăr),iar emisiile poluante rezultate în urma arderii sunt mai mici decat cele ale benzinei.

Dezavantajul principal este constituit de consumul mai mare de combustibil.

AUTOMOBILUL CU GAZ NATURAL COMPRIMAT

Automobilul alimentat cu gaz natural comprimat este asemănător cu autoturismele ce folosesc drept combustibil alternativ GPL alaturi de benzină.

Gazul natural este un gaz inflamabil inodor și incolor,ce nu are efecte corozive. Cea mai mare parte din compoziția chimică a gazului natural este metanul (aproximativ 97% CH4) .

Fig. 1.6 Audi A3 g-tron (GNC)

Avntajele care le ofera folosirea gazului natural comprimat sunt :emisii poluante mai reduse,pretul mai mic decât al benzinei.

Printre dezavantajele principale se numără: autonomia automobilelor cu GNC este mai scăzută decât în cazul automobilelor alimentate doar cu benzină,denistatea de energie mai mică decât a benzinei.

   AUTOMOBILUL CU BIODIESEL

Biodiesel-ul este un combustibil alternativ ce se gasește sub formă lichidă care este obținut din lipide naturale ca uleiuri vegetale sau grăsimi animale.

Cele mai folosite amestecuri de biodiesel sunt B2 (motorina reprezintă 98%, restul de 2% fiind reprezentat de biodiesel), B5,B20.

Fig. 1.7 Biodiesel

Biodiesel-ul prezintă urmatoarele avantaje:

poate fi utilizat pe majoritatea motoarelor diesel

emisiile rezultate în urma arderii au un efect poluant mai mic

este biodegradabil (prietenos cu mediul înconjurator)

se obține din surse regenerabile

Principalele dezavantaje:

comparativ cu motoarele alimentate cu motorină ,motoarele alimentate cu biodiesel au un consum de combustibil mai ridicat, iar performantele dinamice sunt mai mici.

vascozitate mai mare decât a motorinei la temperaturi scăzute generează probleme de ardere

se pot păstra pe o perioada de maxim 8 luni

prețul de producție este mai ridicat

AUTOMOBILUL CU HIDROGEN

Automobilele pot fi propulsate cu ajutorul hidrogenului prin arderea acestuia în pile de combustie sau direct în cilindrii.

Consumul de hidrogen este în continuă creștere la nivel mondial datorită diminuării resurselor de combustibili fosili și a gradului de poluare ridicat.

Hidrogenul (H2) are o răspândire foarte mare pe suprafata Terrei singura problema constând în faptul că acesta nu se gasește în stare liberă, fiind compus cu oxigenul sau carbonul. Fig. 1.8 Toyota Mirai (Hidrogen)

Printre cele mai utilizate metode de obținere a hidrogenului se numără electroliza apei care are rolul de a desface legăturile dintre hidrogen și oxigen cu ajutorul energiei electrice și reformarea combustibililor fosili.

Motorul alimentat cu hidrogen este mai robust decat cel pe benzină datorită faptului că presiunea rezultată în urma arderii este mult mai mare.

Un prim avantaj al folosirii hidrogenului este mărirea puterii motorului cu 19-20% față de un motor asemănător cu combustbil convențional.   

 Problemele impuse de utilizarea hidrogenului sunt inflamabilitatea ridicată și stocarea la presiuni mari (>300 bari).

    Hidrogenul nu este folosit pe o scară foarte largă el situându-se în fazele experimentale pentru rezolvarea problemmelor ce țin de costul de producție ridicat,lipsa infrastructurii pentru producrea și distribuirea acestuia. 

   CONCLUZII PRIVIND UTILIZAREA CARBURANȚILOR ALTERNATIVI

Automobilele propulsate cu ajutorul combustibililor alternativi încep să-și facă simțită prezența din ce în ce mai mult la nivel mondial fapt care nu poate decât să ne bucure .

Tot mai mulți producători de autoturisme aduc pe piață sisteme hibride care au o emisie poluantă din ce în ce mai mică.

În viitor se estimează că majoritatea autoturismelor vor fi propulsate cu ajutorul energiei electrice.

    La nivel mondial se observă o creștere semnificativă a consumului de combustibili alternativi (GPL,GNC,E85,B2)

În Romania cel mai utilizat combustibil alternativ este reprezentat de catre GPL care este folosit pentru alimentarea a 300000 de automobile din cele 4,7 milioane de autoturisme din țară.

Brazilia se află în fruntea clasamentului cu automobilele propulsate cu ajutorul etanolului datorită culturilor de trestie de zahăr care facilitează producerea acestui combustibil.

Tabelu 1 Emisiile rezultate în urma arderii carburanților

Fig. 1.9 Combustibilii alternativi mai prietenoși cu mediul înconjurator

HIDROGENUL-COMBUSTIBIL ALTERNATIV PENTRU ALIMENTAREA MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ

2.1Generalități privind utilizarea hidrogenului

Energia este factorul principal al creșterii economice durabile și al calitățtii vieții.

Sursele regenerabile de energie sunt obiective bine stabilite în politicile energetice mondiale alături de minimalizarea emisiilor cu factor poluant pentru mediu și populație.

Fig 2.1 Hidrogen

În ultima perioadă se observă un progres privind scăderea emisiilor nocive precum

și o îmbunătățire referitoare la micșorarea consumului de combustibil fosil neregenerabil.

Emisiile rezultate în urma arderii combustibililor fosili au dus la o degradare majora a calității aerului, acest aspect fiind inacceptabil asupra sănătății și climei.

Proiectanții de autovehicule sunt obligați sa respecte anumite norme antipoluare ,fapt ce generează emisii de noxe mult mai mici.

Energia consumată este în continua creștere, singura problemă fiind reprezentată de epuizarea materiei prime pentru producerea acesteia.

Combustibilii fosili nu pot fi regenerați în același ritm în care sunt consumați, de aceea se efectuează studii pentru descoperirea combustibililor alternativi.

Previziunile arată că resursele de țitei la nivel mondial ar asigura necesitătile omenrii pentru aproximativ 50 de ani, de aceea perspectiva energetică pana în anul 2050 promovează un consum scăzut de energie, cu un nivel scăzut de emisii poluante pentru a stopa schimbările climatice.

Hidrogenul este catalogat drept unul dintre cei mai promițători combustibili alternativi care poate contribui semnificativ la obținerea unei surse de energie durabile.

În anul 1806 Francois Isaac de Rivaz a inventat motorul cu ardere internă, care era propulsat cu ajutorul hidrogenului obținut prin electroliza apei.

Un an mai târziu Isaac de Rivaz a construit unul dintre primele automobile propulsate cu ajutorul motorului cu ardere internă alimentat cu hidrogen .

Germanul Nikolaus August Otto este considerat inventatorul motorului cu ardere internă în 4 timpi care era alimentat cu hidrogen în proporție de peste 50%.

Inventatorii acelor vremuri considerau nesigura utilizarea benzinei pana la descoperirea carburatorului.

După anii ’70 se reiau în forță cercetarile cu referire la folosirea hidrogenului în transporturi, constientizându-se epuizarea combustibililor fosili.

Datorită sursei inepuizabile a materiei prime de producere a hidrogenului acesta poate fi considerat un combustibil alternativ eficient.

Prin arderea hidrogenului emisiile poluante sunt nule. Una dintre cele mai promițătoare tehnologii de producere a hidrogenului are la bază energia solară și poate fi considerată o soluție de producere a energiei complet regenerabilă.

Hidrogenul poate înlocui combustibilii fosili în anumite proporții și poate deveni operatorul de transport energetic „verde” (nepoluant).

Cea mai mare cantitate de hidrogen se află în componența apelor oceanelor (1km3 de apă este aproximativ = cu 114000 tone de hidrogen)

Avantajele folosirii hidrogenului

Prin utilizarea hidrogenului se reduc masiv emisiile de co2 respectiv a poluării. Pilele de combustie produc căldura și energia electrica din combinarea hidrogenului cu oxigenul produșii acestei reacții sunt reprezentați de apă și căldură

Hidrogenul se poate produce dintr-o materie primă diverificata (apă,biomasă,carbune )

Folosind energia regenerabilă (solară, eoliană) pentru alimentarea sistemelor de electroliza a apei obținem hidrogen, acesta fiind un ciclu care se desfășoara independent de produsele petroliere.

Energia electrică poate fi produsă cu ajutorul hidrogenului care alimenteaza o pila de combustie.

În comparație cu energia electrică hidrogenul poate fi păstrat o perioada mai lungă de timp

Hidrogenul poate fi utilizat în toate sectoarele industriei

Dezavantajele utilizării hidrogenului

Arderea hidrogenului în prezența aerului constituie o problemă majoră pentru sigurantâța în exploatare

Producerea hidrogenului generează costuri ridicate

Lipsa infrastructurii pentru distribuirea hidrogenului catre consumatori implică investiții ridicate pe o perioadă lungă de timp

Hidrogenul se poate utiliza drept combustibil alternativ în 2 moduri:

pile de combustie

alimentarea motoarelor cu ardere internă

2.2Proprietățile de ardere ale hidrogenului

Hidrogenul are un aport considerabil privind îmbunătățirea performațelor energetice și de micșorare a emisiilor poluante ale motorului cu aprindere prin scânteie .

Pentru o bună funcționare a motorului alimentat cu hidrogen trebuiesc anulate fenomenele de ardere necontrolate precum și scăderea puterii litrice la funcționarea cu un amestec stoichiometric.

Hidrogenul este cel mai ușor element chimic (masa atomică este egala cu 1,00794 ), cu o densitate energetică foarte mare fiind un bun purtator de energie.

Hidrogenul este caracterizat de o greutate foarte mică în comparație cu energia chimică înmagazinată. Substanțele de pe suprafața pământului se găsesc în una dintre cele 3 stări de agregare (solidă,lichidă,gazoasă).

Temperatura și presiunea din jurul substanțelor le modifică starea de agregare astfel:

un gaz poate fi transformat într-un lichid dacă i se micșorează temperatura

un lichid poate fi transformat într-un solid prin scăderea temperaturii

prin creșterea presiunii o substanță gazoasă poate fi transformată în lichid sau solid la o temperatură mai mare decât a avut în starea initială

Hidrogenul este un gaz ușor inflamabil, incolor,inodor,insipid care este intâlnit în natura sub forma de molecula diatomică H2.

Hidrogenul are rol de catalizator pentru arderea completă a combustibililor fosili (benzină,diesel,gaz) și îmbunătățirea performanțelor motorului.

Motoarele convenționale ard doar o mică parte din combustibil restul fiind eliminat în atmosferă și ars chmic în interiorul catalizatorului.

Utilizarea hidrogenului are și efect de curățare a parților componente ale motorului de sedimentele produse de utilizarea combustibililor fosili.

Fig. 2.2 (1) Chiulasa unui motor alimentat cu combustibili fosili

(2) Chiulasa unui motor alimentat cu hidrogen

Tabelul 2.1 Propreitățile Hidrogenului

Tabel 2.2 Proprietățile de ardere ale hidrogenului

Fig. 2.3 (1) Propagarea flăcării în interiorul motorului alimentat cu benzina

(2) Propagarea flăcării în interiorul motorului alimentat cu benzina + hidrogen

Comparând imaginile din figura 2.3 observam ca hidrogenul are o viteză ridicată de difuzie (2) față de cea a benzinei (1) de pâna la 7 ori mai mare.

Aceasta caracteristică favorizează amestecul rapid cu aerul chiar dacă acesta se realizează în interiorul cilindrului la turații ridicate de funcționare.

Studiile realizate demonstreaza o similitudine între puterea calorică a amestecului stoichiometric aer-hidrogen față de cea a amestecului aer-benzina.În prezența flăcării sau a unui catalizator hidrogenul poate fi combinat cu hidrogenul.

Proprietățile hidrogenului pe care trebuie să le îndeplinească pentru a putea fi folosit la alimentarea motoarelor cu ardere internă:

viteza de difuzie mare

viteza crescută a propagării flăcării în amestecul stoichiometric

densitate mica

durata scurtă de ardere

domeniul de imflamabititate mare

energie scăzută la aprindere

temperatura mare la autoaprindere

Viteza de difuzie mare

Hidrogenul are o viteză de difuzie de 7 ori mai mare decât cea a benzinei și este net superior peste ceilalți combustibili . Această proprietate de a se dispersa în aer mai rapid decât benzina favorizează producerea unui amestec uniform aer-combustibil.

Viteza crescută a propagării flăcării în amestecul stoichiometric

În amestecul stoichiometric flacara hidrogenului se propagă cu o viteza foarte mare aceasta fiind cu un ordin mai mare decât cea a combustibilului fosil (benzina).

Specialiștii au demonstrat ca motoarele alimentate cu hidrogen se apropie foarte mult de un ciclu termodinamic ideal. În funcționarea motorului cu un amestec sărac se observă o diminuare a vitezei de propagare a flăcării.

Densitatea mică

Hidrogenul are o densitate de 14.4 ori mai mică decât a aerului fapt ce generează 2 probleme majore la utilizarea acestuia drept combustibil alternativ.

Aceste probleme sunt reprezentate de:

densitatea energetică și puterea motorului sunt scăzute

pentru a asigura o autonomie adecvată este nevoie de un rezervor foarte mare pentru stocarea hidrogenului.

Durata scurtă de ardere

În comparație cu benzina, hidrogenul are o durată de ardere mai scurtă. Datorită acestei proprietăti flăcările rezultate în urma arderii hidrogenului ajung mai aproape de pereții cilindrului decât în cazul folosirii altor combustibili. Dezavantajul duratei scurte de ardere constă în faptul că flăcările de hidrogen pot pătrunde în galeria de admisie deoarece acestea sunt foarte aproape de supapele de admisie în comparație cu flăcările generate de alți combustibili.

Domeniul de inflamabilitare mare

Un gaz este definit prin limita inferioară de inflamabilitate și cea superioară. Limita inferioară de inflamabilitate reprezintă concentrația cea mai scazută a unui gaz care ajută arderea unei flăcări când este amestecată cu aerul.

Sub limita inferioară de inflamabilitate , compoziția combustibilului nu mai poate întreține arderea (amestec aer-combustibil sărac).

Hidrogenul aflat în stare gazoasă este extrem de inflamabil și se autoaprinde în aer la concentrații volumetrice de 4-75% (temperatura autoaprinderii fiind de aproximativ 560 C), iar în contact cu oxigenul pur între 4.6-93.2 %. Combinarea Hidrogenului cu oxigenul în anumite proporții poate fi explozivă, iar flacăra produsă emite radiații ultraviolete. Hidrogenul are un domeniu de inflamabilitate mare în comparație cu ceilalți combustibili și poate arde într-un amestec sărac (cantitatea de combustibil are o valoare mai mică decât cea stabilită teoretic necesară pentru realizarea combustiei cu un anumit volum de aer ). Motoarele alimentate cu un combustibil format din hidrogen și benzină produc o cantitate mai mică de emisii nocive datorită temperaturilor mai mici la care se realizează arderea.

Energia scăzuta la aprindere

Hidrogenul se aprinde cu o cantitate de energie mult mai mica decât cea a benzinei, această caracteristică detemină utilizarea amestecurilor sărace pentru alimentarea motoarelor cu ardere internă, asigurând o ardere promptă. Având un domeniu de inflamabilitate mare hidrogenul se poate aprinde prin atingerea suprafețelor fierbinți ale motorului (apar astfel aprinderile secundare ). Specialiștii caută soluții eficiente pentru a prevenii autoaprinderea si detonațiile.

Temperatura mare la autoaprindere

Temperatura de autoaprindere este reprezentată de cea mai mică temperatură la care un amestec combustibil se aprinde în lipsa unei surse directe de aprindere (scanteie,flacara). Hidrogenul se autoaprinde la o temperatura de 585 C, fapt ce-i ofera acestuia calități antidetonante și este un factor important în determinarea raportului de comprimare cu care funcționează motorul. Motorul cu hidrogen permite utilizarea unui raport de comprimare net superior motorului alimentat cu combustibili fosili. Prin mărirea raportului de comprimare se mărește implicit si randamentul termic, dar hidrogenul se aprinde mai greu deoarece temperatura necesară este mare.

Calculul de mărire a temperaturii de autoaprindere

[1.1]

unde: – – raportul de comprimare

– t1 – temperatura inițială absolută

– t2 – temperatura finală absolută

– – căldura specifică

Temperatura finala absolută nu trebuie să fie mai mare decât temperatura de autoaprindere a hidrogenului limitând astfel raportul de comprimare.

Tabelul 2.3 Temperaturile de autoaprindere a diferiților combustibili

2.3 Raportul amestecului aer-carburant

Combustia este un proces exoterm de oxidare prin care anumite substanțe reacționează în prezența oxigenului producând căldura și lumina. Factorul principal care întreține arderea este oxigenul, în lipsa căruia combustia nu poate avea loc .

Cele mai importante componente care se găsesc în combustibilii uzuali:

carbonul (C), hidrogenul (H2), monoxidul de carbon (CO), metanul (CH4),oxigenul (O2), azotul (N2), dioxidul de carbon (CO2) si apa (H2O),hidrocarburi(CmHn). 

Aerul atmosferi are o compoziție (N2=79%, O2=21%) ce asigură aportul de oxigen indispensabil reacțiilor de combustie.

Reacții ce caracterizează componentele combustibile

C + O = CO2 + 394 kJ / mol 
S + O2 = SO2 + 297 kJ / mol 
2 H2 + O2 = 2 H2O + 242 kJ / mol 
CO + 1/2 O2 = CO2 + 283 kJ / mol 
CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2 + 803 kJ / mol 

CmHn + (m + n/4) O2 = n/2 H2O + m CO2 + xxx kJ / mol (*) 

Tabelul2.4 Componentele aerului atmosferic

Produsele obținute în urma combustiei au în componența lor apa care trebuie eliminată sub forma de vapori condensați (sub forma lichidă) pentru obținerea cantității maxime de căldură generată de combustibil. Un mol de gaz aflat în condiții normale de temperatura (0C) și presiune (1atm) are un volum constant egal cu 22.414 litri.

Tabelul 2.5 Volumul necesar de O2 și aer consumat de principalele componente ale combustibilului

Raportul stoichiometric este definit prin urmatoarea formulă:

2H2+O2 = 2H2O

2 molecule= 1mol H2

1 molecula= 1 mol O2

În continuare se va lua în calcul azotul datorită faptului că aerul este folosit drept oxidant substituind oxigenul:

N2 mol/aer = 1 mol O2 x (79% N2 în aer/ 21% O2 în 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 = 1 mol O2 x 32g/mol

= 32g

Greutatea N2 = 3.762 mol N2 x 28g/mol

= 105.33 g

Greutatea H2 = 2 mol H2 x 2g

= 4g

Greutatea aerului = 32g + 105.33g

= 137.33g

Raportul stoichiometric aer/carburant (A/C) pentru hidrogen și 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:

%H2 = 2/(4.762+2)

= 29.6%

În urma efectuării calculelor rezultă că raportul masic stoichiometric dintre aer și combustibil pentru a se realiza o ardere completă este de 34.33:1. Din acest raport se deduce că pentru 1 kg de H2 sunt necesare aproximativ 34 kg de aer. La polul opus benzina se situeaza cu un raport mult mai bun de 14.7:1. În condiții normale de presiune și temperatura hidrogenul ocupă un volum mai mare în camera de ardere comparativ cu combustibilii lichizi. Din punct de vedere stoichiometric hidrogenul ocupa 30% din volumul camerei de ardere față de benzina care ocupa aproximativ 2%.

Fig. 2.4 Hidrogenul,benzina,aerul din camera de ardere și energia

Puterea motorului alimentat cu hidrogen diferă prin modul de efectuare al admsiei astfel: 80% la o injecție indirectă și 115% pentru o injecție directă în comparație cu puterea motorului alimentat cu benzină. Motoarele cu hidrogen sunt caracterizate de un raport de comprimare cuprins între 34:1 si 180:1 datorită domeniului larg de inflamabilitate al hidrogenului.

Tabel comparativ a proprietăților fizico-chimice a combustibililor

INFLUENȚA UTILIZĂRII HIDROGENULUI ASUPRA CARACTERISTICII MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ

Influența utilizării hidrogenului asupra caracteristicilor motorului cu aprindere prin scânteie

Hidrogenul este considerat un combustibil adecvat pentru alimentarea motoarelor cu aprindere prin scânteie deorece are o viteză mare de ardere și un domeniu mare de inflamabilitate ce asigură funcționarea stabilă cu amestecuri combustibile sărace și foarte sărace.

Motorul alimentat cu benzină+hidrogen funcțiionează mai economic la sarcini scăzute dar se diminuează puterea maximă. Prin îmbinarea avantajoasă a raportului benzină-hidrogen și a coeficientului de dozaj se pot obține densități de energie crescute.

Principalele impedimente ale folosiiri hidrogenului sunt localizate la nivelul sitemului de alimentare și a posibilitătii de stocare în siguranța la bordul automobilului. Sistemele de alimentare cu hidrogen sunt asemanatoare cu cele utilizate pentru alimentarea motoarelor cu combustibili gazoși. Hidrogenul poate fi injectat sub formă lichidă (la temperaturi scăzute -253grade C) sau gazoasă(la presiuni> 300 bari).

Pentru a se evita micșorarea puterii litrice a motorului datorită volumului mare ocupat de hidrogen în interiorul cilindrului (aproximativ 30%) este utilizat procesul de formare a amestecului în interiorul cilindrului. Hidrogenul se introduce dupa finalizarea procesului de admisie. Această modalitate evită micșorarea cantității de aer admis iar masa amestecului crește, cantitatea de căldură rezultată în urma arderii este mai mare cu aproximativ 24% decât cea a motorului alimentat cu benzină și cu 43% față de motorul cu hidrogen a cărui amestec se efectuează în exteriorul cilindrului.

Prin introducerea hidrogenului la începutul cursei de comprimare dupa închiderea supapei de admisie se realizează o răcire a interiorului cilindrului cu aerul folosit în procesul de ardere evitând aprinderea necontrolată și o eventuală pătrundere a flăcării în galeria de admisie.

Hidrogenul este introdus în motor printr-o supapa acționată hidraulic care permite modificarea momentului de deschidere cât și durata deschiderii.

Amestecul poate fi folosit la motoarele alimentate cu ajutorul carburatorului cât și pe cele cu injecție directă de combustibil. Compoziția amestecului se poate regla prin 3 meteode:

Cantitatea de Hidrogen rămâne constantă în toate regimurile de funcționare ale motorului

Cantitatea de hidrogen rămane neschimbată în raport cu cantitatea de benzină

Cantitatea de hidrogen variază invers proporțional cu sarcina motorului.

Ultimele 2 metode sunt favorabile pentru motoarele alimentate prin sistemele de injecție acționate electronic deoarece cantitățile de benzină și hidrogen se modifică permanent

Prin funcționarea cu adaos de hidrogen se asigură o economicitate a motorului datorită vitezei ridicate de ardere și a domeniului mare de inflamabibiltate a hidrogenului

3.2 Alimentarea motorului cu hidrogen pur

Motorul cu hidrogen are un randament de 35% mai mare decât cel al motorului alimentat cu benzină, functionând cu amestecuri mult mai sărace. Datorită reducerii căldurii specifice a amestecului de gaze și creșterii coeficientului de variație molară =(0,5+2,38):(1+2,38) prin arderea hidrogenului se observă o imbunătățire a eficientei ciclului motor. În urma experimentelor efectuate sa demonstrat că motorul alimentat cu hidrogen are o putere și o presiune medie mai mică cu 17% decât cea a motorului alimentat cu benzină.

Motorul alimentat cu hidrogen are un comportament diferit în ceea ce privește solicitările mecanice (presiunea maximă a arderii,gradientul de presiune).

În timpul determinării ciferi octanice pe un motor standard sa descoperit, că prin modificarea coeficientului de dozaj între limitele 1,0-3,4 gradientul de presiune a scăzut de la 0,45 Mpa/RAC la 0,05 Mpa /RAC , aceasta valoare fiind inferioară celor obținute în motoarele alimentate cu benzină sau motorină (diesel). Arderea poate fi încetinită prin introducerea apei în amestecul aer-hidrogen.

Motorul alimentat cu hidrogen este mai economic în sarcini reduse și la ralanti față de motorul alimentat cu benzină.

O alta problema pe care o impun motoarele alimentate cu hidrogen este cea a detonației. Limitele între care aparare detonația sunt cuprinse între 18,2-58.9% în aer, respectiv 15-90% în oxigen. Lubrificația motorului alimentat cu hidrogen nu este afectată nici măcar la motoarele uzate , consumul de ulei fiind egal cu cel al motorului alimentat cu benzină la regimuri de funcționare asemanatoare. Se observă o creștere a consumului de ulei odată cu mărirea sarcinii motorului și a depresiunii din colectorul de admisie. Aproximativ 10% din uleiul consumat se găsește în gazele de evacuare sub formă de hidrocarburi. Coeficientul de dozaj variază pe o gamă largă de valori dacă motorul este alimentat pulsatoriu în galeria de admisie onferind stabilitate proceselor termodinamice.

Influența utilizării hidrogenului asupra caracteristicilor motorului cu aprindere prin comprimare

Inginerii de la BMW au creat un motor cu hidrogen (cu injecție directă de hidrogen la presiune mare) care are un ciclu termodinamic similar cu cel al unui motor cu aprindere prin comprimare.

Eficiența motorului este de 42% rezultă că randamentul este mult mai bun decât a unui motor diesel. Chiulasa creată pentru noul motor are la bază chiulasa de pe un motor diesel. Injecția directă a hidrogenului în camera de combustie se realizează la presiuni mai mari de 300 bari oferind motorului o putere ridicată și un consum redus de energie.

Funcționarea motorului diesel cu hidrogen poate fi considerată nesigură, deoarece injecția sa în cilindru în stare lichidă este dificilă din cauza temperaturii de fierbere foarte coborâte. Deoarece motorul diesel este caracterizat de un regim termic și un raport de comprimare ridicat alimentarea prin formarea amestecului în exterior poate apărea o aprindere timpurie necorespunzatoare desfășurării ciclului motor.

Fig 3.1 Model 3D -Injectarea hidrogenului Fig 3.2 Model 3D- Răcirea incintei cilindrului

la o presiune de peste 300 bari în interiorul de către aerul introdus în procesul de admisie

camerei de combustie

3.3 Autoaprinderea

Autoaprinderea este principală problema întâlnita la motoarele alimentate cu hidrogen. Aceasta se produce în momentul în care amestecul combustibil se aprinde înaintea declanșării scânteii și are loc datorită proprietăților ce caracterizează hidrogenul: domeniu mare de inflamabilitate,energie scăzută la aprindere,durata scurtă de ardere.

Un alt efect nedorit pe care îl poate produce autoaprinderea este acela de pătrundere a flăcării rezultate în urma arderii în galeria de admisie,în acest caz funcționarea motorului este însoțită de rateuri.

Autoaprinderea este rezultatul produs în urma atingerii combustibilului punctele fierbinți din interiorul camerei de ardere (electrodul bujiei,supapele de evacuare,zonele de carbon)

Pentru a se evita procesul de autoaprindere a combustibillui, se introduce hidrogenul la începutul cursei de comprimare dupa închiderea supapei de admisie. Prin aceasta întârziere se evită autoaprinderea deoarece aerul necesar în procesul de ardere răcește interiorul cilindrului astfel se exclude o pătrundere a flăcării în galeria de admisie.

3.4 Sistemul de alimentare

Instalația de alimentare asigură furnizarea de aer și de combustibil în proporția optimă pentru funcționarea motorului într-un anumit regim de exploatare (temperatură, sarcină, turație, altitudine, categorie de drum).

Printr-o proiectare corectă a sistemului de alimentare se poate reduce/elimina efectul de autoaprindere al hidrogenului

Sistemul de alimentare cu hidrogen poate fi de 3 felui:

Injecție centrală (carburator)

Injecție indirectă

Injectie directă

3.4.1Injecția centrală realizată de către carburator

Este aparatul în care se prepară amestecul carburant necesar funcționării motorului.

Condițiile impuse carburatorului sunt:

să pulverizeze benzina cât mai fin, asigurând astfel o vaporizare cât mai intensă a acesteia și formarea unui amestec cât mai omogen.

sa realizeze în mod automat diferite dozaje de amestec carburant, care să asigure atât pornirea motorului rece, cât și buna și economica funcționare a acestuia la toate regimurile de putere și turație.

Principalele avantaje pe care le ofera injecția centrală sunt:

-alimentarea cu hidrogen nu se face la o presiune ridicată

-transformarea unui motor standard intr-un motor care să funcționeze cu un amestec benzină-hidrogen sau numai hidrogen este simplă

Motoarele alimentate cu ajutorul carburatorului sunt predispuse la o ardere neregulată datorită autoaprinderii hidrogenului. Autoaprinderea este favorizată și de un amestec bogat aer-carburant.

3.4.2Injecția indirectă

Particularitatea injecției directe este reprezentată de pulverizarea carburantului direct în poarta supapei. Pentru reducerea fenomenului de autoaprindere hidrogenul este introdus în galeria de admisie îanintea deschiderii supapelor de admisie. În cazul injecției indirecte aerul este introdus la începutul cursei de admisie pentru a răcii interiorul camerei de ardere și a dilua gazele reziduale fierbinți. Presiunea caracteristică admisiei la injectia indirectă este mai mare decât a injecției centrale și mai mică decât a injecției directe. Pompa de injecție în linie asigură un volum constant ce-și introduce hidrogen în fiecare cilindru cu ajutorul unui dispozitiv mecanic cu camă. Sistemul electronic transmite un impuls injectorului pentru a introduce o cantitate exactă de combustibil în galeria de admisie. Fiecre cilindru este alimentat cu ajutorul unui injector electronic. Pompa cu elemente în linie are un timp de injecție constant și o presiune variabilă, iar la sistemul electronic de injecție presiunea rămâne constantă dar timpul de injecție variază.

Fig 3.3 Pulverizarea carburantului Fig 3.4 Secțiune longitudinală

în poarta supapei injector eletronic

(1)O-ring-uri (2)Filtru (3)carcasă (4)solenoid (5)arc (6)acul injectorului

(7)sediul supapei (8) contacte electrice

3.4.3Injecția directă

Motoarele mai performante folosesc tehnologia injecției directe de hidrogen în cilindru, în timpul cursei de compresie. Injectia de hidrogen este realizată atunci când supapele de admisie sunt închise evitându-se astfel autoaprinderea în timpul cursei de admisie,iar motorul nu va mai avea rateuri. Injecția directă necesită o presiune mai mare de injecție decât alte metode de alimentare.

Puterea motorului cu injecție directă de hidrogen este cu 20% mai mare decât a unui motor alimentat cu benzină și cu 42% mai mare decât a unui motor pe bază de hidrogen folosind injecția centrală (carburator). Datorită timpului scurt de amestec dintre hidrogen și aer amestecul rezultat poate fi neomogen. Rezultatele experimentelor au demonstrat ca un amestec neomogen duce la o emisie mai mare de oxizi de azot comparativ cu injecția indirectă. Prin injecția directă a hidrogenului se rezolvă problema autoaprinderii în galeria de admisie dar nu se poate împiedica autoaprinderile din interiorul cilindrului.

Fig. 3.5 Injecția hidrogenului Fig. 3.6 Simularea 3D-Injecție Hidrogen

Fig. 3.7 Injector presiune înaltă H2BVplus HOERBIGER

3.5 Scăderea temeperaturii amestecului carburant

Scăderea temperaturii amestecului cu ajutorul EGR-ului (sistem de recirculare a gazelor de evacuare) sau a injectării de apa are ca efect minimizarea formării condițiilor autoaprinderii.

EGR-ul este un sitem care reintroduce gazele rezultate în urma arderii înapoi în galeria de admisie. Gazele arse reintroduse în galeria de admisie înlocuiesc o parte din oxigenul necesar arderii rezultând astfel o scădere a cantitătii de oxigen în exces, și absorb o cantitate de căldură generată în urma arderii reducându-se astfel și temperatura pe ciclu. Prin reducerea temperaturii de ardere din camera de ardere se obține și o micșorare a emisiilor poluante (NOx). Recircularea unei cantități de 25-30% din gazele de evacuare ajută motorul să funcționeze fără detonații și rateuri.

Dezavantajul folosirii sistemului EGR este reprezentat de scăderea puterii motorului, datorat gazelor de evacuare care reduc cantitatea de amaestec carburant care poate fi introdusă în cilindru.

Fig. 3.8 Supapa EGR acționată electric Fig. 3.9 Sistem EGR cu răcire intermediară

(1)Conductă lichid racire (2)radiator pt gazele de evacuare

(3)galerie de evacare (4) chiulasa (5)galerie de admisie (6)Supapa EGR actionata electric

(7) Unitatea de control electronică

O alta metodă de scadere a temperaturii amestecului carburant este injectarea de apă.

Injectarea apei în fluxul de hidrogen înaintea amestecării cu aerul are rezultate mai bune decât injectarea acesteia în amestecul aer-hidrogen din galeria de admisie.

3.6 Soluții constructive pentru motoarele alimentate cu hidrogen

Pentru o bună funcționare a motoarelor cu hidrogen se impune o proiectare adecvată a camerei de ardere și a sistemului de răcire astfel se reduce fenomenul de autoaprindere și apariția rateurilor. Sistemul de răcire trebuie să asigure răcirea tututror componentelor care necesită acest lucru.

Prin proiectarea unei camere de ardere în formă de disc se reduc turbulențele din interior,iar vârtejul nu se amplifică în timpul compresiei.

Alte soluții constructive benefice reducerii fenomenului de autoaprindere:

-utilizarea a 2 bujii pentru aprinderea amestecului din camera de ardere

-folosirea a 2 supape de evacuare cu diametre mai mici decât una singură cu diametrul mai mare

-folosirea unui sistem de baleaj eficient prin care se face evacurea forțată a gazelor din interiorul cilindrului cu ajtorul unui curent de aer proaspăt

3.7 Caracteristicile sistemului de aprindere al motoarelor cu hidrogen

Aprinderea hidrogenului este foarte usor de realizat datorită limitei scăzute de aprindere a acestuia. Printr-un amestec scăzut de aer-hidrogen (130:1 / 180:1) se reduce viteza de propagare a flacarilor de aceea se impune folosirea unui sistem de aprindere cu 2 bujii pe cilindru. Bujiile folosite la motoarele cu hidrogen trebuie să fie reci și să nu aibe vârful din platină(deoarece platina este catalizator care face ca hidrogenul să oxideze în contact cu aerul). Varful bujiei reci se răcește mai repede deoarece izolatorul ceramic are o suprafață mai mică decât al bujiei calde. Prin folosirea acestor bujii se reduce fenomenul de autoaprindere. Bujiile calde sunt concepute să rămână permanent fierbinți pentru a nu se acumula depunerile de carbon. Deoarece hidrogenul nu conține carbon, aceste bujii nu sunt folosite la aceste motoare.

Fig. 3.10 Suprafața schimbului de căldură în funcție de tipul bujiei

(1)Bujie calda (2)Bujie medie (3) Bujie rece

Capitolul 4???? Particularitațile motorului

4.1 Ventilarea carterului motor

Ventilarea carterului motor are ca scop frânarea procesului de îmbătrânire a uleiului,prin contaminarea acestuia cu vaporii de combustibil și gaze nearse scăpate în carter. Un alt efect nedorit al creșterii presiunii în carterul motor este pierderea uleiului pe lângă garnitura de etanșare a carterului.

Ventilarea carterului se realizează prin 2 procedee:

ventilație naturală (gazele se elimină direct în atmosferă)

ventilație forțată (gazele sunt aspirate în colectorul de admisie)

Ventilația carterului motor al motoarelor alimentate cu hidrogen este mai importantă decât a celor alimentate cu benzină. În timpul funcționării motorului pe benzină o parte din combustibilul nears poate pătunde pe langa segmenții pistonului în carter. Datorită proprietăților hidrogenului (energie scăzută de aprindere,domeniu larg de inflamabilitate),orice cantitate pătrunsă în carterul motorului se poate aprinde.

Prevenirea acumulărilor de hidrogen se realizează printr-o bună ventilație a carterului motor,realizată cu ajutorul unei supape montate pe carter. Aprinderea hidrogenului din carterul motorului este însoțită de un zgomot ciudat și poate duce la incendierea motorului. În urma arderii hidrogenului rezultă vapori de apă care ar putea condensa în interiorul unui carter cu o ventilație necorespunzatoare. Amestecul dintre apă și ulei reduce proprietățile de lubrifiere a uleiului rezultând o uzură crescută a motorului.

Fig. 4.1 Funcționare valvei de ventilație carter Fig4.2 Localizarea valvei

Regim de funcționare al motorului: Ralanti de ventilatie a carterului motor

Regim de funcționare al motorului: Accelerație

Motor oprit

4.2 Randamentul termic al motorului

Randamentul termic teoretic al motoarelor cu ardere interna este dat de raportul de comprimare al motorului si de caldura specifica a combustibilului ca in urmatoarea formula:

randamentul termic teoretic

raport de comprimare

caldura specifica

Cresterea randamentului termic teoretic al motorului este direct proportionala cu cresterea raportului de comprimare si/sau a caldurii specifice a combustibilului.Rezistenta combustibilului la detonare determina limita maxima a raportului de comprimare

Un amestec sărac de hidrogen este mai puțin predispus la detonație decât benzina și poate astfel să tolereze un raport mai mare de comprimare.

Structura moleculara a combustibilului este dependenta de caldura specifica. O structura moleculara mai simpla determina o caldura specifica mai mare.

Hidrogenul (=1.4) are o structura moleculara mai simpla decat in cazul benzinei de aceea are o caldura specifica mai mare decat a benzinei (=1.1).

4.3 Emisiile motoarului alimentat cu hdrogen

Emisiile generate de arderea hidrogenului in motoarele cu ardere interna sunt compuse din vapori de apa si oxixi de azot. Oxizii de azot se formeaza datorita arderii ce are loc la temperaturii foarte mari precum si a prezentei azotului in aer. Alaturi de vaporii de apa si oxizi de azot se mai poate intalnii monoxidul de carbon si hidrocarburi rezultate in urma arderii uleiului lubrifiant patruns in camera de ardere pe langa segmentii pistonului

Rezultatul reacției dintre hidrogen și oxigen este apa:

2H2+O2=2H2O [3.2]

În urma reacției aerului cu hidrogenul se formeaza oxizii de azot (NOx) :

H2 + O2 + N2 = H2O + N2 + NOx [3.3]

Cantitatea oxizilor de azot relutati este in corelatie directa cu:

raportul de comprimare al motorului

raportul aer-combustibil

turatia de functionare a motorului

momentul producerii aprinderii

metoda prin care se reduce temeratura amestecului carburant

Emisiile genererate de arderea hidrogenului sunt influentate de starea motorului (motor uzat cu consum de ulei crescut), si de conditiile de utilizare (amestec combustibil bogat sau sarac) astfel el poate sa produca emisii apropiate de 0 sau emisii cu un nivel ridicat de CO si NOx .

Fig. 4.1 Emisile motorului cu ardere interna alimentat cu hidrogen

Fig. 4.2 Emisile motorului cu ardere interna alimentat cu benzina

φ – raport stoichiometric aer/combustibil

φ = 1/λ

4.4. Puterea motorului

Puterea maxima pe care o poate dezvolta un motor cu ardere interna alimentat cu hidrogen este dependenta de raportul aer-carburant si modul de administrare al combustibilului. Motorul alimentat cu hidrogen este caracterizat de un raport stoichiometric de 34:1 rezultand ca hidrogenul va dislocui 29% din volumul camerei de ardere iar restul de 71% va fi ocupat de aerul necesare procesului de ardere. Energia rezultata in urma arderii acestui amestec va fi mai mică decât cea produsă de benzină, deoarece benzina este lichidă și ocupa un volum mai mic din camera de ardere iar aerul necesar procesului de ardere ar fi intr=o cantitaate mai mare. Puterea maxima teoretica a motorului cu hidrogen este limitata la 80% fata de motorul pe benzina deoarece formarea amestecului aer-carburant se face in afara camerei de ardere (la alimentarea cu carburator / injectia amestecului in poarta supapei de admisie. In cazul injectiei directe de combustibil (amestecul aer carburant se realizeaza in interiorul camerei de ardere dupa inchiderea supapelor de admisie) puterea maxima dezvoltata de motor poate fi cu aproximativ 15% mai mare decat a motorului alimentat cu benzina. In timpul folosirii unui raport stoichiometric, temperatura de ardere este foarte mare rezultand o cantitate mare de oxixi de azot (NOx), care reprezintă un criteriu de poluare. Din acest motiv motoarele alimentate cu hidrogen nu sunt proiectate sa functioneze cu un raport stoichiometric aer-carburant. Experimentele au stabilit ca motoarele cu hidrogen sunt concepute sa functioneze cu un volum de aer dublu fata de aerul teoretic necesar pentru o ardere completa, rezultand o tindere a emisilor de oxizi de azot spre zero.

Dezavantajul principal al folosirii acestui amestec este reprezentat de reducerea puterii motorului la aproximativ jumătate din puterea unui motor de aceeași capacitate pe benzină. Pentru compensarea acestor pierderi de putere, motoarele alimentate cu hidrogen sunt mai mari decât motoarele alimentate cu benzină.

Fig. 4.3Motor cu hidrogen Bmw rx8

5 PRODUCEREA HIDROGENULUI

5.1 Metode de obtinere a hidrogenului

Hidrogenul poate fi produs din surse de combustibili non-fosili, cu ajutorul energiei alternative (eoliana,solara,hidroelectrica) si este considerat un combustibil prim in aprovizionarea cu energie verde. Pentru producerea cantitatilor de hidrogen la nivel industrial se folosesc tehnologii de extragere a acestuia din alti compusi energetici.

Fiecare tehnologie este insotita de avantaje si dezavantaje si de aceea se fac cercetari continue pentru optimizarea si competitivitatea pe piata de consum. Previziunile arata ca hidrogenul poate inlocui intr o anumita proportie combustibilii fosili pentru un mediu mult mai curat.

Principalele metode prin care se obtine hidrogenul sunt

electroliza apei

obtinerea hidrogenului din combustibili fosili

Obtinerea hidrogenului din biomasa

Procedeul fotobiologic

Procedeul termochimic

Procedeul fotochimic

Procedeul Kværner

5.1.1 Obtinerea hidrogenului prin electroliza apei

Obtinerea hidrogenului prin electroliza apei. Aceasta metoda de obtinere a hidrogenului din apa a fost pusa in practica de chimistul german Johann Wilhelm Ritter in jurul anului 1800. Acest procedeu se caracterizeaza prin emisii de CO2 nule, eficenta de aproximativ 75% si costuri de patru ori mai ridicate decat in cazul transformarii gazului natural in hidrogen.

Un cost mai scazut il are electroliza apei in mediu bazic care este folosita in combinatie cu centralele hidroelectrice din Norvegia. Reactia se desfasoara intr-un recipient umplut cu electrolit bun conductor de curent (sare, acid, baza), in care se introduc doi electrozi strabatuti de curent continuu.

Cercetatorii americani au propus un proiect de producere a hidrogenului din apa marilor utilizand energia solara . Acest proiect are drept scop captarea energie solare si transformarea acesteia in curent electric ( cu ajutorul generatoarelor) necesar electrolizei apei de mare.

Fig. 4.5 Circuitul Hidrogenului in natura Fig. 4.6 Electroliza apei

Prin descompunerea apei cu diferite metode se obtine hidrogen, care este inmagazinat in rezervoare speciale.

Apa este descompusa cu ajutorul energiei electrice ce strabate cei 2 electrozi rezistenti la coroziune care sunt imersati in apa.

Reactiile partiale ce descriu procesul electrolizei

2H2O + 2e− →H2 + 2OH− Catod

2H2O → O2 + 4H+ + 4e− Anod

La anod sunt eliberati electronii care sunt captati de catod mai tarziu. In urma acestor 2 procese partiale rezulta relatia de separare a atomilor de oxigen si hidrogen din apa.

Reactia de separare 2H2O → 2H2 + O2

Fig.4.7 Celula de electroliza

Pentru ca descompunerea moleculei de apa sa se desfasoare cu o viteza mai mare se pot dilua in apa diverse substante. Daca un curent continu trece prin apa ce contine o sare conducatoare de curent electric apa se va disocia in preajma electrozilor, astefl la electrodul pozitiv este produs oxigenul iar la cel negativ se gaseste hidrogenul.

Fig 4.8 Dispozitiv de electroliza Hoffmann

In acest aparat se introduce apa in combinatie cu acidul citric, hidroxid de potasiu sau sare de masa pentru o conductibilitate electrica ridicata. Aparatul este compus din doua elemente cilindrice in interiorul carora se gaseste atat electrolitul cat si gazele rezultate in urma electrolizei.

Deoarece hidrogenul este mai usor decat aerul, acesta se inalta, putand fi captat foarte usor. Existenta acestuia se poate verifica cu ajutorul unui detedtor de gaz special pentru hidrogen sau prin aprinderea acestuia

5.1.2 Obtinerea hidrogenului din combustibili fosili

Hidrogenul este obtinut din combustibilii fosili prin reformarea catalitica cu ajutorul vaporilor de apa din hidrocarburi (gazele naturale-metanul, hidrocarburi mai complexe -benzina) ,extractia sa facandu-se in 3 faze.

Acest procedeu de obtinere este foarte bine pus la punct si de aceea se obtin cantitati foarte mari de hidrogen (aproximativ 100.000 m³/h).

In prima etapa sunt descompuse hidrocarburile mai complexe (metan,hidrogen,bioxid de carbon,monoxid de carbon) pentru evitarea colmatarii catalizatorului din instalatia de reformare. Acest procedeu are loc datorita adaugarii aburilor la o temperatua de aproximativ 450-500°C si o temperatura cuprinsa intre 25-30 bari.

In a doua etapa metanul va intra in reactie cu apa in interiorul unui catalizator de nichel la o temperatura mai mare (800 – 900°C) decat in etapa anterioara si o presiune de 25 – 30 bari rezultand gazul de sinteza. Gazul de sinteza rezultat in urma reactiei puternic endoterme incomplete contine o cantitate mare de monoxid de carbon.

Faza urmatoare este caracterizata de o reactie exoterma in prezenta unui catalizator de oxid de fier dintre oxidul de carbon si apa in urma careia rezulta hidrogenul si bioxidul de carbon. Obtinerea hidrogenului cat mai pur este realizata prin indepartarea resturilor de CO,CO2 si CH4 prin reducerea concentratiei acestora.

Resturile de CO se elimina chimic prin oxidare preferentiala (PROX) sau fizic cu absorbtie prin schimbarea presiunii sau utilizarea unei membrane semipermeabile. In urma unui proces exoterm, hidrogenul din gazul metan sau pacura este oxidat partial si inlocuit cu oxigen. Pentru a mentine echilibrul dintre CO si CO2 precum si stapanirea temperaturilor inalte se introduce apa rezultand un proces de reformare autoterm.

Tarile ce dispun de rezerve mari de carbune (China, Africa de sud) il folosesc drept materie sub forma macinata si amestecat cu apa pentru obtinerea unei suspensii. Prin combinatia dintre reformarea catalitica cu vapori de apa si oxidarea partiala se obtine un randament mai mare decat in cazul in care ce le 2 se desfasurau separat.

Materia prima utilizata poate fi reprezentata de metanol sau orice hidrocarbura respectiv un amestec de hidrocarburi. Beneficiile oxidarii partiale (degajarea de caldura) completeaza avantajele reformari catalitice cu vapori de apa (volum mai mare de hidrogen extras).

Fig.3.4 Compresor centrifugal recirculare hidrogen (utilizat in instalatia de rafinare catalitica)

5.1.3 Obtinerea hidrogenului din biomasa

Obtinerea hidrogenului din biomasa se realizeaza cu ajutorul reformarii catalitice cu vapori de apa si necesita o cantitate mica de oxigen suplimentar pentru ca biomasa are in componenta sa, apriximativ 40% oxigen. Spre deosebire de gazeificarea carbunelui randamentul obtinut din biomasa este mult mai mare .Combinarea pirolizei si a gazeifcarii biomasei este un alt procedeu folosit pentru obtinerea hidrogenului. In prima etapa, cea a pirolizei, se produc gaze primare, metanol si cocs. Produsele obtinute vor fi amestecate cu aburi, rezultand un nou amestec, format din hidrogen, metan, monoxid si bioxid de carbon. In a doua etapase absoarbe energie iar in urma reformaii este rezultat hidrogenul. Aceasta varimetoda cu doua etape este folosita mai ales in utilaje cu capacitate de productie mai mica.

Fig.3.5 Metode de obtinere a biocombustibililor

5.1.4 Alte procedee de obtinere a hidrogenului

5.1.4.1 Procedeul Kværner

Procedeul Kværner a fost elaborat in Norvegia. Acest procedeu are la baza folosirea unui arzator cu plasma la 1600°C ce separa complet hidrocarburile in carbune activ (carbon curat) si hidrogen. In 1992 a fost construita o statie pilot in Canada ce a atins un randament de aproape 100%, rezultand un volum de aproximativ 48% hidrogen, 40% carbune activ si cca 10% aburi.

Ecuatia generala CnHm + energie → nC+ H2

Ecuatia posibila CH4 + energie → C + 2H2

5.1.4.2 Procedeul termochimic

Peste temperatura de 1700°C se produce disocierea directa a aburului in hidrogen si oxigen. Acest procedeu are loc in cuptoarele solare . Gazele rezultate in urma acestui procespot fi separate cu ajutorul unor membrane ceramice. Membranele ceramice trebuie sa aigure permeabilitatea hidrogenului dar nu si a oxigenului.

Datorita temperaturilor foarte inalte la care are loc procesul termochimc trebuiesc folosite materiale foarte scumpe si cu o rezistenta crescuta la temperaturi. Competitivitatea procedeului termochimic este scazuta datorita costurilor ridicate a materialelor din care este confectionat cuptorul.

Randamentul ciclului termochimic este destul de mare (aproximativ 50%) dar, se cauta in continuare solutii privind procedurile si materialele utilizate.

5.1.4.2 Procedeul fotochimic

Procedeul fotochimic are derpt sursa de energie radiatia solara, din care este absorbita energia fotonilor de catre componentele ce intra in reactie. In componenta acestui procedeu se gasesc materiale semiconductoare cu un nivel energetic foarte mare pentru a putea realiza absorbtia cuantelor de lumina, astfel sa poata capta electroni din moleculele de apa rezultand disocierea acestora. Fotocatalizatorii utilizati pot inlesni procesele de transformare.

Dezavantajul major il constitue faptul ca materialele fotoactive trebuie sa indeplineasca in acelasi timp functii active precum si stabilitate indelungata in contactul cu apa. Specialistii considera ca in viitor se pot combina procesele fotochimice cu cele termochimice.

5.1.4.3 Procedeul fotobiologic

Sursa de energie folosita in procedeul fotobiologic este lumina solara. Acest procedeu este utilizat in cazul procesului de prelucrare a biomasei cu etape de fotosinteza in prezenta sau absenta oxigenului. In experimente s-a utilizat alga Chlamydomonas reinhardtii care poate fi determinata sa produc hidrogen cu o eficienta de aproximtaiv 10% in anumite conditii .

Tehnologiile de obtinere a hidrogenului enumerate mai sus pot fi combinate , obtinandu-se tehnologii hibride cu o eficienta imbunatatita in privinta productiei si cu un potential energetic mult mai mare. Un exemplu de tehnologie hibrida pentru generarea hidrogenului este rezultata prin imbinarea energiei electrice cu cea termica (electroliza apei la temperaturi foarte ridicate) rezultatul fiind o productie de aproximativ 40% hidrogen.

Cercetarile susținute în domeniul sistemelor și a tehnologiilor de producere a hidrogenului au drept efect înlăturarea problemelor tehnice deficitare, concomitent cu micsorarea costurilor de productie, ceea ce face ca hidrogenul sa fie un inlocuitor al resurselor energetice conventionale. Oricare formă de energie regenerabilă, poate fi un substituent al combustibililor fosili daca permite stocarea si transportul.

Hidrogenul obtinut cu ajutorul energiei solare pare sa fie cea mai atractiva solutie de a substitui combustibilii fosili . Analizand critic stadiului actual al dezvoltării tehnologiilor de obtinere a hidrogenului cu ajutorul energiei solare putem sa afirma ca hidrogenul produs prin electroliza apei oceanelor cu ajutorul energie solare ar putea fi o sursa verde de energie cu emisii poluante minimizate . La polul opus putem incadra ciclurile termochimice care favorizeaza obtinerea hidrogenului in cantitati industriale.

Procedeele de obtinere a hidrogenului având la bază metode fotochimice și fotoelectrolitice sunt restranse, deoarece eficienta acestora este determinata in mod semnificativ de calitatea materialelor folosite, fotocal privește eficiența, în mod semnificativ de calitatea fotocatalizatorilor, fotoelectrolitilor si a materialelor folosite in constructia sistemelor.

Tabel 4.1 Particularitatile tehnologiilor de obtinere a hidrogenului cu ajutorul energiei solare

5 STOCAREA HIDROGENULUI

Proprietatile fizico-chimice ce caracterizeaza hidrogenul au generat cautarea unor metode specifice de inmagazinare si distribuire cu costuri rezonabile. Hidrogenul are un continut mare de energie in raport cu greutatea (de aproximativ 3 ori mai mare decat benzina), dar are un continut mai mic de energie raportat la unitatea de volum (hidrogenul in stare lichida are un continut de energie raportat la volum de 3 ori mai mic decat cel al benzineibenzina).

Rezervoarele pentru stocarea hidrogenului comprimat ocupa 70% din masa totala a unui autoturism de cilindree mica, 60% pentru un autoturism cu cilindree medie, si aproximativ 20 % pentru autobuze.

Acest lucru constituie un dezavantaj major, asociat riscul mare privind securitatea in functionare , exclude utilizarea pe scara larga a acestui sistem de stocare pentru autovehicule.

Stocarea hidrogenului se poate face in 3 tipuri de rezervoare:

Rezervoare pentru hidrogen comprimat

Rezervoare pentru hidrogen lichid

Rezervoare cu hidruri metalice

Tabel 5.1 Metodele de stocare a hidrogenului (comparatie)

5.1 Rezervoarele pentru hidrogen comprimat

Pentru a fi stocat in aceste rezervoare , hidrogenul este comprimat cu presiuni cuprinse intre 200-350 de bari, ultimele tehnologii permitand si presiuni mai mari de 700 de bari. Aceste presiuni ridicate impun o atenti crescuta la alegerea materialelor,dimensionarea componentelor pentru o buna siguranta in functionare.

Hidrogenul poate fi absorbit de suprafata materialului din care este confectionat rezervorul ,apoi se difuzeaza in material provocand fragilizarea.

Materialel cele mai folosite pentru rezervoarele de stocare a hidrogenului sunt otelurile inoxidabile austenitice si aliajele de aluminiu. Aceste rezervoare nu necesita o izolare termica precum cele pentru stocarea hidrogenului lichid.

In componenta sistemului de stocare se gases supape pentru reducerea presiunii,conducte,senzori pentru controlul presiunii si temperaturii. Sistemele de securitate electronice asigura monitorizarea si oprirea de urgenta in cazul unor scurgeri.

Pentru a micsora greutatea, rezervoarele de otel (tip I) au fost inlocuite cu rezervoare fabricate din materiale compozite. Primul strat care asigura etanseitatea gazului este alcatuit dintrun metal subtire (otel/aluminiu ), care este acoperit partial (tip II) /complet (tip III) de stratul urmator realizat din fibre de C, ce asigura stabilitatea rezervorului din materiale compozite .

Un alt tip de rezervoare intalnit in dotarea automobilelor este denumit (tip IV), si este construit tot din materiale compozite impreuna cu fibrele de carbon.

Caracteristicile rezervorului de tip I

Volum 2,5-50l

Presiunea la care rezista 200-300 bari

Golum hidrogen continut 0,4-11,43 Nm3

Masa hidrogenului continut 0,04-1,03 kg

Densitatea masica de energie 0,33-0,4 Wh kg-1

Densitatea volumica de energie 0,3-0,53 kWh dm-3

Tabel 5.2 Caracteristicile rezervoarelor de hidrogen (tipodimensiuni)

Fig. 5.1 Rezervoare hidrogen (Aston GT)

5.1 Rezervoarele pentru hidrogen lichid

Hidrogenul lichid are densitatea mai mare decat hidrogenul comprimat. Lichefierea, depozitarea,si manipularea substantelor lichide cu temperaturi de fierbere criogenice necesita un consum marit de energie precum si tehnologii complexe de realizare a rezervoarelor.

Lichefierea hidrogenului are o eficietna practica de 30% rezultand ca aproximativ 25-30% din continutul energetic al hidrogenului este folosit in lichefierea acestuia.

Rezervoarele pentru hidrogenul lichid au o constructie speciala pentru a mentine temperatura foarte scazuta , deoarece starea lichida este atinsa la -253°C.

Structura rezervorului contine un strat termic pentru izolare care poate fi chiar vid (este asemanator constructiei termosului),ce se afla intre rezervorul interior in care este stocat hidrogenul si recipientul exterior.

In spatiul liber dintre recipiente sunt introduse mai multe straturi de aluminiu cu fibre de stica pentru a se evita radiatia termica. La nivelul rezervorului se inregistreaza pierderi prin evaporare cuprinse intre 0,3-3% pe zi. O alta metoda de pastrare a temperaturii scazute este folosirea racirii active cu azot lichid, aceasta fiind folosita de obicei la rezervoarele foarte mari.

Montarea si adaptarea rezervoarelor la bordul automobilelor este destul de complicata si costisitoare datorita caracteristicilor tehnice ale acestora precum si a echipamentelor auxiliare (pompe cu functionare la temperaturi criogenice,schimbatoare de caldura). Un alt impediment costisitor este dificultatea realizarii izolatiei pentru a se minimiza pierderile inevitabile datorate temperaturilor scazute ale hidrogenului).

In cercetarile de laborator privind stocarea hidrogenului lichid au fost testate diferite tipuri de rezervoare, cum ar fi: recipient tip Dewar, recipient pentru gaz natural lichefiat, precum si rezeroare proiectate in mod special pentru conditiile determinate de hidrogenul lichid. Materialul cel mai des utilizat in constructia rezervoarelor este reprezentat de otelul inoxidabil austenitic deoarece isi pastreaza plasticitatea la temperaturi foarte scazute si nu se fragilizeaza.

Fig. 5.2 Sectiuni printr-un rezervor de hidrogen lichid

5.3 Rezervoare cu hidruri metalice

Rezervoarele cu hidruri metalice sunt folosite pentru stocarea pe termen lung a hidrurilor complexe regenerative. Hidrurile metalice sunt compusi solizi dintre hidrogen si un metal (Fe,Ni,Cu,Mn,Zn,Pa) sau un aliaj al acestuia, acand proprietatea de a dizolva, in anumite conditii de temperatura, hidrogenul, in cantitati mari ( Fe dizolva un volum de hidrogen de 19 ori mai mare decat volumul propriu, Pa de 875 de ori ).

Cuplurile metalice au proprietatea de retinere a hidrogenului in diverse densitati (1-10%) din materialul absorbant, aceasta proprietate este baza principiului de stocare a hidrogenului in compusi metalici.

Hidrurile metalice utilizate drept sistem de stocare a hidrogenului pentru alimentarea motoarelor autovehiculelor nu implica folosirea unei energii suplimentare, deoarece caldura pentru procesul desorbtiei este asigurata de functionarea motorului cu ardere interna. Desorbtia hidrogenului se realizeaza cu ajutorul gazelor evacuate in urma procesului de ardere din motor.

Alegerea materialului pentru stocarea hidrogenului la bordul autovehiculului impune cateva criterii de selectie:

masa specifica a hidrurii respective sa fie cat mai mica

sa asigure o capacitate ridicata de absortie

consumul energetic de desorbtie sa fie mic

sa fie densa

sa asigure securitate crescuta la aprindere si explozie

Avantajele utilizarii hidrurilor pentru stocarea hidrogenului la bordul autovehiculului:

eficienta crescuta datorata consumului energetic primar redus

constructia rezervoarelor este simpla deoarece sistemul lucreaza cu presiuni de alimentare joase 0,2-1 Mpa, iar volumul ocupat de acestea din masa vehiculelor nu este semnificativ

drept retea de distributie ar putea fi folosita reteaua actuala de aprovizionare cu gaze in care se va introduce hidrogenul necesar motoarelor pentru propulsia autovehiculelor

Fig5.3 Formatiune hidrura metalica Fig 5.4 Alimentarea-Consumul hidrogenului in rezervorul cu hidruri metalice

Fig. 5.5 Alimentarea-Consumul caracteristicile de stocare ale materialelor

5.4 Infrastructura de transport a hidrogenului

Adoptarea hidrogenului purtator de energie drept combustibil alternativ pe scara larga presupune dezvoltarea infrastructurii de distributie si a tehologiilor de productie si stocare. Profesorul Wharton School subliniaza necesitatea unei retele mondiale de hidrogen si considera ca acest combustibil va revolutiona economia sociala si comerciala .

Studiile referitoare la distanta si costurile transportului hidrogenului de la locul producerii la statiile de alimentare au scos in evidenta urmatoarele aspecte: pentru statiile cu cere mica se preteaza livrarea hidrogenului in stare de gaz comprimat, pentru statiile cu o cere moderata hidrogenul se livreaza sub forma de gaz lichefiat iar pentru zone cu cere mare se utilizeaza transportul printr o retea de conducte.

Reteau statiilor de alimentare la nivel global nu este foarte dezvoltata, dar in paralel se promoveaza utilizarea automobilelor ce folosesc drept combustibil hidrogenul .

Fig. 5.6 Retea de conducte pentru distrbutia hidrogenului

5.4.1 Proiecte desfasurate la nivel European

CUTE (Clean Urban Transport for Europe) este un proiect finantat de UE ce prevede realizarea unei infrastructuri de distributie a hidrogenului pentru alimentarea a 33 de autobuze folosite in transportul in comun din 9 orase europene. Hidrogenul obtinut din resurse regenerabile in proportie de 50% a fost distribuit la o presiune de 350 bari in statiile diferitelor companii petroliere. In decursul celor doi ani in care s-a desfasurat proiectul cele 33 de autobuze au parcurs un total de 865000 km.

STEP (Sustainable Transport Energy Perth) acest proiect a inceput in anul 2004 si sa desfasurat pe o perioada de 2 ani de zile avand drept scop alimentarea a 3 autobuze folosite la transportul in comun. Hidrogenul necesar a fost furnizar de compania BP,care a asigurat transportul de la rafinaria Kwinana cu ajutorul autocisternelor pana la statiile de alimentare de la depoul autobuzelor.

ECTOS (Ecological City Transport System) a fost un proiect realizat in orasul Rejkjavic pe parcursul a 4 ani in decursul caruia 3 autobuze de transport in comun au realizat 89432 km consumand 17324 kg de hidrogen obtinut fara emisii de CO2. Procedeul de obtinere folosit a fost electroliza apei cu ajutorul curentului electric obtinut din centralel hidro si geotermale.

Fig.5.7 Autobuz alimentat cu hidrogen

Primele statii de distributie a hidrogenului au fost infiintate in Norvegia de catre o compania petroliera Statoil. Automobilele cu hidrogen pot fi alimentate cu hidrogen lichid, cu ajutorul unei instalatii de presurizare. Desii producatroii auto din aceasta tara nu au dezvoltat autoturisme alimentate cu hidrogen , norvegienii au fost foarte receptivi la aceasta tehnologie.

Fig. 5.8 Pompa de alimentare

cu hidrogen

In concluzie distribuția și stocarea sunt doua etape esențiale în lanțul de alimentare al unei infrastructuri de distrbutie a hidrogenului. Companiile din domeniu mentin o stransa colaborare cu operatorii stațiilor de alimentare pentru a găsi cele mai potrivite metode de producție, distribuție și stocare pentru satisfacerea nevoilor logistice și economice.

Instalațiile de stocare și de transport variază de la rezervoare special izolate pentru LH2 la containere presurizate etanșate (butelii, baterii de butelii, rezervoare și conducte) pentru CGH2.  

Automobile alimentate cu hidrogen

Dupa modul de propulsie automobilele alimentate cu hidrogen se pot impartii in doua categorii:

vehicul propulsat de motar cu ardere interna alimentat cu hidroge (H2 Internal Combustion Engine)

vehicul propulsat de motor ectric alimentat de o pila de combustie (PEM Fuel Cell)

La nivel global cercetarile si dezvoltarea producerii si utilizarii hidrogenul ca si combustibil s-au indreptat in principal spre tehnologia PEM Fuel Cell. Hidrogenul este un combustibil alternativ ce se gaseste sub doua forme: hidrogen lichid si hidrogen gazos.

Autovehiculele propulsate de motoare cu ardere interna sunt alimentate cu hidrogen in stare lichida stocat si trasnportat sub presiune foarte mare. Cu ajutorul hidrogenului gazos se pot alimenta atat motoarele cu ardere interna cat si pilele de combustie din componenta autovehiculelor electrice.

Exemple de autovehicule propulsate cu ajutorul motoarelor cu ardere interna alimentate cu hidrogen:

BMW H2R are un motor ce dezvolta o putere de 285 CP, cu ajutorul caruia poate atinge viteze de pana la 300km/h.

Cele 11 kilograme de hidrogen lichid sunt stocate intr un rezervor cu pereti dubli izolati ce se afla situat langa scaunul soferului. Fig.5.9 BMW H2R

BMW Hydrogen 7 este echipat cu un motor ce dezvolta o putere de 260 CP, ce aigura performante ridicate (poate atinge 100lm/h in 9,5 secunde).

Acest autovehicul poate fi propulsat prin dubla alimentatare (benzina+hidrogen).

Fig. 5.10 BMW Hydrogen 7

Hidrogenul lichid (aproximativ 250l) inmagazinat ofeara modelului BMW Hydrogen 7 o autonomie de 200 km, iar in cazul in care acesta nu este utilizat in decurs de 9 zile autonomia este redusa la 20 km.

Fig. 5.10 Rezervorul de hidrogen (BMW Hydrogen 7)

Tabel 5.3 Caracteristicile motorului si ale transmisiei cu care este echipat automobilul BMW Hydrogen 7

Mazga RX-8 Hydrogen RE este echipata cu un motor Wankel (piston rotativ) care este alimentat hibrid (benzina/hidrogen) si dezvolta o putere de 184 Kw (250 CP). Acest motor a fost prezentat in cadrul Salonuluiauto de la Tokyo si se afla in dotarea noii Mazda 5 Hibrid Hydrogen.

Fig. 5.11 Mazda RX-8 Hydreogen RE

Inginerii japonezi au realizat un proiect pentru dezvoltarea motorului rotativ alimentat prin injectie directa, ce avea o capacitate cilindrica de 1600 cm3. Aceasta noua generatie de motorizare este prima care a fost alimentat cu benzina cu ajutorul injectiei directe.

Noul motor a fost proiectat cu dimensiuni marite, dar greutatea si compactitatea acestuia nu au fost afectate. Un prim avantaj il constituie economicitatea, asigurata si de scaderea greutatii automobilului datorata folosirii aluminiului la constructia noului motor.

Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid este un model echipat cu un motor rotativ ce este alimentat combinat cu hidrogen si benzina. Acest motor dezvolta o putere mai mare cu aproximativ 40% decat al modelului Mazda RX-8 Hydrogen RE, detemindand o accelerare mult mai buna. Mazda 5 asigura o autonomie mai mare cu 200 km decat modelul RX-8. Fig 5.12 Mazda 5 Hydrogen RE hybrid

Cele mai importante componentea ale sistemului hibrid sunt:

Motor alimentat cu hidrogen

Generator

Invertor

Motor electric baterie

Regimurile de functionarea ale automobilului determina incararea-descarcare si generarea puterii de catre componentele sistemului hibrid.

Fig 5.13 Alimentarea cu hidrogen si benzina Fig 5.14 Motor rotativ Mazda 5Hydrogen RE

a motorului de pe Mazda 5Hydrogen RE

Functionarea sistemului hibrid de functionare in functie de regimul de functionare al automobilului Mazda 5Hydrogen RE

Pornire – este realizata cu puterea furnizata de baterie

Regim de mers constant –automobilul este propulsat de motorul rotativ cu hidrogen si generator

Regim de mers accelerat –Puterea este furnizata de motorul rotativ si generator+ baterie

Decelerare – In timpul decelerarii energia este recuperată de motor atunci când automobilul este franat și când folosim motorul ca frâna. Energia recuperată reincarca bateria.

Mersul în gol – Pentru o economie crescuta de combustibil motorul se oprește automat. Dacă este necesar, se va restarta și va încarcă bateria.