Reklama

Mechanika - Żródła napędu - silniki stosowane obecnie oraz w przyszłości

Spalanie wodoru. Jak to działa?

dokument
pobierz +

Wodór: czyste i odnawialne paliwo

Wodór jest jednym z najpowszechniej dostępnych paliw: tworzy 75% materii wszechświata. Można go znaleźć w ogromnych ilościach w gwiazdach i wielkich planetach gazowych.

Na Ziemi jednak rzadko występuje w stanie wolnym: na skutek małej masy jest słabo utrzymywany przez siły grawitacji. Występuje jednak w wodzie słodkiej i morskiej. Aby go uwolnić, potrzebna jest elektroliza wody, proces, w którym cząsteczka wody H20 jest rozbijana na dwie części. Powstaje tlen dwuatomowy (02) i wodór dwuatomowy (H2). Do elektrolizy jest potrzebny prąd, który może być wytwarzany na wiele sposobów „przyjaznych” dla środowiska (w elektrowniach wodnych, słonecznych, wiatrowych itp.).

Wodór można uzyskać także z organicznych paliw kopalnych (węgla, ropy naftowej, gazu naturalnego); jest on także produktem ubocznym wielu procesów przemysłowych (chemicznych, spawania itp.).

Spalanie wodoru następuje wg najprostszej reakcji chemicznej: dwie cząstki H2 łączą się z jedną 02 tworząc dwie cząsteczki H20 w postaci pary wodnej, wyzwalając przy tym bardzo dużą ilość energii. Przy tej reakcji powstaje bardzo mało tlenków azotu NOx, emisja CO2 (gazu „cieplarnianego”) jest zerowa.

Wodór jest znacznie bardziej palny niż benzyna. Zapala się pod wpływem niewielkiego impulsu energii, a czoło rozprzestrzenia się znacznie szybciej (ok. 265 cm/s przy mieszance stechiometrycznej, w porównaniu z 40 cm/s benzyny). Wodór ma jednak znacznie mniej energii w jednostce objętości. To paliwo jest szeroko stosowane w rakietach, łącznie z wahadłowcami kosmicznymi, i może być stosowane w silnikach wewnętrznego spalania, jak w RX-8 Hydrogen RE.

W odróżnieniu od paliw kopalnych, wodór jest częścią świetnie zrównoważonego cyklu: uwolniony z wody pod wpływem elektrolizy, po spaleniu zamienia się w parę wodną, która wraca do środowiska. Przy spalaniu paliw kopalnych, powstający CO2 przekracza ilość pochłanianą przez rośliny w naturalnym cyklu przyrody.

Spalanie wodoru nie jest jedynym sposobem na uzyskanie energii do napędzania pojazdu: może on być użyty także w ogniwie paliwowym, w którym reaguje z tlenem tworząc prąd elektryczny. Choć ogniwa paliwowe mają zalety (duża energia, zerowa emisja tlenków azotu), są także złożone i drogie w produkcji. Wymagają również całkowitej zmiany konstrukcji układu przeniesienia napędu i jego rozmieszczenia w samochodzie. Ta technologia jeszcze nie jest dopracowana do powszechnego zastosowania.


Silnik rotacyjny, idealny do paliwa wodorowego

Decyzja Mazdy o zastosowaniu silnika rotacyjnego, a nie silnika o ruchu posuwisto-zwrotnym w jej pojeździe wodorowym nie wynikała tylko z unikalnych doświadczeń firmy z tym źródłem napędu. Silnik rotacyjny jest szczególnie przydatny do spalania paliwa wodorowego.

Jak wspomniano, wodór jest łatwopalny, co może powodować problemy w komorze spalania silnika posuwisto-zwrotnego. W tradycyjnym silniku mieszanina paliwowo-powietrzna jest podawana do gorącej komory spalania, zamykanej przez bardzo gorące zawory wylotowe. Nie są to sprzyjające warunki i dlatego wodór nie jest w takim przypadku atrakcyjnym paliwem.

W silniku rotacyjnym są osobne komory dolotu, spalania i wydechu spalin. Wodór jest wtryskiwany przy niższej temperaturze i dopiero w ostatnim momencie spotyka się z wyższą temperaturą w komorze spalania.

Inną cechą charakterystyczną wodoru jest mniejsza wartość energetyczna przy spalaniu, ponieważ ma on mniejszą gęstość niż benzyna. Mała gęstość wodoru, wtryskiwanego w stanie gazowym, powoduje, że przy ilości potrzebnej spalania zająłby on 29,5% objętości komory spalania, w porównaniu z jedynie 1,7% dla benzyny. To zmniejsza ilość zasysanego powietrza, powodując niekompletne spalanie i zmniejszenie osiągów. Lepszym rozwiązaniem jest zatem bezpośredni wtrysk do komory spalania, by zapobiec temu zjawisku. Łatwiej umieścić dodatkowy wtryskiwacz w komorze dolotowej silnika rotacyjnego niż z boku wąskiej głowicy cylindrów tradycyjnego silnika.

Silnik rotacyjny jest także korzystniejszy niż tradycyjny przy tworzeniu mieszanki wodorowo-powietrznej ze względu na dłuższy cykl pracy. Powstaje bardziej jednorodna mieszanka, która lepiej się spala.

inf MAZDA

Zasoby powiązane


Reklama