Hidrogén belső égés: hogyan működik?

Összeállította: FARAGÓ Erik, 3. osztályos tanuló, Egészségügy Szakközépiskola, Újvidék
Forrás: www.mtv.hu, www.mazda.hu

A hidrogén üzemanyagként történő hasznosítása a 70-es évek óta foglalkoztatja az autóipart. Nem veszélyezteti az atmoszférát, nincsenek káros kibocsátások, korlátlanul áll rendelkezésre és számtalan módszerrel előállítható.

A hidrogén az egyik legszélesebb körben fellelhető üzemanyag: a világegyetem 75 százalékban hidrogénből áll. Rendkívül nagy mennyiségben fordul elő csillagokban és a gázóriásokban.
A Földön ezzel szemben természetes állapotban igen ritka (rendkívül kis tömege miatt legyőzi a gravitációs vonzást). Megtalálható a vizekben. Kinyeréséhez elektrolizálni kell a vizet: ennek során a H₂O vízmolekulát kettébontjuk, egyrészről dioxigénre (O₂), másfelől dihidrogénre (H₂). Az elektrolízishez áramra van szükség, ami számtalan különféle módon (szél-, nap-, vízenergia stb.) állítható elő.

A hidrogén a szerves ásványi anyagokból (szén, olaj, földgáz) is kinyerhető, illetve számos ipari folyamatnak (vegyi folyamatok, hegesztés stb.) eleve mellékterméke.

A hidrogén égése a legegyszerűbb kémiai formula szerint megy végbe: két H₂ molekula egy O₂ molekulával egyesülve kettő légnemű (pára) H2O molekulát képez, miközben jelentős mennyiségű energia szabadul fel. Ez a folyamat rendkívül kevés nitrogénoxidot hoz létre, és egyáltalán nem jár az üvegházhatás kialakulásáért felelős gázok között számon tartott CO₂ kibocsátásával.

A hidrogén igen robbanékony
























A hidrogén jóval robbanékonyabb, mint a hagyományos benzin. Igen kis koncentrációban is elegendő (az égés már 4%-os telítettség mellett létrejön), a lángfront pedig jóval gyorsabban terjed (sztöichiometrikus körülmények között hozzávetőlegesen 265 cm/mp, szemben a benzin 40 cm/mp sebességével). Ugyanakkor a hidrogén térfogati egységre jutó energiatartalma csekélyebb. Üzemanyagként széles körben alkalmazzák az űrrakéták, többek között a Space Shuttle űrrepülőgép hajtására, valamint belső égésű motor üzemeltetésére is alkalmas, amint azt az RX-8 Hydrogen RE is tanúsítja.

Az ásványi üzemanyagoktól eltérően a hidrogén egy teljesen kiegyensúlyozott körforgás eleme: a vízből elektrolízissel kinyert hidrogén felhasználását követően vízpára formájában felszabadul, és visszatér a víz természetes körforgásába. Ezzel szemben az ásványi üzemanyag elégetése során keletkező C0₂ nagy mértékben meghaladja azt a mennyiséget, amelyet a növények felvenni képesek.

A jármű hajtásához szükséges energia nem csupán a hidrogén elégetésével szabadítható fel: a hidrogén üzemanyagcella működtetésére is alkalmas. Ebben oxigénnel lép kölcsönhatásra, és ennek során elektromos áram keletkezik. Annak ellenére, hogy az üzemanyagcella kétségtelen előnyökkel rendelkezik (nagy teljesítmény, nulla NOx-emisszió), rendkívül összetett és költségesen gyártható, valamint a hajtáslánc, illetve annak beépítési módjának teljes mértékű áttervezését teszi szükségessé. Ez a technológia éppen ezért nem kellőképpen érett arra, hogy a mindennapokban használjuk.

A forgótárcsás motor: optimális a hidrogén üzemanyag befogadására















Az, hogy a Mazda a dugattyús motor helyett a forgótárcsás konstrukciót választotta hidrogénüzemű járműveihez, nem csupán a márka ezen a téren szerzett egyedülálló tapasztalatának és sikereinek tudható be. A hidrogén üzemanyag alkalmazásának ugyanis különleges feltételei vannak, amelyeket a forgótárcsás motor különösen jól teljesít.
Amint már láttuk, a hidrogén rendkívül robbanékony, ami egy dugattyús motor égésterében problémákat (abnormális égést) okozhatna. A hagyományos szerkezetű erőforrásokban a levegő-üzemanyag keveréket közvetlenül egy nagy hőmérsékletű égéskamrába fecskendezik be, amelyet forró kipufogógázok zárnak le. Ezek aligha nevezhetők ideális körülményeknek, épp ezért a hidrogén kevéssé tekinthető alkalmasnak az alternáló mozgást végző erőforrások üzemeltetésére.

Ezzel szemben a forgótárcsás motor különálló szívó-, munkavégző és kipufogókamrákkal rendelkezik. A hidrogént ezért kisebb hőmérsékleten fecskendezzük be, és csak az utolsó pillanatban kerül kapcsolatba az égéskamra magasabb hőmérsékletű környezetével.
A hidrogén másik alapvető jellemzője, hogy azonos térfogat mellett elégetve kevesebb energiát termel, mivel sűrűsége kisebb a benzinénél.

A gáz halmazállapotban befecskendezett hidrogén kis fajsűrűsége azt jelenti, hogy az égéshez szükséges mennyiség elérésekor az égéskamra 29,5 %-át tenné ki, szemben a benzin 1,7 százalékos térfogati arányával.
Ez pedig azt jelentené, hogy az égéstérbe kevesebb levegő jutna, ami tökéletlen égést és kisebb teljesítményt eredményezne.



Éppen ezért kedvezőbb, ha a jelenség kiküszöbölése érdekében a közvetlen befecskendezés mellett döntünk. Ebből a szempontból pedig ismét csak előnyösebb a forgótárcsás motor, hiszen annak beömlőkamrájában könnyebb még egy befecskendezőt elhelyezni, mint egy dugattyús motor keskeny hengerfején.

Végezetül a forgótárcsás motor hosszabb üteme miatt alkalmasabb a levegő-hidrogén keverék elegyítésére, mint a dugattyús erőforrások. A végeredmény egy homogénebb, és ezáltal jobb égést eredményező keverék.