Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do...

14
JAROSŁAW DECZYēSKI, BOGDAN ĩÓŁTOWSKI WODÓR JAKO PALIWO ALTERNATYWNE DO ZASILANIA SILNIKÓW ZE SPALANIEM WEWNĉTRZNYM Streszczenie Zakłada siĊ, Īe do 2020 r. minimum 20 proc. paliw zuĪywanych na cele transpor- towe bĊdą stanowiły paliwa alternatywne. Szerokie zastosowanie w praktyce osiągnął tu gaz propan-butan, w znacznie ograniczonym zakresie preferuje siĊ gaz ziemny, natomiast wodór prawdopodobnie stanie siĊ paliwem najbliĪszej przyszłoĞci, pomimo trudnoĞci technicznych związanych z jego zastosowaniem. Wodór jest noĞnikiem energii, nie wystĊpuje w stanie wolnym lecz w postaci związków chemicznych z jego zawartoĞcią. ħródła wytwarzania wodoru są praktycz- nie nieograniczone, a spalanie jest czyste ze wzglĊdu na brak zawartoĞci wĊgla. Gaz ten moĪe stanowiü jedyne Ĩródło zasilania silników, bądĨ stanowiü dodatek do powszechnie stosowanych paliw kopalnych. Słowa kluczowe: wodór, paliwo, silnik, zasilanie silników, elektroliza 1. Wprowadzenie Podstawowym Ĩródłem energii słuĪącym do napĊdu silników spalinowych są paliwa na bazie wyczerpujących siĊ złóĪ ropy naftowej – benzyna i olej napĊdowy. WystĊpuje tu jednak powaĪne zagroĪenie związane zarówno z wyczerpującymi siĊ zasobami tych paliw, jak równieĪ z pogłĊbia- jącymi siĊ skutkami efektu cieplarnianego [1, 2, 7]. W związku z powyĪszym trwają intensywne badania oraz próby zastosowania do napĊdu silni- ków spalinowych innych, alternatywnych paliw. Najlepsze rezultaty uzyskuje siĊ podczas zasilania tych silników biopaliwami, oraz wodorem. W UE wszystkie oleje napĊdowe objĊte są normą PN-EN 590+A1:2010 i mogą zawieraü do 7% biokomponentów. Teoretycznie moĪliwe uĪycie samego oleju rzepakowego (OR) w silniku z ZS mogłoby zaspokoiü 7% rocznego zapotrzebowania naszego kraju na olej napĊdowy[1]. Zastosowanie wodoru jako paliwa odbywa siĊ w trzech kierunkach: jako ogniwo paliwowe wy- twarzające energiĊ elektryczną wykorzystywaną dalej w samochodowym silniku elektrycznym, jako wyłączne paliwo napĊdzające silnik spalinowy, oraz jako dodatek do powszechnie stosowanej ben- zyny i oleju napĊdowego.

Transcript of Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do...

Page 1: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

JAROSŁAW DECZY SKI, BOGDAN ÓŁTOWSKI

WODÓR JAKO PALIWO ALTERNATYWNE DO ZASILANIA SILNIKÓW ZE SPALANIEM WEWN TRZNYM

Streszczenie Zakłada si , e do 2020 r. minimum 20 proc. paliw zu ywanych na cele transpor-

towe b d stanowiły paliwa alternatywne. Szerokie zastosowanie w praktyce osi gn ł tu gaz propan-butan, w znacznie

ograniczonym zakresie preferuje si gaz ziemny, natomiast wodór prawdopodobnie stanie si paliwem najbli szej przyszło ci, pomimo trudno ci technicznych zwi zanych z jego zastosowaniem.

Wodór jest no nikiem energii, nie wyst puje w stanie wolnym lecz w postaci zwi zków chemicznych z jego zawarto ci . ródła wytwarzania wodoru s praktycz-nie nieograniczone, a spalanie jest czyste ze wzgl du na brak zawarto ci w gla. Gaz ten mo e stanowi jedyne ródło zasilania silników, b d stanowi dodatek do powszechnie stosowanych paliw kopalnych.

Słowa kluczowe: wodór, paliwo, silnik, zasilanie silników, elektroliza

1. Wprowadzenie

Podstawowym ródłem energii słu cym do nap du silników spalinowych s paliwa na bazie wyczerpuj cych si złó ropy naftowej – benzyna i olej nap dowy. Wyst puje tu jednak powa ne zagro enie zwi zane zarówno z wyczerpuj cymi si zasobami tych paliw, jak równie z pogł bia-j cymi si skutkami efektu cieplarnianego [1, 2, 7].

W zwi zku z powy szym trwaj intensywne badania oraz próby zastosowania do nap du silni-ków spalinowych innych, alternatywnych paliw. Najlepsze rezultaty uzyskuje si podczas zasilania tych silników biopaliwami, oraz wodorem.

W UE wszystkie oleje nap dowe obj te s norm PN-EN 590+A1:2010 i mog zawiera do 7% biokomponentów. Teoretycznie mo liwe u ycie samego oleju rzepakowego (OR) w silniku z ZS mogłoby zaspokoi 7% rocznego zapotrzebowania naszego kraju na olej nap dowy[1].

Zastosowanie wodoru jako paliwa odbywa si w trzech kierunkach: jako ogniwo paliwowe wy-twarzaj ce energi elektryczn wykorzystywan dalej w samochodowym silniku elektrycznym, jako wył czne paliwo nap dzaj ce silnik spalinowy, oraz jako dodatek do powszechnie stosowanej ben-zyny i oleju nap dowego.

Page 2: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

19

2. Wła ciwo ci fizyczne wodoru

Wodór w zale no ci od temperatury wyst puje w trzech stanach skupienia. Dla ci nienia 1 atm temperatura topnienia wynosi 13,95K, natomiast temperatura wrzenia odpowiednio 20,39K [4]. Po-siada najni sz g sto w ród gazów, cieczy i ciał stałych. Pod ci nieniem 1 atm i w temperaturze 293K g sto ta wynosi 0,08376 kg/m3, a dla cieczy o temperaturze 20K g sto wodoru wynosi 70,8 kg/m3. Czysty wodór w postaci gazowej jest nietoksyczny, lecz po poł czeniu z tlenem tworzy mieszank wybuchow .

3. Parametry charakteryzuj ce wodór jako paliwo

Rys. 1. Parametry charakteryzuj ce wodór, jako paliwo

ródło: opracowanie własne.

3.1. Warto opałowa

Warto opałowa jest to ilo ciepła powstała podczas całkowitego i zupełnego palenia jed-nostki paliwa (1m3 lub 1kg wodoru) przy zało eniu, e spaliny zostały ochłodzone do temperatury pierwotnej substratów, a woda znajduj ca si w spalinach jest w postaci pary.

Tab. 1. Zestawienie warto ci opałowej dla ró nych paliw

Paliwo Warto opałowa (przy t=250C i p=1atm) [kJ/g] Wodór 119,93 Metan 50,02

Propan 45,6 Benzyna 44,5 Olej nap dowy 42,5 Metanol 18,05

ródło: [8].

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014

Page 3: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

Jarosław Deczy ski, Bogdan ółtowski Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym

20

Pomimo tak korzystnej warto ci pami ta jednak nale y, e g sto wodoru w warunkach nor-malnych jest du o mniejsza ni metanu i jeszcze mniejsza od g sto ci benzyny i oleju nap dowego.

3.2. Granice palno ci

Pod tym poj ciem rozumie si stosunek obj to ciowy paliwa do powietrza, przy którym nast puje zapłon mieszanki. W przypadku wodoru obejmuj one zakres od 4% do 75% zawarto ci wodoru w powietrzu.

Rys. 2. Granice palno ci wodoru

ródło: [2, 4].

Plusem jest, to e dolna granica palno ci dla wodoru wynosi 4%, a dla oparów oleju nap do-wego tylko 0,6% a benzyny 1%, co oznacza e wodór przy małych st eniach jest bezpieczniejszy.

Page 4: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

21

3.3. Liczba oktanowa

Parametr ten okre la odporno mieszanki paliwowo-powietrznej na samozapłon i spalanie de-tonacyjne podczas spr ania mieszanki oraz podczas rozpocz tego ju procesu spalania mieszanki w cylindrze silnika ZI.

Tab. 2. Zestawienie liczb oktanowych ró nych paliw

Paliwo Liczba oktanowaWodór 130 (badawcza), 70 (motorowa)Metan 125Propan 105Benzyna 87–98Olej nap dowy 30

ródło: [4].

3.4. Pr dko spalania

Pr dko spalania charakteryzuje nam dynamik procesu spalania, szybko , z jak płomieprzesuwa si przez paln mieszanin gazów.

Dynamika procesu spalania wodoru jest du o wy sza ni innych paliw.

Tab. 3. Zestawienie pr dko ci spalania wybranych paliw

Mieszanka Pr dko spalania[m/s] Wodoru z powietrzem 2,65 – 3,25 Benzyna z powietrzem 0,37 – 0,43 Metan z powietrzem 0,37 – 0,45

ródło: [4].

3.5. Temperatura samozapłonu

Temperatura samozapłonu jest to temperatura, przy której ciepło wydzielone z reakcji utlenie-nia w jednostce czasu jest równe ciepłu wypromieniowanemu do otoczenia. Mamy z ni do czynienia wówczas, gdy wytworzy si palna mieszanina w nieobecno ci ródła zapłonu.

Dla wodoru temperatura samozapłonu jest relatywnie wysoka w porównaniu z innymi paliwami

Tab.4. Zestawienie temperatur samozapłonu

Paliwo Temperatura samozapłonu [°C] Wodór 585 Metan 540 Propan 490 Metanol 385 Benzyna od 230 do 480

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014

Page 5: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

Jarosław Deczy ski, Bogdan ółtowski Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym

22

3.6. Odległo krytyczna propagacji płomienia

Odległo krytyczna to minimalna szeroko szczeliny, przy której nie wyst puje dalsza propa-gacja otwartego płomienia w mieszance paliwowo powietrznej.

Odległo krytyczna zale y od składu mieszanki, temperatury, ci nienia oraz od kształtu szcze-liny. Przy du ych nieszczelno ciach zaworków w silnikach tłokowych mo e nast pi cofni cie sipłomienia do przewodu doprowadzaj cego mieszank

Tab. 5. Zestawienie odległo ci krytycznej dla ró nych paliw w warunkach normalnych

Paliwo Odległo krytyczna [mm] Wodór 0,4 Metan 2 Propan 2 Benzyna 2

ródło: [4].

4. Zapotrzebowanie powietrza do spalania wodoru i zysk energetyczny

Z analizy stechiometrycznej procesu spalania wynika e spalanie wodoru w warunkach normalnych (p=0,1 MPa, T=273,15 K) przebiega według poni szej reakcji [2,4]:

2H2 + O2 2H2O Obj to wzgl dna powietrza do tego celu wynosi 2,4 obj to ci wodoru

Vt = 2,4 VH2Do spalenia wodoru nale y dostarczy 34 razy wi cej powietrza

m powietrza = 34,33 mH2Dla porównania – do spalania benzyny nale y dostarczy tylko 14,7 razy wi cej powietrza,

czyli proporcjonalnie 0,43 razy mniej ni do spalania wodoru.

Page 6: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

23

Ga nikBenzyna

Ga nikWodór gazowy

Ga nikWodór ciekły

Wtrysk bezpo r.Wodór

Obj to teor. paliwa [cm3] 17 300 405 420

Obj. teor. powietrza [cm3] 983 700 95 1000

Energia wyzwolona [kJ] 3,5 3 4 4,2 Zysk energetyczny [%] 100 85 115 120

4.1. Porównanie ró nych systemów wprowadzenia paliwa do cylindra o obj to ci 1000 cm3

Rys. 3. Porównanie ró nych systemów wprowadzenia paliwa do cylindra o obj to ci 1000 cm3

ródło: opracowanie własne.

Zysk energetyczny w stosunku do benzyny uzyskano wprowadzaj c wodór pod wysokim ci nieniem albo wodór płynny. Kosztem tego spalanie odbywa si z niedomiarem powietrza ( <1) i wzrostem NOX. Graniczn warto ci ø funkcj ø b d cej stosunkiem warto ci stechiometrycznej powietrze/paliwo do warto ci aktualnej jest 0,5, do której emisja NOX jest stosunkowo mała.

5. Problemy z zastosowaniem wodoru jako paliwa w silnikach tłokowych [2, 3, 4, 5]

5.1. Przedwczesny zapłon jako główny problem w zastosowaniu wodoru w silnikach tłokowych

Podstawowe przyczyny wyst powania samozapłonu: • bardzo niska energia zapłonu wodoru (0,02 mJ);• szeroki zakres granic palno ci 4%–75%;• mała odległo krytyczna propagacji płomienia.

Skutki wyst powania samozapłonu: • spadek sprawno ci• nierówna praca silnika,• mo liwo dostania si płomienia do przewodu dolotowego.

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014

Page 7: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

Jarosław Deczy ski, Bogdan ółtowski Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym

24

5.2. Problemy z magazynowaniem wodoru w pojazdach [2, 3]

• w przypadku kompresji gazu wyst puje potrzeba wytworzenia dodatkowej energii do spr e-nia, a zbiorniki w pojazdach musz by du e, aby pomie ci odpowiedni ilo (np.: V = 171l),

• płynny wodór pochłania du o energii oraz musi by ochładzany do temperatury –253° – wy-st puje problem utrzymania tej temperatury przez dłu szy czas i du a obj to zbiornika,

• przechowywanie w postaci wodorków metali lub sorbentów o du ej powierzchni – proble-mem jest tu ci ar i du a obj to zbiornika.

Tab. 6. Zestawienie ró nic obj to ci i wag zbiorników magazynuj cych energi o równowarto ci 1044500 kJ m

ródło: [4].

6. Sposoby wykorzystywania wodoru do nap du samochodów

Rys. 4. Sposoby wykorzystywania wodoru do nap du samochodów

ródło: opracowanie własne.

Zbiornik na: Masa paliwa [kg] Masa paliwa i zbiornika [kg] Zajmowana obj to [dm3]

Benzyn 22 27 30Metanol 49 57 62Wodorek FeTi-H2 8,2 772 340Spr ony wodór 250 bar 8,2 285 479Spr ony wodór 350 bar 8,2 205 368Ciekły wodór 8,2 73 115

Page 8: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

25

7. Współspalanie wodoru z paliwami w glowodorowymi w silnikach z zapłonem iskrowym

• kilkakrotnie ni szy ni dla metanu i benzyny próg palno ci wodoru rozszerza zakres palno-ci ubogich mieszanek,

• dolna warto opałowa masowa wodoru wynosi 119,8 MJ/kg i jest prawie 3- krotnie wi kszaod tak samo zdefiniowanych warto ci opałowych gazu i benzyny, lecz uwzgl dniaj c ró -nice g sto ci wodoru oraz paliw w glowodorowych, mo na stwierdzi , e obj to ciowadolna warto opałowa wodoru wynosi 10,2 MJ/m3, gazu 33,9 MJ/m3 i benzyny 216,4MJ/kg.,

• szybko spalania wodoru jest 7 razy wi ksza od szybko ci spalania metanu i benzyny, czylimniej ciepła przechodzi do rodowiska przez wypromieniowanie (tylko 17–25%). W przy-padku metanu jest to 22–33%, a w przypadku benzyny 30–42%,

• w porównaniu z w glowodorami wodór charakteryzuje si du dyfuzyjno ci co wpływana dobr mieszalno , turbulencj i homogenno mieszaniny,

• bardzo mała warto energii zapłonu umo liwia natychmiastowy zapłon i łatwy zimny start,• szczelina tłumienia, w obr bie której rozwija si płomie , jest 3-krotnie mniejsza od ana-

logicznego parametru dla paliw w glowodorowych, co oznacza, e płomie b dzie biegł• bli ej cian cylindra, a spalenie b dzie efektywniejsze,• dodatek wodoru powoduje zmniejszenie emisji CO i HC i wzrost emisji NOX, zwi ksza

te sprawno termiczn w poł czeniu z prac na mieszance ubogiej.

8. Zastosowanie generatora wodoru do nap du silników z zapłonem iskrowym

Zastosowanie generatora wodoru (wytwornicy) produkuj cego gaz z wykorzystaniem elektro-lizy wody lub w celu polepszenia wydajno ci wodorotlenku potasu pozwala na współspalanie tego produktu wraz z benzyn i LPG bez potrzeby jego magazynowania. Wydajno generatora dobiera si w taki sposób aby cały wodór i tlen wyprodukowany na bie co uległ spaleniu. Praca wytwor-nicy rozpoczyna si wraz z obrotami silnika i ko czy po jego zatrzymaniu. W wyniku elektrolizy otrzymuje si wodór i tlen w proporcji 2/1. W procesie spalania wykorzystywany jest nie tylko wo-dór, ale równie tlen, który poprawia stabilizacj płomienia. Pomimo 3,5 krotnie wi kszego kosztu elektrolizy w porównaniu z uzyskiwaniem wodoru z reformingu parowego metanu, wydaje si ona najbardziej celow w transporcie, poniewa nie wyst puje tu du y i ci ki zbiornik na wodór. Istot-nym jest tu tak e aspekt bezpiecze stwa, poniewa cały wygenerowany wodór ulega na bie co spaleniu, a wszelkie ewentualne wycieki natychmiast przechodz do atmosfery nie powoduj c ad-nego zagro enia. Efektywny proces elektrolizy w praktyce zachodzi w przedziale napi 1,75–2,3V, a na wyprodukowanie 1m3 wodoru w tym zakresie napi potrzeba około 5 kWh energii elektrycz-nej. Do procesu współspalania w silnikach iskrowych o pojemno ci skokowej 3000 ccm wystarczy szacunkowo 0,2 m3/h czyli około 1 kW.

Efektywno ekonomiczn tej metody mog zwi kszy badania zwi zane z doborem odpo-wiednich elektrod i membran, zmian temperatury, ci nienia i g sto ci pr du procesu elektrolizy, oraz dobór odpowiednich parametrów mechatroniki pojazdu.

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014

Page 9: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

Jarosław Deczy ski, Bogdan ółtowski Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym

26

8.1. Generator wodoru z ogniw suchych DC 3000 [2]

Dost pny na rynku Portugalski generator HHO z ogniw suchych Dry-Cell DC 3000 jest prze-znaczony dla pojazdów ZI i ZS – 3000 do 4000 ccm.

Rys. 5. Fabryczny zestaw systemu Dry-Cell DC 3000

ródło: opracowanie własne.

Zasada działania systemu polega na odessaniu pró niowym z wlotu powietrza pojazdu, które przenosi HHO bezpo rednio do komory spalania, mieszaj c si z powietrzem / paliwem. Punkt wtry-sku jest umiejscowiony za polem filtra powietrza lub za przepływomierzem MAF.

Rys. 6. Schemat działania systemu Dry-Cell DC 3000

ródło: [3].

Wewn trz generatora Dry- Cell poł czenia s w nast puj cej kolejno ci:

+ NNN – NNN + NNN – NNN + NNN – NNN +

Page 10: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

27

Rys. 7. Poł czenie elektryczne z rdzeniem generatora Dry-Cell 3000

ródło: opracowanie własne.

W generatorze Dey-Cell 3000 główny problem stanowi tu rozproszony osprz t: zbiornik na ciecz, przewody ł cz ce, pompa cyrkulacyjna, chłodnica elektrolitu, osuszacz, filtr siatkowy i zawór dławi cy.

8.2. Hydrogeniczne ogniwo paliwowe HOP-1

Generator ten stanowi zgłoszenie patentowe w UPRP P.405757 z dnia 24.10.2013. Przedmiotem wynalazku jest kompaktowe ogniwo paliwowe zasilane pr dem stałym 12V lub

24V i nat eniu 25A o nazwie „HYDROGENICZNE OGNIWO PALIWOWE”, którego celem jest efektywne (do 4l/min) wytworzenie wodoru i tlenu o wysokiej czysto ci.

Zadanie postawione wynalazkowi to obni enie zu ycia konwencjonalnych paliw kopalnych ro-popochodnych na poziomie 25–40% oszcz dno ci, bez zmian konstrukcyjnych, podniesienie sprawno ci silnika ze szczególnym zachowaniem kryterium ich trwało ci i niezawodno ci.

W rozwi zaniu uwzgl dniono nowoczesne sterowanie prac ogniwa zapewniaj ce: • sterowanie prac sondy lambda przy wykorzystaniu EFIE,• kontrolowanie ilo ci podawanego paliwa (wodór + tlen) do komory spalania,• sterowanie nat eniem pr du przy pomocy PWM,• zastosowanie przeka nika (40A) wł czaj cego i wył czaj cego ogniwo wraz silnikiem.Znamiona wyró niaj ce generator HOP-1 • generator ten posiada kompaktow , modułow obudow kompozytow o wysokiej wytrzy-

mało ci chemicznej i mechanicznej, w której zostały rozmieszczone trzy komory reakcyjne.Ka da z tych komór składa si z 2 cel,

• powierzchnia robocza płyt wynosz ca 3.443,10 cm2 stanowi prawie dwukrotnie wi ksze polepracy od Dry Cella,

+ NNN -

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014

Page 11: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

Jarosław Deczy ski, Bogdan ółtowski Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym

28

• komory ogniwa posiadaj regulacj poboru pr du a tym samym wydajno ci produkcji wodoru w zakresie od 8A do 14A, a pobór pr du jednej celi jest w zakresie od 4A do 7A,

• urz dzenie jest kompatybilne z dost pnymi na rynku układami elektronicznymi PWM (mo-dulator szeroko ci impulsów), EFIE (pojazdy wyposa one w sond lambda), MAP/MAF,

• ogniwo współpracuje z inteligentnym systemem zabezpieczaj cym rdze przed przeci e-niem i przegrzaniem mo e pracowa sekwencyjnie chłodz c poszczególne cele,

• ogniwo współpracuje z inteligentnym systemem steruj cym polaryzacj zasilania płyt celikomór, co w cyklu u ytkowania powoduje cz ciowe samooczyszczanie si powierzchni płytposzczególnych komór ogniwa i nie wymaga stosowania filtrów wymiennych elektrolitu,

• maksymalna wydajno ogniwa wynosi 3,0 litry na minut dla nat enia pr du 25A,• na wyj ciu zastosowano komor przeciw pluskow i filtry: mokry i suchy.• obsługa okresowa (coroczna lub co 15000 km przebiegu) ogranicza si do wizyty w wyzna-

czonym punkcie obsługi w celu dokonania oceny stanu płyt celi komór ogniwa i przepłukaniuich specjalnym płynem

• zu ycie płynów eksploatacyjnych na 1000 km przebiegu: 50 ml KOH i 1l wody destylowanej.W generatorze HOP-1 wykorzystano przedstawione poni ej sposoby rozmieszczenia płytroboczych w zale no ci od dwóch wariantów zasilania pr dem o napi ciu 12 V lub 24 V.

Rys. 8. Warianty lokalizacji pyt roboczych dla 12V i 24V

ródło: opracowanie własne.

Rys 9. Fotografia pogl dowa generatora HOP-1

Page 12: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

29

8.2.1. Przeprowadzone badania wst pne

Generator HOP-1 poddano badaniom na kompleksowej hamowni silnikowej wyposa onej w hamulec hydrauliczny. Bior c pod uwag stopie zaawansowania bada nale y mie wiadomo , e uzyskane wyniki stanowi tylko sfer rozpoznawcz i jako ciow . Dokładne zbadanie propono-

wanego wynalazku wymaga czasu i znacznych nakładów finansowych. Badaniom poddano jednostk nap dow VQ30DE o pojemno ci 2988 cm3 i mocy 142KW.

Rys. 10. Sonda Lambda, przej cie z trybu pracy nominalnej na prac z zał czonym HOP-1

ródło: opracowanie własne.

Rys. 11. Ustabilizowany przebieg pracy Sondy Lambda z zał czonym HOP-1 – przej cie z biegu jałowego do wy szej pr dko ci obrotowej wału korbowego silnika o ZI

ródło: opracowanie własne.

Rys. 12. Ko cowy rezultat testów poszczególnych systemów oraz czujników

ródło: opracowanie własne.

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014

Page 13: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

Jarosław Deczy ski, Bogdan ółtowski Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym

30

9. Podsumowanie

wiatowe zasoby złó ropy naftowej szacowane s na około 30 lat. W zwi zku z powy szym, jak równie z rosn c na skutek spalania paliw ropopochodnych emisj CO2 do atmosfery zakłada si , e do roku 2020 minimum 20% paliw u ywanych do celów transportowych b d stanowi pa-liwa alternatywne. Obok propanu – butanu, biopaliw czy metanu trwaj szeroko zakrojone prace nad zastosowaniem do tych celów wodoru. Wodór nie jest ródłem energii, lecz podobnie jak pr d elektryczny, jej no nikiem. Zasoby wodoru s praktycznie nieograniczone, a produktem jego spala-nia jest woda.

Wodór mo e u ywany do nap du silników spalinowych w trojaki sposób: jako samodzielne paliwo, jako czynnik wytwarzaj cy energi elektryczn zasilaj c silnik elektryczny nap dzaj cy pojazd i jako suplement do dotychczas stosowanych paliw ropopochodnych.

Powa nym problemem zwi zanym z bardzo mał g sto ci wodoru jest jego magazynowanie i w przypadku zasilania silnika spalinowego samym wodorem nale y gaz ten podda spr eniu do 35 MPa, lub zamrozi do temperatury -253oC. Zbiorniki na wodór s wi c du e i ci kie, a w przy-padku wodoru płynnego, dodatkowo termoizoluj ce. Problemów tych pozbawione jest tak zwane współspalanie wodoru z paliwami na bazie ropy naftowej np.: z benzyn . Dodatkowym atutem jest tu wykorzystanie najbardziej korzystnych cech wodoru i paliwa bazowego. Do współspalania w sil-niku benzynowym o pojemno ci 3000 ccm wyst puje zapotrzebowanie wodoru około 4l/min. Takilo gazu mo e wyprodukowa na bie co elektrolityczny generator wodoru HOP-1 zasilany pr -dem o napi ciu 12V lub 24V i regulowanym nat eniu do 25A. Wodór produkowany za pomocelektrolizy wody lub wodorotlenku jest jednak stosunkowo drogi. Zało one na poziomie 40% osz-cz dno ci benzyny s pomniejszone o wyprodukowanie pr du, nawet o 20%.

Generator HOP-1 poddano badaniom na kompleksowej hamowni silnikowej wyposa onej w hamulec hydrauliczny. Bior c pod uwag stopie zaawansowania bada nale y mie wiado-mo , e uzyskane wyniki stanowi tylko sfer rozpoznawcz i jako ciow . Dokładne zbadanie proponowanego wynalazku wymaga czasu i znacznych nakładów finansowych.

Bibliografia

1. Baczewski K., Kołdo ski T.: Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym. WydawnictwaKomunikacji i Ł czno ci, Warszawa, 2008.

2. Chmielniak T.J.: Zeszyt seminaryjny: Maszyny, urzadzenia i systemy gazowych układów ko-generacyjnych i trójgeneracyjnych małej mocy. Ogniwa paliwowe w układachenergetycznych małej mocy, Cz stochowa, 2006, pp.179–189.

3. Doppler M.: Rozwój i przyszło nap du hybrydowo-wodorowego dla samochodów. Akade-mia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków, 2005.

4. Surygała J.: Wodór, jako paliwo. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne: Warszawa, 2008.5. Wajand J.A., Wajand J.T.: Tłokowe silniki spalinowe rednio- i szybkoobrotowe. WNT War-

szawa 2005.6. ółtowski B., Cempel C.: Engineering of diagnostics machines. PTDT, ITE – PIB, Radom,

ISBN 83-7204-414-7, 2004 s.1109.

Page 14: Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze ......Wodór jako paliwo alternatywne do zasilania silników ze spalaniem wewn trznym 22 3.6. Odleg ło ü krytyczna propagacji

31

HYDROGEN AS ALTERNATIVE FUELS FOR POWERING ENGINES WITH THE INTERNAL BURN

Summary He is betting, that up to 2020 alternative fuels will be determining the yr of the

minimum of 20 percent of fuels consumed to transport purposes. Wide the practical implementation reached gas here propane-butane, in the much reduced scope a natu-ral gas is preferred, however hydrogen will probably become a fuel of the foreseeable future, in spite of technical problems connected with using it. Hydrogen is a means of conveying the energy, isn't appearing in the singleness but in the form of connections chemical with his content. his sources of the production are practically unrestricted, and the burn is clean on account of the lack of the carbon content. This gas can con-stitute the only power source of engines, or constitute the addition to universally used fossil fuels.

Keywords: hydrogen, fuel, engine, powering engines, the electrolysis

Jarosław Deczy ski Bogdan ółtowski Wydział In ynierii MechanicznejUniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczye-mail: [email protected]

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014