Vodíkový pohon

Vozidlo s vodíkovým spaľovacím motorom (HICEV) je typ vodíkového vozidla používajúceho spaľovací motor .  Vodíkové vozidlá s vnútorným spaľovaním sa líšia od vozidiel na vodíkové palivové články (ktoré využívajú skôr elektrochemické využitie vodíka ako spaľovanie). Namiesto toho je vodíkový spaľovací motor jednoducho upravenou verziou tradičného benzínového spaľovacieho motora.

História 
Francois Isaac de Rivaz skonštruoval v roku 1806 motor De Rivaz, prvý spaľovací motor, ktorý pracoval na zmesi vodíka a kyslíka.  Étienne Lenoir vyrobil Hippomobile v roku 1863. Paul Dieges patentoval v roku 1970 úpravu spaľovacích motorov, ktorá umožňovala benzínovému motoru bežať na vodík. 

Tokyo City University vyvíja vodíkové spaľovacie motory od roku 1970.  Nedávno vyvinuli vodíkové autobusy  a nákladné vozidlá.

Mazda vyvinula Wankelove motory, ktoré spaľujú vodík. Výhodou použitia spaľovacieho motora, ako napr. Wankelove a piestové motory, je skutočnosť, že náklady na prestavbu výroby (v továrni) sú podstatne nižšie. Spaľovacie motory je tak možno stále použiť na riešenie problémov, pri ktorých palivové články ešte nie sú životaschopným riešením, napríklad v aplikáciách za studeného počasia.

V rokoch 2005 - 2007 BMW testovalo luxusné auto s názvom BMW Hydrogen 7 poháňané vodíkovým spaľovacím motorom, ktoré dosiahlo 301 km / h (187 mph) v testoch.  Boli vyrobené aspoň dva z týchto konceptov. 

Tiež boli demonštrované vysokozdvižné vozíky na vodíkový spaľovací motor  na základe konvertovaných naftových spaľovacích motorov s priamym vstrekovaním . 

V roku 2000 bola Shelby Cobra prevedená na vodík v projekte, ktorý viedol James W. Heffel (v tom čase hlavný inžinier Kalifornskej univerzity v Riverside CE-CERT). Konverzia vodíka sa uskutočnila s cieľom vyrobiť vozidlo schopné prekonať súčasný pozemný rýchlostný rekord pre vozidlá na vodíkový pohon.    Dosiahla úctyhodných 174 km/h, čím neprekonala svetový rekord vo vozidlách na vodíkový pohon iba o 0,16 km/h. 

Spoločnosť Alset GmbH vyvinula hybridný vodíkový systém, ktorý umožňuje vozidlu používať benzín a vodíkové palivá jednotlivo alebo súčasne so spaľovacím motorom . Táto technológia bola použitá s Aston Martin Rapide S počas 24 hodinového závodu Nürburgring. Rapide S bol prvým vozidlom, ktoré dokončilo tento závod s vodíkovou technológiou. 

Vývoj vodíkových spaľovacích motorov sa v poslednom čase teší čoraz väčšiemu záujmu, najmä pre ťažké úžitkové vozidlá (Kamióny). Súčasťou motivácie je zámer využiť vodík ako premosťujúcu technológiu, na splnenie budúcich cieľov v oblasti emisií CO2 ako technológia viac kompatibilná s existujúcimi automobilovými poznatkami a výrobou.

Účinnosť 
Pretože vodíkové spaľovacie motory sú tepelné motory, ich maximálna účinnosť je obmedzená Carnotovým princípom účinnosti. V porovnaní s tým je účinnosť palivového článku obmedzená Gibsovou voľnou energiou, ktorá je zvyčajne vyššia.

Vodíkové spaľovacie motory sú z hľadiska účinnosti obzvlášť citlivé na prechodné zaťaženie, a preto sú vhodnejšie na prevádzku pri konštantnom zaťažení.

Emisie splodín 
Pri spaľovaní vodíka s kyslíkom sa ako jediný produkt vytvára vodná para:

 2H 2 + O 2 → 2 H 2 O

S použitím kyslíka vo vzduchu však pri spaľovaní vodíka môžu vznikať oxidy dusíka známe ako NO x . V tomto je spaľovací proces podobný ostatným vysokoteplotným palivám, ako je petrolej, benzín, nafta alebo zemný plyn. Vodíkové spaľovacie motory sa preto nepovažujú za nulovo emisné .

Vodík má v porovnaní s inými palivami široký rozsah horľavosti. Vďaka tomu sa dá spaľovať v spaľovacom motore široká škála zmesí so vzduchom. Tu je výhodou, že to môže byť na zmesi paliva a vzduchu s malým pomerom vodíka. Takouto zmesou je zmes, v ktorej je množstvo paliva menšie ako teoretické, stechiometrické alebo chemicky ideálne množstvo potrebné na spaľovanie s daným množstvom vzduchu. Úspora paliva je potom vyššia a spaľovacia reakcia je úplnejšia. Teplota spaľovania je zvyčajne tiež nižšia, čo znižuje množstvo škodlivín (oxidy dusíka, ...) emitovaných výfukovými plynmi. 

Európske emisné normy merajú emisie oxidu uhoľnatého, uhľovodíkov, nemetánových uhľovodíkov, oxidov dusíka (NOx), atmosférických častíc a počtu častíc .

Aj keď sa produkujú NOx, pri spaľovaní vodíka sa vytvárajú len malé alebo žiadne emisie CO, CO2, SO2, HC alebo PM.  

Vyladenie vodíkového motora v roku 1976 na produkciu čo najväčšieho množstva emisií viedlo k emisiám porovnateľným so spotrebiteľskými benzínovými motormi z tohto obdobia.   Modernejšie motory sú však často vybavené recirkuláciou výfukových plynov . Rovnica pri ignorovaní EGR:

 H 2 + O 2 + N 2 → H 2 O + NO x 

Táto technológia potenciálne prospieva spaľovaniu vodíka aj z hľadiska emisií NOx. 

Pretože spaľovanie vodíka nemá nulové emisie, ale má nulové emisie CO2, je atraktívne považovať vodíkové spaľovacie motory za súčasť hybridného hnacieho ústrojenstva. V tejto konfigurácii je vozidlo schopné ponúknuť krátkodobé možnosti nulových emisií, ako napríklad prevádzka v mestách s nulovými emisiami.

Prispôsobenie existujúcich motorov 
Medzi rozdiely medzi vodíkovým a tradičným benzínovým motorom patria kalené ventily a sedlá ventilov, silnejšie ojnice , sviečky s koncovkou bez platiny , zapaľovacia cievka vyššieho napätia, vstrekovače paliva určené pre plyn namiesto kvapaliny, väčší tlmič kľukového hriadeľa, silnejší materiál tesnenia hlavy, upravené (pre kompresor ) sacie potrubie, pretlakový kompresor a vysokoteplotný motorový olej . Všetky úpravy by predstavovali zhruba jeden a pol krát (1,5) zo súčasných nákladov na benzínový motor.  Tieto vodíkové motory spaľujú palivo rovnakým spôsobom ako benzínové motory.

Teoretický maximálny výstupný výkon vodíkového motora závisí od použitého pomeru vzduch / palivo a použitej metódy vstrekovania paliva. Stechiometrický pomer vzduch / palivo pre vodík je 34:1. Pri tomto pomere vzduch/palivo vodík vytlačí 29% spaľovacej komory a zostane len 71% vzduchu. Výsledkom bude, že energetický obsah tejto zmesi bude menší, ako by bol, ak by palivom bol benzín. Pretože metódy s karburátora aj vstrekovania do otvorov zmiešavajú palivo a vzduch pred vstupom do spaľovacej komory, obmedzujú tieto systémy maximálny dosiahnuteľný teoretický výkon na približne 85% výkonu zážihových motorov rovnakého objemu. V prípade systémov priameho vstrekovania, ktoré po uzavretí sacieho ventilu zmiešavajú palivo so vzduchom (a teda spaľovacia komora obsahuje 100% vzduchu), môže byť maximálny výkon motora približne o 15% vyšší ako v prípade benzínových motorov.

Preto v závislosti od toho, ako je dávkované palivo, môže byť maximálny výkon pre vodíkový motor buď o 15% vyšší, alebo o 15% nižší ako u benzínu, ak sa použije stechiometrický pomer vzduch/palivo. Avšak pri stechiometrickom pomere vzduch/palivo je teplota spaľovania veľmi vysoká a vo výsledku vytvorí veľké množstvo oxidov dusíka (NOx), ktoré sú kritickou znečisťujúcou látkou . Pretože jedným z dôvodov používania vodíka sú nízke emisie výfukových plynov, vodíkové motory nie sú bežne konštruované na tento pomer.

Vodíkové motory sú zvyčajne skonštruované tak, aby spotrebovali asi dvakrát toľko vzduchu, ako je teoreticky potrebné na úplné spaľovanie. Pri tomto pomere vzduch/palivo sa tvorba NOx zníži takmer na nulu. Týmto sa, bohužiaľ, tiež zníži výkon na približne polovicu oproti podobne veľkému benzínovému motoru. Na vyrovnanie straty energie sú vodíkové motory zvyčajne väčšie ako benzínové motory a/alebo sú vybavené turbodúchadlom alebo preplňovaním. 

V Holandsku výskumná organizácia TNO spolupracuje s priemyselnými partnermi na vývoji vodíkových spaľovacích motorov.

Referencie

Pozri aj 
 Kyselina mravčia

Externé odkazy 
 Vozidlo so spaľovacím motorom EERE-vodík

Vodíkový pohon