ابزار وبمستر

 

تابلوی اطلائیه ها ی سایت انجمن  مهندسی خودرو ایران

 

 

 

لغو تحریم ها تاثیری در قیمت خودرو های داخلی نخواهد داشت

 قیمت خودرو ها بعد از توافق هسته ای کاهش نخواهد داشت

 ثبت نام در دوره ی جامع برق خودرو با مدرک رسمی

  پاسخ به سوالات خودرویی و عیب یابی آنلاین خودرو

 اگر می خواهید در سایت مهندسی خودرو ایران مدیر شوید کلیک کنید

 لینک دانلود مکانیک سیالات وایت اصلاح شد.

 ارتباط مستقیم با مدیر انجمن و درخواست نمونه سوال و کتاب

 دانلود رایگان حل المسائل ترمودینامیک سنجل

 دانلود رایگان حل المسائل دینامیک مریام (زبان فارسی)

آموزش دریافت 2000 جم در بازی کلش اف کلنز

موتورهای هیدروژنی

 

 

 

خصوصیات احتراقی هیدروژن

 

محدوده وسیع قابلیت احتراق

 

انرژی مشتعل شدن کم

 

ضخامت کم لایه خاموش شدن quench

 

دمای خودسوزی بالا (اکتان زیاد )

 

سرعت سوختن زیاد در نسبت استوکیو متریک

 

ضریب پخش زیاد

 

چگالی خیلی کم

 

محدوده وسیع قابلیت اشتعال

 

هیدروژن در مقایسه با دیگر سوخت ها محدوده وسیعی در قابلیت اشتعال دارد . یعنی موتور میتواند در نسبت های مختلفی از مخلوطهای هوا به سوخت کار کند. یک مزیت مهم آن این است که هیدرژن می تواند در یک مخلوط رقیق هم روشن باشد. این همان علت آن ست که موتور هیدروژنی واقعا به آسانی روشن می شود.هیدروژن از نسبت 34:1 تا 180:1 می تواند کار کند.

 

انرژی مشتعل شدن کم

 

هیدروژن انرژی مشتعل شدن کمی دارد. میزان انرژی مورد احتیاج برای مشتعل شدن هیدروژن حدودا یک مرتبه بزرگی کمتر از بنزین است. این موتور هیدروژنی را توانا می کند تا در مخلوطهای رقیق روشن شود و روشن شدن سریع را اطمینان دهد.

 

ضخامت کم لایه خاموش شدن(quench )

 

هیدروژن ضخامت لایه خاموش شدن کمی دارد ،کمتر از بنزین. در نتیجه ، شعله های هیدروژن نسبت به سوخت های دیگر  قبل از اینکه خاموش شوند به دیواره سیلندر نزدیکتر می شوند. بنابراین یک شعله هیدروژن سخت تر از بنزین خاموش می شود.

 

دمای خودسوزی بالا (اکتان زیاد )

 

هیدروژن دمای خود سوزی نسبتا بالایی دارد. این وقتی مخلوط سوخت و هوا فشرده می شود معنی خیلی مهمی دارد . در واقع ، دمای خود سوزی یک فاکتور مهم در تعیین نسبت تراکمی که موتور میتواند استفاده کند است ، چون میزان بالا رفتن دما هنگام تراکم به نسبت تراکم مربوط می شود.

 

سرعت سوختن زیاد در نسبت استوکیو متریک

 

 تحت شرایط استوکیو متریک، سرعت سوختن هیدروژن تقریبا یک مرتبه بزرگی بزرگتر از بنزین است . این به این معنی است که موتورهای هیدروژنی به سیکل ایده آل ترمودینامیکی نزدیکتر هستند . در مخلوطهای رقیق تر ، هر چند ، سرعت شعله به طور چشمگیری کم می شود.

 

ضریب پخش زیاد

 

این توانایی پراکنده شدن در هوا به طور قابل توجهی بزرگتر از بنزین است و این مزیت است ، به دو دلیل اصلی: اولا ، آن تشکیل مخلوط یکنواخت را آسان می کند. ثانیا، اگر نشتی هیدروژن اتفاق بیفتد ، هیدروژن به سرعت پراکنده می شود . از این رو ، خطر انفجار می تواند کم یا جلوگیری شود .

 

چگالی خیلی کم

 

این دو عیب را در موقعی که در موتورهای احتراق داخلی استفاده می شود بوجود می آید: اولا ، حجم زیادی برای ذخیره سازی هیدروژن کافی نیاز است تا به خودرو محدوده لازم حرکت را بدهد. ثانیا ، چگالی انرژی مخلوط هیدروژن-هوا ، و بنابراین قدرت خروجی کم می شود

 

نسبت هوا به سوخت

 

 محاسبات نشان می دهد که نسبت شیمیایی یا استوکیو متریک هوا به سوخت برای احتراق کامل هیدروژن در هوا از نظر جرمی حدود 34:1 است . این خیلی بزرگتر از نسبت هوا به سوخت بنزین ( 14.7:1) است.

 

 

 

چون هیدروژن در شرایط معمولی گازی است ، از یک سوخت مایع فضای بیشتری در اتاقک احتراق اشغال می کند . در نتیجه فضای کمتری از اتاقک احتراق می تواند توسط هوا پر شود . در شرایط استوکیومتریک ، هیدروژن حدودا 30% فضای اتاقک احتراق را می گیرد. در مقایسه ، بنزین حدودا 1 تا 2 درصد است . شکل زیر حجم های مختلف را برای اتاقک احتراق و انرژی را برای موتورهای بنزینی و هیدروژنی مقایسه می کند.

 

 

 

 Phi=نسبت استوکیوکتریک / نسبت عملی

 

نسبت هوا به سوخت

 

 

 

 

مشکل احتراق پیش رس و راه حل آن

 

 مشکل اولیه که در تکمیل عملکرد موتورهای هیدروژنی با آن برخورد می شود ، احتراق پیش رس است . این مشکل در موتورهای هیدروژنی که احتراق جرقه ای هستند بسیار بزرگتر از موتورهای احتراق تراکمی هیدروژنی است ، به دلایل : انرژی مشتعل شدن کم و محدوده وسیعتر قابلیت اشتعال و کم بودن ضخامت لایه خاموش شدن هیدروژن .

 

احتراق پیش رس وقتی اتفاق می افتد که مخلوط در اتاقک احتراق قبل از روشن شدن بوسیله شمع ، روشن شود . و روشن شدن سخت موتور را در یک بازدهی منفی منتج شود . شرایط بازگشت شعله به منیفولد ورودی ( backfire ) نیز میتواند ایجاد شود ، اگر ، احتراق پیش رس نزدیک سوپاپ ورودی اتفاق بیفتد و شعله حاصل در داخل سیستم مکش برگردد.

 

 یک تعداد از مطالعات در جهت تعیین علت احتراق پیش رس در موتورهای هیدروژنی بودهاند. بعضی از نتایج اشاره می کنند که احتراق پیش رس بوسیله نقاط داغ در اتاقک احتراق ناشی می شود ، مثل روی یک شمع یا سوپاپ خروجی یا روی رسوبات کربن . مطالعات دوباره نشان داده اند که برگشت شعله میتواند وقتی که حالت قیچی کردن سوپاپ هاست ( overlap) اتفاق بیفتد.

 

 همچنین این باور است که تفکافت (pyrolysis) ( تغییر شیمیایی بوسیله حرارت ) روغن که در اتاقک احتراق یا در درز های ، درست بالای رینگ بالایی معلق می شوند می توانند به احتراق پیش رس کمک کنند. این روغن تفکافت شده می تواند از طریق دمیدن از محفظه لنگ از طریق راهنمای وسوپاپ و یا از سیستم تهویه مثبت محفظه لنگ وارد اتاقک احتراق شود .

 

سیستم سوخت رسانی

 

سیستم سوخت رسانی هیدروژن می تواند در سه نوع زیر جدا شود: پاشش مرکزی (کاربراتوری) ، پاشش در پشت سوپاپ ورودی و تزریق مستقیم.

 

 سیستم های سوخت رسانی پاشش مرکزی و پشت سوپاپ در هنگام کورس مکش مخلوط هوا ، سوخت را تشکیل می دهند. در مورد پاشش مرکزی یا کاربراتوری ، پاشش سوخت در ورودی مانیفولد هوا است. در مورد پاشش پشت سوپاپ ، آن در دریچه ورودی تزریق می شود.

 

قدرت خروجی در دو نوع قبل 85% موتور بنزینی است.

 

 نوع تزریق مستقیم به سیلندر از نظر تکنولوژیکی پیچیده تر است و تشکیل مخلوط سوخت و هوا را داخل سیلندر احتراق بعد از اینکه سوپاپ ورود هوا بسته شده است انجام می شود.

 

قدرت خروجی 115%موتور بنزینی است.

 

سیستم تزریق مستقیم

 

  موتورهای هیدروژنی پیچیده تر از تزریق مستقیم به داخل سیلندر در هنگام کورس تراکم  استفاده می کنند . در تزریق مستقیم ، سوپاپ ورودی وقتی که سوخت پاشیده می شود بسته می شود ، کاملا از احتراق پیش رس در مدت کورس مکش جلوگیری می شود . در نتیجه ، حالت برگشت شعله به منیفولد گاز نمی تواند انجام شود. قدرت خروجی موتور هیدروژنی با سیستم سوخت رسانی تزریق مستقیم به محفظه احتراق 15%بیشتر از موتور بنزینی و 42% بیشتر از موتور هیدروژنی کاربراتوری است.

 

سیستم تزریق مستقیم

 

 تزریق مستقیم مشکل احتراق در منیفولد ورودی را حل می کند، آن لزوما از احتراق پیش رس در اتاقک احتراق جلوگیری نمی کند. به علاوه، به خاطر زمان کم مخلوط شدن هوا و سوخت در موتور تزریق مستقیم ، مخلوط هوا و سوخت می تواند نا همگن باشد (غیر یکنواخت) . مطالعات نشان می دهد که این مساله آلاینده ها را به سمت NOx بیشتر از سیستم های پاشش غیر مستقیم  هدایت می کند. سیستم های تزریق مستقیم احتیاج به فشار بالای ریل سوخت  نسبت به سیستم های دیگر دارند.

 

 

 

 نکته: شرایط احتراق پیش رس می تواند بوسیله تکنیک های رقیق سازی حرارتی مثل گازهای خروجی (EGR)و پاشش آب داخل بخار هیدروژن محدود شود.

 

طراحی موتور

 

بیشترین  تاثیر بر روی احتراق پیش رس و knock را طراحی مجدد و مخصوص موتور هیدروژنی دارد، مخصوصا اتاقک احتراق و سیستم خنک کاری موتور.

 

 یک اتاقک احتراق به شکل دیسک یا استوانه ای می تواند استفاده شود تا اغتشاش درون اتاقک را کاهش دهد. شکل دیسکی کمک می شکند به تولید سرعت شعاعی و مماسی کم مخلوط و موقع تراکم حالت چرخشی را تقویت نمی کند.

 

چون هیدرو کربورهای نسوخته یک وابستگی به موتورهای هیدروژنی نیستند می توان از نسبت قطر به کورس بزرگی استفاده کرد. جهت اصلاح سطح وسیعتر شده شعله و سرعت آن که روی سطوح بزرگتر اتفاق می افتد ، دو شمع نیاز است . سیستم خنک کاری باید طوری طراحی شود تا جریان یکنواخت به همه قسمت هایی که نیاز به خنک کاری دارند فراهم آورد.

 

به علاوه، اقداماتی برای کاهش احتمال احتراق پیش رس عبارتنداز:

 

 

 

استفاده از دو سوپاپ خروجی کوچک به جای یک سوپاپ بزرگ

 

و نصب یک سیستم جارو کن محتویات سیلندر، که یک وسیله جایگزین کردن گاز اگزوز در اتاقک احتراق با هوای تازه است.

 

موتور هیدروژنی

 

 

 

سیستم های جرقه زنی

 

به علت انرژی احتراقی کم هیدروژن ، مشتعل کردن هیدروژن آسان است و سیستم جرقه زنی بنزینی می توان استفاده کرد. در نسبت های هوا به سوخت خیلی رقیق (130 تا 180 )سرعت شعله به طور قابل ملاحظه ای کم می شود و استفاده از یک سیستم شمع دو تایی خوب است.

 سیستم های جرقه زنی که از جرقه زایع استفاده می کنند نباید برای موتورهای هیدروژنی استفاده شوند. زیرا برای موتورهای هیدروژنی ، جرقه های زایع یک منبع برای احتراق پیش رس هستند.

 شمعی که برای موتور هیدروژنی استفاده می شود باید شمع خنک باشد و نوک غیر پلاتینی داشته باشد. شمع گرم برای این است که رسوبات کربن جمع نشود و از آن جایی که هیدروژن حاوی کربن نیست شمع گرم نیز لازم نیست. البته گرم بودن شمع خود باعث احتراق پیش رس نیز می شود. از شمع نوک پلاتینی نیز باید پرهیز کرد زیرا پلاتین یک کاتالیست است ، که باعث می شود هیدروژن با هوا اکسید شود.

 

تهویه محفظه لنگ

 

تهویه محفظه لنگ برای موتور هیدروژنی از موتور بنزینی مهمتر است .

 

به عنوان مثال با موتور بنزینی ، سوخت نسوخته می تواند از رینگ های پیستون رسوخ کند و وارد محفظه لنگ شود. چون هیدروژن حد انرژی پایینتر از بنزین دارد ، هر هیدروژن نسوخته ای که وارد محفظه لنگ می شود شانس بیشتری برای احتراق دارد. از ذخیره شدن هیدروژن در محفظه لنگ بوسیله تهویه جلوگیری می شود.

 

احتراق داخل محفظه لنگ می تواند فقط یک ارتعاش باشد با آتش سوزی موتور را منتج شود. وقتی که هیدروژن درون محفظه لنگ مشتعل شود ، ناگهان فشار بالا می رود . برای فرو نشاندن این فشار، یک سوپاپ فشار شکن باید روی در(پوشش) سوپاپ نصب شود. یک نمونه سوپاپ فشار شکن نصب شده در شکل زیر نشان داده می شود.

 

 

 

 

تهویه محفظه لنگ

 

گازهای اگزوز نیز می تواند بوسیله رینگ های پیستون به داخل اتاقک احتراق رسوخ کند. چون خروجی هیدروژن بخار آب است ، آب می تواند در محفظه لنگ تقطیر شود، اگر یک تهویه مناسب وجود نداشته باشد ، مخلوط شدن آب در روغن محفظه لنگ توانایی روانکاری آن را کاهش می دهد، و درجه فرسایش موتور بالا می رود.

 

بازده حرارتی

 

همان طور که می دانید بازده حرارتی سیکل اتو برابر معادله زیر است:

 

η = 1-1/(r)^γ-1

 

یعنی به نسبت تراکم و نسبت گرماهای ویژه بستگی دارد.

 

 

 

یک مخلوط هیدروژن رقیق نسبت به بنزین میتواند تراکم بالاتری را تحمل کند و نسبت گرماهای ویژه بالاتری از بنزین معمولی دارد.

 

 

 

آلاینده ها

 

H2+O2+N2=H2O+N2+NOx

 

تنها آلاینده هیدروژن اکسیدهای نیتروژن هستند.

 

 

 

همان طوری شکل نشان می دهد ، NOx برای موتور بنزینی زمانی که مخلوط غلیظتر می شود کاهش میابد ( مثل موتور هیدروژنی). هرچند در موتور بنزینی کاهش  NOx همراه افزایش مونواکسید کربن و هیدرو کربورها است .

 

نکته : در موتور هیدروژنی نیز اثری از مونوراکسید و دی اکسید کربن در گاز اگزوز هست ، به خاطر روغن نفوذ کرده به محفظه احتراق.

 

قدرت خروجی

 

قدرت خروجی ماکزیمم تئوری یک موتور هیدروژنی در نسبت هوابه سوخت و روش پاشش سوختی که استفاده می کند مربوط می شود.

 

 

 

نسبت هوا به سوخت استوکیومتریک برای هیدروژن 34:1 است . در این نسبت هوا به سوخت هیدروژن 29% حجم اتاقک احتراق را اشغال می کند و فقط 71% برای هواباقی می ماند . در نتیجه ،گنجایش انرژی این مخلوط کمتر از مخلوط هوا و بنزین آن خواهد بود ( چون بنزین مایع است ، آن فقط یک حجم خیلی کوچک از اتاقک احتراق را اشغال می کند و بنابراین اجازه می دهد هوای بیشتری وارد شود).

 

 

 

چون در هر دو روش کاربراتوری و پاشش پشت سوپاپ ورودی سوخت وهوا قبل از اینکه وارد اتاقک احتراق شوند مخلوط می شوند ، این سیستم ها قدرت تئوری ماکزیمم قابل دستیابی را تا حدود 85% قدرت موتور بنزینی محدود می کنند. برای سیستم های پاشش مستقیم ، که در آنها سوخت با هوا بعد از بسته شدن سوپاپ ورودی مخلوط می شود (و بنابراین 100% اتاقک احتراق هوادارد)، قدرت خروجی ماکزیمم موتور می تواند در حدود 15% بیشتر از قدرت موتور های بنزینی شود.

 

قدرت خروجی

 

بنابراین ، بسته به اینکه چگونه سوخت اندازه گیری می شود ، قدرت ماکزیمم برای موتور هیدروژنی می تواند یا 15% بیشتر یا 15% کمتر از موتور بنزینی باشد. هرچند، در یک نسبت استوکیومتریک دمای احتراق خیلی بالاست و در نتیجه آن مقدار زیادی اکسیدهای نیتروژن تشکیل خواهد داد. از آنجایی که یکی از دلایل استفاده از موتور هیدروژنی آلودگی کمتر است، موتور هیدروژنی معمولا طوری طراحی نمی شود که در نسبت استوکیومتریک کار کند.

 

به طور نمونه موتورهای هیدروژنی طوری طراحی می شوند تا حدود دو برابر میزان هوای لازم تئوری برای احتراق کامل استفاده کنند. دراین نسبت هوا به سوخت تشکیل NOx تا صفر کم میشود. متاسفانه این کار قدرت خروجی را تا حدود نصف یک موتور بنزینی هم اندازه کاهش می دهد. جهت جبران تلفات قدرت ، موتورهای هیدروژنی معمولا بزرگتر از موتورهای بنزینی هستند و یا با توربو شارژر یا سوپر شارژر مجهز می شوند.

 

ترکیب های گاز هیدروژن

 

سوخت هیدروژن را می توان با اکثر سوخت های دیگر در یک موتور استفاده کرد ولی به طور جدا . تنها سوختی که می توان آنرا با هیدروژن در یک مخزن واحد ذخیره کرد گاز طبیعی است.

 

 

 

هیدروژن می تواند در ترکیب با سوخت های مایع متراکم مثل بنزین ، الکل، یا گازئیل ترکیب شود طوری که هر کدام جداگانه ذخیره شوند. در این عمل ها مخازن سوخت می توانند طوری شکل داده شوند تا داخل فضای غیر قابل استفاده خودرو فیت شوند. خودروهای موجود دوگانه به این شکل هر دو سوخت را همزمان استفاده نمی کنند. یک مزیت این روش آن است که اگر هیدروژن جایی وجود نداشته باشد خودرو می تواند به عمل کردن ادامه دهد.

 

هیدروژن نمی تواند مستقیما در یک موتور دیزل استفاده شود چون دمای خود سوزی هیدروژن خیلی بالاست (این در مورد گاز طبیعی نیز صادق است). ازاین رو موتورهای دیزلی باید یا به یک شمع مجهزشوند یا یک مقدار کمی سوخت دیزل برای سوزاندن گاز تزریق شود (به عنوان احتراق پیلوت)، اگرچه تکنیک ای جرقه پیلوت برای استفاده با گاز طبیعی پیشرفت داده شده اند، آن صحیح نیست که با هیدروژن استفاده شود.

 

یک گاز تجارتی موجود که به عنوان هیتان(Hythane) شناخته می شود شامل 20% هیدروژن و 80% گاز طبیعی است. در این نسبت ، هیچ تغییری در یک موتورگاز طبیعی نیاز نیست، و مطالعات نشان داده است که آلاینده ها بوسیله هیدروژن بیش از 20% کاهش می یابد . مخلوطهایی با بیش از 20% هیدروژن با گاز طبیعی می تواند آلاینده ها را بیشتر کاهش دهد اما بعضی موتورها لازم که تغییر یابند.

 

ترکیب های گاز هیدروژن

 

کار کردن در مخلوط رقیق یک فایده برای موتورهای احتراق داخلی است به خاطر آلاینده های اکسیدهای نیتروژن  و سوخت اقتصادی تر.

 

 

 

برای موتورهای هیدروکربوری فواید دیگری هم دارد و آن آلودگی کمتر مونواکسید و هیدروکربورهای نسوخته است. اما مخلوط رقیق هم در موتور هیدروژنی و هم در موتورهای هیدروکربوری باعث کاهش قدرت می شوند، ولی در موتورهای هیدروکربوری عیب دیگری نیز دارد و آن روشن شدن سخت و بعضی مواقع نیز در هنگام کار کردن موتور جرقه زایع (misfire) را نتیجه می شود.

 

پیامد جرقه زایع افزایش هیدروکربورهای نسوخته ، کاهش کار خروجی ، اتلاف سوخت و کم شدن ضریب تبدیل کاتالیست کانورتور 3 راهه است.

 

مخلوط کردن مقداری هیدروژن با سوخت های هیدروکربوری دیگر همه این عیب ها را کاهش می دهد. انرژی مشتعل شدن کم هیدروژن و سرعت سوختن بالای آن باعث می شود مخلوط هیدروژن/هیدروکربور آسانتر روشن شود ، کاهش جرقه زایع و از ان طرف بهتر شدن آلاینده ها، عملکرد و سوخت اقتصادی را همراه دارد . راجع به قدرت خروجی ، هیدروژن چگالی انرژی مخلوط را در نسبت های رقیق زیاد می کند بوسیله افزایش نسبت هیدروژن به کربن ، و از این رو بهتر شدن گشتاور در شرایط تمام گاز.

 

هرچند، در ارتباط با ذخیره سازی مقدار کافی هیدروژن مشکلی است که می تواند ظرفیت خودرو را کاهش دهد.

 

 

 

 

 

تهیه کننده : عزیز وظیفه شناس

 

استاد : مهندس مجید سالاری

 

 

 

 

لینک ثابت این پست
 

0 پاسخ


    با نظرات و پیشنهادات خود ما را در اداره ی بهتر سایت یاری فرمایید


نظر بدهید

آدرس ایمیل شما نمایش داده نخواهد شد . فیلد های ضروری مشخص شده اند *


*

برای افزایش امنیت لطفا کدی را که در تصویر زیر می بینید در کادر وارد کنید :
CAPTCHA Image   Reload Image
Enter Code*:

 


 تبلیغات در سایت انجمن مهندسی خودرو ایران  

 

 

            

 

 

 تبلیغاتتبلیغات