Az emissziós normák szigorodásával újra előkerült a hidrogén­hajtású belső égésű motorok ötlete.

Jó húsz éve néhány márka már a prototípusokig fejlesztette hid­ro­génhajtású motorjait, aztán gyorsan alábbhagyott a lelkesedés. Most, a teljesíthetetlenül szigorú környezetvédelmi normák árnyékában újra lendületet vett a dolog, érdemes elmerülni kicsit a technológia részleteiben, hogy lássuk az előnyeit és a hátrányait is.

A hidrogénhajtású belső égésű motorok általában benzines alapokra épülnek, mert a hidrogén égése gyújtógyertyával, sokkal jobban kontrollálható, mint kompresszió gyújtással. A hidrogénes motorhajtás óriási előnye, hogy egyáltalán nem szabadít új szenet a légkörbe, hiszen a hidrogén (elméletben) teljesen tisztán ég, azaz a folyamat végeredménye kizárólag víz.

A valóságban ez azért nincs teljesen így, mert a motor nem oxigént, hanem levegőt szív, aminek nagy része nitrogén, ezért természetes módon nitrogénoxidok is keletkeznek az égésfolyamatokban.

A mai ilyen irányú fejlesztéseket három cég vezeti, az Aacheni székhelyű FEV, a Mazda és a Toyota. Ők egybehangzóan állítják, kísérleti motorjaikban sikerült annyira alacsonyan tartani az égés hőmérsékletét, hogy a kipufogógázok mindenféle utókezelése nélkül is kevesebb a nitrózus gázösszetevő, mint az Euro6 aktuális határértéke. Akkor sincs baj, ha az előírások tovább szigorodnak, hiszen a dízelekben ma általános, nitrogénoxidok elleni redukciós katalizátor már nem elviselhetetlenül drága.

A hidrogén könnyű és gyakori elem, előállítani és raktározni azonban egyáltalán nem egyszerű. Rendkívül illékony, nagyon gyúlékony, energiasűrűsége viszont sokkal kisebb a benzinénél. Ha az ideális esetet feltételezve abból indulunk ki, hogy a hidrogént tisztán megújuló energiával állítják elő, égése a motorban akkor sem lehet teljesen CO2 semleges, mert a szerkezetek felépítéséből adódóan valamennyi motorolaj biztosan jut az égésterekbe. A fejlesztők ezt a tényt vagy elhanyagolják (mert valóban elhanyagolható), vagy speciális motorolajokat használnak.

Ahogy az olaj, működés közben feljut a hengerfalak mentén, a hidrogén úgy jut le a kartergázokkal a forgattyúsházba. Hogy ott ne gyűlhessen fel, és ne okozhasson robbanást, külön szellőzőrendszert építenek be.

A hidrogén tárolása nagy gond az autóban is, a ma használatos többrétegű könnyűfém-szénszálas szerkezetű tartályok névleges nyomása általában 700 bar, és gázhalmazállapotban utazik bennük a hidrogén. Maga a befecskendezés ehhez képest kisnyomású, és ma már kizárólag közvetlen. Bár a szívócső befecskendezés is működőképes, egyrészt a robbanásveszély (a felgyülemlett gáztól felrobbanhat a szívócső) másrészt a nehézkesebb szabályozhatóság miatt nem használják. A hidrogén kompresszió tűrése óriási, és szegénykeverékes üzemben is nagyon jól ég: akár 1:180-as hidrogén-levegő keverési-aránnyal is működőképes marad a motor (a szokásos, úgynevezett sztöchiometrikus benzin-levegő arány 1:14,7, de ma már jóval ritkább, 1:30 körüli keverékkel dolgozó motorok is léteznek).

A szegénykeverékes működés jót tesz a fogyasztásnak, de rosszat a teljesítménynek és az égési csúcshőmérsékletet is megemeli, ami pedig a nitrózus gázösszetevők keletkezése miatt kerülendő. A lángfront a hidrogén-levegő keverékben sokkal gyorsabban terjed, mint benzin-levegőben, és attól sem kell tartani, hogy a kicsapódó üzemanyag, hidegüzemben lemossa a motorolajat a hengerfalakról. A magas kompresszió-tűrés ellenére a kopogás is valódi veszély, mert a hidrogén gyúlékonysága és illékonysága miatt az égéstér esetleges melegebb pontjai is könnyen beindíthatják az égést, – erre a hengerfej kialakításakor ügyelni kell. Szintén a kompresszióállóság az oka, hogy az előgyújtással a megszokottnál szélesebb tartományban szabad a játék, a gyúlékonyság miatt (és a töltet egyenletes égése érdekében) pedig a megszokottnál jóval kisebb gyújtófeszültség is elég.

A benzinmotorokban ma már általános változó vezérlés itt csak korlátozottan használható, mert nagy szelepösszenyitásnál a gáz a benzinnél jóval könnyen jut vissza a szívócsőbe, és a kipufogóba áramolva is okozhat gondokat. A termikus hatásfok a befecskendezéssel, az előgyújtással, és a vezérléssel okosan zsonglőrködve is gyenge, a mai kísérleti gépek mindössze 25-27% körül járnak, és bár a kipufogóból az égés tisztaságából adódóan elhagyható a hagyományos oxidációs katalizátor, a gáztartályok drágák, és a hidrogén szivárgására is nagyon ügyelni kell.

Az autót hidrogénérzékelőkkel kell felszerelni, és nagy melegben a tágulásból is adódnak gondok: a túlnyomás ellen úgy védekezik a rendszer, hogy automatikus szelepeken át, ha kell, elenged kicsit a tárolt gázmennyiségből. Ugyanígy különleges a tartályoktól a befecskendezőkig húzódó vezeték, itt a szállítás egyenletessége a fontos, a nagy nyomásingadozások és a gázlengés kerülendő.

A fejlesztők nagyon bíznak a benzinmotorokat sokkal tisztábbá tevő belső égésű hidrogénhajtásban, de mint látható a konstrukciót még kicsit finomítani kell hozzá. Világos, hogy ez a hajtásmód nem a végcél, de a villanyautók felé vezető út egyik fontos állomása lehet, és főleg teherautókban, buszokban működhet jól, ahol a megfelelő teljesítményű akku túl nagy, nehéz és drága is lenne. Nagy előny, hogy a mai hidrogénmotorok többsége benzinnel is járatható, korlátozott teljesítménnyel, hiszen a nagynyomású gáztankolás, hálózat híján problémás. És akkor a hidrogén előállításának gondjairól még nem is beszéltünk, bár az utóbbi két probléma az akár kétszer ekkora hatásfokkal dolgozó üzemanyagcellás villanyautóknál is fennáll.

SZG

Megjelent: Az Autó 2021/6.

Ez a cikk több mint 90 napja frissült utoljára, így előfordulhat, hogy a benne szereplő egyes információk elavultak. Kérjük, hogy az olvasása során ezt vegye figyelembe!