موتور هیدروژنی جدید به قدرت دیزل رسید

پژوهشگران موسسه پژوهشی ساوت‌وست (SwRI) یک موتور احتراق داخلی هیدروژنی با سیستم جرقه‌زنی بهینه‌سازی‌شده توسعه داده‌اند که برای استفاده در خودرو‌های تجاری متوسط طراحی شده و به گفته این موسسه عملکردی مشابه موتور‌های دیزلی ارائه می‌دهد.

به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از interesting engineering، این موتور هیدروژنی برخلاف فناوری‌های سلول سوختی یک فناوری کاملاً جدید برای تولید نیرو نیست بلکه نوعی موتور احتراق داخلی (ICE) است که هیدروژن را درون سیلندر‌ها و با استفاده از جرقه احتراق می‌کند. در این فناوری مشابه موتور‌های بنزینی، احتراق هیدروژن باعث حرکت پیستون‌ها و در نهایت تولید نیروی مکانیکی برای به حرکت درآوردن خودرو می‌شود.

چی‌لانگ لو مدیر برنامه در بخش مهندسی سامانه‌های قوای محرکه SwRI و یکی از مدیران این پروژه گفت: علاوه بر دهه‌ها تجربه در توسعه موتور‌های متوسط و سنگین، SwRI یکی از گسترده‌ترین سوابق جهان را در زمینه توسعه و آزمایش موتور‌های احتراق هیدروژنی (H۲-ICE) برای تحقیقات داخلی مشتریان و نمایش‌های صنعتی دارد.

وی افزود: این موتور در SwRI طراحی، ساخته و تحت آزمایش‌های دقیق قرار گرفت تا از کارایی و عملکرد آن اطمینان حاصل شود.

دستیابی به گشتاور مشابه موتور‌های دیزلی

به گفته لو توسعه این موتور ابتدا در سطح یک سیلندر آغاز شد و پژوهشگران در این مرحله بر بهینه‌سازی فرآیند احتراق و راهبرد‌های تزریق هیدروژن تمرکز کردند. پس از آن تیم تحقیقاتی توسعه موتور چندسیلندری کامل را دنبال کرد و چالش‌هایی مانند پیش‌اشتعالی، پایداری احتراق و یکپارچه‌سازی کلی سامانه را مورد بررسی قرار داد.

یکی از مهم‌ترین دستاورد‌های این پروژه دستیابی به گشتاور مشابه موتور‌های دیزلی است. پژوهشگران برای این منظور از یک توربوشارژر استفاده کردند که هوای بیشتری را با فشار وارد موتور می‌کند. افزایش میزان هوای ورودی امکان سوزاندن مقدار بیشتری هیدروژن را فراهم می‌کند و در نتیجه، موتور می‌تواند گشتاور بالایی در دور‌های پایین ایجاد کند؛ قابلیتی که برای جابه‌جایی کامیون‌های بارگیری‌شده اهمیت زیادی دارد.

هیدروژن همچنین ویژگی مهم دیگری دارد: این سوخت فاقد کربن است و در صورت احتراق برخلاف سوخت‌های فسیلی، کربن‌دی‌اکسید مستقیماً از خود سوخت تولید نمی‌کند و محصول اصلی احتراق آن آب است.

از سوی دیگر استفاده از موتور احتراق داخلی هیدروژنی به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد بخش قابل‌توجهی از زیرساخت و اکوسیستم موجود در صنعت موتور‌های احتراق داخلی از جمله موتورها، جعبه‌دنده‌ها، تجهیزات تولید، دانش تعمیر و نگهداری و زنجیره تأمین را حفظ کنند.

تغییر در طراحی ورودی هوا برای احتراق سریع‌تر هیدروژن

پژوهشگران برای بهبود عملکرد موتور هندسه‌ای متفاوت برای مجرای ورودی هوا نیز طراحی کرده‌اند. هیدروژن با سرعت بسیار بیشتری نسبت به بنزین می‌سوزد و همین موضوع باعث می‌شود جریان هوا درون سیلندر به شکل متفاوتی مدیریت شود.

این موتور به شیر‌های ورودی بزرگ‌تر و انژکتور‌های اختصاصی هیدروژن نیز مجهز شده است تا ترکیب سوخت و هوا درون سیلندر‌ها با دقت بیشتری انجام شود.

علاوه بر این نرم‌افزار و سامانه‌های کالیبراسیون اختصاصی برای کنترل دقیق پارامتر‌هایی مانند زمان و میزان تزریق هیدروژن، زمان جرقه‌زنی، فشار بوست توربوشارژر و نسبت هوا به سوخت مورد استفاده قرار گرفته است.

مقابله با خطر پیش‌اشتعالی هیدروژن

یکی از چالش‌های مهم در توسعه موتور‌های احتراق هیدروژنی، ایمنی و کنترل فرآیند احتراق است. سطوح داغ موتور یا گاز‌های باقی‌مانده در سیلندر می‌توانند پیش از ایجاد جرقه هیدروژن را مشتعل کنند.

این پدیده که پیش‌اشتعالی نام دارد می‌تواند باعث ایجاد ضربه یا ناک موتور، کاهش توان و حتی در شرایط شدید آسیب به موتور شود. به همین دلیل کنترل دقیق احتراق و طراحی مناسب سامانه تزریق و جریان هوا از بخش‌های مهم پروژه SwRI بوده است.

انتشار کربن نزدیک به صفر اما نه کاملا بدون آلایندگی

محققان SwRI میزان انتشار دی‌اکسیدکربن از اگزوز این موتور را نزدیک به صفر توصیف می‌کنند. دلیل اصلی آن این است که هیدروژن فاقد کربن است و هنگام احتراق مانند سوخت‌های هیدروکربنی مستقیما دی‌اکسیدکربن تولید نمی‌کند.

با این حال این موضوع به معنای موتور کاملا بدون انتشار آلاینده نیست. میزان انتشار کلی دی‌اکسیدکربن به روش تولید هیدروژن نیز بستگی دارد. اگر هیدروژن با استفاده از گاز طبیعی تولید شود، انتشار کربن در فرآیند تولید سوخت می‌تواند همچنان قابل‌توجه باشد؛ در حالی که تولید هیدروژن با استفاده از برق تجدیدپذیر می‌تواند ردپای کربنی آن را کاهش دهد.

از سوی دیگر احتراق هیدروژن می‌تواند به تولید اکسید‌های نیتروژن (NOx) منجر شود. این آلاینده‌ها زمانی شکل می‌گیرند که فرآیند احتراق، نیتروژن و اکسیژن موجود در هوای ورودی را در معرض دما‌های بسیار بالا قرار دهد؛ بنابراین موتور‌های احتراق هیدروژنی نیز ممکن است برای کنترل NOx به مدیریت دقیق فرآیند احتراق و سامانه‌های پس‌پردازش گاز‌های خروجی نیاز داشته باشند.

کریس بیتسیس معاون مدیر بخش مهندسی سامانه‌های قوای محرکه SwRI که بر برنامه‌های پژوهشی احتراق نظارت دارد گفت: برای تکمیل این پروژه حوزه‌های مختلف و متخصصان متعددی در مؤسسه با یکدیگر همکاری کردند.

وی افزود: برنامه موتور‌های احتراق هیدروژنی SwRI هر روز در حال پیشبرد این فناوری است و تلاش می‌کند ظرفیت آن را به‌عنوان راهکاری صنعتی با انتشار نزدیک به صفر کربن به نمایش بگذارد.

به این ترتیب موتور توسعه‌یافته در SwRI تلاش می‌کند مزیت زیست‌محیطی هیدروژن را با قابلیت‌های آشنای موتور‌های احتراق داخلی ترکیب کند و با دستیابی به گشتاور مشابه موتور‌های دیزلی گزینه‌ای برای استفاده در خودرو‌های تجاری متوسط، به‌ویژه کامیون‌ها ارائه دهد.

انتهای پیام/