Tłokowe silniki spalinowe zasilane wodorem – wyzwania

• Autorzy: Stępień Zbigniew , Urzędowska Wiesława

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.12.06

Warianty tytułu

EN

Hydrogen fuelled Internal combustion engines – challenges

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule opisano potencjał wodoru jako kluczowego nośnika energii w przyszłości. Wskazano przy tym, że spośród znanych paliw alternatywnych wodór stanowi najlepsze rozwiązanie w zakresie ograniczenia lub nawet całkowitego wyeliminowania niebezpiecznych emisji, w tym GHG z pojazdów. Dlatego wodór jest powszechnie postrzegany jako perspektywiczne, zrównoważone paliwo, i to zarówno do zasilania tłokowych silników spalinowych, jak i ogniw paliwowych. Ze względu na zaawansowany rozwój tłokowych silników spalinowych i ich szeroką dostępność mogą one pełnić rolę technologii pomostowej dla szerokiego rozpowszechnienia wodoru jako paliwa. W konsekwencji tłokowy silnik spalinowy zasilany wodorem może stanowić technologię przejściową wykorzystywaną jako napęd różnego typu pojazdów samochodowych, a w szczególności ciężarowych. W dalszej części artykułu szeroko opisano wyzwania, jakie w dalszym ciągu pozostają do rozwiązania, aby zasilane wodorem silniki spalinowe stały się konkurencyjną alternatywą zarówno dla silników napędzanych paliwami węglowodorowymi, jak i napędów elektrycznych. Wyzwania te podzielono na pięć obszarów. W każdym z nich opisano problemy techniczne, konstrukcyjne i materiałowe wymagające dalszych badań i poszukiwania rozwiązań bądź doskonalenia stosowanych już środków zaradczych. W pierwszym obszarze zwrócono uwagę na szkodliwe oddziaływanie wodoru na metale i ich stopy oraz inne materiały. Dyfuzja cząsteczek wodoru w głąb materiału powoduje zmiany w strukturze, a następnie może prowadzić do tzw. kruchości wodorowej, wynikających stąd mikropęknięć wewnątrz materiałów i tzw. korozji wodorowej. Ponadto bardzo niska smarność wodoru powoduje przedwczesne zużycie elementów współpracujących ze sobą, jak zawory dolotowe i przylgnie gniazd zaworowych silnika, iglice wtryskiwaczy i ich gniazda. W drugim obszarze opisano potrzebę dalszej optymalizacji procesów zasilania wodorem, jego zapłonu oraz strategii procesu spalania. Wynika to z konieczności przeciwdziałania przedwczesnemu zapłonowi paliwa i zapobiegania procesom nienormalnego spalania. W trzecim obszarze opisano problemy związane z konstrukcyjnym adaptowaniem i optymalizacją głowic cylindrowych. Jest to wymagane dla ich dostosowania do silników zasilanych wodorem. W głowicach tych muszą być umieszczone wtryskiwacze (wtrysk typu DI) o zwiększonej, w porównaniu z konwencjonalnymi silnikami, wydajności i odpowiednio ukształtowane (zoptymalizowane pod kątem większego odprowadzenia ciepła) kanały płynu chłodzącego. Zwrócono też uwagę na inne elementy konstrukcyjne silnika i systemy współdziałające z silnikiem, które muszą być dostosowane w przypadku zasilania wodorem. W czwartym obszarze przedstawiono wyzwania związane z dalszą optymalizacją wielokrotnego, precyzyjnie sterowanego bezpośredniego wtrysku wodoru do silnika. Piąty, ostatni obszar dotyczył układu smarowania silnika i oleju smarowego. Wskazano na odmiennie przebiegający proces stopniowej utraty właściwości smarnych oleju w porównaniu do oleju smarowego eksploatowanego w silnikach spalinowych zasilanych paliwami konwencjonalnymi. W przypadku silników spalinowych zasilanych wodorem olej smarowy jest szybko rozcieńczany dużą ilością wody przedostająca się do niego z procesu spalania wodoru. Ponadto możliwość jego przedostawania się do komór spalania silnika w powiązaniu z tendencją do tworzenia się osadów na powierzchniach komór spalania tworzy zagrożenie powstawania tzw. hot spots, a zatem miejsc powodujących inicjowanie nienormalnego procesu spalania.

EN

The article describes the potential of hydrogen as a key energy carrier of the future. It points out that among the known alternative fuels, hydrogen is the best solution for reducing or even completely eliminating hazardous emissions, including GHG from vehicles. Therefore, hydrogen is widely seen as a promising sustainable fuel, for powering both internal combustion engines and fuel cells. Due to the advanced development of internal combustion engines and their wide availability, they can act as a bridging technology for the widespread adoption of hydrogen as a fuel. Consequently, the hydrogen-fuelled internal combustion engine could be an intermediate technology for use as a propulsion system for various types of motor vehicles, particularly heavy trucks. The remainder of this article broadly describes the challenges that still need to be addressed for hydrogen-powered internal combustion engines to become a competitive alternative to both hydrocarbon-fuelled engines and battery electric vehicles. These challenges are divided into five areas. Each of them describes technical, constructional and material problems that require further research and the search for solutions or improvement of already applied countermeasures. The first area focuses on the harmful effects of hydrogen on metals and their alloys and other materials. The diffusion of hydrogen molecules deep into the material causes changes in the structure and can then lead to so-called hydrogen embrittlement resulting in microcracks inside the materials and so-called hydrogen corrosion. In addition, the very low lubricity of hydrogen causes premature wear of mating components such as engine intake valves and valve seats, injector needles and their seats. The second area describes the need for further optimisation of hydrogen supply, ignition and combustion strategies. This is due to the need to prevent premature ignition of fuel and to prevent abnormal combustion processes. The third area describes problems related to the structural adaptation and optimisation of cylinder heads. This is required for their adaptation to hydrogen-fuelled engines. These heads must incorporate injectors (DI injection) with improved performance compared to conventional engines and appropriately shaped (optimised for greater heat dissipation) coolant passages. Attention is also drawn to other engine components and systems that must be adapted for hydrogen operation. The fourth area presented challenges to further optimise multiple, precisely controlled direct hydrogen injection into the engine. The fifth and final area focused on the engine lubrication system and lubricating oil. A different process of gradual loss of lubricating properties of oil was indicated in comparison to lubricating oil used in internal combustion engines fuelled with conventional fuels. In the case of hydrogen-fuelled internal combustion engines, the lubricating oil is quickly diluted by large amounts of water entering it from the hydrogen combustion process. In addition, the possibility of its penetration into the combustion chambers of the engine, combined with the tendency to form deposits on the surfaces of the combustion chambers, creates the risk of the formation of so-called "hot spots", i.e. places causing the initiation of abnormal combustion processes.

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 12
• Strony: 830--840
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz.

Twórcy

autor

Stępień Zbigniew

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Urzędowska Wiesława

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Al-Baghdadi M.A.R.S., 2005. Development of a pre-ignition submodel for hydrogen engines. Proc. IMechE: Journal of Automobile Engineering, 219(10): 1203–1212. DOI: 10.1243/095440705X34883.
• Al-Baghdadi M.A.R.S., 2009. Measurements and predictions of pre-ignition limited operating conditions of a four stroke spark ignition engine fueled with hydrogen. Journal of Scientific and Engineering Research, 2: 269–277.
• Al-Baghdadi M.A.R.S., 2020. An overview of hydrogen as an alternative fuel. Encyclopedia: 1–22. DOI: 10.32545/encyclopedia202006.0003.v1 (dostęp: 24.08.2021).
• Antunes J.M.G., Mikalsen R., Roskilly A.P., 2009. An experimental study of a direct injection compression ignition hydrogen engine. International Journal of Hydrogen Energy, 34(15): 6516–6522. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.05.142.
• Berckmüller M., Rottengruber H., Eder A., Brehm N., Elsässer G., Müller-Alander G., Schwarz G., 2003. Potentials of a charged SI-hydrogen engine. SAE Technical Paper, No. 2003-01-3210. DOI: 10.4271/2003-01-3210.
• Ciniviz M., Köse H., 2012. Hydrogen use in internal combustion engine. International Journal of Automotive Engineering and Technologies,1(1): 1–15.
• Das L.M., 2002. Near-term introduction of hydrogen engines for automotive and agricultural application. International Journal of Hydrogen Energy, 27(5): 479–487. DOI: 10.1016/S0360-3199(01)00163-X.
• Dimitriou P., Tsujimura T., 2017. A review of hydrogen as a compression ignition engine fuel. International Journal of Hydrogen Energy, 42(38): 24470–24486.
• Dreisbach R., Arnberger A., Zukancic A., Wieser M., Kunder N., Plettenberg M., Raser B., Eichlseder H., 2021. The heavy-duty hydrogen engine and its realization until 2025. 42nd International Vienna Motor Symposium, 29–30 April 2021.
• Eichlseder H., Klell M., Sartory M., Schaffer K., Leitner D., 2009. Potential of synergies in a vehicle for variable mixtures of CNG and hydrogen. SAE Technical Paper No. 2009-01-1420. DOI: 10.4271/2009-01-1420.
• Faizal M., Chuah L.S., Lee C., Hameed A., Lee J., Shankar M., 2019. Review of hydrogen fuel for internal combustion engines. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, 42(3): 35–46. DOI: 10.26480/jmerd.03.2019.35.46.
• Gandhi R.D., 2015. Use of hydrogen in internal combustion engine. International Journal of Engineering, Management & Sciences, 2(4): 1–9. ISSN-2348-3733.
• Karim G.A., 2002. Hydrogen as a spark ignition engine fuel. Chemical Industry, 56(6): 256–263.
• Kiesgen G., Kluting M., Bock C., Fischer H., 2006. The new 12-cylinder hydrogen engine in the 7 series the H2 ICE age has begun. SAE Technical Paper No. 2006-01-0431. DOI: 10.4271/2006-01-0431.
• Kirchweger W., 2002. Investigations on the use of an alternative fuel in an internal combustion engine. Graz University of Technology. Master’s thesis.
• Kondo T., Lio S., Hiruma M., 1997. A study on the mechanism of backfire in external mixture formation hydrogen engines – about backfire occurred by the cause of the spark plug. SAE Technical Paper, No. 971704. DOI: 10.4271/971704.
• Kumar N., 2015. Hydrogen use in internal combustion engine. The International Journal of Advanced Culture Technology, 3(2): 87–99. DOI: 10.17703/IJACT.2015.3.2.87.
• Liu X.-H., Liu F.-S., Zhou L., Sun B.-G., Schock H.J., 2008. Backfire prediction in a manifold injection hydrogen internal combustion engine. International Journal of Hydrogen Energy, 33: 3847–3855.
• Madina V., Azkarate I., 2009. Compatibility of materials with hydrogen. Particular case: Hydrogen embrittlement of titanium alloys. International Journal of Hydrogen Energy, 34(14): 5976–5980. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.01.058.
• Ringler J., Gerbig F., Eichlseder H., Wallner T., 2004. Insights into the development of a hydrogen combustion process with internal mixture formation. Proceedings 6th International Symposium on Internal Combustion Diagnostics, Baden Baden, Germany.
• Srinivasan C.B., Subramanian R., 2014. Hydrogen as a spark ignition engine fuel technical review. International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering, 14(5): 111–117.
• Stockhausen W.F., Natkin R.J., Kabat D.M., Reams L., Tang X., Hashemi S., Szwabowski S.J., Zanardelli V.P., 2002. Ford P2000 hydrogen engine design and vehicle development program. SAE Technical Paper, No. 2002-01-0240. DOI: 10.4271/2002-01-0240.
• Swain M.R., Schade G.J., Swain M.N., 1996. Design and testing of a dedicated hydrogen-fueled engine. SAE Technical Paper, No. 961077. DOI: 10.4271/961077.
• Tang X., Stockhausen W.F., Kabat D.M., Natkin R.J., Heffel J.W., 2002. Ford P2000 hydrogen engine dynamometer development. SAE Paper, No. 2002-01-0242.
• Verhelst S., Sierens R., 2001. Hydrogen engine – specific properties. Int. J. Hydrogen Energy, 26(9): 987–990. DOI: 10.1016/S0360-3199 (01)00026-X.
• Verhelst S., Wallner T., 2009. Hydrogen-fueled internal combustion engines. Progress in Energy and Combustion Science, 35(6): 490–527. DOI: 10.1016/j.pecs.2009.08.001.
• Walter L., Sommermann A., Hyna D., Malischewski T., Leistner M., Hinrichsen F., Wöhner P., Schmitt J., McMackin M., 2021. The H2 combustion engine – the forerunner of a zero emissions future. 42nd International Vienna Motor Symposium, 29–30 April 2021.
• Welch A., Mumford D., Munshi S., Holbery J., Boyer B., 2008a. Hydrogen direct injection technology – challenges and opportunities. NHA Annual Hydrogen Conference. https://nha.confex.com/nha/2008/techprogram/P4181.HTM (dostęp: 30.08.2021).
• Welch A., Mumford D., Munshi S., Holbery J., Boyer B., Younkins M., 2008b. Challenges in developing hydrogen direct injection technology for internal combustion engines. SAE Technical Paper, No. 2008-01-2379. DOI: 10.4271/2008-01-2379.
• Yamane K., 2018. Hydrogen-fueled ICE, successfully overcoming challenges through high-pressure direct injection technologies: 40 years of Japanese hydrogen ICE research and development. SAE Technical Paper, No. 2018-01-1145. DOI: 10.4271/2018-01-1145.
• Yip H.L., Srna A., Yuen A.C.Y., Kook S., Taylor R.A., Yeoh G.H., Medwell P.R., Chan Q.N., 2019. A review of hydrogen direct injection for internal combustion engines: towards carbon-free combustion. Applied Sciences, 9(22): 4842. DOI: 10.3390/app9224842.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).