Hoe een door waterstof aangedreven benzinemotor werkt

BMW's recente conceptauto, de waterstofaangedreven 7-serie, is nog steeds ver verwijderd van dealerships.

Geconfronteerd met de steeds stijgende benzinekosten, maken autofabrikanten over de hele wereld overuren om het brandstofverbruik van voertuigen op een kosteneffectieve manier te verbeteren en toch te voldoen aan de huidige strenge emissie-eisen. Een veelbelovende manier om het brandstofverbruik te verhogen, is door waterstof toe te voegen aan het brandstof / luchtmengsel in een conventionele benzinemotor. Het heet een door waterstof aangedreven gasmotor. Omdat waterstof echter niet direct verkrijgbaar is bij uw plaatselijke tankstation, staat de verkoop van een waterstofgestookte gasmotor niet op de shortlist van autofabrikanten. Tot nu dus.

In dit artikel leggen we een nieuwe technologie uit die gebruikmaakt van een snel reagerende ingebouwde reformer om een ​​kleine hoeveelheid waterstof uit benzine te genereren. Deze waterstof wordt toegevoegd aan het normale lucht / brandstofmengsel van de motor. Motoren die zijn ontworpen om te draaien op een mengsel van waterstof / benzine, kunnen een brandstofbesparing behalen van 20 tot 30 procent zonder dat de uitstoot van schadelijke NOx, stikstofoxiden, onder controle hoeft te worden gehouden. Op de volgende twee pagina's zullen we u vertellen hoe deze nieuwe brandstofbesparende motor werkt en waarom het lijkt alsof hij een levensvatbare, brandstofbesparende technologie kan worden. We behandelen de volgende problemen met betrekking tot deze nieuwe technologie:

• Wat is een door waterstof aangedreven benzinemotor Een kleine hoeveelheid waterstof die aan boord wordt gemaakt door de reformer, wordt toegevoegd aan het normale mengsel van inlaatlucht en benzine in de motor van het voertuig. Dit verbetert de algehele verbrandingskwaliteit aanzienlijk door bijna twee keer zoveel lucht toe te laten voor een bepaalde hoeveelheid brandstof die in de verbrandingskamer wordt gebracht. Dit is energiezuiniger omdat het energie bespaart doordat de motor minder hoeft te pompen. Lees wat de experts zeggen over deze nieuwe technologie.

• De toekomst van waterstofgestuurde gasmotoren De race is begonnen om de leidende positie op het gebied van brandstofbesparing. Waar past de waterstofgestookte gasmotor in andere brandstofbesparende technologieën zoals hybride auto's, E85-auto's op ethanol en nieuwe schone dieselauto's? Hoeveel gas bespaart het in vergelijking met andere voertuigen op alternatieve brandstof? Zullen consumenten dit type motor in de nabije toekomst in auto's gaan zien? Ontdek het in deze sectie.

ArvinMeritor Dit prototype reformer, dicht bij de motor gemonteerd voor testen in een V6 SUV, is 18 inch lang en 4 inch in diameter.

De technologie voor benzinemotoren met waterstof is nieuw en begint nu net uit het laboratorium te komen. Het biedt uitzicht op een economische manier om een ​​kleine hoeveelheid waterstof uit benzine te produceren met een daarvoor ontworpen boordsysteem. Dit systeem is uitgevonden door wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology en geperfectioneerd door auto-industrie-leverancier ArvinMeritor in samenwerking met het Duitse auto-ingenieursbureau IAV.Het kan een kosteneffectief alternatief bieden voor brandstofceltechnologie en traditionele benzine- en dieselverbranding. motoren. Het is mogelijk dat waterstofgestookte motoren de kloof kunnen overbruggen tussen de huidige benzineauto's en de brandstofcelvoertuigen van de toekomst.

Hoewel brandstofcelvoertuigen veelbelovend kunnen zijn voor de lange termijn, is de realiteit dat ze nog jaren verwijderd zijn van massaproductie. Critici noemen de hoge kosten van brandstofcelstapels, problemen met de massaproductie van waterstof als brandstof en algemene brandstofproblemen als belangrijke struikelblokken. Sommigen denken dat het decennia kan duren voordat brandstofcelvoertuigen algemeen verkrijgbaar zijn. Europese autofabrikanten zijn al overgestapt op duurdere dieselmotoren, maar hun kosten en de daarmee samenhangende complexiteit nemen toe met strengere nieuwe emissie-eisen voor de beheersing van fijnstof en NOx-emissies.

Amerikaanse autofabrikanten die met dezelfde bezorgdheid over dieselmotoren worden geconfronteerd, zijn terughoudend om zich in te zetten voor de enorme kosten die nodig zijn om over te schakelen van benzine op duurdere diesel. Consumenten moeten momenteel bijvoorbeeld ongeveer 3000 dollar premie betalen voor een dieselaangedreven lichte vrachtwagen in vergelijking met een conventioneel benzineauto. Dit zal in de toekomst toenemen om de stijgende kosten te compenseren die nodig zijn om ervoor te zorgen dat dieselvoertuigen voldoen aan de toekomstige emissievoorschriften. De EPA heeft dieselvoertuigen onlangs een pauze gegeven door de NOx-vereisten op korte termijn te versoepelen, maar pas tot en met 2009 en de emissie-eis voor hoge kilometers is aangescherpt als afweging.

Wat de experts zeggen

Volgens experts van ArvinMeritor en uitvoerende ingenieurs Rudy Smaling en Jens Beister bij IAV, zijn de feiten over een waterstofgestookte benzinemotor en de voordelen ervan duidelijk.

Een kleine hoeveelheid waterstof die door de reformer aan boord wordt gemaakt, wordt toegevoegd aan het normale mengsel van inlaatlucht en benzine. Dit verbetert de algehele verbrandingskwaliteit aanzienlijk door bijna twee keer zoveel lucht toe te laten voor een bepaalde hoeveelheid brandstof die in de verbrandingskamer wordt gebracht. Dit is energiezuiniger omdat het energie bespaart doordat de motor minder hoeft te pompen.

Brandstofefficiëntie wordt ook bereikt door het gebruik van hogere motorcompressieverhoudingen die mogelijk worden gemaakt door de waterstofrijke ladingseigenschappen. Een waterstofgestimuleerd brandstofsysteem bespaart ook energie vanwege de opmerkelijk lage hoeveelheid elektrische energie die nodig is om de reformer van stroom te voorzien. Volgens de ontwikkelaars heeft het minder dan 75 watt nodig, wat minder is dan de elektrische behoeften van een standaardkoplamp.

Een door de industrie geaccepteerde virtuele voertuiganalyse op basis van motortestgegevens wees op het potentieel voor een verbetering van het brandstofverbruik met 20 tot 30 procent voor een verkleinde versie van de waterstofmotor met turbocompressor in vergelijking met conventionele benzinemotoren.

Vervolgens leggen we uit wat deze technologie te wachten staat en waar consumenten deze gaan zien. 

Stel je een full-size SUV voor zoals de Toyota Sequoia [bodem] dat wordt het brandstofverbruik van een groot sedan zoals de Ford Five Hundred [top]. De waterstofreformer zou dat kunnen realiseren.

Benzinemotoren met waterstof kunnen het brandstofverbruik aanzienlijk verbeteren. Een belangrijk kosten- en milieuvoordeel van de waterstofgestuurde arm-systeemmotor zijn de lage hoeveelheden NOx-emissiegassen, waardoor de behoefte aan externe NOx-emissiebeheersing volledig overbodig is. Momenteel is NOx-emissiebeperking een groot kostenprobleem voor diesels die dure vallen gebruiken om aan emissienormen te voldoen. De uitstoot van roetdeeltjes moet ook worden opgevangen door een filter dat periodiek moet worden geregenereerd.

Met waterstof aangedreven benzinemotoren hebben geen NOx- of deeltjesbeheersingsfilters nodig en hebben alleen een goedkope oxidatiekatalysator nodig om kleine hoeveelheden uitlaatgassen (onverbrande koolwaterstoffen), die meestal tijdens het starten en vroeg opwarmen van de motor worden gevormd, te beheersen. Extra verlagingen van de emissiebeheersingsvereisten vloeien voort uit het vermogen van de motor om alleen de schone waterstofverrijkte lading te gebruiken tijdens de koudestartfase, wanneer 90% van de emissies wordt gegenereerd in de emissietest.

Het waterstof-boost-systeem is in feite een bolt-on technologie die kan worden toegevoegd aan het motorcompartiment van een bestaand voertuig. Volgens de ontwikkelaars bedragen de kosten van het systeem minder dan de helft van de extra kosten voor diesels. De productiekosten van de Amerikaanse auto-industrie voor het maken van diesels ter vervanging van benzinemotoren zijn enorm en zouden moeilijk zijn voor Amerikaanse fabrikanten die momenteel met financiële problemen kampen.

Een prototype met waterstof aangedreven motor wordt nu geïnstalleerd in een met V6 uitgeruste SUV die voldoende vrije ruimte heeft voor de reformer en het bijbehorende systeem. De start van langetermijntests op de weg voor informatie over prestaties, betrouwbaarheid en duurzaamheid is gepland voor later dit jaar en de eerste productieapplicatie wordt verwacht voor 2010.

Prestatiegegevens die tijdens de vroege testfase worden gegenereerd, zullen zeker intensief in de gaten worden gehouden door vrijwel iedereen die zich bezighoudt met auto- en energie-milieuaangelegenheden, deels omdat het systeem wordt geassocieerd met het modewoord 'waterstof'.

Hoog op de lijst van geïnteresseerde partijen staan ​​de makers van de grote SUV's en bestelwagens waarvoor toezichthouders van de overheid op zoek zijn naar 10 procent hogere gemiddelde mijlen per gallon vergeleken met het niveau van 2007 van 22,2 mpg. Het nieuwe niveau van 24,1 mpg moet in 2011 worden aangehouden.

Viercilindervoertuigen zullen waarschijnlijk ook de beste kandidaten voor de technologie zijn, aangezien de hoge benzineprijzen concurrentie blijven genereren tussen de modellen met een hoog brandstofverbruik die op zoek zijn naar mpg-leiderschap. Een bijdragende factor in de compacte automarkt kan een probleem zijn met de levensduurkosten van hybride voertuigen vanwege de complexiteit van het systeem en de vervanging van de batterij, die in sommige gevallen zelfs $ 5.000 bedragen. Dit begint nu pas tot uiting te komen in de lage inruilwaarde, aangezien vroege productiehybriden veel kilometers afleggen.

De waterstofgestuurde motor zal echter niet de enige zijn in de race om de leiderspositie op het gebied van brandstofverbruik. Geavanceerde turbocharged verkleinde direct ingespoten motoren met variabele kleppen, common-rail dieselmotoren, hybrides en flexfuel-voertuigen strijden allemaal om de aandacht van de autofabrikant in de race om het brandstofverbruik.

Geen van deze technologieën kan bogen op alle voordelen van de waterstofgestookte motor, namelijk een drastisch hoger brandstofverbruik, minimale emissiecontrole en algehele kostenefficiëntie. Uiteindelijk zal er een combinatie van vele technologieën nodig zijn om de dorst van dit land naar rijvrijheid aan te pakken, maar het is waarschijnlijk dat we in de toekomst nog veel meer zullen horen over de waterstofmotor..