Tłokowe silniki spalinowe zasilane wodorem – wyzwania

Abstract

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.