Możliwość wykorzystania paliw z dodatkiem wodoru w środkach transportu drogowego

Paweł Daszkiewicz 1 IPS TABOR Marek Idzior 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników spalinowych i Transportu Agnieszka Merkisz-Guranowska 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Możliwość wykorzystania paliw z dodatkiem wodoru w środkach transportu drogowego 1. WSTĘP Działania rozwojowe nad silnikami spalinowymi koncentrują się głównie wokół optymalizacji procesu spalania i udoskonalania pozasilnikowych urządzeń oczyszczających spaliny. Tłokowy silnik spalinowy o spalaniu wewnętrznym, którego głównym zadaniem jest zamiana energii chemicznej zawartej w paliwie na pracę mechaniczną układu korbowo-tłokowego jest jednym z głównych maszyn cieplnych wykorzystywanych w naszej cywilizacji. Ze względu na wysoki poziom technologii wytwarzania (w pełni zautomatyzowany proces produkcji silników typu fire ) oraz niezawodną pracę w zakładanym czasie eksploatacji, przez najbliższe dziesięciolecia będzie dominował, jako źródło energii mechanicznej. Biorąc pod uwagę sprawność tłokowego silnika spalinowego, znaczącą rolę w gospodarce światowej odgrywa silnik o zapłonie samoczynnym (ZS). Większa sprawność silnika ZS, w stosunku do silnika o zapłonie iskrowym (ZI), wynika z większego stopnia sprężania oraz faktu, że w całym zakresie obciążeń pracuje on na ubogich mieszakach paliwowo-powietrznych, dla których współczynnik nadmiaru powietrza jest większy od 1 [1, 6]. Warto również podkreślić, że silniki o ZS, a w szczególności jednostki napędowe o małych wartościach wskaźnika mocy z jednostki objętości całkowitej cylindra, a także silniki średniej i dużej mocy mają trwałość pozwalającą na przebiegi osiągające 2 mln km. Ze względu na wspomniane cechy, silniki o ZS są aktualnie najbardziej rozpowszechnionymi jednostkami napędowymi użytkowanymi w pojazdach trakcyjnych średnich i dużych mocy (samochody dostawcze, ciężarowe, lokomotywy itp.) oraz jednostkach stacjonarnych. Szeroki zakres stosowania silników o ZS ma istotny wpływ na zwiększone zapotrzebowanie na paliwa ropopochodne na poziomie istotnym z punktu widzenia budżetów krajów, niezależnie od ich poziomu rozwoju gospodarczego. Obawa przed malejącymi zasobami ropy naftowej, przy dużym zapotrzebowaniu na paliwa ropopochodne prowadzi do wzrostu ich cen na światowych rynkach oraz nadmiernej emisji składników szkodliwych, takich jak: CO, CO 2, HC, NO x oraz cząstek stałych (PM). Analiza wyników prac ośrodków naukowo badawczych wskazuje, że jednym z najczęściej stosowanych paliw zastępczych do tłokowych silników spalinowych jest gaz naturalny [1, 2, 6], ale także alkohole (metylowy i etylowy). Szczególnie w Polsce bardzo popularne jest zastosowanie LPG, jako paliwa alternatywnego. Prowadzone były również prace eksperymentalne nad użyciem alkoholu metylowego do napędu jednostki spalinowej [3, 4]. Najlepszym obecnie sposobem na zmniejszenie jednostkowej emisji związków toksycznych pochodzących z silników spalinowych, to rozwój źródeł i korzystanie z energii niepochodzącej z paliw kopalnianych. W dziedzinie motoryzacji można wskazać główne kierunki rozwoju i badań, jakimi są: stosowanie alternatywnych paliw w połączeniu z konwencjonalnymi, jednym z takich rozwiązań jest 1 p.daszkiewicz@tabor.com.pl 2 marek.idzior@put.poznan.pl 3 agnieszka.merkisz-guranowska@put.poznan.pl 146

spalanie paliwa konwencjonalnego w silniku o ZS z domieszką wodoru. Podczas reakcji spalania wodoru powstaje para wodna i niewielka ilość tlenków azotu, co w porównaniu do emisji związków toksycznych powstających ze spalania paliw konwencjonalnych w silnikach spalinowych sprawia, że jest on paliwem proekologicznym. 2. SILNIKI ZASILANE DWUPALIWOWO 2.1. Sposoby zasilania silników dwupaliwowych Koncepcja zasilania dwupaliwowego jednostki napędowej znana jest od dawna, już w roku 1956 zgłoszono patent nr 2909159 [2], zauważono wtedy, że ten typ zasilania prowadzi do zwiększenia sprawności cieplnej i uzyskania większej mocy w porównaniu do zasilania tylko olejem napędowym. Intensywne badania nad tego rodzaju zasilaniem, szczególnie w zakresie sterowania procesem spalania, rozpoczęto w drugiej połowie XX w. w USA i we Włoszech [5]. W badaniach tych główny nacisk położono na poprawę sprawności silnika i zmniejszenie emisji cząstek stałych i tlenków azotu. W Polsce pionierem badań silników o ZS zasilanych dwupaliwowo był prof. M. Zabłocki. W pracy [8] zaproponował sterowanie zasilaniem dwupaliwowym za pomocą mechanicznie sprzęgniętej pompy wtryskowej z układem wytryskującym paliwo gazowe, a także analizę zagadnień związanych z procesem spalania mieszanki dwupaliwowej. We wszystkich działaniach współspalania paliwa konwencjonalnego z dodatkiem paliwa alternatywnego analizie poddaje się osiągi, natężenie emisji zanieczyszczeń i parametry procesu spalania w zależności od sposobu realizacji zasilania dwupaliwowego z dawką inicjującą zapłon ON oraz coraz częściej zwraca się uwagę na sposób dostarczenia paliwa alternatywnego do komory spalania [7, 9]. Istnieją różnego rodzaju rozwiązania stosowania paliw zastępczych do silników o ZS. W przypadku zastosowania alternatywnych paliw gazowych wprowadza się metody polegające na: 1) ciągłym dostarczaniu paliwa gazowego do kolektora dolotowego przez potocznie zwany mikser/mieszalnik (rys. 1), 2) sekwencyjnym (pośrednim) wtrysku paliwa gazowego do kolektora dolotowego, który po wymieszaniu się z powietrzem jest zapalany od dawki ON inicjującej zapłon w cylindrze silnika (rys. 2); Takie rozwiązanie mimo większych kosztów ma zalety; są to m.in.: utrzymanie stałego składu mieszanki palnej, niezależnie od warunków pracy i stanu cieplnego silnika, możliwość zwiększenia czasu dopływu gazu po zamknięciu zaworu wylotowego, możliwość indywidualnego doboru ilości gazu do poszczególnego cylindra, możliwość odciążenia cylindra, w którym wystąpiło spalanie stukowe, optymalizacja składu mieszanki. 3) bezpośrednim wtrysku paliwa gazowego do komory spalania po samozapłonie zainicjowanym przez dawkę oleju napędowego (rys. 3). Wtrysk bezpośredni posiada zalety wtrysku pośredniego oraz pozwala na uwarstwienie ładunku przez odpowiednie ustawienie czasu wtrysku dawki inicjującej i gazu. W rozwiązaniach stosujących jeden podwójny wtryskiwacz istotną zaletą jest możliwość chłodzenia wtryskiwacza za pomocą gazu. Wtrysk bezpośredni posiada zasadniczą wadę, jaką jest potrzeba sprzężenia gazu do ciśnienia 5 8 MPa, co zwiększa koszty takiego wtryskiwacza. Zasilanie alternatywnymi paliwami ciekłymi może być również realizowane przez jednoczesne dostarczenie do układu wtryskowego mieszaniny paliwa alternatywnego i oleju napędowego. Ze względu na to, że ciekłe paliwa alternatywne trudno mieszają się z olejem napędowym, możliwe są do uzyskania roztwory o najwyżej 10-procentowym udziale paliwa alternatywnego. Zastosowanie dodatków [2, 6] (np. 1- octylamino-3-octyloxy-2-propanol oraz 2-nitrato-3-octyloxy propyl) pozwala na zwiększenie udziału etanolu (ciekłego paliwa alternatywnego) powyżej 10%. Ponadto dodatki te zwiększają liczbę cetanową mieszaniny oleju napędowego i etanolu, powodując poprawę samozapłonu. Metoda ta nie wymaga jakichkolwiek zmian w konstrukcji układu zasilania silnika o ZS. Jednakże ilość zastosowanego paliwa 147

alternatywnego nie czyni go źródłem strategicznym w rozumieniu dywersyfikacji źródeł energii w gospodarce krajów nieposiadających własnych zasobów ropy naftowej. Zwiększenie ilości wykorzystywanych ciekłych paliw alternatywnych zasilających silniki o ZS wymaga wprowadzania bardziej zaawansowanej technologii układu zasilania silnika o ZS. Rozwiązaniem bardzo przydatnym jest, zasilanie dwupaliwowe, w którym do zapłonu wykorzystywana jest dawka inicjująca zapłon oleju napędowego. Przy tej koncepcji udział energetyczny paliwa alternatywnego może być większy niż 50%. Rys. 1. Schemat mieszalnikowego sposobu zasilania silników dwupaliwowych: 1 mieszalnik, 2 zawór regulacji gazu, 3 silnik krokowy Rys. 2. Schemat wtrysku pośredniego gazu: 1 wtryskiwacz oleju napędowego, 2 wtryskiwacz gazu, 3 struga rozpylonego gazu, 4 dawka inicjująca, 5 ciecz chłodząca Rys. 3. Schemat wtrysku bezpośredniego wtryskiwacz podwójny 2.2. Współspalanie wodoru w silnikach spalinowych Analiza literatury [1, 2, 3, 4] wykazuje, że charakterystyki współspalania wodoru w silniku benzynowym z innymi gazami palnymi mogą być brane pod uwagę w koncepcji współspalania tego paliwa. W koncepcji współspalania oleju napędowego w mieszance powietrze wodór i innych gazów palnych należy uwzględnić podstawową różnicę paliwa konwencjonalnego w porównaniu z wodorem, jaką stanowi szeroka granica palności, która wynosi od 4% do 75% objętości wodoru w powietrzu. Prędkość spalania wodoru może wzrosnąć w odpowiednich warunkach do kilkuset metrów na sekundę. Te cechy mogą być wykorzystywane do spalania ubogich mieszanek, charakteryzujących się małym stężeniem tlenków azotu, co może prowadzić do poprawy wydajności spalania. Właściwości te mogą jednak prowadzić do niechcianego wzrostu spalania lub nawet do detonacji. W celu rozwiązania tego zagadnienia przeanalizować należy w wpływ warunków temperatury, ciśnienia, turbulencji, składu gazu i jego przepływu na proces spalania omawianych mieszanin. Dorer, Prechtl i Mayinger [9] przeprowadzili badania wizualizacyjne rozpylenia strugi paliwa w mieszance powietrzno-wodorowej silnika o zapłonie iskrowym. Wykorzystane przez nich urządzenie służące do wizualizacji procesu rozpylenia strugi w komorze spalania wykorzystywało zjawisko indykowanej fluorescencji laserowej (LIF). Pulsacyjny laser emitował wiązkę monochromatyczną o długości fali 248 nm, skupioną na soczewce ustawionej w małej odległości, a wiązka lasera przemieszczała się przez komorę spalania. Cząsteczki w warstwie były podsycane i emitowały światło we wszystkich kierunkach. Zintensyfikowana wiązka rejestrowała emitowane światło przez okno w dolnej części komory spalania. Ta technika pomiaru pozwala również na wizualizację niespalonej mieszaniny gazu podczas procesu spalania, dając ilościowy obraz mieszaniny i rozkład stężenia mieszaniny w komorze spalania (rys. 4). 148

Rys. 4. Układ zasilania dwupaliwowego silnika z wtryskiem bezpośrednim do komory spalania Źródło: [7]. Eksperyment wykazał, że w silniku benzynowym z dodatkiem wodoru może być osiągnięty zapłon mieszanki. Opóźnienie zapłonu w głównej mierze zależy od stopnia sprężania. Wraz z większym stopniem sprężania zapłon może być zrealizowany. Dostarczenie wodoru powinno być realizowane w pobliżu GMP, w celu uniknięcia spalania detonacyjnego. Seria eksperymentów wykonanych przez Dorera, Prechtla i Mayingera wykazała że stopień sprężenia ma znaczny wpływ na opóźnienie zapłonu. Wyższe temperatury mieszanki prowadzą do mniejszej wartości opóźnienia zapłonu. Analiza filmu potwierdza przypuszczenie, że zapłon jednego strumienia nie prowadzi do zapłonu pozostałych strumieni wodoru (rys. 5). Zaobserwowano także, że kilka strumieni nie uległo zapłonowi. Można z tego wnioskować, że różne obszary mieszanki wodoru wtryśniętej w jednym cyklu mogą mieć różne czasy opóźnienia zapłonu. W rezultacie różnice wartości ciśnienia w różnych cyklach mogą powodować przerwy zapłonu. Prawdopodobną przyczyną może być temperatura sprężonego wodoru oraz różny charakter mieszanki. Prawdopodobnie na zapłon wpływ ma także czystość sprężonego wodoru oraz nieszczelności w układzie dolotowym. Rys. 5. Przebieg wtrysku oleju napędowego do mieszanki paliwowo-wodorowej z wtryskiwacza 6 otworkowego Źródło: [7]. Wykazano, że w przypadku silników o zapłonie samoczynnym zastosowanie wodoru, jako paliwa dodatkowego może wpłynąć ma na zmianę zwłoki samozapłonu oleju napędowego. Dodatkowo wprowadzony do komory spalania wodór, przyczynia się do większego stężenia rodników H i OH, a także w decydujący sposób wpływa na przebieg reakcji przedpłomieniowych i zainicjowanie spalania w pierwszej fazie 0 10% MFB dla silników o zapłonie iskrowym. 2.3. Sposoby zasilania silników spalinowych paliwem gazowym Silniki spalinowe po wcześniejszym przystosowaniu można zasilać szeroką gamą paliw gazowych o różnych wartościach opałowych i różnych zanieczyszczeniach. Wyróżnia się kilka typów gazowego zasilania silników: a) silnik o zapłonie iskrowym, 149

b) silnik dwupaliwowy ze stałą dawką inicjacyjną, c) silnik dwupaliwowy ze zmienną dawką oleju napędowego zasilany gazem przy dużych obciążeniach (rys. 6). Rys. 6. Schemat sposobów zasilania silników paliwami gazowymi Obecnie najbardziej rozpowszechnionym sposobem zasilania silnika spalinowego jest wykorzystanie do tego celu silnika o zapłonie iskrowym. Do cylindra trafia paliwo gazowe o stałej ilości z systemu mieszalnikowego lub z elektronicznych wtryskiwaczy znajdujących się w kolektorze dolotowym. Zapłon zainicjowany jest za pomocą świecy z układu zapłonowego. W silnikach o zapłonie samoczynnym zastosowanie jedynie paliwa gazowego jest trudniejsze. Wiąże się z koniecznością umieszczenia układu zapłonowego i zmniejszenia stopnia sprężania w celu zapobiegania spalaniu stukowemu. Wynikiem takich czynności jest znaczne zmniejszenie sprawności ogólnej w stosunku do zasilania tradycyjnego. Znaczącym problemem w uzyskaniu odpowiedniego współczynnika powietrza dla otrzymania skutecznego zapłonu jest szybka zmiana parametrów pracy silnika. Kolejnym z typów wykorzystania gazu w silniku jest zastosowanie systemu dwupaliwowego. Do silnika jako główną (zasadniczą) dawkę stosuje się gaz, natomiast porcja paliwa ciekłego jest dostarczana przed GMP w celu zainicjowania zapłonu. Z uwagi na koszt paliwa ciekłego w silnikach dwupaliwowych dąży się do jak najmniejszego wykorzystania dawki inicjacyjnej. Jednak wielkość dawki inicjującej zależy od konstrukcji i przeznaczenia silnika. Można wyróżnić trzy wielkości dawek w zależności do porcji energii dostarczonej wraz z paliwem ciekłym: 10 15% całkowitej energii, 3 5% całkowitej energii, 1,5 2% całkowitej energii. Stosując klasyczną aparaturę wtryskową silnika o ZS pełny zapłon gazu można uzyskać przy dawce w zakresie od 10% do 15% dawki znamionowej. Taka ilość jest proporcjonalna do energii paliwa ciekłego dostarczonego w całości. Typowa aparatura wtryskowa pozwala w wypadku awarii silnika ZS zasilać go w całości paliwem ciekłym. Ważnym faktem jest rozruch silnika (w niskiej temperaturze otoczenia), który odbywać się musi wyłącznie przy zastosowaniu klasycznego paliwa (ON). Ma to znaczenie w większych silnikach, gdzie zapłon następuje przy znacznie mniejszych wielkościach dawki, co zmusza do zastosowania dwóch różnych wtryskiwaczy: klasycznego, służącego do zasilania silnika jedynie olejem napędowym oraz drugiego mniejszego, służącego do wstrzykiwania dawki inicjującej. Najmniejsze z dawek inicjujących stosuje się z dużych silnikach generatorowych, pracujących ze stałą prędkością obrotową. W tym zastosowaniu dawka inicjująca wtryskiwana jest do komory wstępnej, umieszczonej tak aby uzyskać najlepsze spalanie w komorze zasadniczej. W komorze silnika dwupaliwowego zapłon gazu następuje jednocześnie w wielu miejscach, a jego rozkład jest zależny od ilości i zasięgu strug paliwa ciekłego. Źródłem zapłonu gazu są palące się opary paliwa ciekłego, co określane jest zapłonem strumieniowym. Taki rodzaj zapłonu jest znacznie skuteczniejszy, niż zapłon od iskry zapłonowej dzięki większej energii i zasięgowi. Dzięki takiemu zastosowaniu osiąga się pewny zapłon gazu w szerszym zakresie współczynnika nadmiaru powietrza. Silnik dwupaliwowy ze zmienną dawką oleju napędowego zasilany gazem przy dużych obciążeniach jest dobrym rozwiązaniem dla silnika o ZS i poprawia jego parametry. Silnik pracujący na małych 150

obciążeniach wykorzystuje wyłącznie paliwo ciekłe, a w chwili zwiększenia obciążenia do komory doprowadzony jest gaz w ilości do 30% masy paliwa ciekłego. Takie rozwiązanie zmniejsza koszty eksploatacyjne i pozwala zmniejszyć zużycie oleju napędowego [4]. Rys. 7. Podwójny wtryskiwacz dla oleju napędowego i gazu: 1 elektrozawór dawki oleju napędowego, 2 elektrozawór dawki gazu, 3 pokrywa sprężyny dawki inicjującej, 4 zawór kulkowy, 5 iglica dawki inicjującej, 6 iglica dawki gazu 3. WŁAŚCIWOŚCI WODORU JAKO PALIWA 3.1. Cechy charakterystyczne wodoru Wodór będący produktem wielu reakcji chemicznych w atmosferze występuje w małym stężeniu. W postaci gazowej znajduje się jako cząsteczka dwuatomowa H 2, istnieje w dwóch formach w zależności od spinu atomów: orto-wodór i para-wodór. Spiny zorientowane równolegle występują w orto-wodorach w przeciwieństwie do para-wodorów, gdzie spiny nie są równoległe. Ponieważ spin jest pojęciem czysto kwantowym ich odmienne zorientowanie świadczy o innych stanach kwantowych, a więc o różnych właściwościach fizycznych i termodynamicznych. Zawartość orto- i para-wodoru w cząsteczce gazu jest zależna od panującej temperatury. W temperaturze zera bezwzględnego 273,15 C zawartość para-wodoru osiąga 100%, tymczasem w temperaturze pokojowej około 25% [2]. Tabela 1. Właściwości fizyczne i termodynamiczne różnych form wodoru Właściwości Wodór para-wodór 75% orto- + 25% para- Gęstość w 0 C 10 3 mol/cm 3 0,05459 0,04460 Współczynnik ściśliwości w 0 C Z = pv/rt 1,0005 1,00042 Ściśliwość adiabatyczna w 300 K MPa 1 7,12 7,03 Współczynnik ekspansji objętościowej w 300 K K 1 0,00333 0,00333 C p w 0 C J/(mol K) 30,35 28,59 C v w 0 C J/(mol K) 21,87 20,30 Entalpia w 0 C J/mol 7656,6 7749,2 Entropia w 0 C J/(mol K) 127,77 139,59 Przewodnictwo cieplne w 0 C mw/(cm K) 1,841 1,740 Stała dielektryczna w 0 C 1,000270 1,000271 Źródło: [6]. 151

Wodór może występować w trzech podstawowych stanach skupienia w zależności od temperatury ośrodka. faza gazowa w temperaturze powyżej temp. wrzenia 253 C, faza ciekła w temperaturze od 259 C do 253 C, faza stała w temperaturze poniżej 259 C. Wodór w warunkach atmosferycznych występuje w postaci gazowej, co utrudnia jego magazynowanie i z tego powodu jest przechowywany pod ciśnieniem, bądź w postaci cieczy kriogenicznej. Oznacza to przechowywanie w temperaturze poniżej 73 C. Cząsteczka H 2 posiada między swoimi atomami energię wiązania rzędu 436 kj/mol, co czyni ją nadzwyczaj stabilną. W warunkach normalnych ulega niewielu reakcjom; ta sytuacja zmienia się w podwyższonej temperaturze i w obecności katalizatorów. Reakcja spalania wodoru wytwarza energię w wyniku tego działania powstaje woda [2]. Ciepło odparowania jest różnicą między górnym i dolnym ciepłem spalania; jej wartość informuje o ilości energii potrzebnej do przemiany paliwa ciekłego w fazę pary. W tabeli 2 widoczna jest znaczna rozbieżność między wodorem a innymi rodzajami paliw, co jest pozytywnym aspektem w stosowaniu wodoru jako paliwa. Tymczasem duża wartość energii spalania jest powodem kilkukrotnie większej siły eksplozji wodoru w odróżnieniu do paliw węglowych. Obecność atomów wodoru w cząsteczce danego paliwa świadczy o gęstości energii i jest kluczowym aspektem oceny jakości paliw. Tabela 2. Ciepła spalania wodoru i paliw silnikowych Paliwo Górne ciepło spalania Dolne ciepło spalania [kj/g] [kj/g] Wodór 141,89 119,93 Metan 55,53 50,02 Propan 50,36 45,60 Benzyna 47,50 44,50 Olej napędowy 44,80 42,50 Metanol 19,96 18,05 Źródło: [1, 6]. Tabela 3. Gęstość energii paliw [1, 6] Wodór Paliwo gaz Stan fizyczny Dolne ciepło spalania [kj/m 3 ] w 15 C, 1 atm 10 050 w 15 C, 200 atm 1 825 000 w 15 C, 690 atm 4 500 000 ciecz 8 491 000 Benzyna ciecz 31 150 000 Olej napędowy ciecz > 31 435 800 Metanol ciecz 15 800 100 Źródło: [1, 6]. W tabeli 3 przedstawiono zależność między stanem fizycznym paliwa i ciśnieniem, a gęstością jego energii. Ma to duże znaczenie dla technologii magazynowania paliw. Zbiornik paliwa z olejem napędowym przy masie i objętości ponad 2 razy mniejszej ma porównywalną wartość energetyczną do zbiornika z wodorem. Parametry wodoru mające znaczenie w wykorzystaniu go jako paliwa: temperatura samozapłonu dla wodoru 253 C, zakres palności wodoru rośnie z temperaturą od 4% do 75% (v/v), zakres wybuchowości od 15% do 95%, temperatura samozapłonu wodoru wynosi 585 C i jest wyższa w porównaniu do innych paliw (benzyna: 250 480 C, olej napędowy: 270 C, metan: 540 C), energia zapłonu, czyli energia jaką należy dostarczyć do mieszanki aby nastąpił zapłon dla wodoru wynosi 0,02 mj i jest bardzo mała w porównaniu do innych paliw. 152

Szybkość spalania określa prędkość rozprzestrzeniania się płomienia i dla wodoru wynosi 2,65 3,25 m/s (około 3,2 m/s w powietrzu i około 9 m/s w otoczeniu czystego tlenu). Szybkość ta jest o wiele większa od szybkości spalania benzyny oraz pozostałych paliw. 3.2. Spalanie wodoru Wodór w postaci gazu na obrzeżach chmury spala się płomieniem odrzutowym, w wyniku początkowych turbulencji przez przeszkody może nastąpić eksplozja. Podczas spalania wodoru nie występuje zjawisko tworzenia sadzy w przeciwieństwie do spalania paliw węglowych, wynikiem czego płomień wodorowy wypromieniowuje mniejszą ilość energii termicznej w stosunku do płomienia węglowodorowego. Płomień wodoru jest niemal niewidoczny, a z powodu mniejszego promieniowania cieplnego jest bardziej niebezpieczny. Eksplozja chmury wodorowej jest połączona z falą ciśnienia. Zdolność tworzenia mieszanin wspomagających detonacje jest zależna od szybkości spalania (tab. 4). Tabela 4. Podstawowe parametry detonacji [1, 6] Charakterystyka H 2 Paliwo CH 4 C 3 H 8 C 6 H 6 Granica górna 11 18 6,3 3,1 1,1 Granica dolna 59,0 13,5 7,0 3,3 Maksymalna szybkość spalania [m/s] 13,48 0,43 0,47 Stężenie w maksimum [% v/v] 42,5 10,2 4,3 Szybkość spalania mieszaniny stechiometrycznej [m/s] 2,37 0,42 0,46 0,42 Stężenie w warunkach stechiometrycznych [% v/v] 29,5 9,5 4,1 1,8 Źródło: [1, 6]. 4. WNIOSKI Podsumowując prowadzone rozważania można stwierdzić, że wodór ma wiele zalet jako paliwo; najważniejsze z nich to : duża zdolność do zapłonu ze względu na małą energię potrzebną do zapłonu, duża szybkość spalania mieszanki wodorowej, duży współczynnik dyfuzji wodoru w powietrzu, dzięki czemu łatwo tworzy jednorodną mieszankę, szeroka granica palności mieszanki, dzięki czemu można stosować regulację jakościową. Niestety posiada on również zasadnicze wady, mogące sprawiać trudności w jego eksploatowaniu i współspalaniu: dużą skłonność do spalania stukowego, wywołaną małą liczbą oktanową, małą odległość krytyczną propagacji płomienia, która przy dużych nieszczelnościach zaworów w silniku tłokowym (w sprawnym silniku nieszczelność zaworów może wynosić 0,4 mm) może przyczynić się do cofania się płomienia do kanału dolotowego, dużą reaktywność z metalami powodującą korozyjne niszczenie materiałów, zdolność do chemicznego rozkładu oleju smarnego, małą gęstość energetyczną, generowanie pulsacji ciśnienia, obniżające liczbę oktanową, trudności z panowaniem nad procesem spalania wywołane zapłonem powierzchniowym i tendencją do spalania stukowego, trudności z przechowywaniem. Streszczenie A artykule dokonano analizy właściwości fizykochemicznych wodoru w aspekcie możliwości wykorzystania tego paliwa w pojazdach silnikowych zasilanych dwupaliwowo. Zasoby energii konwencjonalnej sukcesywnie ulegają wyczerpaniu, dlatego w miarę rozwoju konsumpcji właściwym kierunkiem jest częściowa zamiana energii na energię odnawialną. Jednym z najbardziej ekonomicznie uzasadnionym paliwem, jakie może być współspalane z paliwami konwencyjnymi w przyszłości jest wodór. Jest to najbardziej rozpowszechniony pierwiastek we wszechświecie (stanowi prawie 90% jego masy). Występujące zasoby wodoru jako potencjalnego źródła energii oraz jego cechy opisane w artykule powodują poważne zainteresowanie koncernów motoryzacyjnych do aplikacji w napędach samochodowych. Z naukowego punktu widzenia wydaje się, że kierunek zasilania wodorem pojazdów samochodowych jest nieodwracalny. Zaprezentowane w artykule informacje potwierdzają możliwość stosowania tego paliwa, jako dodatku w pojazdach transportu drogowego. Słowa kluczowe: wodór, paliwa alternatywne, odnawialne źródła energii, współspalanie, ekologia The possibility of using fuels with hydrogen in the road transport 153

Abstract The subject of this paper is to analyze the physical and chemical properties of hydrogen as an opportunity to use a dual-fuel powered motor vehicles. Conventional energy resources are gradually depleted, therefore, as the development of consumption right direction is the partial conversion of energy for renewable energy. One of the most economically efficient fuel that can be coincinerated with conventional fuels in the future is hydrogen. It is the most common element in the universe (accounting for almost 90% of its weight). Existing resources potential of hydrogen as an energy source and its characteristics described in the article cause serious interest in automotive companies to drive automotive applications. From a scientific point of view it appears that the hydrogen supply direction of the vehicle is irreversible. Information presented in this paper confirm the possibility of the use of this fuel, as an additive in road transport vehicles. Keywords: hydrogen, alternative fuels, renewable energy sources, co-combustion, ecology LITERATURA [1] Daszkiewicz P., Idzior M., Bajerlein M., Karpiuk W.: Perspektywa progresu wskaźników ekologicznych silnika badawczego zasilanego olejem napędowym z domieszką wodoru. Technika Transportu Szynowego, 2013. [2] Lejda K.: Wodór w aplikacjach do środków napędu w transporcie drogowym. Wydawnictwo KORAW, Rzeszów 2013. [3] Luft S., Skrzek T.: Dwupaliwowe silniki o zapłonie samoczynnym przegląd wybranych wyników badań. Czasopismo techniczne Mechanika, 3-M, 2012. [4] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: Emisja zanieczyszczeń motoryzacyjnych w świetle nowych przepisów Unii Europejskiej. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2012. [5] Stelmasiak Z.: Dwupaliwowe silniki o zapłonie samoczynnym. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji Państwowego Instytutu Badawczego, Radom 2013. [6] Surygała J.: Wodór jako paliwo. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2008. [7] Szwaja S.: Studium pulsacji ciśnienia spalania w tłokowym siniku spalinowym zasilanym wodorem. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2010. [8] Zabłocki M.: Wtrysk i spalanie paliwa w silnikach wysokoprężnych. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1976. [9] Tourani A., White P., Ivey P.: The estimation of electric vehicle in driving cycles based on NEDC. Institution of Mechanical Engineers, Vehicle Thermal Management Systems Conference Proceedings, 2011, 279 292. 154