موتورهای هیدروژنی به عنوان یکی از جدیدترین تکنولوژی های صنعت خودروسازی شناخته می شوند که در آن ها از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شود و در نهایت، از انرژی تولیدشده برای حرکت خودرو استفاده خواهد شد.
با اختراع موتورهای احتراقی (Combustion Engine) تغییر بزرگی در صنعت رخ داد و بسیاری از ابزار و همچنین وسایل نقلیه به این موتورها مجهز شدند تا بتوانند انرژی لازم برای حرکت و فعالیت خود را از آن ها دریافت کنند. یکی از چالش های مهم این موتورها به کارگیری سوخت مورد نظر برای آن ها بود که در این میان، بنزین (Gasoline) و گازوئیل (Diesel) فراگیرتر شدند و تعداد وسایل نقلیه ای که با موتورهای بنزینی و دیزلی کار می کردند روز به روز بیش تر شد. اما اخیراً موتورهایی طراحی شده اند که در آن ها از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شود و به آن ها موتورهای هیدروژنی می گویند.
چند نوع موتور هیدروژنی وجود دارد؟
به طور کلی، دو نوع سیستم تولید قدرت از هیدروژن داریم که یکی از آن ها مانند موتورهای احتراق داخلی (ICE) است و دیگری به وسیله واکنش های شیمیایی انجام گرفته بر روی هیدروژن انرژی تولید می کند که به آن پیل سوختی یا Fuel Cell می گویند. در پیل های سوختی انرژی درونی هیدروژن به انرژی الکتریکی تبدیل می شود و در نهایت، برای شارژ باتری از آن استفاده می شود، اما در موتورهای احتراقی هیدروژنی، انرژی درونی هیدروژن به انرژی مکانیکی تبدیل می شود و برای حرکت خودرو می توان از آن استفاده کرد.
در این مطلب نحوه کار موتورهای احتراق داخلی هیدروژنی مورد بررسی قرار می گیرد و با مزایا و معایب آن آشنا می شوید.
تاریخچه موتورهای هیدروژنی
این نوع از موتورها قدمت بسیار زیادی دارند و برای اولین بار حدود دو قرن پیش (۱۸۰۷) یک فرد نظامی به نام ریواز (Francois Isaac de Rivaz) از گاز هیدروژن به عنوان سوخت برای یک موتور احتراقی استفاده کرد، اما تلاش او چندان نتیجه نداد و نتوانست موتور هیدروژنی خود را فراگیر کند. یک و نیم قرن بعد راجر بیلینگز (Roger Billings) از گاز هیدروژن به عنوان سوخت برای موتور یک فورد مدل A استفاده کرد و توانست برای یک موتور احتراق داخلی به جای سوخت های فسیلی از هیدروژن استفاده کند. بعدها از این ایده استفاده شد و ناسا (NASA) موتورهای جت خود را طوری طراحی کرد تا بتوانند از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده کنند.
موتورهای هیدروژنی (Hydrogen Engine) چگونه کار می کنند؟
طرز کار موتورهای هیدروژنی درون سوز شباهت زیادی به دیگر موتورهای درون سوز دارند. برای مثال، موتورهای هیدروژنی چهارزمانه دقیقاً براساس همان سیکل چهارزمانه ای کار می کنند که موتورهای بنزینی و دیزلی با آن ها کار می کنند و از طرفی دیگر، قطعات به کاررفته در موتورهای هیدروژنی شباهت زیادی به قطعات موتورهای دیگر دارد و حتی ممکن است کاملاً مشابه آن ها نیز باشد.
به طور کلی، در این موتورها، هیدروژن پرفشار به درون محفظه احتراق تزریق می شود و پس از مخلوط شدن با هوا، در اثر جرقه شمع، مخلوط تشکیل شده محترق می شود و انرژی درونی آن آزاد می شود. به این ترتیب، نحوه عملکرد موتورهای هیدروژنی درون سوز بسیار عجیب نیست و می توان به راحتی آن را درک کرد.
موتورهای هیدروژنی با موتورهای بنزینی و دیزلی چه تفاوت هایی دارند؟
همان طور که گفته شد، بسیاری از قطعات و همچنین سیکل عملکردی این موتورها به هم شباهت زیادی دارند و حتی ممکن است کاملاً مشابه باشند، اما تفاوت هایی نیز برای عملکرد موتورهای هیدروژنی باید وجود داشته باشد تا بتواند انرژی درونی این سوخت را آزاد کند.
تزریق سوخت در این موتورها حتماً باید به صورت مستقیم یا Direct Injection صورت گیرد و برای این سوخت نمی توان از تزریق درگاهی یا Port Injection استفاده کرد.
به علت این که می توان هیدروژن را راحت تر محترق کرد، بنابراین در این موتورها خبری از پیش اشتعالی (Pre Ignition) وجود ندارد و برای جلوگیری از بروز این پدیده است که هیدروژن را به صورت مستقیم به محفظه احتراق (Combustion Chamber) تزریق می کنند.
زمان تزریق در این موتورها درست پس از بسته شدن سوپاپ هاست تا از این طریق بتوان از بروز بک فایر (Back Fire) جلوگیری کرد.
نسبت هوا به سوخت در این موتورها باید حدود دو برابر میزان استوکیومتری باشد (Lambda = 2) تا مخلوط حاصل شده رقیق شود و از تولید اکسیدهای نیتروژن مخرب (NOx) جلوگیری شود. از طرفی، برای جلوگیری از ورود NOx به هوا باید از مبدل های مناسب استفاده شود.
مزایا و معایب موتورهای هیدروژنی چیست؟
مزایا
از مهم ترین مزایای این موتورها می توان به فسیلی نبودن و همچنین در دسترس بودن سوخت آن اشاره کرد (هیدروژن بیش ترین سهم از هوا را دارد.)
به علت فسیلی نبودن هیدروژن، تولید هیدروکربن های سوخته و نسوخته کاملاً متوقف می شود.
به علت شباهت زیاد قطعات به‌کاررفته در این موتورها با موتورهای دیگر، تولید موتورهای هیدروژنی می تواند با هزینه کم برای طراحی روبه‌رو شود.
ارزش حرارتی سوخت هیدروژن حدود ۳ برابر سوخت های فسیلی است و این به معنی دسترسی به توان بیش تر در این موتورها نسبت به دیگر موتورهاست.
معایب
نبود ایستگاه های شارژ هیدروژن یکی از بزرگ ترین مشکلات برای این موتورهاست.
حمل هیدروژن می تواند بسیار خطرناک و اشتعال زا باشد، به همین دلیل، برای حمل آن نیاز به به‌کارگیری مخازن ضخیم و محکم است که برای سازنده گران تمام می شود و از طرفی دیگر، به همین دلیل است که انتقال هیدروژن به ایستگاه های پمپ می تواند بسیار خطرناک باشد.
برای تولید هیدروژن از آب نیاز است جریان الکتریسیته از آن عبور کند و تولید چنین جریانی نیاز به سوزانده شدن سوخت های فسیلی دارد، از این رو، به‌کارگیری از این سوخت برای خودروها چندان هم بدون آلایندگی نیست.
