Vetypolttomoottorit henkilöajoneuvoissa

Abstract

Ajoneuvotekniikassa on jo pitkään etsitty fossiilisille polttoaineille vaihtoehtoisia energian varastointimuotoja ilmastonmuutoksen ja paikallisten saastepäästöjen ehkäisemiseksi. Vetyä voidaan käyttää ajoneuvoissa yhtenä vaihtoehtoisena ja teoriassa päästöttömänä polttoaineena. Vetyä voidaan polttaa joko polttokennossa tai polttomoottorissa, joista jälkimmäinen säilyttää ajoneuvojen perinteisille polttomoottoreille tutut ominaisuudet ja haasteet.

Tässä työssä selvitetään erilaisten vetypolttomoottoreiden toimintaa ja vedyn varastointitekniikoita henkilöajoneuvoissa perusteellisesti, sekä esitellään mahdollisia suunnitteluratkaisuja vetypolttomoottorin kehittämisestä kiinnostuneelle. Tutkielma on kirjallisuuskatsaus, ja koostuu kolmesta pääosasta. Aluksi esitellään vetypolttomoottoreiden historia, seossuhteiden teoria, vedyn palamisprosessi moottorissa, sekä bensiinimoottorin muutos vedyllä käyväksi. Tämän jälkeen listataan vedyn varastointitekniikat, niiden hyödyt, haasteet ja suunnitteluvaatimukset, sekä vedyn varastointiin liittyvät turvallisuusvaatimukset. Lopuksi tulokset kootaan yhteen ja esitellään mahdollisia jatkotutkimusta vaativia osa-alueita. Tutkielman tarkoitus ei ole ottaa kantaa vetypolttomoottorien tai vedyn polttoaineena käyttämisen kannattavuuteen.

Vetypolttomoottorin toiminta muistuttaa pitkälti bensiinimoottorin toimintaa, kummankin ollessa kipinäsytytteinen sisäpolttomoottori. Bensiinillä käyvän moottorin voi muuttaa vedyllä käyväksi kohtuullisin muutoksin, maakaasumuutosta muistuttavalla tavalla. Vedyn ainoana palamistuotteena on vesi, mutta kuumassa palotilassa imuilmassa oleva typpi muodostaa hiukkaspäästöjä. Näitä päästöjä voi torjuta esimerkiksi pakokaasun jälkikäsittelyllä, tai käyttämällä moottoria laihalla seoksella. Vety on nakutusherkkää alhaisen sytytysenergiansa vuoksi, joten moottorin ohjaukseen ja palotilan suunnitteluun tulee kiinnittää erityistä huomiota. Laihalla seoksella käyttäminen ehkäisee nakutustakin, mutta tuottaa vähemmän tehoa kuin stoikiometrisessä seoksessa. Tehon tuottoa voi lisätä suuremmalla ahtopaineella. Tällöin puhutaan laiha-ahtamisesta, joka vaikuttaa lupaavalta kehitysaskeleelta vetypolttomoottoreihin. Suuttimien kesto on myös osoittautunut ongelmaksi, johon ei vielä ole löytynyt ratkaisua.

Vetyä voidaan varastoida painesäiliöihin, jäähdytettyihin nestesäiliöihin tai kiinteisiin aineisiin. Näistä henkilöajoneuvoissa vakiintunut tekniikka on 700 bar:n painesäiliöt, jotka ovat osoittautuneet turvallisiksi ja ovat helppoja käyttää. Polttoaineputket ja -kiskot suositellaan tehtävän ruostumattomasta teräksestä. Tiivisteissä suositellaan käytettävän metallia, mutta matalassa paineessa kumiakin voi käyttää. Tiettyjen metallien käyttöä tulisi välttää vetyhaurastumisen välttämiseksi ja vedyn kerääntymistä ajoneuvon suljettuihin tiloihin tulee pystyä havaitsemaan antureilla turvallisen käyttämisen takaamiseksi.

Vetypolttomoottorien kehitys on ollut hidasta viimeisen vuosikymmenen aikana, mutta muutamien ajoneuvovalmistajien kiinnostus on niitä kohtaan herännyt uudestaan. Vetypolttomoottorit ovat osoittautuneet teknisesti hyvinkin varteenotettaviksi voimanlähteiksi ongelmistaan huolimatta, mutta kehitystyötä vaaditaan vielä ennen laajaa käyttöä henkilöajoneuvoissa.