Βάνκελ Υδρογόνου από τη Mazda
ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ
Στην περσινή έκθεση της Γενεύης, η Μάζντα παρουσίασε το πρωτότυπο HR-X με
κινητήρα Βάνκελ που κατανάλωνε υδρογόνο. Το αυτοκίνητο πέρασε σχετικά
απαρατήρητο, ανάμεσα στα άλλα φουτουριστικά πρωτότυπα της έκθεσης, αλλά το
ενδιαφέρον των ειδικών ήταν έντονο. Στον Αντίλογο του προηγούμενου τεύχους
έγινε μία σύντομη αναφορά στην τεχνολογία υδρογόνου που έχει αναπτύξει η
Μάζντα, με την υπόσχεση ότι οι 4T θα επανέλθουν με σχετικό τεχνικό άρθρο.
Του Πέτρου Σακελλαρίου
ΣΤΗΝ εποχή μας η προστασία του περιβάλλοντος είναι ένα από τα πιο σημαντικά
προβλήματα που η σύγχρονη τεχνολογία καλείται να λύσει. Ειδικά στο χώρο της
αυτοκινητοβιομηχανίας η έρευνα που γίνεται στον τομέα αυτό είναι
περισσότερο από εντατική και δεν αφορά μόνο την τεχνολογία που ήδη
εφαρμόζεται, αλλά και νέες καινοτομίες.
Μία από τις πιο προηγμένες λύσεις στο πρόβλημα δίνει η Μάζντα προτείνοντας
σαν εναλλακτικό καύσιμο το υδρογόνο. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα του
υδρογόνου είναι πως όταν καίγεται δεν ρυπαίνει καθόλου -ή μάλλον σχεδόν
καθόλου όπως θα δούμε παρακάτω- το περιβάλλον, αφού το κυριότερο προϊόν της
καύσης είναι το νερό. Επίσης το υδρογόνο είναι μία ανανεώσιμη, άρα
οικολογική, πηγή ενέργειας, αφού η ποσότητα του νερού που παράγει κατά την
καύση του είναι σχεδόν ίση με την ποσότητα του νερού που καταναλώθηκε για
την παραγωγή του καυσίμου.
PEZEPBOYAP ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ
H αρχή της σημαντικής αυτής έρευνας της Μάζντα έγινε χρησιμοποιώντας σαν
πλατφόρμα δοκιμών το γνωστό μας MX-5 (Εικόνα 1). Το δυσκολότερο πρόβλημα
για τους μηχανικούς της εταιρίας ήταν η ασφαλής αποθήκευση και μεταφορά του
υδρογόνου. Αυτό έγινε δυνατό με τη χρήση υδριδίων μετάλλου (ιόντων
υδροξειδίου μετάλλου) τα οποία έχουν την ιδιότητα να δεσμεύουν το υδρογόνο
όταν ψύχονται υπό συνθήκες πίεσης και να το απελευθερώνουν όταν
θερμαίνονται.
Το ρεζερβουάρ γεμίζει από ένα στόμιο τροφοδοσίας, όπως φαίνεται στην εικόνα
2. Κρύο νερό, που παρέχεται από εξωτερική πηγή, κυκλοφορεί στα τοιχώματα
του ρεζερβουάρ υδριδίου μετάλλου, έτσι ώστε να δεσμεύεται το υδρογόνο με
την ψύξη.
Όταν ο κινητήρας λειτουργεί, το ζεστό νερό που προέρχεται από την ψύξη του
κινητήρα, κυκλοφορεί σε ειδικές κοιλότητες του ρεζερβουάρ. Το ρεζερβουάρ
έτσι θερμαίνεται και το υδρογόνο απελευθερώνεται. Αυτή η διαδικασία πρέπει
να γίνεται υπό σταθερές συνθήκες πίεσης και όγκου του υδρογόνου. Για το
λόγο αυτό η ροή του ζεστού νερού είναι ελεγχόμενη και το ίδιο το υδρογόνο
περνά από μία βαλβίδα ρύθμισης πίεσης. Μετά από αυτή τη βαλβίδα το υδρογόνο
περνά μέσα από μία ηλεκτρονικά ελεγχόμενη βαλβίδα που ρυθμίζει την ποσότητα
με την οποία τροφοδοτείται ο κινητήρας. Τέλος το υδρογόνο ψεκάζεται στον
κινητήρα με μηχανικά ελεγχόμενες βαλβίδες ψεκασμού, οι οποίες λειτουργούν
σαν ωρολογιακοί μηχανισμοί.
Το εσωτερικό του ρεζερβουάρ υδριδίου μετάλλου φαίνεται στην εικόνα 3. Όπως
βλέπουμε, στο εσωτερικό υπάρχει ένα πλέγμα που σχηματίζει κυψέλες. Στην
επιφάνεια των κυψελών βρίσκεται το υδρίδιο απλωμένο με τη μορφή σκόνης, ενώ
εκεί που ενώνονται οι κυψέλες υπάρχουν κοιλότητες για την κυκλοφορία του
νερού. Το ρεζερβουάρ του MX-5 αποτελείται από δεκαοχτώ τέτοιες μονάδες
κυψελών. Οι μονάδες αυτές ονομάζονται κελία.
Το ρεζερβουάρ αυτό υποβλήθηκε στις σκληρότερες δοκιμασίες και αποδείχτηκε
απόλυτα ασφαλές. Στη χειρότερη περίπτωση η διαφυγή του υδρογόνου ήταν μόλις
1% με 2%.
ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΒΑΝΚΕΛ
O κινητήρας που χρησιμοποίησε η Μάζντα στα πειράματά της με το MX-5 είναι ο
περιστροφικός κινητήρας Βάνκελ των 1,3 λίτρων με τους δύο ρότορες. O λόγος
συμπίεσης ήταν ο ίδιος με της βενζινοκίνητης έκδοσης παραγωγής δηλαδή 9,7
:1.
H επιλογή του κινητήρα Βάνκελ από την Μάζντα έγινε για την αντιμετώπιση
κάποιων προβλημάτων καύσης που οφείλονται στις φυσικές ιδιότητες του
υδρογόνου.
Το υδρογόνο είναι ιδιαίτερα εύφλεκτο και γι? αυτό όταν χρησιμοποιείται σε
παλινδρομικούς κινητήρες παρουσιάζει κάποια αστάθεια στην καύση (π.χ.
προανάφλεξη) λόγω της συνεχούς του επαφής με τα θερμά τοιχώματα του
κυλίνδρου. Αυτό όμως δεν συμβαίνει στον κινητήρα Βάνκελ στον οποίο το μίγμα
συμπιέζεται, αναφλέγεται, καίγεται και εκτονώνεται σε διαφορετικές περιοχές
του κελύφους μέσα στο οποίο κινείται το τριγωνικό στροφείο, επειδή ο
θάλαμος καύσης μετατοπίζεται συνεχώς λόγω της κίνησης του στροφείου. Έτσι
πριν την έναυση του σπινθήρα, το υδρογόνο δεν έρχεται ποτέ σε επαφή με
ιδιαίτερα θερμές επιφάνειες ώστε να αυτοαναφλεγεί. Αυτό το πλεονέκτημα του
περιστροφικού κινητήρα επιτρέπει την καύση του υδρογόνου σε στοιχειομετρική
αναλογία, κάτι που αυξάνει την απόδοση του κινητήρα.
Επίσης το υδρογόνο έχει πολύ χαμηλή πυκνότητα και έτσι καταλαμβάνει πολύ
περισσότερο όγκο στο στοιχειομετρικό μίγμα αέρα-καυσίμου (περίπου 28% αντί
2% της βενζίνης). Για να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα η Μάζντα χρησιμοποίησε
την ακόλουθη τεχνική άμεσου ψεκασμού. O αέρας και το καύσιμο εισέρχονται
στο θάλαμο καύσης από δύο διαφορετικές διόδους. Κατά τη φάση της εισαγωγής
ο αέρας εισέρχεται απευθείας στο θάλαμο καύσης. Σχεδόν ταυτόχρονα αρχίζει
και η ροή του υδρογόνου προς τη βαλβίδα άμεσου ψεκασμού στο θάλαμο καύσης.
Αυτή όμως ανοίγει αφού κλείσει η βαλβίδα εισαγωγής του αέρα. Με αυτό τον
τρόπο αυξάνεται ο συνολικός όγκος του μίγματος κατά 38% μειώνοντας το
ποσοστό του όγκου που καταλαμβάνει το υδρογόνο στο μίγμα. Κάθε κύκλος
λειτουργίας σε αυτό τον κινητήρα διαρκεί 50% περισσότερο από όσο σε ένα
βενζινοκινητήρα.
H λειτουργία του κινητήρα μετά από τις παραπάνω τροποποιήσεις είναι απόλυτα
ομαλή και η απόδοση του κινητήρα συναγωνίζεται αυτήν του αντίστοιχου
βενζινοκίνητου. Στην εικόνα 4 βλέπουμε τις καμπύλες ισχύος και ροπής του
κινητήρα. H ισχύς φτάνει τους 118 ίππους και η ροπή τα 16,7 Kg.m.
Μετά την επιτυχία του πειράματος με το MX-5 η Μάζντα προχώρησε στην
κατασκευή ενός μικρότερου κινητήρα (εικόνα 5), πάλι με δύο στροφεία και
συνολική χωρητικότητα 998 κ.εκ. H ισχύς του είναι 100 ίπποι και η ροπή 13
Kg.m.
Τον κινητήρα αυτόν η Μάζντα τον τοποθέτησε στο μέσον ενός φουτουριστικού
αμαξώματος 2+2 θέσεων, δημιουργώντας έτσι ένα νέο πρωτότυπο, το HR-X. Το
αυτοκίνητο αυτό είναι και υβριδικό, αφού χρησιμοποιεί και έναν ηλεκτρικό
κινητήρα για αύξηση των επιδόσεων εκτός πόλης, αποθήκευση κινητικής
ενέργειας κατά το φρενάρισμα και κίνηση στην πόλη.
ΡΥΠΟΙ ΑΠΟ TO ΥΔΡΟΓΟΝΟ. ΘΕΩΡΙΑ KAI ΠΡΑΞΗ
Οι εκπομπές ρύπων από τον περιστροφικό κινητήρα υδρογόνου μπορεί να είναι
πολύ χαμηλές, ιδιαίτερα αν χρησιμοποιείται φτωχό μίγμα. Τότε τα οξείδια του
αζώτου που παράγονται βρίσκονται σε πολύ χαμηλό επίπεδο, ενώ θεωρητικά δεν
παράγονται καθόλου υδρογονάνθρακες και οξείδια του άνθρακα. Στην πράξη όμως
πράγονται μικρές ποσότητες και από αυτούς τους ρύπους λόγω της αναπόφευκτης
καύσης μικρών ποσοτήτων λαδιού.
Όμως με την καύση φτωχού μίγματος μειώνονται πολύ οι επιδόσεις. Έτσι είναι
αναγκαία η χρησιμοποίηση πλουσιότερου ή και στοιχειομετρικού μίγματος,
οπότε αυξάνονται οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου. H λύση της Μάζντα σε αυτό
το πρόβλημα συγκρουόμενων απαιτήσεων ήταν απλή. Χρησιμοποίησε τριοδικό
καταλύτη και στοιχειομετρικό μίγμα. Έτσι τα οξείδια του αζώτου έπεσαν στα
επίπεδα ενός αντίστοιχου βενζινοκινητήρα με καταλύτη. Οι εκπομπές ρύπων του
κινητήρα υδρογόνου της Μάζντα βρίσκονται έτσι πολύ πιο κάτω από τα ανώτατα
επιτρεπόμενα όρια των αυστηρότατων προδιαγραφών της Καλιφόρνια.
Τι άλλο μένει να γίνει σύμφωνα με τα όσα ανακοινώνει η ίδια η Μάζντα;
Πρώτον πρέπει να αυξηθεί η αυτονομία των πειραματικών πρωτοτύπων, με μείωση
του βάρους και αύξηση του μεγέθους του ρεζερβουάρ.
Δεύτερον να λυθεί το πρόβλημα της ασφαλούς διακίνησης και διανομής του
υδρογόνου καθώς και η μείωση του κόστους αυτού του καυσίμου.
Τρίτον να πεισθεί η κοινή γνώμη ότι η νέα τεχνολογία είναι απόλυτα ασφαλής
και ότι δεν υπάρχει κανένας κίνδυνος σοβαρού ατυχήματος από τη χρήση του
υδρογόνου.
H Μάζντα έκανε ίσως την αρχή μιας νέας εποχής. Τώρα η σκυτάλη περνάει στις
κυβερνήσεις, τις εταιρίες καυσίμων, τις άλλες αυτοκινητοβιομηχανίες και
τους προμηθευτές τους, που καλούνται να αξιολογήσουν και ανάλογα να
αγκαλιάσουν ή να απορρίψουν τα αποτελέσματα της έρευνας της Μάζντα._Π.Σ.