Hur en väteförstärkt bensinmotor fungerar

BMW: s senaste konceptbil, vätgasdriven 7-serie, är fortfarande långt ifrån anländer till återförsäljare.

Inför de ständigt ökande bensinkostnaderna arbetar biltillverkare över hela världen för att kostnadseffektivt förbättra fordonsbränsleekonomin samtidigt som de fortfarande uppfyller dagens stränga utsläppskrav. Ett lovande sätt att öka bränsleekonomin är att lägga till väte till bränsle / luftblandningen i en konventionell bensinmotor. Det kallas en vätestyrd gasmotor. Men eftersom väte inte är lättillgängligt på din lokala tankstation har det inte varit på några bilproducenters korta lista att sälja en vätestyrd gasmotor. Fram till nu är det.

I den här artikeln förklarar vi en ny teknik som använder en snabb respons ombord reformer för att generera en liten mängd väte från bensin. Detta väte tillförs motorns normala luft / bränsleblandning. Motorer som är konstruerade för att driva en blandning av väte / bensin kan se en bränsleekonomisk vinst på 20 till 30 procent utan krav på kontroll av skadliga NOx-utsläpp, kväveoxider. På de kommande två sidorna berättar vi hur den här nya bränslebesparande motorn fungerar och varför den ser ut som den har potential att bli en livskraftig, bränslebesparande teknik. Vi kommer att ta upp följande frågor angående den här nya tekniken:

• Vad är en vätestyrd bensinmotor? En liten mängd väte tillverkad ombord av reformatorn läggs till den normala insugningsluften och bensinblandningen i fordonets motor. Detta förbättrar kraftigt den totala förbränningskvaliteten genom att tillåta nästan dubbelt så mycket luft för en given mängd bränsle som införs i förbränningskammaren. Detta är mer energieffektivt eftersom det sparar energi genom att minska mängden motorpumpning som behövs. Lär dig vad experterna säger om den här nya tekniken.

• Framtiden för vätestyrda gasmotorer. Loppet är på väg att ta ledarskapspositionen för bränsleekonomi. Var kommer den vätestyrda gasmotorn att passa in i andra bränslebesparande tekniker som hybridbilar, E85 etanoldrivna fordon och nya rena dieseldrivna bilar. Hur mycket gas sparar den jämfört med andra alternativa bränsledrivna fordon? Kommer konsumenter att börja se denna typ av motor i bilar inom en snar framtid? Ta reda på det här avsnittet.

ArvinMeritor Denna prototypreformator, monterad nära motorn för testning i en V6 SUV, är 18 tum lång och 4 tum i diameter.

Vätestyrkt bensinmotorteknik är ny och börjar just nu komma ut från laboratoriet. Det ger möjlighet till ett ekonomiskt sätt att producera en liten mängd väte från bensin med ett ombord-system utformat för att göra det. Detta system uppfinns av forskare vid Massachusetts Institute of Technology och perfekteras av bilindustrileverantören ArvinMeritor i samarbete med det tyska bilindustriföretaget IAV. Detta system kan ge ett kostnadseffektivt alternativ till bränslecellsteknologi och traditionell förbränning av bensin och diesel motorer. Det är möjligt att vätestyrda motorer kan överbrygga klyftan mellan dagens bensindrivna fordon och framtidens bränslecellfordon.

Även om bränslecellfordon kan ha ett långsiktigt löfte, är verkligheten att de är år bort från massproduktion. Kritiker citerar de höga kostnaderna för bränslecellstaplar, massproduktionsproblem med vätgasbränsle och allmänna bränsleproblem som viktiga snubblor. Vissa tror att det kan vara decennier innan bränslecellfordon blir allmänt tillgängliga. Europeiska biltillverkare har redan vänt sig till dyrare dieslar men deras kostnad och relaterade komplexitet ökar med hårda nya utsläppskrav för kontroll av partiklar och NOx-utsläpp.

Amerikanska biltillverkare som står inför samma oro över dieslar är ovilliga att åta sig den enorma kostnad som krävs av övergången från bensin till diesel med högre kostnad. Till exempel måste konsumenterna för närvarande betala ungefär $ 3000 för en dieseldriven lätt lastbil kontra ett konventionellt bensindrivet fordon. Detta kommer att öka i framtiden för att kompensera för de ökande kostnaderna för att se till att dieselbilar uppfyller kommande utsläppsbestämmelser. EPA har nyligen beviljat dieselbilar ett avbrott genom att minska NOx-kraven på kort sikt, men bara till och med 2009 och kravet på utsläpp med hög körsträcka har skärpts som en avvägning.

Vad experterna säger

Enligt experter på ArvinMeritor och verkställande ingenjörer Rudy Smaling och Jens Beister på IAV är fakta om en vätestyrkt bensinmotor och dess fördelar tydliga.

En liten mängd väte tillverkad ombord av reformatorn läggs till den normala insugningsluften och bensinblandningen. Detta förbättrar kraftigt den totala förbränningskvaliteten genom att tillåta nästan dubbelt så mycket luft för en given mängd bränsle som införs i förbränningskammaren. Detta är mer energieffektivt eftersom det sparar energi genom att minska mängden motorpumpning som behövs.

Bränsleeffektivitet uppnås också genom användning av högre motorkompressionsförhållanden som möjliggörs av de vätetrika laddningsegenskaperna. Ett vätestyrkt bränslesystem sparar också energi på grund av den anmärkningsvärt låga mängden elektrisk energi som behövs för att driva reformen. Enligt utvecklarna behöver den mindre än 75 watt, vilket är mindre än de elektriska behoven för en vanlig strålkastare.

En branschgodkänd virtuell fordonsanalys baserad på motortestdata indikerade potentialen för en förbättring av bränsleekonomin från 20 till 30 procent för en turboladdad neddimensionerad version av den vätestyrda motoren jämfört med konventionella bensinmotorer..

Därefter förklarar vi vad som finns för den här tekniken och var konsumenterna börjar se den. 

Föreställ dig en SUV i full storlek som Toyota Sequoia [botten] det blir bränsleekonomin för en stor sedan som Ford Five Hundred [topp]. Vätreformatoren kan göra det till verklighet.

Vätestyrda bensinmotorer har potential att förbättra bränsleekonomin avsevärt. En stor kostnads- och miljöfördel för den vätestyrda motoren med magert system är låga mängder NOx-utsläppsgaser, följaktligen fullständig eliminering av behovet av extern NOx-utsläppskontroll. För närvarande är NOx-utsläppskontroll ett stort kostnadsproblem för dieslar som använder dyra fällor för att uppfylla utsläppsstandarder. Dieselpartikelutsläpp måste också samlas in med ett filter som periodiskt måste regenereras.

Vätestyrda bensinmotorer kräver varken NOx- eller partikelfilter och kräver endast en lågkostnads-oxidationskatalysator för att kontrollera små mängder avgas (oförbrända kolväten) som bildas mestadels under motorstart och tidig uppvärmning. Ytterligare minskningar av utsläppskontrollkraven härrör från motorns förmåga att endast använda den rena väteanrikade laddningen under kallstartfasen när 90% av utsläppen genereras i utsläppstestet.

Vätet-boost-systemet är i själva verket en fastmonteringsteknik som kan läggas till ett befintligt fordons motorrum. Enligt utvecklarna är kostnaden för systemet mindre än hälften av den extra kostnaden för dieslar. Amerikanska tillverkningskostnader för autoindustrin för verktygsmaskiner för att ersätta bensinmotorer är enorma och skulle vara svåra för amerikanska tillverkare som för närvarande kämpar med ekonomiska svårigheter.

En prototyp vätestyrkt motor installeras nu i en V6-utrustad SUV som har tillräckligt med ledigt utrymme för reformeraren och dess relaterade system. Starten för långsiktig vägprovning för information om prestanda, tillförlitlighet och hållbarhet planeras för senare i år med den första marknadsföringen av produktionsapplikationer som förväntas för 2010.

Prestandadata som genererats under den tidiga fasen av testningen kommer säkert att bevakas intensivt av praktiskt taget alla som är involverade i bil- och energimiljöfrågor delvis eftersom systemet är associerat med surrordet "väte".

Högt upp på listan över intresserade parter är tillverkare av de stora SUV: erna och skåpbilarna för vilka regeringsmyndigheterna söker 10 procent högre genomsnittliga mil per gallon jämfört med 2007-nivån på 22,2 MPG. Den nya nivån på 24,1 mpg ska följas senast 2011.

Fyracylindriga fordon kommer sannolikt också att vara främsta kandidater för tekniken eftersom höga bensinpriser fortsätter att generera konkurrens bland de höga bränsleekonomimodellerna som söker mpg-ledarskap. En bidragande faktor på marknaden för kompaktbilar kan vara ett problem med hybridbilens livslängdskostnad på grund av systemkomplexitet och batteribyte, som i vissa fall rapporterats vara så högt som $ 5000. Detta börjar just nu återspeglas i låga återförsäljningsvärden när tidiga produktionshybrider når hög körsträcka.

Den väteförstärkta motorn kommer emellertid inte att vara ensam i tävlingen om ledarskapsposition för bränsleekonomi. Avancerade turboladdade neddimensionerade direktinsprutade motorer med variabel ventil, common-rail-dieselmotorer, hybrider och flex-fuel-fordon kämpar alla för biltillverkarens uppmärksamhet i bränsleekonomi-loppet.

Ingen av dessa tekniker kan skryta med alla fördelarna med den vätestyrda motoren, nämligen dramatiskt ökad bränsleekonomi, minimal utsläppskontroll och total kostnadseffektivitet. I slutändan kommer det att kräva en kombination av många tekniker för att hantera den nationens törst efter körfrihet, men det är troligt att vi kommer att höra mycket mer om den vätestyrda motoren i framtiden.