Technické možnosti využití H2 v pohonu vozidel

Bc. Adam PETRÁŠ

Diplomová práce

Technical possibilities of using H2 in vehicle propulsion

Anotace:

Tato diplomová práce je zaměřena na technický návrh pohonu vozidla s využitím vodíku jako paliva. Obsahuje rešerši týkající se problematiky vodíku jako chemického prvku, jeho výroby, skladování a zásobovací infrastruktury včetně nových technologií v experimentální fázi. Jsou popsány požadavky na technická zařízení dopravní infrastruktury a možnosti jejího rozvoje. Dále je součástí práce rozbor možností získávání energie z vodíku pro pohon vozidel jako je vodíkový spalovací motor (HICE), vodíkový palivový článek nebo HHO generátor a jejich vzájemné porovnání. Následuje volba nejvhodnější varianty pro další zpracování. Uvedeny jsou i poznatky týkající se produkce emisí při spalování vodíku. Praktická část práce se zabývá úpravou čtyřdobého pístového zážehového spalovacího motoru pro spalování vodíku. Jsou zde navrženy potřebné úpravy komponent motoru včetně volby materiálů a povrchových úprav s ohledem na vodíkovou křehkost a rozdíly ve spalovacím procesu oproti spalování konvenčních fosilních paliv, jako jsou vyšší teplota a rychlost hoření, nižší iniciační energie nebo vyšší teplota samovznícení. Důraz je kladen na eliminaci samozápalů a zpětných šlehnutí do prostoru sání. Největší pozornost je věnována palivové soustavě upraveného motoru. Navržený pohon využívá vodík v plynném stavu, stlačený v zásobníku na 70 MPa. Palivový systém vychází z technologie Common rail. Další kapitoly jsou věnovány výpočtu mechanické práce a teoretického efektivního výkonu, jakožto i stechiometrického poměru směsi vodíku se vzduchem. V poslední části je proveden technický návrh vstřikovače pro přímé vstřikování vodíku o tlaku 20 MPa. Jsou uvedeny možnosti ovládání vstřikovacího ventilu a provedena volba vhodné koncepce. Návrh je posléze doplněn o analytické výpočty, pevnostní analýzu metodou konečných prvků, vytvoření 3D modelů a části výkresové dokumentace v softwaru Siemens NX.

Abstract:

This diploma thesis focuses on the technical design of a vehicle propulsion system using hydrogen as fuel. It contains research on hydrogen as a chemical element, its production, storage and supply infrastructure, including new technologies in the experimental phase. The requirements for the technical equipment of the transport infrastructure and the possibilities for its development are described. Theses also includes an analysis of the possibilities of obtaining energy from hydrogen for vehicle propulsion, such as the hydrogen internal combustion engine (HICE), the hydrogen fuel cell or the HHO generator, and a comparison between them. This is followed by the selection of the most suitable option for further work. The findings regarding the emission production from hydrogen combustion are also presented. The practical part of the thesis deals with the modification of a fourstroke reciprocating spark-ignition internal combustion engine for hydrogen operation. The necessary modifications of the engine components are proposed, including the choice of materials and surface treatments with respect to hydrogen embrittlement and differences in the combustion process compared to the combustion of conventional fossil fuels, such as higher combustion temperature and velocity of the flames, lower initiation energy or higher autoignition temperature. Emphasis is placed on the elimination of spontaneous combustion and backfiring into the intake manifold. Most attention is paid to the fuel system of the modified engine. The proposed propulsion system uses hydrogen gas, compressed in a tank to 70MPa. The fuel system is based on common rail technology. Further chapters are devoted to the calculation of mechanical work and theoretical effective power, as well as stoichiometric ratio of the hydrogen-air mixture. In the last part, the technical design of an injector for direct injection of hydrogen at 20MPa is carried out. The options for controlling the injection valve are presented and the selection of a suitable concept is made. The design is then complemented by analytical calculations, finite element strength analysis, creation of 3D models and part of the drawing documentation in Siemens NX software.

Klíčová slova

Vodík, vozidlo, motor, vstřikovač, palivo, návrh, emise, HICE, CAD, MKP, model, jehla, tryska, elektromagnet, výpočet, analýza

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 23. 5. 2024

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Doc. Ing. Josef Formánek, Ph.D.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta strojní

Magisterský studijní program / obor:
Konstruování strojů a technických zařízení / Konstruování vozidel a manipulačních zařízení