Водородный двигатель – : , , ,

Как работает водородный двигатель

Уже который год подряд со всех экранов нам рассказывают о том, что запасы нефти подходят к концу. И скоро придётся массово переходить на новые источники энергии, которые смогут полноценно заменить так называемое чёрное золото.

Пока никакого острого дефицита нефти мир не испытывает. Но всё же работа над поисками альтернативного топлива ведётся очень активно. Одним из них стал водород. Водородные автомобильные двигатели уже сегодня существуют, причём их не так мало, как может показаться. Этот вид топлива характеризуется незначительной токсичностью и при этом способен похвастаться превосходным коэффициентом полезного действия.

Главное достоинство водорода в том, что это практически неограниченный ресурс, в отличие от той же нефти. Но чтобы понимать возможности, суть и перспективы водородных моторов, нужно изучить их более детально.

Немного истории

В 70-х годах прошлого века наблюдался период достаточно острого дефицита горючего, изготовленного на основе нефтепродуктов. Именно тогда инженеры начали проявлять повышенный интерес к такому ресурсу как водород.

Если говорить о самих разработчиках, то первым, кто презентовал автомобильный водородный мотор, оказалась компания Toyota. Их проект появился на выставке только в 1997 году и носил название FCHV. Это был прототип кроссовера, но по тем или иным причинам серийный выпуск так и не начался.

Хотя старт оказался неудачным, автокомпании не остановились, а продолжили исследования и поиски выхода из ситуации. В этом компоненте преуспели японские и корейские производители в лице Honda, Toyota и Hyundai. Также определённые шаги в сторону водородных моторов делают представители General Motors, Nissan, BMW, Volkswagen и Ford.

Пусть к автомобилям это не имеет прямого отношения, но 2016 год стал знаковым, поскольку появился поезд, работающий на водороде. Создали его в компании Alstom. Немцы планируют в ближайшие несколько лет убрать около 4 тысяч своих дизельных локомотивов, и заменить их на водородные составы Coranda iLint. Помимо Германии, эти поезда хочет закупить Дания, Норвегия и ряд других государств.

Водород как горючее

Первым делом хочется понять, что собой представляет двигатель на водороде. А для этого нам необходимо изучить сам водород как эффективный источник энергии, то есть альтернатива привычному нам топливу.

Каждый прекрасно знает, что в обычном двигателе с системой внутреннего сгорания, который работает на бензине, происходит смешивание топлива с воздухом. Затем эта смесь поступает внутрь цилиндров, где и сгорает. Это создаёт энергию для перемещения поршней, что и способствует в итоге движению ТС.

У водорода есть свои нюансы, которые проявляются в следующем:

• когда сжигается смесь с использованием водорода, на выходе получается только обычный водяной пар;
• на воспламенение водорода уходит меньше времени, чем в случае с дизельным или традиционным бензиновым топливом;
• детонационная устойчивость вещества способствует увеличению степени сжатия;
• показатели теплоотдачи состава превосходят топливовоздушную смесь на 250%;
• водород является летучим газом, из-за чего он может проникать в малейшие полости и зазоры;
• лишь некоторые металлы способны справиться с воздействием воспламеняющегося водорода;
• такое топливо можно хранить в жидком или сжатом агрегатном состоянии;
• если ёмкость получает пробой или небольшую трещину, всё топливо испаряется довольно быстро;
• чтобы вступить в реакцию с кислородом, нижний уровень газа составляет 4%;
• последняя особенность позволяет настраивать необходимые оптимальные режимы для двигателя за счёт дозировки консистенции.

Если принимать во внимание все рассмотренные особенности, можно с уверенностью сказать, что вариант с использованием чистого водорода в обычном ДВС невозможен. Чтобы добиться желаемого, необходимо обязательно внести некоторые изменения в конструкцию, а также установить дополнительное оборудование.

В чём опасность такого топлива

Водород позиционируется как взрывоопасное вещество. Именно это можно справедливо считать главной опасностью и проблемой всей технологии водородных моторов.

Сочетаясь с окислителем, в качестве которого выступает кислород, увеличивается риск воспламенения, и также возникает угроза взрывов. Исследования показатели, что на воспламенение водорода уходит около десятой доли энергии, требуемой при воспламенении топливовоздушной смеси. Фактически можно обойтись небольшой статической искрой, дабы водород вспыхнул.

Есть ещё одна опасность. Газ невидимый, и даже в процессе горения его практически незаметно. Невидимость огня усложняет возможность бороться с ним.

Нельзя забывать об опасности вещества для самого человека. Находясь в зоне с повышенной концентрацией газа в воздухе, может наступить удушье. А распознать наличие вещества крайне проблематично. Объясняется это отсутствием запаха и цвета. То есть человеческий газ не способен его разглядеть, а нос не может разнюхать.

В качестве последнего аргумента в пользу того, что водород действительно опасен, выступает факт его очень низкой температуры в случае нахождения в сжиженном состоянии. Контакт с таким веществом способен спровоцировать обморожение.

Устройство

На практике схема устройства водородного двигателя напрямую зависит от того, к какому типу он относится.

Существует несколько вариантов моторов, где в качестве топлива применяется водород. При этом делятся они на 3 группы:

• ТС, конструкция которых предусматривает наличие сразу 2 энергоносителей. Такие автомобили экономичные, могут использовать в работе водород или топливную смесь. Их КПД находится на уровне 90-95%. Если брать тот же дизельный двигатель, его КПД составляет 50%, а бензиновые моторы не могут похвастаться КПД более 35-40%. Подобные машины соответствуют экологическим требованиям Евро 4;
• Машины с электромоторами, которые питают специальные водородные элементы. В настоящее время существуют двигатели, у которых КПД составляет от 75%;
• Обычные ТС, где для работы используется смесь или же непосредственно сам чистый водород. Их КПД поднялся ещё на 20%.

Ранее уже был отмечен тот факт, что устройство, то есть конструкция двигателя, питающегося водородом, практически не имеет существенных отличий в сравнении с классическими ДВС на бензине или дизеле. Исключением являются только некоторые элементы и дополнительное оборудование.

Главной отличительной особенностью в плане конструкции и устройства считается способ, который используется для подачи топлива в камеру, а также дальнейшее воспламенение. Если же говорить о преобразовании энергии, которая приводит в движение кривошипно-шатунный механизм, то здесь всё аналогично с традиционными моторами.

Принцип работы

Куда интереснее разобраться в том, как же работают водородные двигатели. Это во многом определит основные особенности подобных силовых установок, а также позволит ответить на некоторые интересующие автолюбителей вопросы.

Чтобы ознакомиться с принципом работы водородного двигателя, следует рассмотреть отдельно два типа установок. Это практически классические ДВС и моторы, имеющие водородные элементы. У каждого из них есть свои отличия и особенности работы.

Теперь рассмотрим два типа двигателей отдельно и изучим принцип их работы.

Системы внутреннего сгорания

Это неплохой и перспективный аналог классическому ДВС, где в качестве рабочей жидкости, то есть топлива, используется водород.

В случае с обычным мотором с системой внутреннего сгорания топливовоздушная смесь сгорает медленнее, нежели в случае с водородом. Топливо оказывается в камере до того, как поршень достигает ВМТ.

Если говорить о водородных аналогах, то тут большую роль играет способность мгновенного воспламенения вещества. Это позволило сместить время, когда происходит впрыск. Делается это в момент движения поршня в обратном направлении. А чтобы мотор мог нормально работать, не требуется большое давление. Тут достаточно не более 4 атмосфер.

При оптимальных условиях водородные ДВС могут работать совместно с системой питания закрытого типа. Это означает, что при формировании топливной смеси не используется кислород, то есть воздух, забираемый из атмосферы. Когда такт сжатия завершается, внутри цилиндра остаётся пар. Он перенаправляется в радиатор, происходит процесс конденсации и появляется вода. Такую систему можно реализовать, если на авто присутствует устройство под названием электролизер. Это девайс, позволяющий отделить водород от воды, чтобы затем создать реакцию с кислородом.

Но на практике реализовать подобные системы не удалось. Это обусловлено тем, что для обеспечения эффективной работы ДВС и уменьшения трения в нём применяют моторное смазочное масло. Масло испаряется и становится составным компонентом выхлопа. В результате в настоящее время кислород крайне необходим в процессе работы водородных силовых установок.

Водородные элементы

Ещё один водородный двигатель, который может применяться для автомобиля, предусматривает использование водородных элементов.

Здесь принцип действия основывается на химических реакциях. На кожухе мотора предусмотрено наличие специально мембраны, способной проводить лишь протоны, а также электродной камеры. Внутри последней располагается анод с катодом.

В секцию с анодом поступает водород, а в катодной камере обеспечивается подача кислорода. При этом на электродах имеется напыление, которое выполняет роль ускорителя реакции или катализатора. Чаще всего в качестве катализаторного напыления используют платину.

Воздействие каталитического компонента способствует тому, что водород теряет свои электроны. Затем протоны проходят через специальную мембрану и поступают на катод. Под действием катализатора образуется самая обычная вода. Электроны, выходящие из анодной камеры, поступают в электросеть, которая при этом подключается к двигателю. Такая схема и создаёт питание для мотора, и обеспечивает его возможность приводить в движение автомобиль.

Топливные водородные элементы отличаются своей способностью создавать электроэнергию для питания электромоторов. Это позволяет заменить классические ДВС и использовать элементы как источник питания бортовой сети на авто.

К применению топливных элементов пришли достаточно давно. Впервые их использовали аж в 1959 году американские инженеры.

На практике эти элементы получили широкое распространение. Можно выделить несколько основных сфер их использования:

• Автотранспорт. У водородных топливных элементов гораздо более высокий КПД, нежели у стандартного ДВС. При первом испытания коэффициент составил 57%. В настоящее время элементы активно применяются и тестируются в компаниях Honda, Nissan, Volkswagen, Ford и пр.;
• Железнодорожный транспорт. Около 60% от всех ТС на железной дороге занимают тепловозы. Водородные составы активно внедряются в Японии, США, Германии и иных развитых странах;
• Морской транспорт. Наиболее распространение водородные элементы получили в составе подводных судов. Сейчас самыми активными разработчиками являются немцы и испанцы;
• Авиация. Первые летальные машины, где использовались водородные двигатели, разработали и создали ещё 40 лет назад. В настоящее время водородные элементы внедряют в беспилотники.

Водород как основа работы соответствующих двигателей также применяется в создании велосипедов, мопедов, вилочных погрузчиков, машин для гольфа, тракторов и целого ряда другой техники.

Проблемы эксплуатации ДВС

В настоящий момент водородный двигатель не может в полной мере заменить традиционные моторы для автомобиля. Понимая принцип его работы, нельзя забывать о факторе опасности вещества.

Автопроизводители не смогут поголовно оснащать свои машины мотором, работающим на водороде, пока не устранят ряд препятствий. Главным из них считается сложность получения самого газа. Плюс комплектующие стоят дорого, что в настоящий момент делает производство слишком затратным.

Также есть проблемы с обеспечением надлежащего хранения вещества. Ведь чтобы поддерживать газ в нужном состоянии, требуется постоянно поддерживать температуру на уровне около -253 градусов.

Самым простым способом, который используют для получения газа, является электролиз обычной воды. Для промышленных масштабов нужны огромные энергозатраты на электролиз. С целью повышения рентабельности речь заходит об использовании ядерной энергетики. Но риски слишком высокие, потому инженеры и учёные думают над тем, как отыскать достойную альтернативу.

Чтобы перевозить и хранить полученный газ, применяются очень дорогие материалы и специальные механизмы, обладающие повышенным качеством и соответствующей стоимостью.

В процессе эксплуатации есть и другие сложности и препятствия, среди которых стоит выделить следующие:

• Опасность взрыва. Если газ начнёт выходить из хранилища или просто из бака авто в условиях закрытого помещения, даже наличие небольшого источника энергии, такого как включённая лампочка в гараже, спровоцирует взрыв. А в случае нагретого воздуха ситуация становится ещё более опасной. Вещество обладает повышенной проницаемостью, что может спровоцировать попадание газа в коллектор выхлопной системы. В этой связи предпочтительнее для водорода использовать роторные двигатели;
• Хранение. Оно предусматривает применение больших ёмкостей со специальными системами, защищающими от улетучивания. Также требуется защита от механических повреждений. В случае с грузовиками и большими автобусами это не проблема. А вот применительно к легковым авто появляются сложности, поскольку под бак отводится большое количество кубометров;
• Негативное влияние и разрушение цилиндропоршневой группы. Это становится возможным, когда водород имеет высокую температуру и сталкивается с большими нагрузками. Страдает ЦПГ и смазка. Чтобы исключить эти проблемы, требуется специальный сплав и особые смазывающие компоненты, которые увеличивают стоимость изготовления водородных моторов. Отсюда и высокая цена самих автомобилей.

Проблем объективно много. Насколько они решаемые, говорить сложно. Хотя разработчики уверены, что изменить ситуацию в лучшую сторону возможно. И уже делаются большие шаги, подтверждающие подобные заявления.

Преимущества и недостатки

Для лучшего понимания того, как обстоят дела с водородными моторами сейчас, и насколько перспективными являются двигатели на водородном топливе, следует рассмотреть их сильные и слабые стороны.

Начнём с преимуществ. К ним можно отнести следующие факторы:

• Доступность топлива. Поскольку газ получают из воды, причём абсолютно из любой, этот ресурс можно считать практически безграничным. Если удастся усовершенствовать электролиз или разработать другую эффективную технологию извлечения Н2 из Н2О, в качестве источника вещества можно будет применять даже сточные воды;
• Экологическая безопасность. Внедрение таких моторов позволит полностью решить проблему загрязнения машинами окружающей среды. Масштабный переход на водород снизит опасный парниковый эффект. Звучит громко, но это топливо способно спасти нашу планету. Такой выхлоп совершенно безопасен для человека. По сути на выходе из выхлопной трубы получается дистиллированная, очищенная вода. Сотрудники компании Toyota доказали, что эту воду можно пить безо всяких опасений;
• Опыт. Поскольку разработка водородных моторов ведётся не один десяток лет, целый ряд проблем и ограничений уже удалось преодолеть. Инженеры и учёные не стоят на месте, у технологии есть хорошие перспективы;
• Универсальность. Водород может применяться не только в ДВС, но и на электромобилях, питая за счёт топливных элементов электромоторы;
• Двигатели с таким типом топливо создаёт минимальный шум в процессе своей работы;
• Двигатели становятся более приёмистыми, мощными и производительными, повышается КПД в сравнении с классическими ДВС;
• Сам водород расходуется в незначительном количестве в процессе эксплуатации авто;
• Автомобили на таком виде горючего характеризуются большим запасом хода, то есть могут проехать большую дистанцию без дозаправки;
• Обслуживание ДВС на водороде не сложнее, чем работа с дизельными или бензиновыми двигателями;
• Высокий потенциал. Тоже большой плюс, который в полной мере проявится, когда удастся исключить хотя бы несколько текущих недостатков технологии.

И тут мы плавно переходим к минусам.

Недостатки у водородных моторов действительно есть. Причём они достаточно существенные и весомые. Эти минусы не позволяют говорить о скором массовом внедрении водорода как замены бензину или дизельному горючему.

1. Газ сложно извлекать из воды. Хотя водород чуть ли не самый распространённый газ на нашей планете, встретить его в чистом виде проблематично. Он мало весит, из-за чего поднимается и остаётся в самых верхних слоях нашей атмосферы. Газ на атомном уровне вступает в реакцию с другими компонентами, из-за чего мы получаем такие вещества как вода, метан и пр. Пока извлечение водорода из воды является крайне нерентабельным, что стало главным препятствием по внедрению водородных моторов. Цена за 1 литр газа в сжиженном состоянии может составлять от 3-4 до 10-12 долларов.
2. Дефицит АЗС. Также большой проблемой считается минимальное количество автозаправочных станций, которые предлагают своим клиентам водород. Само оборудование для заправки очень дорогое. Плюс самих машин очень мало.
3. Высокая стоимость модернизации ДВС. В теории водород можно заправлять в обычные ДВС. Но чтобы применять новый вид горючего, в двигатель требуется внести некоторые изменения. Если всё оставить без изменений, произойдёт падение мощности на 30-40%, и параллельно уменьшится моторесурс. Также водород характеризуется выделением тепла с повышенной температурой, которая быстро начинает разрушать традиционные для нынешних ДВС поршни и клапана. Фактически двигателю приходилось бы работать в режиме постоянных чрезмерных нагрузок. То есть без серьёзной модернизации классический ДВС использовать для работы на водороде нельзя.
4. Большие цены на материалы. Именно высокая стоимость основных материалов, необходимых для водородных моторов, является ключевым препятствием в вопросе их развития. Платина, выступающая как катализатор, невероятно дорогая, и для обычного автомобилиста недоступная. Потому стоит лишь надеяться на поиски более дешёвых альтернативных материалов.
5. Взрывоопасность и возможность возникновения пожара. Весомый аргумент, который говорит не в пользу этого типа топлива для двигателей.
6. Повышение веса автомобиля. Мощные аккумуляторы, преобразователи, более прочные и массивные материалы для двигателя приводят к суммарному заметному увеличению веса ТС.
7. Проблема хранения. Такое топливо можно хранить при высоком давлении, либо в сжиженном состоянии. У каждого их них есть свои подводные камни и объективные сложности с реализацией хранилища.

Также учёные до конца не понимают, насколько губительным может оказаться водород при его резком увеличении в плане количества для и без того находящегося в плачевном состоянии озонового слоя. Относить это к недостаткам сложно, но и преимуществом точно не назовёшь.

Перспективы

Использование такого газа как водород потенциально может открыть невероятные большие перспективы. Причём здесь речь идёт не только про автомобильный двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, но и про целый ряд других сфер применения. В их числе авиация, железнодорожный транспорт, морские суда и пр. Помимо применения в ДВС, водород также может использоваться для питания и работы вспомогательной техники, механизмов и разного оборудования.

Уже сейчас ведущие автопроизводители уделяют большое внимание возможности внедрить в массовое производство водородные ДВС. Среди них такие гиганты как Volkswagen, General Motors, Toyota, BMW и пр.

В настоящее время существуют автомобили, под капотом которых находятся водородные силовые установки. При этом они отлично функционируют, мало чем уступают традиционным ДВС на бензине и дизтопливе, а также обладают некоторыми существенными преимуществами.

Чтобы говорить о серьёзных перспективах и массовом внедрении водорода, требуется решить хотя бы несколько главных недостатков. Эксперты уверены, что при наличии способа уменьшить стоимость газа, а также при постройке большего количества АЗС и обучении кадров для обслуживания водородных моторов, множество таких машин обязательно станут нормой на дорогах.

Технологии-конкуренты

Автопроизводители пока не могут или не хотят в полной мере сконцентрироваться на водородных технологиях, поскольку у неё есть ряд серьёзных конкурентов.

Можно выделить следующие виды моторов, которые не дают водородным ДВС и топливным элементам на водороде развиваться, совершенствоваться и массово выходить на рынок.

1. Гибридные установки. Это автомобили, способные использовать одновременно несколько источников энергии. Зачастую в машину внедряют обычный ДВС и электромотор. Также бывают варианты, когда обычный двигатель на бензине работает вместе с узлом, питающимся сжатым воздухом.
2. Электрокары. Сейчас активно развиваются и распространяются полностью электрические авто. Это машины, которые двигаются за счёт работы одного или нескольких электромоторов. Они питаются от специальных аккумуляторов или топливных элементов. ДВС здесь не используют.
3. Жидкий азот. Вещество помещается в специальные ёмкости. Сам процесс работы выглядит так. Топливо нагревается за счёт работы специального механизма. Это приводит к испарению и образованию газа высокого давления. Этот газ идёт в двигатель, где воздействует на поршни или роторы, передавая свою энергию. Пока такие авто не получили широкого распространения.
4. Сжатый воздух. Здесь основой всей силовой установки выступает пневмодвигатель. Пневматический привод заставляет машину двигаться. Топливовоздушная смесь заменена на сжатый воздух. Эта система является частью современных гибридных автомобилей.

У водорода достаточно много конкурентов. И в настоящий момент самым главным соперником справедливо считается электродвигатель.

Насколько сильно ситуация изменится в ближайшие несколько лет, говорить сложно. О каких-то резких изменениях и открытиях говорить вряд ли стоит. Но есть вероятность того, что через 10-20 лет водород станет куда более эффективным и доступным. Тем самым начнут появляться серийные водородные автомобили в большом количестве. Примерно так сейчас обстоят дела с электрокарами.

Современные водородные автомобили

Поскольку водород стал достаточно перспективным и привлекательным вариантом топлива для автомобилей, многие автокомпании серьёзно заинтересовались в создании водородных машин.

Нельзя сказать, что их огромное количество. Но несколько ярких представителей выделить можно. К ним относятся:

• Fuel Cell Cedan или просто FCV. Это автомобиль от компании Toyota. Они специально поместили ёмкость для водорода под пол, чтобы сэкономить пространство в салоне и багажнике. Легковой автомобиль предназначен для городской эксплуатации. Купить его можно за 68 тысяч долларов;
• Разработка компании BMW. Фактически это BMW 7 серии, куда поместили особый двигатель, способный переключаться с одного вида топлива на другой;
• Авторами этого проекта выступают инженеры компании Honda. Машина способна проехать на водороде около 600 километров. Заправка занимает 3-6 минут;
• Машина от компании Toyota. Причём это серийный автомобиль, которые начали продавать в Японии ещё с 2014 года, а в США машина появилась в 2015 году. Заправляется полный бак водородом в течение 5 минут, а запас хода составляет 500 километров;
• H-Tron. Это концепт в исполнении компании Audi, который немцы продемонстрировали в рамках автосалона в городе Детройт. Производитель уверяет, что модель рабочая, может проехать на полном баке 600 километров, а до 100 километров в час разгоняется за 7 секунд.

У таких компаний как Hyundai, Lexus, BMW, Mercedes и Ford есть определённые прототипы, задумки и пресс-релизы, связанные с выпуском их собственных водородных автомобилей. Но тут речь идёт только о перспективах. Те же концерны Lexus и BMW (в сотрудничестве с Toyota) обещают презентовать свои машины в 2020 году. Насколько эти заявления соответствуют действительности, и сможем ли мы увидеть рабочие прототипы или предвестников серийных моделей, говорить сложно.

Водородная технология достаточно спорная и неоднозначная. Имеется ряд преимуществ, перспектив и предпосылок, но в настоящее время реализовать полный потенциал невозможно. Отсутствуют возможности и методы дешёвого извлечения водорода из воды. А это во многом останавливает движение на пути к дальнейшему развитию.

У водородных моторов есть будущее. Но чтобы оно было светлым и перспективным, предстоит проделать огромную работу. Получится или нет, вопрос сложный и практически не имеет однозначного ответа.

drivertip.ru

Автомобиль на водороде. Пора ли прощаться с бензином? / Toshiba corporate blog / Habr

Привет, Хабр! К нашей прошлой статье о водородной энергетике вы написали очень интересные и справедливые комментарии, ответы на которые вы сможете найти в этом материале, посвященном использованию водорода в автомобилях.

Действительно, в сравнении с бензином водород — одна сплошная проблема: его очень трудно хранить и непросто получать, он взрывоопасен, а водородные автомобили в разы дороже бензиновых. Но при этом водород считается наиболее перспективным видом альтернативного топлива для транспорта. К тому же, на производство водородных автомобилей инвесторы готовы тратить многомиллиардные инвестиции.

Приговор бензину уже подписан

Согласно последнему отчету BP Statistical Review of World Energy 2018, мировые разведанные запасы нефти составляют 1,696 млрд баррелей, чего при сохранении текущего уровня потребления хватит лет на пятьдесят. Неразведанные запасы нефти, предположительно, дадут нам еще полвека углеводородной энергетики, но и стоимость ее добычи может оказаться такой, что нефть попросту станет невыгодна в сравнении с другими источниками энергии. Когда месторождения с удобной добычей истощатся, цена на сырье автоматически пойдет вверх: если сейчас стоимость добычи барреля в России некоторыми оценивается в 2-3 доллара (по альтернативным оценкам, в 18 долларов), то для сланцевой нефти это уже 30-50 долларов. А впереди у человечества реальная перспектива перейти на добычу шельфовой и арктической нефти, цена которой будет еще выше.

Всплеск интереса к электротранспорту в 70-х годах XX века возник как раз на фоне скачкообразного роста цен на нефть из-за политического кризиса — недостатка в сырье не было, но четырехкратный рост цен мгновенно сделал бензиновые автомобили и нефтяную энергетику роскошью.

А еще на пути бензиновых авто встали более спорные препятствия — забота об экологии в городах и странах, где автомобильный выхлоп стал проблемой. Из-за этого, например, Германия приняла резолюцию о запрете производства автомобилей с ДВС с 2030 года. Франция и Великобритания обещают отказаться от углеводородного топлива до 2040 года. Нидерланды — до 2030 года. Норвегия — до 2025 года. Даже Индия и Китай рассчитывают запретить продажи дизельных и бензиновых авто с 2030 года. Париж, Мадрид, Афины и Мексика запретят к использованию дизельные машины с 2025 года.

Сжигание водорода в ДВС

Сжигание водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания кажется самым простым и логичным способом применения газа, ведь водород легко воспламеняется и сгорает без остатка. Однако из-за разницы в свойствах бензина и водорода перевести ДВС на новый вид топлива оказалось не так-то просто. Сложности возникли с долгосрочной эксплуатацией движков: водород вызывал перегрев клапанов, поршневой группы и масла, из-за втрое большей, чем у бензина, теплоты сгорания (141 МДж/кг против 44 МДж/кг). Водород неплохо показывал себя на низких оборотах движка, но при росте нагрузки возникала детонация. Возможным решением проблемы была замена водорода на бензиново-водородную смесь, концентрация газа в которой динамически уменьшалась по мере роста оборотов двигателя.

Двухтопливная BMW Hydrogen 7 в кузове E65 сжигает водород в ДВС вместо бензина
Источник: Sachi Gahan / Flickr

Одним из немногих серийных автомобилей, где водород сжигался в ДВС подобно другому топливу, стал BMW Hydrogen 7, вышедший всего в 100 экземплярах в 2006–2008 годах. Модифицированный шестилитровый ДВС V12 работал на бензине или водороде, переключение между видами топлива происходило автоматически.

Несмотря на успешное решение проблемы перегрева клапанов, на этом проекте все равно поставили крест. Во-первых, при сжигании водорода мощность двигателя падала примерно на 20% — с 260 л. с. на бензине до 228 л. с. Во-вторых, 8 кг водорода хватало всего на 200 км пробега, что в разы меньше, чем в случае с дизельными элементами. В-третьих, Hydrogen 7 появился слишком рано — когда «зеленые» автомобили еще не были так актуальны. В-четвертых, ходили упорные слухи, что Агентство по охране окружающей среды США не разрешило называть Hydrogen 7 автомобилем без вредного выхлопа — из-за особенностей работы ДВС, частицы моторного масла попадали в камеру сгорания и там воспламенялись вместе с водородом.

Mazda RX-8 Hydrogen RE — тот случай, когда водород загубил всю динамику роторного двигателя. Источник: Mazda

Еще раньше, в 2003 году, была представлена двухтопливная Mazda RX-8 Hydrogen RE, добравшаяся до заказчиков только к 2007 году. При переходе на водород от мощности легендарного роторного RX-8 не оставалось и следа — мощность падала с 206 до 107 л. с., а максимальная скорость — до 170 км/ч.

BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 Hydrogen RE были лебединой песней водородных ДВС: к моменту появления этих автомобилей стало окончательно ясно, что куда эффективней использовать водород в давно известных топливных элементах, чем просто жечь.

Топливные элементы в автомобилях

Первым успешным экспериментом по созданию транспортного средства на водородном топливном элементе можно считать трактор Гарри Карла, построенный в 1959 году. Правда, замена дизеля на топливный элемент снизила мощность трактора до 20 л. с.

В последние полвека водородный транспорт выпускался в штучных экземплярах. Например, в 2001 году в США появился автобус Generation II, водород для которого производился из метанола. Топливные элементы создавали мощность до 100 кВт, то есть около 136 л. с. В том же году российский ВАЗ представил «Ниву» на водородных элементах, известную под именем «Антэл-1». Электродвигатель выдавал мощность до 25 кВт (34 л. с.), разгонял авто максимум до 85 км/ч и на одной заправке работал 200 км. Единственный произведенный автомобиль остался «лабораторией на колесах».

Российский автомобиль на водородных топливных элементах — в то время технологии ушли дальше дизайна. Источник: «АвтоВАЗ»

В 2013 году Toyota встряхнула автомобильный мир, представив модель Mirai на водородных топливных элементах. Уникальность ситуации была в том, что Toyota Mirai был не концепт-каром, а готовым к серийному производству автомобилем, продажи которого начались уже год спустя. В отличие от электромобилей на аккумуляторах, Mirai сама вырабатывала электричество для себя.

Toyota Mirai. Источник: Toyota

Электродвигатель переднеприводной Mirai имеет максимальную мощность 154 л. с., что немного для современного электромобиля, но весьма неплохо в сравнении с водородными авто прошлого. Теоретический запас хода на 5 кг водорода составляет 500 км, фактический — около 350 км. Tesla Model S по паспорту может пройти 540 км. Вот только на заправку полного бака водорода уходит 3 минуты, а батарея Tesla заряжается до 100% за 75 минут на станциях Tesla Supercharger и до 30 часов от обычной розетки на 220 В.

Постоянный ток из 370 водородных топливных элементов Mirai преобразуется в переменный, а напряжение увеличивается до 650 В. Максимальная скорость машины достигает 175 км/ч — немного в сравнении с углеводородным топливом, но более чем достаточно для повседневной езды. Для запаса энергии используется никель-металл-гидридный аккумулятор на 21 кВт∙ч, в который передаётся избыток от топливных элементов и энергия рекуперативного торможения. Учитывая японские реалии, при которых населённые пункты могут в любой момент пострадать от землетрясения, в багажнике Mirai 2016-го модельного года установлен разъем CHAdeMO, через который можно организовать электроснабжение небольшого частного дома, что делает автомобиль генератором на колёсах с предельной ёмкостью 150 кВт∙ч.

Кстати, всего за несколько лет Toyota удалось значительно уменьшить массу генератора: если в начале века в прототипах он весил 108 кг и выдавал 122 л. с., то в Mirai топливный элемент вдвое компактней (объем 37 литров) и весит 56 кг. Справедливо будет прибавить к этому 87 кг топливных баков.

Для сравнения, популярный современный турбомотор Volkswagen 1.4 TSI схожей с Mirai мощностью 140–160 л.с. славится своей «лёгкостью» благодаря алюминиевой конструкции — он весит 106 кг плюс 38–45 кг бензина в баке. Кстати, батарея Tesla Model S весит 540 кг!

За 4 км пробега Mirai вырабатывает только 240 мл дистиллированной, относительно безопасной для питья воды — энтузиасты, пробовавшие «выхлоп» Mirai, сообщали только о лёгком привкусе пластика.

Пить воду, слитую из Mirai, безопасно, хотя сперва зрелище шокирует

В Toyota Mirai установлено сразу два бака для водорода на 60 и 62 литра, в сумме вмещающих 5 кг водорода под давлением 700 атмосфер. Toyota разрабатывает и производит водородные баки самостоятельно вот уже 18 лет. Бак Mirai сделан из нескольких слоёв пластика с углеволокном и стеклотканью. Использование таких материалов, во-первых, повысило стойкость хранилищ к деформации и пробитию, а, во-вторых, решило проблему наводораживания металла, из-за которого стальные баки теряли свои свойства, гибкость и покрывались микротрещинами.

Строение Toyota Mirai. Спереди расположен электродвигатель, топливный элемент спрятан под водительским сидением, а под задним рядом и в багажнике установлены баки и аккумулятор. Источник: Toyota

Каковы перспективы?

По оценкам Bloomberg, к 2040 году автомобили будут потреблять 1900 тераватт-час вместо 13 млн баррелей в сутки, то есть 8% от спроса на электричество по состоянию на 2015 год. 8% — пустяк, если учесть, что сейчас до 70% добываемой в мире нефти уходит на производство топлива для транспорта.

Перспективы рынка аккумуляторных электромобилей куда более явные и впечатляющие, чем в случае с водородными топливными ячейками. В 2017 году рынок электромобилей составлял 17,4 млрд долларов, в то время как водородный автомобильный рынок оценивался в 2 млрд долларов. Несмотря на такую разницу, инвесторы продолжают интересоваться водородной энергетикой и финансировать новые разработки.

Примером тому является созданный в 2017 году «Водородный совет» (Hydrogen Council), включающий 39 крупные компании, таких как Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Его целью является исследование и разработка новых водородных технологий и их последующее внедрение в нашу жизнь.

habr.com

Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы

Первым разработчиком, представившим водородный двигатель для автомобиля широкой публике, был концерн «Тойота». Ещё в 1997 году ими был презентован внедорожник FCHV, который тогда так и не запустили в серийное производство.

Хорошей альтернативой бензину может стать водородный двигатель

Сегодня ведут исследования и другие компании, среди них:

• Honda Motor,
• Volkswagen,
• General Motors,
• Daimler AG,
• Ford Motor,
• BMW и так далее.

Как работает водородный двигатель?

Машины на водородном двигателе можно разделить на три группы:

• авто с двумя энергоносителями, обладающее высокоэкономичным двигателем, который может работать как на чистом водороде, так и на смеси его с бензином. КПД такого двигателя 90–95%, тогда как дизельного — 50%, а бензинового — 35%. Такие автомобили соответствуют стандарту «Евро-4»;
• водородный автомобиль со встроенным электродвигателем, который питает основной топливный элемент, установленный на борту. Сейчас созданы авто с КПД выше 75%;
• обычные автомобили, работающие на смеси или чистом водороде. Выхлоп намного чище, а КПД «подрастёт» примерно на 20%.

Как работает водородный двигатель? Выделяют 2 типа силовых установок по принципу работы:

• водородные двигатели внутреннего сгорания. Используется роторный двигатель;
• силовые установки на топливных водородных элементах — их принцип работы построен на химической реакции. Корпус элемента имеет мембрану, проводящую только протоны и разделяющую камеры с электродами — анодом и катодом. В камеру анода подводят водород, в камеру катода подводят кислород. Электроды покрывают слоем катализатора, например, это платина. Молекулярный водород теряет электроны под воздействием катализатора. Протоны через мембрану проводятся к катоду, под воздействием катализатора в результате соединения с электронами образуется вода. Из камеры анода электроны уходят в электрическую цепь, которая подсоединена к двигателю. Так образуется ток для питания мотора.

Достоинства водородного двигателя:

• продукт горения водорода — вода. А значит, это самое экологически чистое топливо;
• мощность, приёмистость и иные показатели двигателя выше, чем у стандартного — электроэнергия обеспечивает их сполна;
• низкий уровень шума;
• простота обслуживания — не нужна сложная трансмиссия, а трущихся деталей меньше;
• низкая себестоимость эксплуатации транспорта;
• меньший расход топлива и большая скорость заправки;
• более высокий запас хода;
• водород имеет большой потенциал в качестве альтернативного вида топлива, так как он может быть получен из различных источников, в том числе солнечной энергии или ветра;
• основное сырьё — вода — бесплатное.

Недостатки водородного двигателя:

• Использование топливных элементов в обычном двигателе чревато пожаром или взрывом из-за его устройства.
• Стоимость их также весьма высока.
• Вес автомобиля увеличивается в результате использования преобразователей тока и мощных аккумуляторов.
• Процесс получения из воды водорода пока тоже недёшев, как и транспортировка нового топлива.
• Прогнозируются и экологические проблемы — увеличение в атмосфере количества водорода может пагубно сказаться на озоновом слое Земли.
• Производство аккумуляторов – также вредный для окружающей среды процесс.
• Одной из проблем транспортных средств на водороде является высокая стоимость платины, необходимой для химической реакции в двигателе.
• Отсутствие водородных заправочных станций делает водородные автомобили неконкурентоспособными по сравнению с обычными автомобилями.
• Не решён вопрос о хранении. На сегодняшний день предлагается хранить в сжиженном виде либо под высоким давлением, но исследования продолжаются.

Водородные топливные элементы

В разные годы водородные топливные элементы использовались:

• для тракторов,
• локомотивов,
• подводных лодок,
• вертолётов,
• в автомобиле для гольфа,
• на мотоцикле.

Для автомобилей с водородным двигателем и автобусов используются элементы на протонно-обменной мембране (PEM), они компактны и мало весят.

Авто на водороде

• Тойота, приручившая водород, — Fuel Cell Sedan — это комфорт и вместительность стандартной модели. Для того чтобы увеличить пространство в салоне и багажнике, сжатые резервуары водорода расположены в полу автомобиля. Предназначена машина для пяти пассажиров, цена составит 67500 $.
• Технологии космоса в обычной жизни. BMW Hydrogen 7 уже доказал свои возможности на практике, порядка ста автомобилей BMW Hydrogen 7 были тестированы выдающимися деятелями культуры, политики, бизнеса и средств массовой информации. Опыт испытания в реальных условиях показал, что переход на водород полностью совместим с комфортом, динамикой и безопасностью, которые вы могли бы ожидать от BMW. Авто можно переключать с одного вида топлива на другой. Максимальная скорость 229 км/ч.
• Генератор энергии Honda FCX Clarity. По словам разработчиков, можно подключить к трансформатору и снабжать электричеством все бытовые приборы. Баки с водородом находятся под задними сидениями, а после полной заправки топлива ей хватит на 500 км. Цена от 62807 $.
• Часть автобусов MAN работает на водороде.

Водородные двигатели будущего

• Новое сотрудничество в автомобильном секторе начали General Motors (GM) и Honda Motor. Обе компании планируют совместно разрабатывать водородные топливные элементы в течение следующих семи лет. Обмен ноу-хау поможет снизить затраты на технологии и делает основной целью реагирование на увеличение объёма глобальных требований, предъявляемых к сокращению выбросов, стандарт «Евро-4» имеет строгие рамки.
• Силовая установка автомобиля может послужить и электростанцией для дома, обеспечивая его энергией в течение 5 дней.
• Каждый производитель в ближайшее время рассчитывает продавать минимум тысячу экокаров за год, ожидаемая цена 97000 $.
• К 2050 году водород как источник топлива покроет треть производимой энергии.

А вот Илон Маск (глава SpaceX и Tesla) к новому топливу относится крайне критично, считая его создание маркетинговым ходом. Маск заявил, что использование технологий не решит реальных транспортных проблем и что в литий-ионных батареях плотность хранения энергии превышает все водородные разработки. А как думаете вы?

carextra.ru

Водородный двигатель: устройство и принцип работы

Двигатель внутреннего сгорания уже давно является далеко не единственным силовым агрегатом, который устанавливается на автомобили: альтернативой ему в последнее время всё чаще становятся моторы, использующие в качестве движущей силы электричество, и водородные установки. Именно о последнем механизме и пойдет речь ниже.

Краткая история создания

Двигатель на водороде был создан в начале XIX века усилиями французского изобретателя. Спустя 35 лет в Англии был оформлен официальный патент на подобный агрегат, а в 1852 году немецкие инженеры доработали устройство, сделав возможной его работу на воздушно-водородной смеси.

Особое распространение моторы на водороде приобрели в годы ВОВ, когда бензин оказался в большом дефиците. Затем интерес к данному виду топлива поутих до топливного кризиса, случившегося в 70-е годы.

В последнее же время за развитие экологически безопасного топлива ратуют защитники природы и просто люди, неравнодушные к дальнейшей судьбе планеты и будущих поколений.

Принцип работы водородного двигателя

Функционирование двигателя на водородном топливе отличается от действия двигателя внутреннего сгорания, прежде всего, особенностями подачи и воспламенения смеси топлива, но принцип работы остаётся таким же.

Бензин горит медленно, а в случае с водородом время впрыска сдвигается к моменту возвращения поршня к крайнему положению, давление же может быть низким.

Водородный двигатель в идеальных условиях и вовсе способен работать без поступления воздуха: в камере сгорания останется после сжатия пар, который снова станет водой (это обеспечит радиатор). Однако на практике добиться этого сложно, т. к. на авто придётся устанавливать электролизер (специальное устройство, отделяющее водород от воды с целью осуществления реакции с кислородом).

Водородные топливные элементы

Эти устройства напоминают традиционные аккумуляторы с более высоким КПД, достигающим 45%.

В корпус помещается мембрана, проводящая исключительно протоны и разделяющая две камеры (анодную и катодную): в первую поступает водород, во вторую – кислород. Электроды покрываются катализатором (в его качестве часто применяют платину), при воздействии которого начинается процесс потери электронов водородом.

Протоны, проходящие в тот же период времени в катодную камеру, соединяются с приходящими извне электронами, что происходит опять же вследствие наличия катализатора.

Устройство водородного двигателя внутреннего сгорания

Такой движок практически ничем не отличается от пропанового агрегата, поэтому часто владельцы таких машин просто перенастраивают двигатели (но это и приводит к снижению КПД).

Как работает машина с водородным двигателем? В ней установлен генератор: внутри него протекает реакция окисления водорода, в конце которой получаются азот, пар и электрический ток (углекислый газ в продуктах распада отсутствует).

Автомобиль с таким силовым агрегатом можно сравнить с электрокаром, но с более компактным аккумулятором. На рабочий режим элемент выходит спустя пару минут после запуска, а вот на прогрев до рабочей температуры может уйти и час (на точное время влияет температура окружающей среды). Появляется вода, а электроны из анодной камеры попадают в электрическую цепь, подключенную к движку. Иными словами, получается ток, питающий автомобильный водородный двигатель.

Минусы водородного мотора

Водородные двигатели для автомобилей при всех плюсах не лишены недостатков:

1. Высокая стоимость, на которую влияют, во-первых, электрический генератор, во-вторых, необходимые для эксплуатации авто баки из углепластика.
2. Низкая энергетическая эффективность. У электромобиля КПД равняется 70%, у водородного топлива – 30%, если же водород получать из нефти, этот показатель увеличится примерно в 2 раза, но тогда появится углекислый газ.
3. Малое количество заправок. Если в Европе они хотя бы есть, то в России такие заправочные станции в принципе отсутствуют.
4. Необходимость периодической проверки баллонов, заправленных водородом, в целях безопасности.
5. Увеличение веса машины и, как следствие, ухудшение маневренности.

Безусловно, защита окружающей среды имеет огромное значение, но пока что автолюбители не готовы жертвовать собственным комфортом и деньгами ради экологии.

Видео о том как работает водородный двигатель

moj-vnedorozhnik.ru

Водородный двигатель – характеристика, особенности, принцип действия

К сожалению, природные ресурсы нашей планеты не являются безграничными. И хотя запасов нефти, являющейся сырьём для производства автомобильного топлива, хватит не на одну сотню лет, неуклонно растущая цена чёрного золота принуждает производителей уже сегодня подыскивать альтернативные источники питания.

Кроме того, к этому приводит необходимость заботы о чистоте окружающей среды. Хотя в большинстве современных транспортных средствах изготовителями предусмотрена тщательная очистка выхлопных газов, полностью уберечь экологию от их негативного воздействия пока не удаётся

Одним из наиболее перспективных вариантов альтернативных источников энергии для автомобилей считается инновационная разработка конструкторского бюро концерна Тойота. Существует ли возможность самостоятельно изготовить водородный двигатель? Попробуем разобраться, предварительно ознакомившись с устройством и принципом действия силового агрегата, предназначенного для машин грядущего поколения.

Водородный двигатель — достойный преемник моторов на традиционном топливе. Рекомендации по самостоятельному изготовлению

Мастерство отечественных умельцев всегда поражало и вызывало неприкрытую зависть автолюбителей всего мира. Стремление избежать лишних расходов принуждает доморощенных механиков совершенствовать личные средства передвижения своими руками. Водородный двигатель не является исключением. Российские автолюбители научились изготавливать его самостоятельно.

Чтобы лучше разобраться во всех тонкостях этого процесса, предварительно следует ознакомиться с устройством силового агрегата, которому, несомненно, принадлежит будущее моторостроения. Также необходимо досконально изучить принцип работы подобного устройства.

Разновидности водородных двигателей

Современная наука не стоит на месте, постоянно находясь в поисках новых решений. Однако реального воплощения в жизнь удостаиваются только самые перспективные из них. Разработки, не обладающие достаточно высокой рентабельностью вкупе с приемлемыми показателями производительности, отметаются сразу. На сегодняшний день известно два вида силовых агрегатов, работающих на водороде:

1. моторы, в качестве источника питания которых используются топливные элементы. Рядовому обывателю, к сожалению, установить подобный водородный двигатель на свой автомобиль не представляется возможным. Объяснением такой весьма печальной для водителей среднего достатка действительности является довольно ощутимая стоимость комплектующих деталей, составляющих его конструкцию. Некоторые из них изготавливаются из драгоценных материалов, в частности из платины;
2. второй разновидностью считается водородный двигатель внутреннего сгорания. Его принцип действия аналогичен силовым установкам, работающим на пропане. Поэтому часто газовые агрегаты подвергают определённой перенастройке, приспосабливая к использованию водорода. Несмотря на то, что КПД таких моторов значительно ниже устройств, функционирующих на топливных элементах, многих автолюбителей привлекает их доступная стоимость и возможность самостоятельного изготовления.

Следует отметить, что учёные не остановились на изобретении этих двух типов водородных двигателей. В настоящее время проводятся изыскания по их усовершенствованию. Поэтому невозможно с уверенностью утверждать, какому из них принадлежит будущее.

Принцип действия водородных силовых установок

Чтобы любой мотор мог нормально работать, необходимо его обеспечить надёжным источником питания. Водородный двигатель функционирует за счёт электролиза. С присутствием особого катализатора в воде под воздействием электрического тока образуется не обладающий взрывоопасными свойствами газ с названием гидроген. Его можно представить химической формулой ННО.

В конструкции силового агрегата предусмотрены специальные ёмкости, Они предназначены для соединения гидрогена с топливно-воздушной смесью.

Устройство генератора представлено электролизёром и резервуаром. Процесс образования гидрогена осуществляется при помощи модулятора тока. Водородные двигатели инжекторного типа дополнительно комплектуются особым оптимизатором. Основным предназначением данного приспособления является обеспечение требуемого соотношения гидрогена и топливно-воздушной смеси. С его помощью происходит регулирование процесса для создания идеальных пропорций.

Разновидности катализаторов

В обычных условиях выделить гидроген из воды практически невозможно. Для успешного протекания процесса необходимо использование специальных катализаторов. На сегодняшний день применяются такие их разновидности:

1. достаточно простая конструкция, управляемая весьма примитивным механизмом, выполняется в виде цилиндрических банок. К сожалению, элементарное устройство данного катализатора негативно отразилось на производительности водородного двигателя. Её максимальная величина характеризуется показателем 0,7 л газа, выделяемого за одну минуту. Такой вид катализатора подходит для ДВС на водороде с небольшой ёмкостью, а именно до 1,5 литров. Увеличение количества банок способствует возможности эксплуатации силового агрегата большего объёма;
2. наилучшей эффективностью обладает катализатор, представленный обособленными ячейками. Такая система характеризуется максимальным коэффициентом полезного действия;
3. на долгосрочную эксплуатацию рассчитаны открытые пластины или сухой катализатор. Благодаря свободному доступу воздуха из окружающей среды создаётся возможность наиболее эффективного охлаждения. Из перечисленных разновидностей система имеет средний показатель производительности, выражающийся величиной, колеблющейся в пределах 1-2 л газа, выделяемого из воды на протяжении одной минуты.

Конструкторские бюро и исследовательские институты не прекращают изыскания по разработке водородных двигателей, обладающих приемлемой производительностью при максимальном КПД. Уже сегодня практикуется применение гибридных устройств, в которых успешно сочетаются различные источники питания. Оптимальной считается комбинация водорода с бензином. Также учёные продолжают поиски идеального катализатора, способного обеспечить наибольшую производительность.

Рекомендации по созданию водородного двигателя своими руками

В обычных условиях выделить гидроген из воды практически невозможно. Для успешного протекания процесса необходимо использование специальных катализаторов. На сегодняшний день применяются такие их разновидности:

1. достаточно простая конструкция, управляемая весьма примитивным механизмом, выполняется в виде цилиндрических банок. К сожалению, элементарное устройство данного катализатора негативно отразилось на производительности водородного двигателя. Её максимальная величина характеризуется показателем 0,7 л газа, выделяемого за одну минуту. Такой вид катализатора подходит для ДВС на водороде с небольшой ёмкостью, а именно до 1,5 литров. Увеличение количества банок способствует возможности эксплуатации силового агрегата большего объёма;
2. наилучшей эффективностью обладает катализатор, представленный обособленными ячейками. Такая система характеризуется максимальным коэффициентом полезного действия;
3. на долгосрочную эксплуатацию рассчитаны открытые пластины или сухой катализатор. Благодаря свободному доступу воздуха из окружающей среды создаётся возможность наиболее эффективного охлаждения. Из перечисленных разновидностей система имеет средний показатель производительности, выражающийся величиной, колеблющейся в пределах 1-2 л газа, выделяемого из воды на протяжении одной минуты.

Конструкторские бюро и исследовательские институты не прекращают изыскания по разработке водородных двигателей, обладающих приемлемой производительностью при максимальном КПД. Уже сегодня практикуется применение гибридных устройств, в которых успешно сочетаются различные источники питания. Оптимальной считается комбинация водорода с бензином. Также учёные продолжают поиски идеального катализатора, способного обеспечить наибольшую производительность.

Формирование водородного агрегата

Для начала надлежит обеспечить устройство трубопровода с добавочными ёмкостями Датчик уровня жидкости, закреплённый в центре крышки, препятствует ложному срабатыванию во время движения вверх-вниз. Этим прибором управляется система автоматической подпитки.

Датчик давления регулирует подкачку воды, включая т отключая её при показателях соответственно 40 и 45 psi. При достижении нагрузки в 50 psi приводится в действие предохранитель, в конструкции которого предусмотрены две функционально значимые части:

• вентиль аварийного сброса используется в экстремальных ситуациях;
• разрывной диск, принцип работы которого заключается в активации при показателе давления в 60 psi, обеспечивая сохранность системы.

Особое внимание следует уделить качественному отводу тепла. Для этой цели подбирается наиболее холодная свеча.

Категорически запрещается использовать платиновые наконечники для свечей. Этот материал является мощным катализатором, способствующим реакции кислорода с водородом.

Электрическая начинка

В качестве импульсного генератора, регулирующего продолжительность и частоту импульса, рекомендуется использовать таймер 555. В микросхеме двигателя на водороде должно быть два таких прибора. При этом конденсаторы первого из них обязаны обладать большей ёмкостью Включение второго генератора происходит с выхода третьей частоты первого таймера.

Резисторы на 220 и 820 Ом соединяются с третьим выходом второго прибора 555. Для получения силы тока требуемой величины используется транзистор. Его защита возложена на диод 1N4007, чем поддерживается нормальное функционирование всей системы.

Заключение

Вполне вероятно, в ближайшем будущем подавляющее большинство транспортных средств будет комплектоваться водородными двигателями. Поскольку кругооборот воды в природе сделал этот материал практически неистощимым, и процесс её добычи не вызывает никаких трудностей, экономия становится очевидной.

Помимо того, главными преимуществами таких агрегатов считаются сокращение потребления бензина и сохранность окружающей среды благодаря абсолютной экологической безопасности.

Несмотря на то, что характеристики самодельного мотора, использующего водородное топливо в качестве источника питания, несколько уступают заводским моделям, отечественные умельцы могут по праву гордиться собственноручным творением.

avtodvigateli.com

водородно-электрические секреты. 1 кг топлива на 100 км

Стало популярно применять гибриды с использованием электропривода от аккумуляторных батарей и двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Но можно ли создать гибрид без использования ДВС? Можно, если электрическую энергию расходовать не только из аккумуляторных батарей, а и получать напрямую из топлива, например, водорода. Для этого используются топливные элементы. И таких автомобилей разрабатывается все больше.

1 кг топлива необходим на 100 километров, так что полный бак позволит проехать 500 километров. Заправка водородом занимает около трех минут, как и в случае с авто с двигателем внутреннего сгорания. После отключения топливного элемента он позволит проехать 50 километров на полном заряде

 

Концепт A7 h-tron — это два электродвигателя, размещенные на передней и задней осях; между ними нет механической связи, и они управляют обеими осями независимо друг от друга — приводятся в действие все четыре колеса — привод Audi Quattro. Суммарная мощность автомобиля составляет 228 л.с. с максимальным крутящим моментом 540 Нм.

Топливный элемент в A7 устанавливается вместо обычного двигателя и содержит более 300 отдельных элементов, образующих батарею. Сама ячейка состоит из полимерной мембраны, и на обеих сторонах этой мембраны находится катализатор на основе платины.

 

 

 

Гибридный Audi A7 Sportback h-tron Quattro способен проехать 500 километров на баке горючего, при этом в качестве выхлопа выступает вода. Авто использует электропривод с водородным топливным элементом в качестве источника энергии в сочетании с гибридной батареей и дополнительным электродвигателем на задней оси. Разгон до 100 км/ч – 7,9 секунд, максимальная скорость — 180 км/ч. Полная зарядка литиевых батарей при отключении водородных топливных элементов позволит проехать еще полсотни километров. 

Концепт A7 h-tron — это два электродвигателя, размещенные на передней и задней осях; между ними нет механической связи, и они управляют обеими осями независимо друг от друга — приводятся в действие все четыре колеса — привод Audi Quattro. Суммарная мощность автомобиля составляет 228 л.с. с максимальным крутящим моментом 540 Нм.

 

У водородных топливных элементов очень высокий КПД — 60%. У лучших двигателей внутреннего сгорания этот коэффициент составляет 35-40%.

Наиболее экологически чистый способ получения водорода состоит в электролизе воды. В результате электрохимических реакций получается водород и кислород. Проблема этого способа состоит в энергоемкости. Необходимо большое количество электроэнергии. И здесь будущее за использованием ВИЭ. По мере удешевления производства, например, электроэнергии солнечных элементов электролиз воды для получения водорода вполне может конкурировать с химическими способами получения водорода из газа.

 

Хотя водород горюч и должен содержаться под высоким давлением инженерами уже решены эти проблемы. Зато загрузка водорода под давлением в автомобильный топливный элемент занимает считанные минуты в отличие от зарядки нынешних аккумуляторов.

Преимущества водородных топливных элементов настолько очевидны, что автомобильный транспорт уже в ближайшие годы начнет переход на них.

 

 

 

Современный водородный автомобиль представляет разновидность электромобиля, так как движение осуществляет электрический двигатель. В водородном топливном элементе производится электроэнергия, которая направляется в буферный аккумулятор, а затем после преобразования инвертором в переменный ток и повышения напряжения подается на зажимы электродвигателя. При этом буферный аккумулятор по сравнению с электромобилем значительно меньшей емкости и габаритов, так как он не является главным источником энергии.

Преимущества водородных топливных элементов настолько очевидны, что автомобильный транспорт уже в ближайшие годы начнет переход на них.

 

У водородных топливных элементов очень высокий КПД — 60%. У лучших двигателей внутреннего сгорания этот коэффициент составляет 35-40%.

 

Два электродвигателя, каждый из которых имеет мощность 85 кВт или даже кратковременно до 114 кВт, если напряжение временно повышается. Пиковый крутящий момент электродвигателя составляет 270 Н·м. Корпуса электродвигателей включают планетарные зубчатые передачи с передаточным отношение 7,6: 1

 

 

Что касается емкости заряда аккумулятора, Audi A7 Sportback h-tron quattro проезжает до 50 километров (31,1 мили). Аккумулятор в задней части гибридного модуля может быть свинцово-кислотным. В зависимости от напряжения и тока, полная перезарядка занимает от двух часов (промышленная розетка / 360 вольт) до четырех часов (внутренняя розетка на 230 вольт).

Аккумулятор работает на уровне напряжения, отличном от уровня топливного элемента. По этой причине устанавливается преобразователь постоянного тока (DC / AC) между двумя компонентами. Этот трехпортовый конвертер находится за стеком. Во многих рабочих состояниях он выравнивает напряжение, позволяя электродвигателям работать с максимальной эффективностью 95 процентов.

 

Силовая электроника в передней и задней части автомобиля преобразует постоянный ток от топливного элемента и батареи в переменный ток для электродвигателей для привода переднего и заднего мостов отдельно.

Два электродвигателя, каждый из которых имеет мощность 85 кВт или даже кратковременно до 114 кВт, если напряжение временно повышается. Пиковый крутящий момент электродвигателя составляет 270 Н·м. Корпуса электродвигателей включают планетарные зубчатые передачи с передаточным отношение 7,6: 1.

 

 

 

Суть процесса работы топливного элемента

 

Водород из резервуара подается на анод (положительно заряженный электрод), затем он разбивается на электроны и протоны. Разделенные электроны подают электроэнергию, отдельная ячейка обеспечивает напряжение в пределах 0,6-0,8 вольт. Между тем, протоны устремляются к катоду, реагируя с воздухом (кислородом) с образованием водяного пара.

 

Турбокомпрессор — нагнетает воздух в топливный элемент, а вентилятор выталкивает неиспользованный водород обратно на анод. Топливный элемент работает в диапазоне напряжений от 230 до 360 вольт. Турбокомпрессор, вентилятор и насос охлаждающей жидкости используют электричество от топливного элемента.

Элемент позволяет провести высокоэнергетическую реакцию h3 + O2 → h3O в спокойном режиме, без взрыва, который сопровождает ту же реакцию в водородном двигателе внутреннего сгорания. Результатом реакции является вода и энергия. Сам топливный элемент Audi содержит более 300 отдельных ячеек, ядро каждой из которых представляет собой полимерную мембрану. Катализатор по обе стороны мембраны создан на основе платины. Напряжение составляет от 230 до 360 вольт.  Получаемая энергия запасается в литиево-ионном аккумуляторе.

 

1 кг топлива необходим на 100 километров, так что полный бак позволит проехать 500 километров. Заправка водородом занимает около трех минут, как и в случае с авто с двигателем внутреннего сгорания. После отключения топливного элемента он позволит проехать 50 километров на полном заряде. 

 

Элемент позволяет провести высокоэнергетическую реакцию h3 + O2 → h3O в спокойном режиме, без взрыва, который сопровождает ту же реакцию в водородном двигателе внутреннего сгорания. 

Топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент, но с существенной разницей. Вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода. Она же и выходит наружу в виде выхлопа.

 

Перспективы водородных энергетических систем

 

В Токио в конце сентября текущего года прошла встреча министров энергетики и руководителей энергетических структур из более чем 30 стран. На ней обсуждались перспективы водородных энергетических систем в мире на предстоящее десятилетие. Как сообщает агентство Kyodo News, в постановлении совещания названа цель добиться, чтобы через 10 лет в мире было «10 миллионов транспортных средств с водородными системами» и «10 тысяч станций заправки водородом». В январе 2017 года по инициативе японских компаний Toyota Motor Corp. и Air Liquide был создан Hydrogen Council — Международный совет по водородным технологиям. В него вошли 27 концернов, фирм и компаний, в том числе, кроме японских, Audi, BMW, Daimler, Shell, Total и др. Переход на водород позволит значительно сократить выбросы СО2 в таких отраслях, как транспорт, химическая промышленность и металлургия.

 

Однако, такие революционные переходы влекут за собой коммерческие, финансовые и социальные изменения. Чаще всего сложные и местами весьма болезненные. Последние, во многом связаны с быстротой перемен и недостаточным временем на подготовку к ним.

 

 

 

Завтрашний день наступает сегодня

 

NEXO — это второе поколение кроссовера на топливных элементах от Hyundai Motor, который компания позиционирует, как наиболее передовое транспортное средство с нулевым уровнем выбросов. Благодаря новой системе топливных элементов, Hyundai Motor сумела всесторонне развить технологии предыдущей модели. Общая эффективность и экономия топлива делают кроссовер NEXO безапелляционным лидером своего сегмента.

NEXO — это один из лучших автомобилей с отсутствием вредных выбросов, который применим для повседневной эксплуатации. Электрический двигатель автомобиля имеет максимальную выходную мощность 120 кВт (163 л.с.) и крутящий момент в 395 Нм. NEXO разгоняется от 0 до 100 км/ч за 9,2 секунды и достигает максимальной скорости в 179 км/ч.

 

Экологически чистый силовой агрегат на топливных элементах имеет повышенную скорость утилизации водорода и производных компонентов. Это приводит к превосходным показателям эффективности трансмиссии, которая позволяет кроссоверу NEXO иметь запас хода около 800 км согласно циклу NEDC — что лучше, чем у любого другого автомобиля на топливных элементах и многих электрокаров. Данный запас хода сравним с диапазоном двигателя внутреннего сгорания и позволяет водителям путешествовать на большие расстояния.

Двигатель Hyundai NEXO © hyundainews.com.

 

Новая платформа транспортного средства позволила объединить три идентичных резервуара с объемом 52,2 литра водорода на каждый, однако несмотря на более высокую емкость хранилищ для топлива, NEXO требуется всего пять минут для полной дозаправки. Важной особенностью новой трансмиссии автомобиля, является возможность ее работы в условиях экстремальных температур окружающей среды.

 

Наряду с энергетическим преимуществом топливные водородные элементы обладают и экологическими. Разработчики водородного кроссовера Hyundai Nexo уверяют, что их авто не только не выбрасывает в атмосферу вредные вещества, но и очищает за час несколько десятков килограммов воздуха, которых может хватить более чем на 40 человек. Сообщается, что 10 тыс. подобных водородных кроссоверов на улицах мегаполисов могут заменить около 600 тыс. деревьев.

К тому же водород является одним из наиболее распространенных элементов в природе, в отличие от основных элементов батарей для электрокаров — лития и кобальта, за которые компании уже ведут настоящие войны.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

naukatehnika.com

Как работает водородный двигатель в автомобиле?

Традиционный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет ряд существенных недостатков, что заставляет ученных искать ему достойную замену. Самым популярным вариантом подобной альтернативы является электродвигатель, однако он не единственный, кто может составить конкуренцию ДВС. В данной статье речь пойдет о водородном моторе, который по праву считается будущим автомобилестроения и может решить проблему с вредными выбросами и дороговизной топлива.

Краткая история

Несмотря на то, что сохранность окружающей среды только сейчас стала массовой проблемой, об изменении стандартного двигателя внутреннего сгорания ученые задумывались и раньше. Так, мотор, работающий на водороде, «увидел мир» еще в 1806 году, чему поспособствовал французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (он производил водород при помощи электролиза воды).

Прошло несколько десятков лет, и в Англии выдали первый патент на водородный двигатель (1841 год), а в 1852 году немецкие ученые сконструировали ДВС, который мог работать на воздушно-водородной смеси.

Чуть позже, во времена блокады Ленинграда, когда бензин был дефицитным продуктом, а водород имелся в достаточно большом количестве, техник Борис Шелищ предложил использовать для работы заградительных аэростатов воздушно-водородную смесь. После этого на водородное питание перевели все ДВС лебедок аэростатов, а общее число работающих на водороде машин достигало 600 единиц.

В первой половине ХХ века интерес общественности к водородным двигателям был невелик, но с приходом топливно-энергетического кризиса 70-х годов ситуация резко изменилась. В частности, в 1879 году компания BMW выпустила первый автомобиль, который вполне успешно ездил на водороде (без взрывов и водяного пара, вырывающегося из выхлопной трубы).

Следом за BMW, в этом направлении начали работать другие крупные автопроизводители, и к концу прошлого столетия практически каждая уважающая себя автокомпания уже имела концепцию разработки машины на водородном топливе. Тем не менее, с окончанием нефтяного кризиса исчез и интерес общественности к альтернативным источникам топлива, хотя в наше время он снова начинает пробуждаться, подогреваемый защитниками экологии, борющимися за снижение токсичности выхлопных газов автомобилей.

Более того, цены на энергоносители и желание обрести топливную независимость только способствуют проведению теоретических и практических исследований ученными многих стран мира. Самыми активными являются компании BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Интересный факт! Водород – самый распространенный элемент во Вселенной, но найти его в чистом виде на нашей планете будет очень непросто.

Принцип работы и типы водородного двигателя

Основным отличием водородной установки от традиционных двигателей является способ подачи топливной жидкости и последующее воспламенением рабочей смеси. При этом принцип трансформации возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в полезную работу остается неизменным. Учитывая, что горение нефтяного топлива происходит достаточно медленно, топливно-воздушная смесь наполняет камеру сгорания раньше, чем поршень займет свое крайнее верхнее положение (так называемую верхнюю мертвую точку).

Стремительная реакция водорода дает возможность сдвинуть время впрыска ближе к тому моменту, когда поршень начинает возвращаться к нижней мертвой точке. Нужно отметить, что давление в топливной системе не обязательно будет высоким.

Если водородному двигателю создать идеальные рабочие условия, то он может иметь топливную систему питания закрытого типа, когда процесс смесеобразования будет проходить без участия атмосферных воздушных потоков. В таком случае после такта сжатия в камере сгорания остается водяной пар, который, проходя через радиатор, конденсируется и снова превращается в обычную воду.

Однако применение такого вида устройства возможно только тогда, когда на транспортном средстве имеется электролизер, отделяющий водород от воды для его повторной реакции с кислородом. На данный момент добиться таких результатов крайне сложно. Для стабильной работы двигателей применяется моторное масло, а его испарения являются частью выхлопных газов.

Поэтому беспроблемный запуск силовой установки и ее устойчивая работа на гремучем газе без использования атмосферного воздуха – пока что неосуществимая задача. Различают два варианта автомобильных водородных установок: агрегаты, функционирующие на основе водородных топливных элементов, и водородные двигатели внутреннего сгорания.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

В основе принципа работы топливных элементов лежат физико-химические реакции. По сути, это те же свинцовые аккумуляторные батареи, вот только коэффициент полезного действия топливного элемента несколько выше, чем АКБ, и составляет около 45% (иногда больше).

В корпус водородно-кислородного топливного элемента помещена мембрана (проводит только протоны), разделяющая камеру с анодом и камеру с катодом. В камеру с анодом поступает водород, а в камеру катода – кислород. Каждый электрод заранее покрывают слоем катализатора, в роли которого нередко выступает платина. При его воздействии молекулярный водород начинает терять электроны.

В это же время протоны проходят через мембрану к катоду и под влиянием того же катализатора соединяются с электронами, поступающими снаружи. В результате реакции образуется вода, а электроны из камеры анода перемещаются в электроцепь, подсоединенную к мотору. Проще говоря, мы получаем электрический ток, который и питает двигатель.

Водородные двигатели на основе топливных элементов сегодня используются на автомобилях «Нива», оснащенных энергоустановкой «Антэл-1», и машинах «Лада 111» с агрегатом «Антел-2», которые были разработаны уральскими инженерами. В первом случае одного заряда хватает на 200 км, а во втором – на 350 км.

Следует отметить, что из-за дороговизны металлов (палладия и платины), входящих в конструкцию таких водородных двигателей, подобные установки имеют очень большую стоимость, что существенно увеличивает и цену транспортного средства, на котором они установлены.

А знаете ли вы? Специалисты компании Toyota начали работать с технологией топливных элементов еще 20 лет назад. Примерно тогда стартовал и проект гибридного автомобиля Prius.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Данный тип силовых установок очень похож на распространенные сегодня моторы на пропане, поэтому, чтобы перейти с пропана на водородное топливо, достаточно просто перенастроить двигатель. Уже существует немало примеров подобного перехода, но нужно сказать, что в этом случае КПД будет несколько ниже, чем при использовании топливных элементов. В то же время, для получения 1 кВт энергии водорода потребуется меньше, что вполне компенсирует данный недостаток.

Использование этого вещества в обычном моторе внутреннего сгорания вызовет целый ряд проблем. Во-первых, высокая температура сжатия «заставит» водород вступить в реакцию с металлическими элементами двигателя или даже моторным маслом. Во-вторых, даже небольшая утечка при контакте с раскаленным выпускным коллектором точно приведет к возгоранию.

По этой причине для создания водородных конструкций используются только силовые агрегаты роторного типа, так как их конструкция позволяет уменьшить риск возгорания за счет расстояния между впускным и выпускным коллектором. В любом случае, все проблемы пока удается обходить, что позволяет считать водород достаточно перспективным топливом.

Хорошим примером транспортного средства с водородной установкой может послужить экспериментальный седан BMW 750hL, концепт которого был представлен еще в начале 2000-х годов. Автомобиль оснащен двенадцатицилиндровым мотором, работающим на основе ракетного топлива и позволяющим разогнать машину до 140 км/час. Водород в жидкой форме хранится в специальном баке, и одного его запаса хватает на 300 километров пробега. Если же он полностью расходуется, система автоматически переключается на бензиновое питание.

Водородный двигатель на современном рынке

Последние исследования ученых в области эксплуатации водородных двигателей показали, что они не только очень экологичны (как электродвигатели), но могут быть очень эффективными в плане производительности. Более того, по техническим показателям водородные силовые установки обходят своих электрических собратьев, что уже было доказано (к примеру, Honda Clarity).

Также следует отметить, что, в отличие от систем Tesla Powerwall, водородные аналоги имеют один существенный недостаток: зарядить аккумулятор при помощи солнечной энергии уже не получится, а вместо этого придется искать специальную заправочную станцию, которых на сегодняшний день даже в мировом масштабе насчитывается не так уж и много.

Сейчас Honda Clarity выпущен достаточно ограниченной партией, и приобрести автомобиль можно только в Стране восходящего солнца, так как в Европе и Америке транспортное средство появится только в конце 2016 года.

Интересно знать! Генератор Power Exporter 9000 (может входить в комплектацию Honda Clarity) способен питать всю домашнюю технику почти целую неделю.

Также в наше время выпускаются и другие транспортные средства, использующие водородное топливо. К ним относятся Mazda RX-8 hydrogen и BMW Hydrogen 7 (гибриды, работающие на жидком водороде и бензине), а также автобусы Ford E-450 и MAN Lion City Bus.

Среди легковых автомобилей самыми заметными представителями водородных транспортных средств на сегодня являются автомобили Mercedes-Benz GLC F-Cell (есть возможность подзарядки от обычной бытовой сети, а суммарный запас хода составляет около 500 км), Toyota Mirai (работает только на водороде, и одной заправки должно хватать на 650 км пути) и Honda FCX Clarity (заявленный запас хода достигает 700 км). Но и это еще не все, ведь автотранспорт на водородном топливе выпускается и другими компаниями, например, Hyundai (Tucson FCEV).

Плюсы и основные недостатки водородных двигателей

При всех своих преимуществах, нельзя сказать, что водородный транспорт лишен определенных недостатков. В частности, необходимо понимать, что горючая форма водорода при комнатной температуре и нормальном давлении представлена в виде газа, что вызывает определенные трудности в хранении и транспортировке такого топлива. То есть существует серьезная проблема конструирования безопасных резервуаров для водорода, применяющегося в качестве топлива для автомобилей.

Кроме того, баллоны с этим веществом требуют периодической проверки и сертификации, которые могут выполняться только квалифицированными специалистами, имеющими соответствующую лицензию. Также к этим проблемам стоит добавить и дороговизну обслуживания водородного мотора, не говоря уже об очень ограниченном количестве заправочных станций (по крайней мере, в нашей стране).

Не стоит забывать и о том, что водородная установка увеличивает вес автомобиля, из-за чего он может оказаться не столь маневренным, как вам бы того хотелось. Поэтому, учитывая все вышесказанное, хорошенько подумайте: стоит ли приобретать водородное транспортное средство, или пока с этим лучше повременить.

Однако нужно сказать, что и преимуществ в подобном решении немало. Во-первых, ваш автомобиль не будет загрязнять окружающую среду токсичными выхлопными газами, во-вторых, массовое производство водорода может помочь решить проблему резко меняющихся цен на топливо и перебоев в поставках обычных видов топливных жидкостей.

К тому же, во многих странах уже построены сети трубопроводов для метана, и их несложно адаптировать для прокачки водорода с последующей доставкой к заправкам. Производить водород можно как в малых масштабах, то есть на местном уровне, так и массово – на крупных, централизованных предприятиях. Рост производства водорода послужит дополнительным стимулом для роста поставок этого вещества в бытовых целях (например, для отопления домов и офисов).

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

auto.today