Перспективы использования водородного двигателя

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп бензиновых и дизельных ДВС, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как установка ГБО также не решает всех задач.

С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего электрокара (электромобиля) в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию.

По этой причине автопроизводители постоянно работают над тем, чтобы получить «безвредный» для окружающей среды и относительно дешевый в производстве силовой агрегат, который при этом не будет нуждаться в дорогом топливе.

Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.

История создания водородного двигателя

Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.

Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.

Во времена Второй мировой войны, когда возникли сложности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелищ, который был родом из Украины, заложил основы российской водородной энергетики. Он также предложил использовать смесь водорода и воздуха в качестве горючего  для ДВС, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате появилось около полутысячи двигателей, работавших на водороде.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире.

[attention type=yellow]

Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г.

[/attention]

построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.

Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

Прежде всего, горение водорода по сравнению с нефтяным топливом отличается тем, что водород сгорает намного быстрее. В обычном двигателе смесь бензина или солярки с воздухом заполняет камеру сгорания тогда, когда поршень почти поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка), затем топливо какое-то время горит и уже после этого газы давят на поршень.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка).

Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов.

Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

Однако чтобы этого добиться, на автомобиле должна стоять установка для электролиза (электролизер), которая и будет отделять водород от воды, чтобы затем получить нужную реакцию с кислородом в камере сгорания. На практике установка получается сложной и дорогой, а создать такую закрытую систему довольно сложно.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары.

[attention type=red]

Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп.

[/attention]

Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане.

Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора.

При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

Также даже небольшая утечка водорода может стать причиной того, что топливо попадет на разогретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или пожар. Чтобы этого не случилось, для работы на водороде чаще задействуют  роторные двигатели. Такой тип ДВС больше подходит для этой задачи, так как их конструкция предполагает увеличенное расстояние между впускным и выпускным коллектором.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке.

Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды  на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода  на полном баке водорода составляет около 300  км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной).

Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода.  В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них.

В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания двигателей-гибридов, другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, в плане экологии и производительности данный вариант также может в ближайшее время составить конкуренцию ДВС на бензине, газе или дизтопливе.

Водородные двигатели показали себя несколько лучше, чем самые продвинутые электрокары. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, остался такой недостаток, как способы  и возможности заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправочных станций не особенно развита, причем в мировом масштабе.

Также не особенно большим является и сам выбор водородных  легковых авто. Кроме Honda Clarity можно разве что упомянуть Mazda RX8 Hydrogen, а также BMW Hydrogen 7. Фактически это автомобили-гибриды, которые работают на жидком водороде и бензине. Еще можно добавить в список Mercedes GLC F-Cell. Эта модель имеет возможность подзарядки от бытовой сети электропитания и позволяет пройти до 500 км. на одном заряде.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, одного бака хватает на 600 км. Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.

[attention type=green]

Как видно, с двигателем на водороде активно экспериментируют многие производители, однако такое решение все равно имеет много недостатков. При этом некоторые минусы сильно мешают массовой популяризации.

[/attention] Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях, принципах работы, а также преимуществах и недостатках моторов данного типа.

Прежде всего, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород  весьма горюч и взрывоопасен даже при относительно невысоких температурах. По этой причине его сложно хранить и перевозить. Получается, необходимо строить особые водородные резервуары для  авто с данным типом двигателя. Как результат, на практике водородных заправок очень мало.

К этому также можно добавить определенную сложность и высокие расходы на ремонт и обслуживание водородного агрегата, а также необходимость в подготовке и обучении большого количества высококвалифицированного персонала. Если же говорить о самом авто на водороде и его эксплуатационных характеристиках, наличие водородной установки делает машину более тяжелой, закономерно ухудшается управляемость.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.

Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Что касается недостатков и сложностей, машина с водородным двигателем сегодня имеет высокую стоимость, а также могут возникать проблемы с заправкой топливом по причине недостаточного количества заправочных станций. Не стоит забывать и о том, что также не просто найти специалистов, которые способны качественно и профессионально обслужить водородную силовую установку. При этом обслуживание будет достаточно затратным.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.

Как работает водородный двигатель

С экранов телевизоров нам заявляют, что количество нефти стремительно уменьшается, и вскоре бензиновые машины отойдут в далёкое прошлое. Вот только это не совсем верно.

Действительно, количество разведанных запасов нефти не очень велико. В зависимости от степени потребления их может хватить на период от 50 до 200 лет. Но в этой статистике не учитываются до сих пор неразведанные места нефтедобычи.

В действительности нефти на нашей планете более чем достаточно. Другой вопрос, что сложность её добычи постоянно возрастает, а значит, растёт и цена. К тому же нельзя списывать со счетов экологический фактор. Выхлопные газы сильно загрязняют среду и с этим нужно что-то делать.

Современная наука создала множество альтернативных источников энергии вплоть до двигателя ядерного распада в ваших машинах. Но большинство из этих технологий пока что представляют собой концепты без возможности реального применения. По крайней мере, так было до недавнего времени.

С каждым годом машиностроительные компании выпускают всё больше машин, работающих на альтернативных источниках питания. Одним из самых эффективных решений в данном контексте является водородный двигатель от бренда «Тойота». Он позволяет полностью забыть про бензин, делая автомобиль экологичным и дешёвым транспортом.

Типы водородных двигателей и их описание

Наука непрерывно развивается. Каждый день придумываются новые концепты. Но только лучшие из них воплощаются в жизнь. Сейчас существует всего два типа водородных двигателей, которые могут быть рентабельными и производительными.

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

На данный момент тяжело сказать, какая из двух технологий по созданию водородных двигателей победит. У каждой есть свои плюсы и минусы. В любом случае работы в данном направлении не прекращаются. Поэтому, вполне возможно, что к 2030 году машину с водородным двигателем можно будет купить в любом автосалоне.

Водородный двигатель работает на основе принципа электролиза. Данный процесс происходит в воде под воздействием специального катализатора. В результате выделяется гидроген. Его химическая формула следующая — ННО. Газ не обладает взрывоопасными качествами.

Важно! Внутри специальных ёмкостей газ смешивается с топливно-воздушной смесью.

В состав генератора входит электролизер и резервуар. За процесс генерации газа отвечает модулятор тока. Для обеспечения наилучших результатов в инжекторных водородных двигателях устанавливается оптимизатор. Это устройство отвечает за регулирование соотношения топливно-воздушной смеси и газа Брауна.

Характеристики катализаторов

Катализаторы, используемые для создания нужной реакции в водородном двигателе, могут быть трёх видов:

1. Цилиндрические банки. Это самая простая конструкция, работающая на довольно примитивной системе управления. Производительность водородного двигателя, работающего с данным катализатором, не превышает 0,7 литра газа в минуту. Такие системы могут использоваться на машинах с водородным двигателем объёмом до полутора литра. Увеличение числа банок позволяет превысить данный лимит.
2. Раздельные ячейки. Считается, что именно такой тип катализатора является наиболее эффективным. Производительность системы составляет более двух литров газа в минуту, КПД — максимальный.
3. Открытые пластины или сухой катализатор. Данная система рассчитана на длительный срок работы. Производительность колеблется в диапазоне от одного до двух литров газа в минуту. Открытое расположение обеспечивает максимально эффективное охлаждение.

Эффективность водородных двигателей с каждым годом растёт. Сейчас начинают вводиться в эксплуатации гибридные устройства, функционирующие на водороде и бензине. В свою очередь, конструкторы не прекращают искать наиболее эффективной модели катализатора, обеспечивающей ещё большую производительность.

Чтобы создать эффективный водородный двигатель для автомобиля своими руками, нужно начать с генератора. Самый простой самодельный генератор — это герметичная ёмкость с жидкостью, в которую погружаются электроды. Для такого устройства достаточно источника питания в 12 В.

Штуцер устанавливается на крышке конструкции. Он отводит смесь водорода с кислородом. Собственно, это и есть основа генератора для водородного двигателя, которая подключается к ДВС.

Чтобы создать полноценную систему также понадобится дополнительный накопитель и аккумулятор. В качестве корпуса лучше всего использовать водопроводный фильтр или же можно купить специальную установку. В последней применяются цилиндрические электроды повышенной производительности.

Как видите, выделить нужный газ для реакции не так-то уж и сложно. Намного сложнее произвести его в нужном для водородного двигателя количестве. Чтоб повысить эффективность необходимо использовать электроды из меди. В крайнем случае подойдёт и нержавейка.

В ходе реакции ток должен подаваться с разной силой. Поэтому без электронного блока не обойтись. К тому же в резервуаре всегда должно быть определённое количество воды, чтобы реакция проходила в нормальных условиях. Система автоматической подпитки в водородном двигателе решает эту проблему. Интенсивность электролиза обеспечивает достаточное количество соли.

Важно! Если вода дистиллированная, электролиза не будет вовсе.

Чтобы сделать воду для водородного двигателя необходимо взять 10 литров жидкости и добавить столовую ложку гидроксида.

Устройство водородного двигателя

В первую очередь нужно позаботиться о дополнительных резервуарах и трубопроводе. Водородный двигатель нуждается в датчике уровня воды, который устанавливается в середине крышки. Это предотвратит ложное срабатывание при движении вверх-вниз. Именно он будет давать команду системе автоматической подпитки, когда это понадобится.

Особую роль играет датчик давления. Он включается на показателе в 40 psi. Как только внутреннее давление достигнет показателя в 45 psi, подкачка отключается. При превышении 50 psi сработает предохранитель.

Предохранитель водородного двигателя должен состоять из двух частей: вентиля аварийного сброса и разрывного диска. Разрывной диск активируется, когда давление достигает 60 psi, не нанося никакого вреда системе.

[attention type=yellow]

Для отвода тепла нужно использовать самую холодную свечу. Не подходят свечи с платиновыми наконечниками. Платина — отличный катализатор для реакции водорода и кислорода.

[/attention]

Важно! Уделите особое внимание созданию вентиляции картера водородного двигателя.

Важную роль в электрической схеме водородного двигателя играет таймер 555. Он выполняет роль импульсного генератора. Мало того, с его помощью можно регулировать частоту и ширину импульса.

Важно! Таймер имеет три частотных диапазона. Сопротивление резисторов в пределах 100 Ом. Подключение происходит параллельно.

В плате водородного двигателя должно быть два импульсных таймера 555. При этом первый должен иметь конденсаторы большей ёмкости. Выход с ноги 3 поступает на второй генератор. Он его собственно и включает.

Третий выход второго таймера импульсного водородного генератора подключается к резисторам на 220 и 820 Ом. Транзистор усиливает ток до нужной величины.  За его защиту отвечает диод 1N4007. Это обеспечивает нормальную работу всей системы.

Итоги

Сейчас водородный двигатель уже не плод фантазии учёных, а вполне реальная разработка, которую можно сделать самостоятельно. Конечно, по характеристикам подобный агрегат будет уступать заводской модели. Но экономия для ДВС всё равно будет заметной.

Водородные двигатели не просто помогают сократить потребление бензина, но и являются полностью безопасными для окружающей среды. Именно поэтому уже в первом квартале продажи водородного автомобиля марки «Тойота» побили все рекорды в Японии.

Перспективы использования водородного двигателя

Последний энергетический кризис прокатился по миру в далеком 2008 году, и может показаться, что проблем с количеством нефти уже не возникает: нормы выработки становятся больше, а цена – ниже. Но несмотря на это, никто не может отрицать того, что запасы топлива на планете уменьшаются.

Автомобильные концерны оплачивают исследования и разработки альтернативных видов топлива. Двигатель Риваза, работающий на воде, появился еще в начале XIX века. Изобретение было представлено в 1806 году и являлось первым двигателем внутреннего сгорания, обогнав бензиновые и газовые двигатели.

Разработчики долгое время пытались продолжить разработку в этом направлении, но для того, чтобы провести электролиз и получить необходимое количество энергии требовалось много электричества, что делало такой вид топлива нерентабельным.

В конце концов, это в сочетании с взрывоопасностью и поставило точку на исследованиях.

Возврат к водороду произошел в конце 50-х гг. прошлого века: топливный элемент был установлен на тракторы в США. Через три года – в 1962 году – водородный двигатель появился в маленьких автомобилях для гольфа, еще через пять – в мотоциклах. Водород в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) может использоваться в двух вариантах: как гибридный двигатель и как топливный элемент.

Гибридный водородный двигатель

Гибридный водородный двигатель используется в качестве присадки в двигателях внутреннего сгорания к бензину или газу. При использовании водорода улучшается воспламеняемость топлива, но из-за высокой степени летучести газа повышается риск воспламенения. Но несмотря на этот недостаток, уменьшается коррозия металлов и вибрация.

Для применения водорода нет необходимости в устройстве дополнительного топливного бака, водород вырабатывается из дистиллированной воды. При использовании водорода расстояние, которое можно проехать, увеличивается на 30 процентов.

Безопасное использование газа возможно при низких температурах до -30⁰С и при относительно высоких до +30⁰С.

Топливный элемент

Двигатели с топливным элементом самостоятельно производят электроэнергию путем расщепления водорода на отрицательные электроны и положительные протоны.

Использование таких двигателей приносит пользу при больших объемах, поэтому чаще всего применяются в большегрузах. На данный момент в Дании, США и Японии тестируют железнодорожные составы, которые работают на двигателях с топливным элементом.

Это перспективный путь развития альтернативного топлива, потому что расход водорода меньше расхода бензина на единицу расстояния.

[attention type=red]

Еще одним направлением для разработки таких двигателей является авиация. В самолете ТУ-154 как раз таки и использовался такой топливный элемент, конечно же, после распада СССР все разработки в этом направлении были заморожены.

[/attention]

Тем не менее над проектом пассажирского самолета, который будет работать на водороде, работают ученые Европейского Союза и Китая. Для того чтобы двигатель мог работать, такой самолет должен развить гиперскорость, что будет возможно сделать только при наличии дополнительного двигателя.

Преимущества ДВС на водороде связаны с его воздействием на окружающую среду и высоким КПД.

Высокий уровень экологичности

Конечно, невысокая степень загрязнения присутствует, но из-за наличия в механизме автомобиля масла. Даже при добавлении водорода в обычное топливо производительность повышается на 20%. На 5 кг водородного топлива автомобиль проезжает до 500 км. Ученые считают водород единственным возобновляемым источником энергии.

При его неоспоримых преимуществах на сегодняшний день недостатков намного больше, которые в основном связаны с конструктивом двигателя:

• Летучесть водорода. Заправить автомобиль с ДВС на водороде возможно только на заправке. Дозаправиться от другого автомобиля или из канистры по дороге не получится.
• Взрывоопасность и пожароопасность. Всем известна катастрофа дирижабля «Гинденбург», который от одной искры загорелся в полете: из 97 человек, находящихся на борту, погибла треть.
• Высокая стоимость топливных элементов и водородного двигателя, что, в свою очередь, увеличивает стоимость автомобиля. Аналог с водородным двигателем стоит в два раза дороже. Автомобиль на базе водородного двигателя обслуживать в 100 раз дороже, чем обычный двигатель.
• Водородный двигатель занимает большой объем. В грузовиках и автобусах это не создает никаких неудобств, но в легковых автомобилях уменьшается объем багажного отделения.

Водородный двигатель – это не фантастика. Например, Honda, Toyota и Hyndai наладили линию по производству автомобилей с двигателями на базе водорода и плотно оккупировали рынок: Toyota Mirai (2015), Honda FCX Clarity (2008), Hyundai ix35 Fuel Cell. В середине декабря прошлого года Audi объявило о своем решении выпустить новый концепт на водороде – Q6 H-Tron.

Несмотря на все недостатки, водород – это единственный возобновляемый и неограниченный ресурс на планете.

Для того чтобы автомобили с таким ДВС получили широкое распространение, ученым и разработчикам надо будет решить, как устранить негативные характеристики и уменьшить стоимость механизма, а государствам наладить инфраструктуру, чтобы машины на водороде перестали быть редкостью на дорогах.

Водородный двигатель; устройство, принцип работы, перспективы

После исчерпывания природных запасов нефти, людям придется полностью положиться на альтернативные виды получения энергии. Водородный двигатель, как замена ДВС, работающих на черном золоте, является одной из перспектив будущих десятилетий.

Силовые установки такого типа имеют больший КПД и меньшую степень токсичности выхлопных газов. Впрочем, главное преимущество моторов, работающих на водороде, – неограниченный запас сырья для производства топлива. Вода, именно она может стать основой топлива будущего.

Интерес к использованию водорода появился еще во время топливного кризиса 70-х годов, но первый водородный двигатель был изобретен только в начале XIX столетия. Действительное применение технология получила во время блокады Ленинграда, когда водородом заправляли лебедки аэростатов, транспорт.

Несмотря на очевидные преимущества, знания способов получения водорода и его использования для работы двигателя внутреннего сгорания, существует несколько значительных «но», замедляющих внедрение этой прогрессивной технологии.

• после сгорания остается только водяной пар;
• реакция происходит намного быстрей, чем в случаи с бензином либо дизелем;
• детонационная устойчивость позволяет повысить степень сжатия;
• благодаря своей летучести, водород способен проникать в самые малые полости, зазоры между деталями (лишь особые сплавы повышенной прочности способны переносить разрушительное воздействия водорода на структуру металла);
• теплоотдача сгорания водорода в 2,5 раза больше, чем у бензиновой смеси;
• широкий диапазон реакции. Минимальная пропорция водорода, достаточная для реакции с кислородом, составляет всего 4%. Такая особенность позволяет настраивать режимы работы двигателя, дозируя консистенцию смеси;
• хранение водорода осуществляется в сжатом или жидком агрегатном состоянии. При пробое бака, газ под давлением испаряется.

Ввиду перечисленных выше особенностей, использования водорода, как чистого топлива для ДВС, невозможно без внедрения изменений конструкции силового агрегата, а также навесного оборудования.

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным.

Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ.

При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха.

После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О.

Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.

На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

[attention type=green]

Благодаря большому интересу к использованию водорода в качестве топлива для ДВС, гидродвигатели внутреннего сгорания имеют различные модификации и типы исполнения.

[/attention]

Схема устройства гибридного водородного двигателя

Мотор, разработанный В.С. Кащеевым, имеет иное устройство. Помимо впускного клапана (6) для подачи воздуха, выпускного для вывода выхлопных газов (7), ГБЦ имеет отдельный клапан для подачи водорода (9) и свечу зажигания (10), которые находятся в предкамере (8). Последняя расположена в ГБЦ выше уровня поршня в положении НМТ.

После преодоления поршнем НМТ в камеру сгорания подается и воспламеняется водород (предварительно поршень затягивает воздух через впускные клапаны). В это же самое время открываются выпускные клапаны.

Из-за разницы атмосферного давления, отработанные газы устремляются в выпускной коллектор, создавая за собой вакуум, который перемещает поршень к ВМТ и за счет импульса обратно в крайнее нижнее положение.

Как видим, принцип немного отличается, но суть остается неизменной.

Технология гибридных силовых установок – это промежуточная ступень между началом использования водорода в качестве топлива и полным отказом от использования нефтепродуктов. Автомобили с моторами такого типа могут передвигаться как на бензине, так и на водороде.

Еще более широкого распространения получило применение водорода в качестве компонента топливно-воздушной смеси. Для работы ДВС используется обычное топливо и небольшая часть гремучего газа. Это позволяет повысить степень сжатия, и уменьшить токсичность выхлопных газов.

Одним из возможных путей развития двигателей на водороде является применение силовых установок с топливными элементами. Во время химической реакции водорода и кислорода выделяется энергия, которая используется для питания электродвигателей автомобиля.

Трудности эксплуатации водородных ДВС

Главное препятствие на пути внедрения технологии – это стоимость получения водорода (Н2), а также комплектующих для его хранения и транспортировки. К примеру, для сохранения сжиженного состояния нужно поддерживать стабильную температуру -253º С. Наиболее доступный способ получения Н2 – это электролиз воды.

Промышленное снабжение водородом требует больших энергетических затрат. Рентабельным этот процесс сможет сделать ядерная энергетика, которой также пытаются найти рациональную альтернативу. Транспортировка и хранение газа требуют использования дорогостоящих материалов и высококачественных механизмов.

К другим недостаткам водородного топлива можно отнести:

• взрывоопасность. В замкнутом пространстве достаточная для реакции концентрация гремучего газа может спровоцировать взрыв. Усугубить ситуацию способна высокая температура воздуха. Из-за высокой степени диффузности водорода существует риск попадания Н2 в выхлопной коллектор, где реакция с горячими выхлопными газами приведет к возгоранию смеси. Роторный двигатель, ввиду особенностей компоновки, является более предпочтительным для водородного автомобиля;
• для хранения водорода требуется емкость большого объема, а также специальные системы, препятствующие улетучиванию Н2 и обеспечивающие защиту от механических деформаций. Если для автобусов, грузовиков либо водного транспорта такая особенность не играет большой роли, то легковые автомобили теряют ценные кубометры багажного отделения;
• в режимах высокотемпературных нагрузок водород способен провоцировать разрушительное воздействие на детали цилиндропоршневой группы и моторное масло. Применение соответствующих сплавов и смазочных материалов ведет к удорожанию производства и эксплуатации двигателей, работающих на водороде.

Перспективы развития

Автомобилестроение – далеко не единственная область, где могут применяться водородные двигатели. Водный, железнодорожный транспорт, авиация, а также различная вспомогательная спецтехника могут использовать силовые установки подобного типа.

Интерес к внедрению технологии водородных двигателей проявляют как дочерние предприятия, так и крупные автоконцерны (BMW, Volskwagen, Toyota, GM, Daimler AG и прочие).

Уже сейчас на дорогах можно встретить не только опытные образцы, но и полноценные представители модельного ряда, приводимые в движение с помощью водорода. BMW 750i Hydrogen, Honda FSX, Toyota Mirai и многие другие модели отлично зарекомендовали себя во время дорожных испытаний.

К сожалению, высокая стоимость водорода, отсутствие инфраструктуры заправочных станций, а также достаточного количества квалифицированных сотрудников, оборудования для ремонта и обслуживания не позволяют запустить такие автомобили в массовое производство.

[attention type=yellow]

Оптимизация всего цикла использования гремучего газа являются первоначальной задачей области развития водородной энергетики.

[/attention]

Водород в автомобилях: Опасности и сложности использования

Начало 21-го века, как и начало XX века, это время перемен. Вновь перед населением Земли замаячила технологическая революция и вновь главное место в ней занимают автомобили.

Как и сто лет назад быстрыми темпами начали развиваться альтернативные виды транспорта, не связанные с привычными нам двигателями внутреннего сгорания.

Все чаще можно видеть на дорогах гибриды которые приводятся в движение электродвигателем и ДВС, в развитых странах входят в обиход электрокары и совсем недавно, каких-то 7-10 лет назад, ученные и инженеры пророчили большое будущее автомобилям с ДВС, работающим на самом распространенном элементе во вселенной- водороде. Все это человечество проходило в начале прошлого столетия. А потому, вновь подтверждает свою актуальность распространенное изречение: «Все новое- это хорошо забытое старое».

Сейчас Планета переживает новый кризис, нефтяной. Только связан он не с дефицитом черного золота, ставшего на 100 лет локомотивом развития человечества, а с перенасыщенностью данного вида товара на рынке.

Это, быть может и есть тот первый сигнал, говорящий о том, что «нефтяной век» подходит к концу. Как говориться, каменный век закончился не потому, что закончились камни.

Поэтому так важно развивать запасной план на случай если…

21 век, в автомобильном мире, будет веком распространения технологий будущего. Но не всем новым технологиям суждено выиграть в естественном отборе.

И так, менее десяти лет назад единственной реальной альтернативой ископаемым видам топлива был водород. Прошли годы, а никаких серьезных подвижек в этом направлении сделано не было.

Наоборот, аутсайдер того времени- электрокар, из пешек перешел в дамки, с появлением Tesla и разработкой ими очень надежных и прогрессивных аккумуляторов всем стало ясно- электрические автомобили- это всерьез и надолго.

Почему так получилось? Ведь водородный ДВС был практически идеальным способом приводить в движение автомобиль.

Он не требовал больших вложений в разработку нового агрегата (водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания).

По данным статистики, в случае использования водородного топлива мощность мотора упадет до 82-65%, по сравнению с обычным бензиновым мотором. Но внеся небольшие изменения в систему зажигания- мощность того же двигателя увеличится до 118%.

Первый плюс ДВС работающего на водороде- необходимы минимальные изменения в конструкцию для того чтобы мотор перевести на новый вид топлива

[attention type=red]

Экологичность такого вида топлива также не поддается сомнениям. Последняя серийная разработка японской автомобилестроительной корпорации Toyota доказала, что «выхлоп» водородного автомобиля можно… пить.

[/attention]

Это продемонстрировал один зарубежный автожурналист. Сделав несколько глотков воды из выхлопной трубы Toyota Mirai, он сказал, что на вкус вода вполне себе даже ничего, дистиллированная, без примесей.

Значит второй плюс- экологичность. Никакого загрязнения окружающей среды вредными выбросами. Сведение к минимуму парниковых газов и спасение нашей прекрасной Планеты. Вот к чему может привести использование этого топлива.

Следующий фактор о водородных двигателях (его можно косвенно считать таковым). Исторически так сложилось, что водородом заправляли пионеров среди ДВС. Первый водородный двигатель был построен французским конструктором, Франсуа Исаак де Ривазом аж в 1806 году.

Не забудем и героические времена истории нашей страны. В блокадном Ленинграде на водород было переведено более 500 автомобилей. И они без особых проблем несли свою непростую службу.

Получается, что водород для сжигания в ДВС используют уже достаточно давно. Значит, и проблем в создании современного автомобиля не должно быть.

Четвертый фактор говорящий за целесообразность использования вещества с формулой H2- его колоссальная распространенность. H2 можно получать даже из отходов и сточных вод.

Часто встречающиеся вещества дешево стоят. Значит и водородное топливо не должно быть дорогим.

Пятый фактор. Водород может использоваться не только в ДВС. Технологии также позволяют его применять в так называемом топливном элементе.

Топливный элемент отделяет один электрон в атоме водорода от одного протона и использует электроны для получения электрического тока. Это электричество способно питать двигатель в электрокаре.

В топливных элементах также не используется ископаемое топливо, они не загрязняют среду.

И главное- они безопасны, водород не может самопроизвольно испарится из них, казалось бы, идеальный преемник двигателя внутреннего сгорания в качестве источника энергии для автомобилей 21-го века.

Использование водорода может происходить в различных силовых установках, делая его гибким к развитию технологий. Разрабатываемые современные водородные автомобили в основном используют данную схему, как наиболее безопасную и продуктивную.

Немало плюсов, неправда ли? И они очень весомые. Но почему тогда до сих пор мы не видим миллионы водородных самодвижущихся экипажей вокруг нас? На то есть свои причины, и они также очень важны.

Десять самых странных источников энергии для автомобильных двигателей

Давайте рассмотрим некоторые из них, в том числе серьезные опасности, которые могут быть связаны с водородной энергетикой

Минус номер один. Да, водород самый распространенный элемент во всей Вселенной, однако на Земле в чистом виде газообразный водород найти практически невозможно. Этот газ необычайно легок. Поэтому в чистом виде он быстро поднимается к верхним слоям атмосферы и уходит дальше в безвоздушное пространство.

В подавляющем количестве случаев атомы водорода связаны с другими типами атомов в разнообразные молекулы, которые образуют различные вещества. Например, H2O, более известная как вода или СН4, также известный как метан, оба содержат молекулы водорода.

Истинные радиационные опасности в нашей окружающей среде

Поэтому, прежде чем он может быть использован в качестве топлива, водород сначала должен быть извлечен из этих веществ, а затем переведен в особое состояние, как правило, в сжиженный вид.

На все эти действия требуются очень большие затраты энергии, а значит и средств. К примеру, для извлечения H2 из воды с помощью электролиза требуется большое количество электроэнергии, что на данный момент просто не рентабельно. По разным подсчетам стоимость литра сжиженного водорода составляет примерно от $2 до 8 Евро в зависимости от способа его добычи.

[attention type=green]

Следующим звеном в цепочке- идет отсутствие развитой сети водородных заправок. Стоимость оборудования для таких заправочных станций в разы выше, чем у обычной АЗС. Существует различные проекты для водородозаправляющих станций, от классических АЗС, до частных минизаправок. При сегодняшнем развитии смежных технологий, все эти проекты чрезвычайно дороги и относительно опасны.

[/attention]

Развитие сети водородных заправок дело будущих десятилетий. Именно столько должно пройти времени, когда стоимость их постройки будет целесообразна.

Существуют ли опасности, связанные с наличием большого количества чистого водорода в одном месте? Безусловно да. Когда жидкий водород хранится в резервуарах, это безопасно, но стоит ему просочится в окружающую среду, как он превращается в гремучую смесь (гремучий газ).

Водородный автомобиль BMW: Прототип

В плюсах мы отметили, что водородом можно заправлять автомобили с обычным двигателем внутреннего сгорания (в домашних условиях не повторять! ОПАСНО!!!), однако обычный двигатель проработает на чистом водороде не долго. Он быстро сломается.

При сгорании водородной смеси выделяется больше тепла, чем при сгорании бензина, это может привести к перегреву клапанов и поршней при работе двигателя под высокими нагрузками.

Помимо этого под воздействием высоких температур, H2 может влиять на смазки и материалы из которых сделан двигатель, что приведет к повышенному износу рабочих частей мотора.

Отсюда неутешительный вывод, без очень дорогостоящей модернизации ДВС, которая должна приспособить мотор к работе на этом виде топлива, использование водорода не приведет к ожидаемому результату.

А пока построенные объекты для заправки автомобилей водородом скорее используются в качестве рекламного хода и демонстрации возможностей будущего.

Топливные ячейки. Эти безопасные элементы также не избежали тернистого пути проб и ошибок. Как и с заправочными станциями и двигателями ДВС, все упирается в стоимость применяемых технологий.

Приведем пример, в качестве катализатора в топливных элементах используется платина. Представляете стоимость этой детали?!

Некоторые технологии настолько дороги, что проще жене купить платиновое кольцо с бриллиантом, чем заменить сломавшуюся деталь в водородном автомобиле.

Хорошая новость в этом дорогом деле заключается в том, что ученные непрерывно ищут замену драгоценному металлу. Разрабатываются новые технологии, тестирования проходят современные материалы. В итоге топливные элементы будущего могут снизить себестоимость в 1000 раз и более.

И наконец, возглавляет наш список минусов водородных технологий- смертельные опасности, связанные с жидким и газообразным водородом

Возглавляет список проблем возгорания водорода. В присутствии окислителя – кислорода, водород может загореться, иногда возгорание происходит в виде взрыва. Согласно исследованиям, для воспламенения водорода, достаточно одной 10-й части энергии, требуемой для воспламенения бензина. Проще говоря, достаточно искры статического электричества для того, чтобы гремучий газ вспыхнул.

Еще одна проблема состоит в том, что пламя водорода почти невидимо. При возгорании водорода пламя настолько тускло, что с ним не так-то просто бороться.

[attention type=yellow]

Еще одно летальное свойство водорода- он может привести к удушью. H2 не ядовит, но если вы будете дышать чистым водородом можно задохнуться просто потому, что вы будете лишены кислорода. Хуже того, невозможно распознать, что концентрация водорода в воздухе высока, потому что он невидим и не имеет запаха- так же, как и кислород.

[/attention]

И наконец, как и любой сжиженный газ- водород имеет очень низкую температуру. При утечке из бака и непосредственным контактом с открытыми участками тела человека он приведет к серьезному обморожению.

Действительно водород насколько опасен?

Наверное, после прочитанного вы в шоке от того как опасен водород. И наверное никогда не захотите купить себе водородный автомобиль. Если в будущем появится такая возможность.

На самом деле не все так плохо. Поскольку газообразный водород чрезвычайно легок, при утечке он быстро рассеется в атмосфере. Тогда и гремучей смеси не получится, и опасность взрыва будет сведена к минимуму.

Что касается опасности удушья – такая проблема может быть только в замкнутом пространстве, например, в гараже. Если утечка водорода происходит на открытом воздухе, его концентрация будет небольшой и не опасной для жизни.