Водяной двигатель устройство и принцип работы

Shutterstock

Автомобили с водородными двигателями называют главными конкурентами электрокаров. Но у технологии пока что немало минусов, и, например, основатель Tesla Илон Маск называет ее «тупой и бесполезной». Прав он или нет?

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Toyota Mirai 2016 года выпуска

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

Схема работы водородного двигателя

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

• В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
• В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
• В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
• В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
• На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
• Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
• В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
• В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

• Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
• Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
• Бесшумная работа двигателя;
• Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
• Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

• Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
• Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
• Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
• Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется.

Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений.

Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло.

В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки.

Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам.

Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара.

Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега.

Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд.

Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается.

Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Водородный двигатель принцип работы

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.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

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.

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. 

Устройство водородного двигателя

Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:

• Машины с 2-мя энергоносителями. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. КПД двигателя такого типа достигает 90-95 процентов. Для сравнения дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
• Автомобиль со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства. Сегодня удалось создать моторы, имеющие КПД от 75% и более.
• Обычные транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД еще на 20%.

Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения.

Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

Принцип работы

Принцип работы водородных двигателей стоит рассмотреть применительно к двум видам таких установок:

1. Моторы внутреннего сгорания;
2. Двигатели на водородных элементах.

Водородные моторы внутреннего сгорания

В ДВС из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки.

В водородном двигателе, благодаря мгновенному воспламенению газа, удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4-х атмосфер).

В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется.

После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.

Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер — устройство, обеспечивающее отделение водорода от h3O для последующей реакции с O2.

Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло.

Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.

Двигатели на водородных элементах

Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента имеет мембрану (проводит только протоны) и электродную камеру (в ней находится катод и анод).

В анодную секцию подается h3, а в катодную камеру — O2. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина).

Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода.

Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.

Водородные топливные элементы

Водородный топливный элемент, с конструктивной точки зрения, является своеобразной аккумуляторной «батарейкой» с высокими показателями коэффициента полезного действия (порядка 50%). Внутри корпуса протекают физико-химических процессы с участием специальной мембраны, отвечающей за проведение протонов. Посредством такого мембранного элемента происходит деление корпуса на пару частей – резервуар с анодом и камеру с катодом.

Камера с анодом заполняется водородом, а в катодную часть поступает атмосферный кислород. В качестве покрытия электродов используются дорогостоящие редкоземельные металлы, включая платину.

Особенности поверхности обеспечивают взаимодействие с водородными молекулами, в результате чего происходит потеря электронов. Одномоментно с этим процессом выполняется прохождение протонов сквозь мембрану к катоду.

Благодаря такому воздействию катализатора протоны соединяются с поступившими извне электронами.

Результат произошедшей реакции – образование воды и поступление электронов из анодной камеры в электрическую цепь, подключённую к силовому агрегату.

Таким образом, двигатель приводится в движение водородным топливным элементом и может проработать порядка 200-250 км.

Тормозит применение такой технологии и серийный выпуск автомобилей с водородными двигателями необходимость использовать в конструкции элементов платину, палладий и другие дорогостоящие металлы.

Принцип работы

Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования. При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы. Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н2О.

Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом.

Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним.

Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.

Особенности гибридных конструкций

Характеристики, которыми обладает водородное топливо, активно использовались многими конструкторами с целью создания уникального гидродвигателя внутреннего сгорания. Например, разработанный В.С. Кащеевым метод – это принципиально иная установка, имеющая не только традиционный подающий воздух впускной клапан и выпускное устройство отвода выхлопных газов, но и отдельный клапанный механизм подачи водорода, а также свечу зажигания в головке блоков цилиндров.

Несмотря на некоторые принципиальные отличия, механизм работы остаётся неизменным, поэтому любые гибридные силовые агрегаты принято считать переходной стадией от применения дизеля и бензина к использованию водородного топлива.

Благодаря высоким показателям КПД, лёгкое химическое вещество вводится в состав топливно-воздушных смесей, что значительно повышает степень сжатия, а также снижает токсичность выхлопов.

Кроме этого, взаимодействие кислорода с водородом сопровождается выделением достаточного количества энергии, которая нужна автомобильным электродвигателям.

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.

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.

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

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.

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

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.

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.

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.

Водородный двигатель

Водородный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива используется водород.

 

История водородных двигателей

Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.

Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.

Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе – смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.

Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.

По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.

Наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW и другие.

                                          

Типы и принцип работы водородных двигателей

Современные силовые установки подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде.

 

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.

В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами — анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор.

Действующими образцами автомобиля с силовой установкой на основе топливных элементов являются «Нива» с энергоустановкой «Антэл-1» и «Лада 111» с «Антел-2», разработанные уральскими инженерами. На одной подзарядке первая машина может преодолеть 200 км, вторая — 350 км.

 

Водородные двигатели внутреннего сгорания

При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом.

ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия. 

Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.

Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов.

                                                                    

Проблемы и задачи развития водородных двигателей

Для массового перехода на водород в качестве топлива существует целый ряд технологических и экологических препятствий.

Производство водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем производство бензина.  

Да и сам процесс получения водорода из воды пока еще обходится слишком дорого. Поэтому основной его объем в настоящее время производится из метана.  С большими затратами связана его транспортировка и хранение.

В случае массового внедрения таких силовых установок, резко увеличится количество водорода в атмосфере, что может привести к разрушению озонового слоя Земли, так как водородные двигатели выделяют значительно больше оксидов азота, чем бензиновые.

Уровень коммерческой окупаемости таких силовых установок просматривается лишь в отдаленной перспективе.

Однако точно такие же проблемы в свое время возникали в период развития бензиновых, электрических и газовых двигателей. Остается надеяться, что через 15-20 лет ситуация измениться, и появление водородного автомобиля на дорогах станет обычным делом.

Двигатель внутреннего сгорания на водороде

05.02.2019 Автомобилист Двигатели Оставить комментарий

Одним из альтернативных моторов двигателям внутреннего сгорания, работающим на бензине и дизельном топливе является водородный двигатель. Пока есть топливо из «черного золота», альтернативные ДВС массово не усовершенствуются, но они являются перспективным вариантом на будущее.

Содержание статьи:

1. Устройство водородного двигателя.
2. Водород как топливо.
3. Устройство и принцип работы.
4. Модификации — гибриды.
5. Эксплуатация водородного мотора.
6. Вывод.
7. Видео.

 

Водородный двигатель

Водородный транспорт — это такое транспортное средство, которое имеет в своей конструкции силовой агрегат, работающий на топливе водорода. Такие ТС могу быть или с ДВС, или с газотурбинным приводом, или водородными элементами.

Вопрос: можно ли использовать водород в обычном ДВС? Ответ: если доработать некоторые элементы, то да.

Но, при использовании в качестве топлива водород, вместо бензина, мощность мотора снизится до 65-82%. А, если немного доработать такой агрегат, например, изменить систему зажигания, то мощность возрастет до 117%. Обычные бензиновые ДВС без доработок плохо пригодны для работы на водороде, потому что, водород очень летуч, он может попадать в коллектор и там воспламеняться. Поэтому, наиболее подходящий мотор для работы на водороде — это роторный. В роторном двигателе расстояние между впускным и выпускным коллектором больше.

 

Плюсы и минусы водородного топлива

Работа агрегата на таком виде топлива имеет свои преимущества и недостатки.

К плюсам относятся:

• продуктом сгорания водорода является водяной пар, то есть нет загрязнения окружающей среде;
• из-за своих свойств, водород вступает в реакцию быстрее, чем бензин и солярка;
• из-за повышенной детонационной устойчивости можно увеличить степень сжатия в цилиндрах по сравнению с обычными ДВС;
• при сгорании водорода теплоотдача в 2,5 раза выше, чем при сгорании бензиново-воздушной смеси;
• довольно широкий диапазон вступления в реакцию. Чтобы водород (Н2) и кислород (О2) вступили в реакцию, достаточного всего лишь 4% водорода в этой смеси. Благодаря быстрой скорости взаимодействия этих веществ, можно настраивать режимы работы мотора, изменяя количество подачи вещества в цилиндр.

 

Минусы:

• как уже отмечалось выше, водород — это очень летучее вещество, поэтому он проникает в микрощели, зазоры между соприкасающимися деталями;
• сплавы обычного ДВС подвергаются разрушению, поэтому для увеличения износостойкости при контактировании с водородом, требуется использовать детали из сплавов повышенной прочности;
• водород разрушает обычное моторное масло, поэтому ресурс двигателя при использовании такого смазывающего вещества, не большой;
• требуется хранить водород в сжатом или жидком агрегатном состоянии. Если открыть крышку топливного бака, водород улетучится;
• взрывоопасность.

Именно по этим характеристикам водорода обычный дизельный или бензиновый ДВС не пригоден для работы на водороде.

 

Устройство и принцип работы

Главным отличием водородного двигателя от бензинового или дизельного в подаче топлива в агрегат и в способе возгорания смеси (водород+кислород).

Работа кривошипно-шатунного механизма (КШМ) такой же, как в обычном ДВС, но скорость движения и впрыска топлива отличается. Это связано с тем, что бензиновая или дизельная смесь воспламеняется дольше, поэтому горючая смесь подается в камеру сгорания намного раньше, чем поршень начнет подниматься в верхнюю мертвую точку (ВМТ). В то время как, водород должен подаваться в камеру сгорания когда поршень уже начинает движение в нижнюю мертвую точку (НМТ). Повышенного давления в топливной системе не требуется, достаточно давление в 4 атмосфер (0,4 МПа).

 

Модификации — гибриды

Схема водородного двигателя

Рассмотрим мотор, который сконструировал В.С. Кащеев.

По его разработки, двигатель кроме впускного клапана (6), через который подается воздух и выпускного клапана (7) для вывода выхлопных газов, в головке блока цилиндров (ГБЦ) есть специальный клапан для подачи водорода (9) и свечи зажигания (10), которые расположены в предкамере (8). Последняя располагается выше уровня поршня, когда он находится в нижней мертвой точке.

После того, как поршень достигнет НМТ (в камеру сгорания уже затянулся воздух через впускные клапана), подается водород и происходит воспламенение смеси. В это время уже открываются выпускные клапана. Так как разница давления в камере сгорания и за клапанами большая, при открытии выпускных клапанов, отработанные газы улетают и образуется вакуум и поршень притягивается в ВМТ и за счет импульса (обратно действующая сила) поршень перемещается обратно в НМТ.

Гибридный двигатель — это промежуточное звено между топливным мотором, работающем на продуктах нефти и на чистом водороде. Гибридные автомобили могут эксплуатироваться как на бензине/дизеле, так и на водороде.

 

Модифицированная топливная система

За основу берется обычный бензиновый двигатель. Топливо остается то же — бензин. Но, через впускной клапан подается воздух с водородом. Топливно-воздушная смесь такого состава повышает увеличить степень сжатия и уменьшить токсичность выхлопных вредных веществ.

 

Трудности использования ДВС на водороде

Получение водородного топлива (Н2) — это трудоемкий процесс. К тому же, перевозка и хранение такого топлива также стоит дорого.

Чтобы хранить водород в жидком состоянии, в емкости должна поддерживаться постоянная очень низкая температура -253 С. Сам по себе процесс получения воды несложный, проводя электролиз воды, получается чистый водород.

 

Вывод

Еще не скоро обновится мировой парк машин и поэтому, такие новинки будут еще много раз модифицироваться, улучшаться пока их стоимость и эксплуатация не станут доступны основному населению стран.

Водородные двигатели на свои модели устанавливали такие марки:

1. БМВ — BMW 750i Hydrogen.
2. Фольксваген.
3. Тойота — Toyota Mirai.
4. Дженерал Моторс.
5. Даймлер.
6. Хонда — Honda FSX.
7. Мазда и другие.

 

Видео

Ответ по изобретению экспериментальному варианту водородного двигателя.

Hydrogen engine.

Автор публикации

Создание и будущее водородного двигателя

После нескольких лет обещаний, что водород — это чистое топливо будущего, только для того, чтобы ничего не произошло, теперь кажется, что будущее, наконец, может быть почти на нас.

Производители автомобилей, в том числе Mazda и Toyota, в настоящее время разрабатывают водородные двигатели для своих автомобилей, и эти двигатели однажды могут заменить не только технологию водородных топливных элементов и традиционные двигатели внутреннего сгорания, но, возможно, даже электромобили (EV).

Однако, в то время как рынок электромобилей стремительно развивается, использование технологии водородных двигателей в коммерческих транспортных средствах все еще находится на начальной стадии, и возможность использования газообразного водорода в качестве полезной и практической альтернативы еще предстоит доказать.

Что такое водородный двигатель?

Источник: Тим Моссхолдер/Unsplash

Водородный двигатель — это усовершенствованная версия традиционных двигателей внутреннего сгорания, в которой вместо бензина в качестве топлива используется жидкий водород. Автомобиль, работающий на водородных двигателях, называется транспортным средством с водородным двигателем внутреннего сгорания (HICEV). Они отличаются от электрифицированных транспортных средств на водородных топливных элементах (FCEV), таких как Toyota Mirai или Hyundai Tucson, в которых используется топливный элемент, в котором водород химически реагирует с кислородом в воздухе для выработки электроэнергии, питающей электродвигатель.

Водородные двигатели вырабатывают энергию за счет сжигания водорода и используют системы подачи и впрыска топлива, которые представляют собой модифицированные версии тех, что используются в бензиновых двигателях. За исключением сгорания небольшого количества моторного масла, что также имеет место в бензиновых двигателях, водородные двигатели не выделяют CO2 при использовании.

Источник: onurdongel/iStock

Водородные двигатели выбрасывают в основном воду или водяной пар в качестве побочного продукта, но процесс производства водородного топлива может вызывать выбросы парниковых газов. Однако одно исследование показало, что даже если водород извлекается самым неэффективным способом, он, вероятно, сократит выбросы CO2 более чем на 30% по сравнению с бензином.

Разница между HICEV и FCEV

Основное различие между HICEV и FCEV заключается в способе использования водорода в этих транспортных средствах. Первый включает в себя сжигание водорода, а второй выполняет электрохимическую реакцию и использует жидкий водород для выработки энергии для своего электродвигателя.

Источник: Global Market Insights

Технология водородных двигателей внутреннего сгорания (HICE) все еще находится на ранней стадии разработки. Между тем, мировой рынок электромобилей на топливных элементах уже перешагнул отметку в 1 миллиард долларов США, и ожидается, что в ближайшие годы он будет демонстрировать ежегодный рост примерно на 38%.

Происхождение и эволюция водородного двигателя

Источник: Sam Loyd/Unsplash

В 1806 году Франсуа Исаак де Рива создал экспериментальный двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива использовалась смесь водорода и кислорода. Двигатель De Rivaz считается первым в мире двигателем, работающим на водороде.

Двигатель Де Риваза Источник: Mobility Head

Вскоре после этого, в 1820 году, преподобный У. Сесил написал статью для Кембриджского философского общества под названием 9.0010 «О применении газообразного водорода для получения движущей силы в машинах».  В этом документе описывается двигатель, работающий на вакуумном принципе, в котором вакуум создается за счет сжигания газообразного водорода.

Примерно 150 лет спустя Пол Дигес запатентовал модификацию двигателя внутреннего сгорания, которая могла работать как на бензине, так и на водороде. Конечно, к тому времени автомобили, работающие на бензине, были нормой, и немногие производители видели необходимость в разработке транспортных средств, работающих на водороде.

Самые популярные

В последующие годы стали широко признаваться вредные последствия использования ископаемого топлива для увеличения загрязнения воздуха, здоровья, глобального потепления, кислотных дождей и других областей в транспортных средствах и промышленности, а также их воздействие. . Ученые, активисты, лидеры и исследователи начали выражать обеспокоенность по поводу увеличения выбросов CO2 и экологических рисков, связанных с добычей и использованием ископаемого топлива.

Растущие экологические проблемы и спрос на экологически чистые альтернативы энергии заставили многие автомобильные компании сосредоточиться сначала на разработке топлива с низким содержанием свинца, а затем на водороде и электромобилях.

В начале 2000-х японский автопроизводитель Mazda начал устанавливать двигатели Ванкеля на свою модель RX-8. Двигатель Ванкеля — это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором используется эксцентриковая роторная конструкция для преобразования давления во вращательное движение. При заданной мощности они более компактны и весят меньше, чем двигатель внутреннего сгорания. Их также можно легко преобразовать для работы на водороде.

Совсем недавно они обновили конструкцию, разработав водородный роторный двигатель RENESIS, в котором используется инжектор газообразного водорода с электронным управлением и который может быть адаптирован для работы в качестве гибрида бензин-водород.

BMW Hydrogen 7 Источник: More Cars/Wikimedia Commons

Работа по разработке эффективного водородного двигателя на этом не остановилась. Примерно в 2006 году BMW разработала двухтопливный водородно-бензиновый двигатель внутреннего сгорания для своего ограниченного производства Hydrogen 7, который был разработан, чтобы продемонстрировать, что водород может работать в качестве топлива. Во время испытаний автомобиль смог развить скорость 187 миль в час (301 км/ч), и компания также заявила, что их водородный автомобиль достиг нулевого уровня выбросов CO2.

Тем не менее, претензии BMW были позже отклонены Агентством по охране окружающей среды США (EPA), которое указало, что автомобиль по-прежнему выделяет углерод в результате испарения моторного масла. Кроме того, эффективность автомобиля при работе на водороде была чрезвычайно низкой, возвращая в среднем около 5,6 миль на галлон (50 л/100 км). В основном это было связано с разницей в плотности энергии между бензином и водородом.

Преимущества водородного двигателя

Источник: NASA/Unsplash

Существуют различные важные причины, по которым некоторые считают водородные двигатели будущим автомобильной промышленности, и почему производители транспортных средств тратят миллионы долларов на создание эффективных гидродвигателей.

Энергетические эксперты и компании считают, что водород может служить бесконечным и относительно низкоуглеродным источником энергии. Это также может представлять собой жизнеспособную альтернативу использованию тяжелых металлов в батареях, которые наносят ущерб окружающей среде и могут стать очень дорогими в ближайшие годы с ростом электромобилей.

Источник: Global Market Insights

Низкая энергия воспламенения и высокая эффективность

Водородный ДВС имеет низкую энергию воспламенения по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, поскольку при сгорании водорода в этих двигателях используются более низкие температуры пламени и более низкая теплопередача. Это позволяет двигателю работать на очень бедных смесях и при этом быстро сгорать. Кроме того, из-за высокой диффузионной способности (водород смешивается с воздухом быстрее, чем бензин) использование водорода снижает опасность, связанную с возможными утечками.

Безуглеродные выбросы

Считается, что водородные двигатели обеспечивают более широкие возможности повышения энергетической безопасности и сокращения углеродного следа. Это связано с тем, что углеродные соединения не выделяются в качестве побочных продуктов, когда эти автомобили работают на водороде.

Быстрая заправка 

Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, его необходимо хранить в виде сжатого газа, чтобы обеспечить запас хода обычных транспортных средств. Это требует использования резервуаров высокого давления, способных хранить водород с давлением 5000 или 10000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Розничные колонки, которые устанавливаются на автозаправочных станциях, могут заполнить эти баки примерно за 5 минут. Это намного быстрее, чем время, необходимое для перезарядки электромобилей, даже с быстрой зарядкой. Хотя, конечно, электромобили тоже можно заряжать дома, а водородные — нет. Другие технологии хранения находятся в стадии разработки, включая химическое связывание водорода с таким материалом, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы.

Альтернативный источник энергии

Поскольку двигатели внутреннего сгорания могут быть приспособлены для сжигания водорода вместо бензина или в дополнение к нему, ряд стран работают над инициативой по увеличению производства водорода для использования в качестве топлива в самолетах. , корабли и даже для производства электроэнергии. Если водород будет производиться с использованием альтернативной энергии, это может стать рентабельным способом быстрого сокращения использования ископаемого топлива в ряде областей.

Недостатки водородного двигателя

Источник: Tramino/iStock

Несмотря на многочисленные достоинства их использования, водородные двигатели все еще не используются в больших масштабах, и существуют многочисленные сложности, связанные с водородным топливом. Рост эффективных транспортных средств с батарейным питанием и FCEV также привел к потере интереса производителей автомобилей и новаторов к разработке HICE. Помимо этого, существует ряд серьезных проблем, которые необходимо решить, прежде чем это станет практической альтернативой электромобилям.

Дорогая технология

Процесс извлечения водорода является дорогостоящим и энергоемким. Хотя FCEV, работающий на водороде, считается транспортным средством с нулевым уровнем выбросов, извлечение самого водорода не является нулевым уровнем выбросов. В настоящее время большая часть водорода извлекается с помощью парового риформинга, при котором высокотемпературный пар сочетается с природным газом для извлечения водорода.

Водород также можно получать из воды с помощью электролиза. Это более энергоемко, но может быть сделано с использованием возобновляемых источников энергии, что устранит большую часть выбросов. Тем не менее, стоимость производства водорода по-прежнему выше, чем у бензина (или электричества), поэтому потребуется немного снизить его, прежде чем водородные двигатели станут рентабельными в больших масштабах.

Низкая плотность энергии

Водород не такой энергоплотный, как другие виды топлива, а это означает, что вам нужно больше его для выполнения заданного объема работы. Соедините это с присущей поршневым двигателям неэффективностью, и водородные двигатели в целом не дают значительного энергетического преимущества.

Загрязнение окружающей среды

Несмотря на то, что водородные двигатели не выделяют углерод, из-за тепла, выделяемого в камере сгорания, в качестве побочного продукта может образовываться оксид азота. Это соединение вредно для окружающей среды, а это означает, что, хотя водородные двигатели имеют нулевые выбросы углерода, они не являются свободными от выбросов.

Вопросы безопасности

Транспортные средства, работающие на водородных двигателях внутреннего сгорания, оснащены топливными баками с водородом под давлением. Эти резервуары спроектированы так, чтобы быть очень безопасными, но в случае утечки легковоспламеняющаяся природа водорода может нанести серьезный ущерб. Решением может быть установка в транспортном средстве специальных датчиков для обнаружения любых таких утечек, что обходится дорого.

Большой размер и уменьшенная выходная мощность

Для водородных двигателей внутреннего сгорания стехиометрическое соотношение воздух/топливо составляет 34:1. Это означает, что водородный двигатель использует вдвое больше воздуха для полного сгорания.

Однако это также приводит к снижению выходной мощности, и, следовательно, водородный двигатель, как правило, выдает только половину мощности по сравнению с бензиновым двигателем того же размера. Чтобы компенсировать эту потерю мощности, водородные двигатели имеют большие размеры и часто оснащены турбокомпрессором.

Будущее, факты и тенденции, связанные с водородной энергетикой

Чистое производство водорода Источник: Ballard Power

• Audi больше не работает над разработкой HICEV, вместо этого сосредоточившись на электромобилях. Другие автопроизводители, в том числе Toyota, Renault и Hyundai, более оптимистичны в отношении автомобилей на водородном топливе, и ожидается, что они продолжат разработку водородных двигателей. Автомобиль Toyota Mirai HFCV был представлен в 2014 году, и с декабря 2019 года было продано 10 300 автомобилей по всему миру., а южнокорейская Hyundai производит водородный внедорожник Nexo.
• Чтобы ускорить производство водорода, Европейский Союз поставил цель установить электролизеры мощностью 40 гигаватт по всему континенту. Испания уже объявила о плане потратить 10,5 миллиардов долларов (8,9 миллиардов евро) на строительство водородных электролизеров мощностью 4 гигаватт (ГВт). Другие страны, в том числе Дания, строят заводы для увеличения производства водорода путем электролиза на основе электричества. Даже лидер ОПЕК Саудовская Аравия строит завод по производству зеленого водорода.

• Корпорация Microsoft тестирует использование водородных топливных элементов для замены дизельных генераторов в качестве резервного источника питания. Американский стартап ZeroAvia планирует к 2024 году создать самолет на водородном топливе.   
• Израильский производитель двигателей, компания Aquarius Engines, разработала новый водородный двигатель весом 22 фунта (10 кг), в котором используется уникальная система внутреннего газообмена. Компания утверждает, что он является легкой, экономичной и экологически чистой альтернативой традиционному сгоранию. двигатели.

• Азиатский центр возобновляемых источников энергии — это масштабный проект по устойчивой энергетике в Австралии, который в настоящее время находится в стадии реализации. Когда он полностью заработает, планируется вырабатывать более 50 ТВтч электроэнергии за счет солнечной и ветровой энергии. Большая часть этой электроэнергии будет использована для производства аммиака и чистого водорода.
• В настоящее время в США и Великобритании доступны только три автомобиля с водородным двигателем: Honda Clarity, Toyota Mirai и Hyundai Nexo. Однако ожидается, что в ближайшие годы их число вырастет, поскольку во всем мире происходят многообещающие разработки в области водородной энергетики и технологий двигателей.

Несмотря на то, что водородные двигатели по-прежнему сталкиваются с рядом проблем, ожидается, что рынок водорода как зеленого источника энергии будет быстро расти в ближайшие годы, и, по некоторым оценкам, к 2030 году он достигнет 70 миллиардов долларов. По данным Bloomberg New Energy Финансы, в стадии разработки находятся «зеленые» водородные проекты стоимостью более 90 миллиардов долларов. Что бы ни случилось с транспортными средствами HICE, использование возобновляемого водорода в качестве источника энергии будет продолжать расти.

More Stories

Наука
Полностью гражданский экипаж Топора-1 находится на борту МКС

Лукия Пападопулос| 10.04.2022

инновации
Космический цемент здесь: как его можно использовать для строительства домов на Марсе и Луне

Дина Тереза| 16.09.2022

здоровье
Исследователи нашли новый метод лечения ран и кожных инфекций

Баба Тамим| 14. 08.2022

принцип действия и устройство

Главная / Двигатель

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой являются токсичные выхлопы, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Ситуация не сильно изменилась после перевода автомобиля на газ, так как это тоже не решает всех задач.

С учетом этих особенностей постоянно разрабатываются альтернативные варианты. Сегодня настоящим конкурентом является электродвигатель. В то же время относительно небольшой ход, высокая стоимость аккумуляторов и в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин, естественно, сдерживает их популяризацию.

По этой причине автопроизводители постоянно работают над тем, чтобы получить «безвредный» для окружающей среды и относительно дешевый в производстве силовой агрегат, которому не потребуется дорогое топливо.

Среди таких двигателей отдельно следует выделить водородный в законе, который вполне может заменить существующий дизельный или бензиновый двигатель, причем в обозримой перспективе. Давайте посмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем его особенности.

Читать в этой статье

История создания водородного двигателя

Начнем с того, что идеи построить водородный двигатель появились в 1806 году. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, получивший водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как возник ряд вопросов, касающихся экологии и токсичности выхлопа.

Иными словами, попытки запуска ДВС на водороде предпринимались не для защиты окружающей среды, а с целью банального использования водорода в качестве топлива. Через несколько десятилетий (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, успешно работавший на смеси воздуха и водорода.

В годы Великой Отечественной войны, когда возникли трудности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелищ, выходец из Украины, заложил основы российской водородной энергетики. Он же предложил использовать в качестве топлива для ОИ смесь водорода и воздуха, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате на водороде работало около полусотни двигателей.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире. Потом о двигателе вспомнили только тогда, когда случился топливный кризис в 70-х годах 20 века. В итоге БМВ в 1979 построил автомобиль, в двигателе которого в качестве основного топлива использовался водород. Установка работала относительно стабильно, взрывов и выбросов водяного пара не было.

Другие автопроизводители также начали работу в этом направлении, в результате чего к концу 20 века появилось не только множество прототипов, но и достаточно успешно работающих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после окончания топливного кризиса работы по водородным ТЭ также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже из-за серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете стремительно сокращаются и цены на нефтепродукты закономерно растут.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород вполне доступной альтернативой. Сегодня GM, BMW, Honda, Ford Corporation и т. д.

Работа двигателя на водороде: Особенности работы на водороде ICA

Начнем с того, что ДВС на водороде по своей конструкции мало чем отличается от обычного ОН. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-соединительный механизм преобразования возвратно-поступательного движения в рабочее.

Единственное в цилиндрах горит не бензин, газ или , а смесь воздуха и водорода. Также необходимо учитывать тот факт, что способ подачи водородного топлива, смесеобразования и воспламенения также несколько отличается по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

Прежде всего, сжигание водорода по сравнению с мазутным топливом отличается тем, что водород сгорает значительно быстрее. В обычном двигателе смесь бензина или дизельного топлива с воздухом заполняет камеру сгорания, когда поршень почти поднялся до НМТ (верхней мертвой точки), затем топливо идет на топливо и после этого газы ставятся на поршень.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет перемещать наполнение цилиндра в то время, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после протекания реакции в результате вместо ядовитых выхлопных газов получается обычная вода. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко настроить под водородное топливо за счет усовершенствования системы впуска, выпуска и питания, но это не так.

Первая проблема — как получить необходимый водород. Как известно, водород входит в состав воды и является распространенным элементом, но в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности транспортному средству необходимо отдельно ставить водородные установки для «расщепления» воды, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного впуска и создать закрытую топливную систему. Иными словами, после каждого раза, когда в патроннике сгорает заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если эту пару пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно использовать водород.

Однако для этого на автомобиль должна быть установлена ​​установка для электролиза (электролизер), которая будет отделять водород от воды, чтобы затем получить нужную реакцию с кислородом в камере сгорания. На практике установка сложная и дорогая, а создать такую ​​замкнутую систему достаточно сложно.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от вида топлива все равно нуждается в защите нагруженных узлов и трущихся пар. Если просто, то без моторного масла не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания, а затем в выхлоп. Это означает, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически невыполнимая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания напоминают газовые двигатели, то есть газовые агрегаты пропана. Чтобы вместо пропана использовать водород, достаточно изменить настройки такого двигателя. Правда, водород несколько уменьшается. Однако водороду нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от двигателя. При этом никаких установок для автономного производства водорода не предвидится.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, то автоматически возникают риски и трудности. Во-первых, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагревательными элементами ДВС и моторным маслом.

Также даже небольшая утечка водорода может привести к попаданию топлива на предварительно подогретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или возгорание. Чтобы этого не произошло, чаще используют роторные двигатели для работы на водороде. Этот тип двигателей 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 двигателях, что позволяет считать водород достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или дизелю. Например, экспериментальная версия модели BMW 750HL, которая была представлена ​​в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. На такой начинке агрегат успешно работает и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/ч.

Правда отдельных заводов по производству водорода из воды на машине нет. Вместо него есть специальный бак, который просто заправляется водородом. Запас хода на полном баке водорода около 300 км. После того, как водород закончился, двигатель автоматически начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются агрегаты, работающие на водороде (внутренний водородный двигатель) и двигатели, использующие водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь остановимся на втором варианте.

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

В камеру, где находится анод, поступает водород, а в катодную камеру попадает кислород. Электроды дополнительно покрывают дорогими редкоземельными металлами (часто платиной). Это позволяет играть роль катализатора, оказывающего воздействие на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. При этом протоны проходят через мембрану к катоду, при этом на них воздействует и катализатор. В результате происходит соединение протонов с электронами, которые выходят наружу.

В результате этой реакции образуется вода, при этом электроны из камеры с анодом попадают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет работать двигатель от такого водородного топливного элемента.

Такие водородные двигатели позволяют проехать не менее 200 км. На одном заряде. Главный минус – высокая стоимость топливных элементов из-за использования платины, палладия и других дорогостоящих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня многие компании работают над созданием экологически чистых двигателей. Одни идут по пути созидания, другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, то с точки зрения экологии и производительности этот вариант тоже может составить конкуренцию бензиновому, газовому или дизельному населению в ближайшем будущем.

Водородные двигатели

показали себя несколько лучше, чем самые совершенные электромобили. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, осталось такое отсутствие путей и возможностей дозаправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправок особо не развита, причем в глобальном масштабе.

Также выбор водородных автомобилей не особо велик. Помимо Honda Clarity можно отметить Mazda RX8 Hydrogen, а также BMW Hydrogen 7. По сути, это гибриды, работающие на жидком водороде и бензине. Вы также можете добавить в список Mercedes GLC F-Cell. Данная модель имеет возможность подзарядки от бытовой электросети и позволяет проезжать до 500 км. На одном заряде.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Машина работает только на водороде, один бак 600 км. Водородные двигатели до сих пор встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на спецверсию внедорожника Hyundai Tucson.

Как видно, многие производители активно экспериментируют с двигателем на водороде, но у этого решения еще много недостатков. В то же время некоторые недостатки сильно мешают массовому продвижению.

В первую очередь это безопасность и сложность перевозки такого топлива. Важно понимать, что водород очень горюч и взрывоопасен даже при относительно низких температурах. По этой причине его трудно хранить и транспортировать. Оказывается, для автомобилей с таким двигателем необходимо строить специальные водородные баки. В результате очень мало в практике водородных заправок.

Сюда же можно добавить определенную сложность и дороговизну ремонта и обслуживания водородной установки, а также необходимость подготовки и обучения большого количества высококвалифицированного персонала. Если говорить о самом автомобиле на водороде и его эксплуатационных характеристиках, то наличие водородной установки утяжеляет автомобиль, естественно ухудшается управляемость.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только обычному двигателю внутреннего сгорания, работающему на мазуте, но и электромобилям.

Во-первых, такие установки менее токсичны, при этом для них не требуется дорогостоящее топливо на нефтяной основе. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый ход поршня. В продаже есть гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Что касается недостатков и сложностей, то автомобиль с водородным двигателем сегодня имеет высокую стоимость, а также могут возникнуть проблемы с заправкой топливом из-за недостаточного количества заправок. Не стоит забывать и о том, что найти специалистов, способных качественно и профессионально обслуживать водородную электростанцию, тоже непросто. В этом случае обслуживание будет довольно дорогим.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа Метан обещает в будущем возможность перекачивать по тем же трубопроводам и водород. Это означает, что в случае роста общего количества автомобилей с водородными двигателями высока и вероятность быстрого увеличения количества специализированных АЗС.

Читайте также

Усовершенствование конструкции поршневого двигателя, отказ от КСМ: пугал двигатель, а так же двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.

Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском топлива от двигателей с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.

Как работает водородный двигатель: все, что вам нужно знать

Водородные двигатели по-прежнему остаются одним из приоритетов автомобильной промышленности. Его работа дала ему ряд преимуществ, удерживая его на плаву, несмотря на его неудачи. С этой целью Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford и другие бренды вложили значительные средства в эту технологию. Двигатели, использующие водород, включают двигатели внутреннего сгорания и конверсионные двигатели на топливных элементах. Многие люди не знают как работает водородный двигатель и их соответствующие преимущества и недостатки.

По этой причине мы собираемся посвятить эту статью тому, чтобы рассказать вам, как работает пошаговый водородный двигатель, каковы его характеристики и его значение для автомобильного мира.

Содержание

• 1 Как работает водородный двигатель внутреннего сгорания?
• 2 Пример работы двигателя внутреннего сгорания на водороде
• 3 Как работает двигатель на водородных топливных элементах?
• 4 Недостатки водородных двигателей
• 5 Преимущества водородных двигателей
• 6 Автономность
• 7 Безопасны ли они?

Как работает двигатель внутреннего сгорания на водороде?

Эти двигатели используют водород в качестве бензина. То есть они сжигают его в камере сгорания, чтобы создать взрыв (кинетическая энергия и тепло). По этой причине обычные бензиновые двигатели могут быть приспособлены для сжигания водорода в дополнение к СНГ или КПГ.

Работа этого двигателя очень похожа на работу бензинового двигателя. В качестве топлива используется водород, а в качестве окислителя – кислород. Химическая реакция инициируется искрой, а свеча зажигания может дать искру. В водороде нет атомов углерода, поэтому реакция такова, что две молекулы водорода соединяются с одной молекулой кислорода, высвобождая энергию и воду.

Результатом его химической реакции является просто водяной пар. Однако двигатели внутреннего сгорания на водороде производят некоторые выбросы во время своей работы. Например, небольшое количество NOx из воздуха и тепла из камеры сгорания или выбросы от сжигания масла через поршневые кольца.

Поскольку водород является газом, он хранится в резервуаре с давлением 700 бар. Это в 350-280 раз выше, чем обычное давление в автомобильных шинах. (от 2 до 2,5 бар). Хотя есть и автомобили, которые хранят водород в жидком виде при очень низких температурах, как показано ниже.

Двигатели внутреннего сгорания на водороде обладают некоторыми интересными преимуществами по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания. Например, теоретически они могут использовать очень тонкие смеси (лямбда близка к 2). То есть они могут использовать очень мало топлива, чтобы использовать весь поступающий воздух и стать очень эффективными.

Пример работы водородного двигателя

Хорошим примером водородного двигателя является BMW 750hl, появившийся на рынке в 2000 году. Хотя на самом деле это бензиновый двигатель BMW, он также способен сжигать водород.

Однако у него есть несколько недостатков: во-первых, он хранит водород в жидком виде. Для этого требуется очень дорогой резервуар, изготовленный из материалов аэрокосмического сектора , чтобы поддерживать температуру ниже -250ºC . Этого можно достичь только в течение 12–14 дней, в течение которых водород постепенно испаряется и безопасно выбрасывается в атмосферу. Второй недостаток заключается в том, что при использовании водорода вы теряете много мощности и эффективности. Более поздний BMW Hydrogen 7 2005 года частично решил эти проблемы и увеличил давление водорода до 700 бар, не оставляя его холодным.

Другой хороший пример — водородный двигатель Водолея. Двигатель на ископаемом топливе, разработанный израильской компанией, подходит для использования водорода. Первая функциональная версия была представлена ​​в 2014 году и с тех пор появилась переработанная и улучшенная версия. По словам его разработчиков, он может работать без смазочного масла и имеет систему газообмена для снижения выбросов NOx.

Кроме того, водородный двигатель внутреннего сгорания легкий и состоит из небольшого количества деталей, что делает его производство дешевым. Его можно использовать как расширитель диапазона для электромобилей или как генератор для сети.

Как работает двигатель на водородных топливных элементах?

Его полное название — водородный двигатель, переделанный на топливных элементах. Несмотря на слово «топливо», они не сжигают водород. Они используют его для выработки электроэнергии посредством процесса, обратного электролизу. Вот почему они несут батареи для химических реакций, как в водородном двигателе внутреннего сгорания, где водород хранится в баках с давлением 700 бар .

Просто вместо того, чтобы подавать его на двигатель, он проходит через анод и катод (как аккумулятор) к топливному элементу. Оказавшись там, газообразный водород (h3) проходит через мембрану и расщепляет ее на два иона водорода. Водород и два свободных электрона. Эти электроны проходят от анода к катоду батареи через внешнюю цепь, создавая электрический ток. Образовавшиеся ионы водорода соединяются с кислородом воздуха, образуя воду.

По этой причине двигатель на водородных топливных элементах имеет нулевые выбросы, поскольку он не производит NOx или газы, образующиеся при сжигании масла, как двигатель внутреннего сгорания. Диафрагмы, используемые в этих двигателях, изготовлены из платины и стоят дорого. Тем не менее, есть работа по решению этой высокой стоимости. Например, в Техническом университете Берлина разработали ферросплав, запуск которого в производство мог бы значительно снизить затраты.

Недостатки водородных двигателей

• Катализаторы, используемые в химических реакциях двигателей на водородных топливных элементах, изготовлены из дорогих материалов, таких как платина. По крайней мере, до тех пор, пока его не заменит более дешевая альтернатива, вроде упомянутой в TU Berlin.
• Чтобы получить водород, это должно быть сделано термохимическими процессами ископаемого топлива или электролизом воды, что требует затрат энергии. Основная критика водородных двигателей заключается в том, что электроэнергию можно хранить непосредственно в аккумуляторе электромобиля для использования.
• После того, как водород получен, необходимо ввести в ячейку или резервуар под давлением. Этот процесс также требует дополнительных затрат энергии.
• Водородные батареи дороги в производстве и должны быть очень прочными, чтобы выдерживать высокое давление, при котором должен храниться водород.

Преимущества водородных двигателей

• Водородные батареи легче, чем батареи электромобилей. Вот почему его использование в тяжелом транспорте исследуется в качестве альтернативы аккумуляторным электромобилям. Чтобы иметь возможность преодолевать большие расстояния, они очень тяжелые.
• Сегодня зарядка водорода происходит быстрее, чем зарядка аккумулятора электромобиля.
• В отличие от аккумуляторных электромобилей, для автомобилей на водородных топливных элементах не требуются большие аккумуляторы. Следовательно, требуется меньше лития или других материалов, которых может не хватать. Водородные двигатели внутреннего сгорания напрямую не требуют литиевых батарей или других подобных батарей.
• Топливные элементы могут продлить срок службы автомобиля. В отличие от батарей, замена которых обходится дорого из-за их размера и емкости. Аккумуляторы, используемые в водородных двигателях, меньше по размеру и, следовательно, дешевле в замене.
• По сравнению с двигателями, работающими на ископаемом топливе, в двигателях на водородных топливных элементах используются электродвигатели, поэтому они очень тихие.

Автономность

Недостатком водородных двигателей является то, что их баки или топливные элементы должны содержать водород под очень высоким давлением. Таким образом, точка подачи также должна соответствовать давлению 700 бар, которое она поддерживает .

Требуется построить инфраструктуру снабжения, чтобы иметь возможность заправлять этот тип транспортных средств. Тем не менее, у него те же проблемы, что и у чисто электрических транспортных средств. Однако операция дозаправки выполняется намного быстрее, чем у них, поскольку она такая же, как у автомобилей, работающих на сжиженном газе или GLC.

Автомобили, оснащенные в настоящее время двигателями на водородных топливных элементах, имеют такой же запас хода, как и бензиновые. Например, Toyota Mirai заявила о 650 км пробега с полностью заряженной батареей, Hyundai Nexo — 756 км, а BMW iX5 Hydrogen — 700 км.

Другие, такие как Hopium Machina, объявили о дальности полета в 1000 км, хотя эта цифра должна быть подтверждена, когда это произойдет. В любом случае автономность не так важна, как батарея, ведь заправка происходит намного быстрее. Важно помнить о количестве топливных баллов.

Они в безопасности?

Бренды годами работают над двигателями этого типа, чтобы повысить их эффективность, снизить затраты и, конечно же, сделать их такими же безопасными, как двигатели, работающие на ископаемом топливе.

Кроме того, стандарты безопасности, требуемые в Европе, США и Японии, являются гарантией безопасности транспортных средств, работающих на водороде. Само собой разумеется, Toyota рекламирует, что бензобак Mirai достаточно прочен, чтобы быть пуленепробиваемым.