Дизельный двигатель на водороде: Водород поможет дизелю? — журнал «АБС-авто» — Шины для спецтехники, шины для погрузчика

Содержание

Водород поможет дизелю? — журнал «АБС-авто»

Как и все в этом мире, судьба дизеля оказалась переменчивой. Еще недавно он был в авангарде борьбы за экологию. Новейшие системы снижения токсичности отработавших газов, уникальные сажевые фильтры, прецизионная топливная аппаратура, программное обеспечение для оптимального управления впрыском – все это вселяло надежду, что конструкторы на верном «зеленом» пути.

Но после скандала с Volkswagen в 2015 году репутация дизеля оказалась подмоченной. И тут на арену экологического цирка вышел электромобиль. Именно его стали возводить на пьедестал, ехидно посматривая в сторону присмиревшего дизеля. Некоторые автопроизводители стали грозить отказом от ДВС в ближайшие десятилетия, а многие компании уже сегодня вкладывают солидные деньги в развитие электропривода. Так что, дизельгейт навсегда?

Но публикации в зарубежной прессе утверждают, что еще не все потеряно. И будущее сверхнизких выбросов может быть… дизельным.

Так считает Эван Джонсон, технический директор компании HyTech Power (США). По его мнению, дизель просто нуждается в помощи альтернативного топлива – водорода. Ввод этого газа в воздушно-топливную смесь может существенно уменьшить расход топлива и снизить эмиссию отработавших газов.

Есть и конкретные цифры. HyTech Power обещает сокращение потребления топлива на 20–30%, снижение содержания твердых частиц в выхлопе на 85%, а оксидов азота – от 50 до 90%. Если Джонсон окажется прав, водородная инъекция может спасти дизель от забвения.

Пора ли дизелю на пенсию?

HyTech Power именует свою технологию ICA (Internal Combustion Assistance) – «внутренняя помощь сгоранию». Это практическая реализация известной идеи добавления чистого водорода и кислорода к дизельному топливу непосредственно перед его воспламенением – тем самым можно улучшить характеристики двигателя. Еще десять лет назад это было лишь заманчивой теорией, но времена изменились, и теория воплотилась в жизнь.

Работа ICA начинается с получения водорода методом электролиза. Тут все как обычно: на катализатор в резервуаре с водой подается ток, атомы водорода и кислорода отделяются друг от друга, и водород направляется к специальному впускному отверстию двигателя. Далее он вводится в воздушно-топливную смесь непосредственно перед сгоранием. Водород горит в 10 раз быстрее дизельного топлива, поэтому он быстро и во всем объеме камеры воспламеняет всю смесь. В итоге сгорание проходит гораздо эффективнее, а вредных выбросов образуется меньше.

Однако эта технология таила немало подводных камней. Повышение эффективности использования топлива было незначительным, и прежде всего потому, что система потребляла слишком много энергии из бортовой сети для электролиза. В лаборатории этот процесс увеличил экономию топлива всего на 5%. На дороге показатели немного улучшались, но сильно зависели от состояния двигателя, качества топлива и нагрузки. Итог был неутешительным: выгода не оправдывала затрат.

Блок ICA от HyTech Power с датчиками, интерфейсом и трубками подачи водорода, установленный на дизеле

Сегодня компания HyTech Power заявила, что решила эти проблемы, создав небольшой электролизер, который оказался в 3–4 раза эффективнее предыдущих. А новое программное обеспечение «научилось» оптимизировать время впрыска водорода. Специалисты HyTech обеспечили синхронизацию собственных алгоритмов с сигналами датчиков коленчатого и распределительного валов, и теперь программа в реальном времени определяет, когда и сколько впрыснуть водорода в каждый цилиндр.

Важно, что система ICA с программным обеспечением как дополнительное оборудование может быть адаптирована к любому двигателю. Tech Power утверждает, что при цене ICA 10 тыс. долл. большинство коммерческих грузовиков смогут «отбить» эти деньги через девять месяцев за счет экономии топлива и снижения затрат на техническое обслуживание. А для стационарных дизель-генераторов время окупаемости будет еще меньше.

Мэтью Борст, занимающий ответственный пост в Обществе автомобильных инженеров (SAE), заявил, что разработки HyTech могут возродить интерес к дизелю.

«Главное здесь – алгоритмы управления процессом, – уточнил г-н Борст. – Контроль процесса электролиза и управление впрыском водорода полностью отвечают современным требованиям к грузовым перевозкам по сокращению вредных выбросов. Потенциал новой системы представляется мне весьма перспективным».

Резервуар HyTech Power для электролиза с запатентованным катализатором (находится внутри резервуара)

Система ICA совместима и со старыми дизелями. Этой весной проводились дорожные испытания дизельных грузовых автомобилей в Сиэтле. Грузовики, принадлежащие FedEx, продемонстрировали 20–30%-ю экономию топлива с одновременным сокращением эксплуатационных расходов на фильтрацию твердых частиц.

А вот и независимая оценка. Лаборатория швейцарской экспертной компании SGS подтвердила, что ICA повысила топливную экономичность грузовых автомобилей FedEx на 27,4%. В настоящее время проводятся пробные испытания ICA с участием компании Caterpillar.

HyTech пока неохотно обсуждает долгосрочные перспективы своего детища. Дело в том, что ICA – лишь первая из водородных систем, находящихся в разработке. В частности, планируется создание подобного устройства для автомобилей с бензиновым двигателем, но подробности держатся в секрете.

Однако система ICA уже продается, и возникает вопрос: а как она будет делить рынок с электроприводом, в частности, с разработками той же Tesla?

Уже знакомый нам технический директор HyTech Power Эван Джонсон говорит, что электрическая платформа пока не имеет инфраструктуры для длительных непрерывных перевозок. И Мэтью Борст из Общества автомобильных инженеров SAE с ним соглашается.

Но вот что любопытно. Оба специалиста сходятся во мнении, что сегодня нельзя отдать предпочтение конкретной технологии – будь то электропривод, дизель или силовая установка с другими источниками энергии.

Но система ICA от HyTech и другие исследования в области дизельного топлива могут стать мостиком к эффективным двигателям будущего. И чем шире будет у человечества выбор, тем лучше.

По материалам зарубежной печати

Юрий Буцкий

водородное топливодизель

Форсаж дизельного двигателя — солярка, водород, кислород, вода дают экономию 54%

Памяти Николая Егина

1949 — 2017

Автор работал и проживал в г. Рязань.

Вы можете ознакомиться с изобретениями Николая Егина
Данный сайт остается как память об изобретателе

Важная информация об авторских свидетельствах

Эксперименты с добавками водорода к топливу различных двигателей транспортных средств и энергетических установок проводятся давно, о чем и сообщений было немало. Смотри, например, статью «Двадцать лет спустя — уже в импортной упаковке» (ИР, 3, 2008). К сожалению, такие работы энтузиастов водородной энергетики дальше отдельных опытных лабораторий не уходят. И вот эпохальное событие! На совещании правительства по инновациям, в марте 2010 года, президент ОАО РЖД (Российские железные дороги) В. Якунин доложил президенту РФ об инновационной технологии добавления водорода в дизельное топливо локомотивов. При этом присутствие, всего 1% водорода в объеме цилиндров экономит 4% топлива или на те же 4% увеличивает мощность двигателя. Инновация получила высокую оценку, Д.

А.Медведева и рекомендацию к ее ускоренному и широкому внедрению.

Итак, применению бинарного топлива с водородом включен зеленый свет на самом высоком государственном уровне. Теперь возникла проблема: как перейти от разрозненных, в разной степени удачных лабораторных решений к реализации в отраслевом (РЖД) и общепромышленном масштабах.

Одна из первых проблем — запас топлива на борту. Возить на тепловозах баллоны со сжатым до 150 — 200 ат водородом опасно, дорого и неудобно. С жидким водородом получается еще опаснее и дороже: требуется сложная криогенная техника и специально обученный персонал. Получается, что на инновационном пути применения водорода в локомотивах РЖД новаторов поджидают все те же грабли, знакомые многим изобретателям в этой области.

Если ставить задачу полного перевода дизеля на водород, то действительно придется искать способ хранения его запасов на борту. Но это еще полбеды: возникает необходимость кардинально переделать сам двигатель. Проблема в том, что водород легко проникает в металлы и сплавы деталей двигателя, вызывая их хрупкость и ускоренный износ (питтинг). Значит, неизбежен переход на композитные детали из керамики, что дорого, сложно и практически нереально для серийных заводов с традиционным литьем заготовок и металлообработкой на станках и линиях с ЧПУ.

Очевидно, сложности применения водорода сегодня понимают и руководство министерств, поэтому осторожно говорят о добавках всего 1%.

Положительный опыт водородных добавок к топливу ДВС, накопленный в разработках изобретателя Николая Леонидовича Егина больше чем за 20 лет, свидетельствует о том, что можно эффективно добавлять до 6% водорода от объема цилиндров без всяких негативных последствий в виде охрупчения и питтинга («Экономим тормозя», ИР, 1, 1987).

Одновременно учеными решена и задача хранения запасов водорода ввиду их полного отсутствия на борту за ненадобностью. Необходимое его количество можно производить в режиме онлайн, то есть ровно столько, сколько необходимо в настоящий момент в данном режиме эксплуатации. И в настоящее время для реализации этой идеи нет лучшего устройства, чем электролизер. Он вне конкуренции по всем показателям: низкая стоимость, безопасность, компактность и легкость, простота технического обслуживания, длительность работы до ремонта или замены, высокая, легко регулируемая производительность.

Эти параметры можно улучшить на порядок, если в качестве электродов применять углеродные пластины с высокоразвитой и активированный поверхностью (УВС). Кроме водорода, являющегося прекрасным топливом, электролизер вырабатывает еще и кислород — мощный окислитель для полного сгорания смеси в цилиндрах.

Таким образом, добавка 6% водорода сберегает 24% топлива. Еще 10% экономии дает кислород за счет лучшего сгорания. Итого получаем 34%. И такие фантастические результаты без особых затрат и усилий можно получить уже сегодня на любом тепловозе РЖД. Важно и то, что бинарное топливо значительно (не меньше 40%) снижает дымность выхлопа, приводя его в соответствие экологическим нормам не ниже «Евро-4». А это уже открывает для наших тепловозов зарубежные рынки.

Бортовой электролизер, конечно, самое важное, но не единственное устройство, предлагаемое Н. Егиным для модернизации наших локомотивов. Компоновочное пространство в кабине машиниста позволяет разместить здесь еще несколько важных узлов, также основательно проверенных на различных типах ДВС.

Это, прежде всего, воздухоочиститель-ионизатор-озонатор («Возрождение эффекта», ИР, 6, 2009). Установленный на воздухопроводе, он не только задерживает электрическим полем разнодисперсную пыль, но и превращает кислород из воздуха и электролизера в озон, еще более активирующий горение смеси в цилиндрах дизеля. Температура горения при этом возрастает, что позволяет для дополнительного наддува добавлять в топливную смесь до 20% эмульгированной воды («Бензин не пиво, можно разбавить», ИР, 5, 2007).

Водотопливные эмульсии (ВТЭ) высокоэффективны не только для бензинов, но и для дизельного топлива. В этом случае лучше использовать эмульгатор мелкодисперстных ВТЭ ультразвукового типа с кавитатором, например ТОРНАДО-1 («Торнадо в нефтяной скважине», ИР, 12, 2009).

Активированное таким образом дизельное топливо стабилизируется по температуре горения, а расширение водяных паров в цилиндрах создает дополнительное давление на поршни и повышает мощность двигателя. Расход солярки еще больше снижается (до 20%), так что суммарная экономия топлива возрастает до 54%.

Все дополнительное оборудование компактно, недорого, свободно размещается рядом с дизелем и совмещается с его штатными системами.

Экологические показатели выхлопных газов становятся намного лучше. Так, например, можно использовать композицию: дизельное топливо марки Л-0,2-40 по ГОСТ 305-82 — 79%, вода — 20%, и поверхностно-активное вещество (ПАВ) типа АМДМ — 1%. Водотопливная эмульсия, полученная из этих компонентов, при сгорании в дизеле тепловоза 2ТЭ10М выделяет меньше оксида углерода (СО) на 40% в скоростном режиме и на 20% при нагрузке, а окислов азота (МО„) — на 25% и 18% соответственно. Такие показатели отвечают требованиям стандарта «Евро-5» и сделают наши локомотивы конкурентоспособными с лучшими мировыми моделями. К тому же проведенная модернизация резко снижает нагарообразование в цилиндрах, уменьшает износ деталей, тем самым значительно увеличивая моторесурс двигателя без текущих ТО и капитальных ремонтов.

Модернизации поддаются все марки тепловозов, а дополнительную комплектацию могут наладить не только заводы-изготовители, но и сами эксплуатационщики. Причем на локомотивах-ветеранах со значительным сроком эксплуатации эффект обновления особенно заметен.
Все необходимые устройства (смотри фото) — бортовой электролизер типа БЭЛ-24, воздухоочиститель-ионизатор-озонатор типа ОЗОН-6, водотопливный эмульгатор типа ТОРНАДО-1 — освоены различными предприятиями России и производятся на заказ в соответствии с техническими требованиями потребителя по производительности, мощности, компоновочным размерам и пр.

Важно отметить, что сказанное также актуально и в полной мере применимо к судовым дизелям речного и морского флота, энергетическим контейнерным установкам (когенераторы), дизелям большегрузных автомобилей и т.п.

Только за счет экономии солярки от 34% до 54% модернизация окупается за 2 — 4 месяца эксплуатации.

Все представленные на сайте изобретения имеют авторские свидетельства на изобретение, чертежи и конструкторскую документацию. Автор – Николай Егин.

Важная информация об авторских свидетельствах

Анализ дизельных двигателей с добавлением водорода

Автор: Сусликов Максим Русланович

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №12 (354) март 2021 г.

Дата публикации: 15.03.2021 2021-03-15

Статья просмотрена: 344 раза

Скачать электронную версию

Скачать Часть 1 (pdf)

Библиографическое описание:

Сусликов, М. Р. Анализ дизельных двигателей с добавлением водорода / М. Р. Сусликов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 12 (354). — С. 28-32. — URL: https://moluch.ru/archive/354/79208/ (дата обращения: 22.09.2022).

В статье рассматриваются дизельные двигатели грузовых автомобилей с добавлением водорода в топливовоздушную смесь. Способы хранения топлива на борту транспорта. Способы доставки газообразного топлива в камеру сгорания. Также рассматривается экономическая и энергоэкологическая проблема. На основе проведенного анализа были сделаны выводы о том, что аналогичные решения по использованию водородного топлива, как добавки к дизельному топливу, малоизучены, а используемые технологии устарели, системы требуют доработки, а некоторые нерациональны. Предложено новое решение, заменяющее прямое хранение водородного топлива, что приводит к повышению безопасности и упрощению заправки транспортного средства.

Ключевые слова: дизельный двигатель, водород, хранение топлива, экология, экономика.

The article discusses the diesel engines of trucks with the addition of hydrogen to the air-fuel mixture. Methods for storing fuel on board vehicles. Methods for delivering gaseous fuel to the combustion chamber. The economic and energy-ecological problem is also considered. Based on the analysis, it was concluded that similar solutions for the use of hydrogen fuel, as additives to diesel fuel, are poorly understood, and the technologies used are outdated, the systems need improvement, and some are irrational. A new solution is proposed that replaces the direct storage of hydrogen fuel, which leads to increased safety and simplified refueling of the vehicle.

Key words: diesel engine, hydrogen, fuel storage, ecology, economy.

Огромное количество городов в нашей стране насчитывает более 500000 жителей. Для жизнеобеспечения этих городов требуется колоссальное количество специализированного транспорта — это службы водоканала, спецслужбы, спецтранспорт по вывозу мусора. Все перечисленные единицы техники — грузовые транспортные средства. Перевод данных автомобилей, в виду лимитированного количества инфраструктуры газовых заправок, а тем более ограниченного пробега для электротранспорта, невозможен, как ни на газ, так ни на электротягу. Организации вынуждены использовать дизельный автотранспорт знаменитый своими тяговыми свойствами, но уступающий по экономическому и экологическому направлению.

Наиболее перспективным на данный момент является использование альтернативных замещающих добавок в топливовоздушную смесь: нефтяной газ, природный газ, водород. Последний рассмотрим подробнее.

Водород, как моторное топливо, имеет ряд особенностей по сравнению с классическими углеводородными топливами. Водород меняет рабочий процесс двигателя, существенно снижаются вредные выбросы и улучшается топливная экономичность. Однако ввиду малого стехиометрического соотношения водород — воздух (для сжигания 1 моля водорода требуется 2.38 молей воздуха, в то время как для 1 моля нефтяных моторных топлив около 50 молей) и низкой плотности водорода теплотворность водородовоздушной смеси стехиометрического состава будет ниже, чем топливовоздушных смесей традиционных топлив, что повлечёт за собой снижение мощности поршневого двигателя при переводе его на водород [1]. Следовательно, использование водорода как монотопливо проблематично.

В случае использования водорода в качестве частично замещающей добавки в дизельных двигателях, дизель играет роль запального топлива и улучшает антидетонационную стойкость, увеличивая границы воспламенения, а также изменяет диапазон работы двигателя. В то же время водород является присадкой к дизельному топливу и повышает энерго-экономические и экологические качества, аналогичные горению водорода и всему процессу сгорания углеводородного топлива. В случае внешнего водородовоздушного смесеобразования на двигателях незначительно снижается мощность из-за нехватки кислорода для полноценного сжигания топлива. Для компенсации кислорода и достижения стехиометрической смеси опытным путем было принято решение увеличить давление воздуха во впускном коллекторе за счет изменения конфигурации агрегатного наддува на 0.05 бар, при неизменных показателях подачи дизельного топлива и водорода, мощность двигателя восстановилась до значений соответствующих дизельному двигателю без добавки водорода.

В настоящие время известны три различных способа хранения водорода: газообразный — в баллонах высокого давления, жидкий — в криогенном баке, в связанном состоянии — в виде гидридов некоторых металлов.

Хранение водорода в баллонах высокого давления наиболее простой способ, но вследствие большой массы и чрезвычайно большого объема считается неприемлемым, а также большие энергозатраты на компримированный водород ставят под сомнения возможность применения данного метода [1].

Наилучшие показатели системы хранения чистого водорода обеспечиваются при его сжижении, но при криогенном хранении большая масса приходится на пустой баллон [2].

Гидриды — резервуар, состоящий из металла и интерметаллического соединения, способного поглощать водород в процессе диффузии и выделять его при нагревании.

Все перечисленное оборудование достаточно громоздкое и экономически затратное как в производстве, так и в установке на транспортные средства. Также стоит упомянуть, что во всех трех случаях необходима инфраструктура заправок и станций технического обслуживания, которые будут взаимодействовать с взрывоопасными агрегатами. Так как оборудование актуально больше для грузовых дизельных автомобилей, а это значит, что транспортные средства с высокой долей вероятности будут уезжать на дальние расстояния — междугороднее сообщение. Не во всех регионах есть возможность пополнить резервуары подобных систем. Дорожно-транспортные происшествия играют немаловажную роль во взаимодействии с водородным оборудованием. Большие объемы взрывоопасного топлива, хранящиеся на борту автомобиля, могут стать причиной катастрофы.

Получение водорода с помощью электролиза является самым перспективным решением для автомобильного транспорта. Используя электричество аккумулятора автомобиля, генераторы водорода (электролизеры) путем электролиза расщепляют воду (h3O) на основные элементы: водород (h3) и кислород (O2) (Рис. 1).

Рис. 1. Схема доставки водорода в двигатель внутреннего сгорания

Производство водорода активизируются только на запущенном двигателя. Полученный газ не накапливается и не хранится, он сразу подается в двигатель, где смешивается с дизельным топливом. Благодаря такой системе не изменяется безопасность транспортного средства, дозаправка дополнительного бака происходит дистиллированной водой в любых условиях в любом регионе, не требуется большое пространство для установки водородного оборудования, установка производится в подкапотное пространство (Рис. 2–3).

Рис. 2. Расположение электролизера перед радиатором системы охлаждения

Рис. 3. Расположение бака с дистиллированной водой в подкапотном пространстве

На производство водорода, достаточное для автомобиля со средним двигателем, расходуется 8–15А (Таблица 1). По потреблению тока — это сопоставимо с включением штатной аудиосистемы автомобиля. В результате чего, транспортное средство не нуждается в дополнительных элементах для генерации и аккумулирования электроэнергии.

Таблица 1

Оптимальный объем водорода в зависимости от объема двигателя

Объем двигателя	Н2(л/мин)
1	0,16
1,3	0,21
1,6	0,26
1,8	0,29
2	0,32
2,3	0,37
2,5	0,40
2,8	0,45
3	0,48
3,3	0,53
3,5	0,56
4	0,65
4,5	0,73
5	0,81
5,5	0,89
6	0,97
7	1,03
8	1,16
10	1,29
12	1,55
14	1,74
16	1,94

Однако данная система не позволяет качественно изменить характеристики двигателя, увеличить мощность в связи с тем, что добавка водорода свыше 29. 5 % от суммарного тепла, которое подведено при α=1.349 вызывает детонационное сгорание, сопровождаемое появлением стуков с кардинальным падением мощности ДВС, увеличивается объемное содержание водорода в выхлопных газах, что указывает на ухудшение рабочего процесса.

Для более контролируемого процесса сгорания и работы системы необходим непосредственный впрыск водорода с помощью форсунок в камеры сгорания двигателя.

Вывод о дизельных двигателях с добавкой водорода в топливовоздушную смесь возможно сделать уже сейчас, система работает, снижает количество используемого дизельного топлива, снижает вредные выбросы в атмосферу, мощностные характеристики не изменяются, однако система непосредственного впрыска позволит произвести более точные замеры, появится возможность точно изменять характеристики смеси, а также повысить мощность. В данный момент производятся расчеты конструкции непосредственного впрыска при использовании водорода, производимого электролизерам на борту транспортного средства.

Литература:

А. И. Мищенко. Применение водорода для автомобильных двигателей. Наукова думка, Украина, Киев, 1984.
Г. А. Терентьев, В. М. Тюков, Ф. В. Смаль. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. М.: «Химия», 1989.

Основные термины (генерируются автоматически): водород, дизельное топливо, транспортное средство, двигатель, водородное оборудование, водородное топливо, высокое давление, дизельный двигатель, добавок водорода, подкапотное пространство.

Ключевые слова

Экология, экономика, водород, дизельный двигатель, хранение топлива

дизельный двигатель, водород, хранение топлива, экология, экономика.

JCB модернизировало свой дизельный двигатель

JCB, один из мировых лидеров по производству строительной и специальной техники, продолжает движение в сторону декарбонизации своего модельного ряда. Ранее мы уже рассказывали вам, что компания выпустила линейку аккумуляторных машин.

JCB 19C-1E electric mini excavator

В основном это техника лёгкого класса — мини экскаватор, думперы, погрузчики, фирменный накопитель энергии. Это та техника, которая применяется в основном для лёгких работ, или в закрытых помещениях. Но для тяжёлых строительных работ, как полагают в JCB, аккумуляторная технология будет не слишком эффективна. И поэтому тут только одна альтернатива — водород.

Правда стоит оговориться, что многие конкуренты JCB с таким подходом не слишком согласны, и создают аккумуляторные трактора и экскаваторы. Но об этом в следующих материалах. Конечно самым главным противником водородной технологии в наземном транспорте, что вполне естественно, является глава Tesla Илон Маск, который как-то сказал, что водородные двигатели это «ошеломляюще тупая технология».

Но на самом деле технология применения водорода в качестве топлива была придумана далеко не сегодня. Этой идее более 200 лет! Ещё в 1806 году французский инженер Франсуа Исаак де Риваз, получив водород через электролиз воды, задумался над его использованием в качестве топлива. Но первый официально зарегистрированный патент на водородный двигатель внутреннего сгорания был выдан в Англии в 1841 году. А работающий прототип водородного ДВС был создан в Германии в 1852 году. Но как мы знаем из истории, на том уровне развития этой технологии она не смогла завоевать для себя место в конкуренции нарождающимися тогда аккумуляторными электромобилями, а потом и бензиновыми и дизельными машинами.

Присоединяйтесь к нам в TelegramПрисоединяйтесь к нам в Telegram

JCB hydrogen

Но время прошло много, технологии совершили поистине космический скачёк. Водород уже рассматривается как топливо будущего, которое заменит дизель в тяжёлом наземном, железнодорожном и авиационном транспорте. А JCB хочет его внедрить в свои экскаваторы и трактора.

Лорд Бэмфорд, Председатель JCB

Лорд Бэмфорд, Председатель JCB, «Заглядывая в будущее, мы не забываем о своих корнях. Мы ускоряем наш путь к «SwitchToZero», поскольку сейчас мы разрабатываем водородный двигатель с нулевым выбросом углерода на основе аналогичной технологии, используемой в текущей линейке двигателей JCB. Я никогда не довольствовался статус-кво. Тот факт, что на протяжении многих лет всё делалось определенным образом, не является причиной не делать что-то по-другому. Успешный бизнес должен постоянно изобретать себя заново; опережать события, опережать конкурентов, но самое главное, чтобы клиенты были довольны. Вот почему перед всеми в JCB стоит задача всегда искать лучший путь. Это наша операционная модель — она гарантирует, что JCB всегда будет делать правильные вещи на благо наших клиентов и, конечно же, это то, что отличает нас от других в отрасли«.

водородный двигатель JCB hydrogen

Инженеры JCB Power Systems, завода по производству двигателей в Дербишире, Великобритания, разработали первый водородный двигатель в отрасли строительной техники. Используя и адаптируя технологию дизельных двигателей, с легкодоступными компонентами, водород сжигается, и мощность передается точно так же, как и в старом дизельном двигателе. Прототип экскаватора-погрузчика, оснащенный новым водородным двигателем, может делать всё, что и его дизельный аналог.

Как отмечают в JCB, эта технология намного менее сложна, чем технология водородных топливных элементов, а из выхлопной трубы не выходит ничего, кроме водяного пара. Также как и при использовании технологии водородных топливных элементов. Водород находится в двух высокопрочных баллонах, созданных из композитных материалов. Они в свою очередь закрыты прочным кожухом, чтобы предотвратить случайные повреждения на строительной площадке.

JCB hydrogen

Уважаемые читатели, а что думаете вы? Что станет основным энергоносителем в будущей строительной технике — аккумулятор или водород? То, что дизель уйдёт и из этого сегмента транспорта, это так же однозначной, как и в случае с прочим транспортом. Сейчас в Европе, наравне с обычным транспортом, идёт политика декарбонизации и строительной техники. Так что итог абсолютно очевиден. Вопрос только в том, какой вариант возобладает в этом сегменте транспорта и техники.

___________________________

Уважаемые читатели, чтобы не пропустить наши свежие статьи вы можете подписаться на наш Телеграм-канал. Оставляйте комментарии, ставьте лайки, делайте репосты (кнопки соцсетей есть в конце каждого материала). Ваше участие нам очень важно!

статью прочитали: 1 248

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Запускаем обычный двигатель внутреннего сгорания на водороде. Как работает водородный автомобиль Toyota, BMW, ставить ли водородный генератор

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

Читайте в этой статье

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 , 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 , 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, 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 , 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.

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.

Водородная установка для автомобиля, с нее все начиналось

Согласно историческим сведениям, первый двигатель ДВС был водородный, хотя порой использовался и светильный газ. Но потребовалось еще много лет для совершенствования подобного мотора, и только в 1859 году был построен первый самоходный экипаж, топливом для которого служили упомянутые газы. Так что можно сказать, что современный транспорт начинался с автомобиля с водородным двигателем. Хотя в дальнейшем он уступил свое место бензиновому.

Известно несколько случаев, когда при отсутствии привычного горючего, водородный генератор обеспечивал автомобиль топливом. Но тем не менее, при всех достоинствах такого источника энергии он не нашел широко применения, хотя многие автомобильные корпорации, та же самая Toyota, работают над возможностью создания автомобиля на водородном топливе, и надо сказать не без успеха.

О водородных двигателях

Известны несколько различных вариантов, каким может быть такой мотор и что может лежать в основе его работы.

Сгорание водорода

Это обычный ДВС, работающий непосредственно на водороде или на его смеси с бензином. В результате такой добавки улучшается сгорание смеси, увеличивается КПД мотора, уменьшается при сгорании содержание окиси углерода. Однако в конструкцию автомобиля приходится вводить бак для хранения водорода, причем жидкого. А это не добавляет места в багажнике и не повышает безопасность при столкновениях.

Такой принцип использования водорода реализует BMW, причем основной задачей компания считает возможность применения любого из видов топлива (бензин, водород). Уже созданы, и длительное время успешно эксплуатируются несколько образцов, работающих на подобном принципе. Правда, при этом в основном остаются недостатки, свойственные обычному автомобилю.

Топливные элементы

Другим способом использования водорода является топливный элемент. Его конструкция представлена на рисунке

В результате прохождения через анод и катод молекул водорода и кислорода и их взаимодействия, образуется вода и электрический ток. Если соединить нескольких таких элементов, то получается своеобразный генератор, обеспечивающий работу электромотора. По сути дела, подобным образом создается электрохимический генератор электрического тока.

Этот вариант построения автомобиля, использующего водород в качестве топлива, реализует Toyota. Она намеревается перейти от выпуска прототипов к серийному производству электромобилей на основе топливных элементов. По имеющимся сообщениям, водородный автомобиль Toyota должен серийно выпускаться с 2015 года.

А так ли хорош водород?

Считается, что самым основным достоинством автомобиля, использующего водород, является его экологичность. Общепринято, что при сгорании водорода вместо окиси углерода и других вредных веществ будет появляться вода, точнее водяной пар. Однако при этом используется не чистый кислород, а воздух, в состав которого входит азот. В результате в камере сгорания образуются окислы азота. А их воздействие на окружающую среду может быть гораздо хуже, чем обычных выхлопных газов.

Кроме того следует учесть, что попадание на горячие части ДВС водорода, может вызвать его воспламенение. Поэтому наиболее подходящим для использования подобного топлива является роторный двигатель, в котором газ поступает в холодную часть, а потом перегоняется в горячую.

Очень большая дискуссия вообще идет по вопросу о том, имеет ли право на существование водородный автомобиль. Здесь есть несколько проблем, без решения которых не имеет смысла говорить о будущем подобной техники. Необходимо отметить, что водород сначала надо получить, для чего требуется какая-то установка. Источником для его получения может служить вода или метан.

Вот тут и возникает одна из основных проблем.

Метан сам является хорошим энергоносителем, и подвергать его дополнительной переработке, чтобы потом сжечь готовый продукт, достаточно нерационально, можно сразу сжигать метан без лишних расходов.
С водой картина еще интересней. Для того чтобы получить один кубический метр водорода, необходимо затратить электроэнергии в четыре раза больше, чем может выработаться при сжигании этого объема газа.
Необходимо учесть, что при производстве водорода будут происходить выбросы вредных веществ, и что окажется лучше – неизвестно. Вместо выброса выхлопных газов автомобиля будут образовываться свои отходы при получении газа.
Кроме того, очень проблематичной является вопрос хранения. Он до сих пор не решен, водород способен проникать через любой материал, и хранить его надо в жидком виде, а это еще дополнительные затраты, и не маленькие, которые необходимо прибавить к тем, что понесены на этапе получения. А при утечках газа образуется взрывоопасная смесь с воздухом.

Следующей проблемой, практически ставящей крест на использовании водорода в качестве топлива для автомобиля, является отсутствие соответствующей инфраструктуры. Под этим необходимо понимать в первую очередь сеть заправочных станций.

Так что из уже сказанного должно быть ясно, что водород не является альтернативным источником энергии, во всяком случае, пока не будет реализован способ его дешевого получения. И мифы о светлом будущем водородной энергетики – просто один из методов борьбы крупных корпораций между собой.

А все-таки попробовать можно – водородный генератор для автомобиля

Несмотря на такой безрадостный вывод о водородной энергетике в промышленном масштабе, можно попробовать использовать вариант получения, так называемого газа Брауна непосредственно на автомобиле. По сути, это тот же самый водород, результат электролиза воды, только проведенного на машине. Под капотом монтируется специальная установка, генератор водорода, питание на которую подается от бортовой сети.

Понятно, что при прочих равных условиях мощность, расходуемая на движение, уменьшится, часть энергии будет дополнительно тратиться на производство газа. Но результаты, полученные в ходе многочисленных испытаний, показывают, что подобная установка позволяет экономить до тридцати процентов бензина.

Как устроен такой генератор, позволяет понять рисунок. Пример изготовления простейшего его варианта показан на видео

Его основу составляют металлические электроды, часть из которых подсоединена к плюсу, а часть к минусу б/с. Внутрь залита вода (синяя стрелка) а из емкости выходит газ Брауна (голубая стрелка). Через шланг газ подается во впускной патрубок ДВС.

Как реально подобная установка располагается под капотом, видно на фото.

Вот такой небольшой генератор газа Брауна позволит любой автомобиль сделать немного ближе к творениям концерна Toyota или BMW, получая некоторую экономию бензина.

Правда споры по поводу того, получает ли владелец выгоду от такого устройства, не стихают. Одни утверждают что генератор того стоит, другие оперируя формулами и прочими доводами, доказывают что это миф, и на самом деле от водородного генератора нет никакого толку.

Водород считают горючим будущего, но так ли это? Для его повсеместного использования существует множество проблем, и хотя ведущими автопроизводителями, такими например, как Toyota, в этом направлении прилагаются значительные усилия, есть определенные сомнения, что в ближайшем времени водород сможет заменить бензин. Но есть мнение, что если использовать простейший генератор газа Брауна, то вполне возможно добиться экономии бензина на своем автомобиле, не дожидаясь прихода водородной энергетики.

Автомобиль Toyota Mirai — водородная альтернатива завоевывающих рынок электрокаров — успешно завершил последний «секретный» этап дорожных испытаний. Буквально на днях представители компании заявили, что готовы запустить автомобиль в производство.

Благодаря усилиям японских производителей авто, уже в обозримом будущем водородные автомобили могут стать привычным явлением на дорогах в самых разных странах. Так, гибридный автомобиль на водородном двигателе Toyota Mirai уже сегодня готов к выходу на мировой рынок.

Впервые, еще концептуальная модель, Toyota Mirai была представлена в 2013 году на Токийском автосалоне. Позже машина демонстрировалась публике в доработанном виде в 2014 и 2015 годах. Ожидалось, что авто выйдет на дороги до конца 2015 года, однако в последствии дата была перенесена на 2016. При этом предварительные продажи авто начались еще в 2014 году в Японии. Стоит одна Toyota Mirai порядка 57 тысяч американских долларов. В США и странах Европы Toyota Mirai будет продаваться уже после официального релиза.

Водородный автомобиль имеет кузов седана на четыре места. Длина кузова – 4 870 мм, ширина – 1 810 мм, высота – 1 535 мм. Используемая модель — ZBA-JPD10-CEDSS. Машина использует только передний привод. Радиус поворота – 5.7 метров, а размер шин 215/55. Базовая комплекция использует легкосплавные диски R17. Дорожный просвет – 130 мм. На сегодняшний день это все, что официально известно о технической составляющей Toyota Mirai.

Были анонсированы и параметры силовой установки авто. Ездить автомобиль будет благодаря FCA110, которая будет питаться от топливных элементов класса FC stack. Двигатель производит электроэнергию за счет протекающей в нем химической реакции водорода и кислорода. Максимальный КПД составляет 83%, для сравнения 1.3-литровый бензиновый двигатель дает всего 38%. Максимальная мощность электродвигателя при этом составит 153 л.с.

Никаких вредных выбросов Toyota Mirai не создает, выходит из двигателя машины только энергия в чистом виде и вода. За 4 км, машина выбросит в атмосферу 240 миллилитров воды.

Куда важнее и интереснее то, что 10 февраля 2016 года закончились последние 107-дневные испытания Toyota Mirai. Машина проехала по дорогам Японии, США, Германии и многих других стран. В общей сложности машин, а прошла 100 тысяч километров. За это время автомобиль сменил два раза свои шины и один раз колодки. Топливные элементы водородного авто показали себя с лучшей стороны.

Стоит отметить, что бренд Toyota вошёл в .

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.

Водородные двигатели

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.

Принцип работы

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:

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.
Раздельные ячейки. Считается, что именно такой тип катализатора является наиболее эффективным. Производительность системы составляет более двух литров газа в минуту, КПД — максимальный.
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.

Водородный двигатель своими руками

Генератор

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.

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

Важно! Уделите особое внимание созданию вентиляции картера водородного двигателя.

Электрическая часть

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.

Двигатель на водородном топливе

Главная » Разное » Двигатель на водородном топливе

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.

История создания водородного двигателя

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

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.

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.

Двигатель на водородных топливных элементах

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.

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.

Подведем итоги

Водородный двигатель: особенности, достоинства и недостатки

Статья о водородном моторе: история, особенности его эксплуатации, плюсы и минусы использования, модели автомобилей. В конце статьи — видео о двигателе на воде.Содержание статьи:«Водород – горючее будущего» — именно с таким посылом сегодня происходит внедрение водородных ДВС в транспортную и авиационную промышленность. Водород занимает лидирующую позицию среди всех прочих источников альтернативной энергии не случайно – он максимально экологичен, имеет возобновляемый ресурс, а также обладает максимальным КПД в сравнении с классическими двигателями, функционирующими на бензине и дизеле. Однако помимо неоспоримых преимуществ, водородный двигатель обладает и рядом недостатков, пока не позволяющих сделать его массовым и полностью вытеснить «вредные» бензиновые и дизельные моторы.О необходимости сохранения окружающей среды человечество стало задумываться совсем недавно, а вот мысли о замене обычного ДВС учёные начали задумываться намного раньше. Так, с руки учёного Франсуа Исаака де Риваза, уроженца Франции, первый двигатель на водороде был изготовлен в 1806 г. В 1841-м в Британии был получен первый патентный договор на изготовление водородного мотора, а в 1852-м германские учёные смогли создать ДВС, функционирующий на воздушно-водородной смеси. Однако планам внедрения водородных моторов помешали бензиновые двигатели, получившие распространение после 1870 года.

Повторно о водороде как альтернативном топливе вспомнили только в 1941 году в блокадном Ленинграде. Тогда советский техник Б.Шелищ применил воздушно-водородный «коктейль» для запуска заградительных аэростатов.

Потом о водороде снова позабыли, пока в 70-х годах в двери не постучался всемирный топливный кризис. В конце 70-х автоконцерн БМВ выпустил своё первое авто, функционирующее на водороде, а затем его примеру последовали и другие компании, в числе которых — американская General Motors и Ford, японская Honda и прочие. Тем не менее, как только кризис сошёл на нет, интерес к водороду как источнику энергии снова угас. И вот спустя десятилетия человечество снова вспомнило о его существовании, чему поспособствовала не только активизация защитников окружающей среды, но и рост цен на горючее.В конструктивном плане водородный мотор мало чем отличаются от стандартных ДВС. В нем также присутствуют поршни, камера сгорания и шатунно-кривошипный механизм. Так в чем же отличие? Дело в том, что водородные моторы используют иной способ поставки топливной смеси и её последующее возгорание. Кроме того, процесс сгорания водорода занимает намного меньше времени, чем в случае с горючим нефтяного происхождения. Отличия незначительны, и на первый взгляд может сложиться впечатление, что переоборудовать обычный ДВС в водородный несложно, но это не так.

Ряд проблем использования двигателя на водороде:

Водород сложно получить. Не секрет, что он содержится в воде и по праву считается самым распространённым химическим элементом в мире, правда, в чистом виде он практически не представлен. Это значит, что автомобиль необходимо оснащать специальной установкой закрытого типа — электролизёром, отвечающим за расщепление воды и позволяющим добыть водород. Однако на практике такая установка сложна в изготовлении, что сильно влияет на её конечную стоимость.
Водород из-за высокой температуры сжатия легко вступает в реакцию с различными металлическими элементами силовой установки и даже с моторным маслом.
Даже маленькая утечка водорода при контакте с разогретым коллектором вызовет возгорание. Именно поэтому сегодня при создании водородных моторов используются исключительно роторные силовые установки, так как они позволяют снизить риск возгорания из-за большего расстояния между коллектором впуска и выпуска.

Тем не менее, большую часть проблем пока удаётся решать, причём не только на роторных установках, но и в двигателях, использующих поршневые механизмы, что позволяет водороду оставаться наиболее перспективной заменой бензину/дизелю. Основные достоинства, которыми обладают водородные двигатели:

высокий уровень экологичности, так как продуктом его сгорания выступает водяной пар. При сгорании водорода происходит ещё и выгорание моторного масла, однако количество токсичных выхлопов при этом в несколько раз меньше, чем при сгорании бензинового или «тяжёлого» топлива;
высокий КПД, который в разы превосходит таковой в классических силовых установках, функционирующих на дизельном или бензиновом топливе;
относительная конструктивная простота, а также отсутствие дорогостоящих и ненадёжных систем топливоподачи, которые к тому же опасны;
бесшумность.

Несмотря на ряд существенных преимуществ, водородные моторы имеют достаточное количество недостатков:

высокая цена и сложность получения чистого водорода;
неразвитая инфраструктура автозаправочных станций, способных осуществить дозаправку водородом;
отсутствие международных стандартов транспортировки и применения водородного горючего;
высокая цена топливных компонентов и обслуживания водородных двигателей;
трудности, связанные с хранением водородного горючего. Учёные до сих пор не пришли к единому знаменателю касательно материала, который необходимо использовать при изготовлении баков для хранения горючего водорода;
увеличение общей массы машины за счёт наличия водородного двигателя, который заметно тяжелее ныне распространённых бензиновых и дизельных моторов.

Кроме того, баллоны с водородом необходимо регулярно проверять и сертифицировать, что может быть сделано исключительно квалифицированными специалистами, обладающими соответствующим разрешением и лицензией. На фото: Riversimple RasaНесмотря на то, что учёные продолжают ломать голову над устранением текущих проблем, связанных с использованием водородных моторов, количество машин на водородном топливе продолжает расти. Самыми известными авто, функционирующими на водороде, являются:

Тойота Mirai FCV – автомобиль впервые дебютировал в 2013 году, но в продажу поступил лишь в 2015-м. Имеющиеся в нем баллоны обеспечивали «дальнобойность» около 500 км.
BMW 750hL, концептуальная версия которого была показана ещё в 2000-м году. Машина комплектуется специальным баком с водородов, запаса которого достаточно для преодоления расстояния в 300 км.
Honda Clarity – ещё один автомобиль, использующий водород вместо классического топлива. Основные достоинства модели — эффектная внешность и впечатляющий, по меркам водородных авто, запас хода, составляющий 589 км.
Riversimple Rasa – небольшой водородный автомобиль родом из Великобритании. Его главной особенностью стал небольшой вес (чуть более 500 кг) и внушительный запас хода – порядка 500 км.

Кроме того, производители продолжают представлять «водородные» концепт-кары, среди которых — Audi H-tron Quattro, водородный Mercedes GLC, грузовик Nikola One от Nikola Motor, суперкар h4 Speed от дизайнерского дома Pininfarina и многие другие.Несмотря на ряд недостатков, водород может стать наиболее перспективным источником экологически чистой энергии на ближайшие 30-40 лет. Нам лишь осталось найти эффективный метод добычи водорода и разработать инфраструктуру для его доставки конечному потребителю, и тогда человечество навсегда забудет не только о топливном, но и об экологическом кризисе.

Видео о двигателе на воде:

Теги

Советы автомобилистам Статья о водородном моторе: история, особенности его эксплуатации, плюсы и минусы использования, модели автомобилей. В конце статьи — видео о двигателе на воде.

Интересные статьи:

Принцип работы водородного двигателя для автомобиля

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

Краткая история создания

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

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

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

Принцип работы водородного двигателя

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

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

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

Водородные топливные элементы

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

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

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

Устройство водородного двигателя внутреннего сгорания

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

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

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

Минусы водородного мотора

Водородные двигатели для автомобилей при всех плюсах не лишены недостатков:

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

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

Видео о том как работает водородный двигатель

Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы

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

Хорошей альтернативой бензину может стать водородный двигатель

Сегодня ведут исследования и другие компании, среди них:

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

Машины на водородном двигателе можно разделить на три группы:

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

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

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

Достоинства водородного двигателя:

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

Недостатки водородного двигателя:

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

Водородные топливные элементы

В разные годы водородные топливные элементы использовались:

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

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

Авто на водороде

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

Водородные двигатели будущего

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

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

Укажите насколько полезна была Вам эта статья!!!:

Смотрите также

Марки внедорожников значки и названия фото
Фото степвей 2
Дизельные двигатели м 40
Ремонт бензиновых двигателей
Минивэн для семьи
Новый дженезис 2019
Когда выйдет новый порше кайен 2019
Замена ксеноновых ламп своими руками
Наблюдает ли за мной кгб
Можно ли сделать осаго на 3 месяца в 2019
Самая медленная машина

Прорыв в области водородных топливных элементов «более эффективен, чем дизельные двигатели»

Стартап на водородных топливных элементах заявил, что его новейшая технология обеспечивает лучшую экономию топлива, чем дизельный двигатель.

Канадская компания Loop Energy представила свой новый водородный топливный элемент на конференции IAA Transportation 2022 в Германии на этой неделе, заявив, что это является «вехой» в переходе транспортной отрасли на экологически чистые источники энергии.

При текущем уровне цен на топливо коммерческий грузовик, оснащенный водородным топливным элементом S1200, может проехать 179км (111 миль) с топливом на 100 долларов по сравнению со 175 км для дизельного грузовика с таким же количеством топлива.

«Это еще один знак для транспортной отрасли, что отказ от ископаемого топлива должен произойти сейчас», — сказал Бен Найланд, генеральный директор Loop Energy, The Independent .

«Водородно-электрические грузовики уже ездят по нашим дорогам, и мы ожидаем, что в ближайшие годы они станут более распространенными, особенно в отрасли коммерческих автомобилей, которая быстро осваивает эту технологию как шаг вперед».

Водородные топливные элементы работают путем объединения водорода и кислорода для выработки электроэнергии, при этом единственными побочными продуктами являются вода и небольшое количество тепла.

Несколько ведущих производителей транспортных средств вложили значительные средства в технологию для грузовых автомобилей, стремясь перейти на транспорт с нулевым уровнем выбросов.

Альтернативные аккумуляторные технологии в настоящее время считаются слишком тяжелыми для коммерческих автомобилей средней и большой грузоподъемности, хотя автопроизводители, такие как Tesla, построили грузовики, полностью работающие от аккумуляторов.

Делая новую систему экономически эффективной альтернативой ископаемому топливу, новая система, разработанная Loop Energy, преодолевает одну из основных проблем, связанных с массовым внедрением технологии водородных топливных элементов.

Однако по-прежнему остается одно серьезное препятствие: заправочная инфраструктура для водородных транспортных средств крайне слабо развита в Великобритании и большинстве европейских стран за пределами Германии.

Регистрация — это бесплатный и простой способ поддержать нашу действительно независимую журналистику. 0003

Электронная почта

Пожалуйста, введите действительный адрес электронной почты

Пароль

Должно быть не менее 6 символов, включая символы верхнего и нижнего регистра и цифру

Должно быть не менее 6 символов, включая символы верхнего и нижнего регистра и цифра

Должно быть не менее 6 символов, включая символы верхнего и нижнего регистра и цифру

Имя

Пожалуйста, введите ваше имя

Специальные символы не допускаются

Please enter a name between 1 and 40 characters

Last name

Please enter your last name

Special characters aren’t allowed

Please enter a name between 1 and 40 characters

Select your year of birth3004200320022001200019991998199719961995199419931992199119

9198819871986198519841983198219811980197919781977197619751974197319721971197019691968196719661965196419631962196119601959195819571956195519541953195219511950194919481947194619451944194319421941194019391938193719361935193419331932193119301929192819271926192519241923192219211920191919181917191619151914

You must be over 18 years old to register

Year of birth

I would like to be emailed about offers, events and updates from The Independent.
Прочитайте наше Уведомление о конфиденциальности

Политика отказа

Вы можете отказаться в любое время, войдя в свою учетную запись для управления своими предпочтениями. В каждом письме есть ссылка для отписки. 9verifyErrors}} {{message}} {{/verifyErrors}}

Нажимая «Создать мой аккаунт», вы подтверждаете, что ваши данные были введены правильно, вы прочитали и согласны с нашими Условиями использования, Политикой в отношении файлов cookie и Уведомлением о конфиденциальности.

Этот сайт защищен reCAPTCHA, к нему применяются Политика конфиденциальности Google и Условия использования.

Уже есть учетная запись? войти

Нажимая «Зарегистрироваться», вы подтверждаете, что ваши данные были введены правильно, а также вы прочитали и согласны с нашими Условиями использования, Политикой использования файлов cookie и Уведомлением о конфиденциальности.

Этот сайт защищен reCAPTCHA, к нему применяются Политика конфиденциальности Google и Условия использования.

Регистрация — это бесплатный и простой способ поддержать нашу по-настоящему независимую журналистику. действительный адрес электронной почты

Пожалуйста, введите действительный адрес электронной почты

Пароль

Должно быть не менее 6 символов, включая символы верхнего и нижнего регистра и цифру

Должно быть не менее 6 символов, включая буквы верхнего и нижнего регистра и цифру

Имя

Пожалуйста, введите ваше имя

Специальные символы не допускаются

Пожалуйста, введите имя от 1 до 40 символов

Фамилия

Пожалуйста, введите вашу фамилию

Специальные символы не разрешены

Пожалуйста, введите имя от 1 до 40 символов

Select your year of birth3004200320022001200019991998199719961995199419931992199119

You must be over 18 years old to register

You must be over 18 years old to register 9verifyErrors}} {{message}} {{/verifyErrors}}

Этот сайт защищен reCAPTCHA, к нему применяются Политика конфиденциальности Google и Условия использования.

Уже есть учетная запись? войти

Этот сайт защищен reCAPTCHA, к нему применяются Политика конфиденциальности Google и Условия использования.

Проверка эффективности водородно-дизельного двигателя | Mass Flow

Стремясь сократить выбросы углерода в транспортном секторе, Европейская комиссия работает над сокращением выбросов CO ₂ в транспортном секторе на 37,5% в течение следующих 10 лет. Перспективным подходом является сосредоточение внимания на разработке альтернативных видов топлива и технологий для замены парниковых интенсивных технологий. Если бы двигатели с искровым зажиганием были заменены чистыми дизельными двигателями, CO ₂ выбросы могут снизиться на 15 %, а общий расход топлива снизится.

Однако экологически чистые дизельные двигатели более сложны и дороги, чем двигатели с искровым зажиганием. Для поддержки технологии в переходный период крайне важно разработать устойчивые и доступные виды топлива. Одним из таких решений является смешивание водородного топлива с традиционным дизельным топливом. Многие группы успешно внедряют это решение, в том числе Политехнический университет Бухареста (UPB). Здесь мы оценим их исследования по дополнению дизельного топлива водородом.

Результаты исследований

Основная цель исследования группы состояла в том, чтобы изучить, как добавление водорода в дизельное топливо влияет на его энергетические характеристики. Они обнаружили, что добавление в дизельный двигатель водорода привело к повышению эффективности двигателя на 5,3% при одновременном снижении выбросов CO ₂ , углеводородов, NOx и выбросов дыма. Эти результаты подтверждают эффективность использования водорода как способа сделать дизельное топливо более чистым и эффективным.

Достижение оптимальной смеси дизельного топлива, водорода и воздуха для получения кислорода для реакции — это тонкий баланс максимальных давлений, температур сгорания и теплового КПД в диапазоне нагрузки двигателя.

Обсуждение

Водород — многообещающий способ повысить эффективность дизельного двигателя без необходимости значительных изменений конструкции двигателя. Однако масштабное внедрение водорода сопряжено с проблемами.

Первая проблема заключается в том, что водород плохо смешивается с дизельным топливом, а для хранения чистого водорода требуются условия высокого давления или криогенные условия. Водород также имеет высокую склонность к утечке из-за его небольшого размера и низкой плотности. Утечки обходятся дорого и ставят под угрозу безопасность операторов. Наконец, переход на водород действительно эффективен только в том случае, если водород производится устойчиво. Использование водорода, полученного из ископаемого топлива, без улавливания и утилизации углерода в конечном итоге сведет на нет все преимущества.

Концепция повышения КПД дизельного двигателя кажется привлекательной, однако это не простое и быстрое решение. Эффективное внедрение водорода будет дорогостоящим и потребует больших усилий, что снизит вероятность его широкомасштабного внедрения. Это, в дополнение к проблемам истощения ископаемого топлива и различных форм налогообложения выбросов углерода, означает, что может быть более практичным инвестировать в систему, работающую исключительно на возобновляемых источниках энергии.

Испытательная установка

Во время эксперимента массовый расходомер Alicat использовался для контроля потока водородной линии в испытательный стенд двигателя. Этот блок использовался вместе с водородным инжектором, а также с регулятором потока воздуха и дизельного топлива, чтобы получить желаемое соотношение смеси дизельного топлива, водорода и воздуха. Добавление водорода в количестве 0-20% было протестировано с шагом 5% в диапазоне нагрузок двигателя, чтобы определить эффективность различных смесей в условиях работы двигателя, а также контролировать давление в двигателе. Присоединенный газоанализатор затем позволял анализировать уровни выбросов и составные части в различных условиях эксплуатации.

Для проверки эффективности в различных условиях эксплуатации использовалась новая установка. Инфраструктура управления ПЛК связывалась с различными инструментами для обеспечения точного соотношения топлива. Цикловое количество дизельного топлива было уменьшено за счет увеличения расхода водорода, чтобы сохранить выходную тормозную мощность на уровне штатной заправки. Таким образом, были установлены различные потоки водорода, чтобы изменить соотношение энергетического замещения. Таким образом, обеспечивается наилучшая корреляция между режимом работы двигателя, циклическими количествами топлива, пиковым давлением в цилиндрах, уровнями выбросов загрязняющих веществ и температурой выхлопных газов для высокой эффективности двигателя при использовании водорода.

Приборы для испытаний двигателей

Стабильное и надежное измерение рабочих условий имеет первостепенное значение для получения надежных результатов при испытаниях двигателей. Считывание потока в миллисекундах, повторяемость ±0,1% и интеграция с рядом протоколов связи обеспечивают плавное и прямое тестирование. Диапазоны измерения до 0,01 % от полной шкалы приборов в сочетании с более чем 98 предварительно запрограммированными калибровками по газам и встроенным программным обеспечением COMPOSER для хранения 20 определяемых пользователем газовых смесей также являются ценными активами на этапе экспериментов в области исследований и разработок двигателей. Это устраняет зависимость от поправочных коэффициентов (k-факторов) при переключении газов и уменьшает количество линий и комплектов приборов, необходимых для охвата широких рабочих диапазонов. Кроме того, постоянная визуальная обратная связь о линейном расходе и давлении на встроенном дисплее устройства может использоваться для легкого локального изменения заданных значений и газовых смесей с помощью элементов управления на передней панели.

Свяжитесь с инженером по применению, чтобы обсудить ваш процесс

Водород — новый дизель

Электроэнергия от электросети. По мере того, как водородная технология начинает проникать на все большее число рынков электромобилей и стационарных источников энергии, возникает вопрос: «Является ли водород новым дизельным топливом?» Давайте посмотрим на это с нескольких разных точек зрения и посмотрим, сможем ли мы лучше понять вопрос и прийти к ответу.

Как сегодня используется дизельное топливо и почему?

По данным Управления энергетической информации США (EIA), «большинство продуктов, которые мы используем, перевозится грузовиками и поездами с дизельными двигателями, и большинство строительных, сельскохозяйственных и военных транспортных средств и оборудования также имеют дизельные двигатели». Дизельное топливо также используется в генераторах внутреннего сгорания, которые обеспечивают резервным питанием всевозможные промышленные объекты, большие здания, оборудование вышек сотовой связи, больницы и электростанции.

В прошлые десятилетия автомобили с дизельным двигателем считались грязными и вонючими, но автопроизводители усердно работали и добились прогресса: «чистый дизель» стал популярным, и многие стали считать дизель лучше бензина во многих случаях использования. По данным Bell Performance, клиенты, которые проезжают много миль по шоссе — например, автопарки и дальнобойщики — часто предпочитают дизельные двигатели бензиновым, потому что дизель на дорогах на 30 процентов эффективнее, чем газовые двигатели. Дизельные автомобили также имеют тенденцию быть более долговечными и требуют меньшего обслуживания из-за меньшего количества компонентов, чем бензиновые двигатели.

Увы, «меньше выбросов» по-прежнему являются опасными выбросами. По данным Агентства по охране окружающей среды США, «выбросы парниковых газов (ПГ) от транспорта составляют около 28 процентов от общего объема выбросов парниковых газов в США, что делает его крупнейшим источником выбросов парниковых газов в США. В период с 1990 по 2018 год выбросы парниковых газов в транспортном секторе увеличились в абсолютном выражении больше, чем в любом другом секторе».

И это даже без учета выбросов, образующих смог, называемых NOx и твердыми частицами. На ранних этапах изоляции нынешней пандемии мир увидел разницу, вызванную отсутствием этих выбросов в нашей атмосфере. В прошлом году мы немного углубились во все это.

Расцвет аккумуляторных электромобилей и его ограничения

Познакомьтесь с аккумуляторными электромобилями (BEV), которые обладают многими преимуществами дизельных автомобилей, но при этом не выделяют вредных веществ. В июне 2020 года компания «Интересный инжиниринг» опубликовала статью, в которой сравниваются эти два метода с некоторыми интересными, но не неожиданными результатами: «Если мы говорим о выбросах углерода, эффективности использования топлива, шумовом загрязнении и качестве воздуха, то электромобили явно выигрывают. Если же речь идет о крутящем моменте или начальной цене, то победят автомобили с дизельным двигателем».

Самой большой проблемой с точки зрения эффективности для бизнеса является запас хода, а для резервного питания — время работы. Поскольку BEV приводит в движение более крупные транспортные средства, используемые в парках всех видов, пространство, обычно отведенное под груз, используется для хранения аккумуляторов, чтобы получить необходимый запас хода, что значительно снижает показатель эффективности и увеличивает стоимость. То же самое можно сказать и о стационарном питании с использованием аккумуляторов: чтобы увеличить время работы объекта во время длительного простоя, необходимо приобрести и хранить на месте больше аккумуляторов, занимая ценную арендованную площадь и увеличивая расходы.

Тем не менее, изменение климата реально, и страны действуют соответствующим образом. В статье Yale Environment 360 говорится: «В течение следующего десятилетия 24 европейских города с общей численностью населения 60+ миллионов человек введут запрет на дизельные автомобили. Большое количество стран, в том числе Франция и Китай, следуют этому примеру».

Таким образом, несмотря на то, что у электромобилей явно есть проблемы с запасом хода при транспортировке и временем автономной работы, возврат к дизельному топливу не может быть решением.

Почему водород и может ли он конкурировать с дизельным топливом?

Водород предлагает интересное решение. Двигатели на водородных топливных элементах ЯВЛЯЮТСЯ электрическими двигателями и обладают всеми преимуществами, которые они предлагают: работа с нулевым уровнем выбросов, меньшее количество движущихся частей, превосходный крутящий момент, меньшее техническое обслуживание. Но самое главное, водород решает проблему запаса хода и времени автономной работы, потому что он действует как дизель в том смысле, что закачивается в накопительную емкость за считанные минуты и занимает гораздо меньше места, чем аккумуляторы, восстанавливая грузоподъемность транспортных средств и небольших площадок. место для стационарного питания.

Когда генерального директора Plug Power Энди Марша спросили в программе Mad Money на канале CNBC, является ли водород новым дизельным топливом, он ответил: «Вы посмотрите на Amazon и Walmart, у которых есть цели в области устойчивого развития на 2030 и 2040 годы, и они стремятся избавиться от выбросов углерода, и вот на самом деле это только один из способов перевозки на дальние расстояния или чего-либо более чем на 125 миль, и это использование топливных элементов. Когда я думаю о зеленом водороде по 3 доллара за килограмм, его производство стоит около 2 долларов; вы можете видеть, что зеленый водород продается по 6 или 7 долларов и сегодня он конкурентоспособен с дизельным топливом».

Заключительные мысли

Существует ряд причин, по которым водород может заменить дизельное топливо. Его способность отражать многие преимущества дизельного топлива, в том числе запас хода и время заправки, при значительном снижении выбросов от скважины до колес и снижении затрат на техническое обслуживание — это только первый залп. Тем не менее, несмотря на то, что дизельные двигатели эксплуатируются десятилетиями, водородные топливные элементы находятся в относительном запустении. Еще предстоит определить, действительно ли водород станет новым дизелем, но одно можно сказать наверняка — промышленность взяла на себя цель.

Источник: Plug Power

Новая платформа Cummins для двигателей внутреннего сгорания с водородным двигателем принимает дизельные двигатели

С натиском электрификации и аккумуляторных электромобилей (BEV) многие предсказывают конец двигателей внутреннего сгорания. Но некоторые производители применяют другой подход к снижению парникового эффекта, используя водород в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Компания Cummins анонсировала два новых варианта водородных двигателей, основанных на новой платформе, полностью не зависящей от топлива. Над прокладкой головки блока цилиндров компоненты меняются в зависимости от типа топлива. Под прокладкой головки будет короткий блок, общий для всех вариантов.

В Японии, например, консорциум OEM-производителей, включая Mazda, Yamaha, Toyota и Kawasaki, объединился для разработки водородных решений для ДВС. Тем временем некоторые компании, в том числе Cummins, занялись водородным бизнесом в Северной Америке. Cummins недавно объявила, что тестирует два варианта с водородным двигателем для рынков средней и большой мощности.

Компания Cummins считает, что транспортная отрасль должна разработать несколько решений для удовлетворения потребностей дорожного и внедорожного использования из-за большого разнообразия приложений и рабочих сред. Считается, что BEV непрактичны для многих из этих тяжелых приложений. Именно здесь водород может стать более практичным выбором для OEM-производителей в будущем.

Больше всего выбросов углекислого газа в атмосферу производит транспортная отрасль. Cummins считает, что к концу десятилетия сможет расширить масштабы двигателей внутреннего сгорания на водороде.

Zero Carbon

В июле прошлого года компания Cummins объявила о начале испытаний технологии внутреннего сгорания водорода (ДВС). С тех пор компания достигла целей по мощности и крутящему моменту (более 810 фунт-фут крутящего момента и 290 лошадиных сил от двигателя средней мощности с целью достижения 500 лошадиных сил и более 1000 фунт-фут крутящего момента для более новых прототипов). Помните, что Cummins имеет значительное глобальное производственное присутствие, поэтому компания может быстро масштабировать производство после устранения ошибок.

По словам Cummins, платформа двигателя будет «решением с нулевым выбросом углерода для различных рынков». Компания намерена производить водородные двигатели внутреннего сгорания объемом 15,0 и 6,7 литров, полагая, что эти двигатели являются фаворитом рынка и позволят ему принять меры и сократить выбросы парниковых газов в этом десятилетии.

Двигатели, работающие на водороде, могут быть внедрены с более низкой начальной стоимостью, чем водородные топливные элементы или BEV, с лишь незначительными модификациями современных транспортных средств. OEM-производители, выходящие на рынок водородного топлива, также могут извлечь выгоду из раннего внедрения и масштабирования транспортных средств с водородным двигателем, поскольку такие функции, как расширенный диапазон транспортных средств, быстрая заправка, унифицированность трансмиссии и знакомство с пользователями, привлекают клиентов.

«Большегрузные грузоперевозки имеют решающее значение для мировой экономики и являются одним из секторов экономики, которые трудно ослабить». — Дэрил Уилсон, исполнительный директор Совета по водороду.

«Мы воодушевлены прогрессом Cummins в разработке двигателей внутреннего сгорания, работающих на водороде, и надеемся на дальнейшие достижения, которые помогут нам достичь рентабельной декарбонизации экономики во всем мире», — говорит исполнительный директор Hydrogen Council Дэрил Уилсон

Компания Cummins делает ставку на сжигание водорода в краткосрочной перспективе, потому что машины средней и большой грузоподъемности с гораздо большей вероятностью перейдут на это топливо, когда оно станет доступным. По мнению Cummins, в ближайшее десятилетие автобусы и магистральные грузовики, работающие на водороде, станут обычным явлением. Cummins полагает, что если водород сможет расти на этом рынке и станет предпочтительным топливом для клиентов с большой нагрузкой, он станет дополнением к электрическим автобусам и грузовикам, которые экономически и эксплуатационно жизнеспособны для определенных областей применения.

Другие приложения, такие как строительная техника, сельскохозяйственная техника и даже корабли, могут вскоре присоединиться к миссии водородных двигателей. Скорее всего, это приложения, которые трудно электрифицировать из-за их требований к использованию, и уже есть варианты, работающие на различных газообразных топливах.

Черная крышка клапана и маркировка «X15N» указывают на то, что этот двигатель X15 сконфигурирован для работы на природном газе.

ОЗУ Жесткая?

Водородный двигатель внутреннего сгорания физически подходит для современных грузовиков и работает с современными трансмиссиями. Они также будут легко интегрироваться в существующие в отрасли сервисные сети и практики. Для поклонников грузовиков RAM водородный двигатель Cummins объемом 6,7 л идеально подойдет для одной из их тяжелых моделей пикапов. Похоже, что Stellantis настроена оптимистично и в отношении водорода, так как намекнула на запуск этого топлива уже в 2024 году.

Компания Cummins планирует использовать свою новую платформу двигателей, не зависящих от топлива, для содействия развитию двигателей внутреннего сгорания на водороде. 6,7-литровые и 15-литровые двигатели будут иметь оптимизированные головки блока цилиндров с гибкими системами верхних распредвалов, которые можно менять местами в зависимости от используемого топлива (например, природного газа, дизельного топлива или водорода). Головки, предназначенные для работы с водородом, будут предлагать улучшенное охлаждение и сниженное трение, чтобы обеспечить более эффективную и более высокую удельную мощность платформы. Изменения между видами топлива теоретически будут меняться только над прокладкой головки блока цилиндров.

По словам Шриканта Падманабхана, президента подразделения двигателей Cummins, было слишком много ограничений и других компромиссов, связанных с преобразованием дизельного двигателя или двигателя, работающего на природном газе, в водород, поэтому возникла необходимость в новой платформе.

«[Мы] разработали усовершенствованную оптимизированную камеру сгорания для смешивания топлива, движения заряда и создания турбулентности, что, по нашему мнению, имеет решающее значение для быстрого сгорания водорода, чтобы максимизировать удельную мощность и эффективность», — объясняет Падманабхан. «Также важно отметить, что эта система сгорания будет синергетически работать с нашими высокоэффективными двигателями нового поколения, работающими на природном газе».

CNG Experience

Имея многолетний опыт работы с двигателями, работающими на природном газе, Падманабхан добавляет, что Cummins готов к вызову водородного ДВС по мере того, как отрасль переходит на нулевой выброс углерода.

Cummins в настоящее время тестирует прототип водородных двигателей мощностью 500 лошадиных сил и крутящим моментом 1000 фунт-футов для сегмента большегрузных автомобилей.

«Запуск водородного двигателя также приносит пользу другим путям достижения будущего с нулевым выбросом углерода, таким как водородные топливные элементы», — говорит он. «Создав жизнеспособный вариант использования и спрос на водород в ближайшей перспективе, мы можем ускорить создание водородной инфраструктуры и увеличить масштабное производство резервуаров для хранения транспортных средств. Оба достижения необходимы для широкого внедрения силовых агрегатов на топливных элементах».

Джим Небергалл, генеральный директор подразделения водородных двигателей Cummins, говорит, что их клиенты положительно отреагировали на эту новую инициативу, поскольку водородная платформа ДВС основана на знакомых компонентах. «Эти двигатели выглядят как двигатели, звучат как двигатели и подходят для обычных двигателей».

В мае компания представила свой 15-литровый водородный двигатель на выставке ACT Expo в Лонг-Бич, Калифорния. Он будет построен на платформе, не зависящей от топлива, где в двигателях используются аналогичные компоненты под прокладкой головки блока цилиндров. Над прокладкой головки каждый из них имеет разные характеристики для разных типов топлива. Ожидается, что 15-литровая версия будет запущена в серийное производство в 2027 году. 6,7-литровый двигатель может быть запущен в производство уже в 2023–2024 годах.

Транспортные средства на водородных топливных элементах

Ханну Яаскеляйнен

ПРОЕКТ рукописи в разработке. Пожалуйста, не цитируйте и не цитируйте!
Этот документ все еще редактируется или находится на рассмотрении. Окончательный вариант может существенно отличаться.

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Введение
Топливные элементы

Введение

Часто возникает вопрос: «Есть ли жизнеспособные альтернативы дизельному двигателю?» Рисунок 2, адаптированный из исследования Chrysler Corporation [403] , показывает, что существует несколько альтернативных силовых установок, которые могут соответствовать эффективности дизельного двигателя с непосредственным впрыском.

Рисунок 2. Эффективность преобразования энергии нескольких силовых установок

Следует отметить, что на рисунке 2 занижен пиковый тепловой КПД тормозов (BTE) дизельного двигателя. Пиковый показатель BTE дизельного двигателя малой грузоподъемности обычно составляет около 42%. Коммерческие дизельные двигатели большой мощности имеют пиковый BTE около 43%, в то время как программа SuperTruck Министерства энергетики США показала, что более 47% BTE возможно только при изменении двигателя, в то время как добавление таких технологий, как рекуперация отходящего тепла, может еще больше увеличить BTE выше. 50% [3083] . Низкоскоростные дизельные двигатели имеют еще более высокий BTE в диапазоне 55%.

Топливные элементы

Исторически сложилось так, что сэру Уильяму Гроуву приписывают создание первого топливного элемента в 1839 году. Однако он не мог производить достаточно энергии, чтобы конкурировать с другими источниками энергии, доступными в его время [395] . В 1930-х годах, примерно 100 лет спустя, Фрэнсис Бэкон добился значительных технических успехов в технологии топливных элементов. К 1959 году, после 27 лет исследований и разработок, он смог создать систему топливных элементов мощностью 5 кВт, которая приводила в действие вилочный погрузчик. С этого скромного начала топливные элементы получили дальнейшее развитие и использовались в различных военных целях. Они используются для обеспечения энергией систем жизнеобеспечения на борту космических челноков, электроснабжения домов и предприятий, а также в качестве двигательных установок для транспортных средств.

Топливные элементы — это электрохимические устройства, использующие водород и кислород для производства электроэнергии. Их побочным продуктом является вода, и они отводят тепло в результате процесса химической конверсии. В отличие от аккумуляторов, которые необходимо периодически перезаряжать, топливные элементы могут вырабатывать энергию до тех пор, пока к ним подается топливо и окислитель.

В основе топливного элемента лежит твердый электролит, состоящий из протонпроводящей пластиковой фольги, прото-обменной мембраны (ПЭМ), как показано на рисунке 15. Эта фольга покрыта платиновым катализатором, а электрод изготовлен из газопроницаемой графитовой бумаги. . Графитовые биполярные пластины, в которых профилированы тонкие газовые каналы, расположены по обеим сторонам катализатора. Водород подается по каналам с одной стороны мембраны (твердый электролит), а воздух поступает по каналам с другой стороны электролита. Водородная сторона обозначается как анод (отрицательная полярность), поскольку платиновый катализатор по существу ионизирует молекулы водорода на аноде, превращая их в отрицательно заряженные электроны и ионы водорода (протоны), которые мигрируют через электролит к катоду. Кислород проходит через второй электрод, где он соединяется с водородом, образуя водяной пар, который в конечном итоге выходит из силовой установки. В результате возникает электрическое напряжение между отрицательным выводом анода и положительным выводом катода. Стопки электродов, зажатых между протонообменными мембранами, используются для выработки мощности, необходимой для данного приложения.

Рисунок 15. Функциональная схема топливного элемента

Альтернативой протонообменным мембранам является твердооксидная технология, используемая в основном для приложений с высокой мощностью, таких как промышленные и крупные электростанции. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) используют керамику вместо жидких или сухих электролитов. Рабочая температура может достигать 980°C (1800°F), а тепловой КПД вполне возможен на уровне 60%. В свое время многие наблюдатели считали, что ТОТЭ станут жизнеспособной альтернативой для автомобильных приложений.

Помимо относительно простой концепции, топливный элемент все еще сталкивается со многими проблемами, прежде чем его можно будет считать коммерчески жизнеспособной силовой установкой для использования в автомобилях. Важным вопросом, который необходимо решить, является то, какое топливо, скорее всего, будет источником энергии для будущих топливных элементов. Водород кажется очевидным выбором, и, по крайней мере теоретически, существует много воды для производства водородного топлива путем электролиза.

Рисунок 16. Заправка топливного элемента — варианты и последствия

Однако процесс получения водорода из воды электролизом является энергоемким и, по-видимому, противоречит цели экономичного преобразования энергии для транспортировки. Одним из наиболее экономичных способов производства водорода является паровая конверсия метана с метаном, полученным из природного газа. Фактически это основной способ промышленного производства водорода в больших масштабах. Процесс производит выбросы CO ₂ из углерода, содержащегося в метане.

Некоторые считают, что наиболее экологически и экономически обоснованный способ получения водородного топлива — это использование гидроэлектроэнергии или солнечной энергии в процессе электролиза; только тогда он будет экологически ответственным и, возможно, экономически выгодным. Следовательно, как показано на рис. 16, производство водорода для будущих транспортных средств, работающих на топливных элементах, потребует дальнейшего развития 9.0323 [396] .

Другой вариант, получение водорода из метанола, потребует очистки топлива на борту с использованием устройства, известного как реформатор. Среди преимуществ использования метанола наиболее привлекательной должна быть перспектива низкого уровня выбросов CO ₂ (по оценкам, на 30% меньше, чем у современных обычных двигателей внутреннего сгорания). За этим следует тот факт, что метанол производится из природного газа, который доступен в больших количествах во многих регионах мира. Кроме того, метанол можно производить из возобновляемых источников, таких как органические отходы или древесные отходы. Несмотря на то, что инфраструктуры распределения метанола в настоящее время не существует, его можно было бы распределять через другие существующие сети, такие как заправочные станции, какими мы их знаем сегодня.

Наименее желательным топливом для топливного элемента является бензин. Также требуется встроенный процесс очистки с использованием более сложной установки риформинга, чем у метанола. Чтобы сбалансировать этот основной недостаток, бензиновую инфраструктуру следует считать одним из наиболее значительных преимуществ этого топлива. Однако известное нам бензиновое топливо, возможно, придется коренным образом изменить, чтобы стимулировать образование больших количеств водорода из установки риформинга разумного размера.

Хотя в 19-м веке вокруг топливных элементов было много ажиотажа.В 90-х/начале 2000-х это настроение было смягчено многочисленными вызовами. Выбор топлива, функциональность и эффективность установки риформинга, обращение с топливом и инфраструктура, безопасность, забота об окружающей среде, токсичность, загрязнение грунтовых вод, топливная экономичность, производительность и признание потребителей — вот лишь некоторые из тем, которые одновременно бросают вызов и обещают эту концепцию.

Помимо более широких проблем инфраструктуры, существует проблема долговечности топливных элементов, стоимости и диапазона транспортных средств. Таблица 2 иллюстрирует статус заявки на городской автобус, о которой сообщалось в 2013 г. [3090] . Один из способов увеличить запас хода автомобиля на топливных элементах — использовать его как PHEV, где электричество от топливного элемента дополняется электричеством из сети.

0393 years/miles 9 Стоимость0405 b

**Таблица 2**
Целевые показатели производительности, стоимости и долговечности DOE/FTA для блоков FCEB
Параметр		Июль 2013 г. Статус	Цель на 2016 г.	Конечная цель
Срок службы шины		12/500,000	12/500,000
Power plant lifetime ^a	hours	13,000 (single bus)	18,000	25,000
Bus availability	%	69% сред.	85	90
Заправки топливом	в сутки		1 (< 10 мин)	1 (< 10 мин) 3 Автобус 3	$	1,000,000	600,000
Roadcall frequency (bus/fuel cell system)	miles between roadcalls	2,728/11,043	3,500/15,000	4,000/20,000
Время работы	часов в день/дней в неделю		20/7	20/7
Стоимость планового и внепланового обслуживания ^c	$/миля 7	0,75	0,40
Диапазон	миль	250 ср. (автобусы подключаются к сети на ночь, чтобы увеличить запас хода — т. е. PHEV. Запас хода ~160 миль без функции PHEV)	300	300
	8	8
^a Силовая установка определяется как система топливных элементов и аккумуляторная система. ^b Стоимость прогнозируется при объеме производства 400 систем в год. Этот объем производства предполагается только для целей анализа и не представляет собой ожидаемый уровень продаж. ^c Исключая средний капитальный ремонт электростанции.

Статус коммерциализации. Что касается легких грузовых автомобилей, то с 2008 года Honda и Daimler выпускают автомобили FCV в ограниченном количестве. К середине 2010-х годов ряд производителей автомобилей заявили, что они начнут коммерческое производство автомобилей на топливных элементах в 2015-2020 годах [3091] [3220] . Эти автомобили включают внедорожник Hyundai Tucson Fuel Cell, который стал доступен в 2014 году в Южной Калифорнии, Toyota Mirai, продажи которой в Калифорнии должны поступить в конце 2015 года, и концепт Honda FCV, запуск которого запланирован на 2016 год в Японии. GM и Honda также сотрудничает над транспортным средством, которое должно быть запущено примерно в 2020 году. Однако цена этих транспортных средств остается очень высокой по сравнению с сопоставимыми транспортными средствами без топливных элементов. В 2014 году Toyota сообщила, что ее легковой автомобиль на топливных элементах будет стоить около 7 миллионов иен (около 70 000 долларов США), когда он поступит в продажу в Японии в 2015 году. В 2015 году стоимость Hyundai Tuscon, как сообщалось, составляла 85 миллионов вон (около 78 000 долларов США) [3221] . Даже при значительных субсидиях эти автомобили понравятся очень ограниченному кругу пользователей.

Инфраструктура заправки водородом имеет решающее значение для легковых автомобилей на топливных элементах. В начале 2015 года сообщалось, что во всем мире существует 51 водородная заправочная станция, и ряд дополнительных станций планируется открыть позже в том же году [3221] . В таблице 3 приведено предполагаемое количество водородных станций, которые будут доступны к 2020 году.

**Таблица 3**
Расчетное количество водородных заправок к 2020 году
Country	Hydrogen Refueling Stations
Japan	2015: 45 2016: 100
Germany	2015: 14-16 2016: 50
South Korea	2015 : 11 2020: 100
Северная Америка	2015: 12 (11 в Калифорнии) 2020: 115 (100 в Калифорнии)

Что касается большегрузных автомобилей, то в 2014 году на рынке было доступно 7 дорожных транспортных средств на топливных элементах: три тягача (т. е. для тягачей с прицепом), три транзитных автобуса и маршрутный автобус [3220] .

###

Система впрыска водородного топлива Liebherr для двигателей внутреннего сгорания

Подразделение Liebherr по производству топливных систем занимается разработкой водородных топливных систем с непосредственным впрыском низкого давления для двигателей внутреннего сгорания. (Фото: Либхерр)

Нет никаких сомнений в том, что в долгосрочной перспективе водород рассматривается как топливо будущего для мобильных и стационарных приложений. В конечном счете, это рассматривается как вспомогательная технология, стоящая за топливными элементами.

Еще недавно водород также рассматривался в качестве возможного топлива для новых поколений двигателей внутреннего сгорания с низким или нулевым

o содержанием углерода. Многие считают, что двигатели внутреннего сгорания на водороде могут служить промежуточной технологией до тех пор, пока топливные элементы не будут полностью готовы к прайм-тайму, обеспечивая значительное сокращение выбросов на знакомой платформе и делая это с меньшими затратами, чем топливные элементы или аккумуляторные электрические системы.

Чтобы это произошло; тем не менее, ряд систем двигателя необходимо будет адаптировать или доработать, чтобы они могли работать на h3, и, возможно, наиболее важными из них являются системы впрыска топлива.

Одной из компаний, которая принимала активное участие в разработке водородных топливных систем, является Liebherr со своим оборудованием для впрыска топлива. Подразделение топливных систем компании уже несколько лет работает над системами впрыска водорода для двигателей внутреннего сгорания и уже проводит испытания своей технологии непосредственного впрыска под низким давлением (LPDI) в реальных условиях.

«В настоящее время мы наблюдаем большой интерес со стороны OEM-производителей и клиентов к двигателям внутреннего сгорания на водороде, — сказала Стефани Герхардт, управляющий директор подразделения топливных систем Liebherr. «Мы также видим, что федеральное законодательство направлено на снижение выбросов CO2.

«В настоящее время мы наблюдаем большой интерес OEM-производителей и клиентов к водородным двигателям внутреннего сгорания». — Стефани Герхардт, Liebherr Fuel Systems

«Существует также интерес, потому что с двигателем внутреннего сгорания h3 многие компоненты могут быть заимствованы из существующих дизельных двигателей, и существующие производственные мощности могут продолжать использоваться. Некоторые конструкции двигателей, возможно, придется изменить из-за использования водорода».

Система впрыска водородного топлива

Усилия компании Liebherr по разработке были сосредоточены на дизельных топливных системах для двигателей большой мощности рабочим объемом от 7 до 100 л. Не случайно эти рабочие объемы подходят для большинства двигателей, используемых на дорогах и бездорожье.

«Сегодня базовая конструкция дизельного двигателя может использоваться в обоих типах приложений», — сказал Герхардт. «Это также станет возможным с будущими двигателями внутреннего сгорания на водороде. При разработке водородных топливных систем мы учли эти специфические требования в наших решениях».

Усилия компании по разработке LDPI были сосредоточены на форсунках с давлением впрыска от 30 до 60 бар (от 435 до 870 фунтов на кв. дюйм). Инжектор может использоваться как часть системы Common Rail в двигателе с искровым зажиганием или также может быть частью двухтопливной системы с дизельным или синтетическим «электронным топливом», используемым для пилотного впрыска и воспламенения водорода.

«Наша технология низкого давления — это технология искрового зажигания», — сказал Герхардт. «Но эту технологию также можно использовать с двухтопливным двигателем или с другими видами топлива. Для использования в двигателях с воспламенением от сжатия потребуется система непосредственного впрыска под высоким давлением, и мы также рассматриваем эту разработку».

«Приведение в действие газовой форсунки существенно отличается от дизельной технологии. Однако наш общий опыт в области технологий впрыска топлива помог направить процесс разработки системы впрыска водородного топлива в правильном направлении».

Преодоление различий

Существует несколько различий и проблем, связанных с разработкой водородных топливных систем. «Одной из наших первых целей при разработке было обеспечение возможности работы всухую водородного инжектора», — сказал Герхардт. «Он работает плавно без какого-либо смазочного масла, что предотвращает непреднамеренное загрязнение водорода внутри форсунки.

Форсунки Liebherr LPDI имеют гибкую конструкцию выдувного колпачка, которая позволяет впрыскивать топливо под разными углами в камеру сгорания. (Фото: Либхерр)

«В нашем портфолио нет продуктов для закачки природного газа, для которых мы могли бы использовать некоторые концепции дизайна. Это потребовало от нас проведения серии тестов, особенно в отношении направления иглы. В итоге мы смогли найти решение, которое выполнимо без значительного износа и соответствует всем спецификациям испытаний на выносливость».

Еще одной проблемой, связанной с водородом, является «охрупчивание», ослабление металлов, вызванное диффузией водорода в материал. В качестве превентивной меры, по словам Герхардта, Liebherr использовала специальные аустенитные стали, устойчивые к диффузии и растрескиванию под напряжением, вызванному водородом, на определенных поверхностях форсунок.

При разработке своих прототипов форсунок компания Liebherr стремилась обеспечить широкий спектр потенциальных установок на двигателях OEM с помощью винтовых вставок, соответствующих требованиям заказчика, для сопряжения с водородным соединением. Крышка форсунки также была разработана для гибкости, с асимметричной геометрией, позволяющей впрыскивать в камеру сгорания под разными углами.

Компания также работает над решениями для впрыска топлива через порт для двигателей большой мощности от 7 до 15 л с давлением впрыска 15 бар (217 фунтов на кв. дюйм). «Требования к поведению и производительности приложений чрезвычайно разнообразны, — сказал Герхардт. «Прямо сейчас, на пороге новых технологий трансмиссии, это становится еще более очевидным, особенно потому, что нашим собственным машинам также требуется этот широкий спектр».

Проверка форсунок

Компания Liebherr провела лабораторные испытания своих топливных форсунок наряду с испытаниями форсунок на различных двигателях.

Дизельный двигатель на водороде: Водород поможет дизелю? — журнал «АБС-авто»

Водород поможет дизелю? — журнал «АБС-авто»

Форсаж дизельного двигателя — солярка, водород, кислород, вода дают экономию 54%

Анализ дизельных двигателей с добавлением водорода

Ключевые слова

Похожие статьи

Анализ

К вопросу применения

Использование

Особенности топливных систем

Применение

Расчет экономической и экологической оценки эффективности…

Похожие статьи

Анализ

К вопросу применения

Использование

Особенности топливных систем

Применение

Расчет экономической и экологической оценки эффективности…

JCB модернизировало свой дизельный двигатель

Понравилось это:

Запускаем обычный двигатель внутреннего сгорания на водороде. Как работает водородный автомобиль Toyota, BMW, ставить ли водородный генератор

История создания водородного двигателя

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Двигатель на водородных топливных элементах

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Подведем итоги

Водородная установка для автомобиля, с нее все начиналось

О водородных двигателях

Сгорание водорода

Топливные элементы

А так ли хорош водород?

А все-таки попробовать можно – водородный генератор для автомобиля

Водородные двигатели

Типы водородных двигателей и их описание

Принцип работы

Характеристики катализаторов

Водородный двигатель своими руками

Генератор

Устройство водородного двигателя

Электрическая часть

Итоги

Двигатель на водородном топливе

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

История создания водородного двигателя

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Двигатель на водородных топливных элементах

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Подведем итоги

Водородный двигатель: особенности, достоинства и недостатки

Принцип работы водородного двигателя для автомобиля

Краткая история создания

Принцип работы водородного двигателя

Водородные топливные элементы

Устройство водородного двигателя внутреннего сгорания

Минусы водородного мотора

Видео о том как работает водородный двигатель

Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы

Водородные топливные элементы

Авто на водороде

Водородные двигатели будущего

Смотрите также

Прорыв в области водородных топливных элементов «более эффективен, чем дизельные двигатели»

Популярные видео

Проверка эффективности водородно-дизельного двигателя | Mass Flow

Результаты исследований

Обсуждение

Испытательная установка

Приборы для испытаний двигателей

Водород — новый дизель

Новая платформа Cummins для двигателей внутреннего сгорания с водородным двигателем принимает дизельные двигатели

Транспортные средства на водородных топливных элементах

Введение

Топливные элементы

Система впрыска водородного топлива Liebherr для двигателей внутреннего сгорания

Система впрыска водородного топлива

Преодоление различий

Проверка форсунок