Убийца нефти: первый водородный автомобиль Toyota Mirai с мощным двигателем. Водородный двигатель

10.04.2019

Последний энергетический кризис прокатился по миру в далеком 2008 году, и может показаться, что проблем с количеством нефти уже не возникает: нормы выработки становятся больше, а цена – ниже. Но несмотря на это, никто не может отрицать того, что запасы топлива на планете уменьшаются. Автомобильные концерны оплачивают исследования и разработки альтернативных видов топлива. Двигатель Риваза, работающий на воде, появился еще в начале XIX века. Изобретение было представлено в 1806 году и являлось первым двигателем внутреннего сгорания, обогнав бензиновые и газовые двигатели. Разработчики долгое время пытались продолжить разработку в этом направлении, но для того, чтобы провести электролиз и получить необходимое количество энергии требовалось много электричества, что делало такой вид топлива нерентабельным. В конце концов, это в сочетании с взрывоопасностью и поставило точку на исследованиях.

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

Гибридный водородный двигатель

Гибридный водородный двигатель используется в качестве присадки в двигателях внутреннего сгорания к бензину или газу. При использовании водорода улучшается воспламеняемость топлива, но из-за высокой степени летучести газа повышается риск воспламенения. Но несмотря на этот недостаток, уменьшается коррозия металлов и вибрация. Для применения водорода нет необходимости в устройстве дополнительного топливного бака, водород вырабатывается из дистиллированной воды. При использовании водорода расстояние, которое можно проехать, увеличивается на 30 процентов. Безопасное использование газа возможно при низких температурах до -30⁰С и при относительно высоких до +30⁰С.

Топливный элемент

Двигатели с топливным элементом самостоятельно производят электроэнергию путем расщепления водорода на отрицательные электроны и положительные протоны. Использование таких двигателей приносит пользу при больших объемах, поэтому чаще всего применяются в большегрузах. На данный момент в Дании, США и Японии тестируют железнодорожные составы, которые работают на двигателях с топливным элементом. Это перспективный путь развития альтернативного топлива, потому что расход водорода меньше расхода бензина на единицу расстояния.

Еще одним направлением для разработки таких двигателей является авиация. В самолете ТУ-154 как раз таки и использовался такой топливный элемент, конечно же, после распада СССР все разработки в этом направлении были заморожены. Тем не менее над проектом пассажирского самолета, который будет работать на водороде, работают ученые Европейского Союза и Китая. Для того чтобы двигатель мог работать, такой самолет должен развить гиперскорость, что будет возможно сделать только при наличии дополнительного двигателя. Преимущества ДВС на водороде связаны с его воздействием на окружающую среду и высоким КПД.

Высокий уровень экологичности

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

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

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

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

Несмотря на все недостатки, водород – это единственный возобновляемый и неограниченный ресурс на планете. Для того чтобы автомобили с таким ДВС получили широкое распространение, ученым и разработчикам надо будет решить, как устранить негативные характеристики и уменьшить стоимость механизма, а государствам наладить инфраструктуру, чтобы машины на водороде перестали быть редкостью на дорогах.

Современное автомобилестроение развивается с акцентом на производство более экологичных транспортных средств. Это обусловлено развернувшейся во всём мире борьбой за чистоту атмосферного воздуха путём снижения выбросов углекислого газа. Постоянный рост цен на бензин также заставляет производителей искать другие источники энергии. Многие ведущие автостроительные концерны постепенно переходят к серийному производству машин, работающих на альтернативном топливе, что уже в самом ближайшем будущем приведёт к появлению на автодорогах мира достаточного количества не только электрокаров, но также авто с двигателями, работающими от водородного топлива.

Принцип работы водородных автомобилей

Авто, работающее на водороде, призвано снизить атмосферные выбросы углекислого газа, а также других вредных примесей. Использование водорода для приведения в движение колёсного транспортного средства, возможно двумя различными способами:

применением водородного двигателя внутреннего сгорания (ВДВС);
установкой силового электрического агрегата, работающего от водородных элементов (ВЭ).

В то время, как мы привыкли заполнять бензином или дизельным топливом свой автомобиль, новое чудо – работает на наиболее распространенном элементе во вселенной - водороде

ВДВС представляет собой аналог широко используемых сегодня двигателей, топливом для которых является пропан. Именно эту модель движка проще всего перенастроить для работы от водорода. Принцип его действия тот же, что у бензинового двигателя, только в камеру сгорания вместо бензина поступает сжиженный водород. Авто с ВЭ – это, фактически, электрокар. Водород здесь выступает лишь сырьём для выработки электроэнергии, необходимой, чтобы привести в действие электрический мотор.

Водородный элемент состоит из следующих частей:

корпуса;
мембраны, пропускающей только протоны – она делит ёмкость на две части: анодную и катодную;
анода, покрытого катализатором (палладием или платиной);
катода с тем же катализатором.

Принцип действия ВЭ построен на физико-химической реакции, состоящей в следующем:

Таким образом, при движении автомобиля не выделяется углекислый газ, а лишь водяной пар, электричество и окись азота.

Основные характеристики водородных автомобилей

Главные игроки автомобилестроительного рынка уже имеют опытные образцы своей продукции, использующие водород в качестве топлива. Можно уже определённо выделить отдельные технические характеристики таких машин:

максимально развиваемую скорость до 140 км/час;
средний пробег от одной заправки 300 км (некоторые производители, например, Тойота или Хонда заявляют вдвое большую цифру – 650 или 700 км, соответственно, на одном лишь водороде);
время разгона до 100 км/час с нуля – 9 секунд;
мощность силовой установки до 153 лошадиных сил.

Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9.6 секунд и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км

Совсем неплохие параметры даже для бензиновых двигателей. Пока ещё не наметился крен в сторону ВДВС, использующего сжиженный Н2 или машин на ВЭ, и непонятно, какой из этих типов двигателей достигнет лучших технических характеристик и экономических показателей. Но сегодня больше выпущено моделей машин с электроприводом, работающих от ВЭ, которые дают больший КПД. Хотя расход водорода для получения 1 кВт энергии меньше в ВДВС.

К тому же переоснащение ДВС под водород для увеличения КПД требует изменения системы зажигания установки. Не решена пока проблема быстрого прогорания поршней и клапанов из-за более высокой температуры горения водорода. Здесь всё решит дальнейшее развитие обеих технологий, а также динамика цен при переходе к серийному производству.

Плюсы и минусы авто, работающих на водороде

Среди основных преимуществ водородомобилей можно отметить:

высокую экологичность, заключающуюся в отсутствии большинства вредных веществ в выхлопах, характерных для работы бензинового двигателя, – углекислого и угарного газа, окиси и диоксидов серы, альдегидов, ароматических углеводородов;
более высокий КПД, по сравнению с бензиновыми авто;

В целом авто имеет амбиции покорить весь мир

меньший уровень шума от работы двигателя;
отсутствие сложных, ненадёжных систем топливоподачи и охлаждения;
возможность использования двух видов топлива.

Кроме того, машины, работающие на ВДВС, имеют меньший вес и больше полезного объёма, несмотря на необходимость установки баллонов для топлива.

К недостаткам водородомобилей можно отнести:

громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для водородного топлива;
отсутствие технологии хранения водорода;
отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.

Однако, с переходом к массовому выпуску авто, оснащённых водородными силовыми установками, большая часть этих недостатков наверняка будет устранена.

Какие автомобили, использующие водород, уже выпускаются

Производством машин на водородном топливе занимаются такие ведущие мировые автомобилестроительные компании, как BMW, Mazda, Mercedes, Honda, MAN и Toyota, Daimler AG и General Motors. Среди опытных моделей, а у некоторых производителей уже и мелкосерийных, имеются автомобили, функционирующие только на водороде, или с возможностью использования двух видов топлива, так называемые гибриды.

Уже выпускаются такие модели водородомобилей, как:

Ford Focus FCV;
Mazda RX-8 hydrogen;
Mercedes-Benz A-Class;
Honda FCX;
Toyota Mirai;
Автобусы MAN Lion City Bus и Ford E-450;
гибридный автомобиль на два вида топлива BMW Hydrogen 7.

Сегодня можно сказать определённо, что, несмотря на имеющиеся трудности (новое всегда с трудом пробивает себе дорогу), будущее принадлежит более экологичным автомобилям. Автокары, работающие на водородном топливе, составят достойную конкуренцию электромобилям.

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 .

Хорошей альтернативой бензину может стать водородный двигатель

Сегодня ведут исследования и другие компании, среди них:

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

Как работает водородный двигатель?

Машины на водородном двигателе можно разделить на три группы:

авто с двумя энергоносителями, обладающее высокоэкономичным двигателем, который может работать как на чистом водороде, так и на смеси его . 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 . 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 ;
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.
– 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?

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 .