Двигун на водневих паливних елементах. Запускаємо звичайний двигун внутрішнього згоряння на водні

Близько 45% нафтопродуктів, що видобуваються у світі, використовується як паливо для автомобілів. Запаси нафти обмежені і відновлюються, тому пошук універсального джерела енергії, яку можна отримувати в умовно необмежених кількостях, завдання, безумовно, актуальне.

Водень як паливо для двигунів розглядається серед найбільш перспективних речовин. Запаси водню Землі майже невичерпні, оскільки його легко виділити зі звичайної води. Зберігання та транспортування цього газу хоч і пов'язані з певними складнощами, але здійсненні. І, що найважливіше, за рівних мас, при спалюванні водню виділяється в 3 рази більше енергії, ніж при спалюванні бензину.

Перший патент на водневу силову установку було видано Англії ще 1841 року. У 1852 році в Німеччині був збудований двигун внутрішнього згоряння, що працює на суміші водню та повітря, а на сумно відомому дирижаблі Гінденбург компанії Zeppelin були встановлені ходові двигуни, що працювали на світильному газі - суміші газів з п'ятдесятивідсотковою часткою водню.

Інтерес до водневих двигунів відновився у сімдесяті роки, з приходом паливно-енергетичної кризи.

Після закінчення нафтової кризи інтерес до альтернативних джерел енергії не зник. В даний час його інтенсивно підігрівають захисники екології, які борються за зниження шкідливих викидіву атмосферу. Крім того, ціни на енергоносії, що постійно зростають, і бажання багатьох країн здобути паливну незалежність сприяють продовженню теоретичних і практичних досліджень способів застосування водню в транспортних засобах.

Найбільш активні дослідження з розробки водневих двигунів ведуть компанії General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW та інші.

Типи та принцип роботи водневих двигунів

Сучасні силові установки поділяються за принципом роботи на два типи: електромотори з живленням від водневих паливних елементів та двигуни внутрішнього згоряння на водні.

Силові установки на основі водневих паливних елементів

Принцип роботи паливних елементів побудований на фізико-хімічній реакції. По суті, паливні елементи нагадують звичайні свинцеві акумулятори. Різниця в тому, що ККД паливного елемента істотно вище за ККД акумулятора і становить 45% і більше.

У корпусі воднево-кисневого паливного елемента встановлена ​​мембрана, яка проводить лише протони. Вона поділяє дві камери з електродами – анодом та катодом. У камеру анода підведено водень, а камеру катода кисень. Кожен електрод покритий шаром каталізатора, наприклад, платиною. Молекулярний водень під впливом каталізатора, завданого анод, втрачає електрони. Протони проводяться через мембрану до катода, і під впливом каталізатора з'єднується з електронами (потік електронів підводиться ззовні), у результаті утворюється вода. Електрони з камери анода йдуть в електричний ланцюг, приєднаний до двигуна, тобто, побутовою мовою, утворюється електричний струм, живлення електродвигуна.

Діючими зразками автомобіля з силовою установкою на основі паливних елементів є "Нива" з енергоустановкою "Антел-1" та "Лада 111" з "Антел-2", розроблені уральськими інженерами. На одній підзарядці перша машина може подолати 200 км, друга – 350 км.

Водневі двигуни внутрішнього згоряння

При використанні водню у звичайному двигуні внутрішнього згоряння виникає низка проблем. По-перше, при високій температурі та стисканні водень вступає в реакцію з металом, з якого зроблений двигун, і навіть з моторною олією. Крім того, у разі навіть невеликого витоку при контакті з розпеченим випускним колектором він неминуче спалахне. Тому, до речі, для роботи на водні використовують роторні двигуни, конструкція яких має на увазі віддаленість впускного колекторавід випускного, що дозволяє зменшити ризик займання. Однак усі ці проблеми, включаючи необхідність зміни системи запалення, так чи інакше вдається обійти, що дозволяє інженерам вважати водень перспективним паливом.

ДВЗ на водні має ККД нижче, ніж у двигунів на паливних елементах, проте той факт, що для отримання 1 кВт енергії водню потрібно менше, ніж бензину, дозволяє змиритися зі зниженим коефіцієнтом корисної дії.

Відмінним прикладом автомобіля з водневим двигуном може бути експериментальний седан BMW 750hL, що випускається обмеженою серієюта доступний покупцям. У ньому встановлено 12-ти циліндровий двигун, що працює на ракетному паливі (водень + кисень), що дозволяє розігнатися до 140 км/год.

Зріджений водень зберігається у спеціальному баку за низької температури. Запасу водню вистачає приблизно 300 кілометрів. Якщо він витрачений, двигун автоматично перемикається на живлення від додаткового бакаіз бензином. Ціна BMW Hydrogen 7 можна порівняти з вартістю звичайної «сімки» і становить близько 93 тисяч доларів.

Проблеми та завдання розвитку водневих двигунів

Для масового переходу на водень як паливо існує цілий рядтехнологічних та екологічних перешкод.

Виробництво водневого палива на сьогоднішній день обходиться вчетверо дорожче, ніж виробництво бензину.

Та й сам процес отримання водню з води поки що обходиться надто дорого. Тому основний його обсяг нині виготовляється з метану. З великими витратами пов'язане його транспортування та зберігання.

У разі масового впровадження таких силових установок різко збільшиться кількість водню в атмосфері, що може призвести до руйнування озонового шару Землі, оскільки водневі двигуни виділяють значно більше оксидів азоту, ніж бензинові.

Рівень комерційної окупності таких силових установок проглядається лише у віддаленій перспективі.

Однак такі самі проблеми свого часу виникали в період розвитку бензинових, електричних і газових двигунів. Залишається сподіватися, що через 15-20 років ситуація зміниться і поява водневого автомобіля на дорогах стане звичайною справою.

Першим розробником, який представив водневий двигундля автомобіля широкому загалу, був концерн «Тойота». Ще в 1997 році ними був презентований позашляховик FCHV, який тоді так і не запустили в .

Хорошою альтернативою бензину може стати водневий двигун

Сьогодні ведуть дослідження та інші компанії, серед них:

• Honda Motor,
• Volkswagen,
• General Motors,
• Daimler AG,
• Ford Motor,
• BMW тощо.

Як працює водневий двигун?

Машини на водневому двигуні можна поділити на три групи:

• авто з двома енергоносіями, що має високоекономічний двигун, який може працювати як на чистому водні, так і на суміші його. ККД такого двигуна 90–95%, тоді як дизельного – 50%, а бензинового – 35%. Такі автомобілі відповідають стандарту "Євро-4";
• водневий автомобіль із вбудованим електродвигуном, який живить основний паливний елемент, встановлений на борту. Наразі створено авто з ККД понад 75%;
• звичайні автомобілі, що працюють на суміші чи чистому водні. Вихлоп набагато чистіший, а ККД «підросте» приблизно на 20%.

Як працює водневий двигун? Виділяють 2 типи силових установок за принципом роботи:

• водневі двигуни внутрішнього згоряння Використовується роторний двигун;
• силові установки на паливних водневих елементах – їх принцип роботи побудований на хімічній реакції. Корпус елемента має мембрану, яка проводить лише протони і розділяє камери з електродами - анодом та катодом. У камеру анода підводять водень, камеру катода підводять кисень. Електроди покривають шаром каталізатора, наприклад, платина. Молекулярний водень втрачає електрони під впливом каталізатора. Протони через мембрану проводяться до катода, під впливом каталізатора в результаті з'єднання з електронами утворюється вода. З камери анода електрони йдуть в електричний ланцюг, який приєднаний. Так утворюється струм живлення мотора.

Переваги водневого двигуна:

• продукт горіння водню – вода. А значить, це екологічно чисте паливо;
• потужність, ємність та інші показники двигуна вищі, ніж у стандартного - електроенергія забезпечує їх сповна;
• низький рівень шуму;
• простота обслуговування - не потрібна складна трансмісія, а деталей, що труться менше;
• низька собівартість;
• менша витрата палива та велика швидкістьзаправки;
• вищий запас ходу;
• водень має великий потенціал як альтернативний вид палива, так як він може бути отриманий з різних джерел, у тому числі сонячної енергіїчи вітру;
• основна сировина – вода – безкоштовна.

Недоліки водневого двигуна:

• Використання паливних елементів у звичайному двигуні може призвести до пожежі або вибуху через його пристрій.
• Вартість їх також дуже висока.
• Вага автомобіля збільшується внаслідок використання перетворювачів струму та потужних акумуляторів.
• Процес отримання з води водню поки що недешевий, як і транспортування нового палива.
• Прогнозуються і екологічні проблеми - збільшення атмосфері кількості водню може згубно зашкодити озоновому шарі Землі.
• – також шкідливий для довкілляпроцес.
• Однією із проблем транспортних засобів на водні є висока вартість платини, необхідної для хімічної реакції у двигуні.
• Відсутність водневих заправних станцій робить водневі автомобілі неконкурентоспроможними порівняно із звичайними автомобілями.
• Не вирішено питання зберігання. На сьогоднішній день пропонується зберігати у зрідженому вигляді або під високим тиском, Але дослідження продовжуються.

Водневі паливні елементи

У різні рокиводневі паливні елементи використовувалися:

• для тракторів,
• локомотивів,
• підводних човнів,
• гелікоптерів,
• в автомобілі для гольфу,
• на мотоциклі.

Для автомобілів з водневим двигуном та автобусами використовуються елементи на протонно-обмінній мембрані (PEM), вони компактні та мало важать.

Авто на водні

• Toyota, що приручила водень, - Fuel Cell Sedan - це комфорт і місткість стандартної моделі. Для того щоб збільшити простір у салоні та багажнику, стислі резервуари водню розташовані у підлозі автомобіля. Призначена машина для п'яти пасажирів, ціна складе 67 500 $.
• Технології космосу у звичайному житті. BMW Hydrogen 7 вже довів свої можливості на практиці, порядку ста автомобілів BMW Hydrogen 7 були тестовані видатними діячами культури, політики, бізнесу та засобів масової інформації. Досвід випробування в реальних умовах показав, що перехід на водень повністю сумісний із комфортом, динамікою та безпекою, які ви могли б очікувати від BMW. Авто можна перемикати з одного виду палива на інший. Максимальна швидкість 229 км/год.
• Генератор енергії Honda FCX Clarity. За словами розробників, можна підключити до трансформатора та постачати електрику всі побутові прилади. Баки з воднем знаходяться під задніми сидіннями, а після повної заправкипалива їй вистачить на 500 км. Ціна від 62807$.
• Частина автобусів MANпрацює на водні.

Водневі двигуни майбутнього

• Нову співпрацю в автомобільному секторі розпочали General Motors (GM) та Honda Motor. Обидві компанії планують спільно розробляти водневі паливні елементи протягом наступних семи років. Обмін ноу-хау допоможе знизити витрати на технології та робить основною метою реагування на збільшення обсягу глобальних вимог, що висуваються до скорочення викидів, стандарт «Євро-4» має суворі рамки.
• Силова установка автомобіля може бути і електростанцією для дому, забезпечуючи його енергією протягом 5 днів.
• Кожен виробник у Найближчим часомрозраховує продавати мінімум тисячу екокарів за рік, очікувана ціна 97 000 $.
• До 2050 водень як джерело палива покриє третину виробленої енергії.

А ось Ілон Маск (глава SpaceX і Tesla) до нового палива ставиться вкрай критично, вважаючи його створення маркетинговим ходом. Маск заявив, що використання технологій не вирішить реальних транспортних проблем і що в літій-іонних батареях щільність зберігання енергії перевищує всі водневі розробки. А як ви думаєте?

На сьогоднішній день практично всі світові автовиробники ведуть активні розробки машин, що працюють на екологічно чистому паливі. Фахівці кажуть, що вже за 15-20 років світ повністю перейде на такий вид транспорту. Поки що лідерство у цій справі зберігає компанія «Тойота». Після випуску знаменитого «Примусу» японці вирішили піти далі та розробити ще один екологічно чистий автомобіль - Toyota Miraiз водневим двигуном. У сьогоднішній статті ми розглянемо всі особливості цієї новинки, а також перерахуємо всі переваги та недоліки використання водневих машин.

Характеристика

"Тойота Мірай" - це один з перших седанів японського виробництва, який компанія вирішила випускати у серійному масштабі. До речі, рішення назвати цю модель Mirai було цілком виправданим, адже у перекладі з японської це слово означає «Чисте майбутнє».

Виробник стверджує, що перша серійна воднева Toyotaвідміниться від своїх аналогів великим запасом ходу, який становитиме 480 кілометрів. Цього цілком вистачить як для повсякденної експлуатаціїв межах міста, так і для сімейних подорожейвеликі відстані. Але щодо далеких поїздок, поки здійснити їх на такому авто не вдасться. І тут питання не в надійності конструкції (як завжди, японці зробили машину якісно і «на віки»), а без потрібних АЗС. Але про це ми поговоримо дещо пізніше.

Варто зазначити, що «Мірай» не найперший у світі автомобіль із водневим двигуном. "Тойота" займається розробкою гібридних моделейавто починаючи з 1997 року. Саме тоді світова публіка побачила із водневим двигуном у вигляді концепт-позашляховика моделі FCHV. Проте запускати його у масштабне серійне виробництво японці так і не наважилися. Найчастіше даний джипможна було зустріти у держустановах та організаціях, які займалися тестуванням цього виду транспорту. До речі, об'єднує BMW та Toyota. Німці уклали контракт із японськими інженерами і до 2020 року планують створити новий екологічно чистий седан BMW Hydrogen 7-ї серії.

Плюси водневого автомобіля

Для початку про переваги. Почнемо з того, що двигун на водневому паливіне виділяє ніяких забруднюючих речовин, на відміну дизеля і бензину. Варто відзначити і низьку собівартість експлуатації цього виду транспорту. Саме паливо (водень) можна отримувати як у малих, і великих масштабах. Це дозволить значно стабілізувати ситуацію з цінами на пальне, що постійно змінюються, і більш раціонально розподіляти у світі.

Які має мінуси двигун на водневому паливі?

Тепер поговоримо про недоліки. Основний мінус цього виду транспорту полягає в тому, що водневий двигун («Тойота FCV» у тому числі) більш вибухонебезпечний, ніж класичні дизельні та бензинові аналоги. Це пояснюється особливим хімічним складомводню. До речі, крім вибухонебезпечності, він відрізняється високою летючістю. Ця характеристика значно ускладнює транспортування та заправлення автомобілів воднем. Також експерти кажуть, що обслуговування подібної установкибуде більш витратним, ніж, наприклад, ремонт дизельного ДВЗ(через малу кількість працівників, знають толк у цій сфері). Ну і, звичайно, відсутність водневих заправних станцій. У світі таких лише одиниці, тому використовувати зараз такі автомобілі дуже важко (тим більше, що заправити таку машину можна лише за допомогою спеціального обладнання).

Питання постачання

Основна проблема водневих авто – відсутність АЗС, на яких їх можна було б заправляти. Саме тому світові більш актуальні електрокари, тому що вони заряджаються від звичайної розетки і навіть на ходу, якщо на даху є сонячна батарея. Але виробництво водневих станційвже набирає темпів. Вже відомо про плани будівництва 20 таких АЗС у Каліфорнії. Якщо продажі зростатимуть, кількість заправок збільшать удвічі. До речі, цей штат був обраний недарма - саме в Каліфорнії розпочнуться старти продажів водневих "Тойот". Але про продажі ми поговоримо наприкінці статті, а поки що давайте розглянемо екстер'єр новинки.

Дизайн

Зовнішній вигляд нової «Тойоти Мірай» дуже вражаючий. Відразу в очі впадає потужний агресивний «передок» із суворим широким бампером і розкосими фарами. Грати радіатора - це, мабуть, найдрібніший і незначний елемент в екстер'єрі.

Але навіть на такому маленькому шматочку пластику японцям вдалося розмістити свою фірмову емблемувиконану в хромованому стилі. Машина має гарну площу скління. Особливо це стосується лобового скла. Водій не відчуватиме « мертвих зон», оскільки всі події довкола видно тепер як на долоні. Кузов має як незграбні, так і згладжені, аеродинамічні риси. Все це робить зовнішній виглядседана дуже свіжим, сучасним та унікальним.

Інтер'єр

Внутрішня частина автомобіля немов частина космічного корабля - маса кнопок, екранів, датчиків та всякої іншої всячини. Що цікаво, японці не зважилися витрачати гроші на розробку двох варіантів компонування інтер'єру – для європейського та внутрішнього ринку. Проблему з перестановкою керма вони вирішили просто, розмістивши всі важливі інформаційні прилади посередині торпеди.

Сама панель розміщена впритул до лобового склаі розтягнута на всій його ширині. Далі від неї розміщений потужний бортовий комп'ютер, який оснащений вбудованою функцією навігатора. Нижче за нього є ще один дисплей. А поділяють їх два широкі повітроводи. Такі ж дублюються з боків біля дзеркал, тільки з хромованою окантовкою у кутку. Рульове колесотакож оснащено кнопками дистанційного керування. Ручки КПП в салоні немає - найімовірніше, використовується варіатор або АКПП. Динаміки розміщені у дверях, також як і кнопки керування електросклопідйомниками. Рульове колесо має зручний хват. В цілому, компонування салону дуже ергономічне. І навіть незважаючи на масу кнопок (тим більше що половина з них сенсорні), він не перевантажений зайвими елементами і певною мірою здається аскетичним.

Технічні характеристики

"Тойота" випустила машину з водневим двигуном, що має великий запаспотужності. Силова установка, за словами виробників, матиме 153 кінські сили, чого цілком достатньо як для автомобіля такого класу. Про інші двигуни японці не говорять, і, швидше за все, на ринок вийде лише одна модифікація новинки зі 153-сильним екологічно чистим агрегатом. Водневий двигун (Тойота Мірай 2015 року випуску) працює на спеціальних паливних осередках. Всередині останньої відбувається реакція, в якій беруть участь водень та кисень. Внаслідок хімічної взаємодії виробляється потужна енергія, яка живить електромотор.

Динаміка та витрати експлуатації

Виробник каже, що за динамічними характеристиками Toyota з водневим двигуном нічим не відрізняється від своїх. бензинових аналогів. Розгін з нуля до сотні оцінюється в 9 секунд. При цьому інженери відзначають низьку собівартість подорожей.

Ціна заправки бака за 1 кілометр становитиме лише 10 центів. Таким чином, щоб проїхати машині сотню кілометрів, потрібно витратити лише 10 доларів. А заправити авто можна лише за 5 хвилин.

Як працює двигун на водні?

Напевно, кожен з нас замислювався про принцип дії даного агрегату. Що ж, розглянемо, як працює водневий двигун насправді.

Основною рушійною силою даних машин є електрохімічний генератор (якийсь у японців він називається FC Stack. Усередині електрохімічного генераторавідбувається реакція, у результаті якої відбувається окислення водню. Саме в цей період виробляється потрібна енергія, яка потім перенаправляється на компактний акумулятор. Останній виконує функцію живлення електродвигуна, який приводить машину в дію. В якому вигляді виробляє відходи водневий двигун? «Тойота Мірай» не дарма називається екологічно чистою машиною, так як з неї виходять зовсім не отруйні гази, А звичайна вода.

Все це дуже добре, проте є сила, яка перешкоджає розвитку цього виду транспорту. Основна проблема полягає в тому, що процеси виготовлення палива для водневих авто на Наразінедостатньо розвинені та вимагають великих грошових витрат. Тим більше, що при створенні водню задіяні такі компоненти, як вугілля та метан. Вони дуже забруднюють атмосферу, а тому сенсу у використанні таких двигунів заради «збереження навколишнього середовища» немає. Звичайно, відходів від згоряння цього палива немає ( чиста вода), але щоб його приготувати, потрібно значно зіпсувати атмосферу брудними викидами. Тому все більше фахівців шукають заміну теперішнім ДВЗ у сонячних батареях.

До речі, водень не відноситься до будь-якого унікального виду палива, який може використовуватись тільки на одному типі двигунів. Дослідження показали, що цей продукт цілком реально застосовувати і на класичних моторахіз внутрішнім згорянням. Однак після такої реакції є наслідки. Справа в тому, що водень при згорянні в ДВЗ виділяє лише 1/3 від тієї енергії, яку він виробив би на спеціалізованому агрегаті. Щоправда, інженерам вдалося виправити цей недолік. Завдяки зміненій системі запалення ККД таких двигунів не знижується, а, навпаки, збільшується майже в 1,5 рази від звичайного, що робить експлуатацію цього палива більш сприятливим та розумним з екологічної та фінансової точки зору.

Але все ж таки неприємності були помічені не тільки в області ККД. І якщо коефіцієнт корисної дії інженерам вдалося збільшити методом удосконалення системи запалювання, то з такими проблемами, як висока температура горіння в камері, прогар поршнів і клапанів, вони впоратися не можуть. До речі, при тривалій роботіводень здатний вступати в реакцію з іншими складовими двигуна, у тому числі і з мастилом. А без неї двигун дуже швидко зношується. Крім цього, водень через свою летючість може проникати в і там спалахувати. Що стосується роторних ДВС, вони в силу простої конструкції та великої відстані між колекторами є більш сприятливими для використання подібного палива як основне. На цьому питання, як працює водневий двигун, можна вважати закритим.

Про вартість

За словами виробника, старт продажу автомобілів «Тойота Мірай» відбудеться навесні 2015 року. Спочатку новинка буде доступна лише на внутрішньому ринку, а вже влітку вона з'явиться на європейському та американському ринках. Стартова ціна водневої "Тойоти" становить 57,5 ​​тисяч доларів. Окрім цього, компанія пропонує придбати дане автоу кредит із щомісячною оплатою в 500 доларів США. Бонусом стане можливість безкоштовної заправкиавтомобіля протягом року на АЗС Каліфорнії.

Поки японська «Тойота» не має конкурентів серед водневих автомобілів. Принаймні так буде до 2016 року. Справа в тому, що у березні 2016-го на ринок виходить новий водневий автомобіль Honda FCV. Але наскільки популярним вона буде, ми прогнозувати не станемо, а доки дочекаємось старту продажів нової «Тойоти Мірай».

Висновок

Отже, з'ясували, чому він такий особливий і як працює водневий двигун. "Тойота" - один з перших автовиробників, який серйозно замислюється запустити в масове виробництвосвій «екологічно чистий продукт». Щоправда, поки не буде вирішено проблему з заправними станціямиі дешевшим способом компанію навряд чи чекає великий успіх у сфері продажу подібних машин.

Після того, як усі держави світу оголосили курс на зниження викидів шкідливих речовин, Виробники транспортних засобів задумалися . Причому вони почали вести розробки не тільки в галузі електромобілів, а й у напрямку використання водню як паливо для автомобілів. При цьому різні компанії розглядають власні технології, які мають масу. Тому варто докладніше розглянути авто на водні, щоб зрозуміти, що може чекати на нас у найближчому майбутньому.

Автомобілі на водні - це досить перспективний напрямок у пошуку альтернативних джерел енергії

Різні методи

Двигун внутрішнього згоряння

Згадайте, чому водень називають «гримким газом» - правильно, він дуже легко вибухає із виділенням величезної кількості енергії. Чому б не використовувати цю його особливість для руху автомобілів? Саме так вирішили спеціалісти компаній Mazdaі BMW, які кілька років тому представили свої прототипи автомобілів, що працюють на водні, що надходить до внутрішнього згоряння.

При цьому інженери BMWцілком справедливо вирішили, що експериментувати краще з більш великим двигуномщо дозволить варіювати технічні характеристики в дуже широкому діапазоні. Так з'явився на світ автомобіль сьомої серії, який оснащувався великим баком для стисненого водню - при робочому обсязі мотора він мав продуктивність всього в 260 кінських силі витрачав близько 50 літрів пального на сто кілометрів колії. Крім того, фірма BMW експериментувала і з автомобілями на зрідженому водні - для цього використовувалися спеціальні кріогенні баки, які володіли порівнянною з ціною самої платформи машини - це робилося для збільшення запасу ходу. Однак відмінною рисоювсіх експериментальних автомобілів BMW, які працювали на водні, була наявність традиційної бензинової системихарчування - вона дозволяла перейти на звичайне пальне при вичерпанні запасу водню або при неполадках, пов'язаних із його подачею.

А ось Mazda пішла іншим шляхом, вирішивши не обмежуватись у своїх експериментах - японці змонтували установку живлення воднем на автомобілі RX-8, оснащеному Ванкелем об'ємом 1,3 літра. На жаль, результат виявився провальним – потужність впала з 240 до 100 кінських сил, у витрату палива зріс майже до 60–70 літрів на сотню кілометрів. На відміну від BMW 7, яка здавалася в лізинг у США та країнах Європи, Mazda RX-8, що працює на водні, так і залишилася у вигляді прототипу. В даний час обидві компанії згорнули ці дослідницькі програми, зосередившись на інших напрямках розвитку альтернативної енергетики.

Відео про автомобілі на водні:

Причину зрозуміти легко, якщо заглибитись у звіти інженерів - вони зіткнулися з такими, як:

• Знижений ресурс двигуна;
• Часті поломки, пов'язані з руйнуванням стінок циліндрів, клапанів та поршнів;
• Мінімальний запас ходу;
• Часті витоки, що загрожують спалахом або навіть вибухом.

Звичайно, багато невеликих дослідні інститутистворювали водневі автомобілі, які працювали за принципом згоряння «гримучого газу», і мали кращі характеристики, ніж . Однак стало зрозуміло, що двигун автомобіля необхідно спочатку розробляти під водень – а виробники виявилися не готовими до таких сумнівних інвестицій.

Паливні осередки

Вирішення проблеми прийшло в галузі космонавтики - оскільки спалювати пальне для отримання електроенергії на орбіті нераціонально, вчені розробили спеціальні паливні осередки, у яких протікала хімічна реакція із величезної кількості електроенергії. При проходженні водню крізь такий осередок, наповнений каталітичним матеріалом, відбувається його з'єднання з киснем, у результаті якого утворюється вода. Відповідно, користувач отримує лише плюси - ніяких шкідливих речовин, на виході лише чиста вода та певний запас електроенергії. Залишається лише запастися необхідною кількістю водню.

Автомобіль на водні, що працює із застосуванням паливних осередків, функціонує – у ньому відсутній двигун внутрішнього згоряння, який повністю замінений електричним мотором. Енергія, отримана від реакції водню з киснем, накопичується в акумуляторах - деякі виробники, орієнтовані досягнення автомобілем хороших динамічних характеристиквикористовують суперконденсатори, які дозволяють максимально швидко віддавати отриманий заряд. Завдяки цьому долається один із недоліків паливних осередків на водні - вони є інертними, тобто не можуть змінювати свою віддачу за бажанням водія автомобіля.

основні переваги

Основний плюс, яким володіє машина на водні, що використовує паливні осередки як джерело енергії - поєднання в ній кращих характеристикавтомобілів з двигунами внутрішнього згоряння та електромобілів. Запас ходу дуже високий - особливо у разі, коли від реакції водню з киснем, а й від звичайної електричної мережі. Водночас відсутність агрегату, що спалює вуглеводневе паливо, дозволяє отримати просто величезну кількість переваг:

• Відсутність шкідливих викидів - як і при згорянні водню, у паливних осередках утворюється лише водяна пара, яка не завдає шкоди навколишньому середовищу.
• Менша маса - до речі, комбінація водневих паливних осередків, електродвигуна та акумуляторів має менші габарити та вагу, ніж у батарей та мотора у традиційному електромобілі при подібних характеристиках та запасі ходу.
• Зменшення кількості рухомих і стикаються між собою частин у кілька разів - за рахунок цього істотно підвищується ресурс експлуатації.

Якщо ж розглядати водневий автомобіль, який оснащується двигуном внутрішнього згоряння, адаптованим до цього виду палива, то поки що у нього більше мінусів, ніж позитивних сторін. Однак звіти науково-дослідних інститутів, які займаються розробками в цьому напрямі, дозволяють сподіватися на те, що незабаром ситуація докорінно зміниться. Вже повідомляється про те, що двигуни автомобілів, які спочатку створювалися для роботи на водні, мають:

• Ресурс експлуатації збільшений на 20–30%, а також зменшена ймовірність виникнення менших поломок.
• Потужність, більша на 15–20%, більший ККД, що означає найкраще використанняенергетичного потенціалу пального.
• Вартість пробігу вдвічі менша, ніж аналогічний показник для бензину - проте лише за умови промислового виробництва водню.

Ось тільки вартість дуже вже висока - як через застосування дорогих інноваційних матеріалів, так і завдяки штучному виробництву, що ведеться за обхідними технологіями.

Недоліки

На жаль, не обходиться і без мінусів - втім, це стосується не тільки водню, а й усіх інших альтернативної енергетики, робота над якими ведеться відносно недавно. З погляду рядового споживача поки що істотним недолікомє висока вартість виробництва палива - відносно недорого можна купити тільки водень, створюваний у промислових масштабах - він є рідкістю, тому що заводів із випуску цього газу поки що відносно небагато. Крім того, під час проведення опитувань у країнах, де вже продано або чимало автомобілів, що працюють на водні, результати показали, що дуже багато людей бояться вибуху «гримучого газу», хоча про такі випадки вони навіть не чули. Справді, на випробуваннях нерідко траплялися загоряння внаслідок витоку водню, однак у серійне виробництво було відправлено лише автомобілі з багаторівневими системами безпеки, що запобігають виникненню вибуху.

Однак завдяки застосуванню багатьох інноваційних технічних рішеньводнева машина є не тільки економічною та безпечною, а й дорогою. Зокрема, ніколи не розголошувала вартість автомобіля сьомої серії, що працює на водні, дозволяючи лише брати його у лізинг. Однак деякі експерти говорять про те, що його ринкова цінамогла б бути встановлена ​​на рівні 1,2–1,5 мільйона доларів. Навіть найбільш дешеві автомобілі, що випускаються Honda і Toyota, коштують не менше 30-50 тисяч доларів при мінімальному рівні оснащення - і то тільки завдяки демпінговій політиці компаній і компенсаціям, що виділяються урядом Японії. Варто сказати і про те, що паливні комірки та баки не можуть бути довговічними через тривалої експлуатаціїв умовах агресивного середовища - і якщо осередки можна випускати в змінному вигляді, то доведеться витратити чимало грошей.

Настав час поговорити про головне – де заправляти автомобіль, що працює на водні? Говорити про створення мережі заправок навіть у Японії, США та Німеччині дуже рано - поки вони є одиничними екземплярами. У той же час будівництво відповідної інфраструктури для електромобілів йде повним ходом, що дозволяє отримати відомості про пріоритети, що встановлюються сучасним суспільством. державними установами. Заправляти воднем машину з використанням саморобних пристроївдуже небезпечно – ймовірність вибуху буде неймовірно високою.

Паливо майбутнього чи ні?

Зараз доводиться чути про те, що водень є паливом майбутнього – проте варто згадати про те, що подібні слогани звучали у всьому світі ще наприкінці 60-х років – причому радянський Союз, В якому дослідження властивостей цього газу йшли повним ходом, винятком не був. Незважаючи на весь час, водневі автомобілі так і залишилися прототипами, не надто придатними до серійного виробництвата експлуатації загального користування. Однак розробки не припиняються, незважаючи на те, що поки що позитивних результатів було досягнуто лише одиничними компаніями, які почали дрібносерійне виготовлення таких автомобілів. Крім того, необхідно згадати про те, що водень є навіть для довкілля джерелом енергії, ніж електрикою. Адже, незважаючи на розвиток енергетики, у світі до 70% електростанцій працюють на таких «брудних» видах палива, як нафта та вугілля.

Сучасне автомобілебудування розвивається з акцентом виробництва більш екологічних транспортних засобів. Це обумовлено боротьбою за чистоту, що розгорнулася в усьому світі. атмосферного повітряшляхом зниження викидів вуглекислого газу. Постійне зростання цін на бензин також змушує виробників шукати інші джерела енергії. Багато провідних автобудівельних концернів поступово переходять до серійного виробництва машин, що працюють на альтернативному паливі, що вже в найближчому майбутньому призведе до появи на автошляхах світу. достатньої кількостіне тільки електрокарів, а й авто з двигунами, що працюють від водневого палива.

Принцип роботи водневих автомобілів

Автомобіль, що працює на водні, покликаний знизити атмосферні викиди вуглекислого газу, а також інших шкідливих домішок. Використання водню для руху колесного транспортного засобу, можливо двома різними способами:

• застосування водневого двигуна внутрішнього згоряння (ВДВС);
• установкою силового електричного агрегату, що працює від водневих елементів(ВЕ).

У той час, як ми звикли заповнювати бензином або дизельним паливомсвій автомобіль, нове диво – працює на найпоширенішому елементі у всесвіті - водні

ВДВС являє собою аналог двигунів, що широко використовуються сьогодні, паливом для яких є пропан. Саме цю модель двигуна найпростіше переналаштувати для роботи від водню. Принцип його дії той самий, що в бензинового двигуна, Тільки камеру згоряння замість бензину надходить зріджений водень. Авто з ВЕ - це, власне, електрокар. Водень тут виступає лише сировиною для вироблення електроенергії, необхідної, щоби привести в дію електричний мотор.

Водневий елемент складається з наступних частин:

• корпуси;
• мембрани, що пропускає лише протони – вона ділить ємність на дві частини: анодну та катодну;
• анода, покритого каталізатором (паладієм або платиною);
• катода з тим самим каталізатором.

Принцип дії ВЕ побудований на фізико-хімічній реакції, яка полягає в наступному:

Таким чином, при русі автомобіля не виділяється вуглекислий газ, а лише водяна пара, електрика та окис азоту.

Основні характеристики водневих автомобілів

Головні гравці автомобілебудівного ринку вже мають досвідчені зразки своєї продукції, що використовують водень як паливо. Можна вже виразно виділити окремі технічні характеристики таких машин:

• максимально розвивається швидкість до 140 км/год;
• середній пробіг від однієї заправки 300 км.
• час розгону до 100 км/година – 9 секунд;
• потужність силової установки до 153 кінських сил.

Цей автомобіль може розігнатися до 179 км/год, причому до 100 км/год машина розганяється за 9.6 секунд і, найголовніше, здатна проїхати без додаткової дозаправки 482 км.

Дуже хороші параметри навіть для бензинових двигунів. Поки ще не намітився крен у бік ВДВС, що використовує скраплений Н2 або машин на ВЕ, і незрозуміло, який із цих типів двигунів досягне кращих технічних характеристик та економічних показників. Але сьогодні більше випущено моделей машин із електроприводом, що працюють від ВЕ, які дають більший ККД. Хоча витрата водню для отримання 1 кВт енергії менша у ВДВС.

До того ж переоснащення ДВС під водень збільшення ККД вимагає зміни системи запалення установки. Не вирішена поки що проблема швидкого прогорання поршнів і клапанів через більш високої температуригоріння водню. Тут все вирішить подальший розвитокобох технологій, а також динаміка цін під час переходу до серійного виробництва.

Плюси та мінуси авто, що працюють на водні

Серед основних переваг водневих автомобілів можна відзначити:

• високу екологічність, що полягає у відсутності більшості шкідливих речовин у вихлопах, характерних для роботи бензинового двигуна, – вуглекислого та чадного газу, окису та діоксидів сірки, альдегідів, ароматичних вуглеводнів;
• вищий ККД, порівняно з бензиновими авто;

Загалом авто має амбіції підкорити весь світ

• менший рівень шуму від роботи двигуна;
• відсутність складних, ненадійних систем паливоподачі та охолодження;
• можливість використання двох видів палива.

Крім того, машини, що працюють на ВДВС, мають меншу вагу та більше корисного об'єму, незважаючи на необхідність встановлення балонів для палива.

До недоліків водню можна віднести:

• громіздкість силової установки при використанні паливних елементів, що знижує маневреність автомобіля;
• високу вартість самих водневих елементів через паладію або платину, що входять до їх складу;
• недосконалість конструкції та невизначеність у матеріалі виготовлення баків для водневого палива;
• відсутність технології зберігання водню;
• відсутність заправок воднем, інфраструктура яких дуже слабо розвинена у всьому світі.

Однак, з переходом до масового випуску авто, оснащених водневими силовими установкамиБільшість цих недоліків напевно буде усунута.

Які автомобілі, що використовують водень, вже випускаються

Виробництвом машин на водневому паливі займаються такі провідні світові автомобілебудівні компанії, як BMW, Mazda, Mercedes, Honda, MAN та Toyota, Daimler AG та General Motors. Серед досвідчених моделей, а в деяких виробників вже й дрібносерійних, є автомобілі, що функціонують лише на водні, або з можливістю використання двох видів палива, так звані гібриди.

Вже випускаються такі моделі водню, як:

• Ford Focus FCV;
• Mazda RX-8 hydrogen;
• Mercedes-Benz A-Class;
• Honda FCX;
• Toyota Mirai;
• Автобуси MAN Lion City Bus та Ford E-450;
• гібридний автомобіль на два види палива BMW Hydrogen 7

Сьогодні можна сказати безперечно, що, незважаючи на наявні труднощі (нове завжди важко пробиває собі дорогу), майбутнє належить більш екологічним автомобілям. Автокари, що працюють на водневому паливі, становитимуть гідну конкуренціюелектромобілів.