Вбивця нафти: перший водневий автомобіль Toyota Mirai із потужним двигуном. Водневий двигун

Остання енергетична криза прокотилася світом у далекому 2008 році, і може здатися, що проблем з кількістю нафти вже не виникає: норми виробітку стають більшими, а ціна – нижчою. Але незважаючи на це, ніхто не може заперечувати те, що запаси палива на планеті зменшуються. Автомобільні концерниоплачують дослідження та розробки альтернативних видів палива. Двигун Ріваза, який працює на воді, з'явився ще на початку ХІХ століття. Винахід був представлений в 1806 році і був першим двигуном. внутрішнього згоряння, обігнавши бензинові та газові двигуни. Розробники довгий часнамагалися продовжити розробку в цьому напрямку, але для того, щоб провести електроліз та отримати необхідна кількістьенергії потрібно багато електрики, що робило такий вид палива нерентабельним. Зрештою, це у поєднанні з вибухонебезпечністю та поставило крапку на дослідженнях.

Повернення до водню відбулося наприкінці 50-х років. минулого століття: паливний елемент було встановлено на трактори у США. Через три роки - в 1962 - водневий двигун з'явився в маленьких автомобілях для гольфу, ще через п'ять - в мотоциклах. Водень у двигунах внутрішнього згоряння (ДВС) може використовуватися у двох варіантах: як гібридний двигунта як паливний елемент.

Гібридний водневий двигун

Гібридний водневий двигун використовується як присадка в двигунах внутрішнього згоряння до бензину або газу. При використанні водню покращується займистість палива, але через високого ступенялеткості газу підвищується ризик займання. Але незважаючи на цей недолік, зменшується корозія металів та вібрація. Для застосування водню немає потреби у пристрої додаткового паливного бака, водень виробляється з дистильованої води При використанні водню відстань, яку можна проїхати, збільшується на 30 відсотків. Безпечне використаннягазу можливо при низьких температурахдо -30⁰С і за відносно високих до +30⁰С.

Паливний елемент

Двигуни з паливним елементом самостійно виробляють електроенергію шляхом розщеплення водню на негативні електрони та позитивні протони. Використання таких двигунів приносить користь при великих обсягах, тому найчастіше застосовуються у великовантажних машинах. на Наразіу Данії, США та Японії тестують залізничні склади, які працюють на двигунах із паливним елементом. Це перспективний шлях розвитку альтернативного палива, бо витрата водню менше витратибензину на одиницю відстані.

Ще одним напрямком розробки таких двигунів є авіація. У літаку ТУ-154 якраз і використовувався такий паливний елемент, звичайно ж, після розпаду СРСР всі розробки в цьому напрямку були заморожені. Проте над проектом пасажирського літака, який працюватиме на водні, працюють вчені Європейського Союзу та Китаю. Для того, щоб двигун міг працювати, такий літак повинен розвинути гіпершвидкість, що буде можливо зробити тільки за наявності додаткового двигуна. Переваги ДВЗна водні пов'язані з його впливом на навколишнє середовище та високим ККД.

Високий рівень екологічності

Звичайно, невисокий ступінь забруднення присутній, але через наявність у механізмі автомобіля олії. Навіть при додаванні водню до звичайного палива продуктивність підвищується на 20%. На 5 кг водневого палива автомобіль проїжджає до 500 км. Вчені вважають водень єдиним відновлюваним джерелом енергії.

За його незаперечних переваг на сьогоднішній день недоліків набагато більше, які в основному пов'язані з конструктивом двигуна:

• Леткість водню. Заправити автомобіль з ДВЗ на водні можна лише на заправці. Дозаправитися від іншого автомобіля або з каністри дорогою не вийде.
• Вибухонебезпечність та пожежонебезпека. Усім відома катастрофа дирижабля «Гінденбург», який від однієї іскри спалахнув у польоті: із 97 осіб, які перебувають на борту, загинула третина.
• Висока вартість паливних елементів та водневого двигуна, що, у свою чергу, збільшує вартість автомобіля. Аналог із водневим двигуном коштує вдвічі дорожче. Автомобіль на базі водневого двигуна обслуговуватиме у 100 разів дорожче, ніж звичайний двигун.
• Водневий двигун займає величезний обсяг. У вантажівках та автобусах це не створює жодних незручностей, але у легкових автомобіляхзменшується обсяг багажного відділення.

Водневий двигун – це фантастика. Наприклад, Honda, Toyota та Hyndai налагодили лінію з виробництва автомобілів з двигунами на базі водню і щільно окупували ринок. Toyota Mirai(2015), Honda FCX Clarity (2008), Hyundai ix35 Fuel Cell. У середині грудня минулого року Audiоголосило про своє рішення випустити новий концептна водні – Q6 H-Tron.

Незважаючи на всі недоліки, водень – це єдиний відновлюваний та необмежений ресурс на планеті. Для того, щоб автомобілі з таким ДВС набули широкого поширення, вченим та розробникам треба буде вирішити, як усунути негативні характеристики та зменшити вартість механізму, а державам налагодити інфраструктуру, щоб машини на водні перестали бути рідкістю на дорогах.

Сучасне автомобілебудування розвивається з акцентом на виробництво 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 виробництвамашин, що працюють на альтернативному паливі, що вже у 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, можливе двома різними способами:

• застосування водневого двигуна внутрішнього згоряння (ВДВС);
• установкою силового електричного агрегатупрацює 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 у бензинового двигуна, тільки в 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 установкидо 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 характеристикта 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 речовину вихлопах, характерних для роботи бензинового двигуна, – вуглекислого та чадного газу, окису та діоксидів сірки, альдегідів, ароматичних вуглеводнів;
• більше високий 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 установками, більшість цих недоліків напевно буде усунуто.

Які автомобілі, що використовують водень, вже випускаються

Виробництво машин на водневому паливізаймаються 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 автомобільна два види палива BMW Hydrogen 7

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

Першим розробником, який представив водневий двигун для 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 автомобільіз 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 у електричний ланцюг, яка приєднана . 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 двигунізагрожує пожежею або вибухом 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 станційробить 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?

Автомобіль Toyota Mirai - воднева альтернатива електрокарів, що завойовують ринок, - успішно завершив останній «секретний» етап дорожніх випробувань. Буквально днями представники компанії заявили, що готові запустити автомобіль у виробництво.

Завдяки зусиллям японських виробниківавто, вже в найближчому майбутньому водневі автомобілі можуть стати звичним явищем на дорогах у самих різних країнах. Так, гібридний автомобіль на водневому двигуни Toyota Mirai вже готовий до виходу на світовий ринок.

Вперше, ще концептуальна модель Toyota Mirai була представлена ​​в 2013 році на Токійському автосалоні. Пізніше машина демонструвалася публіці у доопрацьованому вигляді у 2014 та 2015 роках. Очікувалося, що авто вийде на дороги до кінця 2015 року, проте згодом дату було перенесено на 2016. При цьому попередні продажАвто почалися ще в 2014 році в Японії. Коштує одна Toyota Mirai близько 57 тисяч доларів. У США та країнах Європи Toyota Mirai продаватиметься вже після офіційного релізу.

Водневий автомобіль має кузов седана на чотири місця. Довжина кузова – 4870 мм, ширина – 1810 мм, висота – 1535 мм. Модель, що використовується - ZBA-JPD10-CEDSS. Машина використовує тільки передній привід. Радіус повороту – 5.7 метрів, розмір шин 215/55. Базова комплекція використовує легкосплавні диски R17. Дорожній просвіт- 130 мм. На сьогоднішній день це все, що офіційно відомо про технічну складову Toyota Mirai.

Були анонсовані параметри силової установки авто. Їздити автомобіль буде завдяки FCA110, яка харчуватиметься від паливних елементів класу FC stack. Двигун виробляє електроенергію за рахунок хімічної реакції водню і кисню, що протікає в ньому. Максимальний ККДстановить 83%, для порівняння 1.3-літровий бензиновий двигундає лише 38%. максимальна потужністьелектродвигуна при цьому складе 153 л.

Жодних шкідливих викидів Toyota Mirai не створює, виходить із двигуна машини тільки енергія в чистому вигляді та вода. За 4 км машина викине в атмосферу 240 мілілітрів води.

Куди важливіше і цікавіше те, що 10 лютого 2016 закінчилися останні 107-денні випробування Toyota Mirai. Машина проїхала дорогами Японії, США, Німеччини та багатьох інших країн. Загалом машин, а пройшла 100 тисяч кілометрів. За цей час автомобіль змінив двічі свої шини та один раз колодки. Паливні елементи водневого автопоказали себе з найкращого боку.

Варто відмітити що бренд Toyotaувійшов до .