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.
После того как все государства мира объявили курс на снижение выбросов вредных веществ, производители транспортных средств задумались . Причём они начали вести разработки не только в области электромобилей, но и в направлении использования водорода в качестве топлива для автомобилей. При этом различные компании рассматривают собственные технологии, которые обладают массой . Поэтому стоит подробнее рассмотреть авто на водороде, чтобы понять, что может ожидать нас в ближайшем будущем.
Автомобили на водороде — это довольно перспективное направление в поиске альтернативных источников энергии
Различные методы
Двигатель внутреннего сгорания
Вспомните, почему водород называют «гремучим газом» - правильно, он очень легко взрывается с выделением огромного количества энергии. Почему бы не использовать эту его особенность для приведения в движение автомобилей? Именно так решили специалисты компаний Mazda и BMW, которые несколько лет назад представили свои прототипы автомобилей, работающих на водороде, поступающем внутреннего сгорания.
При этом инженеры BMW вполне справедливо решили, что экспериментировать лучше с более крупным двигателем, который позволит варьировать технические характеристики в очень широком диапазоне. Так появился на свет автомобиль седьмой серии, который оснащался крупным баком для сжатого водорода - при рабочем объёме мотора он обладал производительностью всего в 260 лошадиных сил и расходовал около 50 литров горючего на сто километров пути. Кроме того, фирма BMW экспериментировала и с автомобилями на сжиженном водороде - для этого использовались специальные криогенные баки, которые обладали , сопоставимой с ценой самой платформы машины - это делалось для увеличения запаса хода. Однако отличительной чертой всех экспериментальных автомобилей BMW, работавших на водороде, было наличие традиционной бензиновой системы питания - она позволяла перейти на обычное горючее при исчерпании запаса водорода или при неполадках, связанных с его подачей.
А вот Mazda пошла другим путём, решив не ограничиваться в своих экспериментах - японцы смонтировали установку питания водородом на автомобиле RX-8, оснащённом Ванкеля объёмом 1,3 литра. К сожалению, результат оказался провальным - мощность упала с 240 до 100 лошадиных сил, в расход топлива возрос почти до 60–70 литров на сотню километров. В отличие от BMW 7, которая сдавалась в лизинг в США и странах Европы, Mazda RX-8, работающая на водороде, так и осталась в виде прототипа. В настоящее время обе компании свернули эти исследовательские программы, сосредоточившись на других направлениях развития альтернативной энергетики.
Видео об автомобилях на водороде:
Причину понять легко, если углубиться в отчёты инженеров - они столкнулись с такими , как:
- Сниженный ресурс мотора;
- Частые поломки, связанные с разрушением стенок цилиндров, клапанов и поршней;
- Малый запас хода;
- Частые утечки, грозящие возгоранием или даже взрывом.
Конечно, многие небольшие исследовательские институты создавали водородные автомобили, работавшие по принципу сгорания «гремучего газа», и обладавшие лучшими характеристиками, чем . Однако стало понятно, что двигатель автомобиля необходимо изначально разрабатывать под водород - а производители оказались не готовыми к таким сомнительным инвестициям.
Топливные ячейки
Решение проблемы пришло из области космонавтики - так как сжигать горючее для получения электроэнергии на орбите нерационально, учёные разработали специальные топливные ячейки, в которых протекала химическая реакция с выделением огромного количества электроэнергии. При прохождении водорода сквозь такую ячейку, наполненную каталитическим материалом, происходит его соединение с кислородом, в результате которого образуется вода. Соответственно, пользователь получает только плюсы - никаких вредных веществ, на выходе только чистая вода и определённый запас электроэнергии . Остаётся только запастись нужным количеством водорода.
Автомобиль на водороде, работающий с применением топливных ячеек, функционирует - в нём отсутствует двигатель внутреннего сгорания, который полностью заменён электрическим мотором. Энергия, полученная от реакции водорода с кислородом, накапливается в аккумуляторах - а некоторые производители, ориентированные на достижение автомобилем хороших динамических характеристик, используют суперконденсаторы, которые позволяют максимально быстро отдавать полученный заряд. Благодаря этому преодолевается один из недостатков топливных ячеек на водороде - они являются инертными, то есть не могут изменять свою отдачу по желанию водителя автомобиля.
Основные преимущества
Основной плюс, которым обладает машина на водороде, использующая топливные ячейки в качестве источника энергии - сочетание в ней лучших характеристик автомобилей с двигателями внутреннего сгорания и электромобилей. Запас хода очень высок - особенно в случае, когда не только от реакции водорода с кислородом, но и от обычной электрической сети. Вместе с тем отсутствие агрегата, сжигающего углеводородное топливо, позволяет получить просто огромное количество преимуществ :
- Отсутствие вредных выбросов - как и при сгорании водорода, в топливных ячейках образуется только водяной пар, который не наносит вреда окружающей среде.
- Меньшая масса - кстати, комбинация водородных топливных ячеек, электродвигателя и аккумуляторов имеет меньшие габариты и вес, чем у батарей и мотора в традиционном электромобиле при сходных характеристиках и запасе хода.
- Уменьшение количества движущихся и соприкасающихся между собой частей в несколько раз - за счёт этого существенно повышается ресурс эксплуатации .
Если же рассматривать водородный автомобиль, который оснащается двигателем внутреннего сгорания, адаптированным к этому виду топлива, то пока у него больше минусов, чем положительных сторон. Однако отчёты научно-исследовательских институтов, которые занимаются разработками в этом направлении, позволяют надеяться на то, что в скором будущем ситуация коренным образом поменяется. Уже сообщается о том, что двигатели автомобилей, которые изначально создавались для работы на водороде, имеют :
- Ресурс эксплуатации, увеличенный на 20–30%, а также уменьшенная вероятность возникновения меньших поломок.
- Мощность, большая на 15–20%, больший КПД, означающий лучшее использование энергетического потенциала горючего.
- Стоимость пробега, в 2 раза меньшая, чем аналогичный показатель для бензина - однако только при условии промышленного производства водорода.
Вот только стоимость , очень уж высока - как в силу применения дорогостоящих инновационных материалов, так и благодаря штучному производству, ведущемуся по обходным технологиям.
Недостатки
К сожалению, не обходится и без минусов - впрочем, это касается не только водорода, но и всех прочих технологий альтернативной энергетики, работа над которыми ведётся относительно недавно. С точки зрения рядового потребителя пока существенным недостатком является высокая стоимость производства топлива - относительно недорого можно купить только водород, создаваемый в промышленных масштабах - он является редкостью, так как заводов по выпуску этого газа пока относительно немного. Кроме того, при проведении опросов в странах, где уже продано либо достаточно много автомобилей, работающих на водороде, результаты показали, что очень многие люди боятся взрыва «гремучего газа», хотя о таких случаях они даже не слышали. Действительно, на испытаниях нередко случались возгорания в результате утечки водорода, однако в серийное производство были отправлены только автомобили с многоуровневыми системами безопасности, предотвращающими возникновение взрыва.
Однако благодаря применению многих инновационных технических решений водородная машина является не только экономичной и безопасной, но и дорогой. В частности, никогда не разглашала стоимость автомобиля седьмой серии, работающего на водороде, разрешая только брать его в лизинг. Однако некоторые эксперты говорят о том, что его рыночная цена могла бы быть установлена на уровне 1,2–1,5 миллиона долларов. Даже наиболее дешёвые автомобили, выпускаемые Honda и Toyota, стоят не менее 30–50 тысяч долларов при минимальном уровне оснащения - и то, только благодаря демпинговой политике компаний и компенсациям, выделяемых правительством Японии. Стоит сказать и о том, что топливные ячейки и баки не могут быть долговечными в силу длительной эксплуатации в условиях агрессивной среды - и если ячейки можно выпускать в сменном виде, то на придётся затратить немало денег.
Пришло время поговорить о главном - где заправлять автомобиль, работающий на водороде? Говорить о создании сети заправок даже в Японии, США и Германии очень рано - пока они представляют собой единичные экземпляры. В то же время строительство соответствующей инфраструктуры для электромобилей идёт полным ходом, что позволяет получить сведения о приоритетах, которые устанавливаются современным обществом и государственными учреждениями. Заправлять водородом машину с использованием самодельных приспособлений очень опасно - вероятность взрыва будет невероятно высокой.
Топливо будущего или нет?
Сейчас приходится слышать о том, что водород является топливом будущего - однако стоит вспомнить о том, что подобные слоганы звучали во всём мире ещё в конце 60-х годов - причём Советский Союз, в котором исследования свойств этого газа шли полным ходом, исключением не был. Несмотря на всё прошедшее время, водородные автомобили так и остались прототипами, не слишком пригодными к серийному производству и эксплуатации общего пользования. Однако разработки не прекращаются, несмотря на то, что пока положительные результаты были достигнуты только единичными компаниями, начавшими мелкосерийное изготовление таких автомобилей. Кроме того, необходимо вспомнить о том, что водород является даже для окружающей среды источником энергии, чем электричеством. Ведь несмотря на развитие энергетики, в мире до 70% электростанций работают на таких «грязных» видах топлива, как нефть и уголь.
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.
Читайте также
Усовершенствание конструкции поршневого двигателя, отказ от КШМ: бесшатунный двигатель, а также двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.
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 .
Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.
Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.
Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе – смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.
Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.
По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.
Наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW и другие.
Типы и принцип работы водородных двигателей
Современные силовые установки подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде.
Силовые установки на основе водородных топливных элементов
Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.
В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами - анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор.
Действующими образцами автомобиля с силовой установкой на основе топливных элементов являются «Нива» с энергоустановкой «Антэл-1» и «Лада 111» с «Антел-2», разработанные уральскими инженерами. На одной подзарядке первая машина может преодолеть 200 км, вторая - 350 км.
Водородные двигатели внутреннего сгорания
При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом.
ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия.
Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.
Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов.
Проблемы и задачи развития водородных двигателей
Для массового перехода на водород в качестве топлива существует целый ряд технологических и экологических препятствий.
Производство водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем производство бензина.
Да и сам процесс получения водорода из воды пока еще обходится слишком дорого. Поэтому основной его объем в настоящее время производится из метана. С большими затратами связана его транспортировка и хранение.
В случае массового внедрения таких силовых установок, резко увеличится количество водорода в атмосфере, что может привести к разрушению озонового слоя Земли, так как водородные двигатели выделяют значительно больше оксидов азота, чем бензиновые.
Уровень коммерческой окупаемости таких силовых установок просматривается лишь в отдаленной перспективе.
Однако точно такие же проблемы в свое время возникали в период развития бензиновых, электрических и газовых двигателей. Остается надеяться, что через 15-20 лет ситуация измениться, и появление водородного автомобиля на дорогах станет обычным делом.
