Як працює водневий двигун

Уже котрий рік поспіль з усіх екранів нам розповідають про те, що запаси нафти добігають кінця. І скоро доведеться масово переходити на нові джерела енергії, які зможуть повноцінно замінити так зване чорне золото.

Поки ніякого гострого дефіциту нафти світ не відчуває. Але все ж робота над пошуками альтернативного палива ведеться дуже активно. Одним з них став водень. Водневі двигуни транспортних засобів вже сьогодні існують, причому їх не так мало, як може здатися. Цей вид палива характеризується незначною токсичністю і при цьому здатний похвалитися чудовим коефіцієнтом корисної дії.

Акція: Розпродаж нових авто 2018-2019 року випуску
У Московському Автомобільному Домі

Lada Vesta
від 434 900 руб
Детальніше

Hyundai Solaris
від 550 000 руб
Детальніше

Kia Rio
від 574 900 руб
Детальніше
Акція: Розпродаж нових авто 2018-2019 року випуску
У Московському Автомобільному Домі

Renault Duster
від 474 000 руб
Детальніше

Hyundai Creta
від 767 000 руб
Детальніше

Toyota RAV4
від 1 406 000 руб
Детальніше

Головне достоїнство водню в тому, що це практично необмежений ресурс, на відміну від тієї ж нафти. Але щоб розуміти можливості, суть і перспективи водневих моторів, потрібно вивчити їх більш детально.

Трішки історії

У 70-х роках минулого століття спостерігався період досить гострого дефіциту пального, виготовленого на основі нафтопродуктів. Саме тоді інженери почали проявляти підвищений інтерес до такого ресурсу як водень.

Якщо говорити про самих розробників, то першим, хто презентував автомобільний водневий двигун, виявилася компанія Toyota. Їх проект з’явився на виставці тільки в 1997 році і носив назву FCHV. Це був прототип кросовера, але з тих чи інших причин серійний випуск так і не розпочався.

Хоча старт виявився невдалим, автокомпанії не зупинилися, а продовжили дослідження і пошуки виходу з ситуації. У цьому компоненті досягли успіху японські і корейські виробники в особі Honda, Toyota і Hyundai. Також певні кроки в бік водневих моторів роблять представники General Motors, Nissan, BMW, Volkswagen і Ford.

Нехай до автомобілів це не має прямого відношення, але 2016 рік став знаковим, оскільки з’явився потяг, який працює на водні. Створили його в компанії Alstom. Німці планують в найближчі кілька років прибрати близько 4 тисяч своїх дизельних локомотивів, і замінити їх на водневі склади Coranda iLint. Крім Німеччини, ці поїзди хоче закупити Данія, Норвегія і ряд інших держав.

Водень як пальне

Насамперед хочеться зрозуміти, що собою являє двигун на водні. А для цього нам необхідно вивчити сам водень як ефективне джерело енергії, тобто альтернатива звичному нам паливу.

Кожен прекрасно знає, що в звичайному двигуні з системою внутрішнього згоряння, який працює на бензині, відбувається змішування палива з повітрям. Потім ця суміш надходить всередину циліндрів, де і згоряє. Це створює енергію для переміщення поршнів, що і сприяє в результаті руху ТЗ.

У водню є свої нюанси, які проявляються в наступному:

  • коли спалюється суміш з використанням водню, на виході виходить тільки звичайний водяний пар;
  • на займання водню йде менше часу, ніж у випадку з дизельним або традиційним бензиновим паливом;
  • детонационная стійкість речовини сприяє збільшенню ступеня стиснення;
  • показники тепловіддачі складу перевершують топливовоздушную суміш на 250%;
  • водень є летючим газом, через що він може проникати в найменші порожнини і зазори;
  • лише деякі метали здатні впоратися з впливом запалюється водню;
  • таке паливо можна зберігати в рідкому або стисненому агрегатному стані;
  • якщо ємність отримує пробою або невелику тріщину, все паливо випаровується досить швидко;
  • щоб вступити в реакцію з киснем, нижній рівень газу складає 4%;
  • остання особливість дозволяє налаштовувати необхідні оптимальні режими для двигуна за рахунок дозування консистенції.

Якщо брати до уваги всі розглянуті особливості, можна з упевненістю сказати, що варіант з використанням чистого водню в звичайному ДВС неможливий. Щоб домогтися бажаного, необхідно обов’язково внести деякі зміни в конструкцію, а також встановити додаткове обладнання.

У чому небезпека такого палива

Водень позиціонується як вибухонебезпечну речовину. Саме це можна справедливо вважати головною небезпекою і проблемою всієї технології водневих моторів.

Поєднуючись з окислювачем, в якості якого виступає кисень, збільшується ризик займання, і також виникає загроза вибухів. Дослідження показники, що на займання водню йде близько десятої частки енергії, необхідної під час займання паливо-повітряної суміші. Фактично можна обійтися невеликою статичною іскрою, щоб водень спалахнув.

Є ще одна небезпека. Газ невидимий, і навіть в процесі горіння його практично непомітно. Невидимість вогню ускладнює можливість боротися з ним.

Не можна забувати про небезпеку речовини для самої людини. Перебуваючи в зоні з підвищеною концентрацією газу в повітрі, може наступити задуха. А розпізнати наявність речовини вкрай проблематично. Пояснюється це відсутністю запаху і кольору. Тобто людський газ не здатний його розгледіти, а ніс не може рознюхати.

В якості останнього аргументу на користь того, що водень дійсно небезпечний, виступає факт його дуже низької температури в разі знаходження в зрідженому стані. Контакт з такою речовиною здатний спровокувати обмороження.

Пристрій

На практиці схема пристрою водневого двигуна безпосередньо залежить від того, до якого типу він відноситься.

Існує кілька варіантів моторів, де в якості палива застосовується водень. При цьому діляться вони на 3 групи:

  • ТС, конструкція яких передбачає наявність відразу 2 енергоносіїв. Такі автомобілі економічні, можуть використовувати в роботі водень або паливну суміш. Їх ККД знаходиться на рівні 90-95%. Якщо брати той же дизельний двигун, його ККД становить 50%, а бензинові мотори не можуть похвалитися ККД більше 35-40%. Подібні машини відповідають екологічним вимогам Євро 4;
  • Машини з електромоторами, які живлять спеціальні водневі елементи. В даний час існують двигуни, у яких ККД становить від 75%;
  • Звичайні ТЗ, де для роботи використовується суміш або ж безпосередньо сам чистий водень. Їх ККД піднявся ще на 20%.

Раніше вже був відзначений той факт, що пристрій, тобто конструкція двигуна, що живиться воднем, практично не має істотних відмінностей в порівнянні з класичними ДВС на бензині або дизелі. Винятком є ??тільки деякі елементи і додаткове обладнання.

Головною відмінною рисою в плані конструкції і пристрої вважається спосіб, який використовується для подачі палива в камеру, а також подальше займання. Якщо ж говорити про перетворення енергії, яка приводить в рух кривошипно-шатунний механізм, то тут все аналогічно з традиційними моторами.

Принцип роботи

Куди цікавіше розібратися в тому, як же працюють водневі двигуни. Це багато в чому визначить основні особливості подібних силових установок, а також дозволить відповісти на деякі питання, що цікавлять автолюбителів питання.

Щоб ознайомитися з принципом роботи водневого двигуна, слід розглянути окремо два типу установок. Це практично класичні ДВС і мотори, що мають водневі елементи. У кожного з них є свої відмінності і особливості роботи.

Тепер розглянемо два типи двигунів окремо і вивчимо принцип їх роботи.

Системи внутрішнього згоряння

Це непоганий і перспективний аналог класичного ДВС, де в якості робочої рідини, тобто палива, використовується водень.

У випадку зі звичайним мотором з системою внутрішнього згоряння паливоповітряної суміш згоряє повільніше, ніж у випадку з воднем. Паливо виявляється в камері до того, як поршень досягає ВМТ.

Якщо говорити про водневих аналогах, то тут велику роль відіграє здатність миттєвого займання речовини. Це дозволило змістити час, коли відбувається вприскування. Робиться це в момент руху поршня в зворотному напрямку. А щоб мотор міг нормально працювати, не потрібно великий тиск. Тут досить не більше 4 атмосфер.

За оптимальних умов водневі ДВС можуть працювати спільно з системою харчування закритого типу. Це означає, що при формуванні паливної суміші не використовується кисень, тобто повітря, що забирається з атмосфери. Коли такт стиснення завершується, всередині циліндра залишається пар. Він перенаправляється в радіатор, відбувається процес конденсації і з’являється вода. Таку систему можна реалізувати, якщо на авто присутній пристрій під назвою електролізер. Це девайс, що дозволяє відокремити водень від води, щоб потім створити реакцію з киснем.

Але на практиці реалізувати подібні системи не вдалося. Це обумовлено тим, що для забезпечення ефективної роботи ДВС і зменшення тертя в ньому застосовують моторне мастило. Масло випаровується і стає складовим компонентом вихлопу. В результаті в даний час кисень вкрай необхідний в процесі роботи водневих силових установок.

водневі елементи

Ще один водневий двигун, який може застосовуватися для автомобіля, передбачає використання водневих елементів.

Тут принцип дії грунтується на хімічних реакціях. На кожусі мотора передбачено наявність спеціально мембрани, здатної проводити лише протони, а також електродної камери. Всередині останньої розташовується анод з катодом.

У секцію з анодом надходить водень, а в катодного камері забезпечується подача кисню. При цьому на електродах є напилення, яке виконує роль прискорювача реакції або каталізатора. Найчастіше в якості каталізаторного напилення використовують платину.

Вплив каталітичного компонента сприяє тому, що водень втрачає свої електрони. Потім протони проходять через спеціальну мембрану і надходять на катод. Під дією каталізатора утворюється звичайнісінька вода. Електрони, що виходять з анодної камери, надходять в електромережу, яка при цьому підключається до двигуна. Така схема і створює харчування для мотора, і забезпечує його можливість приводити в рух автомобіль.

Паливні водневі елементи відрізняються своєю здатністю створювати електроенергію для живлення електродвигунів. Це дозволяє замінити класичні ДВС і використовувати елементи як джерело живлення бортової мережі на авто.

До застосування паливних елементів прийшли досить давно. Вперше їх використали аж в 1959 році американські інженери.

На практиці ці елементи набули широкого поширення. Можна виділити кілька основних сфер їх використання:

  • Автотранспорт. У водневих паливних елементів набагато більш високий ККД, ніж у стандартного ДВС. При першому випробування коефіцієнт склав 57%. В даний час елементи активно застосовуються і тестуються в компаніях Honda, Nissan, Volkswagen, Ford і ін .;
  • Залізничний транспорт. Близько 60% від усіх ТС на залізниці займають тепловози. Водневі склади активно впроваджуються в Японії, США, Німеччини та інших розвинених країнах;
  • Морський транспорт. Найбільш поширення водневі елементи отримали в складі підводних судів. Зараз найактивнішими розробниками є німці та іспанці;
  • Авіація. Перші летальні машини, де використовувалися водневі двигуни, розробили і створили ще 40 років тому. В даний час водневі елементи впроваджують в безпілотники.

Водень як основа роботи відповідних двигунів також застосовується в створенні велосипедів, мопедів, навантажувачів, машин для гольфу, тракторів і цілого ряду іншої техніки.

Проблеми експлуатації ДВС

На даний момент водневий двигун не може в повній мірі замінити традиційні мотори для автомобіля. Розуміючи принцип його роботи, не можна забувати про фактор небезпеки речовини.

Автовиробники не зможуть поголовно оснащувати свої машини мотором, що працює на водні, поки не усунуть ряд перешкод. Головним з них вважається складність отримання самого газу. Плюс комплектуючі коштують дорого, що в даний момент робить виробництво занадто витратним.

Також є проблеми із забезпеченням належного зберігання речовини. Адже щоб підтримувати газ в потрібному стані, потрібно постійно підтримувати температуру на рівні близько -253 градусів.

Найпростішим способом, який використовують для отримання газу, є електроліз звичайної води. Для промислових масштабів потрібні величезні енерговитрати на електроліз. З метою підвищення рентабельності мова заходить про використання ядерної енергетики. Але ризики занадто високі, тому інженери і вчені думають над тим, як відшукати гідну альтернативу.

Щоб перевозити і зберігати отриманий газ, застосовуються дуже дорогі матеріали і спеціальні механізми, що володіють підвищеною якістю і відповідною вартістю.

В процесі експлуатації є й інші складності і перешкоди, серед яких варто виділити наступні:

  • Небезпека вибуху. Якщо газ почне виходити зі сховища або просто з бака авто в умовах закритого приміщення, навіть наявність невеликого джерела енергії, такого як включена лампочка в гаражі, спровокує вибух. А в разі нагрітого повітря ситуація стає ще більш небезпечною. Речовина має підвищену проникність, що може спровокувати потрапляння газу в колектор вихлопної системи. У зв’язку з цим краще для водню використовувати роторні двигуни;
  • Зберігання. Воно передбачає застосування великих ємностей зі спеціальними системами, які захищають від випаровування. Також потрібен захист від механічних пошкоджень. У випадку з вантажівками і великими автобусами це не проблема. А ось стосовно до легкових авто з’являються складності, оскільки під бак відводиться велика кількість кубометрів;
  • Негативний вплив і руйнування циліндропоршневої групи. Це стає можливим, коли водень має високу температуру і стикається з великими навантаженнями. Страждає ЦПГ і мастило. Щоб виключити ці проблеми, потрібен спеціальний сплав і особливі змащувальні компоненти, які збільшують вартість виготовлення водневих моторів. Звідси і висока ціна самих автомобілів.

Проблем об’єктивно багато. Наскільки вони можуть бути вирішені, говорити складно. Хоча розробники впевнені, що змінити ситуацію в кращу сторону можливо. І вже робляться великі кроки, які підтверджують подібні заяви.

Переваги і недоліки

Для кращого розуміння того, як йдуть справи з водневими моторами зараз, і наскільки перспективними є двигуни на водневому паливі, слід розглянути їх сильні і слабкі сторони.

Почнемо з переваг. До них можна віднести наступні фактори:

  • Доступність палива. Оскільки газ отримують з води, причому абсолютно з будь-якої, цей ресурс можна вважати практично безмежним. Якщо вдасться вдосконалити електроліз або розробити іншу ефективну технологію витягання Н2 з Н2О, як джерело речовини можна буде застосовувати навіть стічні води;
  • Екологічна безпека. Впровадження таких моторів дозволить повністю вирішити проблему забруднення машинами навколишнього середовища. Масштабний перехід на водень знизить небезпечний парниковий ефект. Звучить голосно, але це паливо здатне врятувати нашу планету. Такий вихлоп абсолютно безпечний для людини. По суті на виході з вихлопної труби виходить дистильована, очищена вода. Співробітники компанії Toyota довели, що цю воду можна пити без жодних побоювань;
  • Досвід. Оскільки розробка водневих моторів ведеться не один десяток років, цілий ряд проблем і обмежень вже вдалося подолати. Інженери та вчені не стоять на місці, у технології є хороші перспективи;
  • Універсальність. Водень може застосовуватися не тільки в ДВС, а й на електромобілях, живлячи за рахунок паливних елементів електромотори;
  • Двигуни з таким типом паливо створює мінімальний шум в процесі своєї роботи;
  • Двигуни стають більш Пріємістий, потужними і продуктивними, підвищується ККД в порівнянні з класичними ДВС;
  • Сам водень витрачається в незначній кількості в процесі експлуатації авто;
  • Автомобілі на такому вигляді пального характеризуються великим запасом ходу, тобто можуть проїхати велику дистанцію без дозаправки;
  • Обслуговування ДВС на водні не складніше, ніж робота з дизельними або бензиновими двигунами;
  • Високий потенціал. Теж великий плюс, який в повній мірі проявиться, коли вдасться виключити хоча б кілька поточних недоліків технології.

І тут ми плавно переходимо до мінусів.

Недоліки у водневих моторів дійсно є. Причому вони досить суттєві і вагомі. Ці мінуси не дозволяють говорити про швидке масове впровадження водню як заміни бензину або дизельного пального.

  1. Газ складно витягати з води. Хоча водень мало не найпоширеніший газ на нашій планеті, зустріти його в чистому вигляді проблематично. Він мало важить, через що піднімається і залишається в самих верхніх шарах нашої атмосфери. Газ на атомному рівні вступає в реакцію з іншими компонентами, через що ми отримуємо такі речовини як вода, метан та ін. Поки витяг водню з води є вкрай невигідним, що стало головною перешкодою по впровадженню водневих моторів. Ціна за 1 літр газу в зрідженому стані може становити від 3-4 до 10-12 доларів.
  2. Дефіцит АЗС. Також великою проблемою вважається мінімальна кількість автозаправних станцій, які пропонують своїм клієнтам водень. Саме обладнання для заправки дуже дороге. Плюс самих машин дуже мало.
  3. Висока вартість модернізації ДВС. В теорії водень можна заправляти в звичайні ДВС. Але щоб застосовувати новий вид пального, в двигун потрібно внести деякі зміни. Якщо все залишити без змін, відбудеться падіння потужності на 30-40%, і паралельно зменшиться моторесурс. Також водень характеризується виділенням тепла з підвищеною температурою, яка швидко починає руйнувати традиційні для нинішніх ДВС поршні і клапана. Фактично двигуну доводилося б працювати в режимі постійних надмірних навантажень. Тобто без серйозної модернізації класичний ДВС використовувати для роботи на водні не можна.
  4. Великі ціни на матеріали. Саме висока вартість основних матеріалів, необхідних для водневих моторів, є ключовою перешкодою в питанні їх розвитку. Платина, яка виступає як каталізатор, неймовірно дорога, і для звичайного автомобіліста недоступна. Тому варто лише сподіватися на пошуки більш дешевих альтернативних матеріалів.
  5. Вибухонебезпечність і можливість виникнення пожежі. Вагомий аргумент, який говорить не на користь цього типу палива для двигунів.
  6. Підвищення ваги автомобіля. Потужні акумулятори, перетворювачі, міцніші і масивні матеріали для двигуна призводять до сумарного помітного збільшення ваги ТЗ.
  7. Проблема зберігання. Таке паливо можна зберігати при високому тиску, або в зрідженому стані. У кожного з них є свої підводні камені і об’єктивні складнощі з реалізацією сховища.

Також вчені до кінця не розуміють, наскільки згубним може виявитися водень при його різкому збільшенні в плані кількості для і без того перебуває в жалюгідному стані озонового шару. Відносити це до недоліків складно, але і перевагою точно не назвеш.

перспективи

Використання такого газу як водень потенційно може відкрити неймовірні великі перспективи. Причому тут мова йде не тільки про автомобільний двигун внутрішнього згоряння, що працює на водні, а й про цілий ряд інших сфер застосування. У їх числі авіація, залізничний транспорт, морські судна тощо. Крім застосування в ДВС, водень також може використовуватися для харчування і роботи допоміжної техніки, механізмів і різного устаткування.

Вже зараз провідні автовиробники приділяють велику увагу можливості впровадити в масове виробництво водневі ДВС. Серед них такі гіганти як Volkswagen, General Motors, Toyota, BMW та ін.

В даний час існують автомобілі, під капотом яких знаходяться водневі силові установки. При цьому вони відмінно функціонують, мало чим поступаються традиційним ДВС на бензині і дизпаливі, а також володіють деякими істотними перевагами.

Щоб говорити про серйозні перспективи і масове впровадження водню, потрібно вирішити хоча б кілька головних недоліків. Експерти впевнені, що при наявності способу зменшити вартість газу, а також при будівництві більшої кількості АЗС і навчанні кадрів для обслуговування водневих моторів, безліч таких машин обов’язково стануть нормою на дорогах.

Технології-конкуренти

Автовиробники поки не можуть або не хочуть повною мірою сконцентруватися на водневих технологіях, оскільки у неї є ряд серйозних конкурентів.

Можна виділити наступні види моторів, які не дають водневим ДВС і паливним елементам на водні розвиватися, вдосконалюватися і масово виходити на ринок.

  1. Гібридні установки. Це автомобілі, здатні використовувати одночасно кілька джерел енергії. Найчастіше в машину впроваджують звичайний ДВС і електромотор. Також бувають варіанти, коли звичайний двигун на бензині працює разом з вузлом, що живиться стисненим повітрям.
  2. Електрокари. Зараз активно розвиваються і поширюються повністю електричні авто. Це машини, які рухаються за рахунок роботи одного або декількох електромоторів. Вони харчуються від спеціальних акумуляторів або паливних елементів. ДВС тут не використовують.
  3. Рідкий азот. Речовина поміщається в спеціальні ємності. Сам процес роботи виглядає так. Паливо нагрівається за рахунок роботи спеціального механізму. Це призводить до випаровування і утворення газу високого тиску. Цей газ йде в двигун, де впливає на поршні або ротори, передаючи свою енергію. Поки такі авто не набули широкого поширення.
  4. Стиснене повітря. Тут основою всієї силової установки виступає пневмодвигун. Пневматичний привід змушує машину рухатися. Паливноповітряна суміш замінена на стиснене повітря. Ця система є частиною сучасних гібридних автомобілів.

У водню досить багато конкурентів. І зараз найголовнішим суперником справедливо вважається електродвигун.

Наскільки сильно ситуація зміниться в найближчі кілька років, говорити складно. Про якихось різких змінах і відкриттях говорити навряд чи варто. Але є ймовірність того, що через 10-20 років водень стане куди більш ефективним і доступним. Тим самим почнуть з’являтися серійні водневі автомобілі в великій кількості. Приблизно так зараз йдуть справи з електрокарами.

Сучасні водневі автомобілі

Оскільки водень став досить перспективним і привабливим варіантом палива для автомобілів, багато автокомпанії серйозно зацікавилися в створенні водневих машин.

Не можна сказати, що їх величезна кількість. Але кілька яскравих представників виділити можна. До них відносяться:

  • Fuel Cell Cedan або просто FCV. Це автомобіль від компанії Toyota. Вони спеціально помістили ємність для водню під підлогу, щоб заощадити простір в салоні і багажнику. Легковий автомобіль призначений для міської експлуатації. Купити його можна за 68 тисяч доларів;
  • Розробка компанії BMW. Фактично це BMW 7 серії, куди помістили особливий двигун, здатний переключатися з одного виду палива на інший;
  • Авторами цього проекту виступають інженери компанії Honda. Машина здатна проїхати на водні близько 600 кілометрів. Заправка займає 3-6 хвилин;
  • Машина від компанії Toyota. Причому це серійний автомобіль, які почали продавати в Японії ще з 2014 року, а в США машина з’явилася в 2015 році. Заправляється повний бак воднем протягом 5 хвилин, а запас ходу складає 500 кілометрів;
  • H-Tron. Це концепт у виконанні компанії Audi, який німці продемонстрували в рамках автосалону в місті Детройт. Виробник запевняє, що модель робоча, може проїхати на повному баку 600 кілометрів, а до 100 кілометрів на годину розганяється за 7 секунд.

У таких компаній як Hyundai, Lexus, BMW, Mercedes і Ford є певні прототипи, задумки і прес-релізи, пов’язані з випуском їх власних водневих автомобілів. Але тут мова йде тільки про перспективи. Ті ж концерни Lexus і BMW (у співпраці з Toyota) обіцяють презентувати свої машини в 2020 році. Наскільки ці заяви відповідають дійсності, і чи зможемо ми побачити робочі прототипи або провісників серійних моделей, говорити складно.

Воднева технологія досить спірна і неоднозначна. Є ряд переваг, перспектив і передумов, але в даний час реалізувати повний потенціал неможливо. Відсутні можливості і методи дешевого вилучення водню з води. А це багато в чому зупиняє рух на шляху до подальшого розвитку.

У водневих моторів є майбутнє. Але щоб воно було світлим і перспективним, належить виконати величезну роботу. Вийде чи ні, питання складне і практично не має однозначної відповіді.

Ссылка на основную публикацию