Водневий двигун; пристрій, принцип роботи, перспективи

Після вичерпання природних запасів нафти, людям доведеться повністю покластися на альтернативні види отримання енергії. Водневий двигун, як заміна ДВС, які працюють на чорному золоті, є однією з перспектив майбутніх десятиліть.

Силові установки такого типу мають більший ККД і менший ступінь токсичності вихлопних газів. Втім, головна перевага моторів, що працюють на водні, – необмежений запас сировини для виробництва палива. Вода, саме вона може стати основою палива майбутнього.

Інтерес до використання водню з’явився ще під час паливної кризи 70-х років, але перший водневий двигун був винайдений тільки на початку XIX століття. Дійсне застосування технологія отримала під час блокади Ленінграда, коли воднем заправляли лебідки аеростатів, транспорт.

Незважаючи на очевидні переваги, знання способів отримання водню і його використання для роботи двигуна внутрішнього згоряння, існує кілька значних «але», які уповільнюють впровадження цієї прогресивної технології.

Особливості водню, як палива для ДВС

  • після згоряння залишається тільки водяну пару;
  • реакція відбувається набагато швидше, ніж у випадку з бензином або дизелем;
  • детонационная стійкість дозволяє підвищити ступінь стиснення;
  • завдяки своїй летючості, водень здатний проникати в найменші порожнини, зазори між деталями (лише особливі сплави підвищеної міцності здатні переносити руйнівний впливу водню на структуру металу);
  • тепловіддача згоряння водню в 2,5 рази більше, ніж у бензинової суміші;
  • широкий діапазон реакції. Мінімальна пропорція водню, достатня для реакції з киснем, становить всього 4%. Така особливість дозволяє налаштовувати режими роботи двигуна, дозуючи консистенцію суміші;
  • зберігання водню здійснюється в стислому або рідкому агрегатному стані. При пробої бака, газ під тиском випаровується.

Через перелічених вище особливостей, використання водню, як чистого палива для ДВС, неможливо без впровадження змін конструкції силового агрегату, а також навісного обладнання.

Пристрій і принцип роботи

Головна відмінність двигунів на водні від звичних нам зараз бензинових або дизельних аналогів полягає в способі подачі і запаленні робочої суміші. Принцип перетворення зворотно-поступальних рухів КШМ в корисну роботу залишається незмінним. З огляду на те що горіння палива на основі нафтопродуктів відбувається повільно, камера згоряння наповнюється паливно-повітряною сумішшю трохи раніше моменту підняття поршня в своє крайнє верхнє положення (ВМТ). Блискавична швидкість реакції водню дозволяє зрушити час вприскування до моменту, коли поршень починає своє зворотний рух до НМТ. При цьому тиск в паливній системі не повинно бути високим (4 атм. Досить).

В ідеальних умовах водневий двигун може мати систему харчування закритого типу. Процес сумішоутворення відбувається без участі атмосферного повітря. Після такту стиснення в камері згоряння залишається вода у вигляді пари, який проходячи через радіатор, конденсується і перетворюється назад в Н2О. Такий тип апаратури можливий в тому випадку, якщо на автомобілі встановлений електролізер, який відокремить з отриманої води водень для повторної реакції з киснем.

На практиці такий тип системи здійснити поки що складно. Для справної роботи і зменшення сили тертя в моторах використовується масло, випаровування якого є частиною відпрацьованих газів. На сучасному етапі розвитку технологій стійка робота і безпроблемний запуск двигуна, що працює на Гримучому газі, без використання атмосферного повітря неможливі.

Гібридні моделі і можливі модифікації

Завдяки великому інтересу до використання водню в якості палива для ДВС, гідродвигуни внутрішнього згоряння мають різні модифікації і типи виконання.

Схема пристрою гібридного водневого двигуна

Мотор, розроблений В.С. Кащеєва, має інший пристрій. Крім впускного клапана (6) для подачі повітря, випускного для виведення вихлопних газів (7), ГБЦ має окремий клапан для подачі водню (9) і свічку запалювання (10), які знаходяться в передкамері (8). Остання розташована в ГБЦ вище рівня поршня в положенні НМТ.

Після подолання поршнем НМТ в камеру згоряння подається і запалюється водень (попередньо поршень затягує повітря через впускні клапани). У цей же самий час відкриваються випускні клапани. Через різницю атмосферного тиску, відпрацьовані гази спрямовуються в випускний колектор, створюючи за собою вакуум, який переміщує поршень до ВМТ і за рахунок імпульсу назад в крайнє нижнє положення. Як бачимо, принцип трохи відрізняється, але суть залишається незмінною.

Технологія гібридних силових установок – це проміжна ступінь між початком використання водню в якості палива і повною відмовою від використання нафтопродуктів. Автомобілі з моторами такого типу можуть пересуватися як на бензині, так і на водні.

Ще більш широкого поширення набуло застосування водню в якості компонента паливно-повітряної суміші. Для роботи ДВС використовується звичайне паливо і невелика частина гримучого газу. Це дозволяє підвищити ступінь стиснення, і зменшити токсичність вихлопних газів.

Одним з можливих шляхів розвитку двигунів на водні є застосування силових установок з паливними елементами. Під час хімічної реакції водню і кисню виділяється енергія, яка використовується для живлення електродвигунів автомобіля.

Труднощі експлуатації водневих ДВС

Головна перешкода на шляху впровадження технології – це вартість отримання водню (Н2), а також комплектуючих для його зберігання та транспортування. Наприклад, для збереження зрідженого стану потрібно підтримувати стабільну температуру -253? С. Найбільш доступний спосіб отримання Н2 – це електроліз води. Промислове постачання воднем вимагає великих енергетичних витрат. Рентабельним цей процес зможе зробити ядерна енергетика, якої також намагаються знайти раціональну альтернативу. Транспортування і зберігання газу вимагають використання дорогих матеріалів і високоякісних механізмів. До інших недоліків водневого палива можна віднести:

  • вибухонебезпечність. У замкнутому просторі достатня для реакції концентрація гримучого газу може спровокувати вибух. Погіршити ситуацію здатна висока температура повітря. Через високий ступінь диффузности водню існує ризик потрапляння Н2 у вихлопній колектор, де реакція з гарячими вихлопними газами призведе до спалаху суміші. Роторний двигун, зважаючи на особливості компонування, є більш прийнятним для водневого автомобіля;
  • для зберігання водню потрібно ємність великого об’єму, а також спеціальні системи, що перешкоджають улетучиванию Н2 і забезпечують захист від механічних деформацій. Якщо для автобусів, вантажівок або водного транспорту така особливість не грає великої ролі, то легкові автомобілі втрачають цінні кубометри багажного відділення;
  • в режимах високотемпературних навантажень водень здатний провокувати руйнівний вплив на деталі циліндропоршневої групи і моторне масло. Застосування відповідних сплавів і мастильних матеріалів веде до подорожчання виробництва і експлуатації двигунів, що працюють на водні.

Перспективи розвитку

Автомобілебудування – далеко не єдина область, де можуть застосовуватися водневі двигуни. Водний, залізничний транспорт, авіація, а також різна допоміжна спецтехніка можуть використовувати силові установки подібного типу.

Інтерес до впровадження технології водневих двигунів проявляють як дочірні підприємства, так і великі автоконцерни (BMW, Volskwagen, Toyota, GM, Daimler AG та інші). Вже зараз на дорогах можна зустріти не тільки досвідчені зразки, але й повноцінні представники модельного ряду, що приводяться в рух за допомогою водню. BMW 750i Hydrogen, Honda FSX, Toyota Mirai та багато інших моделей відмінно зарекомендували себе під час дорожніх випробувань. На жаль, висока вартість водню, відсутність інфраструктури заправних станцій, а також достатньої кількості кваліфікованих співробітників, обладнання для ремонту та обслуговування не дозволяють запустити такі автомобілі в масове виробництво. Оптимізація всього циклу використання гримучого газу є первинним завданням галузі розвитку водневої енергетики.

Ссылка на основную публикацию