Традиционный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет ряд существенных недостатков, что заставляет ученных искать ему достойную замену. Самым популярным вариантом подобной альтернативы является электродвигатель, однако он не единственный, кто может составить конкуренцию ДВС. В данной статье речь пойдет о водородном моторе, который по праву считается будущим автомобилестроения и может решить проблему с вредными выбросами и дороговизной топлива.
Краткая история
Несмотря на то, что сохранность окружающей среды только сейчас стала массовой проблемой, об изменении стандартного двигателя внутреннего сгорания ученые задумывались и раньше. Так, мотор, работающий на водороде, «увидел мир» еще в 1806 году, чему поспособствовал французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (он производил водород при помощи электролиза воды).
Прошло несколько десятков лет, и в Англии выдали первый патент на водородный двигатель (1841 год), а в 1852 году немецкие ученые сконструировали ДВС, который мог работать на воздушно-водородной смеси.
Чуть позже, во времена блокады Ленинграда, когда бензин был дефицитным продуктом, а водород имелся в достаточно большом количестве, техник Борис Шелищ предложил использовать для работы заградительных аэростатов воздушно-водородную смесь. После этого на водородное питание перевели все ДВС лебедок аэростатов, а общее число работающих на водороде машин достигало 600 единиц.
В первой половине ХХ века интерес общественности к водородным двигателям был невелик, но с приходом топливно-энергетического кризиса 70-х годов ситуация резко изменилась. В частности, в 1879 году компания BMW выпустила первый автомобиль, который вполне успешно ездил на водороде (без взрывов и водяного пара, вырывающегося из выхлопной трубы).
Следом за BMW, в этом направлении начали работать другие крупные автопроизводители, и к концу прошлого столетия практически каждая уважающая себя автокомпания уже имела концепцию разработки машины на водородном топливе. Тем не менее, с окончанием нефтяного кризиса исчез и интерес общественности к альтернативным источникам топлива, хотя в наше время он снова начинает пробуждаться, подогреваемый защитниками экологии, борющимися за снижение токсичности выхлопных газов автомобилей.
Более того, цены на энергоносители и желание обрести топливную независимость только способствуют проведению теоретических и практических исследований ученными многих стран мира. Самыми активными являются компании BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.
Интересный факт! Водород – самый распространенный элемент во Вселенной, но найти его в чистом виде на нашей планете будет очень непросто.
Принцип работы и типы водородного двигателя
Основным отличием водородной установки от традиционных двигателей является способ подачи топливной жидкости и последующее воспламенением рабочей смеси. При этом принцип трансформации возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в полезную работу остается неизменным. Учитывая, что горение нефтяного топлива происходит достаточно медленно, топливно-воздушная смесь наполняет камеру сгорания раньше, чем поршень займет свое крайнее верхнее положение (так называемую верхнюю мертвую точку).
Стремительная реакция водорода дает возможность сдвинуть время впрыска ближе к тому моменту, когда поршень начинает возвращаться к нижней мертвой точке. Нужно отметить, что давление в топливной системе не обязательно будет высоким.
Если водородному двигателю создать идеальные рабочие условия, то он может иметь топливную систему питания закрытого типа, когда процесс смесеобразования будет проходить без участия атмосферных воздушных потоков. В таком случае после такта сжатия в камере сгорания остается водяной пар, который, проходя через радиатор, конденсируется и снова превращается в обычную воду.
Однако применение такого вида устройства возможно только тогда, когда на транспортном средстве имеется электролизер, отделяющий водород от воды для его повторной реакции с кислородом. На данный момент добиться таких результатов крайне сложно. Для стабильной работы двигателей применяется , а его испарения являются частью выхлопных газов.
Поэтому беспроблемный запуск силовой установки и ее устойчивая работа на гремучем газе без использования атмосферного воздуха – пока что неосуществимая задача. Различают два варианта автомобильных водородных установок: агрегаты, функционирующие на основе водородных топливных элементов, и водородные двигатели внутреннего сгорания.
Силовые установки на основе водородных топливных элементов
В основе принципа работы топливных элементов лежат физико-химические реакции. По сути, это те же свинцовые аккумуляторные батареи, вот только коэффициент полезного действия топливного элемента несколько выше, чем АКБ, и составляет около 45% (иногда больше).
В корпус водородно-кислородного топливного элемента помещена мембрана (проводит только протоны), разделяющая камеру с анодом и камеру с катодом. В камеру с анодом поступает водород, а в камеру катода – кислород. Каждый электрод заранее покрывают слоем катализатора, в роли которого нередко выступает платина. При его воздействии молекулярный водород начинает терять электроны.
В это же время протоны проходят через мембрану к катоду и под влиянием того же катализатора соединяются с электронами, поступающими снаружи. В результате реакции образуется вода, а электроны из камеры анода перемещаются в электроцепь, подсоединенную к мотору. Проще говоря, мы получаем электрический ток, который и питает двигатель.
Водородные двигатели на основе топливных элементов сегодня используются на автомобилях «Нива», оснащенных энергоустановкой «Антэл-1», и машинах «Лада 111» с агрегатом «Антел-2», которые были разработаны уральскими инженерами. В первом случае одного заряда хватает на 200 км, а во втором – на 350 км.
Следует отметить, что из-за дороговизны металлов (палладия и платины), входящих в конструкцию таких водородных двигателей, подобные установки имеют очень большую стоимость, что существенно увеличивает и цену транспортного средства, на котором они установлены.
А знаете ли вы? Специалисты компании Toyota начали работать с технологией топливных элементов еще 20 лет назад. Примерно тогда стартовал и проект гибридного автомобиля Prius.
Водородные двигатели внутреннего сгорания
Данный тип силовых установок очень похож на распространенные сегодня моторы на пропане, поэтому, чтобы перейти с пропана на водородное топливо, достаточно просто перенастроить двигатель. Уже существует немало примеров подобного перехода, но нужно сказать, что в этом случае КПД будет несколько ниже, чем при использовании топливных элементов. В то же время, для получения 1 кВт энергии водорода потребуется меньше, что вполне компенсирует данный недостаток.
Использование этого вещества в обычном моторе внутреннего сгорания вызовет целый ряд проблем. Во-первых , высокая температура сжатия «заставит» водород вступить в реакцию с металлическими элементами двигателя или даже моторным маслом. Во-вторых , даже небольшая утечка при контакте с раскаленным выпускным коллектором точно приведет к возгоранию.
По этой причине для создания водородных конструкций используются только силовые агрегаты роторного типа, так как их конструкция позволяет уменьшить риск возгорания за счет расстояния между впускным и выпускным коллектором. В любом случае, все проблемы пока удается обходить, что позволяет считать водород достаточно перспективным топливом.
Хорошим примером транспортного средства с водородной установкой может послужить экспериментальный седан BMW 750hL, концепт которого был представлен еще в начале 2000-х годов. Автомобиль оснащен двенадцатицилиндровым мотором, работающим на основе ракетного топлива и позволяющим разогнать машину до 140 км/час. Водород в жидкой форме хранится в специальном баке, и одного его запаса хватает на 300 километров пробега. Если же он полностью расходуется, система автоматически переключается на бензиновое питание.
Водородный двигатель на современном рынке
Последние исследования ученых в области эксплуатации водородных двигателей показали, что они не только очень экологичны (как электродвигатели), но могут быть очень эффективными в плане производительности. Более того, по техническим показателям водородные силовые установки обходят своих электрических собратьев, что уже было доказано (к примеру, Honda Clarity).
Также следует отметить, что, в отличие от систем Tesla Powerwall, водородные аналоги имеют один существенный недостаток:
зарядить аккумулятор при помощи солнечной энергии уже не получится, а вместо этого придется искать специальную заправочную станцию, которых на сегодняшний день даже в мировом масштабе насчитывается не так уж и много.
Сейчас Honda Clarity выпущен достаточно ограниченной партией, и приобрести автомобиль можно только в Стране восходящего солнца, так как в Европе и Америке транспортное средство появится только в конце 2016 года.
Интересно знать! Генератор Power Exporter 9000 (может входить в комплектацию Honda Clarity) способен питать всю домашнюю технику почти целую неделю.
Также в наше время выпускаются и другие транспортные средства, использующие водородное топливо. К ним относятся Mazda RX-8 hydrogen и BMW Hydrogen 7 (гибриды, работающие на жидком водороде и бензине), а также автобусы Ford E-450 и MAN Lion City Bus.
Среди легковых автомобилей самыми заметными представителями водородных транспортных средств на сегодня являются автомобили Mercedes-Benz GLC F-Cell (есть возможность подзарядки от обычной бытовой сети, а суммарный запас хода составляет около 500 км), Toyota Mirai (работает только на водороде, и одной заправки должно хватать на 650 км пути) и Honda FCX Clarity (заявленный запас хода достигает 700 км). Но и это еще не все, ведь автотранспорт на водородном топливе выпускается и другими компаниями, например, Hyundai (Tucson FCEV).
Плюсы и основные недостатки водородных двигателей
При всех своих преимуществах, нельзя сказать, что водородный транспорт лишен определенных недостатков. В частности, необходимо понимать, что горючая форма водорода при комнатной температуре и нормальном давлении представлена в виде газа, что вызывает определенные трудности в хранении и транспортировке такого топлива.
То есть существует серьезная проблема конструирования безопасных резервуаров для водорода, применяющегося в качестве топлива для автомобилей.
Кроме того, баллоны с этим веществом требуют периодической проверки и сертификации, которые могут выполняться только квалифицированными специалистами, имеющими соответствующую лицензию. Также к этим проблемам стоит добавить и дороговизну обслуживания водородного мотора, не говоря уже об очень ограниченном количестве заправочных станций (по крайней мере, в нашей стране).
Не стоит забывать и о том, что водородная установка увеличивает вес автомобиля, из-за чего он может оказаться не столь маневренным, как вам бы того хотелось. Поэтому, учитывая все вышесказанное, хорошенько подумайте: стоит ли приобретать водородное транспортное средство, или пока с этим лучше повременить.
Однако нужно сказать, что и преимуществ в подобном решении немало. Во-первых , ваш автомобиль не будет загрязнять окружающую среду токсичными выхлопными газами, во-вторых , массовое производство водорода может помочь решить проблему резко меняющихся цен на топливо и перебоев в поставках обычных видов топливных жидкостей.
К тому же, во многих странах уже построены сети трубопроводов для метана, и их несложно адаптировать для прокачки водорода с последующей доставкой к заправкам. Производить водород можно как в малых масштабах, то есть на местном уровне, так и массово – на крупных, централизованных предприятиях. Рост производства водорода послужит дополнительным стимулом для роста поставок этого вещества в бытовых целях (например, для отопления домов и офисов).
Водород давно считается едва ли не лучшей заменой бензину. Это неудивительно, ведь при его сгорании выделяется вода, а не вредные вещества. Вот только, несмотря на все очевидные преимущества, споры и дискуссии про водородный автомобиль идут до сих пор. И это притом что многие корпорации, Toyota, BMW, Ford, постоянно ведут работы по использованию такого газа как источника энергии для движения машины.
Водородная установка для автомобиля, с нее все начиналось
Согласно историческим сведениям, первый двигатель ДВС был водородный, хотя порой использовался и светильный газ. Но потребовалось еще много лет для совершенствования подобного мотора, и только в 1859 году был построен первый самоходный экипаж, топливом для которого служили упомянутые газы. Так что можно сказать, что современный транспорт начинался с автомобиля с водородным двигателем. Хотя в дальнейшем он уступил свое место бензиновому.
Известно несколько случаев, когда при отсутствии привычного горючего, водородный генератор обеспечивал автомобиль топливом. Но тем не менее, при всех достоинствах такого источника энергии он не нашел широко применения, хотя многие автомобильные корпорации, та же самая Toyota, работают над возможностью создания автомобиля на водородном топливе, и надо сказать не без успеха.
О водородных двигателях
Известны несколько различных вариантов, каким может быть такой мотор и что может лежать в основе его работы.
Сгорание водорода
Это обычный ДВС, работающий непосредственно на водороде или на его смеси с бензином. В результате такой добавки улучшается сгорание смеси, увеличивается КПД мотора, уменьшается при сгорании содержание окиси углерода. Однако в конструкцию автомобиля приходится вводить бак для хранения водорода, причем жидкого. А это не добавляет места в багажнике и не повышает безопасность при столкновениях.
Такой принцип использования водорода реализует BMW, причем основной задачей компания считает возможность применения любого из видов топлива (бензин, водород). Уже созданы, и длительное время успешно эксплуатируются несколько образцов, работающих на подобном принципе. Правда, при этом в основном остаются недостатки, свойственные обычному автомобилю.
Топливные элементы
Другим способом использования водорода является топливный элемент. Его конструкция представлена на рисунке
В результате прохождения через анод и катод молекул водорода и кислорода и их взаимодействия, образуется вода и электрический ток. Если соединить нескольких таких элементов, то получается своеобразный генератор, обеспечивающий работу электромотора. По сути дела, подобным образом создается электрохимический генератор электрического тока.
Этот вариант построения автомобиля, использующего водород в качестве топлива, реализует Toyota. Она намеревается перейти от выпуска прототипов к серийному производству электромобилей на основе топливных элементов. По имеющимся сообщениям, водородный автомобиль Toyota должен серийно выпускаться с 2015 года.
А так ли хорош водород?
Считается, что самым основным достоинством автомобиля, использующего водород, является его экологичность. Общепринято, что при сгорании водорода вместо окиси углерода и других вредных веществ будет появляться вода, точнее водяной пар. Однако при этом используется не чистый кислород, а воздух, в состав которого входит азот. В результате в камере сгорания образуются окислы азота. А их воздействие на окружающую среду может быть гораздо хуже, чем обычных выхлопных газов.
Кроме того следует учесть, что попадание на горячие части ДВС водорода, может вызвать его воспламенение. Поэтому наиболее подходящим для использования подобного топлива является роторный двигатель, в котором газ поступает в холодную часть, а потом перегоняется в горячую.
Очень большая дискуссия вообще идет по вопросу о том, имеет ли право на существование водородный автомобиль. Здесь есть несколько проблем, без решения которых не имеет смысла говорить о будущем подобной техники. Необходимо отметить, что водород сначала надо получить, для чего требуется какая-то установка. Источником для его получения может служить вода или метан.
Вот тут и возникает одна из основных проблем.
- Метан сам является хорошим энергоносителем, и подвергать его дополнительной переработке, чтобы потом сжечь готовый продукт, достаточно нерационально, можно сразу сжигать метан без лишних расходов.
- С водой картина еще интересней. Для того чтобы получить один кубический метр водорода, необходимо затратить электроэнергии в четыре раза больше, чем может выработаться при сжигании этого объема газа.
- Необходимо учесть, что при производстве водорода будут происходить выбросы вредных веществ, и что окажется лучше – неизвестно. Вместо выброса выхлопных газов автомобиля будут образовываться свои отходы при получении газа.
- Кроме того, очень проблематичной является вопрос хранения. Он до сих пор не решен, водород способен проникать через любой материал, и хранить его надо в жидком виде, а это еще дополнительные затраты, и не маленькие, которые необходимо прибавить к тем, что понесены на этапе получения. А при утечках газа образуется взрывоопасная смесь с воздухом.
Следующей проблемой, практически ставящей крест на использовании водорода в качестве топлива для автомобиля, является отсутствие соответствующей инфраструктуры. Под этим необходимо понимать в первую очередь сеть заправочных станций.
Так что из уже сказанного должно быть ясно, что водород не является альтернативным источником энергии, во всяком случае, пока не будет реализован способ его дешевого получения. И мифы о светлом будущем водородной энергетики – просто один из методов борьбы крупных корпораций между собой.
А все-таки попробовать можно – водородный генератор для автомобиля
Несмотря на такой безрадостный вывод о водородной энергетике в промышленном масштабе, можно попробовать использовать вариант получения, так называемого газа Брауна непосредственно на автомобиле. По сути, это тот же самый водород, результат электролиза воды, только проведенного на машине. Под капотом монтируется специальная установка, генератор водорода, питание на которую подается от бортовой сети.
Понятно, что при прочих равных условиях мощность, расходуемая на движение, уменьшится, часть энергии будет дополнительно тратиться на производство газа. Но результаты, полученные в ходе многочисленных испытаний, показывают, что подобная установка позволяет экономить до тридцати процентов бензина.
Как устроен такой генератор, позволяет понять рисунок. Пример изготовления простейшего его варианта показан на видео
и
Его основу составляют металлические электроды, часть из которых подсоединена к плюсу, а часть к минусу б/с. Внутрь залита вода (синяя стрелка) а из емкости выходит газ Брауна (голубая стрелка). Через шланг газ подается во впускной патрубок ДВС.
Как реально подобная установка располагается под капотом, видно на фото.
Вот такой небольшой генератор газа Брауна позволит любой автомобиль сделать немного ближе к творениям концерна Toyota или BMW, получая некоторую экономию бензина.
Правда споры по поводу того, получает ли владелец выгоду от такого устройства, не стихают. Одни утверждают что генератор того стоит, другие оперируя формулами и прочими доводами, доказывают что это миф, и на самом деле от водородного генератора нет никакого толку.
Водород считают горючим будущего, но так ли это? Для его повсеместного использования существует множество проблем, и хотя ведущими автопроизводителями, такими например, как Toyota, в этом направлении прилагаются значительные усилия, есть определенные сомнения, что в ближайшем времени водород сможет заменить бензин. Но есть мнение, что если использовать простейший генератор газа Брауна, то вполне возможно добиться экономии бензина на своем автомобиле, не дожидаясь прихода водородной энергетики.
Рано или поздно запасы нефти по всему миру подойдут к концу. Естественно, это вряд ли произойдет прямо завтра, но уже сегодня цены на топливо на основе нефти существенно выросли. Данный факт стал хорошим стимулом для разработчиков, которые занимаются изобретением топлива будущего. К тому же это должно быть не просто топливо, а, желательно, возобновляемое топливо. Многие уверены, что машина на водороде - игрушка. Давайте посмотрим, так ли это.
Топливо будущего
Про такое топливо еще давным-давно писал в своих приключенческих романах известный писатель Жюль Верн. В одном из своих романов на тему альтернативного источника энергии писатель сказал, что продуктом для энергии станет обычная вода. И так случилось. Да, это не вымысел.
Вода, а точнее, один из ее составляющих - водород - не только первый химический элемент. Это еще и источник И представьте себе, это будущее уже совсем рядом.
Сегодня японские компании производят двигатели, которые работают только на таком виде топлива. Машина на водороде от «Тойоты» - первый в мире серийный автомобиль, оснащенный данным двигателем.
Машина представляет собой седан с четырьмя дверями. В нем установлен электрический двигатель мощностью в 151 л. с. Вы спросите, при чем здесь водород, ведь мотор электрический? Давайте разберемся.
Технологии «Тойоты-Мирай»
Электрический двигатель запитан от специального конвертера. А он уже получает энергию непосредственно из водорода. Газ содержится в баках автомобиля под высоким давлением. Емкости изготовлены из
Но для реакции еще необходим кислород. Да, это так. Кислород машина получает прямо из радиатора во время движения. Одной заправки двух баков водородом будет достаточно, чтобы преодолеть на автомобиле до 480 км. Заправка занимает всего 3 минуты. За данное время в баки машины зальется 170 литров газа. В среднем расход составит порядка 4,7 литра на 100 км пробега.
Как это работает?
Когда водород вступает в реакцию с кислородом, происходит бурная химическая реакция, в ходе которой вырабатывается электрическая энергия. Она сохраняется в аккумуляторе. В движение автомобиль приводится синхронным двигателем переменного тока.
Технические характеристики «японца»
Максимальная скорость, на которую способна машина на водороде, составляет 180 км/ч. До 100 км автомобиль способен разогнаться всего за 9 секунд.
Кроме того что на «японце» можно ездить и не наносить вреда экологии, также данный автомобиль можно применять в домашних условиях в качестве электростанции. Инженеры и конструкторы, которые принимали участие в разработке новинки, утверждают, что при помощи такой системы ток подается на целый дом. Таким образом, можно свободно пользоваться в течение 5 дней.
Скидки на топливо для покупателей
Те жители Японии и США, которые приобретут автомобиль на водороде, получат большие скидки и бесплатную заправку своих машин. Авторы грандиозного проекта уверены, что их ждет успех. Однако другие автопроизводители не сидят сложа руки. И вскоре потребители могут получить большой выбор машин на альтернативном топливе.
Великий и ужасный
О том, что водород может стать номером 1 в вопросах альтернативного топлива, говорят достаточно давно. Еще до экономического кризиса в далеком 2008 году СМИ постоянно печатали репортажи о том, как прекрасно можно использовать силу водорода.
Любая машина на водороде считалась прорывом, а ее создателей возводили чуть ли не в лик святых. Неподготовленные читатели и автолюбители уверенно считали это настоящим прорывом, но нужно сказать, что это не так.
150 лет назад
Реальное положение вещей немного отличается от того, что пишут в блогах, посвященных альтернативной энергетике. Водород в таком качестве используется уже около 150 лет. Автомобиль на водороде помог выиграть войну.
Самый первый двигатель внутреннего сгорания на таком топливе был построен Ленуаром в 1860 году. Затем, в 1942 году, случился достаточно массовый перевод всей автомобильной техники именно на водородный источник энергии.
Это случилось в блокадном Ленинграде. Изначально водород должен был применяться в системах ПВО для аэростатов. Однако великие русские инженеры сумели изменить ситуацию.
Как это было?
Аэробусы применялись для защиты города. Эти, наполненные до краев водородом, летающие объекты из резины не давали возможности фашистским самолетам вести прицельную стрельбу по городу.
Однако резиновая воздушная защита имела один огромный минус. Из-за того, что оболочка аэробуса пропускала этот газ, аэробусы снижались. Вместо водорода его место занимали различные водяные пары, а также другие газы. Поэтому иногда аэробусы опускали на землю, стравливали и заправляли заново.
Для заправки аэробусов применялись лебедки и бензиновые грузовики ГАЗ АА. А в условиях блокады бензин стоил в Ленинграде очень дорого. Война истощила запасы, а Борис Шелиц, который тогда был военным техником, служил как раз на заправочной станции этих самых аэробусов. Так вот. Не стало бензина то есть совсем. Он пробовал использовать для спуска летающих тел электрические лебедки. Однако вскоре закончилось и электричество. Было испробовано множество различных источников альтернативной энергии.
Однажды военный техник подумал, что водород можно использовать иначе, чем просто стравливать в небо. Ведь тепло, которое выдает этот газ при сгорании, в 4 раза превышает таковое от угля, в 3 раза - от бензина и других нефтепродуктов. Шелиц попросил разрешения на эксперимент, и ему его подписали. Нужно ли говорить, что так появилась машина на водороде?
Принцип работы
Схема ученого сводилась к присоединению аэробуса при помощи шланга ко входному коллектору двигателя автомобиля. Водород попадал прямо в цилиндры, минуя при этом карбюратор. Дозировка водорода, а также необходимого для реакции воздуха, выполнялась при помощи дроссельной заслонки или же педалью «газа».
Первые опыты Шелиц проводил в мороз. Двигатель завелся легко, несмотря на температуру за бортом. Мотор проработал стабильно и долго. Правда, аэростаты взорвались, а Шелица контузило. После этого была придумана специальная система защиты. Она основана на водяном затворе, который исключал загорание смеси при вспышках в коллекторе мотора. Так машина на водороде стала более безопасной.
Кстати, после того как один из двигателей разобрали, на нем практически не было следов износа. В цилиндрах не было нагара, а были лишь водяным паром.
Водород спасает жизни
Изобретенная таким образом машина на водороде во время войны помогла спасти множество жизней, выстоять блокаду, а сам Шелиц получил за эту разработку награду, и даже запатентовал ее. Разработчик был награжден Красной Звездой.
Водородное такси
После войны, когда водород уже негде было достать, об этом стали забывать. Однако некоторые люди еще помнят, как на Украине, в Харькове, работало такси, но не простое, а водородное.
Сэкономить вместе с газом Брауна
В большинстве даже самых современных автомобильных ДВС топливо сгорает далеко не оптимально. Около 60% смеси воздуха и горючего просто-напросто теряются в недрах выпускного коллектора. В коллекторе смесь сгорает не полностью, а при этом еще и образует достаточно токсичные выхлопные газы.
Модернизируем генератор
Для того чтобы улучшить систему добычи водорода, добавьте к этой системе еще одну емкость. Она должна находиться немного выше, чем первая. Соединить их можно при помощи трубок. Так можно более эффективно использовать систему.
Электронный блок
Данную часть генератора можно также собрать своими руками, особенно если есть познания в сфере электроники. Если таких познаний и навыков нет, то лучше обратиться к специалистам в этих областях. Блок управления должен в автоматическом режиме изменять ток, который подается на пластины, исходя из оборотов мотора.
Мощность можно установить лишь опытным путем на холостых оборотах мотора, а также под нагрузкой. Электронный блок должен получать информацию с датчиков автомобильной системы управления.
После монтажа этого генератора нужно еще раз удостовериться в герметичности и надежности всех соединений этой конструкции. Утечка опасна не только вероятностью взрыва, такая машина будет вести к В итоге эффект будет крайне отрицательным. Но в целом такая машина на водороде, своими руками сделанная, позволяет экономить от 25% до 40% топлива.
Подобная техника и такие способы экономии топлива уже давно и успешно используются во всем мире. Известный актер Арнольд Шварценеггер уже давно ездит на комбинированной машине, которая работает на бензине с водородом. Автомобиль обошелся кинозвезде в 150 тысяч долларов. Расход топлива на этом комбинированном двигателе составляет 5,8 л на 100 км.
Сегодня такая машина на водороде в России тоже может быть очень актуальной.
Итак, мы выяснили все особенности и принцип работы автомобилей на данном экологическом виде топлива. Как видите, это вполне реальная альтернатива сегодняшнему бензину. И есть надежды, что уже в ближайшие десятилетия человечество перейдет на новую ступень развития, где по улицам будут ездить автомобили, работающие на водороде.
03.02.2016
Ресурсы нашей планеты не бесконечны, в том числе и запасы «черного золота» (нефти). Несмотря на снижение мировых цен и наличие определенных запасов, осознание важности альтернатив не покидает головы многих умов человечества. Пройдут годы, и мир столкнется с нехваткой энергоресурсов.
Но будущий дефицит нефти - не единственная причина поиска новых вариантов. Люди начали думать о будущем нашей планеты и сохранении окружающей среды. На этом фоне и начались разработки водородных двигателей - устройств, способных работать на неисчерпаемом, доступном и безопасном топливе.
Суть проблемы
Одна из главных проблем - конечно, выбросы в атмосферу. В 2015 году источники около трети всех выбросов CO2 - транспортные средства (в первую очередь автомобили). По результатам исследований к 2050 году выбросы углекислого газа будут только расти (вместе с увеличением автопарка).
Кроме CO2, есть и еще одна проблема - окиси азота, которые негативным образом сказываются на здоровье и приводят к различным проблемам с дыхательной системой людей. Ученым уже удалось доказать, что одной из причин астмы является именно окись азота.
Немаловажная проблема - рост цен на энергоносители. Как показала практика, повышение или снижение цены на нефть не сильно сказывается на стоимости топлива. Бензин (солярка) есть и будут дорогими. Цена если и будет падать, то лишь в незначительной степени. На данном фоне необходим поиск альтернативы, способной подарить независимость в энергетической сфере.
История
Почти половина добываемой в мире нефти идет на производства топлива для машин. Водород в качестве замены классическому «черному золоту» рассматривается уже давно. Причина проста - запасов данного вещества на планете достаточно, чтобы тысячелетиями «кормить планету». Кроме этого, водород несложно выделить из воды, поэтому с поиском ресурсов проблем нет. Единственная сложность - перевозка и хранение, но и данные вопросы уже решаются.
Первая установка, работающая на водороде, появилась в 1841 году (речь идет о запатентованной версии). Уже через 11 лет в Германии удалось построить ДВС, который мог работать на смеси двух элементов - водорода и воздуха. На известном миру дирижабле Гиндебург стоял мотор, работающий на светильном газе (в его составе было половина водорода). Но после трагедии с дирижаблем в 1937 году и гибели 37 человек интерес к водороду, как топливу, временно был утерян.
Но уже в 70-х годах 19 века разработчики снова вернулись к созданию водородного двигателя. На современном этапе важность усовершенствования и активного внедрения таких технологий обсуждается на самом высоком уровне. Популярность обусловлена и ростом цен на нефтепродукты, что заставляет многие страны искать реальные и доступные альтернативы.
Идею создания водородного двигателя не только подхватили, но и внедрили в жизнь такие популярные производители, как Хонда Моторз, Дженерал Моторз, Форд, БМВ и прочие.
Виды водородных авто
Если рассматривать существующие водородные авто, то среди них можно выделить три основные группы:
- Транспортные средства с обычным мотором, способным работать на водороде или водородном составе. Данные типы авто универсальны, то есть способны ездить на чистом водороде или посредством применения водорода в качестве добавки к топливу. Особенность таких автомобилей - высокий уровень КПД (в случае смешивания с топливом почти на 15-20%). Второй позитивный момент - очищение выхлопа. В частности, снижение угарного газа и углеводов уменьшается почти на 50%, а оксидов азота - на 500%. Такие авто производятся как за границей, так и в странах СНГ. При этом первые транспортные средства появились приблизительно в 80-е годы прошлого века.
- Машины с электрическим питанием. Такие транспортные средства называют «гибридами». Их особенность - приведение колес в движение с помощью электрического привода, питаемого АКБ. Особенность гибридного мотора - способность работать как на обычном водороде (чистой смеси), так и на смеси с классическим топливом. Первый вариант является более выгодным с позиции затрат и экономически обоснованным. Общий КПД у авто с электродвигателем может достигать 95%. В сравнении с ДВС и их 30-35% столь высокий параметр действительно поражает. Таким образом, переход на водород может повысить полезное действие мотора почти в три раза. Но и здесь не все идеально. Даже для АКБ и его заряда требуется топливо, поэтому вредные выхлопы все равно будут присутствовать. Чтобы убрать вредные пары полностью, был создан рассмотренный ниже тип водородного двигателя.
- Водородный автомобиль, в котором установлен электрический двигатель, работающий от основного топлива. По теории такой узел способен работать от смеси водорода и воздуха. КПД устройства может достигать 85%. Но это в теории. На практике удалось добиться лишь 75%. В условиях городского цикла такое транспортное средство получает массу преимуществ перед обычными авто (в первую очередь, по отношению затрат на топливо).
Как это работает?
Схема работы авто на водороде выглядит следующим образом:
- поршень перемещается сверху вниз, открывая при этом клапан выпуска;
- давление в камере сгорания становится равным атмосферному;
- при достижении поршнем нижней точки происходит герметизация камеры;
- клапан выпуска закрывается, а через клапаны подачи топлива осуществляется впрыск топливной смеси (гремучего газа);
- в процессе сгорания смеси давления в камере возрастает; этой силы достаточно, чтобы открыть установленные в ГБЦ обратные клапана и осуществить выброс продуктов горения;
- давление снижается, что приводит к закрытию обратных клапанов и герметизации камеры сгорания;
- действие созданного давления способствует перемещению поршня и его возврату в первоначальную точку;
- как только поршень становится в верхней позиции, снова открываются клапана впуска и так далее.
Как следствие, принцип действия водородного мотора ничем не отличается от обычного ДВС. Разница лишь в применяемом топливе.
Что касается получения необходимого газа, то это может происходить несколькими путями. Один из них - посредством электролиза воды.
Описанная выше схема является простейшей, но она работает. При этом водород можно использовать и в обычном ДВС. Преимущество такой подмены - быстрое сгорание топлива и рост общей производительности автомобиля.
Пары жидкости рекомендуется добавлять в силовой узел уже к имеющемуся водородному топливу. После работы на водороде двигатель реально очищается от нагара и разных «напылений». Но есть и отрицательная сторона. Вместе с нагаром водород смывает и имеющуюся масляную пленку. Как следствие, может снизиться ресурс силового узла.
Чтобы перевести обычный двигатель на водородное топливо, стоит произвести переделку в машине выхлопной и клапанной системы. Кроме этого, необходимо заменить поршни, которые должны иметь керамическое покрытие. Если же сделать подобные переделки, то проблем со смазкой или ржавчиной точно не будет.
Преимущества и недостатки
Можно долго обсуждать все перспективы водородных двигателей, но первое, с чего всегда нужно начинать - изучение плюсов и минусов конструкции.
К плюсам водородных моторов можно отнести:
- Высокий уровень экологичности - одно из главных преимуществ, которое до сих пор является главной движущей силой данного нововведения. Сам водород является по-настоящему экологичным видом топлива. В результате его сгорания возникает только вода. Это несложно увидеть на примере простой химической формулы - 2Н2+О2=2Н2О. Многие посчитают, что при езде на водородном авто из выхлопной трубы будет выливаться обычная вода (пар). Это не совсем так. Нельзя забывать, что в двигателе есть еще масло или антифриз, которые могут попасть в камеру сгорания, а далее - в выхлоп автомобиля. Но для ученых это не проблема - они уже работают над устранением недостатка. Возможно, в скором будущем горение масла не будет приводить к ухудшению качества выбросов, а появившуюся в результате горения воду можно было бы собрать посредством электролиза;
- Есть возможность использовать сразу два вида топлива - бензин и водород. Единственное, что для этого необходимо - устанавливать две отдельные емкости. При желании можно выбрать тот вид топлива, который наиболее актуален в конкретный момент времени;
- Высокий коэффициент полезного действия, который на 200% выше, чем у обычного ДВС и на 150% больше, чем у дизеля;
- Более низкий уровень шума во время работы;
- Специалисты сходятся во мнении, что уже через 30-40 лет водород полностью покроет все потребности в топливе;
- Водород по всем показателям - идеальная смесь для применения в виде топлива. Он имеет неограниченные объемы, если в виде сырья рассматривать обычную воду.
Минусы водородного двигателя:
- Для обеспечения должной работы водородного мотора нужны мощные аккумуляторы, общая масса которых может быть весьма серьезной. Как результат, общий вес транспортного средства становится больше;
- Топливные элементы на водороде отличаются высокой ценой, что делает дороже и сам транспорт. Применение водородных элементов неизбежно приводит к повышению пожаро- и взрывоопасности;
- Есть определенные сложности с баками для хранения водорода. Остались вопросы и в отношении аккумуляторов;
Продажи автомобиля Toyota Mirai («будущее» яп.) - первого в мире серийного автомобиля с водородным двигателем. Цена новинки составляет 7 236 000 иен (примерно $61 100), при этом правительство Японии субсидирует покупку на 2.02 млн иен (немногим более $17 000). Согласно планам компании продажи должны были начаться весной 2015 года, однако, поскольку число предварительных заказов превысило ожидание, было принято решение о переносе даты на ранний срок.
Mirai - это четырёхдверный седан, двигателем которого является электромотор с мощностью в 151 л. с., получающий энергию от конвертера, исходным веществом которого является водород, хранящийся в двух баках из углеродного волокна под давлением в 70 МПа. Требуемый для химической реакции кислород поступает прямо из радиатора автомобиля во время его движения. Одной заправки хватит на пробег в 480 км, а сама заправка 5 килограммами (170 литров) водорода длится около 3 минут. Максимальная скорость Mirai составляет 111 миль в час (около 180 км/ч), при этом для разгона до 100 км/ч потребуется 9 секунд.
Под капотом у Mirai
В Европе автомобиль официально презентуют на автосалоне в Женеве, а в Америке продажи начнутся в конце следующего года по цене в $57 500 (что сравнимо с детищем Илона Маска - электрокарами Tesla) только в Калифорнии и только в количестве 200 экземпляров - на данный момент водородные заправочные станции на территории США отсутствуют, и Toyota совместно с Air Liquide планирует их построить в количестве 12 штук к началу продаж - цена одной станции составляет $7.2 млн. Как ожидается, конечная цена на авто с учётом всех скидок и государственных субсидий может составить $45 000.
Внутри у Mirai
Помимо своего прямого предназначения, силовая установка автомобиля может служить еще и своеобразной домашней электростанцией для дома: инженеры утверждают, что при помощи разработанной ими системы отбора мощности (Power take off System) средний японский дом может питаться вырабатываемой электроэнергией в течение 5 дней. Интересно отметить, то мысль об этом нестандартном использовании автомобиля возникла из-за значительных рисков катастроф в Японии, когда из-за цунами целые города остаются без электричества.
Независимо от того, есть ли причины волноваться Илону Маску, ТАСС, ссылаясь на бывшего министра Саудовской Аравии Ахмеда Заки Ямани, отмечает , что «эпоха нефти подходит к концу»:
В результате распространения альтернативных источников спрос на нефть будет сокращаться. В сфере генерации электроэнергии ее уже замещают атомные и ветряные установки. Для транспорта нефть все еще нужна, однако спрос и там падает из-за растущего распространения гибридных и электрических машин. Нефтяная эра окончательно закончится, если удастся практически внедрить водородное топливо и дешево его производить".
говорит эксперт.