В связи с нехваткой запасов нефти человечеству необходимо найти альтернативные источники энергии для замены черного золота. Одним из решений является использование водородных двигателей, которые менее токсичны и более эффективны. Главное, что предложение сырья для производства этого топлива практически неограниченно.
Когда впервые появились водородные двигатели? Каковы особенности его конструкции и каков принцип его работы? Где используется эта технология? Практично ли построить такой двигатель своими руками? Эти и другие вопросы обсуждаются ниже.
You might also like
Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку
Интерес к использованию водорода возник еще в 1970-х годах, когда ощущалась острая нехватка этого топлива. Toyota стала первым современным производителем, представившим автомобильные двигатели, работающие на водороде. Именно Toyota представила FCHV, внедорожник, который не выпускался серийно до 1997 года.
Несмотря на первые неудачи, многие компании продолжают исследования и даже производство таких автомобилей. Наибольшего успеха добились Toyota, Hyundai и Honda. Другие компании (Volkswagen, General Motors, BMW, Nissan, Ford) также разрабатывают их.
В 2016 году был запущен первый поезд на водородном топливе от немецкой компании Alstom (ранее GEC-Alsthom). Новый CorandaiLint должен начать работу во второй половине 2017 года на маршруте из Букстехуде в Нижней Саксонии в Куксхафен.
В будущем план предусматривает замену 4 000 дизельных поездов, курсирующих по неэлектрифицированным участкам дорог Германии, на такие поезда.
Норвегия, Дания и другие страны уже выразили заинтересованность в приобретении CorandaiLint.
Особенности водорода как топлива для двигателя
В двигателе внутреннего сгорания бензин смешивается с воздухом перед подачей в цилиндры для сгорания, что приводит к движению поршня и движению автомобиля.
Использование водорода в качестве топлива имеет несколько нюансов.
- После сгорания топливной смеси на выходе образуется только пар.
- Реакция воспламенения происходит быстрее, чем при использовании дизельного топлива или бензина.
- Сопротивление выстрелу позволяет использовать более высокую степень сжатия.
- Теплопередача водорода на 250% выше, чем у смеси.
- Будучи летучим газом, водород может проникать в небольшие пустоты и полости. По этой причине лишь немногие металлы могут противостоять его разрушительному воздействию.
- Это топливо хранится в жидком или сжатом виде. Если резервуар разрывается, водород испаряется.
- Низкий уровень соотношения газов для реакции с кислородом составляет 4%. Благодаря этой функции можно настроить режим работы двигателя на постоянную дозировку.
Учитывая вышеуказанные нюансы, можно использовать H2 В чистом виде его нельзя использовать в двигателях внутреннего сгорания. Требуются конструктивные изменения двигателя внутреннего сгорания и установка дополнительного оборудования.
Устройство водородного двигателя
Автомобили, работающие на водороде, можно разделить на несколько групп
- Транспортные средства с двумя энергоносителями. Они имеют экономичные двигатели, которые могут работать на чистом водороде или бензиновой смеси. КПД этого типа двигателя достигает 90-95%. Для сравнения, КПД дизельных двигателей составляет 50 %, а обычных двигателей внутреннего сгорания — 35 %. Эти автомобили соответствуют стандартам Евро-4.
- Автомобили со встроенным электродвигателем, который обеспечивает питание водородного элемента в автомобиле. Сегодня можно создавать двигатели с КПД более 75%.
- Обычные автомобили, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Эти двигатели отличаются чистым выхлопом и увеличенной на 20% эффективностью.
Как упоминалось выше, конструкция Н-системы2практически идентичен двигателю внутреннего сгорания, за исключением нескольких моментов.
Главной особенностью является способ подачи топлива в камеру сгорания и его воспламенения. Процесс похож тем, что полученная энергия преобразуется в движение в камере сгорания.
Принцип работы
Существует два типа водородных двигателей, которые стоит рассмотреть.
- Двигатели внутреннего сгорания, и
- Двигатели внутреннего сгорания — водородные двигатели.
Водородные двигатели внутреннего сгорания
В двигателях внутреннего сгорания топливо поступает в камеру сгорания до того, как поршень достигнет своей высшей точки, из-за медленного сгорания бензиновой смеси.
В водородных двигателях мгновенное воспламенение газа позволяет сдвинуть время впрыска до начала обратного движения поршня. Небольшое давление (до 4 бар) в топливной системе является достаточным для нормальной работы двигателя.
При оптимальных условиях водородные двигатели могут работать с закрытой топливной системой. Это означает, что в процессе формирования смеси не используется атмосфера.
В конце пути сжатия пар остается в цилиндре, откуда он поступает в холодильник, где конденсируется и превращается в воду.
Этот вариант возможен, если машина оснащена устройством, которое надежно отделяет водород от электролита, т.е. H2O для последующей реакции с O2.
Применить эту систему на практике пока невозможно, так как масло используется для нормальной работы двигателя и для снижения сил трения.
Последний испаряется и является частью выхлопных газов. Поэтому использование окружающего воздуха в работе водородных двигателей по-прежнему необходимо.
Двигатели на водородных элементах
Принцип работы этих устройств основан на химических реакциях. Оболочка клетки содержит мембрану (которая пропускает только протоны) и электродную камеру (содержащую катоды и аноды).
Анодная секция питается H2и О2. На электроды напыляется специальное покрытие (обычно платиновое), которое действует как катализатор.
Под воздействием катализатора водород теряет электрон. Затем протоны проходят через мембрану к катоду, где под воздействием катализатора образуется вода.
Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к двигателю. Таким образом, формируется электрический ток для питания двигателя.
Где использовались водородные топливные элементы?
Особенностью водородных топливных элементов является их способность вырабатывать энергию для электродвигателей. В результате система может заменить двигатель внутреннего сгорания или привести в движение транспортное средство.
Впервые топливные элементы были использованы американской компанией в 1959 году.
Как правило, топливные элементы используются
- Автомобильный транспорт. В отличие от производительности обычного двигателя, достигаются лучшие результаты. В первых испытаниях автобуса топливные элементы достигли эффективности 57%. Сегодня их тестируют многие производители автомобилей, включая Honda, Ford, Nissan и VW.
- По железной дороге. Сегодня более 60% железнодорожных перевозок осуществляется с помощью дизельных двигателей. Сегодня водородные поезда разрабатываются во многих странах, включая Японию, Данию, США и Германию.
- К морскому транспорту. Водородные топливные элементы наиболее востребованы на подводных лодках. Активная работа в этой области ведется в Германии и Испании, клиентами являются и другие страны, такие как Италия, Греция и Израиль.
- В авиации. Начиная с 1980-х годов, первые самолеты работают на водороде. Сегодня новое топливо используется для создания беспилотных летательных аппаратов (включая вертолеты).
Водородные топливные элементы также используются в подъемных механизмах вилочных погрузчиков, велосипедах, скутерах, мотоциклах, тракторах, гольф-карах и других транспортных средствах.
Преимущества и недостатки
Чтобы понять функции и перспективы водородных двигателей в автомобилях, стоит знать их преимущества и недостатки. Давайте рассмотрим их более подробно.
- Экологичность. Установка водородного двигателя — это возможность забыть о проблемах загрязнения окружающей среды. Глобальный переход на этот вид топлива позволит снизить парниковый эффект и, возможно, спасти планету. Экологичность этих новых разработок была подтверждена компанией Toyota. Обеспокоенные работники доказали, что автомобильные выхлопы безопасны для здоровья. Она также безопасна с точки зрения того, насколько вода дистиллирована и очищена от примесей.
- Опыт разработки. Хорошо известно, что водородные двигатели уже давно выпускаются, поэтому проблем с их использованием быть не должно. В начале XIX века французским конструктором Франсуа Исааком де Ривазом был создан первый водородный двигатель. Кроме того, во время блокады Ленинграда около 500 автомобилей были переведены на новое топливо.
- Доступность. Не менее важным фактором в пользу h2 — Отсутствие дефектов. При необходимости в качестве топлива можно использовать даже сточные воды.
- Возможность использования в различных силовых установках. Существует мнение, что водород используется только в двигателях внутреннего сгорания. Неправда. Эта новая технология используется для создания топливных элементов, которые вырабатывают электроэнергию и могут использоваться для питания электродвигателя автомобиля. Преимуществами являются безопасность, отсутствие ископаемого топлива и предотвращение загрязнения окружающей среды. Она считается самой безопасной системой в современное время и наиболее востребована производителями.
Преимущества также включают.
- Самый низкий уровень шума.
- улучшение мощности, способности распыления и других параметров двигателя, и
- Большой запас мощности.
- меньший расход топлива, и
- Простота обслуживания.
- Отлично подходит для использования в качестве альтернативного топлива.
Недостатки водородных двигателей:.
- Трудности при экспорте з2 из воды. Как упоминалось ранее, этот газ считается самым распространенным элементом на Земле, но он редко присутствует в чистом виде. Поскольку этот газ имеет небольшой вес, он удерживается и задерживается в верхних слоях атмосферы. Отдельные лица или2 отдельные быстро соединяются с другими элементами, образуя воду, метан и другие вещества. По этой причине водород необходимо экспортировать для использования. Для этого требуется большое количество энергии. В настоящее время такое производство не выгодно и замедляет внедрение водородных двигателей. Стоимость литра сжиженного газа оценивается в2 2-8 EUR. Конечная стоимость во многом зависит от способа производства топлива.
- Отсутствие достаточного количества заправок. Другой проблемой является отсутствие заправочных станций, готовых поставлять автомобили на водородном топливе. Проблема заключается в высокой стоимости оборудования на этих станциях (по сравнению с обычными станциями). Сегодня разрабатывается множество схем заправки водородом — от крупных до небольших заправочных станций, но из-за высокой стоимости и отсутствия массовых водородных двигателей для автомобилей на реализацию этой идеи могут уйти десятилетия.
- Это требует дорогостоящей модернизации двигателя. Как упоминалось выше, водородное топливо теоретически может быть использовано для питания двигателей внутреннего сгорания. Однако, чтобы использовать h2 в качестве основного топлива, необходимы некоторые структурные изменения. Если ничего не менять, мощность двигателя снижается на 20-35%, а ресурс агрегата значительно сокращается. Однако это не главный недостаток. Риск заключается в том, что такие механизмы недолговечны и быстро выходят из строя. При сгорании водородной смеси выделяется больше тепла, что приводит к перегреву поршня и клапанной системы, и двигатель работает при повышенных нагрузках. Кроме того, высокие температуры оказывают негативное воздействие на силовой агрегат и смазочные материалы. В результате рабочие элементы двигателя быстро изнашиваются. Это означает, что без модернизации двигателя внутреннего сгорания он не может быть использован h2 Невозможно без модернизации двигателей внутреннего сгорания.
- Дорогие материалы. Основным «препятствием» для развития водородной технологии является высокая стоимость материалов. Платина используется в качестве катализатора, и ее цена очень высока для среднего автовладельца. Легче потратить деньги и подарить супругу дорогое кольцо, чем заплатить за новую замену. Для ученых, ищущих альтернативу дорогостоящим каталитическим преобразователям, остается надежда. Проводятся испытания элементов, которые могут заменить драгоценные металлы.
В дополнение к уже рассмотренным выше, существует несколько недостатков
- Опасность пожара и взрыва.
- Риск для планеты, так как большее количество водорода может иметь необратимые последствия для озонового слоя.
- Использование мощных аккумуляторов и преобразователей увеличивает вес машины.
- Проблема хранения водородного топлива — либо под высоким давлением, либо в сжиженном виде. Исследователи еще не пришли к единому мнению о том, какой вариант лучше.
Опасность водородного топлива
К вышеперечисленным недостаткам относится риск использования водородного топлива в двигателях. Это важный недостаток новой технологии.
В сочетании с окислителем (кислородом) повышается риск воспламенения или взрыва водорода. Исследования показали, что примерно 1/10 часть энергии, необходимой для воспламенения2 1/10 энергии, необходимой для воспламенения бензиновой смеси. Другими словами, для воспламенения водорода достаточно статической искры.
Другая опасность кроется в невидимом водородном пламени. Когда вещество горит, огонь почти невидим, и поэтому его трудно контролировать. Кроме того, чрезмерное количество h2 приводит к удушью.
Риск заключается в том, что этот газ очень трудно распознать, поскольку он совершенно невидим для человеческого глаза.
Кроме того, сжиженный h2 температура низкая, поэтому в случае утечки с незащищенными частями тела высок риск возникновения тяжелых кристаллов. Этот газ должен храниться в специальных хранилищах.
Вывод из вышесказанного заключается в том, что водородные двигатели опасны и чрезвычайно вредны.
На самом деле, водородный газ имеет небольшой вес, и в случае утечки он распространяется по воздуху. Это означает, что риск воспламенения минимален.
В случае удушья такая ситуация возможна, но только если вы находитесь в замкнутом пространстве. В остальном утечки водородного топлива не представляют угрозы для жизни. Справедливости ради стоит отметить, что выхлопные газы от двигателей внутреннего сгорания (т.е. угарный газ) также смертельно опасны.
Современные автомобили с водородными двигателями
Двигатели, работающие на водороде, заинтересовали многих производителей. В результате в автомобильной промышленности появляется все больше и больше автомобилей с водородными двигателями.
Некоторые из наиболее популярных моделей включают
- Toyota представила седан на топливных элементах. Седаны на топливных элементах предназначены для перевозки людей и стоят 67 500 долларов США. Седан на топливных элементах предназначен для перевозки людей и стоит 67,5 000 долларов США.
- Новый седан был протестирован знаменитостями, бизнесменами, политиками и другими деятелями, а также проверен немецкой автомобильной промышленностью, говорится в пресс-релизе BMW. Согласно результатам испытаний, переход на новое топливо не влияет на комфорт, безопасность или динамику автомобиля. При необходимости тип топлива можно изменить. Hydrogen 7 может развивать скорость до 229 км/ч.
- Honda Clarity — это автомобиль группы Honda, который впечатляет своим ассортиментом. Его запас хода составляет 589 км, чем не может похвастаться ни один другой автомобиль с низким уровнем выбросов. Заправка занимает 3-5 минут.
- Монстр General Motors был запущен в октябре 2016 года. Особенностью этого автомобиля является его невероятная надежность. Это было подтверждено исследованиями, проведенными военными США. В ходе испытаний автомобиль проехал более 3 миллионов километров.
- Toyota выпустила водородную модель Mirai. 2014 года в Японии и в США в октябре 2015 года. Время заправки Mirai составляет пять минут, а запас хода на одной зарядке — 502 км. ФОТО 21 22Компания недавно объявила о планах внедрения этой технологии не только в легковые автомобили, но и в погрузчики и грузовики. 18-колесный автомобиль уже прошел испытания в Лос-Анджелесе.
- Об автомобиле известно немного подробностей, так как производитель Lexus планирует вариант автомобиля с водородным двигателем в 2020 году.
- Audi представила прототип H-tronQuattro в Детройте. По данным компании, автомобиль может проехать на одном баке около 600 км и разогнаться до 100 км/ч за 7,1 секунды. Автомобиль оснащен «виртуальным» кокпитом, который заменяет стандартную приборную панель.
- BMW сотрудничает с Toyota для запуска собственного автомобиля с водородным двигателем к 2020 году. Производитель гарантирует, что запас хода новых моделей составит более 480 км, а заправка займет не более пяти минут.
- В 2013 году компания Ford объявила, что начнет активное производство водородных двигателей к концу 2017 года в партнерстве с Nissan и Mercedes-Benz. Однако реализовать этот план пока не представляется возможным — сотрудники группы все еще находятся на стадии разработки.
- Mercedes-Benz представил на автосалоне во Франкфурте внедорожник GLC, который поступит в продажу в конце 2019 года. Автомобиль оснащен батареей емкостью 9,3 кВт/ч, а запас хода составляет 436 км. Максимальная скорость ограничена электроникой до 159 км/ч.
- Компания Nikola Motor представила грузовик, работающий на водороде и имеющий запас хода от 1 287 до 1 931 км. Стоимость нового автомобиля составит 5-7 000 долларов США в месяц. Ожидается, что производство начнется в 2020 году.
- Производители Hyundai создали новую серию Tucson. На сегодняшний день произведено и продано 140 автомобилей. Бренд Hyundai Genesis представил автомобиль с водородным двигателем — GV. Этот автомобиль был впервые представлен в Нью-Йорке, но его производство пока не планируется.
- Великобритания не сильно отстает в плане новых технологий. Водородный автомобиль Riversimple Rasa уже доступен для аренды в стране на срок от трех до шести месяцев. Автомобиль весит чуть более 500 кг и может проехать на одной зарядке около 500 км.
- Дизайнерская компания Pininfarina создала автомобиль на водородном топливе H2 Speed. Его характеристики включают способность разгоняться до 100 км/ч за 3,4 секунды и максимальную скорость 300 км/ч. Время заправки составляет всего 3 минуты. Стоимость новой модели достигает 2,5 миллиона долларов США.
Трудности в эксплуатации водородных ДВС
Основными препятствиями для внедрения новой технологии являются чрезмерные затраты на производство водородного топлива и приобретение составляющих материалов.
Существуют также проблемы с хранением H2. Например, для поддержания газа в требуемом состоянии требуется температура -253 градуса Цельсия.
Самый простой способ получения водорода — это электролиз воды. Когда производство H2 необходимых в промышленных масштабах, обязательным условием является высокая стоимость энергии.
Для повышения рентабельности производства необходимо использовать потенциал ядерной энергии. Чтобы избежать рисков, ученые пытаются найти альтернативы этому варианту.
Транспортировка и хранение требуют использования дорогостоящих материалов и высококачественных механизмов.
Не следует забывать и о других проблемах бизнеса.
- Опасность взрыва. Если утечка газа происходит в замкнутом пространстве, а энергия, доступная для реакции, минимальна, может произойти взрыв. Если воздух слишком горячий, ситуация еще хуже. Высокая проницаемость H2 приводит к тому, что газ попадает в коллектор. По этой причине использование вращающихся двигателей считается предпочтительным.
- Для хранения водорода используются большие резервуары, и существуют системы, предотвращающие утечку газа. Кроме того, используется оборудование для предотвращения механических повреждений резервуаров. Эта особенность не критична для грузовиков, лодок и легковых автомобилей, хотя легковые автомобили теряют ценные кубические метры.
- H при высоких нагрузках и температурах.2 может повредить детали блока цилиндров (поршневые группы) и смазку двигателя. Использование специальных сплавов и смазочных материалов делает водородные двигатели более дорогими в изготовлении.
Будущее водородных двигателей
Использование H2 открывает множество перспектив за пределами автомобильного сектора. Водородные двигатели широко используются в железнодорожном транспорте, самолетах и вертолетах. Они также используются во вспомогательных самолетах.
Разработка водородных двигателей заинтересовала вышеупомянутые концерны (Toyota, BMW, Volkswagen, General Motors и др.).
Сегодня реальные автомобили с водородным двигателем уже ездят по дорогам. Многие из них обсуждались выше — BMW 750i Hydrogen, Honda FSX, Toyota Mirai и др.
Почти каждая крупная группа участвует в этом процессе и пытается найти свое место на рынке.
Основной недостаток заключается в том, что значение H остается высоким2Основными недостатками являются высокая цена Н, отсутствие заправочных станций и отсутствие специализированных работников для обслуживания этих автомобилей. Если эти проблемы удастся решить, на дорогах появятся автомобили, работающие на водороде.
Конкурирующие технологии
Наличие конкурентов у этой технологии рассеяло внимание к водородным двигателям.
Ниже перечислены лишь некоторые из них.
- Гибридные транспортные средства — это автомобили, которые могут работать на нескольких источниках энергии. Многие из них сочетают обычный двигатель внутреннего сгорания с электродвигателем. Другим вариантом гибридных автомобилей является комбинация двигателя внутреннего сгорания и силовой установки, использующей в качестве топлива сжатый воздух.
- Электромобили — это транспортные средства, которые передвигаются за счет одного или одного электродвигателя, питающегося от аккумулятора или топливного элемента. В этих автомобилях не используется двигатель внутреннего сгорания. Не путайте электромобили с электромобилями или общественным транспортом (троллейбусами и трамваями).
- Автомобили с влажным азотом. Как уже следует из названия, источником энергии является жидкий азот (содержащийся в специальном резервуаре). Двигатель работает следующим образом. Топливо нагревается с помощью специального механизма, испаряется и превращается в газ под высоким давлением. Затем она поступает в двигатель, где воздействует на роторы или поршни для передачи имеющейся энергии. Автомобили, работающие на жидком азоте, широко представлены, но на данном этапе не получили широкого распространения. Такие транспортные средства были «восстановлены» в 1902 году с помощью Liquid Air Movie. Разработчики гарантируют, что такие автомобили смогут проехать более 100 км на одном баке.
- Транспортное средство приводится в движение сжатым воздухом. Особенностью автомобиля является использование духовного двигателя, благодаря которому автомобиль движется. Специальный двигатель называется двигателем духа. Вместо воздушной пушечной смеси источником энергии является сжатый воздух. Как упоминалось выше, эта технология является частью гибридных автомобилей.
Можно ли сделать своими руками?
Технология двигателей на природном газе существует уже давно, и многие компании продвинули импорт водородных двигателей. Народные умельцы также задумались об усовершенствовании классического двигателя внутреннего сгорания.
Идея заключается в подаче специального газа в камеру сгорания. Это устройство называется системой Брауна. В этот момент бензин также присутствует в двигателе, но смешивается с газом, что приводит к лучшему сгоранию.
В результате образуется водяной пар, который очищает клапаны и поршни двигателя от нагара, улучшая работу двигателя и продлевая срок его службы.
Для получения воды вручную требуются катализаторы, дистилляция, электроды и электричество.
Конструкция собирается из подручных материалов. Коробки допускаются, но лучше шесть.
Затем пластины разрезаются, и кресты соединяются. Затем их обматывают проволокой и закрепляют на крышке. Важно, чтобы электроды не вращались коротко друг относительно друга.
На последнем этапе контейнер заполняется электролитом и катализаторами. Такая система может работать в любом автомобиле.
Если мы говорим об интегрированном водородном двигателе, то его, конечно, невозможно изготовить в гараже из-за сложности технологии.
