Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.

Когда появились первые автомобили на водороде?

Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine). Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем. Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях. Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.

В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.

На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.

А где брать водород?

Водород можно получать разными методами:

  • паровая конверсия метана и природного газа;
  • газификация угля;
  • электролиз воды;
  • пиролиз;
  • биотехнологии.

Наиболее экономичным способом производства водорода сейчас считается паровая конверсия.

Так называют получение водорода из легких углеводородов (метан, пропан-бутановая фракция) с использованием парового риформинга. Риформингом называют процесс каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Водяной пар смешивается с метаном при высокой температуре (700–1000 Сº) и большом давлении с использованием катализатора.

При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз. Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%.

Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород. Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой. Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы Источник Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.

Как работает топливная система и какие есть варианты?

Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод.

Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором. На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду.

Пар или жидкость — это единственный продукт реакции. Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию. В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию. Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.

По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.

Такие автомобили опасны? Почему?

Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.

Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля. Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы В Mirai и других моделях водородных авто используются очень прочные баки для водорода. Toyota сделала свои баки пуленепробиваемыми, их стенки из сверхпрочного волокна выдерживают выстрелы из крупнокалиберного оружия. Для тестов компания наняла снайперов и пробить бак смогла только пуля калибром .50 после двойного попадания в одно и тоже место. Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.

Какой срок службы у топливных ячеек?

Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки.

К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.

В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.

Сколько это стоит?

В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации.

Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57.

И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством. Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США.

Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс. пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс.

Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки. Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс.

циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.

Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?

Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.

Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы Водородные АЗС в 2019 году(источник) Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.

Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.

Источник: https://habr.com/post/450886/

Водородный двигатель; устройство, принцип работы, перспективы

После исчерпывания природных запасов нефти, людям придется полностью положиться на альтернативные виды получения энергии. Водородный двигатель, как замена ДВС, работающих на черном золоте, является одной из перспектив будущих десятилетий.

Силовые установки такого типа имеют больший КПД и меньшую степень токсичности выхлопных газов. Впрочем, главное преимущество моторов, работающих на водороде, – неограниченный запас сырья для производства топлива. Вода, именно она может стать основой топлива будущего.

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Несмотря на очевидные преимущества, знания способов получения водорода и его использования для работы двигателя внутреннего сгорания, существует несколько значительных «но», замедляющих внедрение этой прогрессивной технологии.

  • после сгорания остается только водяной пар;
  • реакция происходит намного быстрей, чем в случаи с бензином либо дизелем;
  • детонационная устойчивость позволяет повысить степень сжатия;
  • благодаря своей летучести, водород способен проникать в самые малые полости, зазоры между деталями (лишь особые сплавы повышенной прочности способны переносить разрушительное воздействия водорода на структуру металла);
  • теплоотдача сгорания водорода в 2,5 раза больше, чем у бензиновой смеси;
  • широкий диапазон реакции. Минимальная пропорция водорода, достаточная для реакции с кислородом, составляет всего 4%. Такая особенность позволяет настраивать режимы работы двигателя, дозируя консистенцию смеси;
  • хранение водорода осуществляется в сжатом или жидком агрегатном состоянии. При пробое бака, газ под давлением испаряется.
Читайте также:  Противотуманные фары ваз 2110: как выбрать и какие лучше

Ввиду перечисленных выше особенностей, использования водорода, как чистого топлива для ДВС, невозможно без внедрения изменений конструкции силового агрегата, а также навесного оборудования.

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным.

Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ.

При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха.

После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О.

Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.

На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

Благодаря большому интересу к использованию водорода в качестве топлива для ДВС, гидродвигатели внутреннего сгорания имеют различные модификации и типы исполнения.

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Схема устройства гибридного водородного двигателя

Мотор, разработанный В.С. Кащеевым, имеет иное устройство. Помимо впускного клапана (6) для подачи воздуха, выпускного для вывода выхлопных газов (7), ГБЦ имеет отдельный клапан для подачи водорода (9) и свечу зажигания (10), которые находятся в предкамере (8). Последняя расположена в ГБЦ выше уровня поршня в положении НМТ.

После преодоления поршнем НМТ в камеру сгорания подается и воспламеняется водород (предварительно поршень затягивает воздух через впускные клапаны). В это же самое время открываются выпускные клапаны.

Из-за разницы атмосферного давления, отработанные газы устремляются в выпускной коллектор, создавая за собой вакуум, который перемещает поршень к ВМТ и за счет импульса обратно в крайнее нижнее положение.

Как видим, принцип немного отличается, но суть остается неизменной.

Технология гибридных силовых установок – это промежуточная ступень между началом использования водорода в качестве топлива и полным отказом от использования нефтепродуктов. Автомобили с моторами такого типа могут передвигаться как на бензине, так и на водороде.

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Одним из возможных путей развития двигателей на водороде является применение силовых установок с топливными элементами. Во время химической реакции водорода и кислорода выделяется энергия, которая используется для питания электродвигателей автомобиля.

Трудности эксплуатации водородных ДВС

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

  • взрывоопасность. В замкнутом пространстве достаточная для реакции концентрация гремучего газа может спровоцировать взрыв. Усугубить ситуацию способна высокая температура воздуха. Из-за высокой степени диффузности водорода существует риск попадания Н2 в выхлопной коллектор, где реакция с горячими выхлопными газами приведет к возгоранию смеси. Роторный двигатель, ввиду особенностей компоновки, является более предпочтительным для водородного автомобиля;
  • для хранения водорода требуется емкость большого объема, а также специальные системы, препятствующие улетучиванию Н2 и обеспечивающие защиту от механических деформаций. Если для автобусов, грузовиков либо водного транспорта такая особенность не играет большой роли, то легковые автомобили теряют ценные кубометры багажного отделения;
  • в режимах высокотемпературных нагрузок водород способен провоцировать разрушительное воздействие на детали цилиндропоршневой группы и моторное масло. Применение соответствующих сплавов и смазочных материалов ведет к удорожанию производства и эксплуатации двигателей, работающих на водороде.

Перспективы развития

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Интерес к внедрению технологии водородных двигателей проявляют как дочерние предприятия, так и крупные автоконцерны (BMW, Volskwagen, Toyota, GM, Daimler AG и прочие). Уже сейчас на дорогах можно встретить не только опытные образцы, но и полноценные представители модельного ряда, приводимые в движение с помощью водорода. BMW 750i Hydrogen, Honda FSX, Toyota Mirai и многие другие модели отлично зарекомендовали себя во время дорожных испытаний. К сожалению, высокая стоимость водорода, отсутствие инфраструктуры заправочных станций, а также достаточного количества квалифицированных сотрудников, оборудования для ремонта и обслуживания не позволяют запустить такие автомобили в массовое производство. Оптимизация всего цикла использования гремучего газа являются первоначальной задачей области развития водородной энергетики.

Источник: http://AutoLirika.ru/teoriya/ustrojstvo-vodorodnogo-dvigatelya.html

Устройство водородного двигателя

Одним из альтернативных моторов двигателям внутреннего сгорания, работающим на бензине и дизельном топливе является водородный двигатель. Пока есть топливо из «черного золота», альтернативные ДВС массово не усовершенствуются, но они являются перспективным вариантом на будущее.

Содержание статьи:

  1. Устройство водородного двигателя.
  2. Водород как топливо.
  3. Устройство и принцип работы.
  4. Модификации — гибриды.
  5. Эксплуатация водородного мотора.
  6. Вывод.
  7. Видео.

Водородный двигатель

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Вопрос: можно ли использовать водород в обычном ДВС? Ответ: если доработать некоторые элементы, то да.

Но, при использовании в качестве топлива водород, вместо бензина, мощность мотора снизится до 65-82%. А, если немного доработать такой агрегат, например, изменить систему зажигания, то мощность возрастет до 117%.

Обычные бензиновые ДВС без доработок плохо пригодны для работы на водороде, потому что, водород очень летуч, он может попадать в коллектор и там воспламеняться. Поэтому, наиболее подходящий мотор для работы на водороде — это роторный.

В роторном двигателе расстояние между впускным и выпускным коллектором больше.

Плюсы и минусы водородного топлива

Работа агрегата на таком виде топлива имеет свои преимущества и недостатки.

К плюсам относятся:

  • продуктом сгорания водорода является водяной пар, то есть нет загрязнения окружающей среде;
  • из-за своих свойств, водород вступает в реакцию быстрее, чем бензин и солярка;
  • из-за повышенной детонационной устойчивости можно увеличить степень сжатия в цилиндрах по сравнению с обычными ДВС;
  • при сгорании водорода теплоотдача в 2,5 раза выше, чем при сгорании бензиново-воздушной смеси;
  • довольно широкий диапазон вступления в реакцию. Чтобы водород (Н2) и кислород (О2) вступили в реакцию, достаточного всего лишь 4% водорода в этой смеси. Благодаря быстрой скорости взаимодействия этих веществ, можно настраивать режимы работы мотора, изменяя количество подачи вещества в цилиндр.

Минусы:

  • как уже отмечалось выше, водород — это очень летучее вещество, поэтому он проникает в микрощели, зазоры между соприкасающимися деталями;
  • сплавы обычного ДВС подвергаются разрушению, поэтому для увеличения износостойкости при контактировании с водородом, требуется использовать детали из сплавов повышенной прочности;
  • водород разрушает обычное моторное масло, поэтому ресурс двигателя при использовании такого смазывающего вещества, не большой;
  • требуется хранить водород в сжатом или жидком агрегатном состоянии. Если открыть крышку топливного бака, водород улетучится;
  • взрывоопасность.

Именно по этим характеристикам водорода обычный дизельный или бензиновый ДВС не пригоден для работы на водороде.

Устройство и принцип работы

Главным отличием водородного двигателя от бензинового или дизельного в подаче топлива в агрегат и в способе возгорания смеси (водород+кислород).

Работа кривошипно-шатунного механизма (КШМ) такой же, как в обычном ДВС, но скорость движения и впрыска топлива отличается.

Это связано с тем, что бензиновая или дизельная смесь воспламеняется дольше, поэтому горючая смесь подается в камеру сгорания намного раньше, чем поршень начнет подниматься в верхнюю мертвую точку (ВМТ).

В то время как, водород должен подаваться в камеру сгорания когда поршень уже начинает движение в нижнюю мертвую точку (НМТ). Повышенного давления в топливной системе не требуется, достаточно давление в 4 атмосфер (0,4 МПа).

Модификации — гибриды

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работыСхема водородного двигателя

Рассмотрим мотор, который сконструировал В.С. Кащеев.

По его разработки, двигатель кроме впускного клапана (6), через который подается воздух и выпускного клапана (7) для вывода выхлопных газов, в головке блока цилиндров (ГБЦ) есть специальный клапан для подачи водорода (9) и свечи зажигания (10), которые расположены в предкамере (8). Последняя располагается выше уровня поршня, когда он находится в нижней мертвой точке.

После того, как поршень достигнет НМТ (в камеру сгорания уже затянулся воздух через впускные клапана), подается водород и происходит воспламенение смеси. В это время уже открываются выпускные клапана.

Так как разница давления в камере сгорания и за клапанами большая, при открытии выпускных клапанов, отработанные газы улетают и образуется вакуум и поршень притягивается в ВМТ и за счет импульса (обратно действующая сила) поршень перемещается обратно в НМТ.

Гибридный двигатель — это промежуточное звено между топливным мотором, работающем на продуктах нефти и на чистом водороде. Гибридные автомобили могут эксплуатироваться как на бензине/дизеле, так и на водороде.

Модифицированная топливная система

За основу берется обычный бензиновый двигатель. Топливо остается то же — бензин. Но, через впускной клапан подается воздух с водородом. Топливно-воздушная смесь такого состава повышает увеличить степень сжатия и уменьшить токсичность выхлопных вредных веществ.

Трудности использования ДВС на водороде

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Вывод

Еще не скоро обновится мировой парк машин и поэтому, такие новинки будут еще много раз модифицироваться, улучшаться пока их стоимость и эксплуатация не станут доступны основному населению стран.

Водородные двигатели на свои модели устанавливали такие марки:

  1. БМВ — BMW 750i Hydrogen.
  2. Фольксваген.
  3. Тойота — Toyota Mirai.
  4. Дженерал Моторс.
  5. Даймлер.
  6. Хонда — Honda FSX.
  7. Мазда и другие.

Видео

  • Ответ по изобретению экспериментальному варианту водородного двигателя.
  • Hydrogen engine.

Источник: https://autostuk.ru/ustrojstvo-vodorodnogo-dvigatelya.html

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп бензиновых и дизельных ДВС, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как установка ГБО также не решает всех задач.

С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего электрокара (электромобиля) в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию.

По этой причине автопроизводители постоянно работают над тем, чтобы получить «безвредный» для окружающей среды и относительно дешевый в производстве силовой агрегат, который при этом не будет нуждаться в дорогом топливе.

Читайте также:  Как поменять ролик натяжителя ремня генератора

Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.

История создания водородного двигателя

Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.

Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.

Во времена Второй мировой войны, когда возникли сложности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелищ, который был родом из Украины, заложил основы российской водородной энергетики. Он также предложил использовать смесь водорода и воздуха в качестве горючего  для ДВС, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате появилось около полутысячи двигателей, работавших на водороде.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире.

Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г.

построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.

Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

Прежде всего, горение водорода по сравнению с нефтяным топливом отличается тем, что водород сгорает намного быстрее. В обычном двигателе смесь бензина или солярки с воздухом заполняет камеру сгорания тогда, когда поршень почти поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка), затем топливо какое-то время горит и уже после этого газы давят на поршень.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка).

Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов.

Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

Однако чтобы этого добиться, на автомобиле должна стоять установка для электролиза (электролизер), которая и будет отделять водород от воды, чтобы затем получить нужную реакцию с кислородом в камере сгорания. На практике установка получается сложной и дорогой, а создать такую закрытую систему довольно сложно.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары.

Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп.

Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане.

Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора.

При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

Также даже небольшая утечка водорода может стать причиной того, что топливо попадет на разогретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или пожар. Чтобы этого не случилось, для работы на водороде чаще задействуют  роторные двигатели. Такой тип ДВС больше подходит для этой задачи, так как их конструкция предполагает увеличенное расстояние между впускным и выпускным коллектором.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке.

Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды  на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода  на полном баке водорода составляет около 300  км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной).

 Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода.  В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них.

В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания двигателей-гибридов, другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, в плане экологии и производительности данный вариант также может в ближайшее время составить конкуренцию ДВС на бензине, газе или дизтопливе.

Водородные двигатели показали себя несколько лучше, чем самые продвинутые электрокары. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, остался такой недостаток, как способы  и возможности заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправочных станций не особенно развита, причем в мировом масштабе.

Также не особенно большим является и сам выбор водородных  легковых авто. Кроме Honda Clarity можно разве что упомянуть Mazda RX8 Hydrogen, а также BMW Hydrogen 7. Фактически это автомобили-гибриды, которые работают на жидком водороде и бензине. Еще можно добавить в список Mercedes GLC F-Cell. Эта модель имеет возможность подзарядки от бытовой сети электропитания и позволяет пройти до 500 км. на одном заряде.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, одного бака хватает на 600 км. Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.

Как видно, с двигателем на водороде активно экспериментируют многие производители, однако такое решение все равно имеет много недостатков. При этом некоторые минусы сильно мешают массовой популяризации.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях, принципах работы, а также преимуществах и недостатках моторов данного типа.

Прежде всего, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород  весьма горюч и взрывоопасен даже при относительно невысоких температурах. По этой причине его сложно хранить и перевозить. Получается, необходимо строить особые водородные резервуары для  авто с данным типом двигателя. Как результат, на практике водородных заправок очень мало.

К этому также можно добавить определенную сложность и высокие расходы на ремонт и обслуживание водородного агрегата, а также необходимость в подготовке и обучении большого количества высококвалифицированного персонала. Если же говорить о самом авто на водороде и его эксплуатационных характеристиках, наличие водородной установки делает машину более тяжелой, закономерно ухудшается управляемость.

Читайте также:  Как прогревать вариатор зимой: что нужно знать

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.

Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Что касается недостатков и сложностей, машина с водородным двигателем сегодня имеет высокую стоимость, а также могут возникать проблемы с заправкой топливом по причине недостаточного количества заправочных станций. Не стоит забывать и о том, что также не просто найти специалистов, которые способны качественно и профессионально обслужить водородную силовую установку. При этом обслуживание будет достаточно затратным.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.

Источник: http://KrutiMotor.ru/vodorodnyj-dvigatel-ustrojstvo/

Принцип работы водородного двигателя для автомобиля

Двигатель внутреннего сгорания уже давно является далеко не единственным силовым агрегатом, который устанавливается на автомобили: альтернативой ему в последнее время всё чаще становятся моторы, использующие в качестве движущей силы электричество, и водородные установки. Именно о последнем механизме и пойдет речь ниже.

Краткая история создания

Двигатель на водороде был создан в начале XIX века усилиями французского изобретателя. Спустя 35 лет в Англии был оформлен официальный патент на подобный агрегат, а в 1852 году немецкие инженеры доработали устройство, сделав возможной его работу на воздушно-водородной смеси.

Особое распространение моторы на водороде приобрели в годы ВОВ, когда бензин оказался в большом дефиците. Затем интерес к данному виду топлива поутих до топливного кризиса, случившегося в 70-е годы.

В последнее же время за развитие экологически безопасного топлива ратуют защитники природы и просто люди, неравнодушные к дальнейшей судьбе планеты и будущих поколений.

Принцип работы водородного двигателя

  • Функционирование двигателя на водородном топливе отличается от действия двигателя внутреннего сгорания, прежде всего, особенностями подачи и воспламенения смеси топлива, но принцип работы остаётся таким же.
  • Бензин горит медленно, а в случае с водородом время впрыска сдвигается к моменту возвращения поршня к крайнему положению, давление же может быть низким.

Водородный двигатель в идеальных условиях и вовсе способен работать без поступления воздуха: в камере сгорания останется после сжатия пар, который снова станет водой (это обеспечит радиатор). Однако на практике добиться этого сложно, т. к. на авто придётся устанавливать электролизер (специальное устройство, отделяющее водород от воды с целью осуществления реакции с кислородом).

Водородные топливные элементы

Эти устройства напоминают традиционные аккумуляторы с более высоким КПД, достигающим 45%.

В корпус помещается мембрана, проводящая исключительно протоны и разделяющая две камеры (анодную и катодную): в первую поступает водород, во вторую – кислород. Электроды покрываются катализатором (в его качестве часто применяют платину), при воздействии которого начинается процесс потери электронов водородом.

Протоны, проходящие в тот же период времени в катодную камеру, соединяются с приходящими извне электронами, что происходит опять же вследствие наличия катализатора.

Устройство водородного двигателя внутреннего сгорания

Такой движок практически ничем не отличается от пропанового агрегата, поэтому часто владельцы таких машин просто перенастраивают двигатели (но это и приводит к снижению КПД).

Как работает машина с водородным двигателем? В ней установлен генератор: внутри него протекает реакция окисления водорода, в конце которой получаются азот, пар и электрический ток (углекислый газ в продуктах распада отсутствует).

Автомобиль с таким силовым агрегатом можно сравнить с электрокаром, но с более компактным аккумулятором.

На рабочий режим элемент выходит спустя пару минут после запуска, а вот на прогрев до рабочей температуры может уйти и час (на точное время влияет температура окружающей среды).

Появляется вода, а электроны из анодной камеры попадают в электрическую цепь, подключенную к движку. Иными словами, получается ток, питающий автомобильный водородный двигатель.

Минусы водородного мотора

Водородные двигатели для автомобилей при всех плюсах не лишены недостатков:

  1. Высокая стоимость, на которую влияют, во-первых, электрический генератор, во-вторых, необходимые для эксплуатации авто баки из углепластика.
  2. Низкая энергетическая эффективность. У электромобиля КПД равняется 70%, у водородного топлива – 30%, если же водород получать из нефти, этот показатель увеличится примерно в 2 раза, но тогда появится углекислый газ.
  3. Малое количество заправок. Если в Европе они хотя бы есть, то в России такие заправочные станции в принципе отсутствуют.
  4. Необходимость периодической проверки баллонов, заправленных водородом, в целях безопасности.
  5. Увеличение веса машины и, как следствие, ухудшение маневренности.

Безусловно, защита окружающей среды имеет огромное значение, но пока что автолюбители не готовы жертвовать собственным комфортом и деньгами ради экологии.

Видео о том как работает водородный двигатель

Источник: https://moj-vnedorozhnik.ru/v-pomoshch-voditelyu/princip-raboty-vodorodnogo-dvigatelya-dlya-avtomobilya

Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы

Первым разработчиком, представившим водородный двигатель для автомобиля широкой публике, был концерн «Тойота». Ещё в 1997 году ими был презентован внедорожник FCHV, который тогда так и не запустили в серийное производство.

Хорошей альтернативой бензину может стать водородный двигатель

Сегодня ведут исследования и другие компании, среди них:

  • Honda Motor,
  • Volkswagen,
  • General Motors,
  • Daimler AG,
  • Ford Motor,
  • BMW и так далее.

Как работает водородный двигатель?

Машины на водородном двигателе можно разделить на три группы:

  • авто с двумя энергоносителями, обладающее высокоэкономичным двигателем, который может работать как на чистом водороде, так и на смеси его с бензином. КПД такого двигателя 90–95%, тогда как дизельного — 50%, а бензинового — 35%. Такие автомобили соответствуют стандарту «Евро-4»;
  • водородный автомобиль со встроенным электродвигателем, который питает основной топливный элемент, установленный на борту. Сейчас созданы авто с КПД выше 75%;
  • обычные автомобили, работающие на смеси или чистом водороде. Выхлоп намного чище, а КПД «подрастёт» примерно на 20%.

Как работает водородный двигатель? Выделяют 2 типа силовых установок по принципу работы:

  • водородные двигатели внутреннего сгорания. Используется роторный двигатель;
  • силовые установки на топливных водородных элементах — их принцип работы построен на химической реакции. Корпус элемента имеет мембрану, проводящую только протоны и разделяющую камеры с электродами — анодом и катодом. В камеру анода подводят водород, в камеру катода подводят кислород. Электроды покрывают слоем катализатора, например, это платина. Молекулярный водород теряет электроны под воздействием катализатора. Протоны через мембрану проводятся к катоду, под воздействием катализатора в результате соединения с электронами образуется вода. Из камеры анода электроны уходят в электрическую цепь, которая подсоединена к двигателю. Так образуется ток для питания мотора.

Достоинства водородного двигателя:

  • продукт горения водорода — вода. А значит, это самое экологически чистое топливо;
  • мощность, приёмистость и иные показатели двигателя выше, чем у стандартного — электроэнергия обеспечивает их сполна;
  • низкий уровень шума;
  • простота обслуживания — не нужна сложная трансмиссия, а трущихся деталей меньше;
  • низкая себестоимость эксплуатации транспорта;
  • меньший расход топлива и большая скорость заправки;
  • более высокий запас хода;
  • водород имеет большой потенциал в качестве альтернативного вида топлива, так как он может быть получен из различных источников, в том числе солнечной энергии или ветра;
  • основное сырьё — вода — бесплатное.

Недостатки водородного двигателя:

  • Использование топливных элементов в обычном двигателе чревато пожаром или взрывом из-за его устройства.
  • Стоимость их также весьма высока.
  • Вес автомобиля увеличивается в результате использования преобразователей тока и мощных аккумуляторов.
  • Процесс получения из воды водорода пока тоже недёшев, как и транспортировка нового топлива.
  • Прогнозируются и экологические проблемы — увеличение в атмосфере количества водорода может пагубно сказаться на озоновом слое Земли.
  • Производство аккумуляторов – также вредный для окружающей среды процесс.
  • Одной из проблем транспортных средств на водороде является высокая стоимость платины, необходимой для химической реакции в двигателе.
  • Отсутствие водородных заправочных станций делает водородные автомобили неконкурентоспособными по сравнению с обычными автомобилями.
  • Не решён вопрос о хранении. На сегодняшний день предлагается хранить в сжиженном виде либо под высоким давлением, но исследования продолжаются.

Водородные топливные элементы

В разные годы водородные топливные элементы использовались:

  • для тракторов,
  • локомотивов,
  • подводных лодок,
  • вертолётов,
  • в автомобиле для гольфа,
  • на мотоцикле.

Для автомобилей с водородным двигателем и автобусов используются элементы на протонно-обменной мембране (PEM), они компактны и мало весят.

Авто на водороде

  • Тойота, приручившая водород, — Fuel Cell Sedan — это комфорт и вместительность стандартной модели. Для того чтобы увеличить пространство в салоне и багажнике, сжатые резервуары водорода расположены в полу автомобиля. Предназначена машина для пяти пассажиров, цена составит 67500 $.
  • Технологии космоса в обычной жизни. BMW Hydrogen 7 уже доказал свои возможности на практике, порядка ста автомобилей BMW Hydrogen 7 были тестированы выдающимися деятелями культуры, политики, бизнеса и средств массовой информации. Опыт испытания в реальных условиях показал, что переход на водород полностью совместим с комфортом, динамикой и безопасностью, которые вы могли бы ожидать от BMW. Авто можно переключать с одного вида топлива на другой. Максимальная скорость 229 км/ч.
  • Генератор энергии Honda FCX Clarity. По словам разработчиков, можно подключить к трансформатору и снабжать электричеством все бытовые приборы. Баки с водородом находятся под задними сидениями, а после полной заправки топлива ей хватит на 500 км. Цена от 62807 $.
  • Часть автобусов MAN работает на водороде.

Водородные двигатели будущего

  • Новое сотрудничество в автомобильном секторе начали General Motors (GM) и Honda Motor. Обе компании планируют совместно разрабатывать водородные топливные элементы в течение следующих семи лет. Обмен ноу-хау поможет снизить затраты на технологии и делает основной целью реагирование на увеличение объёма глобальных требований, предъявляемых к сокращению выбросов, стандарт «Евро-4» имеет строгие рамки.
  • Силовая установка автомобиля может послужить и электростанцией для дома, обеспечивая его энергией в течение 5 дней.
  • Каждый производитель в ближайшее время рассчитывает продавать минимум тысячу экокаров за год, ожидаемая цена 97000 $.
  • К 2050 году водород как источник топлива покроет треть производимой энергии.

А вот Илон Маск (глава SpaceX и Tesla) к новому топливу относится крайне критично, считая его создание маркетинговым ходом.

Маск заявил, что использование технологий не решит реальных транспортных проблем и что в литий-ионных батареях плотность хранения энергии превышает все водородные разработки. А как думаете вы?

Укажите насколько полезна была Вам эта статья!!!:

Источник: https://CarExtra.ru/obzory/vodorodnyiy-dvigatel.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector