Почему не используют водородные двигатели - AUTOEXPERTUSA.RU

Почему не используют водородные двигатели

Водородное топливо – альтернатива или тупиковое направление?

Экологи и ученые уже давно бьются над решением проблемы создания максимально экологичного и чистого вида топлива. Причем оно должно быть не только дешевым, но и неисчерпаемым, поскольку призвано заменить привычные для нас энергоресурсы. Его цена не должна превышать стоимости угля, нефти и природного газа. Задача кажется невыполнимой, однако все чаще взоры энергетиков обращаются на водород как вид топлива, способный удовлетворить имеющимся требованиям и стать широкоиспользуемым ресурсом.

Ко всему прочему ситуация в мире становится нестабильна и каждое государство хочет снизить зависимость от того или иного топлива, добыча которого производится на территории других стран. Все чаще водород рассматривается как возможность использования его в качестве альтернативного варианта. У него есть определенные плюсы, но есть и минусы. Попробуем разобраться в аспектах использования водорода, как топлива, его преимуществах и недостатках. А также постараемся ответить на вопрос: быть ли ему полноценной заменой существующих видов топлива.

Сам по себе водород является побочным продуктом энергетического процесса и по идее должен уничтожаться, поскольку его скопление очень опасно. Но энергетики решили найти ему практическое применение.

Водород в качестве альтернативного топлива

Транспортные средства достаточно активно используют природные источники энергии, потребляя около трети всей нефти, добываемой в мире, и из всех видов транспорта автомобили являются наиболее энергоемкими. Использование углеводородного топлива на нефтяной основе сопровождается выбросом в атмосферу большого количества вредных веществ. Это приводит к глобальному загрязнению окружающей среды. В качестве альтернативы предлагается начать активно использовать гидроген и на его основе устанавливать в машины топливные элементы. Давайте сначала поймем, почему выбор пал на этот изотоп.

Водород (H2) — один из немногих газов, широко распространенный на планете, обладающий высокой теплотвотворной способностью. Это абсолютно бесцветный газ, без вкуса и без запаха, из-за чего экологи ратуют за его применение в качестве топлива. Можно отметить, что он очень перспективный энергоноситель. Промышленный процесс его получения таков, что когда вещество соединяется с кислородом, образуется вода и выделяется определенное количество тепла. Это сгорание не вызывает вредных выбросов в окружающую среду, в частности двуокиси углерода. При горении с доступом кислорода снова образуется вода, которую можно использовать повторно. Это делает источник энергии самообновляемым, а отсутствие вредных веществ – экологически чистым и безвредным для окружающей среды.

Идея создания углеводородного электродвигателя пришла с запада, а точнее из Америки. Интерес к газу как альтернативному питанию для транспорта обусловлен, прежде всего:

  • возможностью использования топливных элементов в FCEV (fuel cell vehicle) в электромобилях топливного типа без выбросов;
  • быстрой заправкой автомашин, занимающей от 3 до 5 минут;
  • эффективностью ТЭ с точки зрения расхода и стоимости;
  • возможностью получения его из углеводородов, биомассы и мусора;
  • потенциалом для отечественного производства.

Принцип действия ТЭ основан на прокачивании кислорода и водорода через катоды и аноды, контактирующими с платиновым катализатором. В результате происходит химическая реакция, в которой образуется вода и электрический ток. Топливный элемент, подсоединенный к электродвигателю, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем бензиновый мотор внутреннего сгорания.

Следует отметить, что большинство развитых стран охотно переходят на водородный изотоп и начали строить АЗС на его основе. Заправки появились в Японии, США и Германии. Также крупные автомобильные концерны готовы предложить новые разработки автомобилей с водородными ТЭ. Немалый интерес к этому типу горючего проявляют авиаконструкторы и уже фирмой “Боинг” был разработан самолет “Джамбо Джет” на основе водорода. А перекись водорода, являющаяся соединением водорода, применяется в электромоторах ракет и подводных лодок. Более подробную информацию о топливе можно прочитать в статье “Почему биотопливо считается перспективным направлением?”

Плюсы и минусы

У вида горючего есть сторонники, которые уверены, что за водородом будущее. Но есть и скептики, которые находят больше минусов, чем плюсов. Взвесим все “за” и “против”.

Плюсы водородного топлива.

  • Наверное, самым главным плюсом является его экологичность. При эксплуатации других марок топлива образуются вредные выхлопы, загрязняющие воздух. У углеводорода с ними проблем нет. Все, что остается после внутреннего сгорания – это водяной пар. Безусловно, при расходовании сгорают разные масла, но их токсичный выброс в разы меньше по сравнению с бензиновым.
  • Простота конструкции и ее использование. Для мотора не требуется сложных систем подачи горючего, которые пока есть в современных авто и которые не отличаются надежностью, а порой бывают даже опасны. У электродвигателей с искровым зажиганием, которые работают на водородном изотопе, имеется возможность качественно регулировать топливоздушную смесь. Этот газ также способен сделать маленькие двигатели достаточно мощными, а авто высокоскоростными.
  • Водородное топливо делает движение автомобиля полностью бесшумным.
  • Нельзя не игнорировать тот факт, что КПД электродвигателя, работающего на углеводороде, намного выше, чем у бензинового двигателя внутреннего сгорания.
  • И еще одно “за”. Этот элемент самый распространенный во Вселенной занимающий более 86% атомов, и в отличие от запасов нефти, он никогда не закончится и на нем не придется экономить.

Что же говорят скептики, отрицая возможность его применения?

  • На сегодняшний день способ получения в промышленных объемах достаточно дорогой и сложный. Сам по себе в чистом виде изотоп не существует, он летуч и для его добычи необходимы определенные технологии, которые требуют денежных вложений и определенных затрат.
  • Сложности при хранении и транспортировке газа. До сих пор не разработаны стандарты хранения и перевозки, так как никаких значимых экспериментов не проводилось. Это вновь потребует денежных инвестиций.
  • Несмотря на более простую систему углеводородного двигателя относительного бензинового, она пока не совершенна. Под ее установку требуются автомобили больших габаритов, что делает выпуск транспортных средств более дорогим. Безусловно, эту проблему можно решить, если проводить дополнительные разработки и эксперименты, но пока ими мало кто занимается.
  • Сложности перевода производства на добычу и переработку гидрогена. Дело в том, что для его добычи требуются совершенно другие машины и механизмы, отличные от тех, которые используются для добычи нефти. Не все предприятия готовы потратить деньги на модернизацию своего производства и переход на новейшие стандарты. К тому же из-за малоизученности элемента промышленные гиганты не готовы рисковать, не зная, как отреагируют потребители.
  • Недоверие покупателей. Еще один фактор, сдерживающий полное внедрение газа. Пока еще общество скептически относится к новшеству, предпочитая проверенные средства заправки. Из-за этого в мире небольшой процент АЗС, полностью готовых обеспечивать этим видом горючего.

Как видим, пока обоснованных минусов больше. Отсутствие стандартов добычи, переработки, хранения водородного изотопа, а также приемлемых конструкторских решений ведет к недоверию общества, которое пока не готово пересаживаться на новые водородные авто, а промышленность не видит целесообразности проводить реконструкцию производства из-за низкого спроса.

Как работает топливный элемент?

В статье уже упоминалось о топливном элементе, который планируется устанавливать в автомобилях нового типа. Давайте подробнее познакомимся с его принципом действия.

Топливный элемент – электрохимическое устройство, которое преобразует энергию, хранящуюся в химической формуле, в электроэнергию, воду и тепло. Он состоит из двух электродов: анода и катода. Для их изготовления используют угольные пластины, покрытые платиной. На аноде подающийся гидроген распадается, при потере электрона. В это время кислород на катоде соединяется с пришедшим патроном. По большому счету топливный элемент можно сравнить с батареей, у которой вырабатывается постоянный ток в результате химической реакции. Разница между ТЭ и батареей заключается в том, что он не накапливает электричество, не разряжается и его не нужно повторно заряжать. Он будет работать до тех пор, пока имеется запас топлива и воздуха. Отличительной особенностью еще можно назвать то, что элементы не сжигают топливо, как другие электрогнераторы.

Еще к плюсам углеводородных двигателей можно отнести их способность работать при низких температурах, что сокращает время запуска. Это происходит благодаря графитовым ячейкам, которые дают возможность проходить реагентам с сохранением электрического контакта с электролитом. Благодаря этому в холода не придется прогревать двигатель.

Правда у таких элементов имеется одна особенность. Низкая плотность изотопа несет с собой трудности проектирования системы для его хранения в машине. Для хранения придется использовать бак, превышающий обычный в 800 раз. Но сегодня разработаны основные решения для его хранения:

  • в сжатом виде, когда он находится в баллонах;
  • на криогенных станциях, где газ хранится при низкой температуре;
  • в виде сплавов (металл и гидрид), поглощающих водород.

Пока заправка авто с водородным двигателем весьма дорогой процесс, требующий гибкой связи между заправщиком и автомобилем, который обеспечивает запечатанную систему.

Массовые авто на водороде: быть или не быть?

Однозначно ответить на этот вопрос пока нельзя. Конечно, попытки создать или получить усовершенствованное экологически чистое и дешевое горючее не будут остановлены. Возможно, разработки будут вестись в совершенно другом направлении и гидроген не станет единственным альтернативным вариантом. Пока же некоторые дилерские центры готовы предложить автомобили на водородном изотопе. Так, уже есть марки Toyota, Honda, Mercedes-Benz, Hyundai, но их стоимость достаточно высока. Проходят испытания Ford, Nissan, Daimler и Volkswagen. Большой энтузиазм по внедрению проявляют азиатские страны, в частности Япония, Китай и Южная Корея. В этих странах наибольшие показатели ВЗС (водородно заправочных станций). Правительства этих стран проводят активную политику по внедрению легковых автомобилей и общественного транспорта на водородных частицах, а также расширяют сети для промышленного производства горючего.

Европейские страны, хотя и не в отстающих, но все же не спешат переводить автопром на водород. Связано это с минусами, которые были рассмотрены выше. К тому же государствам придется серьезно раскошелиться, чтобы содержать водородные станции. Водородным заправочным станциям непросто заменить разветвленную сеть обычных АЗС и по сегодняшним подсчетам она может обойтись более полутора триллионов долларов США. Еще одним сложным аспектом является получение самого изотопа. Сегодня используют:

  • паровую конверсию метана и природного газа;
  • электролиз воды и газификацию угля;
  • пиролиз и частичное окисление;
  • биотехнологии.

В качестве последних серьезно рассматривают возможность получать газ из солнечной энергии, энергии ветра, из биомассы (с помощью бактерий) и отходов (путем их сжигания). Пока все методы имеют свои несовершенства, над которыми ученым и энергетикам еще предстоит поработать.

Подводя итоги, надо сказать, что успех внедрения углеводородного топлива и его использования во многом будет зависеть от сотрудничества стран и государств в этой области. Пока что уровень не очень высок. Не проводятся массовые испытания, не разрабатываются необходимые стандарты и не проводятся информационно-рекламные мероприятия призванные повысить интерес населения к новому горючему. Процесс перехода будет осуществляться постепенно и возможно займет не одно десятилетие. Однако в перспективе водород как вид топлива может быть очень востребован и для этого имеются все предпосылки.

Читайте также  Почему троит карбюраторный двигатель

Водородный двигатель: особенности, достоинства и недостатки

Статья о водородном моторе: история, особенности его эксплуатации, плюсы и минусы использования, модели автомобилей. В конце статьи — видео о двигателе на воде. Статья о водородном моторе: история, особенности его эксплуатации, плюсы и минусы использования, модели автомобилей. В конце статьи — видео о двигателе на воде.

«Водород – горючее будущего» — именно с таким посылом сегодня происходит внедрение водородных ДВС в транспортную и авиационную промышленность.

Водород занимает лидирующую позицию среди всех прочих источников альтернативной энергии не случайно – он максимально экологичен, имеет возобновляемый ресурс, а также обладает максимальным КПД в сравнении с классическими двигателями, функционирующими на бензине и дизеле.

Однако помимо неоспоримых преимуществ, водородный двигатель обладает и рядом недостатков, пока не позволяющих сделать его массовым и полностью вытеснить «вредные» бензиновые и дизельные моторы.

Немного истории

О необходимости сохранения окружающей среды человечество стало задумываться совсем недавно, а вот мысли о замене обычного ДВС учёные начали задумываться намного раньше.

Так, с руки учёного Франсуа Исаака де Риваза, уроженца Франции, первый двигатель на водороде был изготовлен в 1806 г. В 1841-м в Британии был получен первый патентный договор на изготовление водородного мотора, а в 1852-м германские учёные смогли создать ДВС, функционирующий на воздушно-водородной смеси.

Однако планам внедрения водородных моторов помешали бензиновые двигатели, получившие распространение после 1870 года.

Потом о водороде снова позабыли, пока в 70-х годах в двери не постучался всемирный топливный кризис. В конце 70-х автоконцерн БМВ выпустил своё первое авто, функционирующее на водороде, а затем его примеру последовали и другие компании, в числе которых — американская General Motors и Ford, японская Honda и прочие.

Тем не менее, как только кризис сошёл на нет, интерес к водороду как источнику энергии снова угас. И вот спустя десятилетия человечество снова вспомнило о его существовании, чему поспособствовала не только активизация защитников окружающей среды, но и рост цен на горючее.

Отличительная черта водородных двигателей

В конструктивном плане водородный мотор мало чем отличаются от стандартных ДВС. В нем также присутствуют поршни, камера сгорания и шатунно-кривошипный механизм. Так в чем же отличие?

Дело в том, что водородные моторы используют иной способ поставки топливной смеси и её последующее возгорание. Кроме того, процесс сгорания водорода занимает намного меньше времени, чем в случае с горючим нефтяного происхождения. Отличия незначительны, и на первый взгляд может сложиться впечатление, что переоборудовать обычный ДВС в водородный несложно, но это не так.

Ряд проблем использования двигателя на водороде:

    Водород сложно получить. Не секрет, что он содержится в воде и по праву считается самым распространённым химическим элементом в мире, правда, в чистом виде он практически не представлен. Это значит, что автомобиль необходимо оснащать специальной установкой закрытого типа — электролизёром, отвечающим за расщепление воды и позволяющим добыть водород. Однако на практике такая установка сложна в изготовлении, что сильно влияет на её конечную стоимость.

Водород из-за высокой температуры сжатия легко вступает в реакцию с различными металлическими элементами силовой установки и даже с моторным маслом.

  • Даже маленькая утечка водорода при контакте с разогретым коллектором вызовет возгорание. Именно поэтому сегодня при создании водородных моторов используются исключительно роторные силовые установки, так как они позволяют снизить риск возгорания из-за большего расстояния между коллектором впуска и выпуска.
  • Тем не менее, большую часть проблем пока удаётся решать, причём не только на роторных установках, но и в двигателях, использующих поршневые механизмы, что позволяет водороду оставаться наиболее перспективной заменой бензину/дизелю.

    Главные плюсы и минусы водородных моторов

    Основные достоинства, которыми обладают водородные двигатели:

      высокий уровень экологичности, так как продуктом его сгорания выступает водяной пар. При сгорании водорода происходит ещё и выгорание моторного масла, однако количество токсичных выхлопов при этом в несколько раз меньше, чем при сгорании бензинового или «тяжёлого» топлива;

    высокий КПД, который в разы превосходит таковой в классических силовых установках, функционирующих на дизельном или бензиновом топливе;

    относительная конструктивная простота, а также отсутствие дорогостоящих и ненадёжных систем топливоподачи, которые к тому же опасны;

  • бесшумность.
  • Несмотря на ряд существенных преимуществ, водородные моторы имеют достаточное количество недостатков:

      высокая цена и сложность получения чистого водорода;

    неразвитая инфраструктура автозаправочных станций, способных осуществить дозаправку водородом;

    отсутствие международных стандартов транспортировки и применения водородного горючего;

    высокая цена топливных компонентов и обслуживания водородных двигателей;

    трудности, связанные с хранением водородного горючего. Учёные до сих пор не пришли к единому знаменателю касательно материала, который необходимо использовать при изготовлении баков для хранения горючего водорода;

  • увеличение общей массы машины за счёт наличия водородного двигателя, который заметно тяжелее ныне распространённых бензиновых и дизельных моторов.
  • Кроме того, баллоны с водородом необходимо регулярно проверять и сертифицировать, что может быть сделано исключительно квалифицированными специалистами, обладающими соответствующим разрешением и лицензией.

    Самые популярные автомобили с водородным ДВС

    Несмотря на то, что учёные продолжают ломать голову над устранением текущих проблем, связанных с использованием водородных моторов, количество машин на водородном топливе продолжает расти. Самыми известными авто, функционирующими на водороде, являются:

      Тойота Mirai FCV – автомобиль впервые дебютировал в 2013 году, но в продажу поступил лишь в 2015-м. Имеющиеся в нем баллоны обеспечивали «дальнобойность» около 500 км.

    BMW 750hL, концептуальная версия которого была показана ещё в 2000-м году. Машина комплектуется специальным баком с водородов, запаса которого достаточно для преодоления расстояния в 300 км.

    Honda Clarity – ещё один автомобиль, использующий водород вместо классического топлива. Основные достоинства модели — эффектная внешность и впечатляющий, по меркам водородных авто, запас хода, составляющий 589 км.

  • Riversimple Rasa – небольшой водородный автомобиль родом из Великобритании. Его главной особенностью стал небольшой вес (чуть более 500 кг) и внушительный запас хода – порядка 500 км.
  • Кроме того, производители продолжают представлять «водородные» концепт-кары, среди которых — Audi H-tron Quattro, водородный Mercedes GLC, грузовик Nikola One от Nikola Motor, суперкар H2 Speed от дизайнерского дома Pininfarina и многие другие.

    Заключение

    Несмотря на ряд недостатков, водород может стать наиболее перспективным источником экологически чистой энергии на ближайшие 30-40 лет. Нам лишь осталось найти эффективный метод добычи водорода и разработать инфраструктуру для его доставки конечному потребителю, и тогда человечество навсегда забудет не только о топливном, но и об экологическом кризисе.

    Видео о двигателе на воде:

    Водородный двигатель: принцип работы и устройство

    Как вы знаете, двигатель поршневого сгорания имеет как преимущества, так и определенные недостатки. Во-первых, глобальная проблема — это токсичные выхлопные бензиновые и дизельные двигатели, а также постоянный спрос на нефтяное топливо. Ситуация не меняется слишком много изменяется после преобразования автомобиля в газ, потому что монтаж HBO также не решает все проблемы.

    Учитывая эти функции, альтернативные решения постоянно развиваются. Сегодня электродвигатель является настоящим конкурентом для двигателя внутреннего сгорания. В то же время относительно небольшой ассортимент, высокая стоимость батарей и весь электрический автомобиль, а также отсутствие развитой инфраструктуры для ремонта и поддержания таких транспортных средств, естественным образом делает их популяризацию.

    Среди таких двигателей следует отличить двигатель сжигания водорода, который может успешно заменить токовый дизельный или бензиновый двигатель, и это в предсказанном будущем. Рассмотрим, как работает водородной двигатель, какова конструкция такого двигателя и каковы его особенности.

    История создания водородного двигателя

    Начнем с того, что идея построения водородного двигателя появилась в 1806 году. Его создатель был Франсуа Исаак де Риваз, который был водородом из воды с использованием электролиза. Как видите, водородной двигатель «родился» задолго до появления ряда вопросов, связанных с охраной окружающей среды и токсичности выхлопной энергии.

    Другими словами, попытки запуска двигателя внутреннего сгорания водородом не были приняты для защиты окружающей среды, но для тривиального использования водорода в качестве топлива. Несколько десятков лет спустя (в 1841 году) первый патент был выдан на таком моторе, в 1852 году. В Германии был создан блок, который успешно работал над смесью воздуха и водорода.

    Однако после войны дальнейшее развитие водородного двигателя было остановлено как в СССР, так и во всем мире. Тогда двигатель был отозван из добычи только после топливного кризиса в 1970-х годах. В результате в 1979 году BMW построил автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Устройство работало относительно стабильно, не было никаких взрывов или выбросов водяного пара.

    Другие производители автомобилей также начали работать в этой области, что привело к не только множеству прототипов, но и довольно успешных примеров двигателей водорода (бензина водорода и дизельных двигателей) до конца двадцатого века.

    Однако после топливного кризиса работа над водородными двигателями также была остановлена. В настоящее время интерес к альтернативным источникам энергии снова увеличивается, в настоящее время из-за серьезных проблем, связанных с охраной окружающей среды, а также из-за быстрой сокращающихся нефтепродуктов на нашей планете и естественно растущей цене нефтепродуктов.

    Кроме того, правительства многих стран стремятся получить энергетическую независимость, а водород довольно доступная альтернатива. В настоящее время GM, BMW, Honda, Ford Corporation и т.д. Работает на водородных двигателях.

    Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

    Для начала двигатель сжигания водорода не сильно отличается от обычного двигателя сгорания. Он имеет те же цилиндры и поршни, камеру сгорания и сложный механизм кривошипа для преобразования движения восстановления в полезную работу.

    Только этот бензин, газ или солнечное масло, а смесь воздушных и водородных горит в цилиндрах. Следует также учитывать, что способ питания водородного топлива, образование смеси и зажигания также немного отличается по сравнению с аналогичными процессами в традиционных анализах.

    В случае водорода реакция проходит быстрее, что позволяет переносить наполнение цилиндра в точку, где поршень уже начинает двигаться в направлении NMT (нижняя мертвая точка). Кроме того, после реакции, а не токсичный выхлоп, обычная вода образуется. Как вы можете видеть, для первогоНа первый взгляд кажется относительно простым преобразовать стандартный двигатель на водородное топливо, изменив впускную, выпускную и топливную системы, но это не так.

    Читайте также  Почему детонирует двигатель после выключения

    Первая проблема — как получить необходимый водород. Известно, что водород входит в состав воды и является обычным элементом, но почти никогда не бывает в чистом виде. По этой причине для максимальной автономности водородные агрегаты следует размещать отдельно на транспортном средстве, чтобы «расщеплять» воду, позволяя снабжать двигатель необходимым топливом.

    Идея кажется привлекательной. Более того, можно было бы даже отказаться от внешнего воздуха на входе и создать замкнутую топливную систему. Другими словами, всякий раз, когда заряд в камере сгорает, водяной пар остается в цилиндре. Если этот пар проходит через конденсатор, произойдет конденсация, то есть вода будет повторно образована, из которой можно будет повторно получить водород.

    Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания, независимо от вида топлива, все же нуждается в системе смазки для защиты нагружаемых элементов и паров трения. Одним словом, без моторного масла не обойтись. Масло частично выбрасывается в камеру сгорания, а затем выдыхается. Это означает, что полностью изолировать водородную топливную систему (без использования внешнего воздуха) практически невозможно.

    По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше похожи на газовые двигатели, то есть на пропан-бутановые газовые агрегаты. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД при использовании водорода несколько ниже. Однако для получения требуемой мощности двигателя также требуется меньше водорода. При этом никаких установок для самостоятельного производства водорода не планируется.

    Когда дело доходит до использования водородного топлива для обычного бензинового или дизельного двигателя, автоматически возникают опасности и трудности. Прежде всего, высокая температура и степень сжатия могут вызвать реакцию водорода с горячими компонентами двигателя внутреннего сгорания и моторным маслом.

    В любом случае, даже с учетом всех сложностей, можно избежать многих проблем не только в роторных двигателях, но даже в поршневых двигателях, что позволяет рассматривать водород как достаточно перспективную альтернативу бензину, газу или дизелю. Например, экспериментальная версия BMW 750hL, представленная в 2000 году, оснащена 12-цилиндровым водородным двигателем. Двигатель успешно работает на этом топливе и способен разогнать машину до скорости около 140 км / ч.

    Однако отдельных устройств для извлечения водорода из воды в автомобиле нет. Вместо этого есть специальный резервуар, который просто заполняется водородом. Запас хода с полным водородным баком составляет около 300 км. Когда заканчивается водород, двигатель автоматически начинает работать на бензине.

    Двигатель на водородных топливных элементах

    Обратите внимание, что под водородными двигателями мы подразумеваем как агрегаты с водородным двигателем (водородный ДВС), так и двигатели, использующие водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассматривали выше, теперь остановимся на втором варианте.

    Водородный топливный элемент на самом деле является «батареей». Другими словами, это водородная батарея с высоким КПД около 50%. В основе этого устройства лежат физико-химические процессы, корпус такого топливного элемента имеет особую мембрану, которая проводит протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, одна из которых содержит анод, а другая — катод.

    В анодную камеру поступает водород, а в катодную камеру — кислород. Электроды дополнительно покрываются дорогими редкоземельными металлами (часто платиной). В результате они могут действовать как катализатор, действующий на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. В то же время протоны проходят через мембрану на катод, где на них также действует катализатор. В результате протоны сливаются с электронами извне.

    Такие водородные двигатели могут проехать на одном заряде не менее 200 км. Главный недостатокбез коленвала: миф или реальность

    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.

    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

    Водородный транспорт — это такое транспортное средство, которое имеет в своей конструкции силовой агрегат, работающий на топливе водорода. Такие ТС могу быть или с ДВС, или с газотурбинным приводом, или водородными элементами.

    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

    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

    Получение водородного топлива (Н2) — это трудоемкий процесс. К тому же, перевозка и хранение такого топлива также стоит дорого. Чтобы хранить водород в жидком состоянии, в емкости должна поддерживаться постоянная очень низкая температура -253 С. Сам по себе процесс получения воды несложный, проводя электролиз воды, получается чистый водород.

    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.

    Водородный двигатель принцип работы

    Водородный двигатель: типы, устройство,принцип работы

    ТИПЫ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

    Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

    Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

    УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

    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.

    Читайте также  Почему маленькая компрессия в двигателе

    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.

    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.

    Устройство водородного двигателя

    Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:

    • Машины с 2-мя энергоносителями. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. КПД двигателя такого типа достигает 90-95 процентов. Для сравнения дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
    • Автомобиль со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства. Сегодня удалось создать моторы, имеющие КПД от 75% и более.
    • Обычные транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД еще на 20%.

    Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения.

    Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

    Принцип работы

    Принцип работы водородных двигателей стоит рассмотреть применительно к двум видам таких установок:

    1. Моторы внутреннего сгорания;
    2. Двигатели на водородных элементах.

    Водородные моторы внутреннего сгорания

    В ДВС из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки.

    В водородном двигателе, благодаря мгновенному воспламенению газа, удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4-х атмосфер).

    В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется.

    После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.

    Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер — устройство, обеспечивающее отделение водорода от H2O для последующей реакции с O2.

    Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло.

    Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.

    Двигатели на водородных элементах

    Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента имеет мембрану (проводит только протоны) и электродную камеру (в ней находится катод и анод).

    В анодную секцию подается H2, а в катодную камеру — O2. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина).

    Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода.

    Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.

    Водородные топливные элементы

    Водородный топливный элемент, с конструктивной точки зрения, является своеобразной аккумуляторной «батарейкой» с высокими показателями коэффициента полезного действия (порядка 50%). Внутри корпуса протекают физико-химических процессы с участием специальной мембраны, отвечающей за проведение протонов. Посредством такого мембранного элемента происходит деление корпуса на пару частей – резервуар с анодом и камеру с катодом.

    Камера с анодом заполняется водородом, а в катодную часть поступает атмосферный кислород. В качестве покрытия электродов используются дорогостоящие редкоземельные металлы, включая платину. Особенности поверхности обеспечивают взаимодействие с водородными молекулами, в результате чего происходит потеря электронов. Одномоментно с этим процессом выполняется прохождение протонов сквозь мембрану к катоду. Благодаря такому воздействию катализатора протоны соединяются с поступившими извне электронами.

    Результат произошедшей реакции – образование воды и поступление электронов из анодной камеры в электрическую цепь, подключённую к силовому агрегату. Таким образом, двигатель приводится в движение водородным топливным элементом и может проработать порядка 200-250 км. Тормозит применение такой технологии и серийный выпуск автомобилей с водородными двигателями необходимость использовать в конструкции элементов платину, палладий и другие дорогостоящие металлы.

    Принцип работы

    Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования. При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы. Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н2О.

    Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом. Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним. Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.

    Особенности гибридных конструкций

    Характеристики, которыми обладает водородное топливо, активно использовались многими конструкторами с целью создания уникального гидродвигателя внутреннего сгорания. Например, разработанный В.С. Кащеевым метод – это принципиально иная установка, имеющая не только традиционный подающий воздух впускной клапан и выпускное устройство отвода выхлопных газов, но и отдельный клапанный механизм подачи водорода, а также свечу зажигания в головке блоков цилиндров.

    Несмотря на некоторые принципиальные отличия, механизм работы остаётся неизменным, поэтому любые гибридные силовые агрегаты принято считать переходной стадией от применения дизеля и бензина к использованию водородного топлива. Благодаря высоким показателям КПД, лёгкое химическое вещество вводится в состав топливно-воздушных смесей, что значительно повышает степень сжатия, а также снижает токсичность выхлопов. Кроме этого, взаимодействие кислорода с водородом сопровождается выделением достаточного количества энергии, которая нужна автомобильным электродвигателям.

    Водород как горючее

    Первым делом хочется понять, что собой представляет двигатель на водороде. А для этого нам необходимо изучить сам водород как эффективный источник энергии, то есть альтернатива привычному нам топливу.

    Каждый прекрасно знает, что в обычном двигателе с системой внутреннего сгорания, который работает на бензине, происходит смешивание топлива с воздухом. Затем эта смесь поступает внутрь цилиндров, где и сгорает. Это создаёт энергию для перемещения поршней, что и способствует в итоге движению ТС.

    У водорода есть свои нюансы, которые проявляются в следующем:

    • когда сжигается смесь с использованием водорода, на выходе получается только обычный водяной пар;
    • на воспламенение водорода уходит меньше времени, чем в случае с дизельным или традиционным бензиновым топливом;
    • детонационная устойчивость вещества способствует увеличению степени сжатия;
    • показатели теплоотдачи состава превосходят топливовоздушную смесь на 250%;
    • водород является летучим газом, из-за чего он может проникать в малейшие полости и зазоры;
    • лишь некоторые металлы способны справиться с воздействием воспламеняющегося водорода;
    • такое топливо можно хранить в жидком или сжатом агрегатном состоянии;
    • если ёмкость получает пробой или небольшую трещину, всё топливо испаряется довольно быстро;
    • чтобы вступить в реакцию с кислородом, нижний уровень газа составляет 4%;
    • последняя особенность позволяет настраивать необходимые оптимальные режимы для двигателя за счёт дозировки консистенции.

    Если принимать во внимание все рассмотренные особенности, можно с уверенностью сказать, что вариант с использованием чистого водорода в обычном ДВС невозможен. Чтобы добиться желаемого, необходимо обязательно внести некоторые изменения в конструкцию, а также установить дополнительное оборудование.

    В чём опасность такого топлива

    Водород позиционируется как взрывоопасное вещество. Именно это можно справедливо считать главной опасностью и проблемой всей технологии водородных моторов.

    Сочетаясь с окислителем, в качестве которого выступает кислород, увеличивается риск воспламенения, и также возникает угроза взрывов. Исследования показатели, что на воспламенение водорода уходит около десятой доли энергии, требуемой при воспламенении топливовоздушной смеси. Фактически можно обойтись небольшой статической искрой, дабы водород вспыхнул.

    Есть ещё одна опасность. Газ невидимый, и даже в процессе горения его практически незаметно. Невидимость огня усложняет возможность бороться с ним.

    Нельзя забывать об опасности вещества для самого человека. Находясь в зоне с повышенной концентрацией газа в воздухе, может наступить удушье. А распознать наличие вещества крайне проблематично. Объясняется это отсутствием запаха и цвета. То есть человеческий газ не способен его разглядеть, а нос не может разнюхать.

    В качестве последнего аргумента в пользу того, что водород действительно опасен, выступает факт его очень низкой температуры в случае нахождения в сжиженном состоянии. Контакт с таким веществом способен спровоцировать обморожение.

    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: