Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Будет полезно  К 2020 году на дороге может быть 20 000 бегущих ягуаров

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.

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.

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.

Усовершенствание конструкции поршневого двигателя, отказ от КШМ: бесшатунный двигатель, а также двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.

Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.

Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.

Виды двигателей внутреннего сгорания, отличия различных типов ДВС. Особенности компоновки, объем двигателя, мощность, крутящий момент и другие параметры.

Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.

Что нужно знать о моторах на Рендж Ровер перед покупкой такого автомобиля б/у. С каким двигателем лучше взять данный автомобиль и почему.

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 автомобиля: лекарство от нефтяной зависимости

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.
Будет полезно  Для чего нужен абсорбер на ваз 2110

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?

Водородный двигатель. достоинства и недостатки.

Автокомпании ломают голову, какие двигатели будут пользоваться популярностью в будущем. Некоторые разрабатывают электрические, а некоторые водородные.

Вот водородный двигатель рассмотрим.

Когда запасов нефти уменьшаться, людям придется использовать альтернативные виды топлива. И водородный двигатель вполне может заменить ДВС.

Силовые установки такого типа двигателей имеют больший КПД и меньшую степень токсичности выхлопных газов. Главное преимущество двигателей на водороде, это неограниченный запас сырья для топлива. Основой топлива может стать вода. Интерес к водороду появился еще 70-х годах, а 1-ый водородный мотор изобрели только в 21 веке.

Водород использовали во время блокады Ленинграда, им заправляли лебедки аэростатов. Конечно, преимущества очевидны, при этом существует много «но».

ОСОБЕННОСТИ ВОДОРОДА, КАК ТОПЛИВА ДЛЯ ДВС

1) После сгорания остается водяной пар;

2) Реакция происходит быстрей, чем с бензином или дизелем;

3) Детонационная устойчивость повышает степень сжатия;

3) Благодаря своей летучести, водород проникает в самые малые полости, зазоры между деталями;

4) Теплоотдача сгорания водорода в 2,5 раза больше, чем у бензиновой смеси (нужны стойкие материалы);

5) Широкий диапазон реакции. Минимальная пропорция водорода, достаточная для реакции с кислородом, составляет всего 4%. Она позволяет настраивать режимы работы двигателя, дозируя консистенцию смеси;

6) Хранение водорода в основном в сжатом или жидком состоянии. При пробое бака, газ под давлением испаряется.

Из-за этих особенностей, использования водорода, как топлива требует внедрение изменений в конструкции ДВС и навесного оборудования.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Главное отличие двигателей на водороде, заключается в способе подачи и воспламенении водородной смеси.

Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в КПД неизменно. Так как горение нефтяного топлива происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение.

Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе может быть высоким.

В идеале водородный мотор может иметь систему питания закрытого типа. Смесеобразование происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, он проходит через радиатор, конденсируется становится водой.

Но это возможно если на автомашине стоит электролизер, он отделяет с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом. На практике это осуществить сложно.

Для уменьшения силы трения в двигателе используют масло. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

Недостатк исподбзования водородных двигателей

Главный недостаток – это стоимость получения водорода, комплектующих для хранения и транспортировка.

Для сохранения сжиженного состояния требуется поддержка постоянной температуры -253º С. Доступный способ получения Н2 – электролиз воды. Промышленное снабжение водородом требует больших энергетических затрат. Рентабельным его может сделать ядерная энергетика, и пока ей пробуют найти замену. Транспортировка и хранение требуют дорогостоящих материалов и высококачественных механизмов. Помимо электрохимического генератора еще нужен легкий и прочный бак.

Другие недостатки водородного топлива:

– Взрывоопасность.

В замкнутом пространстве достаточная концентрация газа может взорваться. Это может спровоцировать даже высокая температура. Из-за высокой степени диффузности водорода возможно попадания Н2 в выхлопной коллектор, то есть реакция с горячими выхлопными газами спровоцирует возгорание. Роторный двигатель предпочтительнее для водородного автомобиля;

для хранения водорода нужна большая емкость, специальные системы они должны препятствовать улетучиванию Н2 и защищать от механических деформаций.

Для автобусов, грузовиков и водного транспорта эта особенность не имеет значения, но легковые автомобили теряют ценные кубометры багажного отделения;

при высокотемпературных нагрузках водород может провоцировать разрушение деталей цилиндропоршневой группы.

Требуется применение специальных сплавов и смазочных материалов, а из-за этого ведет к удорожанию производства и эксплуатации водородных двигателей.

Технология гибридных двигателей – это промежуточная составная часть между началом введения водорода в качестве топлива до отказа от нефтепродуктов. Автомашины гибриды смогут двигаться и на бензине, и на водороде.

Автомобилестроение – это не единственная область, где применяют водородные моторы. Водный транспорт, железнодорожный транспорт, авиация и др.

Интерес у многих предприятий, такие как: BMW, Volskwagen, Toyota, GM, Daimler AG и др. Сейчас можно увидеть и опытные образцы, и рабочие модели.

BMW 750i Hydrogen, Honda FSX, Toyota Mirai и другие модели.

Но, высокая стоимость водорода и отсутствие заправочных станций, да и недостаток специализированных сотрудников, оборудования для ремонта и обслуживания не дает ввести массовое производство. Оптимизация цикла использования гремучего газа стала первоначальной задачей в развитии водородного мотора.

Двигатель-гибрид: водородно-электрические секреты. 1 кг топлива на 100 км

Когда речь заходит об использовании водорода на транспорте, то, прежде всего, вспоминается двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде и механическая или гидромеханическая передача крутящего момента на ведущие колеса. Это направление интересно и, безусловно, буде развиваться в ближайшее время. Но чисто электрический привод колес более перспективен. И не случайно в мире все больше выпускается электромобилей. К сожалению, пробег автомобиля на одном заряде ограничен.

Будет полезно  Как заменить дворники на форд фокус 3

Стало популярно применять гибриды с использованием электропривода от аккумуляторных батарей и двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Но можно ли создать гибрид без использования ДВС? Можно, если электрическую энергию расходовать не только из аккумуляторных батарей, а и получать напрямую из топлива, например, водорода. Для этого используются топливные элементы. И таких автомобилей разрабатывается все больше.

Концепт A7 h-tron – это два электродвигателя, размещенные на передней и задней осях; между ними нет механической связи, и они управляют обеими осями независимо друг от друга – приводятся в действие все четыре колеса – привод Audi Quattro. Суммарная мощность автомобиля составляет 228 л.с. с максимальным крутящим моментом 540 Нм.

Топливный элемент в A7 устанавливается вместо обычного двигателя и содержит более 300 отдельных элементов, образующих батарею. Сама ячейка состоит из полимерной мембраны, и на обеих сторонах этой мембраны находится катализатор на основе платины.

Гибридный Audi A7 Sportback h-tron Quattro способен проехать 500 километров на баке горючего, при этом в качестве выхлопа выступает вода. Авто использует электропривод с водородным топливным элементом в качестве источника энергии в сочетании с гибридной батареей и дополнительным электродвигателем на задней оси. Разгон до 100 км/ч – 7,9 секунд, максимальная скорость – 180 км/ч. Полная зарядка литиевых батарей при отключении водородных топливных элементов позволит проехать еще полсотни километров.

У водородных топливных элементов очень высокий КПД – 60%. У лучших двигателей внутреннего сгорания этот коэффициент составляет 35-40%.

Наиболее экологически чистый способ получения водорода состоит в электролизе воды. В результате электрохимических реакций получается водород и кислород. Проблема этого способа состоит в энергоемкости. Необходимо большое количество электроэнергии. И здесь будущее за использованием ВИЭ. По мере удешевления производства, например, электроэнергии солнечных элементов электролиз воды для получения водорода вполне может конкурировать с химическими способами получения водорода из газа.

Хотя водород горюч и должен содержаться под высоким давлением инженерами уже решены эти проблемы. Зато загрузка водорода под давлением в автомобильный топливный элемент занимает считанные минуты в отличие от зарядки нынешних аккумуляторов.

Преимущества водородных топливных элементов настолько очевидны, что автомобильный транспорт уже в ближайшие годы начнет переход на них.

Современный водородный автомобиль представляет разновидность электромобиля, так как движение осуществляет электрический двигатель. В водородном топливном элементе производится электроэнергия, которая направляется в буферный аккумулятор, а затем после преобразования инвертором в переменный ток и повышения напряжения подается на зажимы электродвигателя. При этом буферный аккумулятор по сравнению с электромобилем значительно меньшей емкости и габаритов, так как он не является главным источником энергии.

Что касается емкости заряда аккумулятора, Audi A7 Sportback h-tron quattro проезжает до 50 километров (31,1 мили). Аккумулятор в задней части гибридного модуля может быть свинцово-кислотным. В зависимости от напряжения и тока, полная перезарядка занимает от двух часов (промышленная розетка / 360 вольт) до четырех часов (внутренняя розетка на 230 вольт).

Аккумулятор работает на уровне напряжения, отличном от уровня топливного элемента. По этой причине устанавливается преобразователь постоянного тока (DC / AC) между двумя компонентами. Этот трехпортовый конвертер находится за стеком. Во многих рабочих состояниях он выравнивает напряжение, позволяя электродвигателям работать с максимальной эффективностью 95 процентов.

Силовая электроника в передней и задней части автомобиля преобразует постоянный ток от топливного элемента и батареи в переменный ток для электродвигателей для привода переднего и заднего мостов отдельно.

Два электродвигателя, каждый из которых имеет мощность 85 кВт или даже кратковременно до 114 кВт, если напряжение временно повышается. Пиковый крутящий момент электродвигателя составляет 270 Н·м. Корпуса электродвигателей включают планетарные зубчатые передачи с передаточным отношение 7,6: 1.

Суть процесса работы топливного элемента

Водород из резервуара подается на анод (положительно заряженный электрод), затем он разбивается на электроны и протоны. Разделенные электроны подают электроэнергию, отдельная ячейка обеспечивает напряжение в пределах 0,6-0,8 вольт. Между тем, протоны устремляются к катоду, реагируя с воздухом (кислородом) с образованием водяного пара.

Турбокомпрессор – нагнетает воздух в топливный элемент, а вентилятор выталкивает неиспользованный водород обратно на анод. Топливный элемент работает в диапазоне напряжений от 230 до 360 вольт. Турбокомпрессор, вентилятор и насос охлаждающей жидкости используют электричество от топливного элемента.

Элемент позволяет провести высокоэнергетическую реакцию H2 + O2 → H2O в спокойном режиме, без взрыва, который сопровождает ту же реакцию в водородном двигателе внутреннего сгорания. Результатом реакции является вода и энергия. Сам топливный элемент Audi содержит более 300 отдельных ячеек, ядро каждой из которых представляет собой полимерную мембрану. Катализатор по обе стороны мембраны создан на основе платины. Напряжение составляет от 230 до 360 вольт. Получаемая энергия запасается в литиево-ионном аккумуляторе.

1 кг топлива необходим на 100 километров, так что полный бак позволит проехать 500 километров. Заправка водородом занимает около трех минут, как и в случае с авто с двигателем внутреннего сгорания. После отключения топливного элемента он позволит проехать 50 километров на полном заряде.

Топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент, но с существенной разницей. Вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода. Она же и выходит наружу в виде выхлопа.

Перспективы водородных энергетических систем

В Токио в конце сентября текущего года прошла встреча министров энергетики и руководителей энергетических структур из более чем 30 стран. На ней обсуждались перспективы водородных энергетических систем в мире на предстоящее десятилетие. Как сообщает агентство Kyodo News, в постановлении совещания названа цель добиться, чтобы через 10 лет в мире было «10 миллионов транспортных средств с водородными системами» и «10 тысяч станций заправки водородом». В январе 2017 года по инициативе японских компаний Toyota Motor Corp. и Air Liquide был создан Hydrogen Council – Международный совет по водородным технологиям. В него вошли 27 концернов, фирм и компаний, в том числе, кроме японских, Audi, BMW, Daimler, Shell, Total и др. Переход на водород позволит значительно сократить выбросы СО2 в таких отраслях, как транспорт, химическая промышленность и металлургия.

Однако, такие революционные переходы влекут за собой коммерческие, финансовые и социальные изменения. Чаще всего сложные и местами весьма болезненные. Последние, во многом связаны с быстротой перемен и недостаточным временем на подготовку к ним.

Завтрашний день наступает сегодня

NEXO – это второе поколение кроссовера на топливных элементах от Hyundai Motor, который компания позиционирует, как наиболее передовое транспортное средство с нулевым уровнем выбросов. Благодаря новой системе топливных элементов, Hyundai Motor сумела всесторонне развить технологии предыдущей модели. Общая эффективность и экономия топлива делают кроссовер NEXO безапелляционным лидером своего сегмента.

NEXO – это один из лучших автомобилей с отсутствием вредных выбросов, который применим для повседневной эксплуатации. Электрический двигатель автомобиля имеет максимальную выходную мощность 120 кВт (163 л.с.) и крутящий момент в 395 Нм. NEXO разгоняется от 0 до 100 км/ч за 9,2 секунды и достигает максимальной скорости в 179 км/ч.

Экологически чистый силовой агрегат на топливных элементах имеет повышенную скорость утилизации водорода и производных компонентов. Это приводит к превосходным показателям эффективности трансмиссии, которая позволяет кроссоверу NEXO иметь запас хода около 800 км согласно циклу NEDC – что лучше, чем у любого другого автомобиля на топливных элементах и многих электрокаров. Данный запас хода сравним с диапазоном двигателя внутреннего сгорания и позволяет водителям путешествовать на большие расстояния.

Новая платформа транспортного средства позволила объединить три идентичных резервуара с объемом 52,2 литра водорода на каждый, однако несмотря на более высокую емкость хранилищ для топлива, NEXO требуется всего пять минут для полной дозаправки. Важной особенностью новой трансмиссии автомобиля, является возможность ее работы в условиях экстремальных температур окружающей среды.

Наряду с энергетическим преимуществом топливные водородные элементы обладают и экологическими. Разработчики водородного кроссовера Hyundai Nexo уверяют, что их авто не только не выбрасывает в атмосферу вредные вещества, но и очищает за час несколько десятков килограммов воздуха, которых может хватить более чем на 40 человек. Сообщается, что 10 тыс. подобных водородных кроссоверов на улицах мегаполисов могут заменить около 600 тыс. деревьев.

К тому же водород является одним из наиболее распространенных элементов в природе, в отличие от основных элементов батарей для электрокаров – лития и кобальта, за которые компании уже ведут настоящие войны.

Источники:

http://autostuk.ru/ustrojstvo-vodorodnogo-dvigatelya.html

http://carextra.ru/obzory/vodorodnyiy-dvigatel.html

http://chip58.ru/news/zagholovok_stat_i0123456789101112

http://naukatehnika.com/vodorodno-elektricheskij-dvigatel-gibrid.html

http://autoleek.ru/dvigatel/dvs/ustrojstvo-dvs.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector