Водородный двигатель принцип работы: Принцип работы водородного двигателя для автомобиля

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

принцип работы машин на водородном топливе, плюсы и минусы

Оглавление

• 1 Принцип работы
• 2 Особенности гибридных конструкций
• 3 Водородные топливные элементы
• 4 Преимущества и недостатки
• 5 Модели с водородным двигателем
  • 5.1 Honda FCX Clarity
  • 5.2 Hyundai Tucson/ix35 FCEV
  • 5.3 Hyundai Nexo
  • 5.4 Toyota Mirai FCV
• 6 Перспективы водородных ДВС

Водородный двигатель в последние годы всё чаще рассматривается многими производителями транспортных средств в качестве достойной альтернативы традиционным ДВС, работа которых обеспечивается «чёрным золотом». Перспектива использовать такой двигатель в будущих десятилетиях была оценена ещё во времена блокады Ленинграда, когда Борис Шелищ сумел разработать, а также внедрить метод перевода бензиновых двигателей на использование водородного топлива. Однако до настоящего времени предпочтение отдавалось исключительно конкурирующим технологиям, к числу которых можно отнести электромобиль и гибридный автомобиль.

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.

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.

Преимущества и недостатки

С практической точки зрения все плюсы и минусы водородных силовых агрегатов в условиях современного автомобилестроения очевидны и обусловлены их техническими характеристиками. К неоспоримым преимуществам относятся следующие факторы:

• абсолютно бесшумная работа;
• высокие показатели экологической чистоты;
• очень достойный коэффициент полезного действия;
• меньшее количество токсичных выбросов в атмосферу;
• гарантированно высокая мощность и производительность;
• конструктивная простота и отсутствие ненадёжных систем топливной подачи.

Среди значимых недостатков можно выделить сложность и дороговизну получения топлива в промышленных объёмах, отсутствие регламента хранения и транспортирования. Вес машины естественным образом заметно увеличится, что обусловлено необходимостью установки на транспортное средство тяжёлых токовых преобразователей и мощных аккумуляторных батарей.

Специалисты отмечают также высокую опасность использования водорода, связанную с риском появления взрыво- и пожароопасной ситуации при взаимодействии с разогретым выпускным коллектором и моторными маслами. Сегодня цена одного килограмма водорода составляет порядка 8-9 американских долларов, поэтому при расходе 1,2-1,3 кг на 100 км, средняя стоимость такой поездки вполне сопоставима с эксплуатацией традиционного бензинового автомобиля.

Модели с водородным двигателем

Работы по разработке и производству реально функционирующего прототипа инновационного автомобиля обходятся примерно в миллион долларов. Самые крупные автомобильные концерны располагают такими суммами, но крайне редко считают вложение средств в подобные проекты высокодоходным мероприятием.

Honda FCX Clarity

Модель имеет силовую установку в виде водородных топливных элементов. Лизинговые продажи стартовали в Америке 11 лет назад, а для заправки топливом разрабатывалась очень компактная по размерам энергетическая станция (Home Energy Station). Подсистема разгона и торможения в этом автомобиле оснащена эксклюзивным ионистором в виде супер-конденсатора без наличия традиционных «обкладок». Запас хода на одном заряде составляет 700 км. Розничная цена модели – почти 63 тысячи американских долларов.

Hyundai Tucson/ix35 FCEV

Внедорожник класса «К1» был запущен в серийное производство шесть лет назад. Модель, занявшая лидирующие позиции в области использования водородного топлива, отличается компактными размерами. Автомобиль оснащён силовой установкой, представленной двумя газовыми баллонами, которые заполняются сжатым водородом под давлением 700 атм. В динамике эта машина очень хороша, но оптимальный вариант – городской цикл езды.

Hyundai Nexo

Южнокорейская модель второго поколения водородных кроссоверов отличается не только новой платформой, но также лёгким кузовом, аккумуляторной батареей в багажнике и улучшенным строением топливных элементов. Объём трёх одинаковых по размерам баков составляет 52,2 л водорода. Модель была протестирована за Полярным кругом, где довольно легко подтвердила свою работоспособность в суровых климатических условиях.

Toyota Mirai FCV

Японский водородный экомобиль – это новая эра автомобилестроения. Для четырёхдверного седана характерно наличие заметно улучшенной силовой установки, модернизированных и усовершенствованных агрегатов. В модели Тойота Мирай установлены высокоэффективные водородные топливные элементы FC stack и синхронный электрический двигатель переменного тока. Запас хода на одном заряде двух заправочных баллонов составляет 650 км.

Перспективы водородных ДВС

На данный момент к категории водородных моторов относятся как силовые агрегаты, которые функционируют на водороде, так и двигатели, использующие в работе водородные топливные ячейки. По мнению специалистов, водородные двигатели сегодня следует рассматривать, как единственно приемлемую с экологической точки зрения энергию.

Перед учёными в настоящее время стоит задача разработки наиболее приемлемой инфраструктуры, а также определения высокоэффективного способа добычи нестандартного вида топлива. Немаловажное значение придаётся подготовке документации, регламентирующей вопросы транспортирования, хранения и эксплуатации водорода.

Как работает водородный реактивный двигатель?

Автор Линнея Альгрен

Опубликовано 22 февраля 2022 г.

В качестве партнеров Airbus и CFM на испытательном стенде производителя A380 мы изучаем, как работают водородные двигатели внутреннего сгорания.

Фото: Аэробус

Водород считается топливом будущего — и не только для авиации. Потенциально это может революционизировать то, как мы, как цивилизация, используем энергию, и избавить нас от зависимости от сильно загрязняющих окружающую среду ископаемых видов топлива.

На пути к будущему, управляемому h3, предстоит преодолеть еще много препятствий, в том числе хранение, транспортировка и необходимое гигантское увеличение производства зеленого водорода. Однако, когда дело доходит до сжигания, технология несколько опробована.

История сжигания водорода

Первый в мире двигатель внутреннего сгорания, сконструированный в 1804 году франко-швейцарским изобретателем Исааком де Ривазом, использовал комбинацию водорода и кислорода. Токийский городской университет занимается разработкой водородных двигателей внутреннего сгорания с 1970, а есть автобусы, которые ходят по технике. Его даже уже использовали для питания самолетов.

В 1988 году Туполев Ту-155 поднялся в небо как первый в мире экспериментальный коммерческий самолет, работающий на жидком водороде. Он совершил около 100 испытательных полетов на водороде, а затем на сжиженном природном газе до распада СССР в 1991 году. Теперь производители самолетов и двигателей пытаются воспроизвести эту задачу.

Ту-155 работал на жидком водороде еще в 1988 году. Фото: Юрген Шиффманн через Wikimedia Commons

Будьте в курсе: Подпишитесь на наши ежедневные и еженедельные дайджесты авиационных новостей.

Отличие от водородно-электрического

Водородный двигатель внутреннего сгорания отличается от водородного топливного элемента. Топливные элементы вырабатывают электричество из водорода, а затем используют это электричество в электродвигателе, подобно электромобилю. Между тем, при внутреннем сгорании водород используется так же, как бензин или топливо для реактивных двигателей. Жидкий или газообразный водород сжигается в газотурбинном двигателе для создания тяги.

Горение – это химический процесс, при котором энергия выделяется из смеси топлива и воздуха. Сторонники водорода говорят, что его широкий диапазон воспламеняемости и высокая температура самовоспламенения делают его особенно подходящим для горения. Первое означает, что его можно использовать при более низкой температуре, создавая меньше загрязняющих веществ, а второе означает меньшие потери энергии.

CFM поставит водородный двигатель для испытательного стенда A380

Во вторник Airbus объявила о подписании соглашения с CFM International, совместным предприятием GE и Safran Aircraft Engines с паритетным участием 50/50. Два партнера будут сотрудничать в демонстрационной программе водорода с использованием A380, основанного на двигателе внутреннего сгорания. CFM изменит камеру сгорания, топливную систему и систему управления ТРДД GE Passport для работы на водороде.

Результаты летных испытаний сообщат о направлении водородного испытательного стенда A380. Фото: Airbus

Испытательный двигатель будет установлен в задней части фюзеляжа, чтобы можно было измерять такие параметры, как выбросы и инверсионные следы, без помех со стороны других двигателей самолета, которые будут работать на обычном реактивном топливе.

Программа осуществляется в качестве подготовки к задаче Airbus по выводу на рынок самолетов с нулевым уровнем выбросов к 2035 году.0003

«Возможность сжигания водорода является одной из основополагающих технологий, которые мы разрабатываем и совершенствуем в рамках программы CFM RISE. Объединив коллективные возможности и опыт CFM, наших материнских компаний и Airbus, у нас действительно есть команда мечты для успешной демонстрации водородной силовой установки».

Верите ли вы, что в будущем мы увидим водородные реактивные двигатели внутреннего сгорания, приводящие в движение самолеты, или более распространенными будут водородно-электрические и топливные элементы? Оставьте комментарий ниже и присоединяйтесь к беседе.

Toyota разрабатывает технологии водородных двигателей с помощью автоспорта | Корпоративный | Global Newsroom

22 апреля 2021 г.

Пресс-релиз Окружающая среда Водород Инновации Автоспорт

Скачать все изображения PDF

Город Тойота, Япония, 22 апреля 2021 г. — Toyota Motor Corporation (Toyota) объявила сегодня о разработке водородного двигателя для создания углеродно-нейтрального мобильного общества. Он установил двигатель на гоночный автомобиль на базе Toyota Corolla Sport, который будет участвовать в соревнованиях под знаменем ORC ROOKIE Racing, начиная с серии Super Taikyu 2021 Powered by Hankook Round 3 NAPAC Fuji Super TEC 24 Hours Race 21 мая.

23.

Оттачивая свой водородный двигатель, находящийся в стадии разработки, в суровых условиях автоспорта, Toyota стремится внести свой вклад в создание устойчивого и процветающего мобильного общества.

Гонка серии Super Taikyu

Изображение водородного двигателя

Электрифицированные автомобили на топливных элементах (FCEV), такие как Toyota Mirai, используют топливный элемент, в котором водород вступает в химическую реакцию с кислородом воздуха для производства электроэнергии, питающей электродвигатель. Между тем, водородные двигатели вырабатывают энергию за счет сжигания водорода с использованием систем подачи топлива и впрыска, которые были модифицированы по сравнению с теми, которые используются в бензиновых двигателях. За исключением незначительного сгорания моторного масла во время вождения, что также имеет место в бензиновых двигателях, водородные двигатели не выделяют CO2 при работе.

Сгорание в водородных двигателях происходит быстрее, чем в бензиновых двигателях, что приводит к характеристике хорошей реакции. Обладая отличными экологическими характеристиками, водородные двигатели также могут передавать удовольствие от вождения, в том числе с помощью звуков и вибраций.

Toyota давно занимается инновациями в области технологий двигателей. Кроме того, компания применяет в серийных автомобилях технологии, которые она продолжает совершенствовать, участвуя в автоспорте, например, GR Yaris, выпущенный в сентябре прошлого года. А когда дело доходит до безопасности, Toyota намерена применить технологии и ноу-хау, накопленные в ходе разработки автомобилей на топливных элементах и ​​коммерциализации Mirai.

Планируется, что гоночный автомобиль с водородным двигателем, о котором было объявлено сегодня, будет заправляться во время гонок водородом, произведенным ^* на исследовательском полигоне водородной энергетики Фукусима в городе Намие, префектура Фукусима. Стремясь расширить водородную инфраструктуру за счет продвижения использования водорода, Toyota намерена продолжать усилия по восстановлению экономики и возрождению региона Тохоку вместе со всеми заинтересованными сторонами.

Для достижения углеродной нейтральности Toyota наращивает свои усилия, например, стремясь продвигать использование водорода посредством популяризации FCEV и многих других продуктов, работающих на топливных элементах. Продолжая совершенствовать свои технологии водородных двигателей с помощью автоспорта, Toyota намерена стремиться к еще лучшему обществу, основанному на водороде.

Обзор двигателя

Рабочий объем	1618 см3
Тип	Рядный 3-цилиндровый турбодвигатель с интеркулером
Используемое топливо	Сжатый водород

*	В сотрудничестве с Организацией по развитию новых энергетических и промышленных технологий (NEDO) и Министерством экономики, торговли и промышленности Японии

Toyota Motor Corporation занимается разработкой и производством инновационных, безопасных и высококачественных продуктов и услуг, которые приносят радость, обеспечивая мобильность для всех. Мы верим, что настоящее достижение связано с поддержкой наших клиентов, партнеров, сотрудников и сообществ, в которых мы работаем. С момента нашего основания более 80 лет назад в 1937, мы применили наши Руководящие принципы в стремлении построить более безопасное, экологичное и инклюзивное общество. Сегодня, когда мы превращаемся в мобильную компанию, разрабатывающую подключенные, автоматизированные, общие и электрифицированные технологии, мы также остаемся верными нашим Руководящим принципам и многим Целям устойчивого развития Организации Объединенных Наций, чтобы помочь создать еще лучший мир, в котором каждый свободен. двигаться.

Инициативы ЦУР

https://global.toyota/en/sustainability/sdgs/

ЦУР, достижению которых данный проект вносит особый вклад

СКАЧАТЬ (ВИДЕО)

Изображение водородного двигателя

ЗАГРУЗКИ (ИЗОБРАЖЕНИЯ)

Вид с подписью

• Гонка серии Super Taikyu

• Изображение водородного двигателя

• Официальный тест

• Официальный тест

• Официальный тест

• Официальный тест

• Официальный тест

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖИМОЕ

САМОЕ ПОПУЛЯРНОЕ

16 ноября 2022 г.