Водородный двигатель принцип работы: Водородный двигатель принцип работы и устройство: описание, характеристики

Содержание

Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы

Актуальность вопроса о замене нефтепродуктов более рентабельным и чистым экологически вариантом с каждым днём только прогрессирует. Сегодня лучшие умы планеты стараются его решить. И многое уже сделано. Лидирующей альтернативой потребителям нефти является водородный двигатель.

Технологии не стоят на месте и водородный двигатель вполне может заменить современные бензиновые агрегаты

Что такое водород, как использовать

При всестороннем рассмотрении водород наиболее соответствует сегодняшним пожеланиям к дающим энергию источникам. Не загрязняет окружающую среду и практически бесконечен, если получать его из обычной воды.

Есть уже и автомобили, работающие на таком летучем веществе, как водород. Понятно, что до массового перехода на этот газ вместо бензина ещё далеко. Но тем не менее всё к тому идёт.

В основе используется реакция распада молекул воды на кислородные и водородные атомы. На сегодня применение этой реакции развивается по двум направлениям:

Рассмотрим каждое из них отдельно.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Здесь несколько нюансов. Внушительный нагрев и сжатие заставляют газ реагировать с металлическими составляющими агрегата и смазочной жидкостью. А при утечке, контактируя с раскалённым выпускным коллектором, конечно, он воспламеняется. Учитывая это, нужно использовать моторы роторные, у которых выпускной коллектор на приличном расстоянии от впускного. Что снижает вероятность воспламенения.

Также система зажигания требует некоторых изменений. И агрегат на водороде с внутренним сгоранием уступает по КПД электродвигателю на водородных элементах. Но всё это уже разрабатывается достаточно долго, поэтому не далёк тот день.

Вот пример — BMW 750hL, автомобиль с водородным двигателем. Сошедший с ленты конвейерной маленьким тиражом. Под капотом двигатель на двенадцать цилиндров. Топливом ему служит замес из кислорода и водорода, по составу идентичный ракетному горючему. Машина может набрать максимум 140 км/ч. Газовое ассорти, сжиженно-охлаждённое, содержится в добавочном баке. Его объёма достаточно для покрытия трёхсот километров, а если по пути смесь закончилась, мотор начинает потреблять чистый бензин из основного бака автоматом. Стоимость авто не превышает цен на машины такой же категории, но с карбюраторным движком — порядка 90 тыс. $.

Агрегаты, работающие от водородных батарей

Здесь принцип работы водородного двигателя — электролиз. Тот же, что у свинцовых аккумуляторов. Только КПД составляет 45%.

Через мембрану такой «батарейки» пройти могут только протоны. Электроды разных полюсов разделены этой мембраной. К аноду подаётся водород, на катод — кислород. Катализатор, покрывающий их (это платина), заставляет терять электроны. Катод притягивает протоны, пропущенные мембраной, и они начинают реагировать на электроны, итог реакции — образование воды и электрического тока. От анода электричество посредством проводов поступает уже к электромотору, т. е. питает его.

Агрегаты, питающиеся от водородных батарей, с рабочими названиями «Антэл-1» и «Антэл-2», уже работают на отечественных авто «Нива» и «Лада» в качестве концепта. Первая силовая установка преодолевает двести тысяч метров за один «полный бак», вторая триста.

О выгодах применения

У водородного карбюраторного мотора горючее только обогащается газовой смесью на 10%, но это на 30–50% понижает расход самого горючего. Получается, что на том же объёме топлива вы будете проезжать, например, не сто пятьдесят, а двести вёрст.

Вот какие достоинства водородного двигателя уже сегодня. А в будущем применение этого чудесного газа, как движущей силы для автомобиля, открывает широчайший ряд выгодных аспектов.

Для получения энергии нужна будет только вода

Выгодные аспекты

  • бесплатное сырьё — вода, из которой газ можно брать бесконечно;
  • во время реакции получаемые вещества вреда экологии не доставляют;
  • благодаря реактивному сгоранию КПД рассматриваемого агрегата на порядок выше карбюраторного;
  • колоссальная горючесть газа позволяет силовой установке бесперебойно работать при любых атмосферных показателях как минусовых, так и плюсовых;
  • детонация при сгорании водородной смеси в разы ниже, чем у бензина, что снижает шумы и вибрацию при работе агрегата;
  • здесь не требуется сложных систем трансмиссии, охлаждения и смазки, значит, повышается простота обслуживания благодаря уменьшению числа деталей.

Доводка до совершенства

Чтобы двигатель на водородных элементах работал в постоянном режиме, помимо прочего, ему нужны объёмные аккумуляторы и преобразователи. А в том виде, в котором они доступны сейчас, используется слишком много места для них. Здесь при изготовлении нужен принципиально новый подход.

Топливные элементы ещё слишком дорогие. Пока только ведётся поиск альтернативных материалов для их производства.

Не доработана пожаробезопасность силовой установки. И вопрос ёмкостей для водорода остаётся открытым. Само устройство водородного двигателя, можно сказать, ещё только приобретает будущие черты.

Экскурс по истории

Примечательно, что водородный двигатель был изобретён гораздо раньше бензинового. Но развитие получил почему-то второй. Построенный во Франции ещё в 1806 году учёным Франсуа Исааком де Риваз агрегат уже тогда работал от гидролиза воды. А бензин для ДВС стали применять только в 1870.

Видео об использовании водорода в качестве топлива для авто:

Во времена, не столь далёкие, а именно в Великую Отечественную войну, есть свидетельство ещё одного удачного использования водорода, как источника получения энергии. В Ленинграде в блокаду бензина катастрофически не хватало. Поэтому было решено для работы аэростатов заграждения и приводящих лебёдок использовать водород, которого было достаточно. И это сыграло немаловажную роль по защите города.

Вот такая альтернатива нефтепродуктам есть у человечества на сегодня. И работа в этом направлении ведётся всё интенсивнее. Про то, как работает водородный двигатель сейчас и как он будет работать завтра, можно говорить только в общих чертах.

Ясно одно — за водородом будущее нашей планеты.

Если имеется чем дополнить, комментарии ждут вас внизу.

Как работает водородный двигатель

Уже который год подряд со всех экранов нам рассказывают о том, что запасы нефти подходят к концу. И скоро придётся массово переходить на новые источники энергии, которые смогут полноценно заменить так называемое чёрное золото.

Пока никакого острого дефицита нефти мир не испытывает. Но всё же работа над поисками альтернативного топлива ведётся очень активно. Одним из них стал водород. Водородные автомобильные двигатели уже сегодня существуют, причём их не так мало, как может показаться. Этот вид топлива характеризуется незначительной токсичностью и при этом способен похвастаться превосходным коэффициентом полезного действия.

Главное достоинство водорода в том, что это практически неограниченный ресурс, в отличие от той же нефти. Но чтобы понимать возможности, суть и перспективы водородных моторов, нужно изучить их более детально.

Немного истории

В 70-х годах прошлого века наблюдался период достаточно острого дефицита горючего, изготовленного на основе нефтепродуктов. Именно тогда инженеры начали проявлять повышенный интерес к такому ресурсу как водород.

Если говорить о самих разработчиках, то первым, кто презентовал автомобильный водородный мотор, оказалась компания Toyota. Их проект появился на выставке только в 1997 году и носил название FCHV. Это был прототип кроссовера, но по тем или иным причинам серийный выпуск так и не начался.

Хотя старт оказался неудачным, автокомпании не остановились, а продолжили исследования и поиски выхода из ситуации. В этом компоненте преуспели японские и корейские производители в лице Honda, Toyota и Hyundai. Также определённые шаги в сторону водородных моторов делают представители General Motors, Nissan, BMW, Volkswagen и Ford.

Пусть к автомобилям это не имеет прямого отношения, но 2016 год стал знаковым, поскольку появился поезд, работающий на водороде. Создали его в компании Alstom. Немцы планируют в ближайшие несколько лет убрать около 4 тысяч своих дизельных локомотивов, и заменить их на водородные составы Coranda iLint. Помимо Германии, эти поезда хочет закупить Дания, Норвегия и ряд других государств.

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.

Устройство

На практике схема устройства водородного двигателя напрямую зависит от того, к какому типу он относится.

Существует несколько вариантов моторов, где в качестве топлива применяется водород. При этом делятся они на 3 группы:

  • ТС, конструкция которых предусматривает наличие сразу 2 энергоносителей. Такие автомобили экономичные, могут использовать в работе водород или топливную смесь. Их КПД находится на уровне 90-95%. Если брать тот же дизельный двигатель, его КПД составляет 50%, а бензиновые моторы не могут похвастаться КПД более 35-40%. Подобные машины соответствуют экологическим требованиям Евро 4;
  • Машины с электромоторами, которые питают специальные водородные элементы. В настоящее время существуют двигатели, у которых КПД составляет от 75%;
  • Обычные ТС, где для работы используется смесь или же непосредственно сам чистый водород. Их КПД поднялся ещё на 20%.

Ранее уже был отмечен тот факт, что устройство, то есть конструкция двигателя, питающегося водородом, практически не имеет существенных отличий в сравнении с классическими ДВС на бензине или дизеле. Исключением являются только некоторые элементы и дополнительное оборудование.

Главной отличительной особенностью в плане конструкции и устройства считается способ, который используется для подачи топлива в камеру, а также дальнейшее воспламенение. Если же говорить о преобразовании энергии, которая приводит в движение кривошипно-шатунный механизм, то здесь всё аналогично с традиционными моторами.

Принцип работы

Куда интереснее разобраться в том, как же работают водородные двигатели. Это во многом определит основные особенности подобных силовых установок, а также позволит ответить на некоторые интересующие автолюбителей вопросы.

Чтобы ознакомиться с принципом работы водородного двигателя, следует рассмотреть отдельно два типа установок. Это практически классические ДВС и моторы, имеющие водородные элементы. У каждого из них есть свои отличия и особенности работы.

Теперь рассмотрим два типа двигателей отдельно и изучим принцип их работы.

Системы внутреннего сгорания

Это неплохой и перспективный аналог классическому ДВС, где в качестве рабочей жидкости, то есть топлива, используется водород.

В случае с обычным мотором с системой внутреннего сгорания топливовоздушная смесь сгорает медленнее, нежели в случае с водородом. Топливо оказывается в камере до того, как поршень достигает ВМТ.

Если говорить о водородных аналогах, то тут большую роль играет способность мгновенного воспламенения вещества. Это позволило сместить время, когда происходит впрыск. Делается это в момент движения поршня в обратном направлении. А чтобы мотор мог нормально работать, не требуется большое давление. Тут достаточно не более 4 атмосфер.

При оптимальных условиях водородные ДВС могут работать совместно с системой питания закрытого типа. Это означает, что при формировании топливной смеси не используется кислород, то есть воздух, забираемый из атмосферы. Когда такт сжатия завершается, внутри цилиндра остаётся пар. Он перенаправляется в радиатор, происходит процесс конденсации и появляется вода. Такую систему можно реализовать, если на авто присутствует устройство под названием электролизер. Это девайс, позволяющий отделить водород от воды, чтобы затем создать реакцию с кислородом.

Но на практике реализовать подобные системы не удалось. Это обусловлено тем, что для обеспечения эффективной работы ДВС и уменьшения трения в нём применяют моторное смазочное масло. Масло испаряется и становится составным компонентом выхлопа. В результате в настоящее время кислород крайне необходим в процессе работы водородных силовых установок.

Водородные элементы

Ещё один водородный двигатель, который может применяться для автомобиля, предусматривает использование водородных элементов.

Здесь принцип действия основывается на химических реакциях. На кожухе мотора предусмотрено наличие специально мембраны, способной проводить лишь протоны, а также электродной камеры. Внутри последней располагается анод с катодом.

В секцию с анодом поступает водород, а в катодной камере обеспечивается подача кислорода. При этом на электродах имеется напыление, которое выполняет роль ускорителя реакции или катализатора. Чаще всего в качестве катализаторного напыления используют платину.

Воздействие каталитического компонента способствует тому, что водород теряет свои электроны. Затем протоны проходят через специальную мембрану и поступают на катод. Под действием катализатора образуется самая обычная вода. Электроны, выходящие из анодной камеры, поступают в электросеть, которая при этом подключается к двигателю. Такая схема и создаёт питание для мотора, и обеспечивает его возможность приводить в движение автомобиль.

Топливные водородные элементы отличаются своей способностью создавать электроэнергию для питания электромоторов. Это позволяет заменить классические ДВС и использовать элементы как источник питания бортовой сети на авто.

К применению топливных элементов пришли достаточно давно. Впервые их использовали аж в 1959 году американские инженеры.

На практике эти элементы получили широкое распространение. Можно выделить несколько основных сфер их использования:

  • Автотранспорт. У водородных топливных элементов гораздо более высокий КПД, нежели у стандартного ДВС. При первом испытания коэффициент составил 57%. В настоящее время элементы активно применяются и тестируются в компаниях Honda, Nissan, Volkswagen, Ford и пр.;
  • Железнодорожный транспорт. Около 60% от всех ТС на железной дороге занимают тепловозы. Водородные составы активно внедряются в Японии, США, Германии и иных развитых странах;
  • Морской транспорт. Наиболее распространение водородные элементы получили в составе подводных судов. Сейчас самыми активными разработчиками являются немцы и испанцы;
  • Авиация. Первые летальные машины, где использовались водородные двигатели, разработали и создали ещё 40 лет назад. В настоящее время водородные элементы внедряют в беспилотники.

Водород как основа работы соответствующих двигателей также применяется в создании велосипедов, мопедов, вилочных погрузчиков, машин для гольфа, тракторов и целого ряда другой техники.

Проблемы эксплуатации ДВС

В настоящий момент водородный двигатель не может в полной мере заменить традиционные моторы для автомобиля. Понимая принцип его работы, нельзя забывать о факторе опасности вещества.

Автопроизводители не смогут поголовно оснащать свои машины мотором, работающим на водороде, пока не устранят ряд препятствий. Главным из них считается сложность получения самого газа. Плюс комплектующие стоят дорого, что в настоящий момент делает производство слишком затратным.

Также есть проблемы с обеспечением надлежащего хранения вещества. Ведь чтобы поддерживать газ в нужном состоянии, требуется постоянно поддерживать температуру на уровне около -253 градусов.

Самым простым способом, который используют для получения газа, является электролиз обычной воды. Для промышленных масштабов нужны огромные энергозатраты на электролиз. С целью повышения рентабельности речь заходит об использовании ядерной энергетики. Но риски слишком высокие, потому инженеры и учёные думают над тем, как отыскать достойную альтернативу.

Чтобы перевозить и хранить полученный газ, применяются очень дорогие материалы и специальные механизмы, обладающие повышенным качеством и соответствующей стоимостью.

В процессе эксплуатации есть и другие сложности и препятствия, среди которых стоит выделить следующие:

  • Опасность взрыва. Если газ начнёт выходить из хранилища или просто из бака авто в условиях закрытого помещения, даже наличие небольшого источника энергии, такого как включённая лампочка в гараже, спровоцирует взрыв. А в случае нагретого воздуха ситуация становится ещё более опасной. Вещество обладает повышенной проницаемостью, что может спровоцировать попадание газа в коллектор выхлопной системы. В этой связи предпочтительнее для водорода использовать роторные двигатели;
  • Хранение. Оно предусматривает применение больших ёмкостей со специальными системами, защищающими от улетучивания. Также требуется защита от механических повреждений. В случае с грузовиками и большими автобусами это не проблема. А вот применительно к легковым авто появляются сложности, поскольку под бак отводится большое количество кубометров;
  • Негативное влияние и разрушение цилиндропоршневой группы. Это становится возможным, когда водород имеет высокую температуру и сталкивается с большими нагрузками. Страдает ЦПГ и смазка. Чтобы исключить эти проблемы, требуется специальный сплав и особые смазывающие компоненты, которые увеличивают стоимость изготовления водородных моторов. Отсюда и высокая цена самих автомобилей.

Проблем объективно много. Насколько они решаемые, говорить сложно. Хотя разработчики уверены, что изменить ситуацию в лучшую сторону возможно. И уже делаются большие шаги, подтверждающие подобные заявления.

Преимущества и недостатки

Для лучшего понимания того, как обстоят дела с водородными моторами сейчас, и насколько перспективными являются двигатели на водородном топливе, следует рассмотреть их сильные и слабые стороны.

Начнём с преимуществ. К ним можно отнести следующие факторы:

  • Доступность топлива. Поскольку газ получают из воды, причём абсолютно из любой, этот ресурс можно считать практически безграничным. Если удастся усовершенствовать электролиз или разработать другую эффективную технологию извлечения Н2 из Н2О, в качестве источника вещества можно будет применять даже сточные воды;
  • Экологическая безопасность. Внедрение таких моторов позволит полностью решить проблему загрязнения машинами окружающей среды. Масштабный переход на водород снизит опасный парниковый эффект. Звучит громко, но это топливо способно спасти нашу планету. Такой выхлоп совершенно безопасен для человека. По сути на выходе из выхлопной трубы получается дистиллированная, очищенная вода. Сотрудники компании Toyota доказали, что эту воду можно пить безо всяких опасений;
  • Опыт. Поскольку разработка водородных моторов ведётся не один десяток лет, целый ряд проблем и ограничений уже удалось преодолеть. Инженеры и учёные не стоят на месте, у технологии есть хорошие перспективы;
  • Универсальность. Водород может применяться не только в ДВС, но и на электромобилях, питая за счёт топливных элементов электромоторы;
  • Двигатели с таким типом топливо создаёт минимальный шум в процессе своей работы;
  • Двигатели становятся более приёмистыми, мощными и производительными, повышается КПД в сравнении с классическими ДВС;
  • Сам водород расходуется в незначительном количестве в процессе эксплуатации авто;
  • Автомобили на таком виде горючего характеризуются большим запасом хода, то есть могут проехать большую дистанцию без дозаправки;
  • Обслуживание ДВС на водороде не сложнее, чем работа с дизельными или бензиновыми двигателями;
  • Высокий потенциал. Тоже большой плюс, который в полной мере проявится, когда удастся исключить хотя бы несколько текущих недостатков технологии.

И тут мы плавно переходим к минусам.

Недостатки у водородных моторов действительно есть. Причём они достаточно существенные и весомые. Эти минусы не позволяют говорить о скором массовом внедрении водорода как замены бензину или дизельному горючему.

  1. Газ сложно извлекать из воды. Хотя водород чуть ли не самый распространённый газ на нашей планете, встретить его в чистом виде проблематично. Он мало весит, из-за чего поднимается и остаётся в самых верхних слоях нашей атмосферы. Газ на атомном уровне вступает в реакцию с другими компонентами, из-за чего мы получаем такие вещества как вода, метан и пр. Пока извлечение водорода из воды является крайне нерентабельным, что стало главным препятствием по внедрению водородных моторов. Цена за 1 литр газа в сжиженном состоянии может составлять от 3-4 до 10-12 долларов.
  2. Дефицит АЗС. Также большой проблемой считается минимальное количество автозаправочных станций, которые предлагают своим клиентам водород. Само оборудование для заправки очень дорогое. Плюс самих машин очень мало.
  3. Высокая стоимость модернизации ДВС. В теории водород можно заправлять в обычные ДВС. Но чтобы применять новый вид горючего, в двигатель требуется внести некоторые изменения. Если всё оставить без изменений, произойдёт падение мощности на 30-40%, и параллельно уменьшится моторесурс. Также водород характеризуется выделением тепла с повышенной температурой, которая быстро начинает разрушать традиционные для нынешних ДВС поршни и клапана. Фактически двигателю приходилось бы работать в режиме постоянных чрезмерных нагрузок. То есть без серьёзной модернизации классический ДВС использовать для работы на водороде нельзя.
  4. Большие цены на материалы. Именно высокая стоимость основных материалов, необходимых для водородных моторов, является ключевым препятствием в вопросе их развития. Платина, выступающая как катализатор, невероятно дорогая, и для обычного автомобилиста недоступная. Потому стоит лишь надеяться на поиски более дешёвых альтернативных материалов.
  5. Взрывоопасность и возможность возникновения пожара. Весомый аргумент, который говорит не в пользу этого типа топлива для двигателей.
  6. Повышение веса автомобиля. Мощные аккумуляторы, преобразователи, более прочные и массивные материалы для двигателя приводят к суммарному заметному увеличению веса ТС.
  7. Проблема хранения. Такое топливо можно хранить при высоком давлении, либо в сжиженном состоянии. У каждого их них есть свои подводные камни и объективные сложности с реализацией хранилища.

Также учёные до конца не понимают, насколько губительным может оказаться водород при его резком увеличении в плане количества для и без того находящегося в плачевном состоянии озонового слоя. Относить это к недостаткам сложно, но и преимуществом точно не назовёшь.

Перспективы

Использование такого газа как водород потенциально может открыть невероятные большие перспективы. Причём здесь речь идёт не только про автомобильный двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, но и про целый ряд других сфер применения. В их числе авиация, железнодорожный транспорт, морские суда и пр. Помимо применения в ДВС, водород также может использоваться для питания и работы вспомогательной техники, механизмов и разного оборудования.

Уже сейчас ведущие автопроизводители уделяют большое внимание возможности внедрить в массовое производство водородные ДВС. Среди них такие гиганты как Volkswagen, General Motors, Toyota, BMW и пр.

В настоящее время существуют автомобили, под капотом которых находятся водородные силовые установки. При этом они отлично функционируют, мало чем уступают традиционным ДВС на бензине и дизтопливе, а также обладают некоторыми существенными преимуществами.

Чтобы говорить о серьёзных перспективах и массовом внедрении водорода, требуется решить хотя бы несколько главных недостатков. Эксперты уверены, что при наличии способа уменьшить стоимость газа, а также при постройке большего количества АЗС и обучении кадров для обслуживания водородных моторов, множество таких машин обязательно станут нормой на дорогах.

Технологии-конкуренты

Автопроизводители пока не могут или не хотят в полной мере сконцентрироваться на водородных технологиях, поскольку у неё есть ряд серьёзных конкурентов.

Можно выделить следующие виды моторов, которые не дают водородным ДВС и топливным элементам на водороде развиваться, совершенствоваться и массово выходить на рынок.

  1. Гибридные установки. Это автомобили, способные использовать одновременно несколько источников энергии. Зачастую в машину внедряют обычный ДВС и электромотор. Также бывают варианты, когда обычный двигатель на бензине работает вместе с узлом, питающимся сжатым воздухом.
  2. Электрокары. Сейчас активно развиваются и распространяются полностью электрические авто. Это машины, которые двигаются за счёт работы одного или нескольких электромоторов. Они питаются от специальных аккумуляторов или топливных элементов. ДВС здесь не используют.
  3. Жидкий азот. Вещество помещается в специальные ёмкости. Сам процесс работы выглядит так. Топливо нагревается за счёт работы специального механизма. Это приводит к испарению и образованию газа высокого давления. Этот газ идёт в двигатель, где воздействует на поршни или роторы, передавая свою энергию. Пока такие авто не получили широкого распространения.
  4. Сжатый воздух. Здесь основой всей силовой установки выступает пневмодвигатель. Пневматический привод заставляет машину двигаться. Топливовоздушная смесь заменена на сжатый воздух. Эта система является частью современных гибридных автомобилей.

У водорода достаточно много конкурентов. И в настоящий момент самым главным соперником справедливо считается электродвигатель.

Насколько сильно ситуация изменится в ближайшие несколько лет, говорить сложно. О каких-то резких изменениях и открытиях говорить вряд ли стоит. Но есть вероятность того, что через 10-20 лет водород станет куда более эффективным и доступным. Тем самым начнут появляться серийные водородные автомобили в большом количестве. Примерно так сейчас обстоят дела с электрокарами.

Современные водородные автомобили

Поскольку водород стал достаточно перспективным и привлекательным вариантом топлива для автомобилей, многие автокомпании серьёзно заинтересовались в создании водородных машин.

Нельзя сказать, что их огромное количество. Но несколько ярких представителей выделить можно. К ним относятся:

  • Fuel Cell Cedan или просто FCV. Это автомобиль от компании Toyota. Они специально поместили ёмкость для водорода под пол, чтобы сэкономить пространство в салоне и багажнике. Легковой автомобиль предназначен для городской эксплуатации. Купить его можно за 68 тысяч долларов;
  • Разработка компании BMW. Фактически это BMW 7 серии, куда поместили особый двигатель, способный переключаться с одного вида топлива на другой;
  • Авторами этого проекта выступают инженеры компании Honda. Машина способна проехать на водороде около 600 километров. Заправка занимает 3-6 минут;
  • Машина от компании Toyota. Причём это серийный автомобиль, которые начали продавать в Японии ещё с 2014 года, а в США машина появилась в 2015 году. Заправляется полный бак водородом в течение 5 минут, а запас хода составляет 500 километров;
  • H-Tron. Это концепт в исполнении компании Audi, который немцы продемонстрировали в рамках автосалона в городе Детройт. Производитель уверяет, что модель рабочая, может проехать на полном баке 600 километров, а до 100 километров в час разгоняется за 7 секунд.

У таких компаний как Hyundai, Lexus, BMW, Mercedes и Ford есть определённые прототипы, задумки и пресс-релизы, связанные с выпуском их собственных водородных автомобилей. Но тут речь идёт только о перспективах. Те же концерны Lexus и BMW (в сотрудничестве с Toyota) обещают презентовать свои машины в 2020 году. Насколько эти заявления соответствуют действительности, и сможем ли мы увидеть рабочие прототипы или предвестников серийных моделей, говорить сложно.

Водородная технология достаточно спорная и неоднозначная. Имеется ряд преимуществ, перспектив и предпосылок, но в настоящее время реализовать полный потенциал невозможно. Отсутствуют возможности и методы дешёвого извлечения водорода из воды. А это во многом останавливает движение на пути к дальнейшему развитию.

У водородных моторов есть будущее. Но чтобы оно было светлым и перспективным, предстоит проделать огромную работу. Получится или нет, вопрос сложный и практически не имеет однозначного ответа.

Принцип работы водородного двигателя. Водородный двигатель


Автомобиль Toyota Mirai — водородная альтернатива завоевывающих рынок электрокаров — успешно завершил последний «секретный» этап дорожных испытаний. Буквально на днях представители компании заявили, что готовы запустить автомобиль в производство.

Благодаря усилиям японских производителей авто, уже в обозримом будущем водородные автомобили могут стать привычным явлением на дорогах в самых разных странах. Так, гибридный автомобиль на водородном двигателе Toyota Mirai уже сегодня готов к выходу на мировой рынок.

Впервые, еще концептуальная модель, Toyota Mirai была представлена в 2013 году на Токийском автосалоне. Позже машина демонстрировалась публике в доработанном виде в 2014 и 2015 годах. Ожидалось, что авто выйдет на дороги до конца 2015 года, однако в последствии дата была перенесена на 2016. При этом предварительные продажи авто начались еще в 2014 году в Японии. Стоит одна Toyota Mirai порядка 57 тысяч американских долларов. В США и странах Европы Toyota Mirai будет продаваться уже после официального релиза.

Водородный автомобиль имеет кузов седана на четыре места. Длина кузова – 4 870 мм, ширина – 1 810 мм, высота – 1 535 мм. Используемая модель — ZBA-JPD10-CEDSS. Машина использует только передний привод. Радиус поворота – 5.7 метров, а размер шин 215/55. Базовая комплекция использует легкосплавные диски R17. Дорожный просвет – 130 мм. На сегодняшний день это все, что официально известно о технической составляющей Toyota Mirai.

Были анонсированы и параметры силовой установки авто. Ездить автомобиль будет благодаря FCA110, которая будет питаться от топливных элементов класса FC stack. Двигатель производит электроэнергию за счет протекающей в нем химической реакции водорода и кислорода. Максимальный КПД составляет 83%, для сравнения 1.3-литровый бензиновый двигатель дает всего 38%. Максимальная мощность электродвигателя при этом составит 153 л.с.

Никаких вредных выбросов Toyota Mirai не создает, выходит из двигателя машины только энергия в чистом виде и вода. За 4 км, машина выбросит в атмосферу 240 миллилитров воды.

Куда важнее и интереснее то, что 10 февраля 2016 года закончились последние 107-дневные испытания Toyota Mirai. Машина проехала по дорогам Японии, США, Германии и многих других стран. В общей сложности машин, а прошла 100 тысяч километров. За это время автомобиль сменил два раза свои шины и один раз колодки. Топливные элементы водородного авто показали себя с лучшей стороны.

Стоит отметить, что бренд Toyota вошёл в .

Автопроизводители делают все возможное для того, чтобы предложить нам экологически чистые транспортные средства. В это время мировые запасы нефти сокращаются, и опасения по поводу последствий глобального потепления остаются актуальными. В результате этого начали появляться интересные технологии производства двигателей. Сначала это были гибридные автомобили с бензиновыми и электрическими моторами. Потом появились полностью электрические автомобили, такие как Nissan Leaf и Tesla Model S. А последней новинкой в этом направлении стали водородные автомобили.

Водород – это доступный и возобновляемый источник энергии. На сегодняшний день существует лишь два таких серийных автомобиля от известных компаний – Toyota Mirai и Hyundai ix35 Fuel Cell. Мы решили рассказать вам о 10 вещах, которые вы должны знать о машинах, работающих на водороде.

1. Мощность = вода

У Hyundai ix35 Fuel Cell нет традиционного двигателя под капотом. Его место занимает топливный элемент, как следует из названия кроссовера. Он получает кислород из воздуха снаружи автомобиля и водород из бака в автомобиле, в результате чего происходит химическая реакция, необходимая для получения электродов, питающих автомобиль. Единственный производственный отход – h3O, то есть, вода.

Интересует мощность? Проверьте! Нулевые выбросы? Да, это реальность!

2. Они бесшумны… почти

Сядьте в автомобиль на водороде, включите зажигание (простым нажатием кнопки в случае с Hyundai), и вы не услышите ничего. Как и в электрокарах, в таких машинах отсутствует звук работы двигателя. Ну, почти отсутствует.

Если выйти из автомобиля, находясь на сравнительно тихой улице, вы услышите минимальный гул топливного элемента, который выполняет свою работу. В условиях городского трафика этот звук вообще невозможно заметить. Во время движения вы будете слышать только привычный шум колес. Нажимая педаль акселератора, вы ничего не услышите, но зато почувствуете реальную мощность.

3. Едь, едь, едь

Все это может казаться слишком хорошим, чтобы быть правдой. Может возникать вопрос о том, чем придётся пожертвовать владельцам водородных авто. Некоторые люди думают, что мощность – слабое место таких машин. Но стоит лишь нажать педаль газа и результат вас явно не разочарует.

Hyundai ix35 Fuel Cell – это переднеприводный кроссовер, поэтому разрабатывался он явно не для установки скоростных рекордов. Но нажатие на педаль акселератора оставляет исключительно положительные впечатления – тело начинает приятно прижиматься к сиденью.

4. Здесь тоже есть аккумулятор

Сам автомобиль работает на газе, но и аккумуляторная батарея в нем установлена. Она необходима для запуска и начального ускорения, так как есть небольшая (меньше 1 секунды) задержка между нажатием на педаль и получением необходимой отдачи топливного элемента.

Подзарядка аккумулятора происходит с помощью кинетической энергии, вырабатываемой при торможении.

5.Нет тахометра, только мощность

В водородных машинах нет двигателя внутреннего сгорания и традиционной коробки передач. Здесь используется нечто похожее на автоматическую трансмиссию. Поэтому вместо привычного для всех нас тахометра на панели приборов установлена шкала мощности.

Да, мощность! Чем сильнее вы нажимаете на педаль акселератора, тем выше будет подниматься стрелка на шкале мощности. Выглядит немного глупо, но забавно! Просто смотрите на эту часть приборного щитка, нажимая на педаль, и наслаждайтесь.

6. Автономность

Одна из самых существенных проблем, с которой сталкиваются владельцы электрокаров, заключается в ограниченном пробеге на одном заряде аккумуляторов. В этом плане автомобили с традиционными ДВС более конкурентоспособны.

Но в случае с водородными автомобилями все не так плохо. Вам не придётся делать много остановок для дозаправки во время длительных поездок. Так, Toyota Mirai сможет проехать без дозаправки около 500 километров, а вот Hyundai утверждает, что ix35 Fuel Cell преодолеет на одном баке водорода до 594 км. А это очень и очень хороший показатель для экологически чистого автомобиля!

7. Заправка – быстро, но очень проблематично

Процесс дозаправки происходит как и в обычных автомобилях – надо открыть лючок топливного бака и вставить специальный «пистолет» для заправки бака водородом. Примечательно, что заполнить бак можно лишь за 3-5 минут (в зависимости от объема), а это гораздо быстрее, чем даже самая быстрая зарядка электрического автомобиля (примерно полчаса).

Это более удобно, но есть одна очень и очень большая проблема: найти заправку, где продается водород сегодня практически нереально. Например, даже в Великобритании работает лишь 4 общественные станции, предназначенные для заправки водородных транспортных средств.

По прогнозам, в Великобритании количество таких заправок до 2020 года увеличится до 65, но даже в столь развитой стране это будет очень маленькая сеть. На сегодняшний день в Великобритании работает свыше 8000 обычных АЗС. Ни о каком сравнении не может быть и речи. Чего уж говорить о России…

8. Информационно-развлекательная система

Может казаться, что машина на водороде не может быть очень мощной, но не волнуйтесь – мощности вполне достаточно и для быстрого разгона, и для проигрывания ваших любимых аудио- и видеоматериалов.

Как и в обычном автомобиле, в салоне водородных “железных коней” есть полноценный набор современной электроники. Климат-контроль, синхронизация со смартфоном по Bluetooth, навигация, парковочные датчики, круиз-контроль, камера заднего вида – всё это можно установить в такую машину.

9. Только четыре колеса

Четыре колеса – стандартная характеристика каждого автомобиля. Но о нише для запаски придётся забыть, ведь всё пространство «съел» топливный бак. Емкость для хранения водорода занимает много места, поэтому придётся или учиться пользоваться ремонтным комплектом или возить в багажном отделении запаску в чехле. Скорее всего, оптимальным решением станет покупка подходящей «докатки».

10. Это не дешево… пока

Как уже упоминалось ранее, сегодня на рынке есть только два серийных автомобиля на водороде – Toyota Mirai и Hyundai ix35 Fuel Cell. В Европе цена «корейца» составляет примерно 76 000 долларов, а вот за модель Toyota придётся выложить примерно 57 500 долларов.

Это совсем недешево, особенно учитывая столь ограниченное количество мест, где можно заправить такой автомобиль. Hyundai отмечает, что планирует выпустить более компактную модель с такой силовой установкой. Скорее всего, она будет отличаться более доступной ценой. Да и другие автомобильные производители серьезно взялись за изучение новой технологии.

А что вы думаете о водородных машинах? Есть ли у них будущее в мире и на российских дорогах в частности?

Актуальность вопроса о замене нефтепродуктов более рентабельным и с каждым днём только прогрессирует. Сегодня лучшие умы планеты стараются его решить. И многое уже сделано. Лидирующей альтернативой потребителям нефти является водородный двигатель.

Что такое водород, как использовать

При всестороннем рассмотрении водород наиболее соответствует сегодняшним пожеланиям к дающим энергию источникам. Не загрязняет окружающую среду и практически бесконечен, если получать его из обычной воды.

Есть уже и автомобили, работающие на таком летучем веществе, как водород. Понятно, что до массового перехода на этот ещё далеко. Но тем не менее всё к тому идёт.

В основе используется реакция распада молекул воды на кислородные и водородные атомы. На сегодня применение этой реакции развивается по двум направлениям:

  • использующие в своей работе водород ;
  • водородные топливные элементы, питающие электродвигатель.

Рассмотрим каждое из них отдельно.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Здесь несколько нюансов. Внушительный нагрев и сжатие заставляют газ реагировать с металлическими составляющими агрегата и . А при утечке, контактируя с раскалённым выпускным коллектором, конечно, он воспламеняется. Учитывая это, нужно использовать моторы роторные, у которых выпускной коллектор на приличном расстоянии от впускного. Что снижает вероятность воспламенения.

Также требует некоторых изменений. И агрегат на водороде с внутренним сгоранием уступает по КПД электродвигателю на водородных элементах. Но всё это уже разрабатывается достаточно долго, поэтому не далёк тот день.

Вот пример — BMW 750hL, автомобиль с водородным двигателем. Сошедший с ленты конвейерной маленьким тиражом. Под капотом двигатель на двенадцать цилиндров. Топливом ему служит замес из кислорода и водорода, по составу идентичный ракетному горючему. Машина может набрать максимум 140 км/ч. Газовое ассорти, сжиженно-охлаждённое, содержится в добавочном баке. Его объёма достаточно для покрытия трёхсот километров, а если по пути смесь закончилась, мотор начинает потреблять из основного бака автоматом. Стоимость авто не превышает цен на машины такой же категории, но с карбюраторным движком — порядка 90 тыс. $.

Агрегаты, работающие от водородных батарей

Здесь принцип работы водородного двигателя — электролиз. Тот же, что у свинцовых . Только КПД составляет 45%.

Через мембрану такой «батарейки» пройти могут только протоны. Электроды разных полюсов разделены этой мембраной. К аноду подаётся водород, на катод — кислород. Катализатор, покрывающий их (это платина), заставляет терять электроны. Катод притягивает протоны, пропущенные мембраной, и они начинают реагировать на электроны, итог реакции — образование воды и электрического тока. От анода электричество посредством проводов поступает уже к электромотору, т. е. питает его.

Агрегаты, питающиеся от водородных батарей, с рабочими названиями «Антэл-1» и «Антэл-2», уже работают «Нива» и «Лада» в качестве концепта. Первая силовая установка преодолевает двести тысяч метров за один «полный бак», вторая триста.

О выгодах применения

У водородного горючее только обогащается газовой смесью на 10%, но это на 30–50% понижает расход самого горючего. Получается, что на том же объёме топлива вы будете проезжать, например, не сто пятьдесят, а двести вёрст.

Вот какие достоинства водородного двигателя уже сегодня. А в будущем применение этого чудесного газа, как движущей силы для автомобиля, открывает широчайший ряд выгодных аспектов.

Выгодные аспекты

  • бесплатное сырьё — вода, из которой газ можно брать бесконечно;
  • во время реакции получаемые вещества вреда экологии не доставляют;
  • благодаря реактивному сгоранию КПД рассматриваемого агрегата на порядок выше карбюраторного;
  • колоссальная горючесть газа позволяет силовой установке бесперебойно работать при любых атмосферных показателях как минусовых, так и плюсовых;
  • детонация при сгорании водородной смеси в разы ниже, чем у бензина, что и вибрацию при работе агрегата;
  • здесь не требуется сложных систем трансмиссии, охлаждения и смазки, значит, повышается простота обслуживания благодаря уменьшению числа деталей.

Доводка до совершенства

Чтобы двигатель на водородных элементах работал в постоянном режиме, помимо прочего, ему нужны объёмные аккумуляторы и . А в том виде, в котором они доступны сейчас, используется слишком много места для них. Здесь при изготовлении нужен принципиально новый подход.

Топливные элементы ещё слишком дорогие. Пока только ведётся поиск альтернативных материалов для их производства.

Не доработана пожаробезопасность силовой установки. И вопрос ёмкостей для водорода остаётся открытым. Само устройство водородного двигателя, можно сказать, ещё только приобретает будущие черты.

Экскурс по истории

Примечательно, что водородный двигатель был изобретён гораздо раньше бензинового. Но развитие получил почему-то второй. Построенный во Франции ещё в 1806 году учёным Франсуа Исааком де Риваз агрегат уже тогда работал от гидролиза воды. А стали применять только в 1870.

Видео об использовании водорода в качестве топлива для авто:

Во времена, не столь далёкие, а именно в Великую Отечественную войну, есть свидетельство ещё одного удачного использования водорода, как источника получения энергии. В Ленинграде в блокаду бензина катастрофически не хватало. Поэтому было решено для работы аэростатов заграждения и приводящих лебёдок использовать водород, которого было достаточно. И это сыграло немаловажную роль по защите города.

Вот такая альтернатива нефтепродуктам есть у человечества на сегодня. И работа в этом направлении ведётся всё интенсивнее. Про то, как работает водородный двигатель сейчас и как он будет работать завтра, можно говорить только в общих чертах. Ясно одно — за водородом будущее нашей планеты.

Если имеется чем дополнить, комментарии ждут вас внизу.

Последний энергетический кризис прокатился по миру в далеком 2008 году, и может показаться, что проблем с количеством нефти уже не возникает: нормы выработки становятся больше, а цена – ниже. Но несмотря на это, никто не может отрицать того, что запасы топлива на планете уменьшаются. Автомобильные концерны оплачивают исследования и разработки альтернативных видов топлива. Двигатель Риваза, работающий на воде, появился еще в начале XIX века. Изобретение было представлено в 1806 году и являлось первым двигателем внутреннего сгорания, обогнав бензиновые и газовые двигатели. Разработчики долгое время пытались продолжить разработку в этом направлении, но для того, чтобы провести электролиз и получить необходимое количество энергии требовалось много электричества, что делало такой вид топлива нерентабельным. В конце концов, это в сочетании с взрывоопасностью и поставило точку на исследованиях.

Возврат к водороду произошел в конце 50-х гг. прошлого века: топливный элемент был установлен на тракторы в США. Через три года – в 1962 году – водородный двигатель появился в маленьких автомобилях для гольфа, еще через пять – в мотоциклах. Водород в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) может использоваться в двух вариантах: как гибридный двигатель и как топливный элемент.

Гибридный водородный двигатель

Гибридный водородный двигатель используется в качестве присадки в двигателях внутреннего сгорания к бензину или газу. При использовании водорода улучшается воспламеняемость топлива, но из-за высокой степени летучести газа повышается риск воспламенения. Но несмотря на этот недостаток, уменьшается коррозия металлов и вибрация. Для применения водорода нет необходимости в устройстве дополнительного топливного бака, водород вырабатывается из дистиллированной воды. При использовании водорода расстояние, которое можно проехать, увеличивается на 30 процентов. Безопасное использование газа возможно при низких температурах до -30⁰С и при относительно высоких до +30⁰С.

Топливный элемент

Двигатели с топливным элементом самостоятельно производят электроэнергию путем расщепления водорода на отрицательные электроны и положительные протоны. Использование таких двигателей приносит пользу при больших объемах, поэтому чаще всего применяются в большегрузах. На данный момент в Дании, США и Японии тестируют железнодорожные составы, которые работают на двигателях с топливным элементом. Это перспективный путь развития альтернативного топлива, потому что расход водорода меньше расхода бензина на единицу расстояния.

Еще одним направлением для разработки таких двигателей является авиация. В самолете ТУ-154 как раз таки и использовался такой топливный элемент, конечно же, после распада СССР все разработки в этом направлении были заморожены. Тем не менее над проектом пассажирского самолета, который будет работать на водороде, работают ученые Европейского Союза и Китая. Для того чтобы двигатель мог работать, такой самолет должен развить гиперскорость, что будет возможно сделать только при наличии дополнительного двигателя. Преимущества ДВС на водороде связаны с его воздействием на окружающую среду и высоким КПД.

Высокий уровень экологичности

Конечно, невысокая степень загрязнения присутствует, но из-за наличия в механизме автомобиля масла. Даже при добавлении водорода в обычное топливо производительность повышается на 20%. На 5 кг водородного топлива автомобиль проезжает до 500 км. Ученые считают водород единственным возобновляемым источником энергии.

При его неоспоримых преимуществах на сегодняшний день недостатков намного больше, которые в основном связаны с конструктивом двигателя:

  • Летучесть водорода. Заправить автомобиль с ДВС на водороде возможно только на заправке. Дозаправиться от другого автомобиля или из канистры по дороге не получится.
  • Взрывоопасность и пожароопасность. Всем известна катастрофа дирижабля «Гинденбург», который от одной искры загорелся в полете: из 97 человек, находящихся на борту, погибла треть.
  • Высокая стоимость топливных элементов и водородного двигателя, что, в свою очередь, увеличивает стоимость автомобиля. Аналог с водородным двигателем стоит в два раза дороже. Автомобиль на базе водородного двигателя обслуживать в 100 раз дороже, чем обычный двигатель.
  • Водородный двигатель занимает большой объем. В грузовиках и автобусах это не создает никаких неудобств, но в легковых автомобилях уменьшается объем багажного отделения.

Водородный двигатель – это не фантастика. Например, Honda, Toyota и Hyndai наладили линию по производству автомобилей с двигателями на базе водорода и плотно оккупировали рынок: Toyota Mirai (2015), Honda FCX Clarity (2008), Hyundai ix35 Fuel Cell. В середине декабря прошлого года Audi объявило о своем решении выпустить новый концепт на водороде – Q6 H-Tron.

Несмотря на все недостатки, водород – это единственный возобновляемый и неограниченный ресурс на планете. Для того чтобы автомобили с таким ДВС получили широкое распространение, ученым и разработчикам надо будет решить, как устранить негативные характеристики и уменьшить стоимость механизма, а государствам наладить инфраструктуру, чтобы машины на водороде перестали быть редкостью на дорогах.

К сожалению, природные ресурсы нашей планеты не являются безграничными. И хотя запасов нефти, являющейся сырьём для производства автомобильного топлива, хватит не на одну сотню лет, неуклонно растущая цена чёрного золота принуждает производителей уже сегодня подыскивать альтернативные источники питания.

Кроме того, к этому приводит необходимость заботы о чистоте окружающей среды. Хотя в большинстве современных транспортных средствах изготовителями предусмотрена тщательная очистка выхлопных газов, полностью уберечь экологию от их негативного воздействия пока не удаётся

Одним из наиболее перспективных вариантов альтернативных источников энергии для автомобилей считается инновационная разработка конструкторского бюро концерна Тойота. Существует ли возможность самостоятельно изготовить водородный двигатель? Попробуем разобраться, предварительно ознакомившись с устройством и принципом действия силового агрегата, предназначенного для машин грядущего поколения.

Водородный двигатель — достойный преемник моторов на традиционном топливе. Рекомендации по самостоятельному изготовлению

Мастерство отечественных умельцев всегда поражало и вызывало неприкрытую зависть автолюбителей всего мира. Стремление избежать лишних расходов принуждает доморощенных механиков совершенствовать личные средства передвижения своими руками. Водородный двигатель не является исключением. Российские автолюбители научились изготавливать его самостоятельно.

Чтобы лучше разобраться во всех тонкостях этого процесса, предварительно следует ознакомиться с устройством силового агрегата, которому, несомненно, принадлежит будущее моторостроения. Также необходимо досконально изучить принцип работы подобного устройства.

Разновидности водородных двигателей

Современная наука не стоит на месте, постоянно находясь в поисках новых решений. Однако реального воплощения в жизнь удостаиваются только самые перспективные из них. Разработки, не обладающие достаточно высокой рентабельностью вкупе с приемлемыми показателями производительности, отметаются сразу. На сегодняшний день известно два вида силовых агрегатов, работающих на водороде:

  1. моторы, в качестве источника питания которых используются топливные элементы. Рядовому обывателю, к сожалению, установить подобный водородный двигатель на свой автомобиль не представляется возможным. Объяснением такой весьма печальной для водителей среднего достатка действительности является довольно ощутимая стоимость комплектующих деталей, составляющих его конструкцию. Некоторые из них изготавливаются из драгоценных материалов, в частности из платины;
  2. второй разновидностью считается водородный двигатель внутреннего сгорания. Его принцип действия аналогичен силовым установкам, работающим на пропане. Поэтому часто газовые агрегаты подвергают определённой перенастройке, приспосабливая к использованию водорода. Несмотря на то, что КПД таких моторов значительно ниже устройств, функционирующих на топливных элементах, многих автолюбителей привлекает их доступная стоимость и возможность самостоятельного изготовления.

Следует отметить, что учёные не остановились на изобретении этих двух типов водородных двигателей. В настоящее время проводятся изыскания по их усовершенствованию. Поэтому невозможно с уверенностью утверждать, какому из них принадлежит будущее.

Принцип действия водородных силовых установок

Чтобы любой мотор мог нормально работать, необходимо его обеспечить надёжным источником питания. Водородный двигатель функционирует за счёт электролиза. С присутствием особого катализатора в воде под воздействием электрического тока образуется не обладающий взрывоопасными свойствами газ с названием гидроген. Его можно представить химической формулой ННО.

В конструкции силового агрегата предусмотрены специальные ёмкости, Они предназначены для соединения гидрогена с топливно-воздушной смесью.

Устройство генератора представлено электролизёром и резервуаром. Процесс образования гидрогена осуществляется при помощи модулятора тока. Водородные двигатели инжекторного типа дополнительно комплектуются особым оптимизатором. Основным предназначением данного приспособления является обеспечение требуемого соотношения гидрогена и топливно-воздушной смеси. С его помощью происходит регулирование процесса для создания идеальных пропорций.

Разновидности катализаторов

Рекомендации по созданию водородного двигателя своими руками

В обычных условиях выделить гидроген из воды практически невозможно. Для успешного протекания процесса необходимо использование специальных катализаторов. На сегодняшний день применяются такие их разновидности:

  1. достаточно простая конструкция, управляемая весьма примитивным механизмом, выполняется в виде цилиндрических банок. К сожалению, элементарное устройство данного катализатора негативно отразилось на производительности водородного двигателя. Её максимальная величина характеризуется показателем 0,7 л газа, выделяемого за одну минуту. Такой вид катализатора подходит для ДВС на водороде с небольшой ёмкостью, а именно до 1,5 литров. Увеличение количества банок способствует возможности эксплуатации силового агрегата большего объёма;
  2. наилучшей эффективностью обладает катализатор, представленный обособленными ячейками. Такая система характеризуется максимальным коэффициентом полезного действия;
  3. на долгосрочную эксплуатацию рассчитаны открытые пластины или сухой катализатор. Благодаря свободному доступу воздуха из окружающей среды создаётся возможность наиболее эффективного охлаждения. Из перечисленных разновидностей система имеет средний показатель производительности, выражающийся величиной, колеблющейся в пределах 1-2 л газа, выделяемого из воды на протяжении одной минуты.

Конструкторские бюро и исследовательские институты не прекращают изыскания по разработке водородных двигателей, обладающих приемлемой производительностью при максимальном КПД. Уже сегодня практикуется применение гибридных устройств, в которых успешно сочетаются различные источники питания. Оптимальной считается комбинация водорода с бензином. Также учёные продолжают поиски идеального катализатора, способного обеспечить наибольшую производительность.

Формирование водородного агрегата

Для начала надлежит обеспечить устройство трубопровода с добавочными ёмкостями Датчик уровня жидкости, закреплённый в центре крышки, препятствует ложному срабатыванию во время движения вверх-вниз. Этим прибором управляется система автоматической подпитки.

Датчик давления регулирует подкачку воды, включая т отключая её при показателях соответственно 40 и 45 psi. При достижении нагрузки в 50 psi приводится в действие предохранитель, в конструкции которого предусмотрены две функционально значимые части:

  • вентиль аварийного сброса используется в экстремальных ситуациях;
  • разрывной диск, принцип работы которого заключается в активации при показателе давления в 60 psi, обеспечивая сохранность системы.

Особое внимание следует уделить качественному отводу тепла. Для этой цели подбирается наиболее холодная свеча.

Электрическая начинка

В качестве импульсного генератора, регулирующего продолжительность и частоту импульса, рекомендуется использовать таймер 555. В микросхеме двигателя на водороде должно быть два таких прибора. При этом конденсаторы первого из них обязаны обладать большей ёмкостью Включение второго генератора происходит с выхода третьей частоты первого таймера.

Резисторы на 220 и 820 Ом соединяются с третьим выходом второго прибора 555. Для получения силы тока требуемой величины используется транзистор. Его защита возложена на диод 1N4007, чем поддерживается нормальное функционирование всей системы.

Заключение

Вполне вероятно, в ближайшем будущем подавляющее большинство транспортных средств будет комплектоваться водородными двигателями. Поскольку кругооборот воды в природе сделал этот материал практически неистощимым, и процесс её добычи не вызывает никаких трудностей, экономия становится очевидной.

Помимо того, главными преимуществами таких агрегатов считаются сокращение потребления бензина и сохранность окружающей среды благодаря абсолютной экологической безопасности.

Несмотря на то, что характеристики самодельного мотора, использующего водородное топливо в качестве источника питания, несколько уступают заводским моделям, отечественные умельцы могут по праву гордиться собственноручным творением.

Водородный двигатель: устройство и принцип работы

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

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.

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

Запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии, способные заменить «черное золото». Одним из решений является применение водородного двигателя, отличающегося меньшей токсичностью и большим КПД. Главное то, что запас сырья для производства горючего почти неограничен.

Когда появился водородный двигатель? В чем особенности его устройства, и каков принцип действия? Где применяется такая технология? Реально ли сделать такой мотор своими руками? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку

Интерес к применению водорода появился еще в 70-х годах в период острого дефицита топлива. Первым современным разработчиком, который представил двигатель для автомобиля работающий на водороде, стал концерн Toyota. Именно он в 1997 году выставил на всеобщее обозрение внедорожник FCHV, который так и не пошел в серийное производство.

Несмотря на первую неудачу, многие компании продолжают исследования и даже производство таких автомобилей. Наибольших успехов добились концерны Тойота, Хендай и Хонда. Разработки ведут и другие компании — Фольксваген, Дженерал Моторз, БМВ, Ниссан, Форд.

В 2021 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom (ранее GEC-Alsthom) . Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение в конце 2017 года по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).

В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.

Интерес к покупке Coranda iLint уже проявила Норвегия, Дания и другие страны.

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.

Особенности водорода как топлива для двигателя

В ДВС бензин смешивается с воздухом, после чего подается в цилиндры и сгорает, в результате чего происходит перемещение поршней и движение транспортного средства.

Применение водорода в виде топлива имеет ряд нюансов:

  • После сжигания топливной смеси на выходе образуется только пар.
  • Реакция воспламенения происходит быстрее, чем в случае с дизельным топливом или бензином.
  • Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
  • Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси.
  • Водород — летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
  • Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется.
  • Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы мотора путем дозирования консистенции.

С учетом перечисленных нюансов применять h3 в чистом виде для двигателя внутреннего сгорания нельзя. Требуется внесение конструктивных изменений в ДВС и установка дополнительного оборудования.

Что такое система охлаждения двигателя и как работает

По сути это система, интегрированная с двигателем. Она отводит избыточное тепло с помощью специальной жидкости.

В системе жидкостного охлаждения двигатель окружен водяными рубашками. С помощью насоса эта вода циркулирует в этой водяной рубашке.

Вода, текущая в этих рубашках, отводит тепло от двигателя. Эта горячая вода затем течет через радиатор, где охлаждается от холодного тепла, выдуваемого через вентилятор.

В этой системе вода отбирает тепло у двигателя, и охлаждается воздухом, а затем снова циркулирует в двигателе.

Это косвенный процесс охлаждения, когда фактическое охлаждение, то есть воздух, не охлаждает систему напрямую. При этом воздух охлаждает воду, а вода охлаждает двигатель.

Система жидкостного или непрямого охлаждения используется в больших двигателях, в таких как легковые и грузовые автомобили.

Преимущества жидкостной системы охлаждения

  1. Компактный дизайн.
  2. Обеспечивает равномерное охлаждение двигателя.
  3. Двигатель может быть установлен в любом месте автомобиля.
  4. Может использоваться как на малых, так и на больших двигателях.

Недостатки системы жидкостного охлаждения

  1. В ней водяная рубашка становится еще одной частью двигателя. При этом в случае выхода из строя системы охлаждения двигатель может получить серьезные повреждения.
  2. Она требует регулярного технического обслуживания и, таким образом, создает дополнительные расходы на обслуживания.

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%.

Как отмечалось выше, конструкция мотора, работающего на h3, почти не отличается от ДВС за исключением некоторых аспектов.

Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения. Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

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.

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 h3O 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 h3, 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.

Как работает водородный автомобиль

Расскажу про то, как устроен автомобиль на примере популярной модели Toyota Mirai.

Не так давно, в 2013 году Тойота представила миру первый в мире серийный водородный автомобиль Mirai, который сам вырабатывает для себя электричество. В нём находится электрический двигатель, который имеет мощность 154 л. с. В Mirai находятся 370 топливных элементов, постоянный ток которых преобразуется в переменный, а напряжение при этом повышается до 650 В. Максимальная скорость Toyota Mirai 175 км/ч. Дополнительный аккумулятор собирает лишнюю энергию, который может при необходимости обеспечить питание небольшого дома. Запас хода этого автомобиля 500 км, а по факту – примерно 350 км. Для сравнения — электрокар Tesla Model S может пройти на одном заряде целых 540 км, но, к сожалению, зарядка занимает целых 1,5 часа.

За несколько км пробега автомобиль Mirai вырабатывает стакан дистиллированной воды, которая вполне пригодна к употреблению (она с лёгким привкусом пластика).

А как работает топливный элемент, простыми словами? Автомобиль заправляется водородом. Он смешивается с платиновым катализатором и кислородом в электрохимической системе. В результате этой реакции вырабатывается электрический ток, который питает двигатель и аккумуляторную батарею. В результате реакции образуется вода или пар.

Топливные ячейки с протонообменными мембранами сразу же производят энергию, обеспечивают очень высокую мощность и мало нагреваются. Максимальный срок службы водородных ячеек 250 тыс. км пробега, которые при необходимости можно заменить.

А какое устройство и принцип работы водородного двигателя? Для работы применяют роторные ДВС, потому что стандартные поршневые двигатели быстро выходят из строя из-за влияния водорода на смазку и детали ДВС. Из-за высокой разницы между бензином и водородом перевести обычный двигатель непросто, особенно если это делать своими руками. Водород при горении вызывает перегрев клапанов, масла, поршней. Если нагрузку сделать очень высокую, то возникает детонация.

Ещё одна хорошая статья: ТОП 150 полезных советов, как выбрать автомобиль с пробегом: как выбрать подержанный автомобиль, что смотреть и что нужно знать, как обезопасить себя

Решили эту задачу заменой чистого водорода на его смесь с бензином. Подача газа уменьшается при повышении крутящего момента, чтобы предотвратить перегрев деталей силового агрегата. Это применяется в таких моделях, как Mazda RX-8 Hydrogen RE и BMW Hydrogen 7, который был выпущен всего в 100 экземплярах. Здесь переключение между 2 типами топлива происходит автоматически. Но, несмотря на успешность эксперимента, всё равно имелись проблемы: сильно падала мощность авто, запаса водорода хватало всего на 200 км, а также из-за наличия бензина автомобиль не был признан экологически чистым.

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Зачем в водородных автомобилях платина? Этот дорогой металл использовался в качестве катализатора, цена которого очень высока, что не может не отражаться на стоимости автомобиля. Хотя американские учёные уже создали катализатор на основе углеродных трубок, который стоит в 650 дешевле платины.

Таким образом, механизм работы водородного автомобиля похож на работу электромобилей. Всё дело только в источнике энергии.

Где использовались водородные топливные элементы?

Особенность топливных элементов водородного типа —способность производить энергию для электрического мотора. Как результат, система заменяет ДВС или становится источником бортового питания на транспортном средстве.

Впервые топливные элементы были использованы в 1959 году компанией из США.

Если говорить в целом, топливные элементы применяются:

  • НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ. В отличие от КПД стандартного двигателя, они показывают лучшие результаты. На испытании первого автобуса топливные элементы показали КПД в 57%. Сегодня такие устройства тестируются многими производителями автомобилей — Хонда, Форд, Ниссан, Фольксваген и другими.

  • НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ. На современном этапе больше 60% транспорта на ж/д — тепловозы. Сегодня водородные поезда разрабатываются во многих странах — Японии, Дании, США и Германии.
  • НА МОРСКОМ ТРАНСПОРТЕ. Водородные топливные элементы наиболее востребованы на подводных лодках. Активные работы в этом направлении ведутся в Германии и Испании, а в роли заказчиков выступают другие страны, среди которых Италия, Греция, Израиль.
  • В АВИАЦИИ. Первые самолеты на водородном двигателе появились еще в 80-х годах прошлого века. На современном этапе новый вид топлива применяется для создания беспилотных летательных аппаратов (в том числе вертолетов).

Также водородные топливные элементы нашли применение на вилочных погрузчиках, велосипедах, скутерах, мотоциклах, тракторах, автомобилях для гольфа и другой технике.

Немного истории

Впервые двигатель внутреннего сгорания придумал Франсуа Исаак де Риваз в 1806 г. Этот изобретатель извлёк чистый водород при помощи такой технологии, как электролиз воды. Он изобрёл поршневой двигатель, который назвали в его честь — машина де Риваза. Через пару лет изобретатель сконструировал передвижное устройство с настоящим водородным двигателем. Таким образом, первый водородный автомобиль появился гораздо раньше, чем думают многие.


Риваз и его машина

А самые первые водородные топливные элементы создал в 1863 году английский учёный Вильям Гроув. При помощи опыта он выявил, что при разложении воды на кислород и водород высвобождается энергия. В дальнейшем он создал водородные ячейки, которые стали называть Fuel Cell. Их можно было объединить для получения необходимого количества энергии для автомобиля.

Во время блокады Ленинграда был высокий дефицит бензина, а вот водорода было немало. Техник Б. Шелищ предложил вместо стандартного топлива применять смесь воздуха и водорода для двигателей. Таким образом, в городе работало на водороде более 500 автомобилей ГАЗ-АА.

Первый водородный автомобиль на топливных ячейках создала компания General Motors в 1966, и назывался он GM Electrovan. Гораздо позже, в 1980-х годах, одновременно во многих развитых странах (Япония, США, Канада, Германия и СССР) запустили эксперимент по созданию автомобилей, которые использовали в качестве топлива водород, а также его смеси с бензином и природным газом.


Фото GM Electrovan

После этих экспериментов в 2000-х годах крупные автоконцерны стали разрабатывать коммерческие автомобили на водородном двигателе. Самым продвинутым и популярным автомобилем стал Toyota Mirai, в котором находится многоячеистый топливный генератор.

На данный момент создание автомобиля на водородном топливе – это дорогое удовольствие, поэтому многие производители ищут способы для снижения этих расходов.

А что значит водородное топливо на самом деле?

Преимущества и недостатки

Чтобы понять особенности и перспективы водородного двигателя в автомобиле, стоит знать его плюсы и минусы. Рассмотрим их подробнее.

Плюсы:

  • ЭКОЛОГИЧНОСТЬ. Внедрение водородного двигателя — возможность забыть о проблеме загрязнения окружающей среды. При глобальном переходе на этот вид топлива удастся снизить парниковый эффект и, возможно, спасти планету. Экологичность новых разработок подтверждена компанией Тойота. Работники концерна доказали, что выхлоп из машины безопасен для здоровья. Более того, выходящую воду можно пить, ведь она дистиллирована и очищена от примесей.
  • ОПЫТ РАЗРАБОТОК. Известно, что водородный двигатель создан давно, поэтому с его применением на автомобилях проблем быть не должно. Если углубится в историю, первое подобие мотора на водороде в начале XIX века удалось создать Франсуа Исаак де Ривазу — конструктору из Франции. Кроме того, в период блокады Ленинграда на новый вид топлива было переведено почти 500 машин.
  • ДОСТУПНОСТЬ. Не менее важный фактор в пользу h3 — отсутствие дефицита. При желании этот вид топлива можно получать даже из сточных вод.
  • ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В РАЗНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ. Существует мнение, что водород используется только в ДВС. Это не так. Новая технология задействована при создании топливного элемента, с помощью которого удается получить электрический ток и запитать электромотор транспортного средства. Преимущества заключаются в безопасности и отсутствии ископаемых элементов, что исключает загрязнение окружающей среды. На современном этапе такая схема считается наиболее безопасной и пользуется наибольшим спросом у разработчиков.

Также к плюсам стоит отнести:

  • Минимальный уровень шума;
  • Улучшение мощности, приемистости и других параметров двигателя;
  • Большой запас хода;
  • Низкий расход горючего;
  • Простота обслуживания;
  • Высокий потенциал применения в виде альтернативного топлива.

Недостатки водородного двигателя:

  • СЛОЖНОСТЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ h3 ИЗ ВОДЫ. Как отмечалось, данный газ считается наиболее распространенным элементом на планете, но в чистом виде его почти нет. Этот газ имеет минимальный вес, поэтому он поднимается и удерживается в верхних слоях атмосферы. Атомы h3 быстро связываются с другими элементами, в результате чего образуется вода, метан и другие вещества. Вот почему для применения водорода его необходимо извлечь, а для этого требуются большие объемы энергии. На текущий момент такое производство нерентабельно, что тормозит процесс внедрения водородных двигателей. По приблизительным расчетам цена литра, сжиженного h3 равна от 2 до 8 евро. Итоговые расходы во многом зависят от способа добычи топлива.
  • ОТСУТСТВИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА ЗАПРАВОК. Не меньшая проблема — дефицит АЗС, готовых заправлять машины водородным топливом. Проблема заключается в высокой стоимости оборудования для таких автозаправочных станций (если сравнивать с обычной АЗС). Сегодня разработано множество проектов станций для заправок водородом — от крупных до небольших заправок, но из-за дороговизны и отсутствия массового применения водородных двигателей на автомобилях процесс внедрения идеи может растянуться на десятилетия.

  • НЕОБХОДИМА ДОРОГОСТОЯЩАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ ДВС. Как отмечалось, водородное топливо теоретически может использоваться для заправки ДВС. Но для применения h3 в качестве основного топлива требуются конструктивные изменения. Если ничего не менять, мощность мотора падает на 20-35%, а ресурс силового узла значительно снижается. Но и это не главный недостаток. Опасность в том, что такой механизм проработает недолго и быстро выйдет из строя. Сгорая, водородная смесь выделяет большее тепло, что приводит к перегреву поршневой и клапанной системы, а мотор работает в режиме повышенных нагрузок. Кроме того, высокие температуры негативно влияют на материалы, из которых сделан силовой узел, и смазывающие вещества. В результате рабочие элементы двигателя быстро износятся. Это значит, что без модернизации ДВС применение h3 невозможно.
  • ДОРОГОВИЗНА МАТЕРИАЛОВ. Главным «камнем преткновения» в вопросе развития водородных технологий является высокая стоимость материалов. В качестве катализатора используется платина, цена которой для рядового автовладельца очень высока. Проще потратить деньги и подарить дорогое кольцо жене, чем отдавать их для установки новой детали. Надежда остается на ученых, которые ищут альтернативы для дорогостоящего катализатора. Проводятся тестирования элементов, способных заменить драгоценный металл.

Кроме уже рассмотренных выше, стоит выделить еще ряд недостатков:

  • Опасность пожара или взрыва.
  • Риски для планеты, ведь увеличение объема водорода может привести к непоправимым последствиям для озонового слоя.
  • Увеличение веса машины из-за применения мощных АКБ и преобразователей.
  • Наличие проблем с хранением водородного топлива — под высоким давлением или в сжиженном виде. Исследователи еще не пришли к единому выводу, какой из вариантов лучше.

Плюсы и минусы водородной установки для автомобиля

Расскажу про плюсы и минусы топлива, которым заправляют водородный автомобиль.

Недостатки водородного топлива:

  • Нет эффективного способа добычи газа, к тому же производство загрязняет окружающую среду.
  • Для создания сети водородных заправок требуются внушительные средства (около 2 млн. долл. на одну среднюю заправку). Поэтому очень сложно найти заправки, их практически нет.
  • Высокая стоимость автомобиля.
  • Передвигаться можно лишь в тех местах, где имеются заправки.
  • Стоимость заправки будет стоить столько же, как и бензин. В этом смысле электрокар гораздо выгоднее.
  • Водородный автомобиль тяжёлый из-за сложной конструкции: много топливных ячеек, аккумулятор, электропреобразователь, большие баллоны для водорода, где давление целых 700 атм. В электромобиле всё проще – требуется только место под большой АКБ.

Плюсы водородного топлива:

  • Нет вредных выбросов в атмосферу.
  • Водородные двигатели практически не шумят.
  • Быстрая заправка – менее 5 минут.
  • Есть большой потенциал для развития.
  • Водород даёт в 3 раза больше энергии, чем бензин.
  • Высокий крутящий момент при начале движения.
  • Водорода очень много на планете – 1% от массы Земли. При сгорании он просто превращается в воду, поэтому – это неиссякаемый источник энергии по сравнению с другим ископаемым топливом.
  • Водород безопаснее бензина, он воспламеняется в 15 раз меньше. Но если на водород попадёт искра, то он моментально воспламенится.
  • Хороший запас хода водородного авто – 400-1000 км.

Опасность водородного топлива

В рассмотренных выше недостатках упоминалось об опасности применения водородного топлива для двигателя. Это главный минус новой технологии.

В сочетании с окислителем (кислородом) возрастает риск воспламенения водорода или даже взрыва. Проведенные исследования показали, что для воспламенения h3 достаточно 1/10 части энергии, необходимой для зажигания бензиновой смеси. Другими словами, для вспыхивания водорода хватит и статической искры.

Еще одна опасность заключается в невидимости водородного пламени. При горении вещества огонь почти незаметен, что усложняет процесс борьбы с ним. Кроме того, чрезмерное количество h3 приводит к появлению удушья.

Опасность в том, что распознать данный газ крайне сложно, ведь у него нет запаха и он полностью невидим для человеческого глаза.

Кроме того, сжиженный h3 имеет низкую температуру, поэтому в случае утечки с открытыми частями тела высок риск серьезного обморожения. Находится данный газ должен в специальных хранилищах.

Из рассмотренного выше напрашивается вывод, то водородный двигатель опасен, и использовать его крайне рискованно.

На самом деле, газообразный водород имеет небольшой вес и в случае утечки он рассеивается в воздухе. Это значит, что риск его воспламенения минимален.

В случае с удушьем такая ситуация возможна, но только при нахождении в замкнутом помещении. В ином случае утечка водородного топлива опасности для жизни не несет. В оправдание стоит отметить, что выхлопные газы ДВС (а именно угарный газ) также несут смертельный риск.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Этот вопрос не совсем правильный, поскольку автомобили на водородных ячейках и электробатарее считаются электромобилями. Всё зависит от того, чем заправляют машину – водородом или электричеством.

Водород в автомобиле применяют в двух вариантах: сжигание топлива в цилиндрах или подзарядка топливных элементов.

Главное отличие водородных топливных ячеек от батарей в том, что они служат очень много лет и не нуждаются в обслуживании. А батарея в электромобиле выходит из строя уже через 5 лет.


Как выглядит батарея в электрокаре

На холоде водородное транспортное средство включится без проблем, а аккумулятор электрического авто может полностью потерять заряд. Стоимость электрокаров дешевле, чем водородного: Toyota Mirai стоит 57 тыс. долл., а Tesla – от 45 тыс. долл. Водородные машины заправляются за считанные минуты, а электрокары – пару часов.

Теперь перейдём к устройству и принципу работы водородного авто, как он обеспечивает работу двигателя?

Современные автомобили с водородными двигателями

Возможность применения двигателей на водородном топливе заинтересовала многих производителей. В результате в автомобильной индустрии появляется все больше машин, работающих на данном газе.

К наиболее востребованным моделям стоит отнести:

  • Компания Тойота выпустила автомобиль Fuel Cell Sedan. Для устранения проблем с дефицитом пространства в салоне и багажном отсеке емкости с водородным топливом размещены на полу транспортного средства. Fuel Cell Sedan предназначен для перевозки людей, а его стоимость составляет 67.5 тысяч долларов.

  • Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.

  • Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
  • «Монстр» от Дженерал Моторс показан в октябре 2021 года. Особенность автомобиля заключается в невероятной надежности, что подтверждено проведенными исследованиями армией США. Во время испытаний транспортное средство прошло больше 3 миллионов километров.
  • Концерн Тойота выпустил на рынок водородную модель Mirai. Продажи начались еще в 2014 году на территории Японии, а в США — с октября 2015 года. Время на заправку Mirai составляет пять минут, а запас хода на одной заправке 502 км. ФОТО 21 22 Недавно представители концерна заявили, что планируют внедрять данную технологию не только в легковой транспорт, но и в вилочные погрузчики и даже грузовики. 18 колесный грузовик уже тестируется в Лос-Анжелесе.

  • Производитель Лексус планирует свой вариант автомобиля с водородным двигателем в 2021 году, поэтому о транспортном средстве известно мало подробностей.

  • Компания Ауди представила концепт H-tron Quattro в Детройте. По заверению производителя машина может проехать на одном баке около 600 км, а набрать скорость до 100 км/час удается за 7,1 секунду. Машина имеет «виртуальную» кабину, заменяющую стандартную приборную панель.

  • БМВ в сотрудничестве с Тойотой планирует выпуск своего водородного транспортного средства к 2021 году. Производитель заверяет, что запас хода новой модели составляет больше 480 км, а дозаправка будет занимать до 5 минут.

  • В 2013 году в компании Форд заявили, что активное производство водородных двигателей начнется уже к концу 2021 года при сотрудничестве с Ниссан и Мерседес-Бенц. Но реализовать задуманное на практике пока не удается — работники концерна находятся на этапе разработки.

  • Мерседес-Бенц на Франкфуртском автосалоне представил внедорожник GLC, который появится на рынке в конце 2021 года. Авто комплектуется аккумулятором на 9,3 кВт*ч, а запас хода составляет 436 км. Максимальная скорость ограничивается электроникой на уровне 159 км/час.

  • Nikola Motor представила грузовой автомобиль с водородным двигателем, имеющий запас хода от 1287 до 1931 км. Стоимость нового автомобиля составит 5-7 тысяч долларов за аренду в месяц. Выпуск планируется начать с 2021 года.

  • Производитель Хендай создал новую линейку Tucson. На сегодняшний день произведено и реализовано 140 машин. Бренд Hyundai Genesis представил свой автомобиль с водородным двигателем GV Впервые транспортное средство было представлено в Нью-Йорке, но его производство пока не планируется.

  • Великобритания тоже не отстает в плане новых технологий. В стране уже можно арендовать водородный автомобиль Riversimple Rasa на три или шесть месяцев. Машина весит чуть больше 500 кг и способна проехать на одной заправке около 500 км.

  • Дизайнерский дом Pininfarina создал машину на водородном топливе h3 Speed. Особенность авто заключается в способности ускорятся до сотни всего за 3,4 секунды, а максимальная скорость — 300 км/час. Время на заправку составляет всего три минуты. Стоимость новой модели достигает 2,5 млн. долларов.

Водородные автомобили: есть ли у них будущее

Электрокары наступают, но по-прежнему не играют существенной роли на подавляющем большинстве авторынков мира. Но даже с тотальным переходом на электрические автомобили экологическая проблема в силу разных причин решена не будет. На этом фоне ведущие автопроизводители продолжают осваивать проекты, основанные на водородном топливе. В этом материале Дром обобщит имеющуюся информацию — что такое водородомобиль и какие у него перспективы.

Производство автомобилей на водородных топливных элементах в мире (статистика и прогноз)

ГодКоличество
2020*<50 000
2021*<100 000
2025*≈3-5 млн
2030*≈10-15 млн

*Прогноз Hydrogen Council

Принцип работы водородомобилей

По факту водородомобиль приводится в движении электромотором. Просто батарея, в отличие от полностью электрического автомобиля, получает ток не из розетки, а в ходе химической реакции с водородом.

Реакция происходит внутри ячеек топливных элементов. То есть топливный элемент — это нечто вроде реактора. Сама ячейка состоит из пары пористых электродов — анода (-) и катода (+), разделенных полимерной мембраной с тонким слоем катализатора.

Со стороны анода из бака (баллона) подается водород, а со стороны катода — кислород. Происходит химическая реакция. Протоны проходят сквозь мембрану, а электроны задерживаются и создают напряжение. Полученное электричество передается на электромотор и приводит в действие колеса. «Выхлопом» химической реакции становится чистый водяной пар, что вполне вписывается в европейскую концепцию «нулевого выхлопа».


Суть работы водородомобиля — в получении электричества в ходе анодной реакции и его последующей передаче на электромотор или на батарею, а потом на электромотор. К аноду подается молекулярный водород h3, к катоду — кислород O2. Соединяясь в присутствии катализаторов, молекулы водорода и кислорода образуют воду и выделяют свободные электроны

Вместе с нулевым выхлопом концепция развития электроводородных автомобилей предусматривает отказ и от технического обслуживания в привычном его понимании. Менять масло в двигателе внутреннего сгорания или трансмиссии, равно как и свечи, больше не придется. Теоретически это положительно сказывается как на комфорте и стоимости эксплуатации, так и на экологии.

Но есть и альтернативный вариант — использовать водород в качестве топлива для ДВС. И тогда привычные ТО с определенной периодичностью сохранятся. В начале XXI века по этому пути пошли инженеры BMW и мелкосерийно сделали двухтопливные модификации BMW 7-й серии для корпоративных клиентов, которые можно было заправлять как бензином, так и водородом.

Впрочем, уже в 2020-м баварцы представили предсерийный концепт водородного кроссовера на базе X5. И он уже сделан по традиционным рецептам строения водородомобилей — то есть без применения ДВС.

Где берут водород

Чтобы в водородомобиле случилась химическая реакция, его нужно заправить водородом, а прежде этот водород получить. В готовом виде водорода в природе почти нет. Получается он при помощи химических реакций. С экономической точки зрения дешевле всего добывать водород из газа (пропан, метан). Для этого с применением катализатора при большой температуре (700–1000 ºС) и давлении газ нужно смешать с водяным паром. Но при сжигании газа все равно выделяется вредный углекислый газ, из-за которого и борются с традиционными ДВС.


Полностью экологичных способов производства водорода пока не так много. Бóльшая часть производств связана с сжиганием углеводородов, что не назовешь верхом экологичности

Можно получить водород из угля, и больше всего для этого подходит бурый уголь. Он легче всего воспламеняется и поэтому практически не транспортабелен, но зато недорог. Таким образом, там, где есть бурый уголь, можно получать относительно недорогой водород.

Можно использовать водород, который производится как побочный продукт в промышленности. По подсчетам автопроизводителей, в мире его ежегодно выделяется столько, что хватит на питание 250–750 тысяч (в зависимости от расхода и других факторов) водородомобилей. Если решить проблему масштабного производства водорода за относительно разумные деньги, то это может стать дополнительным драйвером роста для развития водородной инфраструктуры. Но неуглеводородные способы добычи водорода пока только муссируются на уровне идей.

Где и как заправляться водородом

В то же время уже сейчас видна определенная динамика: если сравнивать количество водородных заправок в начале века с их количеством в 2021 году, то ситуация с переходом на водород не кажется безнадежной.

Полтора десятилетия назад ограниченность инфраструктуры сдерживала рост электромобилей, но к 2020-му с ее развитием и снижением себестоимости батарей увеличилась и доля электромобилей в глобальном парке машин.

Но в случае с водородом ситуация развивается не так.


Только в 2020 году в США стали появляться водородные заправки, на которых можно заправиться самостоятельно. Ранее этот процесс сопровождался сложностями из-за взрывоопасности водорода. Где-то заправку производила автоматика, а где-то — обученные заправщики

Во-первых, зарядные станции проще и дешевле. По сути, это корпус с трансформатором внутри, подключенный к электросети. Учитывая, что в городах электричество проведено повсеместно, это делает возможным установку зарядных станций на улицах, парковках и рядом с торговыми центрами.

Водород же взрывоопасен, и его хранение на заправочной станции требует соблюдения повышенных мер безопасности, что удорожает и усложняет создание водородных заправок.

Во-вторых, взрывоопасность водорода требует не только осторожности при хранении, но и при заправке. На экспериментальных водородных заправках начала двухтысячных в Германии процесс установки пистолета в горловину бака был автоматизирован, а на японских заправках с водородом за это отвечал специалист. Впрочем, в США к 2021 году появилось несколько водородных заправок (не больше десяти), не требующих специальной подготовки. Одна неофициальная водородная заправка есть и в России.

Водородные заправки


Синим цветом помечены водородные заправки Германии по состоянию на 2015 год. Тогда их было девять. В 2019-м количество выросло до 50, а в 2020-м планировалось довести его до 100. Возможно, сложности 2021 года внесут в планы коррективы. Но если все пойдет хорошо, то к 2023-му водородных заправок будет примерно 400

В создание сети водородных заправок в Германии инвестирует группа частного бизнеса. В 2015 году компании Air Liquide, Linde, OMV, Shell и Total создали в Берлине совместное предприятие h3 MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG и заложили на реализацию расходы в 400 млн евро. Кроме топливных компаний к проекту также присоединились Daimler, BMW, Volkswagen, Honda, Toyota. Помимо h3 MOBILITY Deutschland GmbH развитием водородных заправок в Германии занимается Clean Energy Partnership (CEP).


По состоянию на 2021 год в Японии было примерно 90 автомобильных водородных заправочных станций. К 2021 году планировалось нарастить их количество до 160

Эксплуатационные отличия водородомобилей от ДВС и электрокаров

Конечного потребителя экология волнует в меньшей степени, ему важнее потребительские качества автомобиля. Пока самый универсальный автомобиль для жизни — машина с ДВС. Она обеспечивает максимальный запас хода, способна работать в разных температурных условиях и заправляется за пару минут.

Электромобиль же по-прежнему ограничен дальностью проезжаемых расстояний, количеством зарядных станций, а также длительностью процесса зарядки и эксплуатацией в холодном климате.

У водородомобилей тоже есть сложности с холодным пуском. Недавние испытания предсерийного Hyundai Nexo задекларировали беспроблемный пуск при -6 ºС. Впрочем, еще в 2006 году разработчики Chevrolet Equinox заявляли, что их продукт способен работать даже при температуре в -25 ºС, но не подтверждали это экспериментально. Зато, в отличие от электрокара, заполнить баки водородом можно за три-пять минут. Но вот привод на колеса всегда будет неполным, конечно, если не поставить на обе оси по отдельному электродвигателю.

Водородные концепты и мелкосерийные проекты прошлого

Эксперименты с водородной темой начались задолго до наступления XXI века. Первопроходца в этой гонке не выделить. Все производители мира еще в конце прошлого века были убеждены, что разрабатывать модели на альтернативных топливных элементах нужно, но какая из альтернатив в итоге превратится в крупносерийную, никто в автомобильной индустрии не знал ни тогда, ни сейчас.

Удивительно, но от водородной темы не уклонился даже АвтоВАЗ. Направление называлось АНТЭЛ — автомобиль на топливных элементах. Еще в 2001 году тольяттинцы, используя технологии военно-промышленного комплекса, сделали водородную «Ниву», а потом и универсал десятого семейства. Правда, в отличие от зарубежных проектов весь салон вазовских концептов был занят инженерными элементами.

К середине 2000-х водородомобилестроение расширилось. Американцы сделали футуристичный концепт Chevrolet Sequel, а после мелкосерийно оборудовали Chevrolet Equinox водородными элементами.

В 2011 году немцы выпустили 13 экспериментальных Mercedes B-класса F-cell, которые отправились в автопробег, в том числе и по России. В 2014-м VW Group представил три модели на водороде: Audi A7 h-tron, Volkswagen Golf и Passat американского типа. Впрочем, это были не первые водородные проекты концерна Volkswagen AG.

И это далеко не все пробы автопроизводителей по созданию водородомобиля.

Дмитрий Онищенко

Доктор технических наук, профессор МГТУ им. Баумана

— При попытке заменить ДВС надо понимать конечную цель. Если мы говорим о снижении вредных выбросов в атмосферу вплоть до нуля, то водородо- или электромобили имеют право на жизнь. Даже сейчас переход на экологические стандарты Евро-7 — вызов для машин с ДВС, причем не только для инженеров, но и для конечных потребителей. Потому что переход на Евро-7 напрямую связан с потерей эксплуатационных характеристик моторов внутреннего сгорания: динамических, ресурсных, к тому же с ростом стоимости.

В автомобиле необходимо три типа энергии: механическая (вращает колеса), электрическая (для питания бортовой электроники), тепловая (для нагревания салона). ДВС уже доказал свою состоятельность во всех трех плоскостях. У транспорта на электричестве большие проблемы с тепловой энергией. Показателен пример с электробусами в Москве, которые зимой обогреваются за счет дизельного отопителя. А между тем в отопителе дизель сгорает при атмосферном давлении и выделяет больше вредных веществ, чем современный мотор с предварительно подготовленными воздухом и топливной смесью.

Шагом вперед может стать переход на двигатели с управляемым балансом для увеличения КПД. И в этом может помочь так называемый водородный дизель. Но пока основные проблемы водородомобилей — в отсуствии экологически чистого водорода (без сжигания углеводородов), необходимости его охлаждения до жидкого состояния с последующим поддержанием его в таком состоянии. Все это пока делает водородомобили дорогими и штучными.

Кстати, в индустрии существует такое понятие, как «эквивалентная токсичность». Например, в профессиональной среде есть мнение (подчеркиваю, что это не факт), что продукты износа автомобильных шин оказывают природе больший вред, чем машины даже со стандартами Евро-4.

Серийные и мелкосерийные водородные проекты

Toyota Mirai

Toyota Mirai, внешне похожий на гибридный Приус, пожалуй, самый распространенный водородомобиль. Основной рынок сбыта — США. Но популярность модели среди водородомобилей объясняется дотациями со стороны государства. Покупатель Mirai получает от производителя 15 000 долларов на заправку водородом. Депозит действует в течение трех лет. Цена самой машины в Северной Америке стартует с 58 000 долларов.

Но при слабом покрытии водородными заправками и более дорогой стоимости водорода относительно бензина по истечении трех лет Mirai превращаются в неликвид на вторичном рынке. Продаются также в Европе, Японии и Канаде.

Кроме США и Японии Mirai продают еще и в Европе

При этом подержанный водородный автомобиль — не приговор. В отличие от электрокара, где с возрастом вырабатывается ресурс батареи, топливные элементы водородомобиля изнашиваются медленнее. Заявленный ресурс одной ячейки — 250 000 км. А если ячейка сломается, ее можно заменить локально. Конечно, если найти и купить…

Mirai иллюстрирует классическую компоновку водородомобилей. В топливном элементе происходит химическая реакция и вырабатывается электричество, которое передается на батарею, а оттуда поступает на электромотор, который вращает колеса. Батарея нужна, чтобы обеспечить ровную работу топливному элементу независимо от режима движения

Родство с Приусом у Мирая не только внешнее, но и платформенное. Однако если Prius последнего поколения — на модульной платформе TNGA, то Mirai сделан еще на основе Prius V прошлой генерации.

Honda Clarity

Силуэт водородомобиля от Honda также схож с Приусом. Разве что при взгляде на Clarity сбоку выделяются гигантские свесы. Во многом форма кузова объясняется желанием инженеров снизить коэффициент аэродинамического сопротивления.

При покупке в лизинг ежемесячный платеж за Хонду меньше, чем за Тойоту — 379 долларов, но депозит на заправку такой же — 15 000 долларов и действует те же три года. Но во время запуска модели на домашнем рынке в 2021 году ее могли купить только корпоративные клиенты и госструктуры.

Энерговооруженность Clarity составляет 174 л.с. и 300 Нм крутящего момента. Водород хранится в 141-литровом баке под давлением 690 атмосфер. По японскому тестовому циклу JC08 одной заправки хватит на 750 км пути. По оценкам американских сертификационных ведомств, этот показатель составит 482 км.

Опционально Honda Clarity можно превратить в генератор. По заявлениям производителя, водородомобиль может справиться с питанием целого дома в течение недели. Правда, насколько это работоспособная опция, на практике неизвестно. В 2021 году к водородному Clarity добавили гибридную и электрическую модификацию.

Hyundai Nexo

Водородный кроссовер Hyundai Nexo представили не на международном автосалоне, а на выставке потребительской электроники CES-2018 в Лас-Вегасе. И это не первый кроссовер корейцев на водородных топливных элементах. С 2013 года Hyundai мелкосерийно выпускали водородный Tucson FCEV, который предлагался в корпоративный лизинг.

В отличие от Тусана преемник сразу проектировался исключительно как водородный автомобиль. Компоновка Nexo традиционная: три водородных бака пристроили под полом в задней части кузова, электромотор разместили под капотом, а батарею — в багажнике.

Отдача электромотора — 120 кВт (163 л.с.), крутящий момент 394 Нм. С места до 60 миль (96 км/ч) Hyundai Nexo разгоняется за 9,5 секунды, запас хода — 595 км. Испытательная программа подтвердила легкий пуск Hyundai при температуре до -6 ºС.

По заявлению Hyundai, гарантированный ресурс водородной силовой установки у Nexo составляет десять лет или 160 000 километров. При этом в реальной эксплуатации ресурс будет еще выше — 240 000 километров, что сопоставимо с заявлениями Тойоты.

Mercedes-Benz GLC F-Cell

Первая водородная машина, которую при необходимости можно подзарядить от розетки. В условиях 2021 года, когда покрытие водородными заправками по-прежнему ничтожно небольшое, это очень важно.

Пользователь сможет выбирать между четырьмя режимами движения: Hybrid (оптимальное распределение между топливным элементом и аккумулятором), F-Cell (аккумулятор сохраняет заряд, работает водородная часть), Battery (используется только батарея) и Charge (ускоренный заряд аккумулятора на ходу).

В первых релизах немцы декларировали мощность в 197 л.с., но обновили цифру, повысив отдачу до 211 сил. И та, и другая величины вполне сравнимы со стандартными двигателями внутреннего сгорания GLC. Мощность силовой установки в электрорежиме не указывается, зато известно, что в этом случае GLC F-cell сможет проехать примерно 50 км. 4,4 кг водорода хватает на 430 км пробега. Привод — исключительно на заднюю ось.

Автомобиль не поступит в свободную продажу, а будет сдаваться в аренду компаниям и государственным службам.

BMW X5 i Hydrogen Next

Концепт, который немцы пообещали реализовать мелкосерийно к 2022 году, а еще через три года рассмотреть массовое производство. Как и в случае с Mercedes-Benz GLC F-cell, в основе проекта лежит обычная серийная платформа, а питание электромотора — от топливных элементов и батареи.

Электрическим силовым агрегатом и батареей с водородным X5 поделился другой, но уже электрический концепт BMW — iX3. Электрический привод определил и тип привода на колеса — задний. Мощность водородных ячеек — 125 кВт (170 л.с.).

Водородная система BMW разработана совместно с Toyota Motor. Два автопроизводителя сотрудничают по водородным проектам с 2013 года.

Альянсы по созданию водородомобилей

Из-за гигантских инвестиций в водородные проекты автопроизводители объединяют свои усилия по разработке топливных элементов и концепций водородных автомобилей. С 2013 года работы в этом направлении ведут BMW и Toyota. Тогда же договор о сотрудничестве заключили GM и Honda. В 2018-м Audi и концерн Hyundai Motor Group объявили о совместной работе над технологиями водородных топливных элементов. Партнерство предусматривает обмен лицензиями, а главное — снижение стоимости разработки и производства за счет эффекта масштаба. У всех производителей из этого списка есть свои водородные проекты. Даже у Audi с их концептом H-tron и A7 H-tron. Кстати, Audi — один из немногих брендов, кто решился сделать полноприводные машины на водороде.

Основные серийные и мелкосерийные производства автомобилей на водородном топливе (без учета концептов)

МодельГоды производстваКоличество, шт.
BMW 7-я серия2006–2008100
Toyota Mirai2015 — н. в.≈ 5000
Hyundai Tucson FCEV2013–201810 000
Hyundai Nexo2018 — н .в.до 1000
Mercedes-Benz GLC F-cell2017 — н. в.до 1000
В итоге

Работы по созданию автомобилей на альтернативном топливе в индустрии ведутся давно — еще с конца прошлого века. До сих пор у инженеров нет четкого понимания, каким в итоге получится автомобиль будущего и на каком источнике энергии он будет ездить. Японцы из Тойоты в большей степени делают ставку на водород, немцы из BMW считают, что к 2050 году никакая из технологий будущего не станет основной, а будет делить долю рынка между собой. Это ставит в тупик не только автопроизводителей, но и нефтегазозаправочные компании, заставляя и тех и других вкладывать деньги не во что-то одно, а во все сразу.

В то же время кроме усилий для успеха новой технологии не обойтись без заинтересованности конечных клиентов. А привлечь их внимание экологическими перспективами без экономической выгоды и комфортной эксплуатации вряд ли получится…

Трудности в эксплуатации водородных ДВС

Главным препятствием для внедрения новой технологии является чрезмерные расходы на получение водородного топлива, а также на приобретение комплектующих материалов.

Возникают проблемы и с хранением h3. Так, для удерживания газа в требуемом состоянии требуется температура на уровне -253 градусов Цельсия.

Простейший способ получения водорода — электролиз воды. Если производство h3 требуется в промышленных масштабах, не обойтись без высоких энергетических затрат.

Чтобы повысить рентабельность производства, требуется применение возможностей ядерной энергетики. Чтобы избежать рисков, ученые пытаются найти альтернативы такому варианту.

Перемещение и хранение требует применения дорогих материалов и механизмов высокого качества.

Нельзя забывать и о других сложностях, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации:

  • Взрывоопасность. При утечке газа в закрытом помещении и наличии небольшой энергии для протекания реакции возможен взрыв. Если воздух чрезмерно нагрет, это только усугубляет ситуацию. Высокая проникаемость h3 приводит к тому, что газ попадает в выхлопной коллектор. Вот почему применение роторного мотора считается более предпочтительным.
  • При хранении водорода применяются емкости, имеющей большой объем, а также системы, исключающие улетучивание газа. Кроме того, используются устройства, исключающие механическое повреждение емкостей. Если для грузовых машин, водного или пассажирского транспорта эта особенность не имеет большого значения, легковая машина теряет ценные кубометры.
  • При больших нагрузках и высокой температуре h3 провоцирует разрушение элементов ЦПГ (цилиндропоршневой группы) и смазки в двигателе. Использование специальных сплавов и смазочных материалов приводит к повышению стоимости производства водородных двигателей.

Где заправляют водородные автомобили?

К сожалению, заправочных водородных станций в мире совсем мало. В 2021 г. их около 300, половина которых находится в Северной Америке, а другие – в Японии, Германии и Китае.

Кроме этого, существуют домашние и мобильные заправки. Они могут производить около тонны чистого водорода в год. Этого вполне хватит для заправки нескольких автомобилей в день. Топливо производится при помощи гидролиза воды, установку запускают только ночью, чтобы не нагружать электрическую сеть.

Автозаправки бывают 3 типов:

  1. Малые. Они производят около 20 кг водорода в 24 часа. Хватит для полной заправки 5 легковых автомобилей.
  2. Средние. Вырабатывают от 50 до 1250 кг топлива в сутки. Могут в день заправлять 250 стандартных машин или 25 грузовиков.
  3. Промышленные. Производят более 2500 кг чистого водорода. Могут заправлять больше 500 легковушек в сутки.

Заправка состоит из компрессора, диспенсера, системы очистки, электрического лизёра, система хранения водорода. Топливо может производиться как при помощи электролиза воды, так и с помощью паровой конверсии метана.

Для того, чтобы заменить большую сеть бензиновых заправок на водородные, понадобится примерно 1,5 трлн. долларов. А стоимость одной водородной станции обойдётся в 2-3 млн. долл., но окупаемость её быстрее, чем для электрической станции из-за быстрой зарядки.

Будущее водородных двигателей

Применение h3 открывает большие перспективы и не только в автомобильной сфере. Водородные двигатели активно применяются на ж/д транспорте, на самолетах и вертолетах. Также они устанавливаются на вспомогательной технике.

Интерес к разработке таких моторов проявляют многие концерны, о которых уже упоминалось выше — Тойота, БМВ, Фольксваген, Дженерал Моторс и другие.

Уже сегодня на дорогах встречаются реальные автомобили, которые работают на водороде. Многие из них рассмотрены выше — БМВ 750i Hydrogen, Хонда FSX, Тойота Mirai и другие.

К работе подключились почти все крупные концерны, которые пытаются найти свою нишу на рынке.

Главным недостатком остается высокая цена h3, нехватка АЗС, а также дефицит квалифицированных работников, способных обслуживать такую технику. Если имеющиеся проблемы удастся решить, машины с водородными двигателями обязательно появятся на наших дорогах.

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

Запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии, способные заменить «черное золото». Одним из решений является применение водородного двигателя, отличающегося меньшей токсичностью и большим КПД. Главное то, что запас сырья для производства горючего почти неограничен.

Когда появился водородный двигатель? В чем особенности его устройства, и каков принцип действия? Где применяется такая технология? Реально ли сделать такой мотор своими руками? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

Конкурирующие технологии

Внимание к моторам на водороде развеивается по той причине, что у технологии имеются конкуренты.

Вот только некоторые из них:

  • ГИБРИДНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА — автомобили, способные работать от нескольких источников энергии. Многие концерны объединяют обычный двигатель внутреннего сгорания и электрический мотор. Еще один вариант гибридной машины — совмещение ДВС, а также силового узла, использующего в качестве топлива сжатый воздух.

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АВТОМОБИЛИ (ЭЛЕКТРОМОБИЛИ) — транспортные средства, которые приводятся в движение с помощью одного или группы электрических моторов, питающихся от АКБ или топливных элементов. В таких машинах ДВС не применяется. Электромобили не стоит путать с авто, имеющими электрическую подачу, а также с электрическим общественным транспортом (троллейбусами и трамваями).

  • АВТОМОБИЛИ НА ЖИДКОМ АЗОТЕ. Источником энергии, как уже понятно по названию, является жидкий азот (находится в специальных емкостях). Мотор работает следующим образом. Топливо нагревается в специальном механизме, после чего испаряется и преобразуется в газ высокого давления. Далее оно направляется в мотор, где действует на ротор или поршень, передавая таким способом имеющуюся энергию. Машины на жидком азоте были представлены публике, но на современном этапе они не получили широкого применения. Один из таких автомобилей «сыграл» в фильме «Жидкий воздух» в 1902 году. Разработчики уверяют, что такое транспортное средство способно проехать больше 100 км на одном баке.

  • АВТОМОБИЛЬ НА СЖАТОМ ВОЗДУХЕ. Особенность транспортного средства заключается в применении пневмодвигателя, благодаря которому и перемещается транспортное средство. Специальный привод называется пневматическим. Вместо топливовоздушной смеси источником энергии является сжатый воздух. Как отмечалось выше, такая технология входит в состав гибридных машин.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Разработкой экологически чистого силового агрегата занимаются многие компании. Вот автобренды, в конструкторском бюро которых стоят уже рабочие варианты, готовые выйти в серию:

Среди серийных авто, которые можно купить как в Америке, так и в Европе, относятся модели Mirai и Clarity компаний Toyota и Honda соответственно. У остальных компаний данная разработка пока либо находится в чертежном варианте, либо в качестве неработающего прототипа.


Toyota Mirai


Honda Clarity

Водородный двигатель – что это такое, принцип работы, недостатки

Водородный двигатель – альтернатива электродвигателям и будущее человечества. Над его разработкой и усовершенствованием работают специалисты из многих стран. Ведь это дешевый, а главное экологичный способ производства энергии. Так что же такое и каковы его преимущества и недостатки.

Что такое водородный двигатель

Водородный двигатель – попытка человечества создать вечный источник питания. Он оснащен электрохимическим генератором, за счет которого происходит преобразование. В основе реакции лежит окисление водорода и получение водяного пара, азота и электричества.

Важной для современного мира особенность является экологичность. Благодаря работе на водороде и умному расщеплению, на выходе мы получаем выхлоп с нулевым содержанием углекислого газа (CO2).

Принцип работы

По своей сути, водородный двигатель схож с электрическим. Однако, весит такой литий-ионный аккумулятор в десятки раз меньше, чем установки привычных электромобилей. В данном случае, необходимость батареи обусловлена исключительно хранением накапливаемой энергии получаемой при рекуперативном торможении, а также холодном старте на быстрых оборотах.

Дело в том, что водородный двигатель не способен сразу запустить главный источник энергии. Для этого необходимо несколько минут, которые дают накопления в батареи. Что интересно, первым прототипам требовалось несколько часов, для начала работы. Однако, современные устройства способны в течении двух минут начать преобразовывать воздух и водород в пар, азот и электричество.

Большой проблемой остается рабочая температура запуска системы. Она напрямую зависит от воздуха окружающего мира. Поэтому, иногда для запуска может потребоваться целый час.

Баллоны вмещают 5 килограмм водорода. Этого достаточно для преодоления расстояния в 500 км. Малые объемы позволяют делать быструю заправку, всего за пару минут.

Недостатки

Основной минус такого источника питания – дороговизна материалов. Если электрохимический генератор, стоит относительно недорого, то облегченные баки изготавливаются из углепластика, цена которого довольно высока.

Также к недостаткам можно отнести энергетическую эффективность. КПД водородного двигателя, при использовании как промежуточного звена составляет около 30%. В свою очередь при таком применении электромобили выдают до 80%.

При использовании нефтяного газа, в качестве источника получения водорода, КПД возрастает до 70%. Однако, при таком варианте, выхлопы будут в обилии содержать углекислый газ.

К тому же, в случае массового перехода на водородный источник питания, остается открытым вопрос заправочных станций. В развитых государствах Европы они постепенно появляются, чего нельзя сказать про страны СНГ.

Водородный двигатель – перспективный источник питания. Однако, массовое использование системы начнется еще не скоро.

Как работают водородные двигатели? (с изображением)

Водородные двигатели считаются многими отличной альтернативой двигателям, работающим на ископаемом топливе. Есть два типа водородных двигателей, и их мощность зависит от разных принципов. Двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, работают аналогично двигателям внутреннего сгорания, работающим на нефти. Двигатель на водородных топливных элементах работает, смешивая водород и кислород, вырабатывая электричество во время химической реакции.

Водородные двигатели внутреннего сгорания похожи на другие двигатели внутреннего сгорания, за исключением того, что в них используется водород вместо ископаемого топлива, что упрощает преобразование производственного процесса с нефтяных горелок на водородные двигатели.Эти водородные двигатели сжигают жидкий водород для перемещения поршней и выработки энергии. Водород обеспечивает высокую энергию, не вызывая вредных выхлопов.

Однако у водородного двигателя внутреннего сгорания есть некоторые ограничения, которые делают его непрактичным.Чтобы сохранить достаточно топлива, чтобы его можно было использовать, водород должен храниться в жидкой форме, что требует охлаждения до чрезвычайно низких температур. Такая низкая температура может привести к деформации и растрескиванию не только топливного бака, но и любой окружающей конструкции. Изоляция и усиление транспортного средства, способного противостоять этим температурам, увеличивает стоимость производства до недопустимых уровней.

Альтернативой этой модели является модель топливного элемента.Водород и кислород смешиваются внутри топливного элемента, образуя воду. Эта химическая реакция также высвобождает электричество, которое можно накапливать и использовать для питания двигателя. Вода — единственный выхлоп, производимый этим двигателем, что делает его хорошим вариантом для снижения загрязнения воздуха.

Внутри топливного элемента сжатый газообразный водород проходит через катализатор с платиновым покрытием, где электроны отталкиваются, генерируя электричество и создавая положительные ионы водорода.Кислород, вводимый в ячейку через катод, связывается с ионами, образуя воду. Затем эта вода может быть выпущена в виде выхлопных газов. Энергии, генерируемой одним топливным элементом, было бы недостаточно для питания транспортного средства, но для обеспечения достаточной энергии можно было бы соединить несколько элементов.

Существуют также ограничения для водородных двигателей на топливных элементах.Они исключительно хрупкие и могут быть недостаточно прочными, чтобы выдержать использование в автомобиле. В их конструкции используются дорогие компоненты и драгоценные металлы, такие как платина, что увеличивает стоимость производства.

Топливные элементы также склонны к замерзанию, особенно перед запуском.После того, как водородный двигатель работает, химический процесс вырабатывает достаточно тепла, чтобы клетки не замерзли. Однако они не выделяют столько тепла, как двигатели внутреннего сгорания, а двигателям на топливных элементах требуется значительно больше времени для прогрева.

Hydrogen Engine — обзор

6.16 Выбросы

В последние годы экологические проблемы в основном касались газовых загрязнителей, которые способствуют парниковому эффекту, связанных с производством энергии в мобильных и неподвижных устройствах. В последнее время отмечается повышенный интерес к использованию биотоплива. Этот интерес выражается международными организациями в связи с увеличением стоимости традиционных форм энергии и неизбежными экологическими проблемами, которые с ними связаны. В настоящее время доминирует потребность операторов энергетической политики в пересмотре энергетической карты будущего с учетом соответствующих энергетических и экологических проблем [131].

Биодизель, биохимические продукты, транспортное биотопливо и биогаз для производства энергии или для дальнейшего процесса транспортного топлива, такого как водород, включены в потенциальные биопродукты [170]. Существуют различные причины, по которым биотопливо следует рассматривать как идеальную перспективу как для развивающихся, так и для развитых стран. Эти причины включают безопасность энергоснабжения, снижение воздействия на окружающую среду, торговый баланс и социально-экономические проблемы, связанные с сельскохозяйственным сектором [131].Доля биотоплива на топливном рынке в ближайшее десятилетие будет быстро расти из-за их экологических характеристик [171].

Водород может производиться из биовозобновляемых источников энергии, с нулевым углеродным следом или с нулевым углеродным следом, такими как солнечная энергия или энергия ветра. Таким образом, использование водорода может в конечном итоге привести к устранению вредных газовых загрязнителей, связанных с использованием ископаемого топлива. Транспортные средства, использующие водород в качестве топлива, имеют нулевые выбросы углерода и, следовательно, благоприятные воздействия на окружающую среду.Топливные элементы, работающие на водороде, могут способствовать сокращению или исключению выбросов CO 2 и других парниковых газов. Возрастает интерес к будущей роли водорода в энергетическом секторе, основанном на энергетических системах, особенно в транспортном секторе. Учитывая, что ископаемое топливо очевидно связано с выбросами вредных газов, водородные двигатели представляются привлекательным альтернативным решением в будущем [131]. Практически все эти загрязнители можно удалить, используя водород в качестве топлива.Экологические проблемы, которые могут возникнуть при использовании водорода, возникают во время его производства, но не во время его использования. Использование возобновляемых источников энергии для производства водорода устраняет экологические проблемы [172]. Если водород производится без выбросов CO 2 или других парниковых газов, он может стать основой действительно устойчивой и жизнеспособной энергетической системы. Таким образом, продукты реакторов пиролиза биомассы и газификации могут быть заранее проверены на наличие атмосферных загрязнителей. Существует множество стратегий для контроля выбросов газов и твердых частиц в термохимических процессах, для использования энергии биомассы, и они зависят от потребностей случайного процесса.

Использование ископаемого топлива связано с вредным воздействием на окружающую среду. Во время добычи, переработки, транспортировки и хранения сырой нефти и аналогичных нефтехимических продуктов происходят выбросы и утечки газовых загрязнителей, которые вызывают загрязнение водных ресурсов и атмосферы. Большинство воздействий на окружающую среду ископаемого топлива связано с горением, поскольку огромное количество различных газов, паров и золы выбрасывается в атмосферу [173]. Водородные автомобили прямо или косвенно не производят больших количеств CO 2 , углеводородов, частиц, SO x , серной кислоты, озона и других окислителей, бензола и других канцерогенных ароматических соединений, формальдегида и других альдегидов, свинца и других токсичных веществ. металлы, дым или CO 2 и другие парниковые газы.Единственный загрязнитель, который вызывает беспокойство, — это NO x . Если водород производится с помощью H 2 O с использованием возобновляемых источников энергии, то производство и распределение водорода не приводит к загрязнению [149]. Транспортные средства на водородных топливных элементах могут сделать возможным использование биомассы в транспорте с нулевым или минимальным загрязнением атмосферы и очень низкими уровнями выбросов CO 2 на протяжении всего их жизненного цикла, если сырье биомассы выращивается возобновляемым способом [150 ].

По оценкам ученых, вероятные климатические эффекты устройств, использующих водород в качестве топлива для производства энергии, будут более умеренными, чем воздействия устройств на ископаемом топливе.Однако эти эффекты во многом зависят от производства, хранения и конечного использования водорода [149]. Если международная водородная экономика заменит нынешнюю экономику, основанную на ископаемом топливе и имеющую уровень утечки 1%, то влияние на климат в международном масштабе будет составлять 0,6% по сравнению с нынешней энергетической системой, основанной на ископаемом топливе. Если уровень утечки увеличится до 10%, то влияние на климат в международном масштабе будет составлять 6% системы ископаемого топлива [174]. Важным преимуществом водорода является то, что при его сгорании не образуются газы, загрязняющие окружающую среду, по сравнению с рядом вредных веществ, выбрасываемых автомобилями с бензиновыми и дизельными двигателями.Сгорание водорода является прозрачным и состоит из воды и небольшого количества NO x . Единственный побочный продукт сгорания водорода — вода.

Считается, что определенные меры уменьшат количество NO x , достигнув даже 1/200 соответствующих выбросов дизельных двигателей [175]. Выбросы NO x образуются из-за высоких температур в камере сгорания. Высокая температура способствует взаимодействию N 2 и O 2 воздуха, что приводит к образованию NO x .Количество выделяемого NO x зависит от соотношения воздух / топливо, степени сжатия двигателя, скорости двигателя, времени воспламенения и термического разбавления [127].

Биоводород предлагает некоторые технологические и экологические преимущества по сравнению с обычным ископаемым топливом, что делает его предпочтительным в качестве альтернативного решения в транспортном секторе. Эти преимущества включают сокращение выбросов парниковых газов, что способствует достижению экологических целей, установленных международными организациями, в отношении улучшения состояния топливного сектора, биоразнообразия, устойчивости и создания нового рынка для сельскохозяйственной продукции.

Водород не нашел широкого применения из-за определенных технологических и финансовых недостатков. В случае развивающихся стран соответствующие программы исследований и разработок, которые реализуются, в основном на уровне международного сотрудничества, могут способствовать импорту новых водородных технологий, которые становятся все более и более конкурентоспособными. Развивающиеся страны сталкиваются со следующей дилеммой: каким образом они должны инвестировать в исследования и разработки в области водорода, которые приведут к международной водородной экономике.Большинство развивающихся стран могут не включать в себя важные факторы развития этих технологий. Тем не менее, они могут извлечь выгоду из подхода к водородной экономике, по крайней мере, в той же степени, что и соответствующие развитые страны, поскольку они, как правило, сталкиваются с более серьезными проблемами загрязнения городов. Ожидается, что международные организации сыграют важную роль в оказании помощи этим странам в разработке и принятии политики, основанной на рынке водорода и других соответствующих чистых энергетических системах.Национальные организации также должны поддерживать развивающиеся страны деньгами и другими мотивами, чтобы они могли участвовать в водородной экономике.

По мере определения целей по выбросам парниковых газов, которые были установлены на всемирных климатических конференциях, соответствующие исследования были сосредоточены на увеличивающемся использовании водорода в энергетическом балансе в качестве топлива, которое реализует видение чистой энергии. Инвестиции в исследования и разработки уже привели к значительным технологическим достижениям в области водорода в Европейском союзе, США, Канаде и Японии.Несколько компаний участвуют в разработке и коммерциализации водородных технологий, в то время как British Petroleum (BP) и Shell участвуют в программах исследования водородных технологий. В частности, Shell инвестировала 1 миллиард долларов в исследования и разработки водорода, а также в коммерческую деятельность. BP предоставляет инфраструктуру распределения водорода (заправочные станции для транспорта и других целей) для реализации внедрения технологий H 2 в демонстрационных программах транспорта в 10 городах мира в рамках программы CUTE (Clear Urban Transport for Europe).Целью демонстрационных программ является продвижение водородных технологий от стадии исследований и разработок до стадии рынка и торговли, а также повышение узнаваемости и общественного признания технологий H 2 потребителями. BP также строит два крупных завода по производству водорода путем переработки ископаемого топлива с параллельным геологическим хранением выброшенного CO 2 в Питерхеде, Шотландия, и в Карсоне, Калифорния. Программа в Калифорнии имеет промышленный масштаб и использует кокс в качестве сырья для производства водородной энергии, в то же время она резко снижает выбросы парниковых газов, ограничивая CO 2 и надежно и постоянно храня его в соответствующих подземных геологических пространствах.Помимо вышеупомянутых энергетических гигантов, в этих демонстрационных программах участвуют и другие компании, такие как Stuart Energy Systems Corp, Linde AG, Air Products и Chemicals Inc., которые предоставили необходимую инфраструктуру для H 2 .

Открытый форум спецификации информации о буфере ввода-вывода (IBIS) выпускает спецификацию IBIS версии 7.1

Эта статья также появляется в

Подпишись сейчас »

Современные топливные элементы очень чувствительны к примесям в воздухе.Для внедорожных применений ДВС, работающие на водороде, могут быть либо мостом к топливным элементам, либо более постоянной заменой двигателей, работающих на ископаемом топливе. (Либхерр)

Mahle, Liebherr разрабатывают активную форкамеру для водородного двигателя ICE

2021-11-10 Джон Кендалл

Сотрудничество пытается решить проблемы с тяжелыми двигателями, работающими на водороде, а именно избежать преждевременного зажигания и детонации без снижения степени сжатия.

Несмотря на то, что в мире «чистого нуля» существуют ограниченные возможности для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на обычном дизельном топливе, бензине и природном газе, может быть место для двигателей внутреннего сгорания, работающих на водороде, либо в качестве промежуточного источника энергии, в то время как водород топливные элементы полностью разработаны или в качестве источника энергии, где было бы трудно электрифицировать в данном месте.

Водород, однако, обладает свойствами, которые делают его сложной заменой дизельному топливу или бензину.Специализированная консалтинговая компания Mahle работает с Liebherr Machines Bulle SA над решением проблем, связанных с двигателями, работающими на водороде. «Задача заключалась в том, чтобы заставить его работать со стабильным сгоранием, не прибегая к уменьшению степени сжатия, чтобы избежать детонации и преждевременного воспламенения двигателя. Наша совместная работа с Liebherr предполагает, что у нас есть ответ », — сказал SAE Media Майк Банс, руководитель отдела исследований Mahle Powertrain в США.

Ключевым моментом, по-видимому, является активная форкамерная технология Mahle, Mahle Jet Ignition (MJI), которая изначально была разработана для бензиновых двигателей.Банс объяснил принцип: «Все еще существует обычная свеча зажигания, но здесь начинается горение в очень маленьком объеме, который для наших приложений обычно составляет 5 см 3 или меньше — размер наперстка. Внутри предкамеры находится очень небольшая смесь топлива и воздуха для воспламенения, поэтому вы создаете очень небольшие события сгорания внутри этой предкамеры.

«Предварительная камера имеет сопло с несколькими отверстиями. Продукты, которые образовались в результате этого очень небольшого сгорания, будут очень быстро вылетать из отверстий сопла.Если у вас, например, насадка с шестью отверстиями, из нее будет выходить шесть форсунок. Эти форсунки очень горячие и очень реактивные, потому что они сгорели, поэтому они инициируют горение внутри главного цилиндра ».

Вместо единственного воспламенения вокруг свечи зажигания может быть шесть отдельных участков воспламенения вокруг основной камеры сгорания, если предположить, что предварительная камера оснащена соплом с шестью отверстиями. «Каждое пламя, которое образуется в этом месте возгорания, не должно перемещаться так далеко, чтобы израсходовать топливо, что приводит к очень, очень быстрому горению в основной камере», — сказал Банс.

Предотвращение преждевременного воспламенения
Водород имеет тенденцию к преждевременному воспламенению, вызывая детонацию, которая характерна для бензиновых двигателей с опережением опережения зажигания или слишком бедной смесью. Направляя струи от сопла к участкам, где может произойти детонация, топливо будет эффективно сгорать там до того, как может произойти событие детонации. «Это позволяет воспламенять топливно-воздушные смеси, которые обычно не очень воспламеняются», — пояснил Банс. «Таким образом, вы можете зажигать смеси, которые имеют действительно сильное разбавление — стандартное разбавление или разбавление EGR [рециркуляция выхлопных газов], превышающее то, что может выдержать обычная свеча зажигания.

«Вы также можете зажечь проблемное топливо. Некоторые виды топлива, как правило, плохо воспламеняются. Некоторые виды топлива могут воспламеняться слишком хорошо, и вам не хватает управляемости. Здесь форкамерный струйный воспламенитель возвращает вам эту управляемость и позволяет зажигать эти смеси, которые, как правило, не очень горючие ».

Использование системы MJI позволяет использовать разбавленную водородно-топливную / воздушную смесь, которая контролирует предварительное воспламенение водорода. Банс сказал, что разбавленные топливно-воздушные смеси обычно приводят к значительному увеличению теплового КПД.Это может составлять от 15 до 25% для бензиновых или газовых двигателей, но еще предстоит количественно оценить для двигателей, работающих на водороде.

Фактически, повышение теплового КПД не является целью использования MJI с водородом. «Понижение степени сжатия, конечно, снизит вашу способность достичь целевой мощности и крутящего момента», — сказал Банс. «Таким образом, использование активной форкамеры здесь предназначено для того, чтобы попытаться восстановить эту степень сжатия и позволить вам получить необходимую мощность и крутящий момент.”

«С точки зрения разработки, предварительные камеры, как активные, так и пассивные, хороши тем, что их оборудование очень простое», — продолжил Банс. «Если вы думаете об активной форкамере, к ее компонентам относится стандартная свеча зажигания, и мы используем прямой топливный инжектор для форкамеры. Это немного нестандартная работа, но в базовой технологии нет ничего интересного — это всего лишь электромагнитный инжектор DI ».

Быстрое сгорание, вызываемое двигателем MJI, создает очень высокое давление в цилиндрах, подобное тому, которое наблюдается в дизельном двигателе.Это гарантирует, что дизели особенно подходят для перехода на этот тип сжигания водорода.

Преодоление уникальных проблем
Банс предостерегает от водорода и стали. «Водород не особенно совместим с некоторыми сталями; он имеет тенденцию вызывать охрупчивание, потому что это такая маленькая молекула, которая действительно может врезаться в отметки на уровне поверхности », — пояснил он. «Таким образом, вы должны уделять пристальное внимание совместимости материалов для всего, к чему прикасается водород.”

«Прорыв» топливно-воздушной смеси, когда смесь проталкивается через поршневые кольца в картер, является обычной проблемой для поршневых двигателей, но может представлять особую проблему для водородных двигателей. Из-за тенденции к преждевременному воспламенению это может привести к возгоранию в картере с разрушительными последствиями. Решение Mahle состоит в том, чтобы спроектировать поршневые кольца, предотвращающие прорыв, и ввести электрическую насосную систему для очень быстрого вакуумирования картера, направляя газы обратно на сторону впуска двигателя.

Тенденция к преждевременному воспламенению также означает, что необходимо устранять горячие точки в камере сгорания. «Вы должны очень внимательно следить за тем, чтобы температура на головке поршня была по-настоящему однородной, чтобы не было отдельных горячих точек», — сказал Банс. «Это то, на чем действительно фокусируется наша группа компонентов, и мы разрабатываем действительно хорошие решения в этом отношении».

Водород может гореть при высоком уровне разбавления воздухом даже с помощью обычной свечи зажигания.«В ходе нашей работы мы обнаружили, что даже работая с действительно высоким уровнем разбавления воздухом, он, возможно, недостаточно обеднен, чтобы иметь возможность значительно уменьшить проблему предварительного воспламенения», — сказал Банс. «Чтобы решить проблему преждевременного воспламенения, потребуется снижение температуры горения, что снизит температуру поверхности. Разбавление воздухом — лучший способ сделать это, но мы думаем, что даже с обычной свечой зажигания она не будет достаточно разбавленной, чтобы можно было значительно снизить эти температуры. Таким образом, активная форкамера допускает гораздо более обедненную работу, чем это, до такой степени, что температура сгорания и температура поверхности достаточно низкие, чтобы значительно снизить вероятность преждевременного воспламенения.”

У такого значительного снижения температуры сгорания есть и другие преимущества. Во-первых, можно повысить степень сжатия, что, в свою очередь, повысит эффективность. Низкие уровни разбавления также помогают снизить уровень оксидов азота (NOx) в двигателе. Банс отметил, что уровни достаточно низкие, чтобы рассмотреть возможность отказа от дополнительной обработки NOx.

«Вы можете захотеть или не захотеть этого, но, по крайней мере, вы можете взять то, что является базовым раствором для последующей обработки NOx, и значительно его уменьшить», — сказал он.«Мы наблюдаем чрезвычайно низкие уровни NOx, по существу, близко к тому, где анализатор NOx даже не смог бы их измерить».

Продолжить чтение »

Технология водородных двигателей с замкнутым циклом — Энергетика

Создано с помощью GIMP

. Обычный двух- или четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, который не потребляет атмосферный воздух, вместо этого накапливает кислород (или h3O2 для приложений AIP) на борту и перерабатывает рабочую жидкость, одноатомный инертный газ (аргон).Побочные продукты сгорания водорода содержат только водяной пар, поскольку водяные пары конденсируются в жидкость, никакого накопления давления не происходит, что устраняет необходимость в выпуске выхлопных газов и позволяет рециркулировать рабочую жидкость. Идеальная рабочая жидкость состоит из инертного одноатомного газа с высокой теплотворной способностью. Аргон выбран из-за его обилия и невысокой стоимости. Рабочая жидкость непрерывно рециркулирует, но периодически пополняется для поддержания чистоты, так как углекислый газ накапливается из-за сгорания смазочного масла.Поскольку CO2 накапливается внутри рабочей жидкости аргона, система удержания аргона может быть удалена и пополнена, требуется незначительное количество аргона, газ остается под постоянным давлением в пределах 30 фунтов на квадратный дюйм. Водяной пар постоянно конденсируется и отделяется.
Этот энергетический цикл применим к двигателям с воспламенением от сжатия или с искровым зажиганием. Водород можно впрыскивать напрямую вместе с кислородом, или впрыск водорода и кислорода через порт можно использовать для приложений с искровым зажиганием, что позволяет быстро и просто переоборудовать существующие двигатели.
Рабочая жидкость с более высокими рабочими характеристиками позволяет повысить термический КПД тормозов примерно на 35%, что приводит к значительной экономии затрат на топливо.
Существующие двигатели можно переоборудовать с минимальными изменениями. Единственная необходимая модификация — это изоляция системы впрыска. Для переоборудования двигателей с искровым зажиганием все, что требуется, — это снижение степени сжатия путем позднего закрытия впускного клапана или подъема головки блока цилиндров.
Этот цикл сгорания полностью соответствует категории с нулевым уровнем выбросов, выбросы NOx, CO или CO2 не производятся.
Эта уникальная и новая технология двигателей предлагает недорогую альтернативу топливным элементам и устраняет необходимость в использовании гибридно-электрической трансмиссии.

# 1 Как это работает?

Обычный двигатель внутреннего сгорания, который не потребляет атмосферный воздух, поэтому накапливает кислород на борту (для мобильных приложений) и перерабатывает рабочую жидкость, инертный газ, не являющийся азотом. Выхлоп водородного двигателя представляет собой не что иное, как водяной пар, диоксид углерода не образуется, поэтому нет необходимости в выхлопе, поскольку нет повышения давления из-за газообразного диоксида углерода, выделяемого при сгорании углеводородов.Пар — единственный побочный продукт. Пар конденсируется в специально разработанном конденсаторе. Водородные двигатели по своей природе хотят работать в замкнутом цикле, поэтому любой разработчик водородных двигателей, не работающий по замкнутому циклу, не может реализовать потенциальное повышение эффективности на 50% и не в полной мере использовать уникальные свойства водорода для устранения всех загрязняющих веществ.

В основе нашей технологии лежит обычный двух- или четырехтактный дизельный двигатель.

Интересно, что 4-тактный двигатель с замкнутым циклом совсем не выигрывает, как обычные атмосферные двигатели.Таким образом, наши двигатели будут спроектированы как двухтактные с оппозитными поршнями, аналогичные Junker Jumos или более поздним двигателям Archates.

Обычные атмосферные двигатели должны всасывать как можно больше воздуха во время каждого такта впуска, а затем выводить как можно больше выхлопных газов (в основном, углекислого газа, азота и остаточного кислорода) во время такта выпуска. Поскольку для этого недостаточно времени в конце рабочего такта и начале такта сжатия, эффективность снижается из-за нехватки кислорода и чрезмерных концентраций инертного выхлопного газа, обладающего более низкой удельной теплоемкостью.
Помимо снижения эффективности, этот двухтактный процесс приводит к более неполному сгоранию, увеличивая выбросы твердых частиц.

Уже одно это вынудило крупного производителя двухтактных дизельных двигателей полностью отказаться от производства в середине 1990-х годов.
Несмотря на этот недостаток, двухтактный двигатель обладает основным преимуществом, заключающимся в том, что для достижения эквивалентной выходной мощности его 4-тактного двигателя требуется на 50% меньше веса и рабочего объема.

Все недостатки двухтактного двигателя есть только у атмосферных двигателей.
С замкнутым циклом все эти проблемы полностью решены.
Теоретически двигателю с замкнутым циклом не нужен даже впускной или выпускной клапан, так как кислород и водород можно впрыскивать напрямую, а водяной пар может удаляться через небольшие порты.
При сгорании углеводорода образуется очень большое количество углекислого газа, что требует наличия выхлопной системы большого объема, либо клапанов с большими стенками в случае двухтактного двигателя, либо добавления двух дополнительных тактов для дальнейшего завершения выхлопа и всасывания. процесс.
Чтобы увеличить выходную мощность обычного атмосферного двигателя, требуется большое увеличение количества кислорода для поддержания стехиометрического сгорания, обычно это обеспечивается турбонагнетателем для дизельных двигателей. Такой большой массовый расход на всасывании требует больших верхних клапанов.

При замкнутом цикле требуется только метод удаления и конденсации водяного пара. Обычный двухтактный двухтактный клапан со стенкой (дизельная архитектура Детройта), но без верхних впускных клапанов, — это все, что требуется для эффективной работы в замкнутом цикле.Выпускной и впускной патрубки меньшего размера используются для вымывания определенного процента водяного пара, образующегося при каждом рабочем такте, свежевыделенный газообразный аргон циркулирует обратно в те же клапаны порта на стенке, чтобы пополнить аргон в камере.
Желательно поддерживать концентрацию водяного пара в камере ниже определенного уровня.
Для большинства двигателей с замкнутым циклом кислород будет впрыскиваться во впускной коллектор при низком давлении, так как прямой впрыск не нужен, увеличивает стоимость и требует изготовления новой головки блока цилиндров для установки второго большого инжектора.Любой несгоревший водород или кислород рециркулируют и сжигают, достигая 100% эффективности сгорания.

# 2 Каковы основные преимущества ?

# 1 Почти полное устранение NOx

первое главное преимущество — устранение единственного загрязнителя образуется при сгорании водорода: NOx. Это, наконец, делает водород двигатели полностью чистые, так как в настоящее время они имеют «квази» нулевые выбросы, не производит углекислый газ или монооксид, так как водород не содержит углерод, но по-прежнему производит большое количество оксидов азота, особенно при стехиометрических топливовоздушных смесях.Выбросы NOx составляют особенно усугубляется сверх допустимых уровней, если дизельный цикл использовал. Выбросы NOx не могут быть доведены до приемлемого уровня без очень низкий коэффициент эквивалентности цикла Отто, но за счет мощности плотность.

Для дизельный цикл, работающий на смеси с высоким содержанием водорода, выбросы NOx достигает 920 частей на миллион (Р Кавтарадз, 2019). Это слишком высокий, чтобы считаться решением с низким уровнем выбросов, поэтому водородные дизельные двигатели обречены на провал, если эти инновационные решения могут быть применены, поэтому мы рассматриваем замкнутый цикл быть существенным.

Замкнутый цикл можно рассматривать как крайнюю форму технологии контроля выбросов, но с дополнительным преимуществом в виде неожиданного повышения производительности, которое обсуждается ниже.

В общепринятый углеводород конструкции двигателя, существует сильный конфликт интересов между максимизируя мощность и эффективность, но также достигая приемлемого уровни выбросов. При замкнутом цикле сокращение выбросов увеличивается представление!

# 2 Возможность использования чистого водорода только в существующих дизельных двигателях. технологии в мире, которые могут позволить это.

Второе важное преимущество — это возможность использовать чистый водород в дизельном цикле. В настоящее время водород не может использоваться в дизельном двигателе из-за очень высокой температуры самовоспламенения, которая требует сжатия 35: 1 или температуры всасываемого воздуха 200 ° C для достижения температуры сжатия, достаточной для самовоспламенения. Ни один из этих вариантов невозможен. Можно использовать пилотное топливо, но оно должно быть углеводородным, поскольку требуется высокое цетановое число. Причина, по которой мы хотим использовать дизельный цикл, связана с большим преимуществом по эффективности по сравнению с циклом Отто, что снижает эксплуатационные расходы.

Двигатель с непосредственным впрыском водорода и воспламенением от сжатия с нагретым всасываемым воздухом (азот-кислород незамкнутого цикла) продемонстрировал огромное преимущество в эффективности на 53% по сравнению с дизельным топливом с использованием испытательного двигателя мощностью 10 л.с. Эффективность дизельного двигателя составила 27,9% по сравнению с 42,8% для того же двигателя с впрыском водорода. Выходная мощность версии с впрыском водорода была на 15% выше. Инжектор водородного топлива был изготовлен на заказ вместо инжектора дизельного топлива с вихревой камерой. (JMG Antunes, Р.Микалсен, А.П. Роскилли, 2009).

Еще лучше, Хоман и др., 1979, обнаружили поразительное увеличение эффективности на 60–100% при использовании большого дизельного двигателя (Caterpillar D399, V16, 1200 л.с., 64 л) со свечами накаливания для помощи при зажигании. В двигателе применен портовый впрыск.

огромный рост эффективности в основном является функцией гораздо более высоких Повышение давления в цилиндре (ROPR) из-за более высокой скорости пламени водорода. Повышение давления в цилиндре примерно в 2,10 раза выше при использовании водородное топливо вместо дизельного топлива (Homan, Reynolds, De Boer, Mclean, IJHE 1979).Типичная ROPR для обычного дизельного топлива с прямым впрыском двигатель составляет порядка 3 бар ° CA при 2000 об / мин (M ВЫ. Селим 2000). Поскольку это число удвоено, мы можем ожидать 6 бар. ° CA для дизельного двигателя с прямым впрыском чистого водорода.

Благодаря более быстрому повышению давления в цилиндре, больший объем работы выполняется за гораздо более короткий период времени, это приводит к меньшим потерям тепла за счет теплопроводности через стенку цилиндра, так как меньше времени для возникновения теплопроводности.

Потери тепла через стенку цилиндра в охлаждающую жидкость оцениваются в 42% от общего количества потребляемой энергии для дизельной версии и только 17% для версии с прямым впрыском водорода.(JMG Antunes, Р. Микалсен, А.П. Роскилли, 2009 г.). Двигатель представлял собой одноцилиндровый дизельный двигатель с непрямым впрыском мощностью 10 кВт (модифицированный для прямого впрыска h3). Скорость тепловыделения (ROHR) для дизельного двигателя с впрыском в каналы с содержанием водорода 60% составляет 87 Дж ° CA по сравнению с 59 Дж ° CA для дизельного режима. Увеличение намного ниже, чем было бы в случае чисто водородного дизельного двигателя (G. Mohan Kumar, 2017).

Эти данные показывают, что водород является намного более качественным топливом для двигателей внутреннего сгорания, несмотря на то, что «эксперты» утверждают, что с водородом можно использовать только топливные элементы, и что двигатели внутреннего сгорания не подходят.Никакое другое доступное топливо не может повысить эффективность дизельного двигателя на 53-60%, кроме водорода.

# 3 Повсеместное улучшение термической эффективности тормозов за счет газ с более высокой теплотворной способностью

Третье важное преимущество — повсеместное повышение эффективности на 25% независимо от того, используется ли двигатель с искровым зажиганием или дизельный двигатель. (P.C.T De Boer, J. F. Hulet, 1980). Причина повышения эффективности заключается в более высокой удельной теплоте неазотного газа при таком же сжатии, что приводит к более высокой температуре сгорания и большей производимой мощности.При таком увеличении КПД двигатель с искровым зажиганием может иметь КПД 45% по сравнению с 35% для обычных циклов Отто. Версия с дизельным двигателем может составлять 55%, что делает водородные двигатели столь же эффективными, как и топливные элементы, но при этом доступными за небольшую часть стоимости.

# 4 Способность переносить водород, полученный из Nh4, при среднем уровне крекинга примеси 500-1000 ppm.

Четвертое главное преимущество и, возможно, самое важное — это возможность использовать водород, полученный из аммиака.

Практически весь водород, используемый для наземного транспорта, будет использовать аммиак в качестве механизма хранения, что позволит отказаться от дорогостоящих и тяжелых резервуаров высокого давления, а также сложной и очень дорогостоящей инфраструктуры, необходимой для заправки топливом.

Использование бортовых микрореакторов для преобразования аммиака обратно в чистый водород для использования в нашем двигателе с замкнутым циклом позволяет заправлять водородный автомобиль в домашних условиях и резко снижает стоимость преобразования инфраструктуры для создания мира водородной мобильности.Аммиак сжижается при давлении 8-10 бар в зависимости от температуры и может храниться в пластиковых емкостях.

В крекинг-установке используется 4,2% мас. Рутения и 10% мас. Цезий-промотированный катализатор на носителе CeO2 в микроканальной конфигурации.
Технические характеристики установки для крекинга основаны на данных Engelbrecht и Chiuta 2018, Chiuta и Everson 2015 и 2016, Di Carlo и Vecchione 2014 и Hill и Murciano 2014.
Энергия активации составляет всего 60-75 кДж / моль Nh4 с промотором с высоким содержанием цезия. нагрузок, что составляет всего 5.5 кВт / кг ч3 в час, из которых 90-100% энергии, необходимой для разложения, обеспечивается за счет тепла выхлопных газов дизельного двигателя.
Необходимое количество рутения и цезия очень минимально, всего 0,001 кг и 0,005 кг соответственно требуется для преобразования 1 кг водорода в час с желаемой эффективностью и удельной мощностью, что приводит к затратам всего 160 долларов США на 2 кг / час. hr-взломщик, достаточный для автомобиля средних размеров.

Запасы цезия оцениваются в 84000 тонн, рутения — около 5000 тонн, что позволяет производить более 2 миллиардов автомобильных крекинг-установок среднего размера.
Формирование крошечных микроканалов из нержавеющей стали из цельного блока выполняется с помощью электроэрозионной обработки. Нанесение промывочного покрытия и упаковка катализатора внутри этих крошечных канавок завершают производственный процесс микрореактора.

Микрореактор технология может считаться относительно простой по сравнению с батареей производство в качестве примера. Единственные сложности и трудности возникают из-за очень малых габаритов

Эти маленькие размеры, встречающиеся в микрореакторах (всего 0.15 мм x 0,25 мм) требует сложного и дорогостоящего оборудования для изготовления, но, тем не менее, стоимость крекинг-установки будет составлять приблизительно 1000-1500 долларов США за килограмм-час мощности при больших объемах производства, из которых 15-20% представляют собой материальные затраты.

Идеальное рабочее давление — как можно более низкое для достижения максимальной конверсии. Более высокое давление снижает скорость превращения, но существенно снижает необходимое количество катализатора с 6 раз по сравнению с давлением 1-10 бар. При 550 C коэффициент пересчета при 2 барах составляет 99.9, и снижено до 99,0 ° C. Идеальное давление было определено как баланс между скоростью конверсии и массой катализатора П. Н. Россом, 1982, равным 10 бар.
Установка для крекинга аммиака расположена на выпускном коллекторе для водородных дизельных двигателей замкнутого цикла. с использованием тепла выхлопных газов двигателя, обеспечивающего 100% потребности крекинга в энергии, с закрытой кислородно-водородной камерой сгорания для обеспечения тепла во время запуска. Объем крекинга аммиака на 20 кг / час, достаточный для большого полуприцепа 8-го класса на полную мощность (550 л.с.), занимает всего 20 литров при весе менее 10 кг!

Взломщик настроен по модульному принципу.Модули состоят из корпуса, каждый из которых состоит из нескольких микроканальных реакторов внутри, этот корпус расположен непосредственно за пределами выхлопного отверстия в головке блока цилиндров, при этом очень горячий выхлопной газ проходит непосредственно в микроканалы, нагревая слой катализатора для обеспечения необходимой активации. энергия. Каждый модуль подсоединен к четырем рельсам, по которым газообразный аммиак подается в крекинг-установку, а газ реформинга — в очиститель. Две меньшие рельсы подают кислород и водород для обеспечения тепла во время запуска.

Взломщик спецификации основаны на Engelbrecht и Чиута 2018, Чиута и Эверсон 2015 и 2016, Ди Карло и Vecchione 2014 и Hill and Murciano 2014.

на борту автомобильный микроканал с цезием, промотированный рутением на церии Оксидный катализатор.

Взломщик расположен на выпускном коллекторе для водородных дизельных двигателей замкнутого цикла использование тепла выхлопных газов двигателя, обеспечивающее 100% потребности крекинга в энергии, с пусковым теплом, обеспечиваемым высокотемпературным кислородно-водородом горение.

Реактор тип: микроканальная нержавеющая сталь
Катализатор: 4% масс Ru 10% масс Cs продвинутый на CeO2
Ru Катализатор, необходимый на 1 кг час реформирования h3: 0,001 кг
Ce Катализатор промотора на 1 кг час реформирования h3: 0,005 кг
Гравиметрическая плотность: 0,50 кг / кг ч3-час
Объемная плотность: 1 Л / кг ч3-час
Потребление энергии: 6 кВт / кг ч3-час
Процент от энергия реформинга из тепла выхлопных газов: 100%
Степень преобразования: 99,8%

Операционная температура: 500 ° C

Дополнительный расход водорода на диссоциацию: 0-10%, только во время запускать.
Аммиак Плотность водорода: 113 кг / м3
Аммиак расход: 6 кг жидкого Nh4 / кг h3-hr
Время запуска: 10 минут

Взломщик Стоимость: 1000-1300 $ / кг-час, мощность

рутений Стоимость: 8000 $ /

кг

Цезий Стоимость: 30 000 $ / кг

Двигатель с замкнутым циклом, работающий на сжатии водорода, имеет КПД 55%, что дает около 35 кВт тепловой энергии, доступной для двигателя мощностью 100 кВт. В результате 90-100% энергии, подаваемой в аммиачный реактор, остается бесплатным.

Во время работы нижней дроссельной заслонки и запуска небольшая камера сгорания, использующая водород, сжигаемый только с кислородом, предотвращая образование NOx, может подавать высокотемпературное пламя непосредственно на слой катализатора.

90-100% энергии, потребляемой в процессе крекинга, обеспечивается за счет выхлопных газов при работе двигателя на высоких оборотах, это рассчитывается оценивая общую тепловую энергию выхлопных газов регулировка для большей части потерь выхлопных газов, а не цилиндра потери в стенках из-за более высокого LFS водорода по сравнению с дизельным топливом, что приводит к гораздо больший процент потерь из-за выхлопа, чем охлаждающая жидкость.

Камера кислородно-водородной камеры сгорания закрыта от газообразного азота, образующегося при разложении аммиака, что предотвращает образование NOx.Скорость горения в камере сгорания варьируется в зависимости от наличия энергии выхлопных газов, в зависимости от дроссельной заслонки двигателя. Камера кислородного сгорания обеспечивает очень высокие температуры сгорания непосредственно в реакторе за счет сжигания водорода в среде чистого кислорода.

Камера сгорания расположена в модуле, в котором находится реактор, который служит выпускным коллектором, пропуская горячие отходящие газы через трубы теплообменника, содержащие слой реактора.

Наш двигатель с замкнутым циклом, благодаря использованию инертного газа с высокой удельной теплоемкостью, будет иметь значительно более горячий выхлопной газ, чем в обычных двигателях, поскольку температура сжатия высока, а также температура на впуске, поскольку выхлоп направлен назад. в воздухозаборник, но также из-за того, что нет CO2 для поглощения тепла, и поскольку аргон имеет половину удельной теплоемкости воздуха, в результате температура выхлопных газов, вероятно, будет на 30% выше при замкнутом цикле.Пиковая температура сжатия наших двигателей достигнет 950 C, что на 125% выше, чем у воздуха.

Побочный продукт азота выбрасывается в атмосферу после отделения от водорода, окисления не происходит.

Азотно-водородный газ из крекинг-установки, состоящий из 75% водорода по объему, проходит через мембранную систему разделения газов для очистки водорода до 99,8% перед сжиганием в двигателе, чтобы свести к минимуму следовые количества азота, окисляемого во время При сгорании образующийся NOX незначителен и составляет менее 6 частей на миллион, что в 19 раз меньше, чем у автомобилей Euro 6.

Размер и объем системы мембранного разделения минимальны, занимая всего 4,2 кубических фута и весит 118 кг для системы 7 кг / час, рассчитанной на питание коммерческого автомобиля мощностью 15 000 фунтов ГВт.

система мембранного разделения, как показано выше, состоит из алюминия цилиндр, наполненный мембрана из трубок из полиамида или ацетат целлюлозы, или из керамических материалов. Мембрана позволяет более мелкие молекулы, такие как водород, проходят и проникают перпендикулярно через мембранные трубки к внешней стороне цилиндр, в то время как более крупные молекулы азота остаются внутри и продолжая течь параллельно через мембранные трубки, давление около 1 МПа.

Разница в проницаемости азота / кислорода составляет 3,43x для резиновой мембраны, для водорода / азота она составляет 5,92x, что увеличивает эффективность мембранного сепаратора на 74%, что позволяет уменьшить размер системы мембранного разделения. требуется при разделении кислорода / азота, на котором основано большинство сепараторов.

Мембрана Характеристики сепаратора основаны на Ube Engineering

Мембрана Плотность газового сепаратора: объем 49 л и масса 33 кг для 27 нм3 / час Сепаратор N2 / O2 чистотой 99%

Операционная давление: 1.4 МПа макс.

Хранение водород, поскольку аммиак меняет правила игры, немедленно делая всю текущую отрасль водородной мобильности устаревшей.

Баки высокого давления, заправочные станции высокого давления и производители топливных элементов из ПЭМ столкнулись с полным устареванием, когда стали доступны водородные двигатели замкнутого цикла с питанием от аммиака. Установка для крекинга аммиака может реально достичь только определенного уровня чистоты, небольшие концентрации аммиака останутся в водороде, обычно превышающие 500-1000 ppm, увеличиваясь с понижением температуры реактора.Максимальная концентрация аммиака, допустимая для топливных элементов PEM, составляет порядка 2,1 частей на миллиард (YA Gomez, 2018), то есть частей на миллиард, а концентрация аммиака на выходе из крекинг-установки составляет 500-1000 частей на миллион, это в порядка 240 000 раз больше, чем требуется максимальная чистота! это означает, что существуют огромные, возможно, невозможные требования к фильтрации, чтобы сделать топливные элементы PEM совместимыми с водородом, полученным из аммиака. Если концентрация достигает 100 частей на миллиард, мембрана не подлежит ремонту (HMA Hunter, 2016).Эта концентрация аммиака 500-1000 ppm вызовет почти немедленное и серьезное повреждение и быстро приведет к полному сбою и разрушению мембраны Nafion, критически важной для работы топливных элементов PEM (FH Garzon, 2009, K Hongsirikarn, 2010). Таким образом, топливные элементы PEM не могут практически использовать водород, полученный из бортовых установок крекинга аммиака, без сложных систем фильтрации для удаления следов неразложившегося аммиака.

В результате топливные элементы PEM могут в конечном итоге оказаться устаревшими.Щелочные топливные элементы могут переносить аммиак, но имеют низкую долговечность и долговечность, о чем свидетельствует полный отказ от щелочных топливных элементов нынешней отраслью водородной мобильности.

Щелочные элементы имеют срок службы всего 5000 часов, по сравнению с 10 000 или более для дизельных двигателей. В дополнение к плохой долговечности и более высокой стоимости топливные элементы, как щелочные, так и PEM, не обеспечивают необходимого отходящего тепла, которое можно использовать для крекинга аммиака.

В результате для разложения аммиака потребуется гораздо больше энергии, если вместо него будет использоваться топливный элемент, около 25% потока топлива.

Двигатель внутреннего сгорания (особенно с замкнутым циклом) идеально подходит для водородного автомобиля, работающего на аммиаке. Если учесть потребление дополнительного водорода, необходимого для диссоциации Nh4, чистая эффективность топливного элемента при пусковой эффективности 55% снижается до 44%, в то время как дизельный двигатель замкнутого цикла остается с пусковой эффективностью 55%.

# 3 Почему наш двигатель может работать в дизельном цикле, в то время как другие водородные двигатели, такие как Keyou и BeHydro, не могут?

Благодаря замкнутому циклу мы можем использовать инертный газ (не азот и воздух), который нагревается в гораздо большей степени при таком же сжатии (так называемый удельный коэффициент теплоемкости), позволяя нам достичь температуры, достаточной для самовоспламенения. водород, не требующий пилотного топлива на основе углеводородов с высоким цетановым числом, можно использовать диметиловый эфир, биодизель B100 или прямое дизельное топливо, но не в замкнутом цикле, так как накопление CO2 будет неуправляемым.

Для аргона с температурой на входе 100 ° C степень сжатия 17: 1 дает температуру на 900 ° C, что на 300 ° C выше температуры самовоспламенения (Checalc.com, с использованием Peng-Robinson EOS). У CR 22: 1 температура сжатия достигает 1045 ° C, что приводит к очень коротким задержкам зажигания. JMG Antunes и др. Обнаружили, что при 830 ° C задержки воспламенения для водорода больше, чем для углеводородного топлива, но при 830 ° C или выше задержка воспламенения намного короче. Аргон можно рассматривать как фактор, способствующий воспламенению водорода от сжатия (Mansor and Shioji 2012).

Более высокая температура на впуске является результатом системы замкнутого цикла, которая направляет выхлопные газы обратно во впускное отверстие вместо всасывания более холодного всасываемого воздуха, как в атмосферном двигателе. При температуре всасываемого воздуха 70 ° C для самовоспламенения водорода кислородно-азотной смесью требуется степень сжатия 35: 1, что делает практически невозможным сжатие водорода в водородных двигателях, ограничивая водородные двигатели циклами Отто, которые ограничены КПД 35%.

# 4 Чем наш двигатель отличается от существующего внутреннего сгорания двигатели?

Совсем не отличается. Двигатель может быть с искровым зажиганием или с воспламенением от сжатия, точно так же, как современные двигатели работают с поршневым двигателем. Хотя очевидно, что искровое зажигание является устаревшим для двигателей с замкнутым циклом, поскольку единственным преимуществом искрового зажигания для обычных двигателей является снижение выбросов и шума, но первая проблема, возможно, более важная, полностью устранена, поэтому искровое зажигание является больше не является привлекательным, поэтому, вероятно, почти все двигатели с замкнутым циклом будут воспламеняться от сжатия.

В версиях с воспламенением от сжатия топливо (водород) впрыскивается напрямую, кислород впрыскивается во впускной коллектор. Инертный газ пропускают через конденсатор, удаляя водяной пар, затем непрерывно рециркулируют до тех пор, пока концентрация CO2 не достигнет 15%, затем газ аргон удаляется и заменяется, это происходит каждые 30 минут.

Теоретически любой тип двигателя или силового цикла может работать по замкнутому циклу, но некоторые из них более согласованы, чем другие. Двухтактные дизельные двигатели идеальны, они почти идеальны.

# 5 Поскольку это замкнутый цикл и не используется атмосферный воздух, мы приходится потреблять кислород, увеличивает ли это стоимость? Краткий ответ: Вкл. Напротив, это значительно снижает эксплуатационные расходы благодаря более высокая эффективность.

Обилие кислорода и, следовательно, низкая стоимость и высокая плотность хранения в жидкой форме позволяет нам хранить необходимое количество кислорода, практически не накладывая никаких штрафов на эксплуатационные расходы, вес или объем транспортного средства.

На 1 кг водорода требуется 7.4 кг кислорода для полного сгорания, что мы называем стехиометрическим соотношением. Для атмосферного воздуха это соотношение составляет 2,9% водорода к атмосферному воздуху по массе. Это небольшое соотношение делает замкнутый цикл настолько привлекательным, что на самом деле требуется очень мало кислорода по сравнению с массовым расходом воздуха в двигателях при обычной работе. Это связано с тем, что обычно дизельные двигатели работают на обедненной смеси с низким коэффициентом эквивалентности и минимальным образованием NOx.

Таким образом, если наши двигатели потребляют 8 кг водорода в час или на 60 миль (на основе 5.9 миль на галлон для типичного грузовика или 250 лошадиных сил с поправкой на повышение эффективности) нам нужно всего 60 кг кислорода. Для хранения достаточного количества кислорода, чтобы проехать 850 км, требуется всего 580 литров для хранения жидкости.

Вес кислородного резервуара также минимален для мобильности. Для гипотетического легкового грузовика 9000 фунтов (Ford F-450) с запасом хода 500 миль кислородный баллон весит 240 фунтов плюс 440 фунтов кислорода, что составляет всего 4,5% от полной разрешенной массы транспортного средства. Таким образом, хранение жидкого кислорода на борту транспортного средства на первый взгляд может показаться почти чем-то вроде научной фантастики, но на самом деле это меньше всего беспокоит операторов.

Для стационарных применений кислород может храниться в больших сферических резервуарах для жидкости или может подаваться непосредственно в газообразной форме низкого давления. Для стационарного хранения из-за очень высокой плотности кислорода «скорость кипения» минимальна, 1,5% / день для дьюара на 200 л.

Сжижение кислорода легко осуществить с помощью недорогого имеющегося в продаже оборудования. Поскольку кислород имеет инверсионную температуру выше температуры окружающей среды, он не требует предварительного охлаждения при сжижении водорода.

Сжижение кислорода для транспортировки и хранения не только экономически выгодно, но и технически просто, требуя только компрессоров и расширителей, которые широко доступны на Alibaba.com.

Стоимость кислорода, жидкого или газообразного, очень низкая из-за его большого количества. Жидкий кислород стоит всего 0,05 доллара за кг в Индии (Metals and Minerals Trading Corporation of India, 2016) и 0,08-0,09 доллара за кг в США (Matheson Tri-Gas, 2017).

В результате почасовые эксплуатационные расходы составляют 4 и 7 долларов.3 соответственно для двигателя мощностью 300 л.с.

Гипотетический дизельный генератор мощностью 1000 л. 40 кг h3 в час, для чего требуется 254 кг кислорода, по цене 14,8 долларов в час, в отличие от 140 долларов в час за 3,5 доллара за кг чистого водорода после электролиза. Затраты на электроэнергию без учета затрат на электроэнергию составляют 0,020 доллара США / кВт · ч. Для сравнения, двигатель без замкнутого цикла с искровым зажиганием и BSFC равным 0.4 фунта / л.с.-час (эффективность 34%) потребуют 66 кг h3 в час, что стоит 231 доллар в час, с учетом цены на электроэнергию в размере 0,31 доллара / кВт-ч. Это ясно показывает, что для любого приложения, мобильного или стационарного производства электроэнергии замкнутый цикл намного более рентабелен и принесет операторам гораздо большую прибыль. Силовая установка на топливных элементах, в среднем более 2000-5000 долларов США / кВт, даже несопоставима, поскольку стоимость приобретения блока мощностью 750 кВт была бы астрономической и составила бы более полутора миллионов долларов.

№ 6 Какие модификации необходимы для преобразования двигателя в замкнутый цикл?

Это зависит от того, используется ли двигатель с искровым зажиганием или дизельный.Для искрового зажигания первая необходимая модификация — это снижение степени сжатия до 5,5: 1 для типичного бензинового двигателя или двигателя, работающего на природном газе, со степенью сжатия 11: 1. Для уменьшения степени сжатия необходимо просто приподнять головку блока цилиндров на небольшое расстояние, это можно сделать, установив более толстую металлическую прокладку головки блока цилиндров. Увеличение высоты составляет около 0,2 дюйма. Топливная система обычного двигателя с искровым зажиганием удалена и заменена впрыском водорода с постоянным потоком низкого давления во впускной коллектор.Никаких специализированных форсунок не требуется, просто во впускной коллектор подается постоянный поток водорода низкого давления.

Независимо от того, дизельный двигатель или двигатель с искровым зажиганием, для любого водородного двигателя требуется надлежащая вентиляция картера, чтобы предотвратить накопление водорода в картере. Этого можно добиться, вставив небольшое вентиляционное отверстие в картер, оборудованное датчиком водорода, чтобы контролировать возможное накопление концентрации несгоревшего газа.

Вторая доработка после топливной системы — это выхлопная система.Выхлопная труба, конденсатор и двойные вентиляционные баки аргон-CO2 заполнены аргоном, который непрерывно рециркулирует. Два резервуара используются для поддержания 15% соотношения CO2 и аргона, поскольку небольшое количество смазочного масла сгорает, выделяя CO2, двойные резервуары постоянно переключаются, когда один резервуар достигает 15% концентрации CO2, он опорожняется и заправлен чистым аргоном. Подробнее об этом можно узнать в вопросе №9.

Конденсатор водяного пара устанавливается непосредственно перед всасыванием, чтобы выхлопные газы успели остыть до температуры всасывания 100 ° C, что позволило определенному проценту водяного пара сконденсироваться.

Для использования в транспортных средствах. Жидкий кислород используется для ускорения конденсации водяного пара, для стационарных применений, где пространство не так ограничено, используется конденсатор большего размера, устраняющий необходимость в охлаждении.

Третья необходимая модификация — установка кислородного регулятора. Кислородный регулятор расположен на шланге подачи кислорода, который может быть гибкой линией низкого давления, подключенной к резервуару высокого давления для использования в транспортных средствах, или к линии подачи низкого давления для стационарных применений.Кислородный регулятор откалиброван для обеспечения массового отношения кислорода к водороду 7,4: 1 при любой заданной частоте вращения двигателя. Регулятор может быть электронным или механическим.

Четвертая модификация — установка двух датчиков водорода. В картере установлен датчик водорода, который предупреждает оператора, если в картере скопился газообразный водород из-за засорения системы вентиляции.

Второй датчик водорода установлен в выхлопной линии для измерения полноты сгорания.Если обнаруживается высокая концентрация несгоревшего водорода, возможно, неисправен регулятор кислорода и двигатель работает слишком богато, регулятор кислорода калибруется для увеличения потока кислорода, пока концентрация несгоревшего водорода не снизится до нормального уровня.

Для дизельного цикла требуемые модификации несколько более сложны, но изолированы от системы впрыска. В дизельном двигателе точный впрыск топлива имеет решающее значение для плавной и надежной работы.Впускной впрыск возможен за счет так называемого воспламенения от сжатия однородного заряда (HCCI).

Топливо смешивается с всасываемым воздухом, в данном случае водородом, кислородом и аргоном, затем сжимается до самовоспламенения. Этот цикл очень эффективен, одно исследование показывает, что он на 12% эффективнее прямого впрыска. (JMG Antunes, Р. Микалсен, А.П. Роскилли, 2008 г.). Основная проблема с HCCI — это трудности с синхронизацией, которые приводят к грубым и спорадическим операциям. В настоящее время двигатель HCCI не эксплуатируется.

Pochari Systems твердо верит, что прямой впрыск — лучший вариант.

Чтобы выполнить преобразование по замкнутому циклу для дизельного топлива, первым делом необходимо снять систему впрыска топлива, насос-форсунки, топливный насос, топливопроводы и контроллер ЭСУД.

Новые форсунки прямого впрыска кислорода низкого давления устанавливаются во впускной коллектор таким же образом, как и впрыск топлива в порт. Главный инжектор, состоящий из инжектора водорода высокого давления, установлен в чашку главного топливного инжектора.

Новый блок управления двигателем разработан для определения момента впрыска, и в некоторых случаях может использоваться механическая система синхронизации.

Современные системы впрыска дизельного топлива разработаны в первую очередь для минимизации выбросов твердых частиц.

Многократные циклы впрыска на такт являются обычным явлением, очень высокое давление используется для максимального распыления топлива для обеспечения полного сгорания, все это требует точного электронного хронометража.

Справедливо будет утверждать, что большая часть современной электронной системы впрыска дизельного топлива разработана исключительно с учетом требований к выбросам, а не с точки зрения производительности или эффективности.

С водородными двигателями с замкнутым циклом все текущие усилия по минимизации выбросов, часто за счет снижения производительности, могут быть полностью исключены, что позволяет проектировщику сосредоточиться исключительно на производительности и эффективности. Это не следует недооценивать, поскольку в основном все ограничения дизельного двигателя связаны с ограничениями по выбросам, с замкнутым циклом мы полностью освобождены для разработки самого мощного и эффективного двигателя в мире, никаких компромиссов не делается.

Водородный инжектор представляет собой простую систему высокого давления, в которой подаваемый газ из сепаратора N2 / h3 под давлением 150 фунтов на кв. Дюйм подается в компрессор с приводом от двигателя во вспомогательный бак, а затем подается в насос-форсунки под давлением 330 бар, инжектор обслуживает только как клапан.Водород вводится небольшими порциями, начиная с ВМТ до НМТ, что позволяет добиться умеренного ROPR.

Три типы водородных форсунок доступны в зависимости от способа срабатывания.

# 1 Срабатывание пьезоэлектрического кристалла

# 2 Электромагнитное срабатывание соленоида

# 3 Гидравлическое, механическое или электронное управление.

Водородные форсунки мало чем отличаются от обычных жидких топливных форсунок.Распыление топлива не требуется, что устраняет необходимость в чрезвычайно высоких рабочих давлениях, которые обычно встречаются в современных дизельных двигателях (330 бар против 3000 бар для Common Rail), что снижает требования к конструкции инжектора.

А При впрыске водорода возникает несколько незначительных проблем.

Первой потенциальной проблемой является недостаточная смазывающая способность газообразного топлива, но это не оказалось проблемой, поскольку многие форсунки для природного газа были успешно внедрены и доказали свою надежность..

Вторая потенциальная проблема — водородная хрупкость. Молекула водорода имеет тенденцию к охрупчиванию обычно используемых черных и цветных металлов в машиностроении. Простые решения проблемы охрупчивания включают использование неметаллического покрытия в камере инжектора. Это покрытие может состоять из керамики или эпоксидной смолы.

Pochari Systems будет использовать пьезоэлектрические инжекторы водорода с давлением газа на входе 5000 фунтов на квадратный дюйм.

Поскольку давление на выходе крекинг-установки Nh4 составляет всего 7 бар, используется многоцилиндровый компрессор с приводом от двигателя для повышения давления водорода во вспомогательном баке до 330 бар.Это позволяет свободно дросселировать двигатель выше скорости потока крекинга. Установка для крекинга аммиака обеспечивает непрерывный поток водорода, она не позволяет быстро увеличивать расход топлива, установка для крекинга накладывает ограничение на свободу водителя быстро разгоняться. В результате используется промежуточный вспомогательный бак высокого давления. Компрессорный агрегат состоит из четырехцилиндрового поршневого поршневого компрессора двойного действия с масляной смазкой и гидравлическим приводом. Компрессор монтируется непосредственно на вспомогательный привод главного двигателя.Компрессор непрерывно подается в небольшой вспомогательный композитный бак на 330 бар, размер этого бака рассчитан на 25% часового расхода топлива при частоте вращения топливного двигателя. Бак вмещает примерно 3,6% от общего запаса топлива.

Компрессор весит 15 кг для агрегата 8,6 кг / час, объем всего 6 литров. Компрессор потребляет 1,6 кВт механической мощности на кг водорода до 330 бар в час.

# 7 Зачем использовать этот цикл вместо обычных водородных двигателей с искровым зажиганием?

Предыдущие эксперименты с водородными двигателями с искровым зажиганием не дали многообещающих результатов по одной единственной причине.Водород является очень привлекательным средством сокращения выбросов, но в отсутствие замкнутого цикла образуются большие количества оксидов азота из-за высокой температуры сгорания водорода. Закись азота, один из семи оксидов азота, является чрезвычайно сильнодействующим СГС.

Окисление азота зависит от температуры горения и времени выдержки, а именно от продолжительности горения. Образование NOx резко возрастает выше 2500 F, пиковая температура пламени при сгорании дизельного топлива может достигать 4000 F, что приводит к очень высокому образованию NOx, до 1000 PPM.Таким образом, любая попытка создать двухтопливный водородно-дизельный двигатель, такой как BeHydro, будет неудачной. В случае водорода время выдержки сокращается из-за гораздо более высокой скорости пламени (на 7-8 более высоких скоростей ламинарного пламени).

В случае температуры сгорания водород имеет тенденцию гореть сильнее, чем жидкое углеводородное топливо, что приводит к образованию большего количества NOx. В результате водородные двигатели, которые работают при стехиометрическом соотношении 2,9% водорода к воздуху по массе, выделяют чрезмерно высокие выбросы NOx, что в первую очередь сводит на нет цель использования водорода.В результате конструкторы водородных двигателей обычно используют двигатель с коэффициентом эквивалентности 0,5, что в два раза превышает количество воздуха, равное стехиометрическому.

Это приводит к резкому снижению выходной мощности, вырабатывается примерно на 50% меньше мощности. Примером этого является водородный двигатель MAN, разработанный для автобусов в 2006 году. Двигатель был с искровым зажиганием, степенью сжатия 12: 1, прямым впрыском, но выдавал только 270 л.с. при 2200 об / мин и мощности 13 л.

Версия этого двигателя с левым впрыском развивала только 200 л.с.! Это примерно половина мощности, производимой современными дизельными двигателями аналогичного объема.В результате клиенту, которому требуется двигатель мощностью 500 л.с., будь то грузовик или генератор, потребуется 26 литров, что вдвое увеличивает вес и объем двигателя, а также удваивает затраты на приобретение и обслуживание.

Другой очевидной причиной, помимо снижения удельной мощности, является тот факт, что в настоящее время водород не может использоваться в дизельных двигателях, ограничивая его КПД до 35%, в двигателях с искровым зажиганием по циклу Отто.

Таким образом, обычные водородные двигатели с искровым зажиганием на обедненной смеси очень непривлекательны по сравнению с обычными углеводородными двигателями и совершенно неконкурентоспособны по сравнению с современными дизельными двигателями и становятся почти устаревшими, когда доступен замкнутый цикл.

# 8 Почему этого не сделали раньше?

В основном потому, что все исследования и интерес сосредоточены на батареях, а если есть хоть какой-то интерес к водороду, то почти всегда он сосредоточен на топливных элементах. В результате было проигнорировано самое легкое и простое решение. Кроме нас, никто, кроме Keyou Gmbh и недавно созданной компании BeHydro, не занимается водородными двигателями, и никто в мире еще не работает над водородными двигателями с замкнутым циклом прямого впрыска с воспламенением от сжатия.

Мы призываем инженеров, дизайнеров и изобретателей создавать эту технологию как можно скорее, поэтому мы сделали ее открытым исходным кодом.

Основное применение замкнутого цикла — это мобильность, в основном легковые автомобили, малотоннажные грузовики, тяжелые грузовики, морские и железнодорожные двигатели, а также немобильная, в основном децентрализованная выработка электроэнергии.

# 9 Сгорание смазочного масла и последующее накопление CO2 в замкнутом цикле будет проблемой?

Вовсе нет.Современные дизельные двигатели потребляют 0,2-0,8 грамма смазочного масла на кВт · ч. Это означает, что если у нас есть двигатель мощностью 100 кВт или 134 л.с., мы потребляем 0,176 фунта смазочного масла в час, что соответствует 0,025 галлона / час, что дает 23,62 фунта CO2 на галлон (EIA), что соответствует 0,6 фунта CO2 / час, в результате получается объем 3,35 куб. фута в час (плотность CO2 при 30 фунт / кв.дюйм и 100 ° C составляет 2,87 кг / м3. Смесь CO2 и аргона позволяет повысить концентрацию CO2 до 15%, затем выбрасывается в атмосферу и переключается на вторичный бак с чистым аргоном, как только вторичный бак снова достигает 15% CO2, бак переключается обратно, и этот цикл повторяется каждые 5 минут, поддерживая максимум концентрации CO2 15%, со средним значением намного меньше.

Резервуары с аргоном рассчитаны на такое соотношение и переключаются каждые 5 минут. Расход аргона в час составляет 6,3 кг при стоимости жидкого аргона 0,11 долл. США / кг (Metals and Minerals Trading Corporation of India, 2016), что дает 0,70 долл. США / час). Плотность аргона при 30 фунтах на квадратный дюйм и 100 ° C составляет 2,57 кг / м3.

Таким образом, утверждения о том, что замкнутый цикл «не может работать» из-за накопления CO2 в результате потребления смазочного масла, неверны. П.С.Т. Де Бур, первый человек, который экспериментировал с водородным двигателем замкнутого цикла, использовал то же решение для борьбы с накоплением СО2.Небольшой резервуар для жидкости объемом 3,5 кубических фута (28 литров), расположенный в середине основного баллона с жидким кислородом и обеспечивающий практически полное отсутствие кипения, будет хранить достаточно аргона для 23 часов работы автомобиля класса 8 мощностью 600 л.с.

Таким образом Потребление аргона или накопление CO2 не является проблемой.

# 10 Каковы преимущества хранения Nh4 перед водородом под высоким давлением?

Практически все внимание, уделяемое альтернативной мобильности с низким уровнем выбросов, сегодня сосредоточено либо на полностью электрических транспортных средствах, где вся энергия хранится в тяжелых и медленно перезаряжаемых батареях.Если говорить о водороде, мы сразу же думаем о композитных водородных сосудах сверхвысокого давления для питания топливных элементов с протонообменной мембраной.

Обе эти технологии сталкиваются с серьезными техническими и экономическими ограничениями, которые препятствуют крупномасштабному развертыванию в будущем.
Основным ограничением, с которым сталкивается мобильность водорода, является хранение как на борту транспортного средства, так и во время стационарного хранения для распределения.
В настоящее время промышленность почти исключительно использует композитные цилиндры с футеровкой из углеродного волокна и алюминия.Эти баллоны очень тяжелые, их вес составляет около 0,46 кг / литр вместимости воды, и они стоят более 50 долларов за литр. Основным ограничением этих систем является, прежде всего, низкая рыночная конкурентоспособность, связанная с высокими производственными затратами.
Чтобы сохранить достаточно водорода при давлении 350 бар на расстояние 1380 миль, нам потребуются баллоны на сумму более 330 000 долларов.
Стоимость этих сосудов составляет порядка 50 долларов за литр (Liaoning Alsafe Technology Co), тогда как жидкие кислородные сосуды Дьюара с очень низкой скоростью кипения 1,5% стоят всего 6 долларов за литр (Shijiazhuang Minerals Equipment Co).
Это в основном связано с тем, что, хотя жидкие дьюары должны выдерживать умеренно высокое давление, чтобы обеспечить минимальный коэффициент безопасности в случае высокой скорости испарения, требования к давлению удовлетворяются с помощью обычных конструкционных материалов, в основном нержавеющей стали с использованием изоляции вакуумной колбы. технологии.
Напротив, композитные цилиндры должны не только выдерживать огромное давление, порядка 350 бар, цилиндры также должны обладать достаточной ударопрочностью, из которых углеродное волокно работает очень плохо из-за своей хрупкости.
Требования к безопасности и сертификации кислородных баллонов высоки, но их гораздо легче соблюдать из-за отсутствия каких-либо рисков воспламенения. В случае удара жидкий кислород просто испарится при ударе.

Несмотря на то что кислород не горюч, он служит окислителем и будет увеличить интенсивность горения при прямом контакте с пламенем или источник возгорания. В наших автомобилях практически нет места для хранения вещей газообразного водорода на борту, только небольшое количество присутствует в любом учитывая время в топливопроводах, выходящих из крекинга Nh4, это количество водорода представляет очень небольшую опасность взрыва по сравнению с весь запас водорода хранится на борту.По этим причинам стоимость изготовления резервуаров для водорода высокого давления очень высока, в результате общая стоимость резервуара составляет 330 000 долларов США. для полугрузовика класса 8 с дальностью полета 1400 миль, или примерно 180 кг. Сопоставимая стоимость сосудов с жидким кислородом составляет всего 7000-8000 долларов.
Стоимость цистерн жидкого Нх4 минимальна.
Танки Nh4 — 0,25 дюйма. толстый алюминий или нержавеющая сталь, весом всего 0,10 кг / л. Танк рассчитан на разрывное давление 350 фунтов на квадратный дюйм или коэффициент безопасности 2x.Давление жидкого Nh4 составляет 8-10 бар в зависимости от температуры. Не требуется ни теплоизоляции, ни слишком толстых стенок резервуара.

Помимо дороговизны систем хранения водорода высокого давления имеет меньшую объемную плотность по сравнению с системой Nh4. Объемная плотность системы Nh4 в два раза больше, чем у системы 350 бар, что занимает больше драгоценного объема на транспортном средстве. Это означает экономию 100 кубических футов при использовании системы Nh4 для грузовика класса 8 с дальностью полета 1380 миль.Преимущество в объемной плотности связано с использованием Nh4 в качестве носителя водорода, увеличивая объемную плотность в 3,9 раза по сравнению с композитными резервуарами на 350 бар, что также приводит к огромной экономии веса резервуаров, поскольку Nh4 хранится при умеренном давлении (8-10 бар) с учетом тонкостенных резервуаров из алюминия или нержавеющей стали. Баки Nh4 будут иметь 0,10 кг / л, против 0,5 кг / л для 350 бар.

В ограничения системы высокого давления не могут быть изолированы от бортовой место хранения.
Еще одно серьезное ограничение и, возможно, самая большая проблема до сих пор встречается в транспортировке, распространении и сжатии газообразного водорода.Сжатие газообразного водорода до 350 или даже в в некоторых случаях 700 бар, это чрезвычайно капиталоемкий и дорогостоящий процесс. Энергопотребление составляет от 3 до 5000 кВт / кг. psi.
Стоимость двухступенчатой ​​установки производительностью 7000 кг / год 300 бар. диафрагменный компрессор стоит порядка 20000 долларов (Shanghai Davey Machinery Co Ltd).
Поршневые воздушные компрессоры в среднем 10 000 часов до необходимости капитального ремонта. Диафрагма компрессор использует диафрагму для защиты металлических компонентов от токсичных газов за счет использования гибкой мембранной конструкции для защиты от повреждение ядовитым газом.
Это особенно важно для сжатия водород, так как водород может вызвать серьезное охрупчивание углеродистые стали, нержавеющая сталь, особенно мартенситная, инконель и Титан.

Среди обычно используемых конструкционных металлов только алюминиевые сплавы устойчивы к водородной хрупкости, но алюминий не подходит из-за высокой температуры при сжатии газа с умеренным коэффициентом теплопередачи, такого как водород. Без диафрагмы поршень компрессора, цилиндр и стенки цилиндра обычного поршневого компрессора стали бы сильно хрупкими и потребовали бы частого капитального ремонта.Предполагая, что обычный компрессор будет работать в течение 10 000 часов, мы можем оптимистично предположить, что диафрагменный компрессор проработает примерно в 1,5 раза дольше до капитального ремонта.

Мы предполагаем, что капитальный ремонт будет стоить 100% от закупочной цены из-за дороговизны водородных мембранных компрессоров из-за строгих инженерных и производственных требований, присущих системам, работающим с горючим газом, в непосредственной близости от городских районов.
Таким образом, наша приведенная стоимость водорода до 5000 фунтов на квадратный дюйм составляет 1 доллар.62 / кг в течение первых 15000 часов.

В требуемые капитальные затраты на заправочную станцию ​​производительностью 100 кг / час будут всего 2400000 долларов только на компрессоры, не включая сложные заправочные форсунки, точные рыночные цены на которые не указаны доступный. Форсунки для заправки водородом спроектированы так, чтобы выдерживать огромные нагрузки. давление, в результате утечка является серьезной проблемой, вызывающей серьезные угроза безопасности персонала, в связи с чем форсунка должна быть совершенно герметичен, вызывая невероятные инженерные трудности, что приводит к очень высокой стоимости производства и короткому жизненному циклу особенно из-за интенсивного использования неподготовленными людьми.
Водород компрессоры уже производятся в большом количестве для промышленных приложений, поэтому точные рыночные цены доступны на промышленные сайты электронной коммерции, такие как Alibaba.com, это позволяет разумно точно спрогнозировать стоимость создания крупного масштаба экономия водородной мобильности.
Эквивалентная топливная система Nh4 могла бы проста, как большая цистерна, с гибкими композитными шлангами соединены с простыми форсунками для заправки жидким топливом. АЗС Nh4 может стоить 20000 долларов за 100 кг / день, цена Прицеп-цистерна на 10 000 галлонов, включая шланг и насадку система.
С учетом этой информации общая стоимость установки достаточно заправочных станций для обслуживания всего парка полуприцепов США составит 10,5 миллиардов долларов, эквивалент и даже больше децентрализованная система Nh4 может быть построена за мизерную долю.
Это число достигается при условии, что парк полуприцепов США составляет 2 миллиона работает 10 часов в день, потребляя в среднем 8 кг водорода в час, путешествуя со скоростью 60 миль в час. Это не учитывает географическое распределение заправочных станций, и включает только стоимость компрессоров, основная составляющая топлива станции, поскольку транспортировка водорода под высоким давлением невозможна, это означает, что должен существовать жизнеспособный способ транспортировки газообразного водорода. от производственных мощностей, которые из-за необходимости недорогая электроэнергия, часто располагаются на значительном удалении от крупные городские центры, где происходит наибольшее потребление.

Производство посредством электролиза требует электроэнергии ниже 3 центов / кВт · ч, чтобы быть конкурентоспособным с углеводородными дистиллятами, которые в среднем составляют менее 3 долларов за галлон.
3 цента / кВт · ч могут быть получены за счет гидроэнергетики, геотермальной энергии или ветра, но предпочтительно ядерной, поскольку ядерная энергия имеет огромный потенциал масштабируемости и может обходить требования по транспортировке газа на большие расстояния, небольшие модульные реакторы идеально подходят для локализованного производства.
При отсутствии локализованных производственных мощностей, достаточных для удовлетворения большого городского спроса, необходимо построить крупные распределительные сети.Трубчатые прицепы имеют очень высокие транспортные расходы из-за небольшой вместимости.

Существующий трубопроводы природного газа — единственный доступный вариант, но требуют сложной модернизации, так как водород проникает через большинство поверхности, предназначенные для гораздо более крупных молекул метана. Водород проникновение через обычные трубопроводы требует дорогих модернизация, которая может серьезно помешать крупномасштабному переоборудованию трубопроводов природного газа.
Pochari Systems полностью обходит эти практически непреодолимые трудности транспортировки газообразных водород, поскольку Nh4 довольно плотный (113 кг эквивалентного водорода плотность), что позволяет использовать рентабельный грузовик на дальние расстояния. транспортировка без высококипящих потерь и дороговизны криогенного оборудование жидкостного транспорта.

К Подводя итог, можно сказать, что основное преимущество Nh4 перед сжатым хранилищем на 350 бар выглядит следующим образом

# 1 Увеличено объемная плотность в 2 раза
# 2 An снижение затрат на инфраструктуру на порядок для размещения большой парк автомобилей на водороде с нулевым уровнем выбросов.
# 3 Способность легко заправить автомобиль в домашних условиях с минимальным оборудованием.
# 4 Увеличено безопасность от полного исключения бортового хранения газообразных водород.
# 5 Уменьшено стоимость приобретения в 4,4 раза по сравнению с композитной системой на 350 бар

№ 11 Наш двигатель двухтопливный, насколько это важно по сравнению с водородом? системы мобильности?

Pochari Systems твердо убеждена в том, что универсальная, конкурентоспособная по стоимости, модернизируемая и многотопливная силовая установка с низким уровнем выбросов является критически важной для достижения широкомасштабного проникновения на рынок. Существующие системы, работающие только на электричестве или на водороде, перестают работать в сельских регионах, где топливная инфраструктура недостаточна, а водород практически отсутствует.Таким образом, многотопливная силовая установка, которая по-прежнему может работать с полным нулевым уровнем выбросов, но может переключаться на использование широко доступного топлива, будет пользоваться большим спросом, только наша технология может обеспечить это, ни одна другая система с полностью нулевым уровнем выбросов не может одновременно переключитесь на обычный режим работы.
Не следует недооценивать важность возможности использования нескольких видов топлива, поскольку для создания крупномасштабной инфраструктуры заправки водородом (в нашем случае Nh4) потребуются большие инвестиции и длительный период времени.
В это время универсальность, заключающаяся в возможности быстрого переключения на работу на дизельном топливе, имеет решающее значение для высокой степени использования и прибыльной работы, чего требуют коммерческие операторы.
Транспортное средство может в конечном итоге экспортироваться в менее развитые страны, если транспортное средство может работать только на водороде, это снижает рыночную стоимость транспортного средства в регионах с неразвитой водородной инфраструктурой. Водородные дизельные двигатели
Pochari Systems можно переключить на работу на дизельном топливе менее чем за 5 минут.Система замкнутого цикла открыта для атмосферы, забор кислорода закрыт, а система впуска открыта для потребления атмосферного воздуха с использованием обычного турбонагнетателя.
Водородные форсунки переключаются в режим распыления дизельного топлива, так как форсунки с самого начала разрабатываются с использованием двухтопливных форсунок, среднее форсунки используется для кислорода, а внешнее сопло — для жидкого топлива. Включается обычный дизельный топливный насос, и можно начинать работу на дизельном топливе. Весь процесс может занять менее 5 минут.
Нельзя недооценивать беспрецедентную универсальность и удобство.

Сторонники мобильности с низким уровнем выбросов часто недооценивали количество времени, которое потребуется мобильности с низким уровнем выбросов, чтобы добиться значительных успехов на высококонкурентном рынке коммерческих автомобилей.

До того как наступает время, когда работает большое количество автомобилей, поэтому имеется широко разветвленная сеть заправочной инфраструктуры, возможность использования двух видов топлива является необходимостью для поддержания рентабельности работы, особенно в крупных географических регионах, таких как США.Ю и Китай и Индия, крупнейшие рынки для коммерческих автомобилей. Эти страны из-за их огромных размеров окажутся более трудными в создание заправочной инфраструктуры.

Полуприцепы может работать одновременно на очень большие расстояния, более тысячи миль, для этого требуется возможность заправляться на существующих заправочных станциях. если необходимо.
Большим преимуществом двухтопливной системы является возможность использования водородного режима (замкнутого цикла) в городских условиях, где загрязнение дизельными твердыми частицами вызывает большую озабоченность.
Когда машина переключает работу в более малонаселенные сельские районы участков, может начаться работа на дизельном топливе, так как меньше опасений с загрязнением.

Этот можно представить себе сценарий, когда грузовики на дальние расстояния едут большие расстояния между крупными городами, где большую часть времени тратится в сельской местности, но в конце поездки немалые время тратится, слоняясь по большим городам, доставляя грузы распределительным центрам или розничным торговцам. Еще раз, необходимо снизить загрязнение городской среды от дизельного транспорта, эта двухтопливная способность позволит всем транспортным средствам, въезжающим в городскую зону, существенно разворачиваться в автомобили с полным нулевым уровнем выбросов с помощью кнопки.
Это возможность использования двух видов топлива будет одним из самых сильных аргументов замкнутый цикл после топливной способности Nh4 по сравнению с обычным система мобильности водорода, состоящая из топливных элементов PEM и резервуары высокого давления. Баки Nh4 и служат в качестве баков для дизельного топлива, если нужный.
Кислородный баллон можно просто оставить в автомобиле и опорожняется при работе на дизельном топливе.
Кислородный баллон также можно использовать хранить дизельное топливо.

© Pochari Systems

2019 г.

Принцип работы замкнутого цикла

Прямой впрыск водорода

Силовая установка замкнутого цикла с запасом хода 1000 миль для полуприцепа 8-го класса.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

Простое объяснение того, как работает водородный автомобиль

Хотя для многих термин «топливный элемент» может показаться сложной передовой технологией, секрет этого нового способа производства энергии заключается в простой химической реакции между кислородом и водородом. Так в чем же особенности водородного автомобиля? Как это работает? В чем его преимущества? И, более конкретно, каковы возможные применения водородного автомобиля в повседневной жизни?

Проблемы водородного электромобиля

Начнем с контекста.Термин «водородный электромобиль» относится к транспортному средству, которое приводится в действие определенным источником энергии — водородом — с помощью специального устройства: топливного элемента. Автомобиль на водородном топливном элементе принадлежит к большому семейству электромобилей , , поскольку он получает тягу от электрической трансмиссии. Для электромобиля, питаемого от литий-ионного аккумулятора , электрическая энергия просто сохраняется в аккумуляторе после зарядки от электросети. В этом заключается разница с водородным транспортным средством.Электроэнергия, необходимая для работы трансмиссии, вырабатывается не только аккумулятором, но и топливным элементом, использующим водород, хранящийся на борту транспортного средства. Так работает большинство водородных автомобилей, производимых в настоящее время производителями автомобилей.

Автомобиль с водородным двигателем разделяет те же амбиции вождения без выбросов, что и «обычный» электромобиль. Тем не менее, все еще остается несколько проблем, которые необходимо преодолеть, чтобы максимально снизить воздействие производства водорода на окружающую среду.Текущий метод извлечения этого химического элемента основан на паровой конверсии углеводородов и называется «серым» водородом, потому что он извлекается из ископаемого топлива.
Но есть и другой способ получения водорода: электролиз воды. Если электричество, используемое в процессе электролиза, поступает из устойчивого источника энергии, такого как энергия солнца или ветра, можно производить «зеленый» водород. Этот метод экстракции — решение на будущее.

Как водородный электромобиль работает на топливном элементе

Как водородный электромобиль работает на практике? Его электроэнергия вырабатывается топливным элементом.Водород под давлением хранится в специальных баках на борту транспортного средства. Газ (h3) вместе с кислородом (O2) из ​​окружающего воздуха подается в топливный элемент. Затем эти два газа подвергаются электрохимической реакции внутри элемента, в свою очередь, с образованием электричества, тепла и водяного пара (h3O), который выделяется в виде газа через небольшую трубку, расположенную под автомобилем.

Получаемая в результате энергия, а также энергия от аккумулятора приводят в действие электродвигатель автомобиля, который в этом случае может работать бесшумно и с нулевым выбросом загрязняющих веществ или CO2 *.Когда дело доходит до пополнения водородом, заправка осуществляется на специальных станциях с помощью насосов, которые очень быстро впрыскивают водород в бак транспортного средства в виде сжатого газа.

Энергопотребление транспортного средства на водородных топливных элементах

Сколько потребляет электромобиль на водородных топливных элементах? Имейте в виду, что атом водорода, два из которых необходимы для образования молекулы дигидрогена (h3), является одним из самых простых и легких природных элементов в периодической таблице (классификации, в которой перечислены все химические элементы, присутствующие на Земле.) Имеет очень низкую объемную плотность. Таким образом, чтобы получить количество водорода, необходимое для работы транспортного средства, необходимо хранить значительное количество водорода в больших баках под высоким давлением.

Электромобиль на водородных топливных элементах согласно Renault Group

Электромобиль на водородных топливных элементах для Renault Group представляет собой электромобиль, который объединяет литий-ионную батарею и водородный топливный элемент под одним капотом. Решив использовать обе технологии вместе, бренд сочетает в себе лучшее из обоих миров.Вот почему за легендарным ромбовидным логотипом на внедорожнике Kangoo Z.E. Водород, Renault интегрировал топливный элемент.

Схема установки топливных элементов на Renault Kangoo Z.E. Водород.

На этой схеме работы Kangoo Z.E. Электродвигатель водородного электромобиля питается от литий-ионного аккумулятора. Что касается топливного элемента, он обеспечивает дополнительный запас энергии, который увеличивает запас хода автомобиля (обеспечивая большую автономность и более короткое время зарядки.Транспортные средства, работающие на водороде, предоставляют водителю практические и финансовые преимущества электроэнергии, а также преимущества, предлагаемые водородом с точки зрения гибкости и дальности действия.

Преимущества автомобиля с водородным двигателем

За рулем автомобиля с водородным двигателем водитель выигрывает, прежде всего, от почти вдвое большего запаса хода. Как часть взаимодополняемости между топливным элементом и литий-ионной батареей, электричество, производимое топливным элементом с использованием накопленного водорода, добавляется к накопительной емкости его основной батареи.Например, компания Renault Kangoo Z.E. Водород оснащен батареей на 30 кВтч в сочетании с бортовой водородной емкостью, эквивалентной 29,7 кВтч. Таким образом, его дальность действия увеличивается с 230 км до 370 км (цикл WLTP *). Таким образом, водородную систему можно рассматривать как «расширитель диапазона».
Глазурь на торте — скорость заправки. Помимо подзарядки от сети, максимум десяти минут достаточно, чтобы заправить водородный бак и обеспечить топливный элемент — мгновенно увеличивая запас хода автомобиля.
И это не единственные преимущества: автомобиль с водородным двигателем предлагает все преимущества вождения электромобиля, начиная с отсутствия шума двигателя, приятных ощущений от вождения и доступа к зонам с ограниченным движением в определенных центрах городов.

Зарядка автомобиля, работающего на водороде

Как именно заряжается электромобиль на водородных топливных элементах? Ответ зависит от производителя. В Renault есть два способа восстановить запасы энергии автомобиля.Во-первых, подзарядка от стандартного электрического терминала для питания литий-ионного аккумулятора (вариант, облегчаемый количеством доступных зарядных станций). Во-вторых, заправка на водородной станции для заправки бензобака занимает всего несколько минут — в течение дня, например, когда водителю нужно продлить поездку.

Хранение водорода

Хотя термин «автомобиль на топливных элементах» еще не вошел в наш обиход, он не должен вызывать беспокойства, когда речь идет о безопасности.Конечно, водород, находящийся в резервуаре под высоким давлением, является летучим и легковоспламеняющимся элементом. В случае перегрева топливного элемента или его удаления водород рассеивается и высвобождается менее чем за минуту. Перед тем, как поступить в обращение, водородные автомобили должны соответствовать особенно строгим европейским нормам. Кангу З.Э. Водород подлежит европейской сертификации, выданной в соответствии с постановлением ЕС № 79/2009.
На протяжении более двадцати лет технологии, в которых используется дигидроген, многократно проверялись и одобрялись, часто в экстремальных условиях (космическая техника, подводные лодки, строительная техника).
Сегодня, благодаря опыту, накопленному новаторским Kangoo Z.E. Водород с 2014 года. Группа Renault идет еще дальше, объявляя о партнерстве с известным мировым лидером в области топливных элементов Plug Power, который на сегодняшний день развернул более 40 000 систем топливных элементов. Созданный в результате инновационный центр не только поставит своих партнеров на передний край исследований и разработок, производства и коммерциализации водородных транспортных средств, но также и в сфере сопутствующих услуг (зарядная инфраструктура, поставка водорода и т. Д.).)

Сравнение водородного автомобиля и электрического автомобиля с литий-ионным аккумулятором

Хотя эти две технологии производят впечатление диаметрально противоположных, на самом деле они являются взаимодополняющими способами мобильности. На вопрос «водород или электромобиль?» зависит прежде всего от использования и типа транспортного средства. В легком грузовом автомобиле с высокой грузоподъемностью водород особенно интересен. Несмотря на то, что резервуар, используемый для хранения газа, большой, его вес остается приемлемым. Водород особенно подходит для интенсивного использования в замкнутом цикле, где дозаправка легко обнаруживается и доступна на маршруте транспортного средства или даже непосредственно на территории компании.
Электромобили, оснащенные только литий-ионными батареями, предназначены для всех типов водителей и использования, от коротких поездок по городу до длительных поездок. Но когда батарея разряжена, единственное решение — подзарядка от электросети. Заряжается только электромобиль дольше, чем его водородный аналог, но существует больше зарядных станций, как в частных, так и в общественных местах. Парковку легко совместить с зарядкой автомобиля. Таким образом, как электричество, так и водород являются взаимодополняющими технологиями, разработанными для обеспечения устойчивой мобильности, подходящей для всех типов использования.

Насколько популярны водородные автомобили в Европе?

В 2020 году новые регистрации автомобилей на водородных топливных элементах произошли в основном в Германии, за которой следуют Нидерланды и Франция **. Станции заправки водородом постепенно расширяются по всей Европе. Например, в 2020 году во Франции будет около 100 станций, а к 2030 году планируется достичь 1000 станций. В Европе 150 действующих станций, из которых 750 развернуты. На 2025 год в работе находится 3700 станций.Чтобы поддержать эту развивающуюся инфраструктуру, несколько европейских стран ввели стимулирующую политику для продвижения технологии: например, Германия, которая только что выделила этому сектору бюджет в размере 700 миллионов евро, и Франция, которая финансирует покупку водородного автомобиля до 16000 человек. евро.
Появление первых серийных водородных электромобилей, включая профессиональные автомобили, которые в настоящее время заправляются на территории компании, поможет ускорить развитие инфраструктуры, обещая светлое будущее водородным технологиям.

* WLTP: Всемирная согласованная процедура испытаний легковых автомобилей. Стандартный цикл WLTP соответствует 57% поездок по городу, 25% поездок в пригород и 18% поездок по автомагистралям.

** Отчет за третий квартал 2020 года, опубликованный ACEA, Европейской ассоциацией автопроизводителей.

Авторские права: BERNIER Anthony, Renault Group

Читайте также

Электромобиль

Различные способы хранения энергии

10 июня 2021

Посмотреть больше

Электромобиль

Все, что нужно знать о подключаемом гибридном автомобиле

10 июня 2021

Посмотреть больше

Электромобиль

Все, что нужно знать о зарядке гибридного автомобиля

09 июня 2021

Посмотреть больше Принцип действия и устройство

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и ряд определенных недостатков.В первую очередь глобальная проблема — это токсичные выхлопные газы, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Ситуация мало изменилась после перевода машины на газ, так как это тоже не решает всех задач.

С учетом этих особенностей постоянно разрабатываются альтернативные варианты. Сегодня реальным конкурентом является электродвигатель. При этом относительно небольшой ход, дороговизна аккумуляторов и в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры для ремонта и обслуживания таких машин закономерно тормозят их популяризацию.

По этой причине автопроизводители постоянно работают над тем, чтобы сделать «безвредный» для окружающей среды и относительно дешевый в производстве силовой агрегат, для которого не потребуется дорогостоящее топливо.

Среди таких двигателей следует выделить отдельно водородный двигатель, который вполне может заменить существующий дизельный или бензиновый двигатель, причем в обозримой перспективе. Давайте разберемся, как устроен водородный двигатель, в какой конструкции есть аналогичный мотор и в чем его особенности.

Читайте в этой статье

История создания водородного двигателя

Начнем с идеи создания водородного двигателя, появившейся в 1806 году.Основателем стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как возник ряд вопросов, касающихся окружающей среды и токсичности выхлопных газов.

Иными словами, попытки запустить ДВС на водороде предпринимались не для защиты окружающей среды, а для банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятилетий (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, успешно работавший на смеси воздуха и водорода.

Во время Второй мировой войны, когда возникли трудности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелиш, выходец из Украины, заложил основы водородной энергетики в России. Он также предложил использовать смесь водорода и воздуха в качестве топлива для ОИ, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате на водороде работало около полусотни двигателей.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире.Тогда о двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-х годах 20 века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 году построила автомобиль, в двигателе которого в качестве основного топлива использовался водород. Агрегат работал относительно стабильно, взрывов и выбросов водяного пара не было.

Начали работу в этом направлении и другие автопроизводители, в результате чего к концу ХХ века появилось не только множество прототипов, но и довольно успешно работающие образцы двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того, как закончился топливный кризис, работы по водородным ТЭ также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже из-за серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете стремительно сокращаются, а цены на нефтепродукты естественным образом растут.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, и водород — вполне доступная альтернатива. Сегодня GM, BMW, Honda, Ford Corporation и др.

Работа двигателя на водороде: Характеристики водорода ICA

Начнем с того, что ДВС на водороде по своей конструкции мало чем отличается от обычного ОН. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-соединительный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения в рабочее.

Единственное, что в баллонах горит не бензин, не газ или, а смесь воздуха и водорода. Также необходимо учитывать тот факт, что способ подачи водородного топлива, образования смешения и зажигания также несколько отличается от аналогичных процессов в традиционных аналогах.

Прежде всего, горение водорода по сравнению с мазутом отличается тем, что водород сгорает намного быстрее. В обычном двигателе смесь бензина или дизельного топлива с воздухом заполняет камеру сгорания, когда поршень почти поднялся до НМТ (верхняя мертвая точка), затем топливо находится на топливе, и после этого газы попадают в камеру сгорания. поршень.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет перемещать наполнение цилиндра в тот момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка).Кроме того, после того, как реакция протекает, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд, стандартный двигатель относительно легко настроить под водородное топливо за счет улучшения системы впуска, выпуска и питания, но это не так.

Первая проблема — как получить необходимый водород. Как известно, водород входит в состав воды и является обычным элементом, но в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности транспортного средства необходимо отдельно ставить водородные установки для «расщепления» воды, позволяя двигателю питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздухозаборника и создать замкнутую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорает заряд, в баллоне будет оставаться водяной пар. Если эту пару пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно использовать водород.

Однако для этого на автомобиле должна быть установлена ​​установка для электролиза (электролизер), которая будет отделять водород от воды, чтобы затем получить желаемую реакцию с кислородом в камере сгорания.На практике установка сложная и дорогая, а создать такую ​​закрытую систему довольно сложно.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от вида топлива все же нуждается в защите нагруженных узлов и трущихся пар. Если попросту, без моторного масла вообще не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания, а затем в выхлоп. А это значит, что полностью изолировать топливную систему от водорода (не использовать внешний воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания напоминают газовые двигатели, то есть газовые агрегаты пропана. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого двигателя. Правда, водород несколько уменьшается. Однако водороду нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от двигателя. В этом случае не предполагается установка автономного производства водорода.

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

Кроме того, даже небольшая утечка водорода может привести к попаданию топлива в предварительно нагретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или пожар. Чтобы этого не произошло, роторные моторы чаще используют для работы на водороде. Этот тип двигателей больше подходит для этой задачи, так как их конструкция предполагает увеличенное расстояние между впускным и выпускным коллекторами.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем можно обойти не только на роторных, но даже на поршневых моторах, что позволяет считать водород достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или дизелю. Например, экспериментальная версия модели BMW 750HL, представленная в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на такой штуке и способен разогнать машину до скорости около 140 км / ч.

Правда, индивидуальных заводов по производству водорода из воды на автомобиле нет. Вместо этого есть специальный бак, который просто заправляется водородом. Запас хода на полном баке водорода около 300 км. После того, как водород закончился, двигатель автоматически переходит на бензин.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, что под водородными двигателями понимаются агрегаты, работающие на водороде (водородный двигатель внутреннего сгорания), и двигатели, использующие водородные топливные элементы.Первый тип мы уже рассматривали выше, теперь остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарею». Другими словами, это водородная батарея с высоким КПД около 50%. В основе устройства лежат физико-химические процессы, в корпусе такого топливного элемента есть особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых находится анод, а в другой — катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а кислород попадает в катодную камеру.Электроды дополнительно покрываются дорогими редкоземельными металлами (часто платиной). Это позволяет играть роль катализатора, воздействующего на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. При этом протоны проходят через мембрану к катоду, а катализатор также воздействует на них. В результате происходит сочетание протонов с электронами, которые выходят наружу.

В этой реакции образуется вода, при этом электроны из камеры с анодом попадают в электрическую цепь.Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, вырабатывается электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Такие водородные двигатели позволяют проехать не менее 200 км. На одной зарядке. Главный минус — дороговизна топливных элементов из-за использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость перевозки с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня многие компании работают над созданием экологически чистых двигателей.Некоторые идут по пути создания, другие делают ставку на электромобили и т. Д. Что касается водородных заводов, с точки зрения экологии и производительности, этот вариант также может стать конкурентом бензина, газа или дизельного топлива в ближайшем будущем.

Водородные двигатели показали себя несколько лучше самых современных электрокаров. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, оставалось такое отсутствие путей и возможностей заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправок развита не особо, а в мировом масштабе.

Также выбор водородных машин не особо велик. Помимо Honda Clarity, можно упомянуть Mazda RX8 Hydrogen, а также BMW Hydrogen 7. По сути, это гибриды, которые работают на жидком водороде и бензине. Вы также можете добавить его в список Mercedes GLC F-Cell. Данная модель имеет возможность подзарядки от бытовой электросети и позволяет проезжать до 500 км. На одной зарядке.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, на одном баке 600 км.Водородные двигатели до сих пор встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.

Как видно, многие производители активно экспериментируют с двигателем на водороде, но это решение все же имеет много недостатков. При этом некоторые недостатки сильно мешают массовому продвижению.

В первую очередь, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород очень топливо и взрывоопасен даже при относительно низких температурах.По этой причине его сложно хранить и транспортировать. Оказывается, для автомобилей с этим типом двигателя необходимо строить специальные водородные баллоны. Как следствие, водородных заправок в практике очень мало.

Также можно добавить определенную сложность и высокие затраты на ремонт и обслуживание водородной установки, а также необходимость подготовки и обучения большого количества высококвалифицированного персонала. Если говорить о самой машине на водороде и ее эксплуатационных характеристиках, то наличие водородной установки утяжеляет машину, естественно ухудшается управляемость.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только обычным двигателям внутреннего сгорания, работающим на мазуте, но и электрокарам.

Во-первых, такие установки менее токсичны, при этом для них не требуется дорогостоящее топливо на нефтяной основе. Также приемлемый ход имеют автомобили с водородным двигателем. В продаже есть гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Что касается недостатков и трудностей, то автомобиль с водородным двигателем на сегодняшний день имеет высокую стоимость, и могут возникнуть проблемы с заправкой топлива из-за недостаточного количества заправочных станций. Не забывайте и о том, что найти специалистов, способных качественно и профессионально обслужить водородную электростанцию, тоже непросто. В этом случае обслуживание обойдется довольно дорого.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа Метан сулит в будущем возможность перекачивать по этим же трубопроводам и водород.Это означает, что в случае роста общего количества автомобилей с водородными двигателями высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных АЗС.

Читайте также

Усовершенствование конструкции поршневого двигателя, отказ от CSM: испуганный двигатель, а также двигатель без коленчатого вала. Особенности и перспективы.

  • Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива.Режимы работы, неисправности GDI.
  • автомобилей на водородных топливных элементах (принцип работы, плюсы / минусы и примеры)

    Последнее обновление 26 ноября 2021 г.

    Использование альтернативных источников энергии для автомобилей становится все более популярным в наше время. Хотя большинство людей слышали об электрических или гибридных транспортных средствах, многие не задумываются об имеющихся источниках энергии, которые могут их питать.

    Из всех доступных вариантов электромобилей водородные топливные элементы оказались одними из самых чистых на рынке.Хотя они еще не совсем готовы стать обычным явлением на сегодняшних дорогах, будущее для автомобилей с водородным двигателем светлое.

    Продолжайте читать, чтобы увидеть, как работает эта технология, ее основные плюсы и минусы, а также что нас ждет в будущем.

    Как работает автомобиль на водородных топливных элементах

    Автомобили на водородных топливных элементах вырабатывают электроэнергию за счет преобразования газообразного водорода. Когда это происходит, тепло и вода — единственные две вещи, которые излучаются из него. Как и в случае с другими электромобилями, у вас не будет выбросов токсичного углерода в атмосферу.

    Внутри автомобиля находятся топливные баки высокого давления, в которых хранится газообразный водород. Вместо того, чтобы сжигать газ, как вы это делаете с обычным топливом, газообразный водород поступает в топливные элементы, в которых есть кислород.

    Затем газообразный водород соединяется с кислородом и образует электрический ток, необходимый для питания электродвигателей. Это, в свою очередь, дает мощность колесам и позволяет транспортному средству двигаться.

    См. Также: Плюсы / минусы гибридных автомобилей

    Преимущества водородных топливных элементов

    Вот пять преимуществ транспортного средства на водородных топливных элементах по сравнению с типичным транспортным средством с ДВС (двигателем внутреннего сгорания):

    # 1 — Нефть не требуется

    Поскольку в качестве источника топлива используется водород, нет необходимости в традиционных источниках топлива, таких как газ или нефть.

    # 2 — Меньше выбросов газа

    Водород вызывает выброс тепла и воды только из выхлопной трубы. Вы не увидите никаких выбросов углерода.

    # 3 — Лучшая топливная экономичность

    Было обнаружено, что автомобили на топливных элементах дают водителям больше миль на галлон, чем автомобили с бензиновым или дизельным двигателем.

    # 4 — Бесшумная работа

    Как и в случае с другими электромобилями, электрохимическая реакция топливных элементов в основном протекает бесшумно, в отличие от процесса сжигания ископаемого топлива.

    # 5 — Простота обслуживания

    Автомобили на топливных элементах имеют меньше движущихся частей, чем обычные автомобили. Это упрощает их обслуживание.

    # 6 — Маленькая батарея

    Аккумуляторы есть во всех транспортных средствах, но они служат разным целям в зависимости от типа транспортного средства. Автомобиль на водородных топливных элементах имеет небольшую аккумуляторную батарею, которая отвечает только за увеличение ускорения. Это не основной источник энергии для движения, как в гибридных автомобилях.

    Кроме того, автомобильные батареи на водородных топливных элементах могут заряжаться за счет энергии водородных топливных элементов.Это позволяет батареям работать очень долго.

    Читайте также: Ожидаемый срок службы аккумуляторной батареи гибридного автомобиля

    Недостатки водородных топливных элементов

    Вот пять самых больших минусов транспортных средств на водородных топливных элементах, из-за которых они еще не готовы стать жизнеспособным основным вариантом.

    # 1 — Мало водородных станций

    Одним из больших недостатков автомобилей на водородных топливных элементах является то, что вы не можете просто пойти на традиционную заправку, чтобы заправить свой бак.Вам нужно будет отправиться на заправочную станцию, чтобы заправить элементы. К сожалению, количество действующих водородных заправочных станций очень ограничено.

    На самом деле во всех Соединенных Штатах всего около 100 водородных заправочных станций, и большинство из них находится в Калифорнии. Однако новые оценки предполагают, что к 2030 году в США будет существовать более 4000 водородных заправочных станций.

    # 2 — Начальная стоимость

    Транспортные средства на топливных элементах, как правило, очень дороги, поскольку технология топливных элементов все еще является довольно новой и уникальной.Вы можете рассчитывать заплатить минимум 50 000 долларов за автомобиль.

    # 3 — Низкая долговечность

    По сравнению с долговечностью двигателей внутреннего сгорания, системам топливных элементов значительно не хватает долговечности. Это особенно актуально во влажной среде.

    # 4 — Низкая надежность

    Вы получите примерно половину надежности от системы топливных элементов, чем от двигателя внутреннего сгорания.

    № 5 — Все еще неизвестно

    Транспортные средства на топливных элементах все еще находятся в темноте.Широкая публика даже не знает, что это такое, да и информации о них в большинстве автосалонов очень мало.

    Примеры автомобилей на водородных топливных элементах

    Honda Clarity Vehicle на топливных элементах

    Honda и Toyota — две из крупнейших автомобильных компаний в мире, и они используют технологию водородных топливных элементов в небольшом количестве своих автомобилей.

    С начала 21 века Honda и Toyota экспериментировали с моделями автомобилей на водородных топливных элементах.Большинство из них осталось в Японии, а некоторые были представлены в Соединенных Штатах как простые концепт-кары.

    Вот 10 примеров автомобилей с водородными топливными элементами:

    1. Honda Clarity Fuel Cell — Топливный элемент Honda Clarity 2017 года — новейший автомобиль на топливных элементах от Honda. В Калифорнии только 12 дилерских центров Honda имеют право продавать эту модель автомобиля. Шесть из них находятся в Южной Калифорнии.
    2. Топливный элемент Honda Clarity 2016 года — Топливный элемент Honda Clarity 2016 года был представлен на американском рынке в Южной Калифорнии с момента выпуска последней модели Clarity в 2008 году.Теперь, когда появилось больше заправочных станций и дилерских центров по продаже этого автомобиля, это позволило большему количеству людей заинтересоваться его покупкой.
    3. Toyota Mirai 2015 — Toyota Mirai 2015 года — один из самых популярных автомобилей Toyota на водородных топливных элементах. При цене всего 57000 долларов он считается роскошным автомобилем и с тех пор продавался в штатах по всему северо-востоку США
    4. Honda FCV Concept 2014 года — Концепт Honda Fuel Cell 2014 года показал американским калифорнийцам, над чем работает Honda и над чем их технология топливных элементов может сделать это.Это был всего лишь концептуальный автомобиль, но он привел к созданию их четких моделей в 2016 и 2017 годах.
    5. Toyota FCV 2014 года — Автомобиль Toyota на топливных элементах 2014 года был концептуальным автомобилем, который был впервые показан на Токийском автосалоне ранее. он был продан в США. Он продавался только в регионах, где были водородные заправочные станции.
    6. 2007 Honda FCX Clarity — Honda Fuel Cell Experiment Clarity 2007 года была новым автомобилем компании на топливных элементах, который был представлен в Европе, Японии и Южной Калифорнии.К этому моменту в Европе уже начали появляться водородные заправочные станции.
    7. 2005 Toyota Fine-X — Toyota Fine-X 2005 года, также известная как Fuel Cell Innovation Emotion-eXperiment, начиналась как концепт-кар на Токийском автосалоне, а затем на Женевском автосалоне
    8. 2005 Toyota Fine -T — Toyota Fine-T 2005 года — на самом деле другое название Toyota Fine-X, которая использовалась в Европе и Японии. Оба автомобиля имели очень похожие характеристики и были одними из первых, кто внедрил рулевое управление всеми четырьмя колесами в автомобиле на топливных элементах.
    9. 2002 Honda FCX — Эксперимент с топливными элементами Honda 2002 (FCX) был одним из первых автомобилей на топливных элементах, произведенных компанией Honda. Когда он вышел в 2002 году, это был фактически гибридный автомобиль, но он по-прежнему был первым, кто продемонстрировал истинную мощность водородного топливного бака.
    10. Toyota FCHV 2002 года — Гибридный автомобиль на топливных элементах Toyota 2002 года был первым водородным автомобилем, представленным Toyota. Он был доступен только по договору аренды ограниченному числу американских водителей.Реакция была обнадеживающей, но продавать ее не могли раньше, чем спустя годы.

    Обратите внимание: Если вы заинтересованы в покупке водородного автомобиля, вам нужно будет исследовать местонахождение ближайшей водородной заправочной станции. Поскольку вы можете ездить только в этих областях, вы не сможете использовать свой водородный автомобиль в длительных поездках, где для него нет заправочных станций. Вот почему Honda и Toyota выбрали только определенные дилерские центры для продажи и аренды этих автомобилей.Они хотели быть уверены, что потребители могут получить доступ к этим заправочным станциям поблизости.

    The Outlook

    Вы можете задаться вопросом, почему не производится больше автомобилей на водороде, если они так хороши для окружающей среды. Большой аргумент с другой стороны заключается в том, что водород по-прежнему вызывает выбросы, когда он производится.

    Это технически верно, поскольку в настоящее время водород получают из природного газа. Но у нас есть технология для производства водорода из более чистых возобновляемых источников энергии.

    Калифорния в настоящее время начала этот процесс на 6 своих водородных заправочных станциях.Штат требует, чтобы любая водородная станция, получающая государственное финансирование, использовала возобновляемые источники как минимум для 33% производства водорода.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *