Водородные двигатели на авто

Называть ленивый переход автомобильных двигателей на альтернативные источники энергии, мягко говоря, некорректно. Но тенденция уже намечена. Сначала стандарт Евро1 в 90-х годах прошлого века, потом все плотнее сужающиеся рамки допустимых выбросов в атмосферу. По большому счету, только очень богатые автомобильные производители пока предлагают альтернативу бензину и солярке. А начиналось все совсем не так.

Первый автомобиль с водородным двигателем

Поскольку речь пойдет сегодня о том, как использовать водородные двигатели на авто, о перспективах их появления на конвейерах автозаводов в принципе, то просто нельзя не вспомнить о том, что такой двигатель появился на 75 лет раньше бензинового силового агрегата. Это было 1806 году, а само изобретение приписывают франко-швейцарскому изобретателю де Ривазу. Как известно, бензиновый двигатель был изобретен только к концу 19 века.

Водородный двигатель призван решить не только экономическую проблему постоянного подорожания нефтепродуктов. В конце концов, нефть когда-то закончится и в тот момент будет поздно думать о ее альтернативе. С другой стороны, ученые ищут замену обычному топливу для автомобильных двигателей в буквальном смысле, чтобы спасти цивилизацию. Атмосфера планеты уже перенасыщена оксидами азота, оксидами серы, углекислым газом. А с ростом количества частного автомобильного транспорта даже в развивающихся странах, ситуация с экологическими показателями атмосферы планеты близка к критической.

Что такое водородный двигатель

Сегодня явно очерчено два направления, в которых работают конструкторы водородомобилей.

1. Проводятся попытки научить работать на водороде обычный двигатель внутреннего сгорания.
2. Использование топливных элементов на водороде для получения электричества, как источника энергии.

Оба эти направления считаются перспективными и уже можно говорить о более-менее результативных экспериментах в этой области.

К примеру, автомобиль Toyota Mirai работает по принципу гибридного автомобиля. Единственный вид используемой энергии — электричество. Но при этом электродвигатель питается как от никель-металлгидридной батареи, так и от водородного топливного элемента, так называемого электрохимического генератора.

Принцип работы двигателя с водородным генератором

Принцип работы водородомобиля не слишком сложен. Вот схематическое изображение устройства и принципа действия водородного агрегата.

1. Встречный воздух подается через решетки в передней панели и в бампере.
2. Воздух, а точнее, кислород, который находится в воздухе, подается водородный генератор.
3. Генератор вырабатывает электрическую энергию, которая подается в аккумулятор.
4. Также часть энергии идет на работу электродвигателя.
5. Электродвигатель через систему привода вращает ведущие колеса.
6. Вода, которая образована в результате химической реакции, сливается из автомобиля или автоматически, или по команде водителя.

Принцип работы водородного генератора также несложен. Он основан на химической реакции водорода и кислорода, в результате молекулярного взаимодействия которых вырабатывается электрическая энергия. Выше мы разместили наглядную схему, показывающую, как работает водородный топливный элемент.

ДВС на водороде?

Еще одно направление, по которому идут изобретатели и конструкторы — применение ДВС, который смог бы работать на смеси водорода и кислорода. Таких наработок существует больше. К примеру, Мазда, Форд, БМВ и МАН уже несколько лет совершенствуют конструкции водородомобилей. За основу они взяли не обычный поршневой двигатель внутреннего сгорания, а роторный. Это объясняется тем, что выпускной и впускной коллекторы расположены довольно близко друг к другу. Выпускной коллектор может нагреваться до очень высоких температур, поэтому есть большая вероятность возгорания топлива вне камеры сгорания. Роторный двигатель лишен такой особенности, поэтому за основу взят именно он.

Однако и стандартный двигатель с кривошипно-шатунным механизмом также был использован в качестве эксперимента на автомобиле БМВ 7-й серии. Это был двигатель, который работал как на бензине, так и на водороде абсолютно независимо. 12-цилиндровый шестилитровый двигатель показывал мощность 260 сил, независимо от вида топлива. Расход водорода на сотню составлял около 50 литров. Водородный бак обеспечивал пробег в 200 км, после чего можно было переключить двигатель на бензин.

Недостатки водородных моторов

Проект провалился. Дело в том, что даже при минимальных переделках конструкции автомобиля, необходимо было устанавливать водородный бак, который занимал половину багажника. Кроме того, инфраструктура водородных заправок в мире насчитывает единицы точек, где можно заправить авто водородом. Добывать водород своими руками не имеет никакого смысла, масштабы не те, да и заправочное оборудование должно быть идеально герметичным.

Ученые прогнозируют более динамичное развитие инфраструктуры водородных заправок только к 2030 году, не ранее. Получать чистый водород можно только двумя путями — либо методом электролиза, либо выделять его из природного газа, поскольку в природе чистого водорода не существует.

Перспектива получать водород из воды выглядит заманчиво, но инвесторы не стоят в очереди на финансирование постройки оборудования, необходимого для получения летучего газа из обычной воды. Разработки продолжаются, нефть потихоньку заканчивается, поэтому человечеству стоит задуматься об альтернативных видах топлива несколько активнее, пока не поздно. А пока, удачных всем дорог на наших дизельных и бензиновых автомобилях.

Материалы: http://avtoshef.com/vodorodnye-dvigateli-na-avto-2/

Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.

Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.

Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе – смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.

Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.

По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.

Наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW и другие.

Современные силовые установки подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде.

Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.

В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами - анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор.

Действующими образцами автомобиля с силовой установкой на основе топливных элементов являются «Нива» с энергоустановкой «Антэл-1» и «Лада 111» с «Антел-2», разработанные уральскими инженерами. На одной подзарядке первая машина может преодолеть 200 км, вторая - 350 км.

При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом.

ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия.

Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.

Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов.

Для массового перехода на водород в качестве топлива существует целый ряд технологических и экологических препятствий.

Производство водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем производство бензина.

Да и сам процесс получения водорода из воды пока еще обходится слишком дорого. Поэтому основной его объем в настоящее время производится из метана. С большими затратами связана его транспортировка и хранение.

В случае массового внедрения таких силовых установок, резко увеличится количество водорода в атмосфере, что может привести к разрушению озонового слоя Земли, так как водородные двигатели выделяют значительно больше оксидов азота, чем бензиновые.

Уровень коммерческой окупаемости таких силовых установок просматривается лишь в отдаленной перспективе.

Однако точно такие же проблемы в свое время возникали в период развития бензиновых, электрических и газовых двигателей. Остается надеяться, что через 15-20 лет ситуация измениться, и появление водородного автомобиля на дорогах станет обычным делом.

Материалы: http://blamper.ru/auto/wiki/dvigatel/vodorodnyy-dvigatel-3019

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

Хорошей альтернативой бензину может стать водородный двигатель

Сегодня ведут исследования и другие компании, среди них:

Машины на водородном двигателе можно разделить на три группы:

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

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

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

Достоинства водородного двигателя:

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

Недостатки водородного двигателя:

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

В разные годы водородные топливные элементы использовались:

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

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

• 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.

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

А вот Илон Маск (глава SpaceX и Tesla) к новому топливу относится крайне критично, считая его создание маркетинговым ходом. Маск заявил, что использование технологий не решит реальных транспортных проблем и что в литий-ионных батареях плотность хранения энергии превышает все водородные разработки. А как думаете вы?

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