Водневий двигун. Як працює і недоліки

Двигуни внутрішнього згоряння не з'явилися, як окремі силові агрегати різко. Швидше, класичний мотор з'явився в результаті доопрацювання і вдосконалення теплових двигунів. Про те, як поступово з'являвся агрегат, який ми звикли бачити під капотом машин, читайте в окремій статті.

Однак коли з'явився перший автомобіль, оснащений ДВС, людство отримало самохідний транспортний засіб, який не вимагало постійного годування, як коні. З 1885 року в моторах багато чого змінилося, але незмінним залишився один недолік. Під час згоряння суміші бензину (або іншого палива) і повітря виділяється занадто багато шкідливих речовин, що забруднюють навколишнє середовище.

Якщо перед появою самохідних транспортних засобів архітектори європейських країн побоювалися, що великі міста потонуть в кінському гної, то сьогодні мешканці мегаполісів вдихають брудне повітря.

Жорсткість екологічних стандартів для транспорту змушує виробників автотранспорту вести розробки більш чистого силового агрегату. Так, багато компаній зацікавилися створеної раніше технологією Аньос Джедліка - самохідним візком на електротязі, яка з'явилася ще в 1828-му. І на сьогоднішній день ця технологія настільки міцно увійшла в автомобільний світ, що електромобілем або гібридом вже нікого не здивуєш.

Але що вже дійсно обнадіює, так це силові установки, єдиним викидом яких є питна вода. Це водневий двигун.

Що таке водневий двигун?

Це такий тип двигуна, який в якості палива використовує водень. Застосування цього хімічного елемента дозволить знизити виснаження запасів вуглеводневих ресурсів. Друга причина зацікавленості в подібних установках - зниження забруднення навколишнього середовища.

Залежно від того, який тип двигуна буде використовуватися в транспорті, його робота буде відрізнятися від класичного ДВС або бути ідентичною.

коротка історія

Водневі двигуни внутрішнього згоряння з'явилися в той же період, коли велися розробки і вдосконалювався принцип ДВС. Французький інженер і винахідник сконструював свій варіант двигуна внутрішнього згоряння. Паливо, яке він застосовував у своїй розробці - водень, який з'являвся в результаті електролізу H₂O. У 1807 році з'явився перший водневий автомобіль.

Ісаак Де Ріваз в 1807 році подав патент на розробку тягача для військового спорядження. в якості одного з силових агрегатів він пропонував використовувати саме водневий.

Силовий агрегат був поршневим, а запалювання в ньому відбувалося завдяки освіті іскри в циліндрі. Правда, перше творіння винахідника потребувало ручної генерації іскри. Лише через два роки він допрацював свій твір, і на світ з'явилася перша самохідне водневе засіб пересування.

Однак на той момент розробки не надали значення, тому що газ не так легко отримати і зберігати, як бензин. Практичне застосування водневі двигуни отримали в Ленінграді під час блокади з другої половини 1941 року. Хоча, варто визнати, що це не були виключно водневі агрегати. Це були звичайні ДВС ГАЗ, тільки палива для них не було, зате газу в той час було більш ніж достатньо, так як їм заправляли аеростати.

У першій половині 80-х років багато країн, причому не тільки європейські, але і Америка, Росія і Японія взялися експериментувати з даного типу установками. Так, в 1982-му при спільній роботі заводу «Квант» і автопідприємства РАФ з'явився комбінований мотор, який працював на суміші водню і повітря, а в якості джерела енергії використовувався акб на 5 кВт / год.

З тих пір різними країнами виявлялися спроби впровадити «зелений» транспорт в лінійки своїх моделей, але в більшості випадків такі машини або залишалися в категорії прототипів, або мали сильно обмежений тираж.

Як працює

Так як на сьогоднішній день існує багато діючих моторів даної категорії, в кожному окремому випадку працювати воднева установка буде за своїм принципом. Розглянемо, як працює одна модифікація, яка може замінити класичний ДВС.

В такому моторі обов'язково будуть використовуватися паливні елементи. Це свого роду генератори, які активують електрохімічний реакцію. Усередині пристрою водень окислюється, а результатом реакції є виділення електрики, водяної пари і азоту. Вуглекислий газ в такій установці не виділяється.

Транспортний засіб на подібному агрегаті - такий же електромобіль, тільки батарея в ньому набагато менше. Паливний елемент виробляє достатньо енергії для роботи всіх систем автомобіля. Єдиний нюанс - від початку процесу до вироблення енергії може пройти близько 2 хв. Але максимальна віддача установки починається після прогріву системи, що займає від чверті години до 60 хвилин.

Щоб силова установка не працювала даремно, і не потрібно було заздалегідь готувати транспорт до поїздки, в ньому встановлена ​​звичайна батарея. Під час їзди вона заряджається за рахунок рекуперації, а потрібна вона виключно для старту авто.

Такий автомобіль оснащується балоном різних обсягів, куди закачується водень. Залежно від режиму їзди, розмірів машини і потужності електроустановки одного кілограма газу може вистачити на 100 кілометрів поїздки.

Типи водневого двигуна

Хоча існує кілька модифікацій водневих двигунів, всі вони діляться на два типи:

• Вид агрегату з паливним елементом;
• Доопрацьований ДВС, пристосований для роботи на водні.

Розглянемо кожен тип окремо: у чому їх особливості.

Силові установки на основі водневих паливних елементів

За основу роботи паливного елемента узятий принцип акумулятора, в якому відбувається електрохімічний процес. Єдина відмінність водневого аналога - більш високий ККД (в деяких випадках більше 45 відсотків).

Паливна комірка являє собою одну камеру, в яку поміщені два елементи: катод і анод. Обидва електроди покриті платиною (або паладієм). Між ними розташована мембрана. Вона ділить порожнину на дві камери. У порожнину з катодом подається кисень, а в другу - водень.

В результаті відбувається хімічна реакція, результатом якої є об'єднання молекул кисню і водню з виділенням електрики. Побічний ефект від процесу - вода і виділився азот. Електроди паливних елементів підключені до електричного кола автомобіля, в тому числі і електромотора.

Водневі двигуни внутрішнього згоряння

В цьому випадку, хоча мотор і називається водневим, він має ідентичне будова, що і звичайний ДВС. Єдина відмінність - відбувається згоряння не бензину або пропану, а водню. Якщо заправляти балон воднем, тобто одна проблема - цей газ знизить ефективність звичайного агрегату приблизно на 60 відсотків.

Ось кілька інших проблем, з якими пов'язаний перехід на водень без модернізації двигуна:

• Коли ВТС буде стискатися, газ буде вступати в хімічну реакцію з металом, з якого виготовлена ​​камера згоряння і поршень, а нерідко це може відбуватися і з моторним маслом. Через це в камері згоряння утворюється іншу сполуку, яка не відрізняється особливою здатністю до якісної згорянню;
• Зазори в камері згоряння повинні бути ідеальними. Якщо десь паливна система має хоча б мінімальну витік, при контакті з розпеченими предметами газ легко запалиться.

Двигун для Honda Clarity

З цих причин водень практичніше застосовувати в якості палива в роторних моторах (в чому їх особливість, читайте тут). Впускний і випускний колектори таких агрегатів розташовані окремо один від одного, тому газ на впуску не розжарюється. Як би там не було, поки мотори модернізуються так, щоб обійти проблеми використання більш дешевого і екологічно чистого палива.

Який термін служби паливних осередків?

У всьому світі на сьогоднішній день такі авто - велика рідкість, і їх ще немає в серії, складно сказати, який ресурс у даного джерела енергії. У майстрів ще немає досвіду в цьому відношенні.

Єдине, що можна сказати, за заявами представників Toyota паливний елемент їх серійного автомобіля Mirai здатний безперебійно виробляти енергію аж до 250 тисяч кілометрів. Після цього рубежу потрібно спостерігати за ефективністю пристрої. Якщо його робота помітно знизилася, паливна комірка змінюється на офіційному сервісному центрі. Правда, слід очікувати, що за цю процедуру компанія візьме пристойну суму.

Які компанії вже випускають або збираються випускати автомобілі на водні?

Розробкою екологічно чистого силового агрегату займаються багато компаній. Ось автобренди, в конструкторському бюро яких стоять вже робочі варіанти, готові вийти в серію:

• Mercedes-Benz - кросовер GLC F-Cell, про старт продажів якого оголошено в 2018-му році, але поки його придбали лише деякі підприємства і міністерства Німеччини. Нещодавно був представлений прототип тягача з водневими паливними елементами - GenH2;
• Hyundai - прототип Nexo, представлений два роки тому;
• BMW - дослідний зразок водневого Hydrogen 7, який випустили з конвеєра. Партія в 100 екземплярів так і залишилася в стадії експерименту, але це вже щось.

Серед серійних авто, які можна купити як в Америці, так і в Європі, відносяться моделі Mirai та Clarity компаній Toyota і Honda відповідно. У решти компаній дана розробка поки або знаходиться в креслярському варіанті, або в якості непрацюючого прототипу.

Тойота Мірай

Хонда Ясність

Скільки це коштує автомобіль на водневому двигуні?

Вартість водневого автомобіля пристойна. Причина тому - дорогоцінні метали, які входять до складу електродів паливних елементів (паладій або платина). Також сучасне авто оснащене безліччю систем безпеки і стабілізації роботи електроелементів, що теж вимагає матеріальних засобів.

Хоча обслуговування такого автомобіля (до моменту заміни паливних осередків) не набагато дорожче, ніж звичайного авто останніх поколінь. Є країни, які спонсорують виробництво водню, але навіть з урахуванням цього за кілограм газу доведеться заплатити в середньому 11 з половиною доларів. Залежно від типу двигуна цього може вистачити на відстань близько ста кілометрів.

Чим водневі авто краще електромобілів?

Якщо взяти водневу установку з паливними елементами, то такий автомобіль буде ідентичним електромобілем, який ми звикли бачити на дорогах. Різниця лише в тому, що електрокар заряджається від мережі або від терміналу на заправній станції. Водневий же транспорт сам виробляє для себе електрику.

Що стосується вартості таких авто, то вони коштують дорожче. Наприклад, моделі Tesla в базовій комплектації будуть коштувати від 45 тисяч доларів. Водневі аналоги з Японії можна придбати за 57 тис.у.о. Баварці ж свої авто на «зеленому» паливі реалізують за ціною від 50 тисяч дол.

Якщо брати до уваги практичність, то простіше заправити машину газом (на це піде близько п'яти хвилин), ніж чекати півгодини (при швидкій зарядці, що не для всіх типів батарей дозволено) на стоянці. У цьому плюс водневих установок.

Ще один плюс - паливні комірки особливо не потребують обслуговування, а їх робочий ресурс досить великий. Що ж стосується електромобілів, то їх величезна батарея приблизно через п'ять років буде вимагати заміни через те, що в ній відбувається багато циклів зарядки-розрядки. На морозах батарея в електротранспорті розряджається набагато швидше, ніж в літній період. А ось елемент на реакції окислення водню не страждає від цього і стабільно виробляє електрику.

Які перспективи у водневих машин і коли їх можна буде побачити на дорогах?

На території Європи і Сполучених Штатів водневий автомобіль вже можна зустріти. Однак вони ще знаходяться в категорії дивини. І на сьогоднішній день перспектив поки небагато.

Найголовніша причина того, що даний тип транспорту ще нескоро заполонить дороги всіх країн, полягає у відсутності виробничих потужностей. По-перше, необхідно налагодити вироблення водню. Причому потрібно досягти такого рівня, щоб крім екологічності це ще було і доступне більшості автомобілістів паливо. Крім виробництва цього газу потрібно налагодити його транспортування (хоча для цього можна спокійно скористатися магістралями, по яких транспортується метан), а також оснастити багато заправних станцій відповідними терміналами.

По-друге, кожному автовиробникові доведеться серйозно модернізувати виробничі лінії, що вимагає чималих вкладень. В умовах нестабільної економіки через що вибухнула всесвітньої епідемії мало хто піде на такі ризики.

Якщо подивитися на темпи розвитку електротранспорту, то процес популяризації проходив дуже швидко. Однак причина популярності машин на електротязі - можливість економити на паливі. І це часто перша причина, чому їх купують, а не заради збереження навколишнього середовища. У випадку з воднем заощадити не вийде (принаймні зараз), тому що для його виробництва витрачається набагато більше енергоресурсів.

Плюси і основні недоліки водневих двигунів

Отже, підсумуємо. До плюсів двигунів на водневому паливі можна віднести такі фактори:

• Екологічно чистий викид;
• Безшумна робота силового агрегату (електротяга);
• У разі використання паливного елемента не потрібно часте обслуговування;
• Швидка заправка;
• У порівнянні з електромобілями силова установка і джерело енергії працюють більш стабільно навіть на морозі.

Хоча розробку можна назвати новинкою, проте, у неї до цих пір існує ряд недоліків, які спонукають звичайного автомобіліста дивитися на неї з побоюванням. Ось деякі з них:

• Щоб водень зміг спалахнути, він повинен бути в газоподібному стані. Це створює певні труднощі. Наприклад, для стиснення легких газів потрібні спеціальні дорогі компресори. Також існує проблема з належним зберіганням і транспортуванням палива, так як він легко запалюється;
• Балон, який встановлюватимуть на автомобіль, потребуватиме періодичної перевірки. Для цього автомобілісту потрібно буде відвідувати спеціалізований центр, а це додаткові витрати;
• У водневому автомобілі не використовується величезна батарея, тим не менш, установка все одно пристойно важить, що значно позначається на динамічних характеристиках транспорту;
• Водень - запалюється при найменшій іскрі, тому ДТП за участю такого авто буде супроводжуватися серйозним вибухом. З огляду на безвідповідальне ставлення деяких водіїв до власної безпеки і життям інших учасників руху, такий транспорт ще не можна випускати на дороги.

Якщо врахувати зацікавленість людства в чистоті довкілля, варто очікувати, що в питанні доопрацювання «зеленого» транспорту здійсниться прорив. Але коли таке трапиться, це покаже тільки час.

А поки подивіться відеоогляд на Toyota Mirai:

Майбутнє на водні? Toyota Mirai — ПОВНИЙ ОГЛЯД та характеристики | LiveFEED®

Питання та відповіді:

Чим небезпечний водневий двигун? Під час згоряння водневої суміші двигун нагрівається сильніше, ніж при згорянні бензину. В результаті є велика ймовірність прогорання поршнів, клапанів та перевантаження агрегату.

Чим заправляти машину на водні? Такий автомобіль заправляється воднем у газоподібному стані (скраплений або стиснутий газ). Для запасу палива його стискають до 350-700 атмосфер, а температура може сягати -259 градусів.

Як працює водневий ДВЗ? Автомобіль оснащується подобою акумулятора. Через спеціальні пластини проходить кисень та водень. В результаті відбувається хімічна реакція з виділенням водяної пари та електрики.