- Історія створення водневого двигуна
- Робота двигуна на водні: особливості водневого ДВС
- Двигун на водневих паливних елементах
- Водневий двигун: подальші перспективи
- Підведемо підсумки
Як відомо, поршневий двигун внутрішнього згоряння має як плюси, так і цілий ряд певних недоліків. Перш за все, глобальною проблемою є токсичний вихлоп бензинових і дизельних ДВС , А також постійна потреба в нафтовому паливі. Не сильно змінюється ситуація і після переведення автомобіля на газ, так як установка ГБО також не вирішує всіх задач.
З урахуванням даних особливостей постійно ведуться розробки альтернативних варіантів. Сьогодні реальним конкурентом ДВС є електродвигун. При цьому відносно невеликий запас ходу, висока вартість акумуляторних батарей і всього електрокара (електромобіля) в цілому, а також відсутність розвиненої інфраструктури по ремонту та обслуговуванню таких машин закономірно гальмує їх популяризацію.
З цієї причини автовиробники постійно працюють над тим, щоб отримати «нешкідливий» для навколишнього середовища і відносно дешевий у виробництві силовий агрегат, який при цьому не потребуватиме дорогому паливі.
Серед подібних двигунів слід окремо виділити водневий ДВС, який цілком може замінити існуючий на сьогодні дизельний або бензиновий мотор, причому в доступній для огляду перспективі. Давайте розглянемо, як працює водневий двигун, яку конструкцію має подібний мотор і в чому полягають його особливості.
Історія створення водневого двигуна
Почнемо з того, що ідеї побудувати водневий мотор з'явилися ще в 1806 р Основоположником став Франсуа Ісаак де Ріваз, який отримував водень із води методом електролізу. Як видно, двигун на водні «народився» задовго до того, як було піднято ряд питань щодо навколишнього середовища і токсичності вихлопу.
Іншими словами, спроби запустити ДВС на водні були зроблені не для захисту навколишнього середовища, а з метою банального використання водню в якості палива. Через кілька десятків років (в 1841 р) був виданий перший патент на такий двигун, в 1852 в Німеччині з'явився агрегат, який успішно працював на суміші повітря і водню.
За часів Другої світової війни, коли виникли труднощі з поставками нафтового палива, технік з СРСР Борис Ісаакович Шелищ, який був родом з України, заклав основи російської водневої енергетики. Він також запропонував використовувати суміш водню і повітря в якості пального для ДВС, після чого його ідеї швидко знайшли практичне застосування. В результаті з'явилося близько півтисячі двигунів, які працювали на водні.
Однак після закінчення війни подальший розвиток водневого двигуна було призупинено як в СРСР, так і в усьому світі. Потім про це двигуні згадали тільки тоді, коли в 70-і роки XX століття стався паливна криза. В результаті компанія BMW в 1979 р побудувала автомобіль, двигун якого використовував водень в якості основного палива. Агрегат працював відносно стабільно, не було вибухів і викидів водяної пари.
Інші автовиробники також почали роботи в цій області, в результаті чого до кінця XX століття з'явилося не тільки багато прототипів, але і цілком успішно діючих зразків двигунів на водневому паливі (бензиновий і дизельний двигун на водні).
Однак після того як паливна криза закінчився, роботи над водневими ДВС також були згорнуті. Сьогодні інтерес до альтернативних джерел енергії знову зростає, тепер уже через серйозних екологічних проблем, а також з урахуванням того, що запаси нафти на планеті швидко скорочуються і на нафтопродукти закономірно зростають ціни.
Також уряди багатьох країн прагнуть стати незалежними, а водень є цілком доступною альтернативою. На сьогоднішній день над водневими ДВС ведуть роботи GM, BMW, Honda, корпорація Ford і т.д.
Робота двигуна на водні: особливості водневого ДВС
Почнемо з того, що двигун внутрішнього згоряння на водні за своєю конструкцією не сильно відрізняється від звичайного ДВС. Всі ті ж циліндри і поршні, камера згоряння і складний кривошипно-шатунний механізм для перетворення зворотно поступального руху в корисну роботу.
Єдине, в циліндрах згоряє не бензин, газ або солярка , А суміш повітря і водню. Також потрібно враховувати і те, що спосіб подачі водневого палива, смесеобразование і займання також дещо інший порівняно з аналогічними процесами в традиційних аналогах.
Перш за все, горіння водню в порівнянні з нафтовим паливом відрізняється тим, що водень згорає набагато швидше. У звичайному двигуні суміш бензину або солярки з повітрям заповнює камеру згоряння тоді, коли поршень майже піднявся в ВМТ (верхня мертва точка), потім паливо якийсь час горить і вже після цього гази тиснуть на поршень.
На водні реакція протікає швидше, що дозволяє зрушити наповнення циліндра на момент, коли поршень уже починає рух в НМТ (нижня мертва точка). Також після того, як протікає реакція, результатом стає звичайна вода замість токсичних вихлопних газів. Як видно, на перший погляд стандартний двигун відносно легко підлаштувати під водневе паливо шляхом доробок впуску, випуску та системи живлення, проте це не так.
Перша проблема полягає в тому, як отримувати необхідний водень. Як відомо, водень знаходиться в складі води і є поширеним елементом, проте в чистому вигляді практично не зустрічається. З цієї причини для максимальної автономності на транспортний засіб потрібно окремо ставити водневі установки, щоб «розщеплювати» воду, дозволяючи мотору харчуватися за необхідне паливом.
Ідея здається привабливою. Більш того, можна навіть обійтися без зовнішнього повітря на впуску і створити закриту паливну систему. Іншими словами, після кожного разу, коли в камері згорить заряд, в циліндрі буде залишатися водяна пара. Якщо цей пар пропустити через радіатор, сконденсовану, тобто знову утворюється вода, з якої можна повторно отримати водень.
Однак щоб цього домогтися, на автомобілі повинна стояти установка для електролізу (електролізер), яка і буде відокремлювати водень від води, щоб потім отримати потрібну реакцію з киснем в камері згоряння. На практиці установка виходить складною і дорогою, а створити таку закриту систему досить складно.
Справа в тому, що будь-який двигун внутрішнього згоряння незалежно від типу палива все одно потребує системі змащення , Щоб захистити навантажені вузли і труться пари. Якщо просто, без моторного масла ніяк не обійтися. При цьому масло частково потрапляє в камеру згоряння і потім в вихлоп. Це означає, що повністю ізолювати паливну систему на водні (не використовувати зовнішнє повітря) практично не реалізовується завдання.
З цієї причини сучасні водневі двигуни внутрішнього згоряння більше нагадують газові двигуни, тобто агрегати на газі пропані. Щоб використовувати водень замість пропану, досить змінити налаштування такого ДВС. правда, ККД на водні дещо знижується. Однак і водню потрібно менше, щоб отримати необхідну віддачу від мотора. При цьому ніяких установок для автономного одержання водню НЕ передбачається.
Що стосується спроби подати водень в звичайний бензиновий або дизельний двигун, автоматично виникають ризики і складності. Перш за все, високі температури і ступінь стиснення можуть привести до того, що водень буде вступати в реакцію з нагрітими елементами ДВС і моторним маслом.
Також навіть невеликий витік водню може стати причиною того, що паливо потрапить на розігрітий випускний колектор, після чого може статися вибух або пожежа. Щоб цього не сталося, для роботи на водні частіше задіють роторні двигуни. Такий тип ДВС більше підходить для цього завдання, так як їх конструкція передбачає збільшене відстань між впускним і випускним колектором.
Так чи інакше, навіть з урахуванням всіх складнощів, ряд проблем вдається обійти не тільки на роторних, але навіть і на поршневих моторах, що дозволяє водню вважатися досить перспективною альтернативою бензину, газу або солярці. Наприклад, експериментальна версія моделі BMW 750hL, яку представили у 2000 році, має водневий двигун на 12 циліндрів. Агрегат успішно працює на такому пальному і здатний розігнати автомобіль до швидкості близько 140 км / год.
Правда, ніяких окремих установок для отримання водню з води на машині немає. Замість цього варто особливий бак, який просто заправлений воднем. Запас ходу на повному баку водню становить близько 300 км. Після того, як водень закінчиться, двигун в автоматичному режимі починає працювати на бензині.
Двигун на водневих паливних елементах
Зверніть увагу, під водневими двигунами розуміються як агрегати, що працюють на водні (водневий ДВС), так і мотори, які використовують водневі паливні елементи. Перший тип ми вже розглянули вище, тепер давайте зупинимося на другому варіанті.
Паливний елемент на водні фактично являє собою «батарейку». Іншими словами, це водневий акумулятор з високим ККД близько 50%. Пристрій заснований на фізико-хімічні процеси, в корпусі такого паливного елемента є особлива мембрана, яка проводить протони. Ця мембрана розділяє дві камери, в одній з яких варто анод, а в інший катод.
В камеру, де розташований анод, надходить водень, а в камеру з катодом потрапляє кисень. Електроди додатково покриті дорогими рідкоземельними металами (найчастіше, платиною). Це дозволяє грати роль каталізатора, який впливає на молекули водню. В результаті водень втрачає електрони. Одночасно протони йдуть через мембрану на катод, при цьому каталізатор також впливає і на них. В результаті відбувається з'єднання протонів з електронами, які надходять зовні.
Така реакція утворює воду, при цьому електрони з камери з анодом надходять в електричний ланцюг. Зазначена ланцюг підключена до двигуна. Простими словами, утворюється електрику, яке змушує двигун працювати від такого водневого паливного елемента.
Подібні водневі двигуни дозволяє пройти не менше 200 км. на одному заряді. Основним мінусом є висока вартість паливних елементів через використання платини, паладію і інших дорогих металів. В результаті кінцева вартість транспорту з таким двигуном сильно зростає.
Водневий двигун: подальші перспективи
Сьогодні над створенням екологічних двигунів працюють багато компаній. Деякі йдуть по шляху створення двигунів-гібридів , Інші роблять ставку на електромобілі і т.д. Що стосується водневих установок, в плані екології та продуктивності даний варіант також може найближчим часом скласти конкуренцію ДВС на бензині, газі або дизпаливі.
Водневі двигуни показали себе дещо краще, ніж самі просунуті електрокари. Наприклад, японська модель Honda Clarity. Єдине, залишився такий недолік, як способи і можливості заправки. Справа в тому, що інфраструктура водневих заправних станцій не дуже розвинена, причому в світовому масштабі.
Також не дуже великим є і сам вибір водневих легкових авто. Крім Honda Clarity можна хіба що згадати Mazda RX8 Hydrogen, а також BMW Hydrogen 7. Фактично це автомобілі-гібриди, які працюють на рідкому водні та бензині. Ще можна додати в список Mercedes GLC F-Cell. Ця модель має можливість підзарядки від побутової мережі електроживлення і дозволяє пройти до 500 км. на одному заряді.
Додатково варто відзначити модель Toyota Mirai. Автомобіль працює тільки на водні, одного бака вистачає на 600 км. Водневі двигуни ще зустрічаються на вітчизняній моделі «Нива», а також встановлюються корейцями на спеціальну версію позашляховика Hyundai Tucson.
Як видно, з двигуном на водні активно експериментують багато виробників, проте таке рішення все одно має багато недоліків. При цьому деякі мінуси сильно заважають масової популяризації.
Перш за все, це безпека і складність транспортування такого палива. Важливо розуміти, що водень досить горючий і вибухонебезпечний навіть при відносно невисоких температурах. З цієї причини його складно зберігати і перевозити. Виходить, необхідно будувати особливі водневі резервуари для авто з даним типом двигуна. Як результат, на практиці водневих заправок дуже мало.
До цього також можна додати певну складність і високі витрати на ремонт і обслуговування водневого агрегату, а також необхідність у підготовці та навчанні великої кількості висококваліфікованого персоналу. Якщо ж говорити про сам авто на водні і його експлуатаційні характеристики, наявність водневої установки робить машину важчою, закономірно погіршується керованість.
Підведемо підсумки
Як видно, сьогодні водневі автомобілі і двигун на воді можна вважати цілком реальною альтернативою не тільки звичним ДВС, які використовують нафтове паливо, а й електрокарам.
Перш за все, такі установки менш токсичні, при цьому вони не потребують дорогого палива на основі нафти. Також автомобілі з водневим двигуном мають прийнятний запас ходу. У продажу є і гібридні моделі, що використовують як водень, так і бензин.
Що стосується недоліків і труднощів, машина з водневим двигуном сьогодні має високу вартість, а також можуть виникати проблеми із заправкою паливом через недостатню кількість заправних станцій. Не варто забувати і про те, що також не просто знайти фахівців, які здатні якісно і професійно обслужити водневу силову установку. При цьому обслуговування буде досить витратним.
Наостанок зазначимо, що активне будівництво трубопроводів для перекачування газу метану обіцяє в подальшій перспективі можливість перекачування по цим же трубопроводах і водню. Це означає, що в разі зростання загального числа авто з водневими двигунами, також висока ймовірність швидкого збільшення кількості спеціалізованих заправних станцій.
