- коротка історія
- Принцип роботи і типи водневого двигуна
- Силові установки на основі водневих паливних елементів
- Водневі двигуни внутрішнього згоряння
- Водневий двигун на сучасному ринку
- Плюси і основні недоліки водневих двигунів
Традиційний двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) має ряд істотних недоліків, що змушує вчених шукати йому гідну заміну. Найпопулярнішим варіантом подібної альтернативи є електродвигун, однак він не єдиний, хто може скласти конкуренцію ДВС. У даній статті мова піде про водневому двигуні, який по праву вважається майбутнім автомобілебудування і може вирішити проблему з шкідливими викидами і дорожнечею палива.
коротка історія
Незважаючи на те, що національна безпека навколишнього середовища тільки зараз стала масовою проблемою, про зміну стандартного двигуна внутрішнього згоряння вчені замислювалися і раніше. Так, мотор, що працює на водні, «побачив світ» ще в 1806 році, чому посприяв французький винахідник Франсуа Ісаак де Ріваз (він виробляв водень за допомогою електролізу води).
Минуло кілька десятків років, і в Англії видали перший патент на водневий двигун (1841 рік), а в 1852 році німецькі вчені сконструювали ДВС, який міг працювати на повітряно-водневої суміші.
Трохи пізніше, за часів блокади Ленінграда, коли бензин був дефіцитним продуктом, а водень мався на досить великій кількості, технік Борис Шелищ запропонував використовувати для роботи загороджувальних аеростатів повітряно-водневу суміш. Після цього на водневе харчування перевели все ДВС лебідок аеростатів, а загальне число працюючих на водні машин досягало 600 одиниць.
У першій половині ХХ століття інтерес громадськості до водневим двигунів був невеликий, але з приходом паливно-енергетичної кризи 70-х років ситуація різко змінилася. Зокрема, в 1879 році компанія BMW випустила перший автомобіль, який цілком успішно їздив на водні (без вибухів і водяної пари, що виривається з вихлопної труби).
Слідом за BMW, в цьому напрямку почали працювати інші великі автовиробники, і до кінця минулого століття практично кожна поважаюча себе автокомпанія вже мала концепцію розробки машини на водневому паливі. Проте, з закінченням нафтової кризи зник і інтерес громадськості до альтернативних джерел палива, хоча в наш час він знову починає прокидатися, що підігрівається захисниками екології, які борються за зниження токсичності вихлопних газів автомобілів.
Більш того, ціни на енергоносії і бажання знайти паливну незалежність тільки сприяють проведенню теоретичних і практичних досліджень вченими багатьох країн світу. Найактивнішими є компанії BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.
Цікавий факт! Водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті, але знайти його в чистому вигляді на нашій планеті буде дуже непросто.
Принцип роботи і типи водневого двигуна
Основною відмінністю водневої установки від традиційних двигунів є спосіб подачі паливної рідини і подальше займанням робочої суміші. При цьому принцип трансформації зворотно-поступальних рухів кривошипно-шатунного механізму в корисну роботу залишається незмінним. З огляду на, що горіння нафтового палива відбувається досить повільно, паливно-повітряна суміш наповнює камеру згоряння раніше, ніж поршень займе своє крайнє верхнє положення (так звану верхню мертву точку).
Стрімка реакція водню дає можливість зрушити час вприскування ближче до того моменту, коли поршень починає повертатися до нижньої мертвої точки. Потрібно відзначити, що тиск в паливній системі не обов'язково буде високим.
Якщо водневого двигуна створити ідеальні робочі умови, то він може мати паливну систему харчування закритого типу, коли процес сумішоутворення буде проходити без участі атмосферних повітряних потоків. У такому випадку після такту стиснення в камері згоряння залишається водяна пара, який, проходячи через радіатор, конденсується і знову перетворюється в звичайну воду.
Однак застосування такого виду пристрою можливо тільки тоді, коли на транспортному засобі є електролізер, що відокремлює водень від води для його повторної реакції з киснем. На даний момент домогтися таких результатів вкрай складно. Для стабільної роботи двигунів застосовується моторне масло , А його випаровування є частиною вихлопних газів.
Тому безпроблемний запуск силової установки і її стійка робота на Гримучому газі без використання атмосферного повітря - поки що нездійсненна задача. Розрізняють два варіанти автомобільних водневих установок: агрегати, що функціонують на основі водневих паливних елементів, і водневі двигуни внутрішнього згоряння.
Силові установки на основі водневих паливних елементів
В основі принципу роботи паливних елементів лежать фізико-хімічні реакції. По суті, це ті ж свинцеві акумуляторні батареї, ось тільки коефіцієнт корисної дії паливного елемента трохи вище, ніж АКБ, і становить близько 45% (іноді більше).
У корпус воднево-кисневого паливного елемента поміщена мембрана (проводить тільки протони), що розділяє камеру з анодом і камеру з катодом. В камеру з анодом надходить водень, а в камеру катода - кисень. Кожен електрод заздалегідь покривають шаром каталізатора, в ролі якого нерідко виступає платина. При його впливі молекулярний водень починає втрачати електрони.
В цей же час протони проходять через мембрану до катода і під впливом того ж каталізатора з'єднуються з електронами, які надходять зовні. В результаті реакції утворюється вода, а електрони з камери анода переміщаються в електроланцюг, з'єднані з мотору. Простіше кажучи, ми отримуємо електричний струм, який і живить двигун.
Водневі двигуни на основі паливних елементів сьогодні використовуються на автомобілях «Нива», оснащених енергоустановкою «Антел-1», і машинах «Лада 111» з агрегатом «Антел-2», які були розроблені уральськими інженерами. У першому випадку одного заряду вистачає на 200 км, а в другому - на 350 км.
Слід зазначити, що через дорожнечу металів (паладію і платини), що входять в конструкцію таких водневих двигунів, подібні установки мають дуже велику вартість, що істотно збільшує і ціну транспортного засобу, на якому вони встановлені.
А чи знаєте ви? Фахівці компанії Toyota почали працювати з технологією паливних елементів ще 20 років тому. Приблизно тоді стартував і проект гібридного автомобіля Prius.
Водневі двигуни внутрішнього згоряння
Даний тип силових установок дуже схожий на поширені сьогодні мотори на пропані, тому, щоб перейти з пропану на водневе паливо, досить просто переналаштувати двигун. Вже існує чимало прикладів подібного переходу, але потрібно сказати, що в цьому випадку ККД буде трохи нижче, ніж при використанні паливних елементів. У той же час, для отримання 1 кВт енергії водню буде потрібно менше, що цілком компенсує цей недолік.
Використання цієї речовини в звичайному моторі внутрішнього згорання викличе цілий ряд проблем. По-перше, висока температура стиснення «змусить» водень вступити в реакцію з металевими елементами двигуна або навіть моторним маслом. По-друге, навіть невеликий витік при контакті з розпеченим випускним колектором точно призведе до спалаху.
З цієї причини для створення водневих конструкцій використовуються тільки силові агрегати роторного типу, так як їх конструкція дозволяє зменшити ризик виникнення пожежі за рахунок відстані між впускним і випускним колектором. У будь-якому випадку, всі проблеми поки вдається обходити, що дозволяє вважати водень досить перспективним паливом.
Хорошим прикладом транспортного засобу з водневою установкою може послужити експериментальний седан BMW 750hL, концепт якого був представлений ще на початку 2000-х років. Автомобіль оснащений дванадцятициліндровим мотором, що працює на основі ракетного палива і дозволяє розігнати машину до 140 км / год. Водень в рідкій формі зберігається в спеціальному баку, і одного його запасу вистачає на 300 кілометрів пробігу. Якщо ж він повністю витрачається, система автоматично перемикається на бензинове харчування.
Водневий двигун на сучасному ринку
Останні дослідження вчених в області експлуатації водневих двигунів показали, що вони не тільки дуже екологічні (як електродвигуни), але можуть бути дуже ефективними в плані продуктивності. Більш того, за технічними показниками водневі силові установки обходять своїх електричних побратимів, що вже було доведено (наприклад, Honda Clarity).
Також слід зазначити, що, на відміну від систем Tesla Powerwall, водневі аналоги мають один суттєвий недолік: зарядити акумулятор за допомогою сонячної енергії вже не вийде, а замість цього доведеться шукати спеціальну заправну станцію, яких на сьогоднішній день навіть у світовому масштабі налічується не так вже й багато.
Зараз Honda Clarity випущений досить обмеженою партією, і придбати автомобіль можна тільки в Країні висхідного сонця, так як в Європі і Америці транспортний засіб з'явиться тільки в кінці 2016 року.
Цікаво знати! Генератор Power Exporter 9000 (може входити в комплектацію Honda Clarity) здатний живити всю домашню техніку майже цілий тиждень.
Також в наш час випускаються і інші транспортні засоби, що використовують водневе паливо. До них відносяться Mazda RX-8 hydrogen і BMW Hydrogen 7 (гібриди, які працюють на рідкому водні і бензині), а також автобуси Ford E-450 і MAN Lion City Bus.
Серед легкових автомобілів найпомітнішими представниками водневих транспортних засобів на сьогодні є автомобілі Mercedes-Benz GLC F-Cell (є можливість підзарядки від звичайної побутової мережі, а сумарний запас ходу складає близько 500 км), Toyota Mirai (працює тільки на водні, і однієї заправки повинно вистачати на 650 км шляху) і Honda FCX Clarity (заявлений запас ходу досягає 700 км). Але і це ще не все, адже автотранспорт на водневому паливі випускається і іншими компаніями, наприклад, Hyundai (Tucson FCEV).
Плюси і основні недоліки водневих двигунів
При всіх своїх перевагах, не можна сказати, що водневий транспорт позбавлений певних недоліків. Зокрема, необхідно розуміти, що горюча форма водню при кімнатній температурі і нормальному тиску представлена у вигляді газу, що викликає певні труднощі в зберіганні і транспортуванні такого палива. Тобто існує серйозна проблема конструювання безпечних резервуарів для водню, що застосовується в якості палива для автомобілів.
Крім того, балони з цією речовиною вимагають періодичної перевірки і сертифікації, які можуть виконуватися тільки кваліфікованими фахівцями, які мають відповідну ліцензію. Також до цих проблем варто додати і дорожнечу обслуговування водневого мотора, не кажучи вже про дуже обмеженій кількості заправних станцій (по крайней мере, в нашій країні).
Не варто забувати і про те, що воднева установка збільшує вагу автомобіля, через що він може виявитися не настільки маневреним, як вам би того хотілося. Тому, з огляду на все вищесказане, гарненько подумайте: чи варто купувати водневе транспортний засіб, або поки з цим краще почекати.
Однак потрібно сказати, що і переваг в подібному рішенні чимало. По-перше, ваш автомобіль не буде забруднювати навколишнє середовище токсичними вихлопними газами, по-друге, масове виробництво водню може допомогти вирішити проблему різко мінливих цін на паливо і перебоїв в поставках звичайних видів паливних рідин.
До того ж, у багатьох країнах вже побудовані мережі трубопроводів для метану, і їх нескладно адаптувати для прокачування водню з наступною доставкою до заправкам. Виробляти водень можна як в малих масштабах, тобто на місцевому рівні, так і масово - на великих, централізованих підприємствах. Зростання виробництва водню послужить додатковим стимулом для зростання поставок цієї речовини в побутових цілях (наприклад, для опалення будинків і офісів).
А чи знаєте ви?