Водородный автомобильный двигатель: Водородный двигатель автомобиля — как работает и основные недостатки

Водородный транспорт — хорошая идея только в теории / Хабр

Я очень хочу потыкать острой палкой в идею об электрических автомобилях на водородных топливных элементах (ТЭ). Некоторые люди совершенно очарованы этой идеей. Как можно не очароваться? На вход подается водород, абсолютно «чистое» топливо, а на выходе получается только вода или пар, и никакого углекислого газа, оксидов азота, сажи, и т. д. Водородный двигатель — тихий и компактный. Это не тепловой двигатель, и поэтому на него не распространяются жесткие ограничения цикла Карно. Заправка очень быстрая и не сильно сложнее чем обычная бензиновая заправка.

Кроме того, если вы — нефтяная компания, и спрос на бензин и дизель начнет уменьшаться, вы только что обнаружили новое топливо, которое можно продавать! Вы спасены!

Если вы живете в частном доме и хотите потреблять меньше энергии, вы думаете что можете делать водород из воды используя электричество от солнечных панелей на крыше, убивая сразу двух зайцев: вы получаете топливо для вашей машины и запасаете излишки энергии от солнечной генерации, с помощью единственной магической технологии. Звучит потрясающе!

К сожалению, дьявол кроется в деталях, и он не то чтобы сильно прячется, если вы будете смотреть внимательно.

В моей предыдущей статье я обсуждал эффективность в энергетических циклах двигателей внутреннего сгорания и электрических автомобилей. Я буду ссылаться на результаты из этой статьи когда буду делать предположения об электрических автомобилях на топливных элементах (fuel cell electric vehicle, FCEV). Я буду делать аналогичные допущения и использовать похожие источники.

Дисклеймер: я упомянут в нескольких патентах компании Texaco о получении водорода из природного газа для подачи на протонообменную мембрану (ПОМ, ПЭМ) топливных элементов (теперь патенты принадлежат Chevron, которая поглотила Texaco). Я занимался водородом еще с институтских времен, и примерно каждый второй проект на протяжении десятилетий, которые я провел в компании Zeton, включал в себя водород или синтез-газ.

Однако, еще раз хочу четко сказать: водород это прекрасная идея — в теории. Но большая проблема с водородом заключается… в самой молекуле водорода. Никакие изобретения или технологии не решат эту проблему.

Давайте разбирать цепочку эффективности электрического транспорта на водородных топливных элементах этап за этапом, также как мы делали с двигателем внутреннего сгорания и электрическими машинами на аккумуляторах (battery electric vehicle, BEV).

Производство водорода

КПД самого производства водорода — примерно 70%, в лучшем случае, к сожалению. Я недавно [статья 2017 года — прим. перев.] разговаривал с Hydrogenics, большим производителем щелочных и ПЭМ-электролизеров. Эффективность их более дешевых щелочных электролизеров — примерно 60%, а эффективность ПЭМ-электролизеров — 70%, когда он работает на минимальном токе. (Вы можете делать гораздо больше водорода на этом же приборе просто увеличив ток, но жертвуя эффективностью.) Это достаточно близко к теоретическому пределу эффективности электролиза — ~83%, которая получается, если поделить низшую теплоту сгорания (HTC) получаемого водорода на энергию затрачиваемую на электролиз. Мы не вернем эту потерю в топливном элементе потому что мы не используем теплоту конденсации водяного пара.

Большинство производителей электролизеров указывают КПД в расчете на высшую теплоту сгорания (ВТС), то есть включая теплоту конденсации пара. В этом случае 70% (НТС) КПД электролизеров превращаются в примерно 83% (ВТС).

Проблема электролиза в том, что часть энергии очевидно идет на создание молекул кислорода. Это может быть полезно в больших системах, которые могут собирать и сжимать чистый кислород (который затем можно продавать), либо если водород используется не как топливо, а как сырье в технологическом процессе, и этот процесс также использует кислород. К сожалению, водородная заправка не будет использовать кислород, она будет просто выпускать его в воздух.

Поэтому давайте остановимся на 70% (НТС) КПД конвертации электричества в водород, предположительно, электричества от возобновляемых источников (ВИЭ). Если совсем строго, мы еще должны учесть 6% потерь в электросети от источника электричества до электролизера.

70% КПД электролиза почти совпадает с наивысшей доступной на данный момент эффективностью технологии получения водорода из природного газа, парового риформинга (паровой конверсии) метана (steam methane reforming, SMR). Большие установки повышают эффективность, утилизируя теплоту продуктов процесса и сжигая побочные газы после очистки водорода.

Максимально чистый водород нужен, чтобы увеличить эффективность и долговечность топливных элементов. Они очень чувствительны к угарному газу, который уменьшает эффективность платинового катализатора в топливном элементе (то есть, является каталитическим ядом). К сожалению, невозможно конвертировать углеводороды в водород, не получив на выходе также какое-то количество угарного газа. Более того, сам катализатор может преобразовать углекислый газ в угарный газ, поэтому водородное топливо должно быть полностью очищено от обоих газов. Даже инертные газы, такие как аргон и азот, уменьшают эффективность ПЭМ-топливного элемента, потому что надо позаботиться об их выводе на аноде. Поэтому реальные топливные элементы требуют очень чистый водород: посмотрите на спецификации ПЭМ-топливных элементов производства Ballard, Plug Power, и других.

К сожалению, эффективность паровой конверсии метана стремительно падает с уменьшением установки. Тепловые потери увеличиваются, что имеет особенно большое значение в таком высокотемпературном процессе как паровая конверсия. Вы быстро обнаружите это когда попробуете спроектировать процесс для относительно небольшой водородной заправки.

Доставка природного газа по трубопроводам к установке по паровой конверсии в водород и последующая доставка водорода от централизованной установки к заправкам скорее всего будет стоить больше чем 6% от энергии конечного водорода, но давайте будем щедрыми и примем эти потери тоже за 6% чтобы делать меньше подсчетов (хотя, в конечном счете, это все равно будет неважно). Таким образом, вне зависимости от того, начинаем мы с электричества или с метана, мы приходим к 70%*94% ~= 66% КПД производства водорода, без существенных возможностей для улучшения потому что мы уже близки к термодинамическим пределам.

Стоит отметить что КПД электролиза горячего пара может казаться очень высоким (даже выше 100%), например, при использовании твердооксидного топливного элемента в реверсе. Естественно, при этом не учитывается работа по испарению воды и нагреву пара. Никто не использует электролиз пара если у него нет а) источника «бесплатного» пара и б) процесса в котором используется горячий водород или горячий кислород или желательно оба газа. Кроме того, как всякие высокотемпературные устройства, паровые электролизеры «не любят» работать с перерывами, поэтому вам также нужен стабильный круглосуточный источник электричества, а возобновляемые источники — не стабильные.

Хранение водорода

Теперь нам надо хранить водород, и загвоздка опять в самой молекуле. Хотя плотность энергии водорода на единицу массы очень большая, даже в форме криогенной жидкости (при температуре 24 выше абсолютного нуля) водород имеет плотность всего 71 кг/м3. Поэтому единственная практичная на данный момент форма хранения водорода для небольших машин — это газ высокого давления. Любые способы увеличения объемной плотности хранения водорода или уменьшения давления (например, гидриды металлов, абсорбенты, органические носители, и т. д.) или сильно увеличивают массу бака, или увеличивают потери водорода во время хранения, или требуют энергии для извлечения водорода. Я бы не рассчитывал на некий магический прорыв в этой области: у нас было тридцать лет на исследования с того момента, как водород стал всерьез рассматриваться как топливо.

Про опасность водорода хорошо известно, и в моей статье не будет картинки с дирижаблем «Гинденбург»! На самом деле, уже достаточно давно научились безопасно обращаться с водородом в промышленности если использовать разные меры предосторожности. Но я не хочу, чтобы мои соседи даже думали о производстве водорода под давлением 400 или 600 атмосфер с помощью своих домашних солнечных панелей. Это кажется мне кошмарной идеей по многим причинам.

Чтобы сжать водород с давления ~20 атмосфер на выходе с установки по паровой конверсии из метана или с примерно атмосферного давления (на выходе из некоторых электролизеров) до 400 атмосфер надо потратить энергию, обычно электричество. К сожалению, мы вынуждены рассеивать тепло от сжатия водорода на достаточно низкой температуре чтобы сберечь элементы компрессора, и поэтому это тепло трудно как-то использовать. Более того, давление в баке на заправке может снизиться с 400 атмосфер только до 395 во время заправки одной машины, поэтому вся работа по сжатию делается при самом высоком коэффициенте сжатия [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. Бак на заправке должен быть очень большим. В противном случае, требования заправляющего компрессора или ограничения по переносу тепла могут уменьшить скорость заправки (ведь мы помним, что скорость заправки — чуть ли не главная причина, по которой нам интересен водород в качестве топлива для транспорта!).

На большом масштабе, с гигантскими компрессорными агрегатами, можно хранить водород под большим давлением теряя не больше 10% от теплоты сгорания (НТС) хранимого водорода на работу компрессоров, что, на самом деле, удивительно хорошо, учитывая вышесказанное. (Заметим, что политропный КПД самих компрессоров — это лишь малая часть этих потерь. Мы смотрим на другую меру эффективности.) К сожалению, когда мы уменьшаем размер компрессоров, эффективность улетает вниз. Многоступенчатый диафрагменный компрессор для автомобиля может потреблять до половины энергии сжимаемого водорода или даже больше. При уменьшении масштаба также растут капитальные расходы в расчете на единицу энергии проходящей через установку на протяжении ее жизненного цикла. Прискорбно, что транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична по той же причине, по которой его тяжело хранить — свойства молекулы. [Тут автор не развивает мысль почему транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична, но в другой статье он пишет, что доставка водорода по трубопроводам требует в три раза больше энергии, чем доставка природного газа, на единицу переносимой энергии — прим. перев.] Все мечты о «водородной экономике» предполагают малые и распределенные системы производства водорода, так что мы не должны гонять водород с места на место, что оставляет нам только один реалистичный вариант: электролиз.

Таким образом, у нас остается 70% (производство) * 94% (потери в электросети или на работу трубопровода) * 90% (хранение под высоким давлением) = 59% КПД от исходной энергии до бака автомобиля. Для сравнения, для бензина этот показатель — 80%. Конечно, мы не будем использовать водород в неэффективном двигателе внутреннего сгорания как замену бензину, особенно если водород получен из углеводородов: мы бы лучше просто сжигали эти углеводороды в ДВС напрямую.

Если нас заботят выхлопы парниковых газов, производство водорода из метана точно не решает проблему [см. недавнюю статью «Насколько чист «голубой» водород?» на эту тему — прим. перев.]. Мы бы лучше просто ездили на Приусах. Электролиз с использованием электричества из возобновляемых источников — это единственный возможный вариант.

Топливный элемент с протонообменной мембраной

Печально, но мы все еще не закончили терять энергию — далее идут потери в топливном элементе. Хотя это и не тепловой двигатель, топливный элемент все равно имеет собственные термодинамические пределы. Топливные элементы достигают эффективности в 50–60%, и это недалеко от теоретического предела в 83% для идеального топливного элемента. 

Давайте будем щедрыми и возьмем 60% как КПД топливного элемента. Реальные ТЭ которые можно купить имеют эффективность около 50% — лучше, чем у небольшого двигателя, примерно так же, как у судовых двигателей или стационарных скоростных двигателей, или у газовых турбин.

Вся цепочка, от источника энергии до колес

Учитывая эффективность электрического инвертора и мотора (90%), общая эффективность «от электростанции до колес» — 94%*70%*90%*60%*90% = 32%. Напомню, что по показателю «от скважины до колес», Приус достиг эффективности 30% на бензине, то есть мы «сделали» Приус, и это без вредных выхлопов. И с быстрой заправкой. Ура! Ура?…

Мой самодельный электрический автомобиль, «E-Fire», имеет эффективность 76.5%… и тоже не дает никаких выхлопов. [Источник этой оценки неясен: если автор берет такие же потери в инверторе, моторе, и электросети, его батарея должна иметь КПД 90%. — прим. перев.] несмотря на очень маленькую батарею по нынешним стандартам, всего 18.5 кВч, этого хватает на мою дорогу до работы и обратно. Я уже проехал на этой машине 20 тыс. км. без парниковых выхлопов, и я никогда не ждал ее зарядки: я заряжаю ее один раз ночью, и один раз утром на работе. Эта машина не делает всего того, что делает машина с ДВС, не пытается, и не должна этого делать.

Капитальные затраты на водородный стек

Таким образом, электромобили на топливных элементах (FCEV) в лучшем случае примерно в 2.4 раза хуже чем лучшая доступная сейчас альтернативная технология, электромобили на аккумуляторах (BEV). Взамен мы получаем более быструю заправку и, возможно, немного большую дальность хода на одной заправке, и это все. Не слишком ли высока цена за немного большее удобство? Хотя, подождите, мы ведь даже не начали говорить о цене….

Водород это очень дорогое топливо, с любой точки зрения.

В 2.4 раза худшая эффективность транспорта на топливных элементах означает что мы должны установить в 2. 4 раза больше генерирующих мощностей из возобновляемых источников. Сам по себе этот факт должен заставить сторонников водорода задуматься.

Мы также должны построить инфраструктуру по распределению водорода. Вы не будете заправляться водородом дома, это слишком огнеопасно. Это значит что кто-то должен заняться этой инфраструктурой как бизнесом, но никто не захочет это делать потому что на этом не получится заработать.

Наконец, давайте посмотрим на сам электромобиль на ТЭ. В нем, конечно, должен быть бак для водорода и топливные элементы. А также все остальные части обычных электромобилей, включая аккумулятор! Аккумулятор будет меньше, ближе по размеру к аккумуляторам в гибридах, но он все равно нужен чтобы было куда девать энергию от рекуперативного торможения, чтобы управлять потребностями в системе топливных элементов чтобы уменьшить ее стоимость. Батарея также нужна во время старта и выключения топливных элементов. Таким образом, электромобиль на ТЭ — это гибрид.

В дополнение ко всему вышесказанному, сами топливные элементы по-прежнему очень дороги. Хотя цены однозначно снизятся с началом массового использования и производства, также как сейчас снижаются цены на литий-ионные аккумуляторы, металлы платиновой группы (МПГ), такие как платина и палладий, используемые в катализаторах топливных элементов, не позволят ценам упасть слишком сильно. Уменьшите долю МПГ, и топливные элементы станут еще более чувствительными к примесям в водороде, и, я подозреваю, эффективность упадет. Замените МПГ на более дешевые металлы, такие как никель, и большая часть преимуществ топливных элементов пропадет: они должны будут работать при более высоких температурах, и т. д.

Toyota Mirai, электромобиль на топливных элементах

Означает ли это, что водород — это мертвая идея для персональных электромобилей? Одним словом, на мой взгляд, ДА. Я полностью согласен с Илоном Маском в этом вопросе. Разве что, уточнив, что мы говорим не о мире в котором электричество ничего не стоит, или его цена даже становится отрицательной потому что генерация из возобновляемых источников становится такой дешевой что не требует вообще никаких денежных вложений. Но я готов поспорить, что а) этого никогда не произойдет, б) даже если мы приблизимся к этой странной экономической ситуации, капитальные затраты и другие практические проблемы с электролизерами, компрессорами, резервуарами для хранения и топливными элементами все равно полностью убьют идею.

Сравнение двух реальных автомобилей которые можно купить (по крайней мере, в Калифорнии) показывает, что мои оценки оптимистичны в пользу водорода. Для автомобилей с аналогичными характеристиками и дальностью хода, водородный автомобиль потребляет в 3.2 раза больше энергии и стоит в 5.4 раза больше в расчете на проеханный километр:

Конечно, обе технологии будут улучшены в будущем, но расчеты выше по тексту задают пределы. Невозможно преодолеть законы термодинамики неким хитрым изобретением или принимая желаемое за действительное.

Означает ли все это, что топливные элементы вообще не нужны? Вовсе нет! Существуют устоявшиеся области в которых ПЭМ-топливные элементы имеют смысл, но это лишь те ситуации, где энергоэффективность гораздо менее важна, чем, например, быстрая заправка. Таким образом, Plug Power находит свою нишу на рынке складских вилочных погрузчиков, особенно на охлаждаемых складах.

Вилочный погрузчик на топливных элементах

То же самое относится к так называемым «power to gas» (P2G) схемам. Это совсем другая модель: они используют «избыточную» возобновляемую электроэнергию для производства водорода, который затем под низким давлением подмешивается в газовую сеть, где в конечном итоге используется для производства тепла, часто в устройствах, которые в конечном итоге рекуперируют тепло конденсации водяного пара (продукта горения водорода). Как средство хранения электроэнергии схемы P2G настолько смехотворно неэффективны, что о них даже не стоит говорить, но зато они требуют лишь небольших капитальных вложений и сокращают выбросы парниковых газов, когда водород вытесняет метан. Это не так уж и плохо, если только вы не сделаете вывод, что однажды мы ПОЛНОСТЬЮ заменим природный газ водородом… Это будет очень глупо.

Другие применения водорода на транспорте

На данный момент, в некоторых видах транспорта: самолеты, поезда, суда, аккумуляторы практически или совсем неприменимы. Главный вопрос в этих случаях стоит так: насколько мы заботимся о токсичных выбросах? Если они волнуют нас больше всего, водород — единственные решение. Но если мы больше думаем о парниковом эффекте, мы также можем использовать биотопливо как альтернативу водороду. [При сжигании биотоплива в воздух попадает углекислый газ, но этот углерод был извлечен из атмосферы самими растениями в течение предыдущего года, поэтому общий атмосферный баланс не нарушается — прим. перев.] Для самолетов биотопливо, скорее всего, — это единственное практическое решение до тех пор пока мы не изобретем что-то с гораздо большей плотностью энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, возможно, перезаряжаемые металл-воздушные аккумуляторы. И хотя мы не сможем полностью заменить бензин и дизель на биотопливо, даже если полностью забудем об экономике (цифры по этому поводу см. на сайте www.withouthotair.com), если мы покроем 90% перевозок (в километрах, или тоннокилометрах) электричеством, мы можем производить достаточно биотоплива чтобы покрыть оставшиеся 10%, ПЛЮС все те другие виды транспорта, в которых в сейчас невозможно использовать аккумуляторы. Гораздо важнее избавиться от токсичных выхлопов в городах, чем на трассах, в море, или высоко над землей.

Очевидно, что использование водорода или электрохимии для уменьшения выбросов CO2 с целью получения жидких углеводородов значительно менее эффективно, чем сам водород [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. То же самое и с аммиаком, который кажется кому-то способом преодолеть некоторые недостатки водорода. Аммиак — ядовитый газ, и, опять же, производить его менее эффективно, чем водород. Мысль о заправке автомобилей аммиаком повергает меня в ужас, учитывая количество смертей, связанных с аммиаком в результате его использования в качестве хладагента и в сельском хозяйстве.

Так называемое «e-топливо» (e-fuel, power-to-liquid) — это, на самом деле, производная водородного топлива. Оно делается из углекислого газа, воды (продукт горения водорода), и электричества. При реверсе термодинамического процесса неизбежны потери. С учетом того, что потом мы используем это топливо в неэффективном ДВС, вся схема получается очень очень неэффективной.

Е-топливо — это способ использовать еще больше излишков энергии в тщетных попытках превратить водород в более эффективное (удобное) топливо. К сожалению, если мы не сможем производить достаточно биотоплива для того транспорта, в котором мы не можем использовать аккумуляторы, нам, возможно, придется сначала использовать топливные элементы, и только в самом крайнем случае — е-топливо. И мы будем горько плакать, глядя на его стоимость.

Настоящее будущее «зеленого» водорода

Сейчас более 96% водорода производится из ископаемого топлива либо целенаправленно (паровая или автотермальная конверсия метана), либо как побочный продукт при производстве нефти. Мы должны научиться производить водород очень эффективно из возобновляемого электричества, но не тратить его как автомобильное топливо, а использовать при производстве удобрений: аммиака и мочевины. Нам придется избавиться от гигантской инфраструктуры по производству и доставке углеводородов.

В продолжение темы, читайте мою статью: «Hydrogen from renewable energy — our future?» Или зеленый камуфляж?

Дисклеймер [от автора статьи, не переводчика]: все что я пишу в своих статьях — это мое личное мнение. Я пытаюсь всегда приводить ссылки на источники, когда могу. Скорее всего, в моих цифрах и рассуждениях есть ошибки. Я заранее извиняюсь за них. Если вы можете указать мне на них со ссылкой на хороший источник, я отвечу и исправлю текст. Мой работодатель, Zeton Inc., работает в совсем другой области, и не имеет ни интереса, ни даже позиции по поводу водорода. Мы проектируем и строим пилотные установки.

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

Содержание

• Что такое водород, как использовать
• Водородные двигатели внутреннего сгорания
• Агрегаты, работающие от водородных батарей
• О выгодах применения
• Выгодные аспекты
• Доводка до совершенства
• Экскурс по истории

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:

• использующие в своей работе водород двигатели внутреннего сгорания;
• 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 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.

Водородный двигатель для автомобиля. Водородный двигатель: особенности, достоинства и недостатки

• Что такое водородный двигатель
• Откуда появились водородные ДВС
• История создания
• Устройство водородного двигателя
• Как работает
• Водородные моторы внутреннего сгорания
• Двигатели на водородных элементах
• Отличительная черта водородных двигателей
• Плюсы и минусы использования водорода в качестве автомобильного топлива
• Типы водородного двигателя
• Силовые установки на основе водородных топливных элементов
• Водородные двигатели внутреннего сгорания
• Какой срок службы топливных ячеек
• Чем водородные авто лучше электромобилей
• Самые популярные автомобили с водородным ДВС
• Hyundai ix35 FCEV
• Hyundai Nexo
• Honda Clarity и Clarity2
• Toyota Mirai
• Ford Airstream
• Mercedes-Benz GLC F-CELL
• Pininfarina h3 Speed
• BMW Hydrogen 7
• Grove Obsidian
• Какие перспективы у автомашин на водороде
• Водород как горючее
• В чём опасность такого топлива
• Водород и проблемы с экологией
• Проблемы эксплуатации ДВС

Что такое водородный двигатель

Это такой тип двигателя, который в качестве топлива использует водород. Применение этого химического элемента позволит снизить истощение запасов углеводородных ресурсов. Вторая причина заинтересованности в подобных установках – снижение загрязнения окружающей среды.

В зависимости от того, какой тип мотора будет использоваться в транспорте, его работа будет отличаться от классического двс или быть идентичной.

к содержанию ↑

Откуда появились водородные ДВС

В 70-х в мире разразился энергетический кризис, что подвигло ученых заняться поиском альтернативы бензину. Одним из первых на водороде стал ездить внедорожник Тойота, но в конце 90-х он так и не пошел в серию. Исследования в этой области продолжались. Кроме Тойота успехов добились Хендай и Хонда.

Но энергетический кризис закончился, а вместе с ним пропал и интерес к моторам, работающим на альтернативном топливе. Сейчас проблема снова стала актуальной, экологи опять заставляют обратить на нее внимание. Проводить практические эксперименты с водородом подталкивает повышение цен на топливо. Активнее всего к созданию двигателей на водороде подходят BMW, Honda и Ford. В 2016 году был выпущен первый поезд, двигатель которого работает на h3.

к содержанию ↑

История создания

Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.

Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.

Во времена Второй мировой войны, когда возникли сложности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелищ, который был родом из Украины, заложил основы российской водородной энергетики. Он также предложил использовать смесь водорода и воздуха в качестве горючего  для ДВС, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате появилось около полутысячи двигателей, работавших на водороде.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире. Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г. построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.

Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.

к содержанию ↑

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%.

Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения.

Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

к содержанию ↑

Как работает

Так как на сегодняшний день существует много действующих моторов данной категории, в каждом отдельном случае работать водородная установка будет по своему принципу. Рассмотрим, как работает одна модификация, которая может заменить классический ДВС.

В таком моторе обязательно будут использоваться топливные элементы. Это своего рода генераторы, которые активируют электрохимическую реакцию. Внутри устройства водород окисляется, а результатом реакции является выделение электричества, водяного пара и азота. Углекислый газ в такой установке не выделяется.

Транспортное средство на подобном агрегате – такой же электромобиль, только батарея в нем намного меньше. Топливный элемент вырабатывает достаточно энергии для работы всех систем автомобиля. Единственный нюанс – от начала процесса до выработки энергии может пройти около 2 мин. Но максимальная отдача установки начинается после прогрева системы, что занимает от четверти часа до 60 минут.

Чтобы силовая установка не работала впустую, и не нужно было заранее подготавливать транспорт к поездке, в нем установлена обычная батарея. Во время езды она подзаряжается за счет рекуперации, а нужна она исключительно для старта авто.

Такой автомобиль оснащается баллоном разных объемов, куда закачивается водород. В зависимости от режима езды, размеров машины и мощности электроустановки одного килограмма газа может хватить на 100 километров поездки.

к содержанию ↑

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.

к содержанию ↑

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.

к содержанию ↑

Отличительная черта водородных двигателей

В конструктивном плане водородный мотор мало чем отличаются от стандартных ДВС. В нем также присутствуют поршни, камера сгорания и шатунно-кривошипный механизм. Так в чем же отличие?

Дело в том, что водородные моторы используют иной способ поставки топливной смеси и её последующее возгорание. Кроме того, процесс сгорания водорода занимает намного меньше времени, чем в случае с горючим нефтяного происхождения. Отличия незначительны, и на первый взгляд может сложиться впечатление, что переоборудовать обычный ДВС в водородный несложно, но это не так.

Ряд проблем использования двигателя на водороде:

1. Водород сложно получить. Не секрет, что он содержится в воде и по праву считается самым распространённым химическим элементом в мире, правда, в чистом виде он практически не представлен. Это значит, что автомобиль необходимо оснащать специальной установкой закрытого типа — электролизёром, отвечающим за расщепление воды и позволяющим добыть водород. Однако на практике такая установка сложна в изготовлении, что сильно влияет на её конечную стоимость.
2. Водород из-за высокой температуры сжатия легко вступает в реакцию с различными металлическими элементами силовой установки и даже с моторным маслом.
3. Даже маленькая утечка водорода при контакте с разогретым коллектором вызовет возгорание. Именно поэтому сегодня при создании водородных моторов используются исключительно роторные силовые установки, так как они позволяют снизить риск возгорания из-за большего расстояния между коллектором впуска и выпуска.

Тем не менее, большую часть проблем пока удаётся решать, причём не только на роторных установках, но и в двигателях, использующих поршневые механизмы, что позволяет водороду оставаться наиболее перспективной заменой бензину/дизелю.

к содержанию ↑

Плюсы и минусы использования водорода в качестве автомобильного топлива

Начало 21-го века, как и само начало XX века, также считается временем перемен. Вновь перед населением нашей Планеты замаячила технологическая революция и вновь главное место в ней занимают, как и всегда — автомобили. Как и сто лет назад быстрыми темпами начали развиваться альтернативные виды транспорта, не связанные с привычными нам двигателями внутреннего сгорания. Все чаще можно увидеть на дорогах мира автомобили гибриды, которые приводятся в движение электродвигателем и ДВС. В развитых странах Мира и Европы все чаще входят в обиход электрокары. Совсем еще недавно, каких-то 7 — 10 лет назад, ученные и инженеры пророчили таким машинам с ДВС большое будущее, работающим на самом распространенном элементе в нашей вселенной — водороде. Все это человечество уже проходило в начале прошлого столетия. А потому, заново и вновь подтверждает свою актуальность распространенное по всему белу свету изречение: «Все новое — это хорошо забытое старое».

Сейчас наша Планета переживает новый кризис,- нефтяной. Только связан он не с дефицитом черного золота ставшего на 100 лет локомотивом развития всего человечества, а с перенасыщенностью данного вида товара на рынке. Это быть может и есть тот первый сигнал говорящий нам о том, что «нефтяной век» подходит к своему концу. Как говорят, — каменный век закончился не потому что закончились камни. Поэтому нам так важно сегодня развивать запасной план (запасной источник знергии, для авто в том числе) на случай, если…

21 век в автомобильном мире будет веком распространения технологий будущего. Но не всем новым технологиям суждено выиграть в этом  естественном отборе.

И так, приступим. Менее десяти лет назад единственной реальной альтернативой ископаемым видам топлива был по сути водород. Прошли годы, а никаких серьезных подвижек в этом направлении так сделано и не было. Наоборот, аутсайдер того времени то есть электрокар,  из пешек, перешел в дамки, с появлением автомобиля Tesla и разработкой очень надежных и прогрессивных аккумуляторов, из которых всем стало ясно, что электрические автомобили — это всерьез и надолго.

Почему так получилось? Ведь водородный ДВС был практически идеальным способом приводить в движение автомобиль. Он не требовал больших вложений в разработку нового агрегата (водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания). По данным статистики, в случае использования водородного топлива мощность мотора упадет с 82 — до 65%, по сравнению с обычным бензиновым мотором. Но внеся небольшие изменения в саму систему зажигания, мощность того же двигателя сразу увеличится до 118%.

Первый плюс ДВС работающего на водороде: -необходимы минимальные изменения в конструкции двигателя для того, чтобы мотор перевести на новый вид топлива

Экологичность такого вида топлива тоже не подвергается сомнениям. Последняя серийная разработка японской автомобилестроительной корпорации «Toyota» доказала, что «выхлоп» водородного автомобиля можно…по-просту пить. Это лмчно продемонстрировал один зарубежный автожурналист. Он сделал несколько глотков воды поступающей прямо из выхлопной трубы автомобиля Toyota Mirai, и тут-же сказал, что на вкус данная вода вполне себе даже ничего, настоящая дистиллированная, без примесей.

Второй плюс этих ДВС — экологичность. Никакого загрязнения окружающей среды вредными выбросами в атмосферу. Значит, сведение к минимуму этих парниковых газов и спасение нашей прекрасной Планеты. Вот к чему может привести использование этого вида топлива.

Следующий фактор о водородных двигателях (его косвенно можно считать таковым). Исторически так уж сложилось, что водородом заправляли еще «автопионеров» среди ДВС. Первый такой водородный двигатель был построен французским конструктором Франсуа Исаак де Ривазом аж в 1806 году.

Не забудем и те героические времена истории Нашей с вами страны. В блокадном Ленинграде на водород было переведено более 500 автомобилей. И они без особых проблем несли свою непростую но нужную службу.

Получается, что водород, как топливо для сжигания в ДВС, используют уже достаточно давно. Значит и особых проблем в создании современного автомобиля не должно просто быть.

Четвертый значительный фактор говорящий за целесообразность использования вещества с формулой h3- это его колоссальная распространенность на планете. h3 (водород) можно получать даже из отходов и сточных вод.

Часто встречающиеся в природе вещества достаточно дешево стоят. Значит и водородное топливо не должно быть дорогим.

Пятый фактор. — Водород может использоваться не только в ДВС. Технологии также позволяют применять его в так называемом «топливном элементе».

Топливный элемент отделяет один электрон в атоме водорода от одного протона и использует электроны для получения электрического тока. Это электричество способно питать двигатель в электрокаре. В самих топливных элементах также не используется ископаемое топливо, поэтому таковые (топливные элементы) по-просту не загрязняют окружающую среду. И главное достоинство — они безопасны, водород не может сам по себе самопроизвольно испарится из них. Казалось бы, просто идеальный преемник двигателю внутреннего сгорания в качестве источника энергии для автомобилей 21-го века.

Использование водорода может происходить в различных силовых установках, делая его таким образом более гибким к развитию технологий. Разрабатываемые современные водородные автомобили в основном используют эту данную схему, как наиболее безопасную и продуктивную.

Не мало плюсов, неправда ли друзья? И они все очень даже весомые. Но почему тогда до сих пор мы не видим миллионы водородных самодвижущихся экипажей вокруг нас по всей планете? На то есть свои определенные причины, и они также очень сегодня важны.

к содержанию ↑

Типы водородного двигателя

Хотя существует несколько модификаций водородных двигателей, все они делятся на два типа:

• Вид агрегата с топливным элементом;
• Доработанный ДВС, приспособленный для работы на водороде.

Рассмотрим каждый тип по отдельности: в чем их особенности.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

За основу работы топливного элемента взят принцип аккумулятора, в котором происходит электрохимический процесс. Единственное отличие водородного аналога – более высокий КПД (в некоторых случаях более 45 процентов).

Топливная ячейка представляет собой одну камеру, в которую помещены два элемента: катод и анод. Оба электрода покрыты платиной (или палладием). Между ними расположена мембрана. Она делит полость на две камеры. В полость с катодом подается кислород, а во вторую – водород.

В результате происходит химическая реакция, результатом которой является объединение молекул кислорода и водорода с выделением электричества. Побочный эффект от процесса – вода и выделившийся азот. Электроды топливных элементов подключены к электроцепи автомобиля, в том числе и электромотору.

к содержанию ↑

Водородные двигатели внутреннего сгорания

В этом случае, хотя мотор и называется водородным, он имеет идентичное строение, что и обычный ДВС. Единственное отличие – происходит сгорание не бензина или пропана, а водорода. Если заправлять баллон водородом, то есть одна проблема – этот газ снизит эффективность обычного агрегата приблизительно на 60 процентов.

Вот несколько других проблем, с которыми связан переход на водород без модернизации мотора:

• Когда ВТС будет сжиматься, газ будет вступать в химическую реакцию с металлом, из которого изготовлена камера сгорания и поршень, а нередко это может происходить и с моторным маслом. Из-за этого в камере сгорания образуется другое соединение, которое не отличается особой способностью к качественному сгоранию;
• Зазоры в камере сгорания должны быть идеальными. Если где-то топливная система имеет хотя бы минимальную утечку, при контакте с раскаленными предметами газ легко воспламенится.

Мотор для Honda Clarity

По этим причинам водород практичней применять в качестве топлива в роторных моторах (в чем их особенность, читайте здесь ). Впускной и выпускной коллекторы таких агрегатов расположены отдельно друг от друга, поэтому газ на впуске не раскаляется. Как бы то ни было, пока моторы модернизируются так, чтобы обойти проблемы использования более дешевого и экологически чистого топлива.

к содержанию ↑

Какой срок службы топливных ячеек

Во всем мире на сегодняшний день такие авто – большая редкость, и их еще нет в серии, сложно сказать, какой ресурс у данного источника энергии. У мастеров еще нет опыта в этом отношении.

Единственное, что можно сказать, по заявлениям представителей Toyota топливный элемент их серийного автомобиля Mirai способен бесперебойно вырабатывать энергию вплоть до 250 тысяч километров. После этого рубежа нужно наблюдать за эффективностью устройства. Если его работа заметно снизилась, топливная ячейка меняется на официальном сервисном центре. Правда, следует ожидать, что за эту процедуру компания возьмет приличную сумму.

к содержанию ↑

Чем водородные авто лучше электромобилей

Если взять водородную установку с топливными элементами, то такой автомобиль будет идентичным электромобилем, какой мы привыкли видеть на дорогах. Разница лишь в том, что электрокар заряжается от сети или от терминала на заправочной станции. Водородный же транспорт сам вырабатывает для себя электричество.

Что касается стоимости таких авто, то они стоят дороже. Например, модели Tesla в базовой комплектации будут стоить от 45 тысяч долларов. Водородные аналоги из Японии можно приобрести за 57 тыс.у.е. Баварцы же свои авто на «зеленом» топливе реализуют по цене от 50 тысяч долл.

Если брать во внимание практичность, то проще заправить машину газом (на это уйдет около пяти минут), чем ждать полчаса (при быстрой зарядке, что не для всех типов батарей позволительно) на стоянке. В этом плюс водородных установок.

Еще один плюс – топливные ячейки особо не нуждаются в обслуживании, а их рабочий ресурс достаточно большой. Что же касается электромобилей, то их огромная батарея приблизительно через пять лет будет требовать замены из-за того, что в ней происходит много циклов зарядки-разрядки. На морозах батарея в электротранспорте разряжается намного быстрее, чем в летний период. А вот элемент на реакции окисления водорода не страдает от этого и стабильно вырабатывает электричество.

к содержанию ↑

Самые популярные автомобили с водородным ДВС

Несмотря на то, что учёные продолжают ломать голову над устранением текущих проблем, связанных с использованием водородных моторов, количество машин на водородном топливе продолжает расти. Самыми известными авто, функционирующими на водороде, являются:

1. Тойота Mirai FCV – автомобиль впервые дебютировал в 2013 году, но в продажу поступил лишь в 2015-м. Имеющиеся в нем баллоны обеспечивали «дальнобойность» около 500 км.
2. BMW 750hL, концептуальная версия которого была показана ещё в 2000-м году. Машина комплектуется специальным баком с водородов, запаса которого достаточно для преодоления расстояния в 300 км.
3. Honda Clarity – ещё один автомобиль, использующий водород вместо классического топлива. Основные достоинства модели — эффектная внешность и впечатляющий, по меркам водородных авто, запас хода, составляющий 589 км.
4. Riversimple Rasa – небольшой водородный автомобиль родом из Великобритании. Его главной особенностью стал небольшой вес (чуть более 500 кг) и внушительный запас хода – порядка 500 км.

Кроме того, производители продолжают представлять «водородные» концепт-кары, среди которых — Audi H-tron Quattro, водородный Mercedes GLC, грузовик Nikola One от Nikola Motor, суперкар h3 Speed от дизайнерского дома Pininfarina и многие другие.

к содержанию ↑

Hyundai ix35 FCEV

Южнокорейский производитель выпускает модель, которая способна преодолеть почти 600 км на одной зарядке. Потребуется 5,64 кг водорода. Мощность силового агрегата — 134 л. с. Предельная скорость — 160 км/ч, разгон до «сотни» занимает 12,5 сек.

Этот «железный конь» так называется на азиатском рынке и в США. В Европе и РФ он именуется Tucson. Первоначальная стоимость на рынке США составляла $88 500, в Германии — €65 450. В самой Ю. Корее цена на кроссовер от $48 000: при покупке присутствует государственная субвенция.

Hyundai ix35 FCEV

к содержанию ↑

Hyundai Nexo

Вторая модель производителя, на наш вкус, более привлекательна визуально. Она была представлена 07.01.2018 г. в Лас-Вегасе. У Nexo запас хода на 200 километров больше, а мощность двигателя — на 29 «лошадок». Кроссовер оснащен силовым агрегатом, мощность которого составляет 163 л. с. Модель способна преодолеть почти 800 км на одной зарядке, достигать скорости до 150 км/ч и разгоняться до первой «сотни» за 9,5 секунд.

Вариантов комплектации два — Модерн и Премиум.

Hyundai Nexo

Стоимость автомобиля стартует в Европе / США от €54 000/$64 800. В самой Ю. Корее пятиместный кроссовер можно приобрести за $35 000.

к содержанию ↑

Honda Clarity и Clarity2

Седан D-класса был представлен широкой публике в Лос-Анджелесе, в конце осени 2007. Продажи в США, Европе и самой Японии начались следующим летом. 136 л. с. двигателя позволяют разогнать седан до «сотни» за 10 сек. Самая высокая скорость передвижения — 161 км/ч. 4,1 кг водорода хватает, чтобы преодолеть без заправки путь в 450 км.

С конвейера авто сняли в 2014, потому что ему на смену пришел аналогичный переднеприводный седан, но уже бизнес-класса. Мультиэкологичная Clarity2 была представлена в Токио в 2015 г. Здесь уже 177 «лошадок». А «дальнобойность» движения — 750 км. В США этот седан предлагали в лизинг. Покупатель должен был оплатить $2 878 первоначального взноса, а потом на протяжении трех лет ежемесячно платить $379.

Honda Clarity

к содержанию ↑

Toyota Mirai

В конце осени 2014 автоконцерн презентовал четырехдверный серийный автомобиль-гибрид, а его продажи стартовали в Японии в конце года. В октябре 2019 появились автомашины второго поколения, поступившие в продажу летом 2020.

С полным баком седан способен проехать чуть больше 480 км. Двигатель Mirai дает возможность развивать скорость в 175 км/ч и за 9 секунд достигать отметки в 100 км/ч.

Стоимость гибридного автомобиля в Японии стартует от $57 500. В США имеется государственная федеральная поддержка, американцы могут приобрести трехобъемник за $45 000. Для Европы ценник стартует от €78 540.

Toyota Mirai

к содержанию ↑

Ford Airstream

Это гибридный автомобиль с электрическим мотором и водородными ячейками. Поэтому кроме водорода автомобиль может применять для движения аккумуляторы, которые подзаряжаются от водородных элементов.

На аккумуляторе Ford Airstream может проехать около 40 км (это половина заряда), а затем активируется водородное топливо. Запас хода чуть более 450 км, а максимальная скорость — 135 км/ч.

к содержанию ↑

Mercedes-Benz GLC F-CELL

Это первый серийный автомобиль, который сочетает в себе аккумулятор и водородные топливные ячейки. На электричестве он может проехать 50 км, а на водороде – около 430 км. Отмечу, что аккумулятор можно зарядить от обычной электрической розетки.

Автомобиль можно использовать как в качестве электрокара на небольшие расстояния, так и в качестве водородного авто для длительных поездок.

к содержанию ↑

Pininfarina h3 Speed

Это итальянский автомобиль, который способен разгоняться до 100 км/ч всего за 3,4 секунд. Максимально автомобиль может разгоняться до 299 км/ч. Запасы чистого водорода в баке – чуть более 6 кг. Кроме этого Pininfarina имеет мощный аккумулятор и электромоторы. Цена этого продвинутого автомобиля составляет 2,5 млн. долл.

к содержанию ↑

BMW Hydrogen 7

Авто создано на базе стандартной BMW 7. Он работает как на бензине, так и на жидком водороде. В BMW Hydrogen 7 имеется бензиновый бак на 74 литра и большой водородный баллон весом целых 8 кг. Таким образом, максимальный запас хода в этой машине 780 км.

Автомобиль автоматически переключается между двумя типами топлива. Мощность двигателя на водороде – 228 л.с., а на бензине – больше на 32 л.с. Максимальная скорость 229 км/ч, разгон до 100 км/ч осуществляется чуть меньше, чем за 10 секунд.

к содержанию ↑

Grove Obsidian

Это водородный китайский автомобиль нового поколения, у которого запас хода составляет впечатляющие 1000 км. Он экономно расходует топливо за счёт облегчённого корпуса из углеродного материала и невысокому аэродинамическому сопротивлению. Заправка бака происходит всего за 3 минуты, а сам топливный бак очень прочен. А если бак будет повреждён, то водород из него вытечет в жидком виде и сгорит менее чем за 2 минуты.

Серийно автомобили станут выпускать с 2020 года, а к 2030 планируется создать 1 миллион экземпляров.

к содержанию ↑

Какие перспективы у автомашин на водороде

Если полистать новости десятилетней давности, то мы увидим, что машины на водородном топливе ставили в один ряд с электрокарами. Сегодня же видно, что такой транспорт обходится слишком дорого, а в большинстве мировых государств еще нет необходимой заправочной сети.

О том, что надежды на водород не оправдались, можно судить по американскому рынку водородных автомобилей — самому крупнейшему в мире. С 2012 года в США было реализовано всего 8000 транспортных средств на водородном топливном элементе. Свободно ездить на водороде можно только в Калифорнии — штате с самой широкой сетью соответствующих заправок. И то, регион периодически страдает от дефицита водорода, из-за чего владельцы не могут пользоваться своими авто.

Уже ясно, что по вопросам экологии водородные машины снова проигрывают электромобилям. То же самое можно сказать и о самом больном вопросе — о стоимости автомобилей. Не вызывает энтузиазма у автовладельцев и небогатый выбор водородных авто. На рынке доступны считанные модели, а многие автопроизводители к 2020 году уже свернули свои водородные проекты: выпуск таких авто обходится в 3 раза дороже, чем электрокаров.

Вывод из всего сказанного: на настоящий момент позиция водорода на топливном рынке оставляет желать лучшего. Водородные проекты не видятся перспективными крупным игрокам мирового автопрома, а население задумывается о приобретении водородной машины в самую последнюю очередь.

Но есть повод надеяться, что инновация не канет в Лету: ведь водородные топливные элементы весьма выгодны при производстве тех тех же паромов или мусоровозов. Инновации еще не раз нас удивят и возможно в скором будущем будут представлены новые технологии водородного двигателя с уникальными характеристиками.

к содержанию ↑

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.

к содержанию ↑

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.

к содержанию ↑

Водород и проблемы с экологией

Водород обилен в природе. Он хранится в воде (h3O), углеводородах (метан, Ch5) и других органических веществах. Проблема водорода как топлива в эффективности его извлечения.
При извлечении водорода, в зависимости от источника, в атмосферу попадают вредные выбросы. При этом, сам автомобиль работающий на водороде, в качестве выхлопных газов выделяет только водяной пар и теплый воздух, у него нулевой уровень выбросов.

к содержанию ↑

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.

Источники

• https://AvtoTachki.com/vodorodnyj-dvigatel-kak-rabotaet-i-nedostatki/
• https://mashinapro.ru/1771-vodorodnye-dvigateli.html
• http://KrutiMotor.ru/vodorodnyj-dvigatel-ustrojstvo/
• https://principraboty. ru/vodorodnyy-dvigatel-princip-raboty/
• https://fastmb.ru/soveti_auto/3538-vodorodnyy-dvigatel-osobennosti-dostoinstva-i-nedostatki.html
• https://1gai.ru/publ/516203-vodorod-v-avtomobilyah-opasnosti-i-slozhnosti-ispolzovaniya.html
• https://e-cars.tech/vodorodnye-avtomobili/vodorodnyj-avtomobil-obzor-serijnyh-modelej-i-perspektivnyh-konczeptov/
• https://motorist.guru/modeli/vodorodnyj-avtomobil.html
• https://b-mag.ru/avtomobili-na-vodorode-protiv-jelektromobilej-obzor/
• https://zap-online.ru/info/avtonovosti/vse-chto-nuzhno-znat-o-vodorodnom-toplive-budushchego
• https://DriverTip.ru/osnovy/kak-rabotaet-vodorodnyj-dvigatel.html

[свернуть]

Водородный двигатель – характеристика, особенности, принцип действия

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

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.

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.

Категорически запрещается использовать платиновые наконечники для свечей. Этот материал является мощным катализатором, способствующим реакции кислорода с водородом.

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.

Энергия завтрашнего дня: создание и будущее водородного двигателя

После нескольких лет обещаний, что водород — это чистое топливо будущего, только потому, что ничего не произойдет, теперь кажется, что будущее, наконец, почти наступило.

Производители автомобильной техники, включая Mazda и Toyota, в настоящее время разрабатывают водородные двигатели. для питания своих транспортных средств, и эти двигатели однажды смогут заменить не только технологию водородных топливных элементов и традиционные двигатели внутреннего сгорания, но, возможно, даже электромобили (ED).

Однако, хотя рынок электромобилей стремительно идет вперед, использование технологии водородных двигателей в коммерческих транспортных средствах все еще находится на начальной стадии, и возможность использования газообразного водорода в качестве полезной и практической альтернативы еще предстоит доказать.

Что такое водородный двигатель?

Водородный двигатель — это усовершенствованная версия традиционных двигателей внутреннего сгорания, в которых в качестве топлива используется жидкий водород вместо бензина. Автомобиль, работающий на водородных двигателях, называется автомобилем с водородным двигателем внутреннего сгорания (HICEV). Они отличаются от электрифицированных транспортных средств на водородных топливных элементах (FCEV), таких как Toyota Mirai или Hyundai Tucson, в которых используется топливный элемент, в котором водород химически реагирует с кислородом в воздухе для производства электричества, которое приводит в действие электродвигатель.

Водородные двигатели вырабатывают энергию за счет сгорания водорода и используют системы подачи и впрыска топлива, которые являются модифицированными версиями систем, используемых с бензиновыми двигателями. За исключением сгорания небольшого количества моторного масла, что также имеет место в бензиновых двигателях, водородные двигатели не выделяют CO2 при использовании.

Водородные двигатели в качестве побочного продукта выделяют в основном воду или водяной пар, но процесс производства водородного топлива может вызвать выбросы парниковых газов. Однако исследование показало, что даже если водород извлекается наиболее неэффективным способом, это, вероятно, сократит выбросы CO 2 более чем на 30% по сравнению с бензином.

Разница между HICEV и FCEV

Ключевое различие между HICEV и FCEV заключается в способе использования водорода в этих транспортных средствах. Первый включает в себя сгорание водорода, в то время как последний выполняет электрохимическую реакцию и использует жидкий водород для выработки энергии для своего электродвигателя.

Источник: Global Market Insights.

Технология водородных двигателей внутреннего сгорания (HICE) все еще находится на ранней стадии разработки. Между тем, мировой рынок электромобилей на топливных элементах уже преодолел отметку в 1 миллиард долларов США , и в ближайшие годы ожидается, что он будет демонстрировать ежегодный рост примерно на 38%.

Происхождение и эволюция водородного двигателя

В 1806 году Франсуа Исаак де Риваз создал экспериментальный двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива использовалась смесь водорода и кислорода. Двигатель De Rivaz считается самым первым в мире двигателем, работающим на водороде .

Вскоре после этого, в 1820 году,  преподобный У. Сесил написал  для Кембриджского философского общества  доклад под названием  «О применении водородного газа для производства движущейся энергии в машинах».  В этой статье описан двигатель, работающий по принципу вакуума, где вакуум создается за счет сжигания газообразного водорода.

Примерно 150 лет спустя Пол Диджес запатентовал модификацию двигателя внутреннего сгорания, которая могла работать как на бензине, так и на водороде. Конечно, к тому времени автомобили с бензиновым двигателем были нормой, и лишь немногие производители видели необходимость в разработке автомобилей с водородным топливом.

В последующие годы пагубные последствия использования ископаемого топлива для увеличения загрязнения воздуха, здоровья, глобального потепления, кислотных дождей и в других областях в транспортных средствах и промышленности стали широко признаваться вместе с их воздействием. Ученые, активисты, лидеры и исследователи начали выражать озабоченность по поводу увеличения выбросов CO 2 и экологических рисков, связанных с добычей и использованием ископаемого топлива.

Растущие экологические проблемы и спрос на экологически чистые альтернативы энергии заставили многие автомобильные компании сосредоточиться на разработке топлива с низким содержанием свинца, а затем на водороде и электромобилях.

В начале 2000-х годов японский автопроизводитель Mazda начал устанавливать двигатели Ванкеля на свою модель RX-8. Двигатель Ванкеля — это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором используется эксцентриковая поворотная конструкция для преобразования давления во вращательное движение. При заданной мощности они компактнее и весят меньше двигателя внутреннего сгорания. Их также можно легко преобразовать для работы на водороде.

Совсем недавно они обновили конструкцию, разработав  водородный роторный двигатель RENESIS, в котором используется инжектор газообразного водорода с электронным управлением и который может быть адаптирован для работы в качестве гибридного бензин-водородного двигателя.

BMW Hydrogen 7 Источник: More Cars / Wikimedia Commons

На этом работа по созданию эффективного водородного двигателя не закончилась. Примерно в 2006 году BMW разработала двухтопливный водородно-бензиновый двигатель внутреннего сгорания для своего ограниченного выпуска Hydrogen 7, который был разработан, чтобы продемонстрировать, что водород может работать в качестве топлива.  Во время испытаний автомобилю удалось разогнаться со скоростью 187 миль в час (301 км / ч), и компания также заявила, что их водородный автомобиль достиг нулевого уровня выбросов CO 2 .

Однако позже заявления BMW были отклонены Агентством по охране окружающей среды США (EPA), которое указало, что автомобиль по-прежнему выделяет углерод в результате испарения моторного масла. Кроме того, эффективность автомобиля при работе на водороде была чрезвычайно низкой, в среднем около 5,6 миль на галлон (50 л / 100 км). В основном это было связано с разницей в плотности энергии бензина и водорода.

Преимущества водородного двигателя

Существуют различные важные причины, по которым водородные двигатели рассматриваются некоторыми как будущее автомобильной промышленности, и почему производители автомобилей тратят миллионы долларов на создание эффективных гидродвигателей.

Эксперты и компании в области энергетики считают, что водород может служить бесконечным и относительно низкоуглеродным источником энергии .  Это также может стать жизнеспособной альтернативой использованию тяжелых металлов в батареях, которые наносят ущерб окружающей среде и могут стать очень дорогими в ближайшие годы с ростом электромобилей.

Источник: Global Market Insights.

Низкая энергия зажигания и высокая эффективность

Водородный ДВС имеет низкую энергию воспламенения по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, поскольку для сжигания водорода в этих двигателях используются более низкие температуры пламени и меньшая теплопередача. Это позволяет двигателю работать на очень бедных смесях и при этом быстро сгорать. Кроме того, из-за высокого коэффициента диффузии (водород смешивается с воздухом быстрее, чем бензин), использование водорода снижает опасность, связанную с возможными утечками.

Безуглеродные выбросы

Говорят, что водородные двигатели обеспечивают больший объем повышения энергетической безопасности и сокращения углеродного следа. Это связано с тем, что при работе этих транспортных средств на водороде в качестве побочных продуктов не выделяются углеродные соединения.

Быстрая заправка

Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, его необходимо хранить в виде сжатого газа, чтобы обеспечить запас хода обычных транспортных средств. Это требует использования резервуаров высокого давления, способных хранить водород с плотностью 5 000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Розничные диспенсеры, которые устанавливаются на автозаправочных станциях, могут заполнить эти баки примерно за 5 минут. Это намного быстрее, чем время, необходимое для подзарядки электромобилей, даже при быстрой зарядке. Хотя, конечно, электромобили можно заряжать дома, а водородные автомобили — нет. Другие технологии хранения находятся в стадии разработки, включая химическое связывание водорода с таким материалом, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы.

Альтернативный источник энергии

Поскольку двигатели внутреннего сгорания могут быть адаптированы для сжигания водорода вместо бензина или в дополнение к нему, ряд стран работают над инициативой по увеличению производства водорода для использования в качестве топлива в самолетах, кораблях и даже для выработки электроэнергии.  Если водород производится с использованием альтернативной энергии, это может быть рентабельным способом быстрого сокращения использования ископаемого топлива в ряде областей.

Недостатки водородного двигателя

Несмотря на многочисленные достоинства их использования, водородные двигатели до сих пор не используются в больших масштабах, и существуют многочисленные сложности, связанные с водородным топливом. Рост эффективных транспортных средств с батарейным питанием и FCEV также привел к потере интереса производителей автомобилей и новаторов к разработке HICE. Помимо этого, существует также ряд серьезных проблем, которые необходимо решить, прежде чем это станет практической альтернативой электромобилям.

Дорогая технология

Процесс извлечения водорода является дорогостоящим и энергоемким. Хотя FCEV, работающий на водороде, считается транспортным средством с нулевым уровнем выбросов, извлечение самого водорода не является нулевым выбросом. В настоящее время большая часть водорода извлекается с помощью парового риформинга, при котором высокотемпературный пар сочетается с природным газом для извлечения водорода.

Водород можно также получить из  воды с помощью электролиза. Это более энергоемко, но может быть выполнено с использованием возобновляемых источников энергии, что позволит устранить значительную часть выбросов. Однако стоимость производства водорода по-прежнему выше, чем у бензина (или электричества), поэтому необходимо будет немного их снизить, прежде чем водородные двигатели станут рентабельными в больших масштабах.

Более низкая плотность энергии

Водород не так энергоемок, как другие виды топлива, а это означает, что вам нужно больше его для выполнения определенного объема работы. Добавьте к этому присущую поршневому двигателю неэффективность, и водородные двигатели не дают в целом значительного энергетического преимущества.

Загрязнение

Хотя водородные двигатели не выделяют углерод,  из-за тепла, выделяемого в камере сгорания, оксид азота все же может образовываться в качестве побочного продукта. Это соединение вредно для окружающей среды, а это означает, что, хотя водородные двигатели имеют нулевой выброс углерода, они не являются свободными от выбросов.

Соображения безопасности

Транспортные средства, работающие на водородных двигателях внутреннего сгорания, оснащены баками для водородного топлива под давлением. Эти резервуары спроектированы так, чтобы быть очень безопасными, но в случае утечки легковоспламеняющийся водород может вызвать серьезные повреждения. Решением может быть установка в автомобиле специальных датчиков для обнаружения любых таких утечек, за что приходится платить.

Большой размер и пониженная выходная мощность

Для водородных двигателей внутреннего сгорания стехиометрическое соотношение воздух / топливо составляет 34: 1 . Это означает, что водородный двигатель использует вдвое больше воздуха для полного сгорания.

Однако это также приводит к снижению выходной мощности, и, следовательно, водородный двигатель имеет тенденцию выдавать только половину мощности по сравнению с бензиновым двигателем того же размера. Чтобы уравновесить эту потерю мощности, водородные двигатели делают больших размеров и часто оснащены турбонагнетателем.

Будущее, факты и тенденции, связанные с водородной энергетикой

Источник чистого водорода : Ballard Power

Автомобильный сектор не единодушен на осуществимости водородной технологии для сегмента пассажирских транспортных средств, и некоторые производители автомобилей, такие как Volkswagon и Audi, больше не работает на развивающихся HICEVs, предпочитая  сосредоточиться на электромобили.  Другие автопроизводители, в том числе Toyota, Renault и Hyundai, более оптимистично настроены в отношении автомобилей, работающих на водороде, и, как ожидается, продолжат разработку водородных двигателей. Toyota Mirai HFCV был представлен в 2014 году и с декабря 2019 года продано 10300 автомобилей по всему миру, в то время как южнокорейская Hyundai производит внедорожник Nexo с водородным двигателем.

Для ускорения производства водорода Европейский Союз поставил цель установить по всему континенту электролизеры мощностью 40 ГВт. Испания уже объявила о плане потратить 10,5 млрд долларов (8,9 млрд евро) на строительство водородных электролизеров мощностью 4 гигаватта (ГВт), работающих на солнечной энергии.  Другие страны, в том числе Дания, создают заводы для увеличения производства водорода путем электролиза на основе электроэнергии. Даже лидер ОПЕК Саудовская Аравия строит завод по производству экологически чистого водорода.

Корпорация Microsoft тестирует использование водородных топливных элементов для замены дизельных генераторов в качестве резервного источника питания. Американский стартап ZeroAvia планирует к 2024 году создать самолет с водородным двигателем .

Израильский производитель двигателей Aquarius Engines разработал новый водородный двигатель весом 22 фунта (10 кг), в котором используется уникальная система внутреннего газообмена, и компания утверждает, что он является легкой, экономичной и экологически чистой альтернативой традиционным двигателям внутреннего сгорания. .

Asian Renewable Energy Hub —  это масштабный проект устойчивой энергетики в Австралии, который в настоящее время находится в стадии реализации. При полной функциональности планируется вырабатывать более 50 ТВт / ч электроэнергии за счет солнечной и ветровой энергии. Основная часть этой электроэнергии будет использоваться для производства аммиака и чистого водорода.

В настоящее время в США и Великобритании доступны только три автомобиля с водородным двигателем, это Honda Clarity, Toyota Mirai и Hyundai Nexo. Однако ожидается, что в ближайшие годы это число будет расти, поскольку  многообещающие разработки в области водородной энергетики и технологии двигателей происходят во всем мире.

Хотя водородные двигатели по-прежнему сталкиваются с рядом проблем, ожидается, что в ближайшие годы рынок водорода как экологически чистого источника энергии будет быстро расти, и , по некоторым оценкам, к 2030 году он достигнет 70 миллиардов долларов. По данным Bloomberg New Energy Finance, на стадии разработки находятся проекты «зеленого» водорода на сумму более 90 миллиардов долларов. Что бы ни случилось с автомобилями HICE, использование возобновляемого водорода в качестве источника энергии будет продолжать расти.

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Source:
interesting engineering

Via:
Rupendra Brahambhatt

Теги: CO2ВодородТранспортЭкология

Водородные двигатели | Cummins Inc.

Есть вопросы о водородных двигателях? Начните здесь, чтобы получить простые ответы, и погрузитесь глубже, чтобы получить дополнительную информацию о водородном двигателе.

Растущий интерес к водородным двигателям

Водород и водородные двигатели привлекают большое внимание деловых кругов, средств массовой информации и правительства. На то есть веская причина — необходимость сократить глобальные выбросы парниковых газов и достичь нулевой точки назначения больше, чем когда-либо. А водородное топливо — один из самых перспективных носителей неископаемой энергии.

В электроэнергетике быстро развиваются технологии преобразования энергии в водород и водорода в энергию, такие как турбины для сжигания водорода. В транспортном секторе первоначально внимание было сосредоточено на водородных электромобилях на топливных элементах или FCEV. В последнее время повышенное внимание также уделяется водородным автомобилям с двигателями внутреннего сгорания, особенно среди грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности.

Водородные двигатели помогут вам добраться до нулевой точки назначения, используя безуглеродное водородное топливо в качестве FCEV, а также использовать технологии, знакомые производителям транспортных средств, автопаркам и водителям.

Присоединяйтесь к нам на IAA 2022

Destination Zero™, наша стратегия по достижению нулевых выбросов, будет в центре нашей презентации IAA. Мы продемонстрируем наши новейшие технологии и инновации, поскольку мы активно работаем над тем, чтобы перевести наших клиентов на продукты, которые в конечном итоге устраняют выбросы углерода.

Будьте готовы к IAA, ознакомьтесь с последними новостями, продуктами и другой информацией:

• Будущее коммерческого транспорта
• Водородные двигатели в мобильности и транспорте
• Сокращение выбросов коммерческого транспорта для достижения нулевого пункта назначения

Посетите наш центр IAA для получения дополнительной информации

Экологические преимущества водородных двигателей

Транспортные средства с водородными двигателями внутреннего сгорания могут работать без каких-либо выбросов CO ₂ от водородного топлива, прямых или косвенных, в зависимости от источника используемого водорода.

Водород, полученный электролизом с использованием электричества, получаемого, например, от солнечных батарей или ветряных турбин, позволяет CO ₂ — свободное вождение. Кроме того, водородное топливо не выделяет твердых частиц, угарного газа или летучих органических соединений.

Однако водородные двигатели могут выделять некоторое количество NOx, загрязнителя атмосферы, который может способствовать образованию дымки, иногда наблюдаемой над большими городами в летние месяцы. Системы доочистки используются для устранения большей части выбросов NOx.

В Соединенных Штатах перевод средних и тяжелых грузовиков на чистый водород устранит около четверти всех выбросов парниковых газов в транспортном секторе.

Роль водородных двигателей в достижении нулевого уровня выбросов

Водород, полученный из возобновляемых источников, является одним из видов топлива с нулевым уровнем выбросов для двигателей транспортных средств.

Водородные двигатели предлагают производителям транспортных средств и автопаркам уникальное преимущество среди различных технологий с низким или нулевым выбросом углерода. Водородные двигатели созданы на основе современных и надежных двигателей внутреннего сгорания. Для производителей транспортных средств это знакомая технология, которую можно использовать при проектировании и производстве автомобилей. Точно так же для автопарков это знакомая технология эксплуатации, обслуживания, устранения неполадок и обслуживания.

Никогда не пропустите последние новости

Будьте в курсе последних новостей о новых технологиях, продуктах, отраслевых тенденциях и новостях.

Адрес электронной почты

Компания

Присылайте мне последние новости (отметьте все подходящие варианты):

Грузоперевозки

Автобус

Пикап

Строительство

Сельское хозяйство

CAPTCHA

Этот вопрос предназначен для проверки того, являетесь ли вы человеком, и для предотвращения автоматической отправки спама.

Переход на водородные двигатели внутреннего сгорания

Водородные двигатели надежны, имеют знакомую технологию и приносят пользу окружающей среде. Это делает переход на водородные двигатели операционно и экономически целесообразным.

Между тем, две области часто приходят на ум в качестве потенциальных проблем при переходе на водородные двигатели.

Первый — бортовое хранилище. Водородным транспортным средствам требуются экономичные способы хранения водорода на борту. Cummins Inc. недавно создала совместное предприятие с NPROXX, лидером в области хранения и транспортировки водорода для резервуаров для хранения водорода. Это совместное предприятие будет поставлять продукты для хранения водорода и сжатого природного газа для автомобильных и железных дорог.

Второй — заправка инфраструктуры. Автомобили и грузовики, работающие на водороде, могут управляться только в том случае, если водород доступен. Именно здесь грузовые перевозки становятся отличным начальным вариантом использования водородных двигателей — подробнее об этом в следующем разделе.

Приложения, которые первыми увидят водородные двигатели

В транспортных средствах какого типа мы можем ожидать массовое внедрение водородных двигателей?

Вопреки тому, что считалось на протяжении десятилетий, это вряд ли будут личные автомобили — аккумуляторная электрическая технология кажется лучшим выбором для этого применения.

Средние и тяжелые машины, скорее всего, перейдут на водородные топливные элементы или водородные двигатели. Вполне вероятно, что в ближайшее десятилетие автобусы и дальнобойщики, работающие на водороде, станут обычным явлением. Они дополняют аккумуляторные электрические автобусы и грузовики, которые также экономически и эксплуатационно выгодны для определенных профилей задач и приложений.

Внедорожник, строительная техника, сельскохозяйственная техника и даже корабли с водородным двигателем также, вероятно, станут обычным явлением. Скорее всего, это будут приложения, которые трудно электрифицировать из-за их вариантов использования и профилей задач.

Электроэнергетика — еще один вариант использования водородных двигателей в краткосрочной перспективе для производства электроэнергии.

Примеры водородных двигателей на транспорте

Водородные двигатели не за горами, посмотрите примеры водородных двигателей в транспортном секторе.

Примеры водородных двигателей

Водородная экономика будет запущена водородными двигателями

Водородная экономика — это общесоциальное решение проблемы глобального потепления и истощения запасов ископаемого топлива.

В водородной экономике ископаемое топливо заменяется водородом, полученным из возобновляемых источников.

Одна из основных проблем, препятствующих продвижению в этом направлении, носит замкнутый характер. Массовое использование водорода может начаться, как только водородное топливо станет широко доступным; и водородное топливо станет широко доступным, как только оно найдет широкое применение.

Хорошие новости; есть приложения, в которых использование водородных двигателей целесообразно при отсутствии разветвленной сети водородных заправочных станций.

Например, дальнемагистральные перевозки на водородных двигателях возможны только при наличии нескольких водородных станций, расположенных вдоль основных маршрутов доставки. Можно увидеть, как применение водородных двигателей инициирует благотворный цикл, ведущий к большей доступности водорода и, следовательно, к большему количеству водородных применений.

Водородные двигатели и топливные элементы

Водородные двигатели и водородные топливные элементы — это очень разные технологии, которые выполняют одну и ту же функцию — приводят транспортное средство в движение с использованием водорода.

Это две дополняющие друг друга технологии, предназначенные для разных приложений и отвечающие различным требованиям конечных пользователей.

Топливные элементы — это новая передовая технология.

Водородные двигатели представляют собой модифицированные двигатели внутреннего сгорания. Инфраструктура заправки водородом, разработанная для приложений одного, может служить приложениям другого. И любое развитие более экономичного хранения водорода на борту полностью применимо к обоим.

Водородные двигатели и топливные элементы: сходства и различия

От того, как они работают, до вариантов использования и выбросов. Обозначены сходства и различия между водородными двигателями и топливными элементами.

Прочитай сейчас

Подробнее о водородных двигателях

Произведение фурора с водородными двигателями внутреннего сгорания

Читать статью

Примеры водородных двигателей в мобильности и транспорте

Читать статью

Как работают водородные двигатели?

Читать статью

Плюсы и минусы различных видов топлива на пути к обезуглероживанию

Читать статью

Роль водородных двигателей в обеспечении экологической устойчивости

Читать статью

Преимущества водородных двигателей на транспорте

Читать статью

Как работают водородные двигатели для внедорожной техники?

Читать статью

Информация о водородных двигателях для операторов автопарка

Читать статью

Информация о водородных двигателях для производителей грузовиков и автобусов

Читать статью

Будущее коммерческого транспорта

Читать статью

Все новости

Могут ли водородные двигатели поддерживать горение для оборотов?

Двигатели внутреннего сгорания на водороде неэффективны, дороги в обслуживании и хуже для окружающей среды, чем силовые агрегаты на топливных элементах или батареях. Но они также шумные и веселые, поэтому автопроизводители начинают предлагать их как более экологичный вариант для несгибаемых мотористов.

Водород займет свое место в новой зеленой экономике. Он несет больше энергии на вес и объем, чем литиевые батареи, поэтому похоже, что зеленый водород имеет смысл найти широкое применение в приложениях, которые не могут обслуживать батареи: авиация, морское дело, дальнемагистральные перевозки, поезда и тяжелые транспортные средства. являются потенциальными кандидатами.

Для автомобилей это менее важно; батареи прекрасно справятся с этой задачей для большинства водителей, и они предлагают свои преимущества. Вы можете заряжать их дома или в офисе вместо того, чтобы искать водородную станцию, для начала, и они гораздо более эффективно используют электричество, возвращая почти всю вложенную в них энергию в виде крутящего момента на колесах. В самом деле, единственные существенные потери энергии на колесах, с которыми вы сталкиваетесь при работе электромобиля от аккумуляторной батареи, связаны с линиями электропередачи.

Тем не менее, потребительские автомобили на водородных топливных элементах, такие как Toyota Mirai и Hyundai Nexo, останутся актуальными для водителей, предпочитающих возможность быстрой заправки, а не ожидание подзарядки в длительной поездке. Япония и Корея усердно работают над тем, чтобы сделать водород широко доступным, поэтому они должны быть такими же удобными, как современные газовые горелки.

С точки зрения эффективности автомобили на топливных элементах ужасны по сравнению с батареями. Энергия растрачивается на стадиях электролиза, сжатия и транспортировки, она медленно вытекает из резервуара, если ее оставить в покое, и есть еще одна неэффективность, связанная с прохождением ее обратно через топливный элемент для преобразования обратно в электричество. Хорошо на колесах, если электрическая батарея имеет КПД около 75-85 процентов, электрическая батарея на топливных элементах обеспечивает около 30-35 процентов. Но, по крайней мере, это нулевой уровень выбросов и низкие эксплуатационные расходы.

Yamaha разрабатывает 5,0-литровый двигатель V8, работающий на водороде, для Toyota

Yamaha

Вот почему странно, что появляется еще один вариант в виде специально разработанных двигателей внутреннего сгорания на водороде, таких как 5-литровый 450-сильный V8, который Yamaha разрабатывает для Toyota, и концепт-кар с водородным двигателем, над которым сейчас тизерит Renault.

Водород можно сжигать в двигателях внутреннего сгорания, но это имеет свои недостатки. Во-первых, он страдает от всех потерь эффективности цепочки поставок электромобиля на топливных элементах, с дополнительным недостатком, заключающимся в том, что стадия сгорания еще менее эффективна, чем топливный элемент, что снижает конечную эффективность полного цикла еще примерно на 5 процентов.

Во-вторых, хотя продуктом сгорания водорода является безопасная чистая вода, процесс его сжигания в воздухе также приводит к выбросу вредных закисей азота, а поскольку его необходимо смазывать маслом, это масло будет производить выбросы твердых частиц. Каталитические фильтры будут установлены для удаления многих из этих веществ, но не всех. Таким образом, сжигание водорода менее эффективно и менее чисто, чем электромобили на топливных элементах.

Третий минус для заказчика — обслуживание. Электрические силовые агрегаты требуют очень мало, но силовые агрегаты внутреннего сгорания требуют регулярного обслуживания. Циничный наблюдатель заметил бы, что производители хорошо зарабатывают на запчастях и сервисном обслуживании, и это может в некоторой степени объяснить, почему автомобильные компании вообще рассматривают эту технологию.

Послепродажный доход, такой как техническое обслуживание и запасные части, может стать экономическим стимулом для автомобильных компаний продвигаться вперед с водородными двигателями, но история, которую они рассказывают, отличается. Во-первых, двигатель внутреннего сгорания находится в центре программ большинства автопроизводителей на протяжении многих десятилетий и занимает определенное место в их холодных корпоративных сердцах.

«Мы работаем над достижением углеродной нейтральности к 2050 году», — пояснил президент Yamaha Motor Ёсихиро Хидака в пресс-релизе о сделке компании по разработке водородного двигателя для Toyota. «В то же время «Мотор» находится в названии нашей компании, и, соответственно, у нас есть сильная страсть и уровень приверженности двигателю внутреннего сгорания».

Toyota уже участвовала в гонках Fuji Super TEC 24 Hours Race, Super Taikyu Race в Autopolis и SUZUKA S-TAI на автомобилях, работающих на водороде, и работает над расширением этих усилий

Yamaha

Но, во-вторых, и что более интересно, кажется, что они работают над тем, чтобы позиционировать водородное топливо как выбор автолюбителей в углеродно-нейтральном вождении. Электрика аккумуляторов и топливных элементов бесшумна, что делает их скучными для некоторых людей, которые выросли в восторге от оркестров сгорания, которые они могут дирижировать правой ногой. Водородные двигатели могут вернуть звуки выхлопа и впуска в салоны автомобилей с низким уровнем выбросов, если не с нулевым уровнем выбросов.

И хотя электрика беспощадно эффективна и, как правило, намного быстрее, чем газовые горелки на светофоре, она ничего не дает страстным водителям в обмен на потерю кинетической связи с дорогой через сцепление, тахометр, рычащий двигатель с интересной кривая крутящего момента и коробка передач.

Двигатели внутреннего сгорания на водороде могут помочь всем этим вещам двигаться вперед в новый зеленый мир. Страстные энтузиасты снова и снова демонстрируют, что они готовы тратить больше на топливо, если взамен получают больше удовольствия. Многие уже вырывают из совершенно новых автомобилей средства контроля выбросов только для того, чтобы выжать из них несколько дополнительных лошадиных сил или улучшить их звук, так что они вряд ли откажутся от нескольких закисей азота или твердых частиц.

Renault тизерит новую концепцию, работающую на водородном двигателе внутреннего сгорания

Renault

Похоже, что несколько компаний начинают позиционировать двигатели внутреннего сгорания как своего рода выбор энтузиастов, более экологичный вариант, к которому люди могут перейти, либо потому, что они хотят сделать лучше для окружающей среды, либо потому, что в конечном итоге они вынуждены к.

«Лично я хочу добиться не только производительности, но и нового очарования двигателя внутреннего сгорания, которого мир еще не видел», — сказал Ямада.

В самом деле, похоже, что Toyota может рассматривать сжигание водорода и как будущее гонок. Он уже представил прототипы с водородными двигателями в трех внутренних гонках и планирует расширить эту программу на другие соревнования. Там, где гонки на электромобилях обвиняют в том, что они немного бесплодны в отсутствие большого шума, возможно, это и есть противоядие.

Это, безусловно, придает интересную окраску. Что скажете, мотористы? Поскольку в течение следующих 30 лет бензин постепенно исчезнет из меню, будете ли вы заинтересованы в водородном автомобиле, который мог бы поддерживать театр вождения двигателя внутреннего сгорания, даже если он стоит дороже, нуждается в обслуживании и хуже для окружающей среды, чем автомобиль. аккумуляторный электромобиль?

Источники: Yamaha, Renault

Toyota Развитие технологий водородных двигателей с помощью автоспорта | Корпоративный | Global Newsroom

22 апреля 2021 г.

Пресс-релиз
Окружающая среда
Водород
Инновации
Автоспорт

Скачать все изображения

PDF

Тойота-Сити, Япония, 22 апреля 2021 г. — Toyota Motor Corporation (Toyota) объявила сегодня о разработке водородного двигателя для достижения углеродно-нейтрального мобильного общества. Он установил двигатель на гоночный автомобиль на базе Toyota Corolla Sport, который будет участвовать в соревнованиях под знаменем ORC ROOKIE Racing, начиная с серии Super Taikyu 2021 Powered by Hankook Round 3 NAPAC Fuji Super TEC 24 Hours Race 21 мая. 23.

Оттачивая свой водородный двигатель, находящийся в стадии разработки, в суровых условиях автоспорта, Toyota стремится внести свой вклад в создание устойчивого и процветающего мобильного общества.

Гонка серии Super Taikyu

Изображение водородного двигателя

Электрифицированные автомобили на топливных элементах (FCEV), такие как Toyota Mirai, используют топливный элемент, в котором водород вступает в химическую реакцию с кислородом воздуха для производства электроэнергии, питающей электродвигатель. Между тем, водородные двигатели генерируют энергию за счет сжигания водорода с использованием систем подачи топлива и впрыска, которые были модифицированы по сравнению с теми, которые используются в бензиновых двигателях. За исключением незначительного сжигания моторного масла во время вождения, что также имеет место в бензиновых двигателях, водородные двигатели не выделяют CO2 во время работы.

Сгорание в водородных двигателях происходит быстрее, чем в бензиновых двигателях, что приводит к характеристике хорошей реакции. Обладая отличными экологическими характеристиками, водородные двигатели также могут передавать удовольствие от вождения, в том числе с помощью звуков и вибраций.

Toyota давно занимается инновациями в области технологий двигателей. Кроме того, компания применяет в серийных автомобилях технологии, которые она продолжает совершенствовать, участвуя в автоспорте, например, GR Yaris, выпущенный в сентябре прошлого года. А когда дело доходит до безопасности, Toyota намерена применить технологии и ноу-хау, накопленные в ходе разработки автомобилей на топливных элементах и ​​коммерциализации Mirai.

Планируется, что гоночный автомобиль с водородным двигателем, о котором было объявлено сегодня, будет заправляться во время гонок водородом, произведенным ^* на исследовательском полигоне водородной энергетики Фукусима в городе Намие, префектура Фукусима. Стремясь расширить водородную инфраструктуру за счет продвижения использования водорода, Toyota намерена продолжать усилия по восстановлению экономики и возрождению региона Тохоку вместе со всеми заинтересованными сторонами.

Для достижения углеродной нейтральности Toyota наращивает свои усилия, например, стремясь продвигать использование водорода посредством популяризации FCEV и многих других продуктов, работающих на топливных элементах. Продолжая совершенствовать свои технологии водородных двигателей с помощью автоспорта, Toyota намерена стремиться к еще лучшему обществу, основанному на водороде.

Обзор двигателя

Toyota Motor Corporation занимается разработкой и производством инновационных, безопасных и высококачественных продуктов и услуг, которые приносят радость, обеспечивая мобильность для всех. Мы верим, что настоящее достижение связано с поддержкой наших клиентов, партнеров, сотрудников и сообществ, в которых мы работаем. С момента нашего основания более 80 лет назад в 1937, мы применили наши Руководящие принципы в стремлении построить более безопасное, экологичное и инклюзивное общество. Сегодня, когда мы превращаемся в мобильную компанию, разрабатывающую подключенные, автоматизированные, общие и электрифицированные технологии, мы также остаемся верными нашим Руководящим принципам и многим Целям устойчивого развития Организации Объединенных Наций, чтобы помочь создать еще лучший мир, в котором каждый свободен. двигаться.

Инициативы ЦУР

https://global.toyota/en/sustainability/sdgs/

ЦУР, достижению которых данный проект вносит особый вклад

СКАЧАТЬ (ВИДЕО)

Изображение водородного двигателя

ЗАГРУЗКИ (ИЗОБРАЖЕНИЯ)

Вид с подписью

• Гонка серии Super Taikyu

• Изображение водородного двигателя

• Официальный тест

• Официальный тест

• Официальный тест

• Официальный тест

• Официальный тест

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖИМОЕ

САМОЕ ПОПУЛЯРНОЕ

02 августа 2021 г.

Toyota представляет новый Land Cruiser

21 марта 2018 г.

Эволюция от 1-го до 8-го поколения

13 января 2022 г.

Toyota запускает в Японии новые минивэны Noah и Voxy

05 ноября 2019 г.

Toyota запускает новый «Raize» в Японии

23 августа 2022 г.

Toyota представляет новую Sienta в Японии

Объяснение технологии сжигания водорода

3 мая 2022 г.

Галерея16

Водород как источник топлива сталкивается с трудной борьбой, когда речь идет о дорожных автомобилях. Хотя он имеет явные преимущества в дальнемагистральной логистике и транспортной отрасли, а также в аэрокосмической отрасли, использование водорода для замены неэтилированного топлива для автомобилей, которые мы все любим, является трудной задачей из-за некоторых очевидных и неизбежных недостатков.

Тем не менее, этот аргумент полностью основан на представлении о будущем, в котором автомобили ездят только по прозаическим причинам. Он не принимает во внимание тот факт, что некоторые люди, такие как вы, дорогой читатель, покупают и ездят на машинах не только для того, чтобы добраться из точки А в точку Б. текучая и нарастающая волна силы взбудоражила наши души. Эти элементы эмоций — это то, что электрические автомобили с высокими характеристиками, по крайней мере, до сих пор, выполняли сомнительную работу по удовлетворению.

16

Да, электромобили занимают более чем достойное место в нашей экосистеме спортивных автомобилей, но прямо сейчас и в ближайшем будущем, когда дело доходит до участия водителя, преобладает двигатель внутреннего сгорания. Однако нам необходимо создавать более эффективные автомобили.

Это определенный факт, если мы хотим получать удовольствие от жанра транспортных средств в ближайшие годы. Но мы все еще можем делать это, наслаждаясь поездкой. Вот где водородное сжигание вступает в бой, смешивая экологическую ответственность с олдскульным шумом и участием.

Toyota и Yamaha объединились для создания самого впечатляющего примера двигателей внутреннего сгорания на водороде – 5,0-литрового безнаддувного двигателя V8 мощностью 335 кВт и 540 Нм, но с чрезвычайно ограниченным выбросом выхлопных газов. Основой двигателя является двигатель 2UR-GSE совместной разработки двух японских компаний, используемый в купе Lexus RC F.

16

Компания Yamaha изменила впускные коллекторы и форсунки, а также изменила головки цилиндров, чтобы двигатель мог работать на сжатом водороде, но при этом снизил мощность всего на 16 кВт (и увеличил крутящий момент на 10 Нм) по сравнению с двигателем, работающим на неэтилированном топливе. Впечатляющий выхлоп 8-в-1 не только для галочки, говорят, что он придает автомобилю привлекательную ноту выхлопа.

Сгорание водорода работает почти так же, как и в автомобилях, использующих обычный неэтилированный бензин. Существует тот же четырехтактный цикл сгорания, когда топливо впрыскивается непосредственно в камеру и воспламеняется от искры. Звучит очень просто, но Toyota говорит, что разработка была совсем не такой.

В 2016 году компании приходилось использовать топливную смесь 50/50 из неэтилированного бензина и водорода, чтобы получить требуемое зажигание, а нынешние испытательные двигатели с двигателем H3 требуют невероятно высоких внутренних температур для зажигания искры.

16

Основным преимуществом эпохи сокращения выбросов является то, что наиболее важным побочным продуктом работы двигателя является вода. Однако сжигание водорода не является полностью нулевым выбросом. При воспламенении на воздухе и использовании тех же механических внутренних частей, которые требуют смазки, в процессе сжигается небольшое количество масла, создавая незначительные выбросы углеродных частиц.

Каталитические фильтры в выхлопной системе смогут уловить большинство, но не все эти выбросы.

Еще одним преимуществом является то, что разработка двигателей внутреннего сгорания для работы на водороде обходится дешевле, чем разработка и производство автомобилей на водородных топливных элементах, таких как Hyundai Nexo или Toyota Mirai.

16

Однако есть несколько существенных предостережений. Водородные топливные элементы уже имеют недостаточную эффективность по сравнению с аккумуляторными электромобилями. Энергия теряется на этапах электролиза, сжатия и транспортировки водорода, а также медленно вытекает из сильно сжатого топливного бака (обычно работающего под давлением 10 000 фунтов на квадратный дюйм), если его оставить без присмотра.

Большинство электромобилей на аккумуляторных батареях имеют КПД 75-85%. Топливные элементы попадают в диапазон 30-35%, а сжигание водорода еще на 5% хуже.

Но Yamaha и Toyota не разработали мощный двигатель, который мог бы похвастаться эффективностью. Это доказательство концепции от маэстро внутреннего сгорания, целью которой является демонстрация того, что нишевые двигатели внутреннего сгорания все еще имеют место в экологически сознательном будущем, резко и радикально сокращая выбросы. Им больше власти.

Четыре интересных факта об использовании водорода в автомобилях

1. Рождение новой категории

Демонстрируя свою поддержку альтернативных источников топлива, Автомобильный клуб de l’Ouest (ACO), который организует 24 часа Ле-Мана, объявил о Новая категория будет запущена в 2025 году, чтобы позволить водородным электромобилям участвовать в классических гонках на выносливость.

2. Собираем группу

Subaru, Mazda и Kawasaki присоединились к Yamaha и Toyota, чтобы сформировать так называемую «Команду Японии» для совместной работы по поддержке будущего двигателей внутреннего сгорания. В то время как Yamaha и Toyota работают над сжиганием водорода, остальные три производителя будут участвовать в автоспорте, используя биодизельное топливо и синтетическое топливо, полученное из биомассы.

16

3. Наденьте свой ботинок

Джим Гликенхаус намерен участвовать в гонках Baja 1000 на водородной версии своего внедорожника Boot. Вместо того, чтобы работать на сжатом водороде, как почти любой другой автомобиль на топливных элементах, американская команда намерена использовать жидкий водород. Гликенхаус утверждает, что дальность полета одного танка составляет почти 1000 км.

4. Впереди

В прошлом году Toyota участвовала в 24-часовой гонке на выносливость на Toyota Corolla, используя двигатель GR Yaris, переделанный для работы на водороде. Хэтчбек проехал 1634 км, в общей сложности 12 часов вождения. Команда дозаправлялась 35 раз, при этом четыре часа находились в неподвижном состоянии при среднем времени остановки в семь минут. Автомобиль был полностью неподвижен в течение восьми часов гонки для ремонта и проверки безопасности.

Кэмерон Кирби

Редактор сравнений

Наш местный профессиональный житель Квинсленда, фанат автоспорта, Кирби набил зубы в Auto Action, прежде чем стать заместителем редактора в MOTOR. Теперь он проводит сравнения для Wheels и WhichCar.

КОММЕНТАРИИ

Несколько японских автопроизводителей расширяют использование водородных двигателей внутреннего сгорания

Стивен Эдельштейн

29 ноября, 2021 г.

Посмотреть галерею

Стивен Эдельштейн

29 ноября 2021 г.

Subaru, Mazda, Toyota, Kawasaki и Yamaha недавно объявили о совместных усилиях по расширению использования альтернативных топливных технологий, включая двигатели внутреннего сгорания на водороде.

Усилия основаны на использовании Toyota водородных двигателей в гонках. Автопроизводитель ранее представил хэтчбек Corolla Sport с водородным двигателем (разработанный с помощью Yamaha) в японской серии Super Taikyu. Согласно пресс-релизу, водород будет поставляться с нового предприятия в городе Фукуока, Япония, которое будет производить водород из биогаза сточных вод.

Вскоре к водородному гоночному автомобилю присоединятся другие, работающие на другом топливе. Mazda представит хэтчбек Demio, работающий на биодизельном топливе, а модифицированные версии спортивных автомобилей-близнецов Subaru BRZ и Toyota GR 86 будут использовать синтетическое топливо, полученное из биомассы.

Город Фукуока, Япония, водородный завод

Тем временем Kawasaki и Yamaha изучат совместные исследования водородных двигателей внутреннего сгорания как для двухколесных, так и для четырехколесных транспортных средств. Две компании, наряду с Honda и Suzuki, уже объединились для замены аккумуляторов электрических мотоциклов.

Honda заметно отсутствует в этом соглашении, хотя она была основным сторонником легковых автомобилей на водородных топливных элементах. Nissan и его союзник Mitsubishi также отсутствуют, хотя ни один из автопроизводителей не проявляет особого интереса к водороду ни для топливных элементов, ни для двигателей внутреннего сгорания.

Сжигание водорода в двигателе внутреннего сгорания вместо бензина или дизельного топлива не является новой идеей. BMW когда-то производила Hydrogen 7, версию своего флагмана 7-й серии с водородным двигателем внутреннего сгорания V-12. Но в последнее время эта идея, кажется, вызывает больший интерес.

Toyota водородный двигатель

Китайский автопроизводитель GAC также недавно объявил, что тестирует двигатель внутреннего сгорания на водороде, хотя неясно, будет ли двигатель запущен в производство. Даже если это произойдет, ранее обсуждавшиеся планы GAC по выходу на рынок США были отложены на неопределенный срок.

Стоит отметить, что внутреннее сгорание водорода связано со многими проблемами, в том числе с хранением достаточного количества водорода на борту автомобиля для достижения достаточного запаса хода. Сжигание водорода по-прежнему приводит к выбросам выхлопных газов, и автопроизводители сталкиваются с теми же проблемами инфраструктуры, что и автомобили на топливных элементах.

Двигатели внутреннего сгорания на водороде также могут оказаться менее эффективными, чем силовые агрегаты на топливных элементах. Согласно отчету Калифорнийской энергетической комиссии за 2020 год, эффективность топливных элементов является таким преимуществом, что к 2025 году они могут сравняться по цене с бензином.

Метки:

Альтернативное топливо

Пожертвовать:

• Отправить нам чаевые

• Связаться с редактором

• Не все штаты Калифорнии с экологически чистыми автомобилями согласны с запретом на использование газовых транспортных средств с 2035 года

  Стивен Эдельштейн 2 октября 2022 г.

  В то время как Нью-Йорк, Вашингтон, Орегон, Массачусетс и другие подписали контракт, Миннесота, возможно, и губернатор Вирджинии, как сообщается, называет эту политику «смехотворной».

• Электромобиль стоимостью 10 000 долларов, Niro Hybrid на 53 мили на галлон, обзоры Outlander PHEV, Q4 E-Tron, EQS SUV: The Week in Reverse

  Какой новый электрический пикап производится, но еще не может быть доставлен? Какой автопроизводитель выпустил адаптер, позволяющий использовать подавляющее большинство устройств быстрой зарядки в США? Это наш взгляд на неделю в обратном направлении — прямо здесь, в Green Car Reports — за неделю, закончившуюся 30 сентября. ..

  Бенгт Халворсон 1 октября 2022 г.

• Обзоры внедорожников Audi Q4 E-Tron и Mercedes EQS, Грузовые перевозки на водородных топливных элементах Среднего Запада: сегодняшние автомобильные новости — Семья Трон. И сумеет ли группа штатов Среднего Запада США создать собственную водородную экономику? Это и многое другое здесь, в Green Car Reports. В обзоре Audi Q4 2023…

  Бенгт Халворсон 30 сентября 2022 г.

• Обзор: внедорожник Mercedes-Benz EQS 2023 года утешает многообещающий трехрядный электрический класс.

  Роберт Даффер 30 сентября 2022 г.

• Обзор: Audi Q4 E-Tron SUV и Sportback 2023 года больше ориентированы на практичность, чем на производительность .

  Джон Фолькер 30 сентября 2022 г.

• Союз государств Среднего Запада по производству водорода, потенциально для полуфабрикатов на топливных элементах

  Коалиция также будет продвигать Средний Запад как многообещающую область для производства водорода с использованием автомобильных, железнодорожных, авиационных и морских перевозок в Великих озерах в качестве потенциальных применений.

  Стивен Эдельштейн 30 сентября 2022 г.

• Цены на Hyundai Ioniq 5

  , Tata EV за 10 000 долларов, производство Lordstown Endurance: сегодняшние автомобильные новости

  Бенгт Халворсон 29 сентября 2022 г.

  Hyundai Ioniq 5 2023 года получает повышение цен, поскольку дилерские наценки продолжаются. Лордстаун (медленно) производит серийные электрические грузовики Endurance. А где можно купить новый электромобиль примерно за 10 000 долларов? Это и многое другое здесь, в Green Car Reports. Индийский автопроизводитель Tata выпустил на внутренний рынок электромобиль стоимостью 10 000 долларов. С запланированными поставками, которые должны начаться в январе 2023 года, хэтчбек Tiago.ev не будет выделяться ни запасом хода, ни производительностью, но он подчеркивает ценность электромобилей, которые просто не представлены на рынке США. Наряду с новыми функциями, включая…

• Первые электрические грузовики Endurance в Лордстауне еще не поступили в продажу

  Лордстаун выпустил два первых серийных грузовика Endurance, хотя отсутствие сертификатов пока не позволяет осуществить поставки.

  Бенгт Халворсон 29 сентября 2022 г.

• Цена на Hyundai Ioniq 5 2023 года выросла на 1500 долларов — до того, как дилеры наценят 10 000 долларов.

  Стивен Эдельштейн 29 сентября 2022 г.

• Tata выпускает электромобиль стоимостью 10 000 долларов для Индии

  Электрический хэтчбек Tiago.ev от индийского автопроизводителя считается одним из самых доступных новых электромобилей в мире; несколько моделей в Китае стоят еще ниже.

  Стивен Эдельштейн 29 сентября 2022 г.

• Цены Nissan Ariya, Niro Hybrid на 53 мили на галлон, производительность Polestar 3: сегодняшние автомобильные новости

  Kia Niro Hybrid с расходом топлива 53 мили на галлон стоит намного меньше 30 000 долларов. Nissan Ariya 2023 года стоит около 45 000 долларов, но не имеет права на налоговый кредит на электромобиль. И Polestar готовится к презентации своей следующей модели 12 октября. Это и многое другое здесь, в Green Car Reports. Polestar раскрыла еще несколько деталей…

  Бенгт Халворсон 28 сентября 2022 г.

• Kia Niro Hybrid 2023 года стоит 27 785 долларов США, расход топлива в смешанном цикле составляет до 53 миль на галлон чем у предыдущей модели.

  Стивен Эдельштейн 28 сентября 2022 г.

Освоение Северной петли на водороде

18.08.2022

Компания Porsche Engineering изучила потенциал водородных двигателей внутреннего сгорания. Результатом является высокопроизводительная трансмиссия с выбросами на том же уровне, что и в окружающем воздухе.

• Распечатать

• открыто закрыто

Различные решения для силовых агрегатов, включая гибридные системы, электроприводы и эффективные двигатели внутреннего сгорания, в настоящее время разрабатываются параллельно для использования в будущих автомобилях. Водород представляет собой потенциальную альтернативу обычному топливу или синтетическому топливу (электронному топливу) для использования в двигателях внутреннего сгорания. Это было рассмотрено в рамках исследования по этому вопросу, проведенного Porsche Engineering.

Высокопроизводительный водородный двигатель для легковых автомобилей

В настоящее время во всем мире ведутся работы над водородными двигателями, однако в основном это делается для коммерческих автомобилей с относительно низкой удельной мощностью около 50 кВт на литр рабочего объема. «Для сектора легковых автомобилей этого недостаточно, — говорит Винченцо Бевилаква, старший эксперт по моделированию двигателей в Porsche Engineering. «Поэтому мы разработали водородный двигатель внутреннего сгорания, который должен соответствовать мощности и крутящему моменту современных высокопроизводительных бензиновых двигателей в качестве концептуального исследования. В то же время у нас также была цель добиться низкого расхода топлива и сохранения выбросов на том же уровне, что и в окружающем воздухе. Отправной точкой для нашего исследования был существующий 4,4-литровый восьмицилиндровый бензиновый двигатель, а точнее, его цифровой набор данных, поскольку мы провели все исследование виртуально, используя моделирование работы двигателя».

Модификации модели двигателя включали более высокую степень сжатия и сгорание, адаптированное к водороду, но самое главное, новую систему турбонаддува. «Для чистого сгорания водорода турбокомпрессоры должны, с одной стороны, обеспечивать примерно в два раза больше воздушной массы, чем в бензиновых двигателях. Однако, с другой стороны, более низкие температуры выхлопных газов приводят к нехватке энергии для их движения со стороны выхлопа», — объясняет Бевилаква. Это несоответствие не может быть устранено с помощью обычных турбонагнетателей. Поэтому компания Porsche Engineering изучила четыре альтернативные, особенно мощные концепции турбонаддува, некоторые из которых пришли из мира автоспорта.

Все системы состоят из нескольких турбонагнетателей с электроприводом, некоторые из них объединены с дополнительными регулирующими клапанами в воздушной системе или компрессорами с электроприводом. «В контрольных исследованиях каждая система турбонаддува показала свои преимущества и недостатки. Поэтому выбор правильной концепции во многом зависит от профиля требований рассматриваемого водородного двигателя», — говорит Бевилаква. Для соответствующего исследования двигателя группа разработчиков выбрала систему турбонаддува с параллельными компрессорами. Особенностью этой конструкции является соосное расположение двух ступеней компрессора, которые приводятся в движение от турбины или поддерживающего электродвигателя с помощью общего вала. Технологический воздух проходит через первый компрессор, охлаждается в промежуточном охладителе и повторно сжимается на второй ступени.

Водородный двигатель мощностью около 440 кВт не уступает оригинальному бензиновому агрегату. Чтобы лучше оценить характеристики силового агрегата, инженеры Porsche протестировали его на эталонном автомобиле сегмента «люкс» с относительно высокой полной массой 2650 кг на Северной петле Нюрбургринга — правда, полностью виртуально: привод осуществлялся с использованием так называемого цифровой двойник, то есть компьютерное представление реального автомобиля. Проехав восемь минут и 20 секунд, автомобиль продемонстрировал высокий потенциал динамики движения. Благодаря своему химическому составу при сгорании водорода не выделяются ни углеводороды, ни окись углерода, а также не играют роли твердые частицы. Поэтому с точки зрения оптимизации выбросов водородного двигателя специалисты Porsche Engineering сосредоточили свое внимание на оксидах азота. В ходе обширных раундов оптимизации они адаптировали стратегию работы двигателя для максимально чистого сгорания. Их подход заключался в том, чтобы поддерживать низкий уровень первичных выбросов за счет чрезвычайно бедного и, следовательно, более холодного сгорания, что позволило отказаться от системы дополнительной обработки выхлопных газов.

«Как оказалось, выбросы оксидов азота значительно ниже пределов, установленных обсуждаемым в настоящее время стандартом Евро-7, и близки к нулю по всей карте двигателя», — сообщает Матиас Бегер, инженер-специалист по моделированию двигателей в Porsche Engineering. Чтобы лучше контекстуализировать результаты испытаний на выбросы, он проводит сравнение с индексом качества воздуха. Он используется государственными органами и другими учреждениями в качестве эталона для оценки уровня загрязнения воздуха. В целом, концентрация до 40 мкг оксида азота на кубический метр приравнивается к хорошему качеству воздуха. «Выбросы водородного двигателя ниже этого предела. Поэтому его эксплуатация не оказывает существенного влияния на окружающую среду», — говорит Бегер.

Выбросы на том же уровне, что и в окружающем воздухе 

В дополнение к почти неизмеримым выбросам водородный двигатель обеспечивает высокую эффективность в цикле измерения WLTP, а также в циклах, соответствующих клиенту, благодаря его обедненной смеси. «Таким образом, мы выполнили поставленную перед собой цель проекта: разработка экологически чистого, экономичного и спортивного водородного двигателя по всем направлениям», — заключает Бевилаква. Стоимость водородной силовой установки в серийном производстве может быть сопоставима со стоимостью бензинового двигателя. Хотя система турбонаддува и ряд механических узлов водородного двигателя более сложны и, следовательно, дороже, в бензиновом двигателе ниже Евро 7 нет необходимости в нейтрализации отработавших газов.0003

Команда инженеров Porsche провела все тесты виртуально и, следовательно, очень эффективно. Основанием для этого послужил налаженный процесс моделирования, а также большой опыт компании в моделировании и расчетах. «Нам потребовалось всего шесть месяцев от первоначальной идеи до завершения исследования», — говорит Бевилаква. «Это включало фундаментальную работу, такую ​​как создание новых имитационных моделей, учитывающих различные химические и физические свойства водорода по сравнению с бензином».

Преимущества потребления до пяти процентов

Водородный двигатель вряд ли будет запущен в производство в его нынешнем виде, но в любом случае это не было целью проекта. Вместо этого основное внимание было уделено изучению технического потенциала альтернативной приводной технологии и расширению возможностей существующих инженерных инструментов.