Как работает двигатель на водородном топливе

Водородный двигатель принцип работы экологичных машин. Которые кардинально отличаться от привычных авто с двигателем внутреннего сгорания. Стандартные автомобили производят большое количество токсичных выхлопов в воздух, отчего происходит серьёзное загрязнение атмосферы.

Проблема глобального потепления становится реальной угрозой для человечества. Кроме того, запасы нефти на планете имеют ограниченный ресурс, и рано или поздно человечество будет вынуждено перейти на другие варианты источников энергии для автомобилей. Одним из таких вариантов может быть двигатель на водородном топливе.

водородный двигатель принцип работы
Принцип работы водородного двигателя

История возникновения водородного двигателя

Первые попытки создания двигателя на водороде были предприняты в 1806 году французским исследователем Франсуа Исааком де Риваз. Учёный получал водород благодаря физико-химическому процессу, который носит название «электролиз воды». Во времена создания первого водородного двигателя речь не шла про загрязнение атмосферы, и такой двигатель изобретался сугубо в научных целях, чтобы научиться использовать водород в качестве топлива.

Однако, первый патент на водородный двигатель был получен только в 1841 году, а первое успешное устройство, функционирующее с помощью водорода и воздуха, появилось в 1852 году в Германии.

Интересным фактом является применение водорода во время Отечественной войны, когда в Ленинграде во время военной блокады топлива не хватало, а водорода было достаточно. Б. Шелищ, технический военный специалист, предложил своё видение процесса заправки автомобилей и аэростатов с помощью водорода.

Так на водороде начали работать не только ДВС лебёдок аэростатов, но и 600 машин по всему городу. После того, как война закончилась, про этот вид топлива несколько позабыли. Снова экспериментировать с водородом начала автомобильная компания BMW в 1979 году во времена топливного кризиса. Под конец XX века другие автомобильные компании также подключились к исследованиям.

Читайте так же: интересных фактов об автомобилях.

Нефтяные резервы рано или поздно подойдут к концу, поэтому роль альтернативных видов топлива на планете сильно выросла. Серьёзные экологические проблемы и желание получить энергонезависимость вовлекли многие страны в более глубокое изучение водородных технологий. Поэтому сегодня над водородными двигателями работают такие ведущие компании, как Honda, Ford, BMW, General Motors и другие.

Принцип функционирования водородного топлива

Водород при его экологически правильной генерации является самым чистым видом топлива. Конструкция водородных моторов достаточно проста. Бачок для топлива заполняется сжатым водородом. Это вносит повышенные требования для топливного бака, он должен быть чрезвычайно прочным, чтобы выдержать давление до 300 бар. При движении автомобиль запускает в топливные элементы водород в виде топлива, обогащает его кислородом. Вследствие химической реакции происходит выработка электричества.

как работает водородный двигатель
Работа водородного двс

Распределение электричества поступает на центральный блок под капотом, который после этого в нужной мощности распределяет его на электродвигатель, находящийся на передней оси. Водородное топливо гарантирует моментальную скорость реакции даже при минимальном уровне давления в системе подачи топлива. Воздух не участвует в получении топливной смеси, а оказавшийся в камере сжигания пар на конечном этапе преобразуется в воду.

В автомобилях данного типа возможны два варианта установок: стандартные двигатели внутреннего сгорания и моторы, укомплектованные элементами на водороде. Каждый отдельный двигатель обладает своей спецификой и набором характеристик.

Как функционирует автомобиль на водороде

Точный пример работы автомобиля на водородном двигателе можно рассмотреть на примере автомобиля Toyota Mirai. Именно эта компания в 2013 году продемонстрировала первую в мире машину на водородном двигателе, которая вышла серийно. Mirai оснащён электромотором, включающий 370 топливных компонентов, где постоянный ток перетекает в переменный, а напряжение доходит до отметки 650 В. При этом такой автомобиль имеет возможность разгона до скорости 175 км/ч.

Дополнительный аккумулятор также накапливает энергетический запас. В таком виде машина может пройти 350 км. Электромобиль на одном зарядке может продержаться на 200 км больше, но есть недостаток в длительной зарядке – 1,5-2 часа. Mirai вырабатывает около 200 мл воды за расстояние в несколько км. В водородных двигателях применяются роторные ДВС из-за влияния водорода на поршни и смазочные материалы.

двигатель на водородном топливе в тойоте
Тойота на водородном двигателе

Переделать стандартный мотор под водородный практически невозможно, для водорода конструкция должна быть чрезвычайно крепкой во избежание процесса детонации материалов. Некоторые автомобильные компании разрабатывают смешенные варианты, где вместо чистого водорода используется смесь обычного бензина и водорода. Чтобы не допустить перегрева, снижается поступление газа.

Такой тип использует компании Mazda и BMW, которые выпустили ограниченную партию подобных автомобилей. В них есть возможность автоматической переориентировки на иной вид топлива. Но подобные автомобили эксперты не могли назвать идеальными, так как резерва водорода хватало всего лишь на 200 км, а наличие бензина мешало определению автомобиля как экологически чистого транспортного средства.

В целом, работу водородных автомобилей можно в общих чертах сравнить с функционированием электромобилей с разницей лишь в источнике энергии.

Так же интересно: Toyota Corolla.

Узлы внутреннего сгорания

В стандартном двигателе времени, расходуемого на сгорание топливной смеси, необходимо больше, чем при работе мотора на водороде. Топливная смесь попадает в ячейку до времени достижения поршнем ВМТ. В случае с водородом смесь воспламеняется моментально. А для оптимальной работы двигателя необходимо давление не выше 4 атмосфер.

водородный двс

Оптимально водородные моторы функционируют в узле закрытого типа, то есть при работе не требуется получение кислорода извне. Как побочный продукт работы топливной системы, образуется пар, который при проходе через радиатор, преобразуется в воду. Специальное устройство – элетролизер обеспечивает разделение воды от водорода. Однако, большинство современных водородных конструктивов для необходимой реакции нуждаются в наличии кислорода.

Мотор на водородных топливных элементах

Водородными двигателями принять считать не только аппараты, функционирующие на водороде, но и двигатели, в которых применены топливные компоненты на водороде. Топливный водородный компонент является аналогом обычной батарейки. Такой аккумулятор с участием водорода обладает значительным КПД – приблизительно 50%. Механизм взаимодействует на основе химико-физических реакций.

Тело такого аккумулятора оснащено мембраной, она разделяет две ячейки с электродами: в одном происходит окисление, в другом – процесс восстановления. В ячейку с процессом окисления (анод) заходит водород, а в ячейку с катодом (восстановительная реакция) – кислород.

Электроды имеют платиновое напыление, это способствует функции катализатора, который воздействует на водород. Аналогично протоны поступают на катод и попадают под воздействие катализатора. Таким образом создаётся связь протонов и наружных электронов. При реакции образуется побочный продукт – вода, а сама реакция создаёт электричество.

Соответственно, двигатель функционирует благодаря топливному элементу на водороде. На одном заряде водородный мотор может проработать 200 км. Однако, топливные компоненты имеют повышенную стоимость благодаря наличию в конструкции дорогостоящих металлов. Также водородные камеры подлежат замене через 250 тыс. км пробега. Поэтому цена транспортного средства с водородным мотором стандартно выше, чем у привычных автолюбителю средств передвижения.

Что это такое трансмиссия АТМ

В настоящее время американскими учёными модернизируется разработка катализатора, в основание которого положены углеродные трубки. Данная разработка позволит в будущем снизить себестоимость автомобиля, при производстве которого можно обойтись без таких дорогостоящих металлов, как платина.

Заправка водородных автомобилей

Так как выпуск автомобилей с участием водорода является не сильно развитой отраслью, водородных заправок в мире критично мало. В 2018 году около 150 штук заправок приходилось на Американский континент, а ещё 150 штук разделялось между Японией, Китаем и Германией.

Существуют переносные мобильные установки для заправки водородным топливом, они могут произвести достаточно большое годовое количество водорода – около 1 тонны. С таким количеством водорода можно заправлять несколько автомобилей в день. Его производят путём электролиза воды в ночных условиях, чтобы не спровоцировать перегрузку сети.

Водородные заправки можно разделить на следующие виды:

  1. Мелкие. Изготавливают за сутки 20 кг топлива, что хватит в качестве топлива для 5 стандартных авто.
  2. Средние. Способны изготовить 50-1250 кг водорода, что хватит на 25 грузовиков или 250 легковых авто.
  3. Крупные. Объёмы производства – более 2500 кг водорода, что достаточно для 500 легковых авто.

Стоимость подобной водородной заправки – около 3 млн долларов. Учитывая большие сложности, количество таких заправок растёт небольшими темпами.

Проблемные моменты в эксплуатации

В настоящее время водородные двигатели не являются существенной альтернативой традиционным бензиновым моторам и не могут в полной мере их заменить. Одной из причин являются трудности с производством газа, так как этот процесс довольно дорогостоящий. Затруднительной также является процедура хранения, которая требует наличие температуры минус 253 градуса.

В период работы с водородом нужно отметить также следующие проблемы:

  • Высокая взрывоопасность. Даже минимальный источник энергии может сдетонировать взрыв. Поэтому использовать водород нужно чрезвычайно аккуратно, ведь опасностью может быть даже чересчур тёплый воздух.
  • Нюансы хранения. Для данной субстанции необходимы ёмкости большого объёма для избегания улетучивания, что становится проблематичным для применения в области легковых автомобилей.
  • Повреждение поршней и цилиндров. Благодаря негативному влиянию водорода на цилиндропоршневую группу, необходимо применение специальных дорогостоящих материалов для двигателей.

Но исследователи в вопросах использования водорода в автомобильной промышленности не останавливаются и продолжают борьбу за развитие такого альтернативного источника питания.

Модели с водородным мотором

В настоящее время диапазон представленных на рынке автомобилей с водородом значительно расширяется. Из самых известных можно выделить следующие модели:

машина с водородным двигателем
Мазда с водородным двигателем

Pininfarina H2 Speed

Эта итальянская машина имеет способность:

  • Разгона до 100 км/ч за рекордно короткие 3,4 секунды.
  • Максимальная возможность разгона – 299 км/ч.
  • Но и стоимость такого авто более 2 млн долл.

Mercedes-benz GLC F-CELL

Авто имеет комбинированную систему, где совмещён аккумулятор и водородная конструкция.

  • Резерв езды на электричестве – 50 км,
  • На водороде – 430 км.
  • Особенностью авто является возможность заряда от обычной электророзетки.

Классификация Mercedes-Benz по классам

Мерседес на водородном двигателе
Mercedes-benz GLC F-CELL

Toyota Mirai

Автомобиль японского производства:

  • Проходит без дозаправок 502 км.
  • Дополнительно оснащён сенсорными экранами, с помощью которых происходит навигационное управление.
  • Возможность разгона авто – до 178 км/ч.
Тойота Мираи
Toyota Mirai

Honda Clarity

Это 5-ти местный автомобиль семейного типа.

  • Запас для поездки без дозаправки у этого авто – рекордные 600 км.
  • При этом на заправку требуется всего пара минут.

Видео 22:00 минуты. Обзор «Клара Хондовна» Honda Clarity

Преимущества водородных автомобилей по сравнению с электрокарами

Данное сравнение часто оспаривают эксперты, поскольку автомобили на водороде также входят в разряд электромобилей. Водородные составляющие, в отличие от аккумуляторов, являются более долговечными, ведь срок службы двигателя в обычном электромобиле невелик.

Водород хорошо себя показал при холодном пуске автомобиля при отрицательных температурах воздуха, когда двигатель электромобиля не справляется с воздействием температур. Заправка водородных автомобилей также считается преимуществом, так как выполняется за несколько минут. Но электрокары имеют более низкую стоимость по сравнению с машинами на водороде.

преимущества и недостаток водородного двигателя
Плюс и минус водородного ДВС

Достоинства и недостатки водородных моторов

Водородные двигатели имеют преимущества, которыми не обладают другие типы моторов:

  • производительность без создания посторонних шумов;
  • высокий КПД водородного двигателя;
  • повышенная экологичность (побочный продукт только вода);
  • хороший уровень мощности;
  • простота в устройстве функционала.

Среди отрицательных характеристик выделяется высокие затраты на производство водорода и сложный уровень хранения. При производстве конструкция требует увеличения веса транспортного средства. Также отмечается высокая взрывоопасность водородных составляющих.

Есть ли будущее у водородного двигателя

Автомобильные эксперты продолжают трудиться над идеальным автомобилем, имеющим водородный двс. Некоторые такие машины по разным показателям превосходят электрокары, поэтому такая работа продолжается. Трудности в основном заключены в процессе заправки, так как сеть заправочных пунктов остаётся неразвитой до сих пор.

Также производители совершенствуют гибридные авто, где совмещают водород с бензином или с возможностью работы машины на электричестве. Основным недостатком многие специалисты считают взрывоопасность водорода.

Есть ли будущие таких автомобилей
Несомненно
100%
Вряд ли
0%
Подробно напишу в комментариях
0%
Проголосовало: 1

Заключение

Несмотря на все указанные преимущества и недостатки автомобилей на водородном топливе, такие технологии могут посоперничать с привычными бензиновыми автомобилями или с электромобилями. Чем более будет развита в будущем сеть водородных авто, и чем больше будет заправочных водородных станций, тем легче будет использовать такие автомобили.

Это может привести к увеличению популярности водородных моторов и, соответственно, снижению их стоимости при производстве. Поэтому данный вид транспорта вполне имеет шанс на развитие и новые исследования.

Оцените статью
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю Политика конфиденциальности.

Adblock
detector