Водородный двигатель. Принцип работы.
Водородные двигатели - одна из лучших альтернатив классическим ДВС на бензине или дизтопливе. Каковы особенности даного типа двигателей? Какие существуют виды водородных авто? В чем заключаются плюсы и минусы? На эти и ряд других вопросов дает ответ наша статья.
Стоимость ремонтаНайти запчасть

Ресурсы нашей планеты не бесконечны, в том числе и запасы «черного золота» (нефти). Несмотря на снижение мировых цен и наличие определенных запасов, осознание важности альтернатив не покидает головы многих умов человечества. Пройдут годы, и мир столкнется с нехваткой энергоресурсов.

Но будущий дефицит нефти - не единственная причина поиска новых вариантов. Люди начали думать о будущем нашей планеты и сохранении окружающей среды. На этом фоне и начались разработки водородных двигателей - устройств, способных работать на неисчерпаемом, доступном  и  безопасном топливе.



Суть проблемы

Одна из главных проблем - конечно, выбросы в атмосферу. В 2015 году источники около трети всех выбросов CO2 -  транспортные средства (в первую очередь автомобили). По результатам исследований к 2050 году выбросы углекислого газа будут только расти (вместе с увеличением автопарка).

Кроме CO2, есть и еще одна проблема - окиси азота, которые негативным образом сказываются на здоровье и приводят к различным проблемам с дыхательной системой людей. Ученым уже удалось доказать, что одной из причин астмы является именно окись азота.

Немаловажная проблема - рост цен на энергоносители. Как показала практика, повышение или снижение цены на нефть не сильно сказывается на стоимости топлива. Бензин (солярка) есть и будут дорогими. Цена если и будет падать, то лишь в незначительной степени. На данном фоне необходим поиск альтернативы, способной подарить независимость в энергетической сфере.



История

Почти половина добываемой в мире нефти идет на производства топлива для машин. Водород в качестве замены классическому «черному золоту» рассматривается уже давно. Причина проста - запасов данного вещества на планете достаточно, чтобы тысячелетиями «кормить планету». Кроме этого, водород несложно выделить из воды, поэтому с поиском ресурсов проблем нет. Единственная сложность - перевозка и хранение, но и данные вопросы уже решаются.

Первая установка, работающая на водороде, появилась в 1841 году (речь идет о запатентованной версии). Уже через 11 лет в Германии удалось построить ДВС, который мог работать на смеси двух элементов - водорода и воздуха. На известном миру дирижабле Гиндебург стоял мотор, работающий на светильном газе (в его составе было половина водорода). Но после трагедии с дирижаблем в 1937 году и гибели 37 человек интерес к водороду, как топливу, временно был утерян.

Но уже в 70-х годах 19 века разработчики снова вернулись к созданию водородного двигателя. На современном этапе важность усовершенствования и активного внедрения таких технологий обсуждается на самом высоком уровне.  Популярность обусловлена и ростом цен на нефтепродукты, что заставляет многие страны искать реальные и доступные альтернативы.

Идею создания водородного двигателя не только подхватили, но и внедрили в жизнь такие популярные производители, как Хонда Моторз, Дженерал Моторз, Форд, БМВ и прочие.



Виды водородных авто

Если рассматривать существующие водородные авто, то среди них можно выделить три основные группы:

  • Транспортные средства с обычным мотором, способным работать на водороде или водородном составе. Данные типы авто универсальны, то есть способны ездить на чистом водороде или посредством применения водорода в качестве добавки к топливу. Особенность таких автомобилей - высокий уровень КПД (в случае смешивания с топливом почти на 15-20%). Второй позитивный момент - очищение выхлопа. В частности, снижение угарного газа и углеводов уменьшается почти на 50%, а оксидов азота - на 500%. Такие авто производятся как за границей, так и в странах СНГ. При этом первые транспортные средства появились приблизительно в 80-е годы прошлого века.

  • Машины с электрическим питанием. Такие транспортные средства называют «гибридами». Их особенность - приведение колес в движение с помощью электрического привода, питаемого АКБ. Особенность гибридного мотора - способность работать как на обычном водороде (чистой смеси), так и  на смеси с классическим топливом. Первый вариант является более выгодным с позиции затрат и экономически обоснованным. Общий КПД у авто с электродвигателем может достигать 95%. В сравнении с ДВС и их 30-35% столь высокий параметр действительно поражает. Таким образом, переход на водород может повысить полезное действие мотора почти в три раза. Но и здесь не все идеально. Даже для АКБ и его заряда требуется топливо, поэтому вредные выхлопы все равно будут присутствовать. Чтобы убрать вредные пары полностью, был создан рассмотренный ниже тип водородного двигателя.

  • Водородный автомобиль, в котором установлен электрический двигатель, работающий от основного топлива. По теории такой узел способен работать от смеси водорода и воздуха. КПД устройства может достигать 85%. Но это в теории. На практике удалось добиться лишь 75%. В условиях городского цикла такое транспортное средство получает массу преимуществ перед обычными авто (в первую очередь, по отношению затрат на топливо).


Как это работает?

Схема работы авто на водороде выглядит следующим образом:

  • поршень перемещается сверху вниз, открывая при этом клапан выпуска;
  • давление в камере сгорания становится равным атмосферному;
  • при достижении поршнем нижней точки происходит герметизация камеры;
  • клапан выпуска закрывается, а через клапаны подачи топлива осуществляется впрыск топливной смеси (гремучего газа);
  • в процессе сгорания смеси давления в камере возрастает; этой силы достаточно, чтобы открыть установленные в ГБЦ обратные клапана и осуществить выброс продуктов горения;
  • давление снижается, что приводит к закрытию обратных клапанов и герметизации камеры сгорания;
  • действие созданного давления способствует перемещению поршня и его возврату в первоначальную точку;
  • как только поршень становится в верхней позиции, снова открываются клапана впуска и так далее.

Как следствие, принцип действия водородного мотора ничем не отличается от обычного ДВС. Разница лишь в применяемом топливе.

Что касается получения необходимого газа, то это может происходить несколькими путями. Один из них - посредством электролиза воды.

Описанная выше схема является простейшей, но она работает. При этом водород можно использовать и в обычном ДВС. Преимущество такой подмены - быстрое сгорание топлива и рост общей производительности автомобиля.

Пары жидкости рекомендуется добавлять в силовой узел уже к имеющемуся водородному топливу. После работы на водороде двигатель реально очищается от нагара и разных «напылений». Но есть и отрицательная сторона. Вместе с нагаром водород смывает и имеющуюся масляную пленку. Как следствие, может снизиться ресурс силового узла.

Чтобы перевести обычный двигатель на водородное топливо, стоит произвести переделку в машине выхлопной и клапанной системы. Кроме этого, необходимо заменить поршни, которые должны иметь керамическое покрытие. Если же сделать подобные переделки, то проблем со смазкой или ржавчиной точно не будет.



Преимущества и недостатки

Можно долго обсуждать все перспективы водородных двигателей, но первое, с чего всегда нужно начинать - изучение плюсов и минусов конструкции.



К плюсам водородных моторов можно отнести:

  • Высокий уровень экологичности - одно из главных преимуществ, которое до сих пор является главной движущей силой данного нововведения. Сам водород является по-настоящему экологичным видом топлива. В результате его сгорания возникает только вода. Это несложно увидеть на примере простой химической формулы - 2Н2+О2=2Н2О. Многие посчитают, что при езде на водородном авто из выхлопной трубы будет выливаться обычная вода (пар). Это не совсем так. Нельзя забывать, что в двигателе есть еще масло или антифриз, которые могут попасть в камеру сгорания, а далее - в выхлоп автомобиля. Но для ученых это не проблема - они уже работают над устранением недостатка. Возможно, в скором будущем горение масла не будет приводить к ухудшению качества выбросов, а появившуюся в результате горения воду можно было бы собрать посредством электролиза;

  • Есть возможность использовать сразу два вида топлива - бензин и водород. Единственное, что для этого необходимо - устанавливать две отдельные емкости. При желании можно выбрать тот вид топлива, который наиболее актуален в конкретный момент времени;

  • Высокий коэффициент полезного действия, который на 200% выше, чем у обычного ДВС и на 150% больше, чем у дизеля;

  • Более низкий уровень шума во время работы;

  • Специалисты сходятся во мнении, что уже через 30-40 лет водород полностью покроет все потребности в топливе;

  • Водород по всем показателям - идеальная смесь для применения в виде топлива. Он имеет неограниченные объемы, если в виде сырья рассматривать обычную воду.


Минусы водородного двигателя:

  • Для обеспечения должной работы водородного мотора нужны мощные аккумуляторы, общая масса которых может быть весьма серьезной. Как результат, общий вес транспортного средства становится больше;

  • Топливные элементы на водороде отличаются высокой ценой, что делает дороже и сам транспорт. Применение водородных элементов неизбежно приводит к повышению пожаро- и взрывоопасности;

  • Есть определенные сложности с баками для хранения водорода. Остались вопросы и в отношении аккумуляторов;

  • Существуют сложности в разработке аппаратуры, которая бы позволяла быстро и без особых затрат производить водород;

  • Есть проблемы с транспортировкой;

  • Взрывоопасность. Не секрет, что по своим характеристикам водород опаснее классического топлива (бензина). Это объясняется его способностью гореть вместе с воздухом в более широком диапазоне. К примеру, бензин не опасен при лямбде меньше 0,5 и больше 2. Что касается водорода, то у него горение при таких показателях проходит без проблем;

  • Быстрое испарение. В случае длительного хранения водорода есть риск его испарения (к примеру, в случае пробоя). Вот почему ученые принялись за разработку специальных (безопасных) мест для хранения топлива. Надежный бак должен иметь несколько слоев стенок, выполненных из специальных материалов. Один из вариантов - емкость из нанотрубок, которая заполнена водородом. Все это делает эксплуатацию автомобиля весьма дорогим удовольствием;

  • Сложности обслуживания. Специалисты сходятся во мнении, что обслуживать водородный двигатель сложнее, чем стандартный ДВС (дизель в том числе). В среднем расчеты показывают удорожание в 80-100 раз;

  • Недостаточный опыт эксплуатации таких моторов и отсутствие возможности регулярной дозаправки;

  • Для обслуживания водородного транспорта необходима целая автозаправочная сеть, а это огромные инвестиции. Цена оборудования «водородной» АЗС много выше, чем для открытия классической заправки. В такой ситуации находится не так много инвесторов, готовых вкладывать средства в это направление;

  • Высокая цена. Один литр водорода обходится в сумму от 6 до 8 евро, что далеко не всем по карману. На данном этапе задача ученых - снизить себестоимость;

  • Высокая летучесть. Водород сложно сохранять в жидкой форме и транспортировать. За несколько дней можно потерять до половины топливного бака с водородом (он просто испарится).


Итоги

Водородные двигатели фактически уже выпускаются, но еще находятся на этапе тестирования и устранения недостатков. Но судя по текущим тенденциям, у ученых есть все шансы преодолеть имеющиеся проблемы. При этом уже сегодня есть четкая уверенность, что водородные двигатели - это наше будущее. Все остальное - вопрос времени.

Стоимость ремонтаНайти запчасть

Водородный двигатель. Принцип работы.