Водороден двигател. Как работи и недостатъци

Двигателите с вътрешно горене не се появяват драматично като отделни двигатели. По-скоро класическият мотор се появи в резултат на усъвършенстването и подобряването на топлинните двигатели. Прочетете за това как постепенно се появи агрегатът, който сме свикнали да виждаме под капака на автомобилите. в отделна статия.

Когато обаче се появи първата кола, оборудвана с двигател с вътрешно горене, човечеството получи самоходно превозно средство, което не изискваше постоянно хранене, като кон. Много неща са се променили в двигателите от 1885 г. насам, но един недостатък остава непроменен. По време на горенето на смес от бензин (или друго гориво) и въздух се отделят твърде много вредни вещества, които замърсяват околната среда.

Ако преди появата на самоходни превозни средства, архитектите на европейските страни се страхуваха, че големите градове ще се удавят в конска тор, днес жителите на мегаполисите дишат мръсен въздух.

По-строгите екологични стандарти за транспорт принуждават производителите на превозни средства да разработят по-чист двигател. И така, много компании се заинтересуваха от създадената преди това технология на Anjos Jedlik - самоходна количка за електрическа тяга, която се появи още през 1828 година. И днес тази технология се е утвърдила толкова здраво в автомобилния свят, че няма да изненадате никого с електрическа кола или хибрид.

Но това, което наистина е обнадеждаващо, са електроцентралите, чието единствено освобождаване е питейната вода. Това е водороден двигател.

Какво е водороден двигател?

Това е тип двигател, който използва водород като гориво. Използването на този химичен елемент ще намали изчерпването на въглеводородните ресурси. Втората причина за интереса към такива инсталации е намаляването на замърсяването на околната среда.

В зависимост от това какъв тип двигател ще се използва в транспорта, работата му ще се различава от класическия двигател с вътрешно горене или ще бъде идентична.

Кратка история

Водородните двигатели с вътрешно горене се появяват през същия период, когато ICE принципът се разработва и подобрява. Френски инженер и изобретател проектира своя собствена версия на двигател с вътрешно горене. Горивото, което той използва при разработката си, е водородът, който се появява в резултат на електролиза на Н₂А. През 1807 г. се появява първата кола с водород.

Исак Де Риваз през 1807 г. подава патент за разработване на трактор за военна техника. като един от енергийните блокове той предложи да се използва водород.

Силовият агрегат беше бутален и запалването в него се случи поради образуването на искра в цилиндъра. Вярно е, че първото създание на изобретателя се нуждаеше от ръчно генериране на искра. Само след две години той завърши работата си и се роди първото самоходно превозно средство с водород.

По това време обаче на развитието не се отдава значение, тъй като газът не е толкова лесен за получаване и съхранение, колкото бензина. Водородните двигатели са били практически използвани в Ленинград по време на блокадата от втората половина на 1941 година. Въпреки това, трябва да признаем, че това не са изключително водородни единици. Това бяха обикновени двигатели с вътрешно горене от ГАЗ, само че нямаше гориво за тях, но по това време имаше много газ, тъй като те се захранваха с балони.

През първата половина на 80-те години много страни, не само европейски, но и Америка, Русия и Япония, се задължиха да експериментират с този тип инсталации. И така, през 1982 г. със съвместната работа на завода в Квант и автомобилното предприятие RAF се появява комбиниран мотор, който работи на смес от водород и въздух и като енергиен източник се използва батерия с мощност 5 kW / h.

Оттогава различни страни правят опити да въведат "зелени" превозни средства в своите моделни линии, но в повечето случаи такива превозни средства или остават в категорията на прототипите, или имат много ограничена версия.

Как работи

Тъй като днес има много работещи двигатели от тази категория, във всеки отделен случай водородната централа ще работи по свой собствен принцип. Помислете как работи една модификация, която може да замени класическия двигател с вътрешно горене.

В такъв двигател определено ще се използват горивни клетки. Те са един вид генератори, които активират електрохимична реакция. Вътре в устройството водородът се окислява и резултатът от реакцията е отделянето на електричество, водни пари и азот. При такава инсталация не се отделя въглероден диоксид.

Превозното средство, основано на подобен възел, е същото електрическо превозно средство, само че батерията в него е много по-малка. Горивната клетка генерира достатъчно енергия за работа на всички системи на превозното средство. Единственото предупреждение е, че от началото на процеса до генерирането на енергия може да отнеме около 2 минути. Но максималният изход на инсталацията започва след затопляне на системата, което отнема от четвърт час до 60 минути.

За да може електроцентралата да не работи напразно и да не е необходимо предварително да се подготви транспортът за пътуването, в нея е монтирана конвенционална батерия. По време на шофиране той се презарежда поради възстановяване и е необходим изключително за стартиране на автомобил.

Такава кола е оборудвана с цилиндър с различен обем, в който се изпомпва водород. В зависимост от режима на шофиране, размера на автомобила и мощността на електрическата инсталация, един килограм бензин може да бъде достатъчен за 100 километра пътуване.

Типове водородни двигатели

Въпреки че има няколко модификации на водородни двигатели, всички те се разделят на два вида:

• Тип агрегат с горивна клетка;
• Модифициран двигател с вътрешно горене, адаптиран за работа с водород.

Нека разгледаме всеки тип поотделно: какви са техните характеристики.

Електроцентрали, базирани на водородни горивни клетки

Горивната клетка се основава на принципа на батерията, в която протича електрохимичен процес. Единствената разлика между водородния аналог е по-високата му ефективност (в някои случаи над 45%).

Горивната клетка е единична камера, в която са поставени два елемента: катодът и анодът. И двата електрода са покрити с платина (или паладий). Между тях е разположена мембрана. Разделя кухината на две камери. Кислородът се подава към кухината с катода, а водородът се подава към втория.

В резултат на това се получава химична реакция, резултатът от която е комбинацията от молекули кислород и водород с отделянето на електричество. Страничен ефект от процеса е отделянето на вода и азот. Електродите на горивните клетки са свързани към електрическата верига на автомобила, включително електрическия мотор.

Водородни двигатели с вътрешно горене

В този случай, въпреки че двигателят се нарича водород, той има идентична структура като конвенционалния ICE. Единствената разлика е, че не гори бензин или пропан, а водород. Ако напълните бутилка с водород, има един проблем - този газ ще намали ефективността на конвенционалната единица с около 60 процента.

Ето още няколко проблема с превключването на водород без надстройка на двигателя:

• Когато HTS се компресира, газът ще влезе в химическа реакция с метала, от който са направени горивната камера и буталото, и често това може да се случи и с моторно масло. Поради това в горивната камера се образува друго съединение, което не се различава по специална способност да гори добре;
• Пропуските в горивната камера трябва да са идеални. Ако някъде горивната система има поне минимално изтичане, газът лесно ще се възпламени при контакт с горещи предмети.

Двигател за Honda Clarity

Поради тези причини е по-практично да се използва водород като гориво в ротационни двигатели (каква е тяхната характеристика, прочетете тук). Всмукателните и изпускателните колектори на такива агрегати са разположени отделно един от друг, така че газът на входа не се загрява. Както и да е, докато двигателите се модернизират, за да се заобиколят проблемите с използването на по-евтино и по-екологично гориво.

Колко е дълъг експлоатационният живот на горивните клетки?

Днес по целия свят такива коли са много редки и все още не са в серията, трудно е да се каже какъв ресурс има този енергиен източник. Занаятчиите все още нямат опит в това отношение.

Единственото, което може да се каже, е, че според представители на Toyota, горивната клетка на производствения им автомобил Mirai е в състояние да генерира непрекъснато енергия до 250 хиляди километра. След този етап трябва да следите ефективността на устройството. Ако работата му значително се е понижила, горивната клетка се сменя в оторизиран сервизен център. Вярно е, че трябва да се очаква, че компанията ще вземе прилична сума за тази процедура.

Кои компании вече правят или ще произвеждат автомобили с водород?

Много компании се занимават с разработването на екологично чист енергиен блок. Ето автомобилните марки, в дизайнерското бюро, на които вече има работещи опции, готови да влязат в серия:

• Mercedes-Benz е кросоувър GLC F-Cell, чието начало на продажбите беше обявено през 2018 г., но досега то е придобито само от няколко предприятия и министерства на Германия. Наскоро беше представен прототип на трактор с водородни горивни клетки GenH2;
• Hyundai - прототип на Nexo, представен преди две години;
• BMW е прототип на водородния водород 7, който беше пуснат от поточната линия. Партида от 100 копия остана в експерименталния етап, но това вече е нещо.

Сред стоковите автомобили, които могат да бъдат закупени в Америка и Европа, са моделите Mirai и Clarity съответно от Toyota и Honda. За останалите компании това развитие все още е или в чертежната версия, или като неработещ прототип.

Toyota mirai

Яснота на Honda

Колко струва автомобил, задвижван с водород?

Цената на водородна кола е прилична. Причината за това са благородните метали, които са част от електродите на горивните клетки (паладий или платина). Също така, модерен автомобил е оборудван с безброй системи за сигурност и стабилизиране на работата на електрическите елементи, което също изисква материални ресурси.

Въпреки че поддръжката на такъв автомобил (до момента на подмяна на горивните клетки) не е много по-скъпа от обикновената кола от последните поколения. Има държави, които спонсорират производството на водород, но дори и с това, ще трябва да платите средно 11 долара и половина за килограм газ. В зависимост от типа на двигателя това може да е достатъчно за разстояние от около сто километра.

Защо водородните автомобили са по-добри от електрическите автомобили?

Ако вземете водородна централа с горивни клетки, тогава такава кола ще бъде идентична с електрическата кола, която сме свикнали да виждаме по пътищата. Единствената разлика е, че електрическата кола се зарежда от мрежата или от терминал на бензиностанция. Транспортът на водород сам генерира електричество за себе си.

Що се отнася до цената на такива автомобили, те са по-скъпи. Например базовите модели Tesla ще струват от 45 хиляди долара. Водородните аналози от Япония могат да бъдат закупени за 57 хиляди единици. Баварците пък продават колите си на „зелено“ гориво на цена от 50 хиляди долара.

Ако вземем предвид практичността, е по-лесно да напълним колата с бензин (това ще отнеме около пет минути), отколкото да чакаме половин час (с бързо зареждане, което не е допустимо за всички видове батерии) на паркинга. Това е плюсът на водородните растения.

Друг плюс - горивните клетки не се нуждаят особено от поддръжка, а техният живот е доста голям. Що се отнася до електрическите превозни средства, тяхната огромна батерия ще се нуждае от подмяна след около пет години поради факта, че има много цикли на зареждане и разреждане. При ниски температури батерията в електрическите превозни средства се разрежда много по-бързо, отколкото през лятото. Но елементът на реакцията на окисление на водорода не страда от това и стабилно произвежда електричество.

Какви са перспективите за автомобилите с водород и кога ще се видят на пътя?

В Европа и САЩ водородната кола вече може да бъде намерена. Те обаче все още са в категорията на любопитството. И днес има малко перспективи.

Основната причина този вид транспорт да не запълни скоро пътищата на всички страни е липсата на производствени мощности. Първо, необходимо е да се установи производството на водород. Освен това е необходимо да се достигне такова ниво, че в допълнение към екологичността, това е и гориво, достъпно за повечето автомобилисти. В допълнение към производството на този газ е необходимо да се организира транспортирането му (въпреки че за това можете безопасно да използвате магистралите, по които се транспортира метан), както и да оборудвате много бензиностанции с подходящи терминали.

На второ място, всеки производител на автомобили ще трябва сериозно да модернизира производствените линии, което изисква значителни инвестиции. В нестабилна икономика поради избухването на глобална епидемия малцина ще поемат подобни рискове.

Ако погледнете темповете на развитие на електрическия транспорт, процесът на популяризиране се проведе много бързо. Причината за популярността на електрическите автомобили обаче е възможността за икономия на гориво. И това често е първата причина, поради която те се купуват, а не заради опазването на околната среда. В случай на водород няма да е възможно да се спестят пари (поне сега), тъй като за производството му се изразходва много повече енергия.

Плюсове и основни недостатъци на водородните двигатели

И така, нека обобщим. Предимствата на двигателите с водородно гориво включват следните фактори:

• Екологични емисии;
• Безшумна работа на силовия агрегат (електрическа тяга);
• В случай на използване на горивна клетка не се изисква честа поддръжка;
• Бързо зареждане с гориво;
• В сравнение с електрическите превозни средства, задвижващата система и енергийният източник работят по-стабилно дори при ниски температури.

Въпреки че разработката не може да се нарече новост, въпреки това тя все още има редица недостатъци, които карат обикновения шофьор да я гледа внимателно. Ето някои от тях:

• За да се запали водородът, той трябва да е в газообразно състояние. Това създава определени трудности. Например за компресиране на леки газове са необходими специални скъпи компресори. Има и проблем с правилното съхранение и транспортиране на горивото, тъй като е лесно запалимо;
• Цилиндърът, който ще бъде монтиран на автомобила, ще трябва периодично да се проверява. За да направи това, шофьорът ще трябва да посети специализиран център, а това е допълнителен разход;
• Във водородна кола не се използва огромна батерия, но инсталацията все още тежи прилично, което значително влияе на динамичните характеристики на автомобила;
• Водородът - запалва се при най-малката искра, така че инцидент с такава кола ще бъде придружен от сериозна експлозия. Предвид безотговорното отношение на някои шофьори към собствената си безопасност и живота на други участници в движението, такива превозни средства все още не могат да бъдат пуснати на пътищата.

Предвид интереса на човечеството към по-чиста околна среда, можем да очакваме, че ще бъде постигнат пробив във въпроса за финализирането на „зеления“ транспорт. Но когато това се случи, само времето ще покаже.

Междувременно вижте видео ревюто на Toyota Mirai:

Бъдеще на водорода? Toyota Mirai - ПЪЛЕН ПРЕГЛЕД и спецификации | LiveFEED®

Въпроси и отговори:

Защо водородният двигател е опасен? По време на изгарянето на водородната смес двигателят се нагрява повече, отколкото при изгарянето на бензин. В резултат на това има голяма вероятност от изгаряне на бутала, клапани и претоварване на уреда.

Как да заредите с гориво водороден автомобил? Такъв автомобил се захранва с водород в газообразно състояние (втечнен или сгъстен газ). За да съхранява горивото, то се компресира до 350-700 атмосфери, а температурата може да достигне -259 градуса.

Как работи водородният двигател с вътрешно горене? Автомобилът е оборудван с вид акумулатор. Кислородът и водородът преминават през специални плочи. Резултатът е химическа реакция с отделяне на водна пара и електричество.