Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Где заправляют водородные автомобили?

К сожалению, заправочных водородных станций в мире совсем мало. В 2021 г. их около 300, половина которых находится в Северной Америке, а другие – в Японии, Германии и Китае.

Кроме этого, существуют домашние и мобильные заправки. Они могут производить около тонны чистого водорода в год. Этого вполне хватит для заправки нескольких автомобилей в день. Топливо производится при помощи гидролиза воды, установку запускают только ночью, чтобы не нагружать электрическую сеть.

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Автозаправки бывают 3 типов:

  1. Малые. Они производят около 20 кг водорода в 24 часа. Хватит для полной заправки 5 легковых автомобилей.
  2. Средние. Вырабатывают от 50 до 1250 кг топлива в сутки. Могут в день заправлять 250 стандартных машин или 25 грузовиков.
  3. Промышленные. Производят более 2500 кг чистого водорода. Могут заправлять больше 500 легковушек в сутки.

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Заправка состоит из компрессора, диспенсера, системы очистки, электрического лизёра, система хранения водорода. Топливо может производиться как при помощи электролиза воды, так и с помощью паровой конверсии метана.

Для того, чтобы заменить большую сеть бензиновых заправок на водородные, понадобится примерно 1,5 трлн. долларов. А стоимость одной водородной станции обойдётся в 2-3 млн. долл., но окупаемость её быстрее, чем для электрической станции из-за быстрой зарядки.

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.

Опасен ли водород для человека?

Водород очень летуч, а также это легковоспламеняющийся газ, который хранить и перевозить следует предельно аккуратно. Сгорает он тоже довольно быстро. Например, газ в дирижабле «Гинденбург» полностью сгорел за полминуты, поэтому погибло только треть пассажиров.

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Когда на дорогах появится большое количество водородных автомобилей, то надо будет ввести новые меры безопасности. Ведь при пробитии бака с водородом и наличием искр рядом газ может загореться. Поэтому в водородных автомобилях баки делают очень прочные, которые даже могут выдержать выстрел из крупнокалиберного пистолета. Поэтому при соблюдении правил безопасности, авто на водороде не опаснее бензиновых и дизельных моделей.

Перспективы водородных ДВС

На данный момент к категории водородных моторов относятся как силовые агрегаты, которые функционируют на водороде, так и двигатели, использующие в работе водородные топливные ячейки. По мнению специалистов, водородные двигатели сегодня следует рассматривать, как единственно приемлемую с экологической точки зрения энергию.

Перед учёными в настоящее время стоит задача разработки наиболее приемлемой инфраструктуры, а также определения высокоэффективного способа добычи нестандартного вида топлива

Немаловажное значение придаётся подготовке документации, регламентирующей вопросы транспортирования, хранения и эксплуатации водорода

Популярные статьи  Калькулятор для перевода силы тока в мощность

Как работает топливный элемент?

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

В статье уже упоминалось о топливном элементе, который планируется устанавливать в автомобилях нового типа. Давайте подробнее познакомимся с его принципом действия. 

Топливный элемент – электрохимическое устройство, которое преобразует энергию, хранящуюся в химической формуле, в электроэнергию, воду и тепло. Он состоит из двух электродов: анода и катода. Для их изготовления используют угольные пластины, покрытые платиной. На аноде подающийся гидроген распадается, при потере электрона. В это время кислород на катоде соединяется с пришедшим патроном.  По большому счету топливный элемент можно сравнить с батареей, у которой вырабатывается постоянный ток в результате химической реакции. Разница между ТЭ и батареей заключается в том, что он не накапливает электричество, не разряжается и его не нужно повторно заряжать. Он будет работать до тех пор, пока имеется запас топлива и воздуха. Отличительной особенностью еще можно назвать то, что элементы не сжигают топливо, как другие электрогнераторы.

Поэтому в нем нет шумных роторов с высоким давлением. Как следствие отсутствие громкого шума при выхлопе и отсутствие вибраций. 

Еще к плюсам углеводородных двигателей можно отнести их способность работать при низких температурах, что сокращает время запуска. Это происходит благодаря графитовым ячейкам, которые  дают возможность проходить реагентам с сохранением электрического контакта с электролитом. Благодаря этому в холода не придется прогревать двигатель.

Правда у таких элементов имеется одна особенность. Низкая плотность изотопа несет с собой трудности проектирования системы для его хранения в машине. Для хранения придется использовать бак, превышающий обычный в 800 раз. Но сегодня разработаны основные решения для его хранения:

  • в сжатом виде, когда он находится в баллонах;
  • на криогенных станциях, где газ хранится при низкой температуре;
  • в виде сплавов (металл и гидрид), поглощающих водород.

Пока заправка авто с водородным двигателем весьма дорогой процесс, требующий гибкой связи между заправщиком и автомобилем, который обеспечивает запечатанную систему.

Принципы водородных двигателей

Водородные двигатели прорабатываются, в основном, по двум принципам.

Первый принцип  водородного двигателя состоит в  традиционном применении двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с применением водорода как топлива, по аналогии  газа — пропана. Однако такой вид топлива в настоящее время еще опасен в связи с вероятностью утечки водорода. Молекулы водорода малы и могут диффундировать сквозь металл.

Водородный двигатель на основе ДВС состоит из самого модифицированного двигателя внутреннего сгорания, коробки передач, трансмиссии и системы хранения водорода. Помимо модификации ДВС, основным отличием является система хранения водорода, которая намного больше, тяжелее и сложнее, чем бензиновый или дизельный бак.

Кроме того, также необходимо хранить большое количество водорода на борту транспортного средства. Это невозможно с имеющимися в настоящее время системами хранения водорода, особенно в легковых автомобилях, из-за больших потребностей в пространстве любой системы хранения водорода.

Второй принцип — работающие на топливных элементах,  представляющих собой  гальванические элементы в которых происходит  реакция водорода с кислородом, приводящая к получению  электричества. Водородный двигатель: принцип работы и устройство  У этого класса двигателей много достоинств, как высокий КПД, надежность, отсутствие выбросов. У такого класса двигателей имеется  основной недостаток,  из-за которого  нельзя пока получить массового применения  – недостаточно проработаны технологии изготовления и эксплуатации.

Транспортное средство приводится в движение электродвигателем (диапазон мощности обычно составляет около пиковая мощность 100 кВт), которая снабжается электроэнергией от системы топливных элементов (диапазон мощности чуть ниже 100 кВт) и, возможно, небольшой батареей (диапазон мощности до 40 кВт) .

Электродвигатели, используемые в современных электромобилях, в основном являются двигателями переменного тока. Таким образом, инвертор, преобразующий постоянный ток производится системой топливных элементов в переменный ток, необходим. Основным источником энергии является система топливных элементов, которая питается водородом. Для хранения необходимого количества водорода на борту транспортного средства необходима система хранения водорода. В настоящее время решением, выбранным почти всеми производителями оборудования, является композитная (металлические или пластиковые цилиндры, обернутые углеродным волокном).  Система хранения типа газообразного водорода с давлением хранения 700 бар обеспечивает достаточную дальность вождения. Эта система состоит из баллонов высокого давления, клапанов, датчиков  и трубопроводов. Наконец, все современные автомобили имеют на борту небольшую батарею, которая используется для хранения рекуперированной энергии торможения и обеспечения оптимальной работы системы топливных элементов.

Поэтому, пока еще основная часть автомобилей применяют традиционное топливо из сероводородов для своих двигателей внутреннего сгорания.  Количество автомобилей растет и по разным оценкам суммарная  мощность традиционных автомобилей в несколько раз превышает мощность всех действующих электростанций в мире.

Очевидно, что в ближайшее время замена ДВС на водородный двигатель будет медленной.

Водородный двигатель своими руками

Генератор

Чтобы создать эффективный водородный двигатель для автомобиля своими руками, нужно начать с генератора. Самый простой самодельный генератор — это герметичная ёмкость с жидкостью, в которую погружаются электроды. Для такого устройства достаточно источника питания в 12 В.

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Штуцер устанавливается на крышке конструкции. Он отводит смесь водорода с кислородом. Собственно, это и есть основа генератора для водородного двигателя, которая подключается к ДВС.

Чтобы создать полноценную систему также понадобится дополнительный накопитель и аккумулятор. В качестве корпуса лучше всего использовать водопроводный фильтр или же можно купить специальную установку. В последней применяются цилиндрические электроды повышенной производительности.

Как видите, выделить нужный газ для реакции не так-то уж и сложно. Намного сложнее произвести его в нужном для водородного двигателя количестве. Чтоб повысить эффективность необходимо использовать электроды из меди. В крайнем случае подойдёт и нержавейка.

В ходе реакции ток должен подаваться с разной силой. Поэтому без электронного блока не обойтись. К тому же в резервуаре всегда должно быть определённое количество воды, чтобы реакция проходила в нормальных условиях. Система автоматической подпитки в водородном двигателе решает эту проблему. Интенсивность электролиза обеспечивает достаточное количество соли.

Популярные статьи  Как растопить лед в бачке омывателя

Чтобы сделать воду для водородного двигателя необходимо взять 10 литров жидкости и добавить столовую ложку гидроксида.

Устройство водородного двигателя

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

В первую очередь нужно позаботиться о дополнительных резервуарах и трубопроводе. Водородный двигатель нуждается в датчике уровня воды, который устанавливается в середине крышки. Это предотвратит ложное срабатывание при движении вверх-вниз. Именно он будет давать команду системе автоматической подпитки, когда это понадобится.

Особую роль играет датчик давления. Он включается на показателе в 40 psi. Как только внутреннее давление достигнет показателя в 45 psi, подкачка отключается. При превышении 50 psi сработает предохранитель.

Предохранитель водородного двигателя должен состоять из двух частей: вентиля аварийного сброса и разрывного диска. Разрывной диск активируется, когда давление достигает 60 psi, не нанося никакого вреда системе.

Для отвода тепла нужно использовать самую холодную свечу. Не подходят свечи с платиновыми наконечниками. Платина — отличный катализатор для реакции водорода и кислорода.

Электрическая часть

Важную роль в электрической схеме водородного двигателя играет таймер 555. Он выполняет роль импульсного генератора. Мало того, с его помощью можно регулировать частоту и ширину импульса.

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

В плате водородного двигателя должно быть два импульсных таймера 555. При этом первый должен иметь конденсаторы большей ёмкости. Выход с ноги 3 поступает на второй генератор. Он его собственно и включает.

Третий выход второго таймера импульсного водородного генератора подключается к резисторам на 220 и 820 Ом. Транзистор усиливает ток до нужной величины. За его защиту отвечает диод 1N4007. Это обеспечивает нормальную работу всей системы.

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.

Водородные двигатели будущего

  • Новое сотрудничество в автомобильном секторе начали General Motors (GM) и Honda Motor. Обе компании планируют совместно разрабатывать водородные топливные элементы в течение следующих семи лет. Обмен ноу-хау поможет снизить затраты на технологии и делает основной целью реагирование на увеличение объёма глобальных требований, предъявляемых к сокращению выбросов, стандарт «Евро-4» имеет строгие рамки.
  • Силовая установка автомобиля может послужить и электростанцией для дома, обеспечивая его энергией в течение 5 дней.
  • Каждый производитель в ближайшее время рассчитывает продавать минимум тысячу экокаров за год, ожидаемая цена 97000 $.
  • К 2050 году водород как источник топлива покроет треть производимой энергии.

А вот Илон Маск (глава SpaceX и Tesla) к новому топливу относится крайне критично, считая его создание маркетинговым ходом. Маск заявил, что использование технологий не решит реальных транспортных проблем и что в литий-ионных батареях плотность хранения энергии превышает все водородные разработки. А как думаете вы?

Металлический водород

5 октября 2016 года в физической лаборатории Harvard University получили металлический водород. Для этого потребовалось давление 495 гигапаскаль. Если решить вопрос стабильности и охлаждения камеры сгорания (6000 К), то металлический водород станет самым перспективным ракетным топливом.Водородный двигатель: принцип работы и устройствоВодородный двигатель: принцип работы и устройство

Ученые предполагают, что металлический водород позволит получить в двигателях импульс 1000-1700 секунд. (В современных ЖРД пока достигнут импульс 460 секунд). Плюс для хранения металлического водорода понадобятся маленькие баки, что позволит делать одноступенчатые ракеты для вывода полезной нагрузки в космос, это откроет новую эру освоения космического пространства!

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.

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

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.

Популярные статьи  Как проверить аккумулятор автомобиля на работоспособность

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.

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

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.

Производители автомобилей на водороде

Производство водородных автомобилей может позволить себе далеко не каждая компания. Возможность производить такой вид транспорта — это заявка на следование экотрендам, в надежде уверенно занять нишу автомобилей будущего.  В авангарде этого движения традиционно находятся японские компании Toyota и Honda. За ними следуют европейские BMW, Audi, Mercedes. В последнее десятилетие активно подключилась к разработкам и производству корейская компания Hyundai.

Кроме единичных концептов (Pininfarina H2 Speed, Ford Airstream) и экспериментальных проектов типа Audi h-tron quattro и BMW 7 Hydrogen, сегодня на рынке существует всего четыре серийных автомобиля, выпущенных на дороги общего пользования для рынков с соответствующей водородной инфраструктурой:

  • Toyota Mirai
  • Honda clarity
  • Hyundai Nexo
  • Mercedes GLC F-CELL

Модификации — гибриды

Схема водородного двигателя

Рассмотрим мотор, который сконструировал В.С. Кащеев.

По его разработки, двигатель кроме впускного клапана (6), через который подается воздух и выпускного клапана (7) для вывода выхлопных газов, в головке блока цилиндров (ГБЦ) есть специальный клапан для подачи водорода (9) и свечи зажигания (10), которые расположены в предкамере (8). Последняя располагается выше уровня поршня, когда он находится в нижней мертвой точке.

После того, как поршень достигнет НМТ (в камеру сгорания уже затянулся воздух через впускные клапана), подается водород и происходит воспламенение смеси. В это время уже открываются выпускные клапана. Так как разница давления в камере сгорания и за клапанами большая, при открытии выпускных клапанов, отработанные газы улетают и образуется вакуум и поршень притягивается в ВМТ и за счет импульса (обратно действующая сила) поршень перемещается обратно в НМТ.

Гибридный двигатель — это промежуточное звено между топливным мотором, работающем на продуктах нефти и на чистом водороде. Гибридные автомобили могут эксплуатироваться как на бензине/дизеле, так и на водороде.

Модифицированная топливная система

За основу берется обычный бензиновый двигатель. Топливо остается то же — бензин. Но, через впускной клапан подается воздух с водородом. Топливно-воздушная смесь такого состава повышает увеличить степень сжатия и уменьшить токсичность выхлопных вредных веществ.

Главные плюсы и минусы водородных моторов

Основные достоинства, которыми обладают водородные двигатели:

высокий уровень экологичности, так как продуктом его сгорания выступает водяной пар. При сгорании водорода происходит ещё и выгорание моторного масла, однако количество токсичных выхлопов при этом в несколько раз меньше, чем при сгорании бензинового или «тяжёлого» топлива;
высокий КПД, который в разы превосходит таковой в классических силовых установках, функционирующих на дизельном или бензиновом топливе;
относительная конструктивная простота, а также отсутствие дорогостоящих и ненадёжных систем топливоподачи, которые к тому же опасны;
бесшумность.

Несмотря на ряд существенных преимуществ, водородные моторы имеют достаточное количество недостатков:

  • высокая цена и сложность получения чистого водорода;
  • неразвитая инфраструктура автозаправочных станций, способных осуществить дозаправку водородом;
  • отсутствие международных стандартов транспортировки и применения водородного горючего;
  • высокая цена топливных компонентов и обслуживания водородных двигателей;
  • трудности, связанные с хранением водородного горючего. Учёные до сих пор не пришли к единому знаменателю касательно материала, который необходимо использовать при изготовлении баков для хранения горючего водорода;
  • увеличение общей массы машины за счёт наличия водородного двигателя, который заметно тяжелее ныне распространённых бензиновых и дизельных моторов.

Кроме того, баллоны с водородом необходимо регулярно проверять и сертифицировать, что может быть сделано исключительно квалифицированными специалистами, обладающими соответствующим разрешением и лицензией.

Оцените статью
Добавить комментарии

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: