Дизельный двигатель на водороде

Водород поможет дизелю?

Как и все в этом мире, судьба дизеля оказалась переменчивой. Еще недавно он был в авангарде борьбы за экологию. Новейшие системы снижения токсичности отработавших газов, уникальные сажевые фильтры, прецизионная топливная аппаратура, программное обеспечение для оптимального управления впрыском – все это вселяло надежду, что конструкторы на верном «зеленом» пути.

Но после скандала с Volkswagen в 2015 году репутация дизеля оказалась подмоченной. И тут на арену экологического цирка вышел электромобиль. Именно его стали возводить на пьедестал, ехидно посматривая в сторону присмиревшего дизеля. Некоторые автопроизводители стали грозить отказом от ДВС в ближайшие десятилетия, а многие компании уже сегодня вкладывают солидные деньги в развитие электропривода. Так что, дизельгейт навсегда?

Но публикации в зарубежной прессе утверждают, что еще не все потеряно. И будущее сверхнизких выбросов может быть… дизельным. Так считает Эван Джонсон, технический директор компании HyTech Power (США). По его мнению, дизель просто нуждается в помощи альтернативного топлива – водорода. Ввод этого газа в воздушно-топливную смесь может существенно уменьшить расход топлива и снизить эмиссию отработавших газов.

Есть и конкретные цифры. HyTech Power обещает сокращение потребления топлива на 20–30%, снижение содержания твердых частиц в выхлопе на 85%, а оксидов азота – от 50 до 90%. Если Джонсон окажется прав, водородная инъекция может спасти дизель от забвения.

Пора ли дизелю на пенсию?

HyTech Power именует свою технологию ICA (Internal Combustion Assistance) – «внутренняя помощь сгоранию». Это практическая реализация известной идеи добавления чистого водорода и кислорода к дизельному топливу непосредственно перед его воспламенением – тем самым можно улучшить характеристики двигателя. Еще десять лет назад это было лишь заманчивой теорией, но времена изменились, и теория воплотилась в жизнь.

Работа ICA начинается с получения водорода методом электролиза. Тут все как обычно: на катализатор в резервуаре с водой подается ток, атомы водорода и кислорода отделяются друг от друга, и водород направляется к специальному впускному отверстию двигателя. Далее он вводится в воздушно-топливную смесь непосредственно перед сгоранием. Водород горит в 10 раз быстрее дизельного топлива, поэтому он быстро и во всем объеме камеры воспламеняет всю смесь. В итоге сгорание проходит гораздо эффективнее, а вредных выбросов образуется меньше.

Однако эта технология таила немало подводных камней. Повышение эффективности использования топлива было незначительным, и прежде всего потому, что система потребляла слишком много энергии из бортовой сети для электролиза. В лаборатории этот процесс увеличил экономию топлива всего на 5%. На дороге показатели немного улучшались, но сильно зависели от состояния двигателя, качества топлива и нагрузки. Итог был неутешительным: выгода не оправдывала затрат.

Блок ICA от HyTech Power с датчиками, интерфейсом и трубками подачи водорода, установленный на дизеле

Сегодня компания HyTech Power заявила, что решила эти проблемы, создав небольшой электролизер, который оказался в 3–4 раза эффективнее предыдущих. А новое программное обеспечение «научилось» оптимизировать время впрыска водорода. Специалисты HyTech обеспечили синхронизацию собственных алгоритмов с сигналами датчиков коленчатого и распределительного валов, и теперь программа в реальном времени определяет, когда и сколько впрыснуть водорода в каждый цилиндр.

Важно, что система ICA с программным обеспечением как дополнительное оборудование может быть адаптирована к любому двигателю. Tech Power утверждает, что при цене ICA 10 тыс. долл. большинство коммерческих грузовиков смогут «отбить» эти деньги через девять месяцев за счет экономии топлива и снижения затрат на техническое обслуживание. А для стационарных дизель-генераторов время окупаемости будет еще меньше.

Мэтью Борст, занимающий ответственный пост в Обществе автомобильных инженеров (SAE), заявил, что разработки HyTech могут возродить интерес к дизелю.

«Главное здесь – алгоритмы управления процессом, – уточнил г-н Борст. – Контроль процесса электролиза и управление впрыском водорода полностью отвечают современным требованиям к грузовым перевозкам по сокращению вредных выбросов. Потенциал новой системы представляется мне весьма перспективным».

Резервуар HyTech Power для электролиза с запатентованным катализатором (находится внутри резервуара)

Система ICA совместима и со старыми дизелями. Этой весной проводились дорожные испытания дизельных грузовых автомобилей в Сиэтле. Грузовики, принадлежащие FedEx, продемонстрировали 20–30%-ю экономию топлива с одновременным сокращением эксплуатационных расходов на фильтрацию твердых частиц.

А вот и независимая оценка. Лаборатория швейцарской экспертной компании SGS подтвердила, что ICA повысила топливную экономичность грузовых автомобилей FedEx на 27,4%. В настоящее время проводятся пробные испытания ICA с участием компании Caterpillar.

HyTech пока неохотно обсуждает долгосрочные перспективы своего детища. Дело в том, что ICA – лишь первая из водородных систем, находящихся в разработке. В частности, планируется создание подобного устройства для автомобилей с бензиновым двигателем, но подробности держатся в секрете.

Однако система ICA уже продается, и возникает вопрос: а как она будет делить рынок с электроприводом, в частности, с разработками той же Tesla?

Уже знакомый нам технический директор HyTech Power Эван Джонсон говорит, что электрическая платформа пока не имеет инфраструктуры для длительных непрерывных перевозок. И Мэтью Борст из Общества автомобильных инженеров SAE с ним соглашается.

Но вот что любопытно. Оба специалиста сходятся во мнении, что сегодня нельзя отдать предпочтение конкретной технологии – будь то электропривод, дизель или силовая установка с другими источниками энергии.

Но система ICA от HyTech и другие исследования в области дизельного топлива могут стать мостиком к эффективным двигателям будущего. И чем шире будет у человечества выбор, тем лучше.

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Где применяют водородное топливо?

В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
Бесшумная работа двигателя;
Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Водородный двигатель принцип работы

Водородный двигатель: типы, устройство,принцип работы

ТИПЫ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным. Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О. Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.

На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной). Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Такая реакция образует воду, при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде.

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.

Принцип работы

Принцип работы водородных двигателей стоит рассмотреть применительно к двум видам таких установок:

Моторы внутреннего сгорания;
Двигатели на водородных элементах.

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 H2O 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.

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 H2, 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.

Водородные топливные элементы

Водородный топливный элемент, с конструктивной точки зрения, является своеобразной аккумуляторной «батарейкой» с высокими показателями коэффициента полезного действия (порядка 50%). Внутри корпуса протекают физико-химических процессы с участием специальной мембраны, отвечающей за проведение протонов. Посредством такого мембранного элемента происходит деление корпуса на пару частей – резервуар с анодом и камеру с катодом.

Камера с анодом заполняется водородом, а в катодную часть поступает атмосферный кислород. В качестве покрытия электродов используются дорогостоящие редкоземельные металлы, включая платину. Особенности поверхности обеспечивают взаимодействие с водородными молекулами, в результате чего происходит потеря электронов. Одномоментно с этим процессом выполняется прохождение протонов сквозь мембрану к катоду. Благодаря такому воздействию катализатора протоны соединяются с поступившими извне электронами.

Результат произошедшей реакции – образование воды и поступление электронов из анодной камеры в электрическую цепь, подключённую к силовому агрегату. Таким образом, двигатель приводится в движение водородным топливным элементом и может проработать порядка 200-250 км. Тормозит применение такой технологии и серийный выпуск автомобилей с водородными двигателями необходимость использовать в конструкции элементов платину, палладий и другие дорогостоящие металлы.

Принцип работы

Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования. При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы. Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н2О.

Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом. Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним. Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.

Особенности гибридных конструкций

Характеристики, которыми обладает водородное топливо, активно использовались многими конструкторами с целью создания уникального гидродвигателя внутреннего сгорания. Например, разработанный В.С. Кащеевым метод – это принципиально иная установка, имеющая не только традиционный подающий воздух впускной клапан и выпускное устройство отвода выхлопных газов, но и отдельный клапанный механизм подачи водорода, а также свечу зажигания в головке блоков цилиндров.

Несмотря на некоторые принципиальные отличия, механизм работы остаётся неизменным, поэтому любые гибридные силовые агрегаты принято считать переходной стадией от применения дизеля и бензина к использованию водородного топлива. Благодаря высоким показателям КПД, лёгкое химическое вещество вводится в состав топливно-воздушных смесей, что значительно повышает степень сжатия, а также снижает токсичность выхлопов. Кроме этого, взаимодействие кислорода с водородом сопровождается выделением достаточного количества энергии, которая нужна автомобильным электродвигателям.

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.

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп бензиновых и дизельных ДВС, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как установка ГБО также не решает всех задач.

С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего электрокара (электромобиля) в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию.

Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.

История создания водородного двигателя

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.

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.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода на полном баке водорода составляет около 300 км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания двигателей-гибридов, другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, в плане экологии и производительности данный вариант также может в ближайшее время составить конкуренцию ДВС на бензине, газе или дизтопливе.

Водородные двигатели показали себя несколько лучше, чем самые продвинутые электрокары. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, остался такой недостаток, как способы и возможности заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправочных станций не особенно развита, причем в мировом масштабе.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, одного бака хватает на 600 км. Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.

Как видно, с двигателем на водороде активно экспериментируют многие производители, однако такое решение все равно имеет много недостатков. При этом некоторые минусы сильно мешают массовой популяризации.

Прежде всего, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород весьма горюч и взрывоопасен даже при относительно невысоких температурах. По этой причине его сложно хранить и перевозить. Получается, необходимо строить особые водородные резервуары для авто с данным типом двигателя. Как результат, на практике водородных заправок очень мало.

К этому также можно добавить определенную сложность и высокие расходы на ремонт и обслуживание водородного агрегата, а также необходимость в подготовке и обучении большого количества высококвалифицированного персонала. Если же говорить о самом авто на водороде и его эксплуатационных характеристиках, наличие водородной установки делает машину более тяжелой, закономерно ухудшается управляемость.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.

Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.

Усовершенствание конструкции поршневого двигателя, отказ от КШМ: бесшатунный двигатель, а также двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.

Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.

Виды двигателей внутреннего сгорания, отличия различных типов ДВС. Особенности компоновки, объем двигателя, мощность, крутящий момент и другие параметры.

Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.

Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.

Что нужно знать о моторах на Рендж Ровер перед покупкой такого автомобиля б/у. С каким двигателем лучше взять данный автомобиль и почему.

Двигатель-гибрид: водородно-электрические секреты. 1 кг топлива на 100 км

Когда речь заходит об использовании водорода на транспорте, то, прежде всего, вспоминается двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде и механическая или гидромеханическая передача крутящего момента на ведущие колеса. Это направление интересно и, безусловно, буде развиваться в ближайшее время. Но чисто электрический привод колес более перспективен. И не случайно в мире все больше выпускается электромобилей. К сожалению, пробег автомобиля на одном заряде ограничен.

Стало популярно применять гибриды с использованием электропривода от аккумуляторных батарей и двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Но можно ли создать гибрид без использования ДВС? Можно, если электрическую энергию расходовать не только из аккумуляторных батарей, а и получать напрямую из топлива, например, водорода. Для этого используются топливные элементы. И таких автомобилей разрабатывается все больше.

Концепт A7 h-tron — это два электродвигателя, размещенные на передней и задней осях; между ними нет механической связи, и они управляют обеими осями независимо друг от друга — приводятся в действие все четыре колеса — привод Audi Quattro. Суммарная мощность автомобиля составляет 228 л.с. с максимальным крутящим моментом 540 Нм.

Топливный элемент в A7 устанавливается вместо обычного двигателя и содержит более 300 отдельных элементов, образующих батарею. Сама ячейка состоит из полимерной мембраны, и на обеих сторонах этой мембраны находится катализатор на основе платины.

Гибридный Audi A7 Sportback h-tron Quattro способен проехать 500 километров на баке горючего, при этом в качестве выхлопа выступает вода. Авто использует электропривод с водородным топливным элементом в качестве источника энергии в сочетании с гибридной батареей и дополнительным электродвигателем на задней оси. Разгон до 100 км/ч – 7,9 секунд, максимальная скорость — 180 км/ч. Полная зарядка литиевых батарей при отключении водородных топливных элементов позволит проехать еще полсотни километров.

У водородных топливных элементов очень высокий КПД — 60%. У лучших двигателей внутреннего сгорания этот коэффициент составляет 35-40%.

Наиболее экологически чистый способ получения водорода состоит в электролизе воды. В результате электрохимических реакций получается водород и кислород. Проблема этого способа состоит в энергоемкости. Необходимо большое количество электроэнергии. И здесь будущее за использованием ВИЭ. По мере удешевления производства, например, электроэнергии солнечных элементов электролиз воды для получения водорода вполне может конкурировать с химическими способами получения водорода из газа.

Хотя водород горюч и должен содержаться под высоким давлением инженерами уже решены эти проблемы. Зато загрузка водорода под давлением в автомобильный топливный элемент занимает считанные минуты в отличие от зарядки нынешних аккумуляторов.

Преимущества водородных топливных элементов настолько очевидны, что автомобильный транспорт уже в ближайшие годы начнет переход на них.

Современный водородный автомобиль представляет разновидность электромобиля, так как движение осуществляет электрический двигатель. В водородном топливном элементе производится электроэнергия, которая направляется в буферный аккумулятор, а затем после преобразования инвертором в переменный ток и повышения напряжения подается на зажимы электродвигателя. При этом буферный аккумулятор по сравнению с электромобилем значительно меньшей емкости и габаритов, так как он не является главным источником энергии.

Что касается емкости заряда аккумулятора, Audi A7 Sportback h-tron quattro проезжает до 50 километров (31,1 мили). Аккумулятор в задней части гибридного модуля может быть свинцово-кислотным. В зависимости от напряжения и тока, полная перезарядка занимает от двух часов (промышленная розетка / 360 вольт) до четырех часов (внутренняя розетка на 230 вольт).

Аккумулятор работает на уровне напряжения, отличном от уровня топливного элемента. По этой причине устанавливается преобразователь постоянного тока (DC / AC) между двумя компонентами. Этот трехпортовый конвертер находится за стеком. Во многих рабочих состояниях он выравнивает напряжение, позволяя электродвигателям работать с максимальной эффективностью 95 процентов.

Силовая электроника в передней и задней части автомобиля преобразует постоянный ток от топливного элемента и батареи в переменный ток для электродвигателей для привода переднего и заднего мостов отдельно.

Два электродвигателя, каждый из которых имеет мощность 85 кВт или даже кратковременно до 114 кВт, если напряжение временно повышается. Пиковый крутящий момент электродвигателя составляет 270 Н·м. Корпуса электродвигателей включают планетарные зубчатые передачи с передаточным отношение 7,6: 1.

Суть процесса работы топливного элемента

Водород из резервуара подается на анод (положительно заряженный электрод), затем он разбивается на электроны и протоны. Разделенные электроны подают электроэнергию, отдельная ячейка обеспечивает напряжение в пределах 0,6-0,8 вольт. Между тем, протоны устремляются к катоду, реагируя с воздухом (кислородом) с образованием водяного пара.

Турбокомпрессор — нагнетает воздух в топливный элемент, а вентилятор выталкивает неиспользованный водород обратно на анод. Топливный элемент работает в диапазоне напряжений от 230 до 360 вольт. Турбокомпрессор, вентилятор и насос охлаждающей жидкости используют электричество от топливного элемента.

Элемент позволяет провести высокоэнергетическую реакцию H2 + O2 → H2O в спокойном режиме, без взрыва, который сопровождает ту же реакцию в водородном двигателе внутреннего сгорания. Результатом реакции является вода и энергия. Сам топливный элемент Audi содержит более 300 отдельных ячеек, ядро каждой из которых представляет собой полимерную мембрану. Катализатор по обе стороны мембраны создан на основе платины. Напряжение составляет от 230 до 360 вольт. Получаемая энергия запасается в литиево-ионном аккумуляторе.

1 кг топлива необходим на 100 километров, так что полный бак позволит проехать 500 километров. Заправка водородом занимает около трех минут, как и в случае с авто с двигателем внутреннего сгорания. После отключения топливного элемента он позволит проехать 50 километров на полном заряде.

Топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент, но с существенной разницей. Вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода. Она же и выходит наружу в виде выхлопа.

Перспективы водородных энергетических систем

В Токио в конце сентября текущего года прошла встреча министров энергетики и руководителей энергетических структур из более чем 30 стран. На ней обсуждались перспективы водородных энергетических систем в мире на предстоящее десятилетие. Как сообщает агентство Kyodo News, в постановлении совещания названа цель добиться, чтобы через 10 лет в мире было «10 миллионов транспортных средств с водородными системами» и «10 тысяч станций заправки водородом». В январе 2017 года по инициативе японских компаний Toyota Motor Corp. и Air Liquide был создан Hydrogen Council — Международный совет по водородным технологиям. В него вошли 27 концернов, фирм и компаний, в том числе, кроме японских, Audi, BMW, Daimler, Shell, Total и др. Переход на водород позволит значительно сократить выбросы СО2 в таких отраслях, как транспорт, химическая промышленность и металлургия.

Однако, такие революционные переходы влекут за собой коммерческие, финансовые и социальные изменения. Чаще всего сложные и местами весьма болезненные. Последние, во многом связаны с быстротой перемен и недостаточным временем на подготовку к ним.

Завтрашний день наступает сегодня

NEXO — это второе поколение кроссовера на топливных элементах от Hyundai Motor, который компания позиционирует, как наиболее передовое транспортное средство с нулевым уровнем выбросов. Благодаря новой системе топливных элементов, Hyundai Motor сумела всесторонне развить технологии предыдущей модели. Общая эффективность и экономия топлива делают кроссовер NEXO безапелляционным лидером своего сегмента.

NEXO — это один из лучших автомобилей с отсутствием вредных выбросов, который применим для повседневной эксплуатации. Электрический двигатель автомобиля имеет максимальную выходную мощность 120 кВт (163 л.с.) и крутящий момент в 395 Нм. NEXO разгоняется от 0 до 100 км/ч за 9,2 секунды и достигает максимальной скорости в 179 км/ч.

Экологически чистый силовой агрегат на топливных элементах имеет повышенную скорость утилизации водорода и производных компонентов. Это приводит к превосходным показателям эффективности трансмиссии, которая позволяет кроссоверу NEXO иметь запас хода около 800 км согласно циклу NEDC — что лучше, чем у любого другого автомобиля на топливных элементах и многих электрокаров. Данный запас хода сравним с диапазоном двигателя внутреннего сгорания и позволяет водителям путешествовать на большие расстояния.

Новая платформа транспортного средства позволила объединить три идентичных резервуара с объемом 52,2 литра водорода на каждый, однако несмотря на более высокую емкость хранилищ для топлива, NEXO требуется всего пять минут для полной дозаправки. Важной особенностью новой трансмиссии автомобиля, является возможность ее работы в условиях экстремальных температур окружающей среды.

Наряду с энергетическим преимуществом топливные водородные элементы обладают и экологическими. Разработчики водородного кроссовера Hyundai Nexo уверяют, что их авто не только не выбрасывает в атмосферу вредные вещества, но и очищает за час несколько десятков килограммов воздуха, которых может хватить более чем на 40 человек. Сообщается, что 10 тыс. подобных водородных кроссоверов на улицах мегаполисов могут заменить около 600 тыс. деревьев.

К тому же водород является одним из наиболее распространенных элементов в природе, в отличие от основных элементов батарей для электрокаров — лития и кобальта, за которые компании уже ведут настоящие войны.