Принцип работы водородного двигателя: Как работает водородный двигатель в автомобиле?

Как работает водородный двигатель в автомобиле?

Традиционный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет ряд существенных недостатков, что заставляет ученных искать ему достойную замену. Самым популярным вариантом подобной альтернативы является электродвигатель, однако он не единственный, кто может составить конкуренцию ДВС. В данной статье речь пойдет о водородном моторе, который по праву считается будущим автомобилестроения и может решить проблему с вредными выбросами и дороговизной топлива.

• Краткая история
• Принцип работы и типы водородного двигателя
  • Силовые установки на основе водородных топливных элементов
  • Водородные двигатели внутреннего сгорания
• Водородный двигатель на современном рынке
• Плюсы и основные недостатки водородных двигателей

Краткая история

Несмотря на то, что сохранность окружающей среды только сейчас стала массовой проблемой, об изменении стандартного двигателя внутреннего сгорания ученые задумывались и раньше. Так, мотор, работающий на водороде, «увидел мир» еще в 1806 году, чему поспособствовал французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (он производил водород при помощи электролиза воды).

Прошло несколько десятков лет, и в Англии выдали первый патент на водородный двигатель (1841 год), а в 1852 году немецкие ученые сконструировали ДВС, который мог работать на воздушно-водородной смеси.

Чуть позже, во времена блокады Ленинграда, когда бензин был дефицитным продуктом, а водород имелся в достаточно большом количестве, техник Борис Шелищ предложил использовать для работы заградительных аэростатов воздушно-водородную смесь. После этого на водородное питание перевели все ДВС лебедок аэростатов, а общее число работающих на водороде машин достигало 600 единиц.

В первой половине ХХ века интерес общественности к водородным двигателям был невелик, но с приходом топливно-энергетического кризиса 70-х годов ситуация резко изменилась. В частности, в 1879 году компания BMW выпустила первый автомобиль, который вполне успешно ездил на водороде (без взрывов и водяного пара, вырывающегося из выхлопной трубы).

Следом за BMW, в этом направлении начали работать другие крупные автопроизводители, и к концу прошлого столетия практически каждая уважающая себя автокомпания уже имела концепцию разработки машины на водородном топливе. Тем не менее, с окончанием нефтяного кризиса исчез и интерес общественности к альтернативным источникам топлива, хотя в наше время он снова начинает пробуждаться, подогреваемый защитниками экологии, борющимися за снижение токсичности выхлопных газов автомобилей.

Более того, цены на энергоносители и желание обрести топливную независимость только способствуют проведению теоретических и практических исследований ученными многих стран мира. Самыми активными являются компании BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Принцип работы и типы водородного двигателя

Основным отличием водородной установки от традиционных двигателей является способ подачи топливной жидкости и последующее воспламенением рабочей смеси. При этом принцип трансформации возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в полезную работу остается неизменным. Учитывая, что горение нефтяного топлива происходит достаточно медленно, топливно-воздушная смесь наполняет камеру сгорания раньше, чем поршень займет свое крайнее верхнее положение (так называемую верхнюю мертвую точку).

Стремительная реакция водорода дает возможность сдвинуть время впрыска ближе к тому моменту, когда поршень начинает возвращаться к нижней мертвой точке. Нужно отметить, что давление в топливной системе не обязательно будет высоким.

Если водородному двигателю создать идеальные рабочие условия, то он может иметь топливную систему питания закрытого типа, когда процесс смесеобразования будет проходить без участия атмосферных воздушных потоков. В таком случае после такта сжатия в камере сгорания остается водяной пар, который, проходя через радиатор, конденсируется и снова превращается в обычную воду.

Однако применение такого вида устройства возможно только тогда, когда на транспортном средстве имеется электролизер, отделяющий водород от воды для его повторной реакции с кислородом. На данный момент добиться таких результатов крайне сложно. Для стабильной работы двигателей применяется моторное масло, а его испарения являются частью выхлопных газов.

Поэтому беспроблемный запуск силовой установки и ее устойчивая работа на гремучем газе без использования атмосферного воздуха – пока что неосуществимая задача.
Различают два варианта автомобильных водородных установок: агрегаты, функционирующие на основе водородных топливных элементов, и водородные двигатели внутреннего сгорания.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

В основе принципа работы топливных элементов лежат физико-химические реакции. По сути, это те же свинцовые аккумуляторные батареи, вот только коэффициент полезного действия топливного элемента несколько выше, чем АКБ, и составляет около 45% (иногда больше).

В корпус водородно-кислородного топливного элемента помещена мембрана (проводит только протоны), разделяющая камеру с анодом и камеру с катодом. В камеру с анодом поступает водород, а в камеру катода – кислород. Каждый электрод заранее покрывают слоем катализатора, в роли которого нередко выступает платина. При его воздействии молекулярный водород начинает терять электроны.

В это же время протоны проходят через мембрану к катоду и под влиянием того же катализатора соединяются с электронами, поступающими снаружи. В результате реакции образуется вода, а электроны из камеры анода перемещаются в электроцепь, подсоединенную к мотору. Проще говоря, мы получаем электрический ток, который и питает двигатель.

Водородные двигатели на основе топливных элементов сегодня используются на автомобилях «Нива», оснащенных энергоустановкой «Антэл-1», и машинах «Лада 111» с агрегатом «Антел-2», которые были разработаны уральскими инженерами. В первом случае одного заряда хватает на 200 км, а во втором – на 350 км.

Следует отметить, что из-за дороговизны металлов (палладия и платины), входящих в конструкцию таких водородных двигателей, подобные установки имеют очень большую стоимость, что существенно увеличивает и цену транспортного средства, на котором они установлены.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Данный тип силовых установок очень похож на распространенные сегодня моторы на пропане, поэтому, чтобы перейти с пропана на водородное топливо, достаточно просто перенастроить двигатель. Уже существует немало примеров подобного перехода, но нужно сказать, что в этом случае КПД будет несколько ниже, чем при использовании топливных элементов. В то же время, для получения 1 кВт энергии водорода потребуется меньше, что вполне компенсирует данный недостаток.

Использование этого вещества в обычном моторе внутреннего сгорания вызовет целый ряд проблем. Во-первых, высокая температура сжатия «заставит» водород вступить в реакцию с металлическими элементами двигателя или даже моторным маслом. Во-вторых, даже небольшая утечка при контакте с раскаленным выпускным коллектором точно приведет к возгоранию.

По этой причине для создания водородных конструкций используются только силовые агрегаты роторного типа, так как их конструкция позволяет уменьшить риск возгорания за счет расстояния между впускным и выпускным коллектором. В любом случае, все проблемы пока удается обходить, что позволяет считать водород достаточно перспективным топливом.

Хорошим примером транспортного средства с водородной установкой может послужить экспериментальный седан BMW 750hL, концепт которого был представлен еще в начале 2000-х годов. Автомобиль оснащен двенадцатицилиндровым мотором, работающим на основе ракетного топлива и позволяющим разогнать машину до 140 км/час. Водород в жидкой форме хранится в специальном баке, и одного его запаса хватает на 300 километров пробега. Если же он полностью расходуется, система автоматически переключается на бензиновое питание.

Водородный двигатель на современном рынке

Последние исследования ученых в области эксплуатации водородных двигателей показали, что они не только очень экологичны (как электродвигатели), но могут быть очень эффективными в плане производительности. Более того, по техническим показателям водородные силовые установки обходят своих электрических собратьев, что уже было доказано (к примеру, Honda Clarity).

Также следует отметить, что, в отличие от систем Tesla Powerwall, водородные аналоги имеют один существенный недостаток: зарядить аккумулятор при помощи солнечной энергии уже не получится, а вместо этого придется искать специальную заправочную станцию, которых на сегодняшний день даже в мировом масштабе насчитывается не так уж и много.

Сейчас Honda Clarity выпущен достаточно ограниченной партией, и приобрести автомобиль можно только в Стране восходящего солнца, так как в Европе и Америке транспортное средство появится только в конце 2016 года.

Также в наше время выпускаются и другие транспортные средства, использующие водородное топливо. К ним относятся Mazda RX-8 hydrogen и BMW Hydrogen 7 (гибриды, работающие на жидком водороде и бензине), а также автобусы Ford E-450 и MAN Lion City Bus.

Среди легковых автомобилей самыми заметными представителями водородных транспортных средств на сегодня являются автомобили Mercedes-Benz GLC F-Cell (есть возможность подзарядки от обычной бытовой сети, а суммарный запас хода составляет около 500 км), Toyota Mirai (работает только на водороде, и одной заправки должно хватать на 650 км пути) и Honda FCX Clarity (заявленный запас хода достигает 700 км). Но и это еще не все, ведь автотранспорт на водородном топливе выпускается и другими компаниями, например, Hyundai (Tucson FCEV).

Плюсы и основные недостатки водородных двигателей

При всех своих преимуществах, нельзя сказать, что водородный транспорт лишен определенных недостатков. В частности, необходимо понимать, что горючая форма водорода при комнатной температуре и нормальном давлении представлена в виде газа, что вызывает определенные трудности в хранении и транспортировке такого топлива. То есть существует серьезная проблема конструирования безопасных резервуаров для водорода, применяющегося в качестве топлива для автомобилей.

Кроме того, баллоны с этим веществом требуют периодической проверки и сертификации, которые могут выполняться только квалифицированными специалистами, имеющими соответствующую лицензию. Также к этим проблемам стоит добавить и дороговизну обслуживания водородного мотора, не говоря уже об очень ограниченном количестве заправочных станций (по крайней мере, в нашей стране).

Не стоит забывать и о том, что водородная установка увеличивает вес автомобиля, из-за чего он может оказаться не столь маневренным, как вам бы того хотелось. Поэтому, учитывая все вышесказанное, хорошенько подумайте: стоит ли приобретать водородное транспортное средство, или пока с этим лучше повременить.

Однако нужно сказать, что и преимуществ в подобном решении немало. Во-первых, ваш автомобиль не будет загрязнять окружающую среду токсичными выхлопными газами, во-вторых, массовое производство водорода может помочь решить проблему резко меняющихся цен на топливо и перебоев в поставках обычных видов топливных жидкостей.

К тому же, во многих странах уже построены сети трубопроводов для метана, и их несложно адаптировать для прокачки водорода с последующей доставкой к заправкам. Производить водород можно как в малых масштабах, то есть на местном уровне, так и массово – на крупных, централизованных предприятиях. Рост производства водорода послужит дополнительным стимулом для роста поставок этого вещества в бытовых целях (например, для отопления домов и офисов).

Toyota делает ставку на автомобили с водородным двигателем – DW – 23.03.2019

Toyota Mirai — автомобиль с водородным двигателемФото: Toyota

Автомобили и транспорт

Елена Гункель

23.03.201923 марта 2019 г.

В отличие от японского конкурента, немецкие автоконцерны VW, BMW и Daimler планируют сконцентрироваться на выпуске электромобилей.

https://p.dw.com/p/3FZfM

Реклама

Японский автопроизводитель Toyota собирается расширить выпуск машин с водородным двигателем. В компании полагают, что в перспективе оснащать такими моторами можно будет не только автомобили класса люкс, но и компактные модели. Об этом сообщил немецкой газете Welt am Sonntag пресс-секретарь концерна Toyota Хисаши Накаи. Материал будет опубликован в воскресенье, 24 марта.

В то же время при попытке найти замену классическому двигателю, сжигающему бензин или дизельное топливо, немецкие автопроизводители VW, BMW и Daimler договорились сконцентрироваться на создании электромобилей.

«В ближайшем будущем это будет лучшей и самой эффективной возможностью снизить выбросы в атмосферу углекислого газа», — прокомментировал этот решение глава концерна VW Герберт Дис (Herbert Diess).

Преимущества водородного двигателя

Однако японцы решили пойти иным путем и сделать ставку на термоэлектрический генератор, самым распространенным видом которого является водородный двигатель.

«Мы относимся с пониманием к тому, что кто-то, возможно, хочет сконцентрироваться только на одной технологии», — отметил представитель концерна Хисаши Накаи. — Однако считаем, что нам нужно и то, и другое — электробатарея и термоэлектрический генератор».

Главные преимущества водородного двигателя состоят в том, что он работает бесшумно и не производит вредных выбросов в атмосферу. Автомобиль Toyota Mirai, уже продающийся и в России, стал первой в мире автомоделью с водородным двигателем в серийном производстве. Сегодня автомобили с водородными двигателями выпускают и другие производители, такие как Hyundai.  

Принцип работы водородного двигателя

Принцип работы водородного двигателя состоит в следующем. Углеродные топливные баки автомобиля заправляются сжатым водородом. Потом через передний воздухозаборник поступает необходимый для работы двигателя воздух.

В результате химической реакции при взаимодействии водорода и кислорода из поступившего воздуха вырабатывается электроэнергия. При нажатии на педаль газа образовавшееся в результате реакции электричество приводит в действие электромотор, и автомобиль начинает движение.

Единственный побочный продукт этого процесса — вода, которая не наносит вреда окружающей среде, указывается на сайте японского автопроизводителя.

Компактные автомобили с водородным двигателем

До сих пор водородный двигатель не смог найти широкого применения в автостроении. Тем не менее специалисты Toyota полагают, что по мере проникновения таких машин на рынок их производственные расходы сократятся на столько, что автомобили с водородным двигателем станут рентабельными не только в среднем и премиум-классе и среди компактных автомобилей.

«Даже если на это потребуется время, в перспективе будут производиться и компактные автомобили с термоэлектрическими генераторами», — подчеркнул Накаи.

______________

Подписывайтесь на новости DW в | Twitter | Youtube | или установите приложение DW для | iOS | Android

Смотрите также:

Будущее мирового автопрома

To view this video please enable JavaScript, and consider upgrading to a web browser that supports HTML5 video

Написать в редакцию

Реклама

Пропустить раздел Еще по теме

Еще по теме

Показать еще

Пропустить раздел Топ-тема

1 стр. из 3

Пропустить раздел Другие публикации DW

На главную страницу

Как работает водородный двигатель

Перейти к содержимому

НАШИ ПОСЛЕДНИЕ ВИДЕО

➡️ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЭТОЙ НОВОСТНОЙ СТАТЬИ

26 марта 2022 г.
3 По
Анжела Линдерс

Водородный автомобиль все чаще упоминается в заголовках по мере того, как мир обезуглероживается, что заставляет многих людей задуматься о том, как работает водородный двигатель. Нередко удивляешься тому факту, что в этих транспортных средствах используются электродвигатели, как и в аккумуляторных электромобилях (BEV). По этой причине они технически известны как электрические, обычно называемые электромобилями на топливных элементах (FCEV).

Основное различие между BEV и FCEV заключается в том, что FCEV производят собственное электричество.

BEV имеют аккумулятор, который необходимо подключить и зарядить, чтобы получить электричество, которое будет использоваться электродвигателем. С другой стороны, когда речь идет о водородных двигателях, электричество производится внутри. Заправка добавляет h3 к герметичным бакам. Чтобы понять, как это работает, давайте сделаем шаг назад и посмотрим на топливный элемент, который по сути представляет собой силовую установку внутри автомобиля.

Топливный элемент использует процесс, называемый обратным электролизом. Электролиз расщепляет молекулу воды на кислород и h3. Обратный электролиз делает обратное. Топливный элемент питается водородным топливом из баков транспортного средства. Затем добавляется кислород из окружающего воздуха. Реакцией этой комбинации является вода, тепло и электрическая энергия. Вода выпускается в виде пара через выхлоп FCEV. Электричество используется для зарядки бортовой батареи (батареи пиковой мощности) и для питания электродвигателя. В результате эти автомобили не производят никаких выбросов парниковых газов, включая CO2, в результате своей работы.

Это объясняет, почему водородные двигатели работают на водороде и не требуют подключения к сети.

Батарея пиковой мощности является важной частью конструкции. Хотя это батарея, она значительно меньше и легче, чем батарея, которая используется для питания электромобиля. Причина, по которой он не должен быть таким большим, заключается в том, что он постоянно перезаряжается топливным элементом.

Водородные двигатели, как и электромобили, также могут рекуперировать энергию торможения. Это позволяет двигателю преобразовывать кинетическую энергию автомобиля обратно в электричество, которое используется для поддержания заряда батареи пиковой мощности.

Распространяйте любовь

сообщите об этом объявлении

Искать на сайте

Не пропустите нашу бесплатную электронную книгу…

Новости энергетики 24/7

Новости энергетики 24/7

О водородном топливе Новости

Водородные компании растут быстрее, чем когда-либо предоставлять самые лучшие обновления возобновляемых источников энергии на рынке. Теперь доступны новостные видеоролики на английском, французском, немецком и китайском языках. Наша цель — донести до читателей во всем мире новости науки о топливных элементах, альтернативах зеленому водороду и отчеты об исследованиях. Сообщите нам о новостях о водороде в вашем регионе на нашей странице пресс-релиза по альтернативным источникам энергии и не пропустите последние перечисленные сегодня вакансии в области возобновляемых источников энергии. . Спасибо, что выбрали новости HFN сегодня!

Знакомство с водородными транспортными средствами. Как они работают

Мы много слышим о разработке электромобилей – и это правильно. Но есть еще одна альтернативная автомобильная технология, о которой говорят меньше. И это зависит от самого распространенного химического элемента во Вселенной. Водород.

На дорогах Великобритании есть автомобили на водороде, и хотя вам может быть трудно найти их прямо сейчас, производители (в частности, Toyota, Honda и Hyundai) уже выпустили модели на водороде.

Правительство Великобритании также финансирует разработку водородных транспортных средств и инфраструктуры. В марте 2017 года компания объявила о выделении фонда в размере 23 миллионов фунтов стерлингов для ускорения этого развития, а министр транспорта Джон Хейс заявил в то время, что «электромобили на водородных топливных элементах могут играть жизненно важную роль наряду с аккумуляторными электромобилями, помогая нам сократить вредные выбросы».

Имея это в виду, вот еще немного информации о водородных транспортных средствах, в том числе о том, как мы участвуем здесь, в Arval.

КАК РАБОТАЮТ ВОДОРОДНЫЕ МАШИНЫ?

Двигатели, работающие на водороде, уходят корнями намного дальше, чем вы думаете. Более двух веков назад французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз разработал примитивный двигатель, который работал на водороде и кислороде и воспламенялся от электрической искры.

В наши дни все дело в топливных элементах, но те же самые элементы по-прежнему лежат в основе химической реакции, происходящей в водородном автомобиле.

По сути, нет никаких движущихся частей, это просто химическая реакция, которая «подпитывает» действие. Он видит, как водород поступает в топливный элемент из бака и смешивается с кислородом, образуя H 9.0068 2 O в химической реакции, в результате которой вырабатывается электричество, используемое для питания двигателей, приводящих в движение колеса.

Резервуары с водородом заправляются в процессе, который почти такой же, как и с бензиновым или дизельным автомобилем. Вам просто нужно запереть трубу в машине и ждать. Стоимость заправки бака также сопоставима и составляет около 10 фунтов стерлингов за кг, что эквивалентно бензину.

ВОДОРОДНЫЕ АВТОМОБИЛИ: ПЛЮСЫ И ПРОТИВ

Так в чем преимущества водородных автомобилей?

– Более быстрая заправка: по сравнению с подзарядкой электромобиля, водородный автомобиль можно полностью заправить за три-пять минут.

— Отсутствие вредных выбросов: единственное, что выбрасывается из автомобиля на водородных топливных элементах, — это вода.

– Впечатляющий запас хода: с запасом хода около 300 миль на одном баке водородные автомобили не уступают многим обычным автомобилям.

— Хорошие уровни эффективности: силовые агрегаты на топливных элементах намного эффективнее получают энергию из водорода, чем традиционные автомобили — из бензина или дизельного топлива.

А как насчет недостатков водородных автомобилей?

— Места заправки: в настоящее время в Великобритании всего 17 заправочных станций, и строительство каждой станции стоит 1,3 миллиона фунтов стерлингов.

— Стоимость: хотя стоимость заправки автомобиля водородом аналогична стоимости традиционного топлива, разработка технологии недешева, равно как и хранение или перемещение самого водорода.

– Предполагаемый риск для безопасности: водород легко воспламеняется – но опять же, бензин тоже, и это не помешало нам управлять миллионами бензиновых автомобилей.

РАЗРАБОТКА ВОДОРОДНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

Разработка водородных автомобилей в Великобритании находится на относительно ранней стадии. Однако, как упоминалось выше, некоторые производители уже сделали решительный шаг и разработали модели на основе этой технологии, в то время как другие находятся в стадии разработки.

Toyota Mirai, Honda Clarity и Hyundai iX35 можно найти в ограниченном количестве на дорогах Великобритании, при этом iX35 должен быть заменен новой моделью в 2018 году.

Mercedes-Benz выпустит водородную версию своего Ассортимент ГЛК. Это отражает общее внедрение водородных технологий в Германии, где в настоящее время по всей стране строятся 23 новые водородные станции.

ИНИЦИАТИВА «ВОДОРОДНЫЙ ХАБ»

Штаб-квартира Arval в Великобритании находится в Суиндоне, где также около 50 организаций (включая нас) участвуют в инициативе, благодаря которой город стал «водородным центром». Hydrogen Hub – это отраслевое сообщество заинтересованных сторон, представляющих всю цепочку поставок водорода и топливных элементов, правительство, местные органы власти, предприятия, а также текущих и потенциальных пользователей.

Это означает, что в Суиндоне ведется большая работа по разработке водородных технологий, и, поскольку все это происходит в одном месте, это приведет к повышению осведомленности, сотрудничеству и открытости, а также к снижению затрат.

Среди других вовлеченных организаций: Nationwide, National Trust, Johnson Matthey, а также местные городские и окружные советы.

И с широким представительством компаний и секторов, есть четыре различных рабочих потока:

Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ): проект по установке батареи водородных топливных элементов, которая будет питать местные общественные здания

Вилочный погрузчик грузовики: испытание вилочных погрузчиков на топливных элементах с целью выпустить 75 в общей сложности

Автобусы: разработка плана развертывания автобусов на топливных элементах в Суиндоне

Автомобили: Arval является исполнительным спонсором рабочего потока, который также поддерживается Toyota и Hyundai

В рамках рабочего потока «автомобили» мы получили Toyota Mirai доступен для использования нашими сотрудниками, и как единственная компания по аренде автомобилей, участвующая в Hydrogen Hub, мы получаем реальное представление о том, как работает водород.

Таким образом, у нас есть хорошие возможности увидеть и изучить, как технология развивается и как она потенциально может быть использована предприятиями в ближайшие годы, когда водородные автомобили можно будет увидеть во все большем количестве на дорогах Великобритании. Это было подтверждено нашим собственным исследованием автопарка в CVO 2017 года, где мы обнаружили, что 56% предприятий уже используют альтернативные виды топлива или рассматривают возможность использования альтернативных видов топлива в составе своего автопарка.

И это еще не все. Небо — это предел для водородного транспорта: четырехместный водородный самолет совершил свой первый полет в Германии в прошлом году и был провозглашен крупным шагом на пути к обезуглероживанию авиаперелетов.

Так что следите за водородными технологиями. Это может быть улица или аэропорт рядом с вами.

Контакты для СМИ: +44(0) 121 709 5587

Примечания для редактора

1. Оригинальная статья опубликована Arval0145
2. Hydrogen Hub — это отраслевое сообщество заинтересованных сторон из всей цепочки поставок водорода и топливных элементов, правительства, местных органов власти, бизнеса, а также текущих и потенциальных пользователей.