Вадародны рухавік. Як працуе і недахопы

Рухавікі ўнутранага згарання ня з'явіліся, як асобныя сілавыя агрэгаты рэзка. Хутчэй, класічны матор з'явіўся ў выніку дапрацоўкі і ўдасканалення цеплавых рухавікоў. Пра тое, як паступова з'яўляўся агрэгат, які мы прывыклі бачыць пад капотам машын, чытайце у асобным артыкуле.

Аднак калі з'явіўся першы аўтамабіль, абсталяваны двс, чалавецтва атрымала самаходны транспартны сродак, якое не патрабавала пастаяннага кармлення, як коні. З 1885 года ў маторах шмат чаго змянілася, але нязменным застаўся адзін недахоп. Падчас згарання сумесі бензіну (або іншага паліва) і паветра вылучаецца занадта шмат шкодных рэчываў, забруджвальных навакольнае асяроддзе.

Калі перад з'яўленнем самаходных транспартных сродкаў архітэктары еўрапейскіх краін асцерагаліся, што вялікія гарады ўтопяцца ў конскім гноі, то сёння жыхары мегаполісаў ўдыхаюць бруднае паветра.

Узмацненне экалагічных стандартаў для транспарту прымушае вытворцаў аўтатранспарту весці распрацоўкі больш чыстага сілавога агрэгата. Так, шматлікія кампаніі зацікавіліся створанай раней тэхналогіяй Аньоса Джедлика - самаходнай каляскай на электротяге, якая з'явілася яшчэ ў 1828-м. І на сённяшні дзень гэтая тэхналогія настолькі трывала ўвайшла ў аўтамабільны мір, што электрамабілем або гібрыдам ужо нікога не здзівіш.

Але што ўжо сапраўды абнадзейвае, дык гэта сілавыя ўстаноўкі, адзіным выкідам якіх з'яўляецца пітная вада. Гэта вадародны рухавік.

Што такое вадародны рухавік?

Гэта такі тып рухавіка, які ў якасці паліва выкарыстоўвае вадарод. Ужыванне гэтага хімічнага элемента дазволіць знізіць знясіленне запасаў вуглевадародных рэсурсаў. Другая прычына зацікаўленасці ў падобных усталёўках - зніжэнне забруджвання навакольнага асяроддзя.

У залежнасці ад таго, які тып матора будзе выкарыстоўвацца ў транспарце, яго праца будзе адрознівацца ад класічнага двс або быць ідэнтычнай.

Кароткая гісторыя

Вадародныя рухавікі ўнутранага згарання з'явіліся ў той жа перыяд, калі вяліся распрацоўкі і ўдасканальваўся прынцып ДВС. Французскі інжынер і вынаходнік сканструяваў свой варыянт рухавіка ўнутранага згарання. Паліва, якое ён ўжываў у сваёй распрацоўцы - вадарод, якія з'яўляюцца ў выніку электролізу H₂O. У 1807 году з'явіўся першы вадародны аўтамабіль.

Язэп Дэ Рывазі ў 1807 годзе падаў патэнт на распрацоўку цягача для ваеннага рыштунку. у якасці аднаго з сілавых агрэгатаў ён прапаноўваў выкарыстоўваць менавіта вадародны.

Сілавы агрэгат быў поршневым, а запальванне ў ім адбывалася дзякуючы адукацыі іскры ў цыліндры. Праўда, першае тварэнне вынаходніка патрабавалася ў ручной генерацыі іскры. Праз усяго два гады ён дапрацаваў свой твор, і на свет з'явілася першае самаходны вадароднае сродак перамяшчэння.

Аднак на той момант распрацоўцы не надалі значэння, таму што газ не так лёгка атрымаць і захоўваць, як бензін. Практычнае прымяненне вадародныя маторы атрымалі ў Ленінградзе падчас блакады з другой паловы 1941 года. Хоць, варта прызнаць, што гэта не былі выключна вадародныя агрэгаты. Гэта былі звычайныя двс ГАЗ, толькі паліва для іх не было, затое газу ў той час было звышдастаткова, так як ім запраўлялі аэрастаты.

У першай палове 80-х гадоў шмат краін, прычым не толькі еўрапейскія, але і Амерыка, Расія і Японія ўзяліся эксперыментаваць з дадзенага тыпу ўстаноўкамі. Так, у 1982-м пры сумеснай працы заводу «Квант» і аўтапрадпрыемства РАФ з'явіўся камбінаваны матор, які працаваў на сумесі вадароду і паветра, а ў якасці крыніцы энергіі выкарыстоўваўся АКБ на 5 кВт / г.

З тых часоў рознымі краінамі выяўляліся спробы ўкараніць «зялёны» транспарт у лінейкі сваіх мадэляў, але ў большасці выпадкаў такія машыны альбо заставаліся ў катэгорыі прататыпаў, альбо мелі моцна абмежаваны тыраж.

Як працуе

Бо на сённяшні дзень існуе шмат дзеючых матораў дадзенай катэгорыі, у кожным асобным выпадку працаваць вадародная ўстаноўка будзе па сваім прынцыпе. Разгледзім, як працуе адна мадыфікацыя, якая можа замяніць класічны ДВС.

У такім маторы абавязкова будуць выкарыстоўвацца паліўныя элементы. Гэта свайго роду генератары, якія актывуюць электрахімічную рэакцыю. Ўнутры прылады вадарод акісляецца, а вынікам рэакцыі з'яўляецца вылучэнне электрычнасці, вадзянога пару і азоту. Вуглякіслы газ у такой ўстаноўцы не вылучаецца.

Транспартны сродак на падобным агрэгаце - такі ж электрамабіль, толькі батарэя ў ім нашмат менш. Паліўны элемент выпрацоўвае дастаткова энергіі для працы ўсіх сістэм аўтамабіля. Адзіны нюанс - ад пачатку працэсу да выпрацоўкі энергіі можа прайсці каля 2 мін. Але максімальная аддача ўстаноўкі пачынаецца пасля прагрэву сістэмы, што займае ад чвэрці гадзіны да 60 хвілін.

Каб сілавая ўстаноўка не працавала марна, і не трэба было загадзя падрыхтоўваць транспарт да паездкі, у ім ўстаноўлена звычайная батарэя. Падчас язды яна подзаряжается за кошт рэкуперацыі, а патрэбна яна выключна для старту аўто.

Такі аўтамабіль абсталёўваецца балонам розных аб'ёмаў, куды запампоўваецца вадарод. У залежнасці ад рэжыму язды, памераў машыны і магутнасці электраўстаноўкі аднаго кілаграма газу можа хапіць на 100 кіламетраў паездкі.

Тыпы вадароднага рухавіка

Хоць існуе некалькі мадыфікацый вадародных рухавікоў, усе яны дзеляцца на два тыпу:

• Выгляд агрэгата з паліўным элементам;
• Дапрацаваны ДВС, прыстасаваны для працы на вадародзе.

Разгледзім кожны тып паасобку: у чым іх асаблівасці.

Сілавыя ўстаноўкі на аснове вадародных паліўных элементаў

За аснову працы паліўнага элемента узяты прынцып акумулятара, у якім адбываецца электрахімічны працэс. Адзінае адрозненне вадароднага аналага - больш высокі ККД (у некаторых выпадках больш за 45 працэнтаў).

Паліўная ячэйка ўяўляе сабой адну камеру, у якую змешчаны два элемента: катод і анод. Абодва электрода пакрытыя плацінай (або паладый). Паміж імі размешчана мембрана. Яна дзеліць паражніну на дзве камеры. У паражніну з катодам падаецца кісларод, а ў другую - вадарод.

У выніку адбываецца хімічная рэакцыя, вынікам якой з'яўляецца аб'яднанне малекул кіслароду і вадароду з вылучэннем электрычнасці. Пабочны эфект ад працэсу - вада і вылучыўся азот. Электроды паліўных элементаў падлучаныя да электроцепи аўтамабіля, у тым ліку і электраматору.

Вадародныя рухавікі ўнутранага згарання

У гэтым выпадку, хоць матор і называецца вадародным, ён мае ідэнтычнае будынак, што і звычайны ДВС. Адзінае адрозненне - адбываецца згаранне ня бензіну або пропана, а вадароду. Калі запраўляць балон вадародам, то ёсць адна праблема - гэты газ знізіць эфектыўнасць звычайнага агрэгата прыблізна на 60 адсоткаў.

Вось некалькі іншых праблем, з якімі звязаны пераход на вадарод без мадэрнізацыі матора:

• Калі ВТС будзе сціскацца, газ будзе ўступаць у хімічную рэакцыю з металам, з якога выраблена камера згарання і поршань, а нярэдка гэта можа адбывацца і з маторным маслам. З-за гэтага ў камеры згарання утворыцца іншае злучэнне, якое не адрозніваецца асаблівай здольнасцю да якаснага згаранню;
• Зазоры ў камеры згарання павінны быць ідэальнымі. Калі дзесьці паліўная сістэма мае хаця б мінімальную уцечку, пры кантакце з распаленымі прадметамі газ лёгка запалымнее.

Рухавік для Honda Clarity

Па гэтых прычынах вадарод практычней ўжываць у якасці паліва ў ротарных маторах (у чым іх асаблівасць, чытайце тут). Впускной і выпускны калектары такіх агрэгатаў размешчаны асобна адзін ад аднаго, таму газ на ўпуску ня распаляецца. Як бы там ні было, пакуль маторы мадэрнізуюцца так, каб абыйсці праблемы выкарыстання больш таннага і экалагічна чыстага паліва.

Які тэрмін службы паліўных вочак?

Ва ўсім свеце на сённяшні дзень такія аўто - вялікая рэдкасць, і іх яшчэ няма ў серыі, складана сказаць, які рэсурс у дадзенага крыніцы энергіі. У майстроў яшчэ няма вопыту ў гэтых адносінах.

Адзінае, што можна сказаць, па заявах прадстаўнікоў Toyota паліўны элемент іх серыйнага аўтамабіля Mirai здольны бесперабойна выпрацоўваць энергію аж да 250 тысяч кіламетраў. Пасля гэтай мяжы трэба назіраць за эфектыўнасцю прылады. Калі яго праца прыкметна знізілася, паліўная ячэйка мяняецца на афіцыйным сэрвісным цэнтры. Праўда, варта чакаць, што за гэтую працэдуру кампанія возьме прыстойную суму.

Якія кампаніі ўжо выпускаюць або збіраюцца выпускаць аўтамабілі на вадародзе?

Распрацоўкай экалагічна чыстага сілавога агрэгата займаюцца шматлікія кампаніі. Вось автобренды, у канструктарскім бюро якіх каштуюць ужо працоўныя варыянты, гатовыя выйсці ў серыю:

• Mercedes-Benz - кросовер GLC F-Cell, пра старт продажаў якога абвешчана ў 2018-м годзе, але пакуль яго набылі толькі некаторыя прадпрыемствы і міністэрства Нямеччыны. Нядаўна быў прадстаўлены прататып цягача з вадароднымі паліўнымі элементамі - GenH2;
• Hyundai - прататып Nexo, прадстаўлены два гады таму;
• BMW - вопытны ўзор вадароднага Hydrogen 7, які выпусцілі з канвеера. Партыя ў 100 асобнікаў так і засталася ў стадыі эксперыменту, але гэта ўжо нешта.

Сярод серыйных аўто, якія можна купіць як у Амерыцы, так і ў Еўропе, ставяцца мадэлі Mirai і Clarity кампаній Toyota і Honda адпаведна. У астатніх кампаній дадзеная распрацоўка пакуль альбо знаходзіцца ў чарцёжныя варыянце, альбо ў якасці непрацуючага прататыпа.

Таёта Мірай

Honda Яснасць

Колькі гэта каштуе аўтамабіль на вадародным рухавіку?

Кошт вадароднага аўтамабіля прыстойная. Прычына таму - каштоўныя металы, якія ўваходзяць у склад электродаў паліўных элементаў (паладый або плаціна). Таксама сучаснае аўто абсталяванае незлічоным мноствам сістэм бяспекі і стабілізацыі работы электроэлементов, што таксама патрабуе матэрыяльных сродкаў.

Хоць абслугоўванне такога аўтамабіля (да моманту замены паліўных вочак) не нашмат даражэй, чым звычайнага аўто апошніх пакаленняў. Ёсць краіны, якія спансуюць вытворчасць вадароду, але нават з улікам гэтага за кілаграм газу прыйдзецца заплаціць у сярэднім 11 з паловай даляраў. У залежнасці ад тыпу рухавіка гэтага можа хапіць на адлегласць каля ста кіламетраў.

Чым вадародныя аўто лепш электрамабіляў?

Калі ўзяць вадародную ўстаноўку з паліўнымі элементамі, то такі аўтамабіль будзе ідэнтычным электрамабілем, якой мы прывыклі бачыць на дарогах. Розніца толькі ў тым, што электракар зараджаецца ад сеткі ці ад тэрмінала на заправачнай станцыі. Вадародны жа транспарт сам выпрацоўвае для сябе электрычнасць.

Што тычыцца кошту такіх аўто, то яны каштуюць даражэй. Напрыклад, мадэлі Tesla у базавай камплектацыі будуць каштаваць ад 45 тысяч долараў. Вадародныя аналагі з Японіі можна набыць за 57 тыс.у.е. Баварцы ж свае аўто на «зялёным» паліве рэалізуюць па цане ад 50 тысяч даляраў.

Калі браць пад увагу практычнасць, то прасцей заправіць машыну газам (на гэта сыдзе каля пяці хвілін), чым чакаць паўгадзіны (пры хуткай зарадцы, што не для ўсіх тыпаў батарэй ці дазваляецца) на стаянцы. У гэтым плюс вадародных установак.

Яшчэ адзін плюс - паліўныя ячэйкі асабліва не маюць патрэбу ў абслугоўванні, а іх працоўны рэсурс досыць вялікі. Што ж тычыцца электрамабіляў, то іх велізарная батарэя прыблізна праз пяць гадоў будзе патрабаваць замены з-за таго, што ў ёй адбываецца шмат цыклаў зарадкі-разрадкі. На маразах батарэя ў электратранспарту разряжается нашмат хутчэй, чым у летні перыяд. А вось элемент на рэакцыі акіслення вадароду не пакутуе ад гэтага і стабільна выпрацоўвае электрычнасць.

Якія перспектывы ў вадародных машын і калі іх можна будзе ўбачыць на дарогах?

На тэрыторыі Еўропы і Злучаных Штатаў вадародны аўтамабіль ўжо можна сустрэць. Аднак яны яшчэ знаходзяцца ў катэгорыі дзівоцтва. І на сённяшні дзень перспектыў пакуль няшмат.

Самая галоўная прычына таго, што дадзены тып транспарту яшчэ няхутка апануе дарогі ўсіх краін, заключаецца ў адсутнасці вытворчых магутнасцяў. Па-першае, неабходна наладзіць выпрацоўку вадароду. Прычым трэба дасягнуць такога ўзроўню, каб акрамя экалагічнасці гэта яшчэ было і даступнае большасці аўтамабілістаў паліва. Апроч вытворчасці гэтага газу трэба наладзіць яго транспарціроўку (хоць для гэтага можна спакойна скарыстацца магістралямі, па якіх транспартуецца метан), а таксама абсталяваць шмат заправачных станцый адпаведнымі тэрміналамі.

Па-другое, кожнаму аўтавытворцы давядзецца сур'ёзна мадэрнізаваць вытворчыя лініі, што патрабуе немалых укладанняў. Ва ўмовах нестабільнай эканомікі з-за якая вылілася сусветнай эпідэміі мала хто пойдзе на такія рызыкі.

Калі паглядзець на тэмпы развіцця электратранспарту, то працэс папулярызацыі праходзіў вельмі хутка. Аднак прычына папулярнасці машын на электротяге - магчымасць эканоміць на паліве. І гэта часцяком першая прычына, чаму іх купляюць, а не дзеля захавання навакольнага асяроддзя. У выпадку з вадародам зэканоміць не атрымаецца (прынамсі цяпер), таму што для яго вытворчасці траціцца нашмат больш энергарэсурсаў.

Плюсы і асноўныя недахопы вадародных рухавікоў

Такім чынам, падагульнім. Да плюсаў рухавікоў на вадародным паліве можна аднесці такія фактары:

• Экалагічна чысты выкід;
• Бясшумная праца сілавога агрэгата (электрацягай);
• У выпадку выкарыстання паліўнага элемента не патрабуецца частае абслугоўванне;
• Хуткая запраўка;
• У параўнанні з электрамабілямі сілавая ўстаноўка і крыніца энергіі працуюць больш стабільна нават на марозе.

Хоць распрацоўку нельга назваць навінкай, тым не менш, у яе да гэтага часу існуе шэраг недахопаў, якія падахвочваюць звычайнага аўтамабіліста глядзець на яе з асцярогай. Вось некаторыя з іх:

• Каб вадарод змог загарэцца, ён павінен быць у газападобным стане. Гэта стварае пэўныя цяжкасці. Напрыклад, для сціску лёгкіх газаў патрабуюцца спецыяльныя дарагія кампрэсары. Таксама існуе праблема з належным захаваннем і транспарціроўкай паліва, так як ён лёгка запальваецца;
• Балон, які будуць усталёўваць на аўтамабіль, будзе мець патрэбу ў перыядычным праверцы. Для гэтага аўтамабілісту трэба будзе наведваць спецыялізаваны цэнтр, а гэта дадатковыя выдаткі;
• У вадародным аўтамабілі не выкарыстоўваецца велізарная батарэя, тым не менш, ўстаноўка ўсё роўна прыстойна важыць, што значна адбіваецца на дынамічных характарыстыках транспарту;
• Вадарод - запальваецца пры найменшай іскры, таму ДТЗ з удзелам такой аўто будзе суправаджацца сур'ёзным выбухам. Улічваючы безадказнае стаўленне некаторых вадзіцеляў да ўласнай бяспекі і жыццям іншых удзельнікаў руху, такі транспарт яшчэ нельга выпускаць на дарогі.

Калі ўлічыць зацікаўленасць чалавецтва ў чысціні навакольнага асяроддзя, варта чакаць, што ў пытанні дапрацоўкі «зялёнага» транспарту здзейсніцца прарыў. Але калі такое здарыцца, гэта пакажа толькі час.

А пакуль паглядзіце відэаагляд на Toyota Mirai:

Будучыня на вадародзе? Toyota Mirai - ПОЎНЫ АГЛЯД і характарыстыкі | LiveFEED®

Пытанні і адказы:

Чым небяспечны вадародны рухавік? Падчас згарання вадароднай сумесі матор награваецца мацней, чым пры згаранні бензіну. У выніку ёсць вялікая верагоднасць прагарання поршняў, клапанаў і перагрузцы агрэгата.

Чым запраўляць машыну на вадародзе? Такі аўтамабіль запраўляецца вадародам у газападобным стане (звадкаваны або сціснуты газ). Для запасу паліва яго сціскаюць да 350-700 атмасфер, а тэмпература можа дасягаць -259 градусаў.

Як працуе вадародны ДВС? Аўтамабіль абсталёўваецца падабенствам акумулятара. Праз спецыяльныя пласціны праходзіць кісларод і вадарод. У выніку адбываецца хімічная рэакцыя з вылучэннем вадзяной пары і электрычнасці.