Vodikov motor. Kako to radi i nedostaci

Motori sa unutrašnjim sagorevanjem nisu se dramatično pojavili kao zasebni pogonski sklopovi. Umjesto toga, klasični motor nastao je kao rezultat usavršavanja i poboljšanja toplotnih motora. Pročitajte o tome kako se postepeno pojavila jedinica, koju smo navikli viđati ispod haube automobila. u zasebnom članku.

Međutim, kada se pojavio prvi automobil opremljen motorom sa unutrašnjim sagorijevanjem, čovječanstvo je dobilo samohodno vozilo koje nije zahtijevalo stalno hranjenje, poput konja. Mnogo se stvari promijenilo u motorima od 1885. godine, ali jedan nedostatak ostaje nepromijenjen. Tokom sagorevanja smeše benzina (ili drugog goriva) i vazduha, oslobađa se previše štetnih supstanci koje zagađuju okolinu.

Ako su se prije pojave samohodnih vozila arhitekti evropskih zemalja bojali da će se veliki gradovi utopiti u konjskoj balegi, danas stanovnici mega gradova dišu prljav zrak.

Pooštravanje ekoloških standarda za transport primorava proizvođače vozila da razviju čistiji pogonski sklop. Tako su se mnoge kompanije zainteresirale za prethodno stvorenu tehnologiju Anjosa Jedlika - samohodna kolica na električnu vuču, koja su se pojavila davne 1828. godine. A danas se ova tehnologija toliko učvrstila u automobilskom svijetu da nikoga nećete iznenaditi električnim automobilom ili hibridom.

Ali ono što je zaista ohrabrujuće su elektrane, čiji je jedini puštanje vode za piće. To je motor sa vodonikom.

Šta je vodonični motor?

Ovo je tip motora koji koristi vodonik kao gorivo. Upotreba ovog hemijskog elementa smanjit će iscrpljivanje resursa ugljikovodika. Drugi razlog interesa za takve instalacije je smanjenje zagađenja okoline.

Ovisno o vrsti motora koji će se koristiti u transportu, njegov rad će se razlikovati od klasičnog motora s unutrašnjim sagorijevanjem ili će biti identičan.

Kratka istorija

Vodikovi motori sa unutrašnjim sagorevanjem pojavili su se u istom periodu kada se razvijao i unapređivao ICE princip. Francuski inženjer i izumitelj dizajnirao je svoju verziju motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Gorivo koje je koristio u svom razvoju je vodonik koji se pojavljuje kao rezultat elektrolize H₂O. 1807. godine pojavio se prvi automobil na vodonik.

Isaac De Rivaz 1807. godine podnio je patent za razvoj traktora za vojnu opremu. predložio je upotrebu vodonika kao jedne od energetskih jedinica.

Pogonska jedinica bila je klipna, a do paljenja u njoj došlo je uslijed stvaranja iskre u cilindru. Istina, za prvo stvaranje izumitelja bilo je potrebno ručno generiranje iskre. Nakon samo dvije godine, završio je svoj posao i rođeno je prvo samohodno vozilo na vodik.

Međutim, u to vrijeme razvoju nije pridavana važnost, jer plin nije tako lako dobiti i skladištiti kao benzin. Vodikovi motori su se praktično koristili u Lenjingradu tokom blokade iz druge polovine 1941. godine. Iako, moramo priznati da to nisu bile isključivo vodikove jedinice. To su bili uobičajeni motori s unutrašnjim sagorijevanjem GAZ, samo što za njih nije bilo goriva, ali u to je vrijeme bilo dosta plina, jer su ih napajali baloni.

U prvoj polovini 80-ih mnoge zemlje, ne samo europske, već i Amerika, Rusija i Japan, obvezale su se eksperimentirati s ovom vrstom instalacije. Dakle, 1982. godine, zajedničkim radom fabrike Kvant i automobilskog preduzeća RAF, pojavio se kombinirani motor koji je radio na mješavini vodonika i zraka, a baterija od 5 kW / h korištena je kao izvor energije.

Od tada su razne zemlje pokušavale uvesti "zelena" vozila u svoje modele, ali u većini slučajeva takva su vozila ili ostala u kategoriji prototipa ili su imala vrlo ograničeno izdanje.

Kako to funkcioniše

Budući da danas postoji mnogo pogonskih motora ove kategorije, u svakom pojedinačnom slučaju postrojenje za vodonik će raditi po svom principu. Razmotrite kako funkcionira jedna modifikacija koja može zamijeniti klasični motor s unutarnjim sagorijevanjem.

U takvom motoru će se definitivno koristiti gorivne ćelije. Oni su vrsta generatora koji aktiviraju elektrokemijsku reakciju. Unutar uređaja vodik se oksidira, a rezultat reakcije je oslobađanje električne energije, vodene pare i azota. U takvoj instalaciji se ne emitira ugljen-dioksid.

Vozilo zasnovano na sličnoj jedinici isto je električno vozilo, samo što je baterija u njemu znatno manja. Gorivna ćelija stvara dovoljno energije za rad svih sistema vozila. Jedino upozorenje je da od početka procesa do stvaranja energije mogu potrajati oko 2 minute. No, maksimalni učinak instalacije započinje nakon zagrijavanja sustava, što traje od četvrt sata do 60 minuta.

Kako elektrana ne radi uzalud i nije potrebno unaprijed pripremiti transport za put, u nju je ugrađena konvencionalna baterija. Tijekom vožnje puni se zbog oporavka, a potreban je isključivo za pokretanje automobila.

Takav je automobil opremljen cilindrom različitih zapremina u koji se pumpa vodonik. Ovisno o načinu vožnje, veličini automobila i snazi ​​električne instalacije, jedan kilogram plina može biti dovoljan za 100 kilometara putovanja.

Tipovi vodikovih motora

Iako postoji nekoliko modifikacija hidrogenskih motora, sve one spadaju u dvije vrste:

• Tip jedinice sa gorivom ćelijom;
• Izmijenjeni motor s unutarnjim sagorijevanjem, prilagođen za rad na vodik.

Razmotrimo svaku vrstu zasebno: koje su njihove osobine.

Elektrane na bazi vodoničnih gorivnih ćelija

Gorivna ćelija temelji se na principu baterije, u kojoj se odvija elektrokemijski proces. Jedina razlika između vodikovog analoga je veća efikasnost (u nekim slučajevima i više od 45 posto).

Gorivna ćelija je jedna komora u kojoj su smještena dva elementa: katoda i anoda. Obje elektrode su presvučene platinom (ili paladijumom). Između njih se nalazi membrana. Šupljinu dijeli u dvije komore. Kiseonik se dovodi u šupljinu s katodom, a vodik u drugu.

Kao rezultat, dolazi do kemijske reakcije čiji je rezultat kombinacija molekula kisika i vodonika s oslobađanjem električne energije. Nuspojava procesa je oslobađanje vode i azota. Elektrode gorivih ćelija povezane su na električni krug automobila, uključujući i elektromotor.

Vodikovi motori sa unutrašnjim sagorevanjem

U ovom slučaju, iako se motor naziva vodonik, on ima identičnu strukturu kao i konvencionalni ICE. Jedina razlika je u tome što ne gori benzin ili propan, već vodonik. Ako cilindar napunite vodonikom, onda postoji jedan problem - ovaj će plin smanjiti učinkovitost konvencionalne jedinice za oko 60 posto.

Evo još nekoliko problema s prelaskom na vodik bez nadogradnje motora:

• Kada se HTS komprimira, plin će ući u kemijsku reakciju s metalom od kojeg su izrađene komora za sagorijevanje i klip, a često se to može dogoditi i s motornim uljem. Zbog toga se u komori za sagorije formira još jedan spoj koji se ne odlikuje posebnom sposobnošću da dobro gori;
• Praznine u komori za sagorevanje moraju biti savršene. Ako negdje sistem za gorivo ima barem minimalno curenje, plin će se lako zapaliti u dodiru s vrućim predmetima.

Motor za Honda Clarity

Iz tih razloga je praktičnije koristiti vodik kao gorivo u rotacijskim motorima (koja je njihova karakteristika, pročitajte ovdje). Usisni i ispušni razvodnici takvih jedinica smješteni su odvojeno jedan od drugog, tako da se plin na ulazu ne zagrijava. Bilo kako bilo, dok se motori moderniziraju kako bi se zaobišli problemi upotrebe jeftinijeg i ekološki prihvatljivijeg goriva.

Koliko traje životni vijek gorivih ćelija?

Danas su širom svijeta takvi automobili vrlo rijetki i još nisu u seriji, teško je reći koji resurs ima ovaj izvor energije. Obrtnici još nemaju iskustva u tom pogledu.

Jedino što se može reći je da su, prema predstavnicima Toyote, gorivne ćelije njihovog serijskog automobila Mirai sposobne neprekidno stvarati energiju do 250 hiljada kilometara. Nakon ove prekretnice morate pratiti efikasnost uređaja. Ako su se njegove performanse značajno smanjile, gorivna ćelija se mijenja u ovlaštenom servisnom centru. Istina, treba očekivati ​​da će kompanija uzeti pristojan iznos za ovu proceduru.

Koje kompanije već proizvode ili će proizvoditi automobile na vodonik?

Mnoge kompanije se bave razvojem ekološki prihvatljive energetske jedinice. Evo auto marki u čijem dizajnerskom birou već postoje opcije koje su spremne za seriju:

• Mercedes-Benz je crossover GLC F-Cell, čija je prodaja najavljena 2018., ali do sada ga je kupilo samo nekoliko njemačkih preduzeća i ministarstava. Prototip traktora sa vodoničnim gorivnim ćelijama, GenH2, nedavno je predstavljen;
• Hyundai - prototip Nexo predstavljen prije dvije godine;
• BMW je prototip vodikovog vodika 7, koji je pušten sa proizvodne trake. Serija od 100 primjeraka ostala je u eksperimentalnoj fazi, ali to je već nešto.

Među automobilima koji se mogu kupiti u Americi i Evropi su modeli Mirai i Clarity od Toyote i Honde. Za ostale kompanije ovaj razvoj je još uvijek u verziji za crtanje ili kao neradni prototip.

Toyota mirai

Honda jasnoća

Koliko košta automobil na vodik?

Trošak automobila na vodik je pristojan. Razlog tome su plemeniti metali koji čine elektrode gorivih ćelija (paladij ili platina). Takođe, moderni automobil opremljen je bezbroj sigurnosnih sistema i stabilizacijom rada električnih elemenata, što takođe zahtijeva materijalna sredstva.

Iako održavanje takvog automobila (sve dok se gorivne ćelije ne zamijene) nije puno skuplje od konvencionalnog automobila posljednjih generacija. Postoje zemlje koje sponzoriraju proizvodnju vodonika, ali čak i uzimajući to u obzir, morat ćete u prosjeku platiti 11 i pol dolara po kilogramu plina. Ovisno o tipu motora, to može biti dovoljno za udaljenost od stotinjak kilometara.

Zašto su automobili s vodikom bolji od električnih automobila?

Ako uzmete postrojenje za vodonik s gorivim ćelijama, tada će takav automobil biti identičan električnom automobilu koji smo navikli viđati na cestama. Jedina razlika je u tome što se električni automobil puni iz mreže ili s terminala na benzinskoj pumpi. Transport vodonika sam stvara električnu energiju.

Što se tiče troškova takvih automobila, oni su skuplji. Na primjer, Teslini modeli u osnovnoj konfiguraciji koštat će od 45 hiljada dolara. Analozi vodika iz Japana mogu se kupiti za 57 hiljada cu. S druge strane, Bavarci prodaju svoje automobile na "zelenom" gorivu po cijeni od 50 hiljada dolara.

S obzirom na praktičnost, automobil je lakše napuniti benzinom (trebat će oko pet minuta) nego čekati pola sata (s brzim punjenjem, što nije dozvoljeno za sve vrste baterija) na parkiralištu. To je plus biljaka sa vodikom.

Još jedan plus - gorivim ćelijama nije posebno potrebno održavanje, a radni vijek im je prilično velik. Što se tiče električnih vozila, njihova će ogromna baterija trebati zamjenu za otprilike pet godina zbog činjenice da ima mnogo ciklusa pražnjenja i pražnjenja. Pri temperaturama smrzavanja, baterija u električnim vozilima prazni se mnogo brže nego ljeti. Ali element na reakciji oksidacije vodonika ne pati od toga i stabilno proizvodi električnu energiju.

Kakve su perspektive za automobile s vodikom i kada će se oni vidjeti na putu?

U Evropi i Sjedinjenim Državama automobil s vodikom već se može naći. Međutim, oni su i dalje u kategoriji radoznalosti. A danas nema puno izgleda.

Glavni razlog što ova vrsta transporta neće uskoro popuniti puteve svih zemalja je nedostatak proizvodnih kapaciteta. Prvo, neophodno je uspostaviti proizvodnju vodonika. Štaviše, potrebno je dostići takav nivo da je, pored ekološke prihvatljivosti, i gorivo dostupno većini vozača. Pored proizvodnje ovog plina, potrebno je organizirati i njegov transport (iako za to možete sigurno koristiti autoputeve kojima se prevozi metan), kao i opremiti mnoge benzinske pumpe odgovarajućim terminalima.

Drugo, svaki proizvođač automobila morat će ozbiljno modernizirati proizvodne linije, što zahtijeva puno ulaganja. U nestabilnoj ekonomiji uslijed izbijanja globalne epidemije, malo će ljudi riskirati.

Ako pogledate tempo razvoja električnog transporta, proces popularizacije odvijao se vrlo brzo. Međutim, razlog popularnosti električnih automobila je mogućnost uštede na gorivu. I to je često prvi razlog zašto se kupuju, a ne radi očuvanja okoliša. U slučaju vodonika neće biti moguće uštedjeti novac (barem sada), jer se na njegovu proizvodnju troši mnogo više energije.

Prednosti i glavni nedostaci vodoničnih motora

Dakle, hajde da rezimiramo. Prednosti motora na vodik uključuju sljedeće faktore:

• Ekološki prihvatljiva emisija;
• Tihi rad pogonske jedinice (električna vuča);
• U slučaju korištenja gorivne ćelije, nije potrebno često održavanje;
• Brzo punjenje gorivom;
• U poređenju sa električnim vozilima, pogonski sistem i izvor energije funkcionišu stabilnije čak i pri temperaturama smrzavanja.

Iako se razvoj ne može nazvati novošću, ipak ima niz nedostataka koji natjeraju prosječnog automobilistu da na njega gleda oprezno. Evo nekih od njih:

• Da bi se vodonik mogao zapaliti, on mora biti u plinovitom stanju. To stvara određene poteškoće. Na primjer, potrebni su posebni skupi kompresori za komprimiranje lakih plinova. Takođe postoji problem sa pravilnim skladištenjem i transportom goriva, jer je lako zapaljivo;
• Cilindar, koji će se instalirati na automobil, morat će se periodično provjeravati. Da bi to učinio, automobilist će morati posjetiti specijalizirani centar, a to je dodatni trošak;
• U automobilu s vodikom ne koristi se ogromna baterija, međutim, instalacija i dalje pristojno teži, što značajno utječe na dinamičke karakteristike vozila;
• Vodik - zapali se na najmanju iskru, pa će nesreću u kojoj je takav automobil pratiti ozbiljna eksplozija. S obzirom na neodgovoran odnos nekih vozača prema vlastitoj sigurnosti i životima drugih sudionika u prometu, takva vozila još uvijek ne mogu biti puštena na ceste.

Uzimajući u obzir interes čovječanstva za čist okoliš, očekuje se da će doći do napretka u pitanju finalizacije "zelenog" transporta. Ali kada se to dogodi, vrijeme će pokazati.

U međuvremenu, pogledajte video pregled na Toyoti Mirai:

Budućnost na vodoniku? Toyota Mirai - POTPUNI PREGLED i specifikacije | LiveFEED®

Pitanja i odgovori:

Zašto je motor na vodonik opasan? Za vrijeme sagorijevanja smjese vodonika motor se zagrijava više nego prilikom sagorijevanja benzina. Kao rezultat toga, postoji velika vjerojatnost izgaranja klipova, ventila i preopterećenja jedinice.

Kako napuniti auto na vodonik? Takav automobil se puni vodonikom u plinovitom stanju (ukapljeni ili komprimirani plin). Za skladištenje goriva, komprimuje se na 350-700 atmosfera, a temperatura može doseći -259 stepeni.

Kako radi vodonični motor sa unutrašnjim sagorevanjem? Automobil je opremljen nekom vrstom baterije. Kiseonik i vodonik prolaze kroz posebne ploče. Rezultat je kemijska reakcija s oslobađanjem vodene pare i električne energije.