Vandenilio variklis. Kaip tai veikia ir trūkumai

Vidaus degimo varikliai neatrodė kaip atskiri jėgos agregatai. Veikiau klasikinis variklis atsirado tobulinant ir tobulinant šilumos variklius. Skaitykite apie tai, kaip pamažu pasirodė agregatas, kurį esame įpratę matyti po automobilių variklio dangčiu. atskirame straipsnyje.

Tačiau kai pasirodė pirmasis automobilis su vidaus degimo varikliu, žmonija gavo savaeigę transporto priemonę, kuriai nereikėjo nuolat maitinti, kaip arkliui. Nuo 1885 m. Daug kas pasikeitė varikliuose, tačiau vienas trūkumas lieka nepakitęs. Degant benzino (ar kito kuro) ir oro mišiniui, išsiskiria per daug kenksmingų medžiagų, kurios teršia aplinką.

Jei prieš atsirandant savaeigėms transporto priemonėms, Europos šalių architektai bijojo, kad didieji miestai paskęstų arklių mėšle, tai šiandien megapolių gyventojai kvėpuoja purvinu oru.

Griežtinti aplinkosaugos standartai transporto srityje verčia transporto priemonių gamintojus kurti švaresnę jėgainę. Taigi, daugelį įmonių domina anksčiau sukurta Anjoso Jedliko technologija - savaeigis vežimėlis ant elektrinės traukos, kuris pasirodė dar 1828 m. Ir šiandien ši technologija taip tvirtai įsitvirtino automobilių pasaulyje, kad nieko nenustebinsi elektromobiliu ar hibridu.

Tačiau iš tikrųjų vilčių teikia jėgainės, kurių vienintelis išsiskyrimas yra geriamasis vanduo. Tai vandenilio variklis.

Kas yra vandenilio variklis?

Tai variklio tipas, kurui naudojant vandenilį. Šio cheminio elemento naudojimas sumažins angliavandenilių išteklių eikvojimą. Antroji susidomėjimo tokiais įrenginiais priežastis yra aplinkos taršos mažinimas.

Priklausomai nuo to, koks variklis bus naudojamas transportuojant, jo veikimas skirsis nuo klasikinio vidaus degimo variklio arba bus identiškas.

Trumpa istorija

Vandenilio vidaus degimo varikliai pasirodė tuo pačiu laikotarpiu, kai buvo kuriamas ir tobulinamas ICE principas. Prancūzų inžinierius ir išradėjas sukūrė savo vidaus degimo variklio versiją. Kuras, kurį jis naudojo kurdamas, yra vandenilis, atsirandantis dėl H elektrolizės₂A. 1807 m. Pasirodė pirmasis vandenilio automobilis.

Isaacas De Rivazas 1807 m. Pateikė patentą traktoriui karinei įrangai kurti. kaip vieną iš energijos vienetų jis pasiūlė naudoti vandenilį.

Maitinimo blokas buvo stūmoklis, o jame užsidegė dėl kibirkšties susidarymo cilindre. Tiesa, pirmajam išradėjo kūriniui reikėjo generuoti rankinį kibirkštį. Vos po dvejų metų jis baigė darbą ir gimė pirmoji savaeigė vandenilio transporto priemonė.

Tačiau tuo metu plėtrai nebuvo teikiama reikšmė, nes dujas nėra taip lengva gauti ir laikyti kaip benziną. Vandenilio varikliai buvo praktiškai naudojami Leningrade blokados metu nuo 1941 m. Antrosios pusės. Nors turime pripažinti, kad tai nebuvo vien vandenilio vienetai. Tai buvo paprasti GAZ vidaus degimo varikliai, tik jiems nebuvo kuro, tačiau tuo metu buvo daug dujų, nes juos kūreno balionai.

Pirmojoje aštuntojo dešimtmečio pusėje daugelis šalių, ne tik Europos, bet ir Amerika, Rusija ir Japonija įsipareigojo eksperimentuoti su tokio tipo instaliacijomis. Taigi, 80 m., Bendrai dirbant Kvanto gamyklai ir RAF automobilių įmonei, pasirodė kombinuotas variklis, veikiantis vandenilio ir oro mišiniu, o energijos šaltiniu buvo naudojama 1982 kW / h baterija.

Nuo to laiko įvairios šalys bandė į savo modelių linijas įtraukti „žalias“ transporto priemones, tačiau daugeliu atvejų tokie automobiliai arba liko prototipų kategorijoje, arba buvo labai riboto leidimo.

Kaip tai veikia

Kadangi šiandien yra daug šios kategorijos variklių, kiekvienu konkrečiu atveju vandenilio elektrinė veiks pagal savo principą. Apsvarstykite, kaip veikia viena modifikacija, galinti pakeisti klasikinį vidaus degimo variklį.

Tokiame variklyje tikrai bus naudojamos kuro elementai. Jie yra tam tikri generatoriai, kurie suaktyvina elektrocheminę reakciją. Įrenginio viduje oksiduojamas vandenilis, o reakcijos rezultatas - elektros, vandens garų ir azoto išsiskyrimas. Anglies dioksidas tokiame įrenginyje neišmetamas.

Transporto priemonė, pagrįsta panašiu agregatu, yra ta pati elektrinė transporto priemonė, tik joje esanti baterija yra daug mažesnė. Kuro elementas generuoja pakankamai energijos, kad galėtų valdyti visas transporto priemonės sistemas. Vienintelis įspėjimas yra tas, kad nuo proceso pradžios iki energijos generavimo tai gali trukti apie 2 minutes. Tačiau didžiausia diegimo galia prasideda sistemai atšilus, o tai trunka nuo ketvirčio valandos iki 60 minučių.

Kad jėgainė neveiktų veltui ir nebūtina iš anksto paruošti transportą kelionei, joje įdėta įprasta baterija. Važiuojant jis atsikrauna dėl atsigavimo ir reikalingas išskirtinai automobilio užvedimui.

Tokiame automobilyje sumontuotas skirtingo tūrio cilindras, į kurį pumpuojamas vandenilis. Atsižvelgiant į važiavimo režimą, automobilio dydį ir elektros instaliacijos galią, 100 kilometrų kelionei gali pakakti vieno kilogramo dujų.

Vandenilio variklių tipai

Nors yra keletas vandenilio variklių modifikacijų, jie visi skirstomi į du tipus:

• Agregato su kuro elementu tipas;
• Modifikuotas vidaus degimo variklis, pritaikytas darbui su vandeniliu.

Apsvarstykime kiekvieną tipą atskirai: kokie jų bruožai.

Elektrinės, pagrįstos vandenilio kuro elementais

Kuro elementas yra pagrįstas akumuliatoriaus principu, kuriame vyksta elektrocheminis procesas. Vienintelis vandenilio analogo skirtumas yra didesnis jo efektyvumas (kai kuriais atvejais daugiau nei 45 proc.).

Kuro elementas yra viena kamera, kurioje yra du elementai: katodas ir anodas. Abu elektrodai yra padengti platina (arba paladžiu). Tarp jų yra membrana. Jis padalija ertmę į dvi kameras. Deguonis tiekiamas į ertmę su katodu, o vandenilis - į antrąjį.

Dėl to įvyksta cheminė reakcija, kurios rezultatas yra deguonies ir vandenilio molekulių derinys su elektros išsiskyrimu. Šalutinis proceso poveikis yra išsiskyręs vanduo ir azotas. Kuro elementų elektrodai yra prijungti prie automobilio elektros grandinės, įskaitant elektros variklį.

Vandenilio vidaus degimo varikliai

Šiuo atveju, nors variklis vadinamas vandeniliu, jo struktūra yra identiška įprastos ICE struktūrai. Skirtumas tik tas, kad dega ne benzinas ar propanas, o vandenilis. Jei užpildysite cilindrą vandeniliu, yra viena problema - šios dujos sumažins įprasto įrenginio efektyvumą maždaug 60 procentų.

Štai keletas kitų problemų, susijusių su perėjimu prie vandenilio, neatnaujinant variklio:

• Suslėgus HTS, dujos pateks į cheminę reakciją su metalu, iš kurio pagaminta degimo kamera ir stūmoklis, ir dažnai tai gali atsitikti ir su variklio alyva. Dėl to degimo kameroje susidaro kitas junginys, kuris nesiskiria ypatingu gebėjimu gerai degti;
• Degimo kameros tarpai turi būti tobuli. Jei kur kuro sistemoje yra bent minimalus nuotėkis, dujos lengvai užsidegs sąlytyje su karštais daiktais.

Variklis Honda Clarity

Dėl šių priežasčių vandenilį kaip kurą praktiškiau naudoti rotaciniuose varikliuose (kokia jų savybė, skaitykite čia). Tokių agregatų įleidimo ir išmetimo kolektoriai yra atskirai vienas nuo kito, todėl dujos prie įleidimo angos neįkaista. Kaip ten bebūtų, kol varikliai modernizuojami, kad būtų išvengta pigesnio ir ekologiškesnio kuro naudojimo problemų.

Kiek trunka kuro elementų tarnavimo laikas?

Šiandien visame pasaulyje tokie automobiliai yra labai reti, ir jie dar nėra serijoje, sunku pasakyti, kokius išteklius turi tam tikras energijos šaltinis. Meistrai kol kas neturi patirties šiuo klausimu.

Galima pasakyti tik tiek, kad, pasak „Toyota“ atstovų, jų serijinio automobilio „Mirai“ kuro elementas sugeba nepertraukiamai generuoti energiją iki 250 tūkst. Po šio etapo turite stebėti įrenginio efektyvumą. Jei jo veikimas pastebimai sumažėjo, kuro elementas keičiamas įgaliotame techninės priežiūros centre. Tiesa, reikia tikėtis, kad bendrovė už šią procedūrą paims padorų sumą.

Kurios įmonės jau gamina ar ketina gaminti vandenilinius automobilius?

Daugelis įmonių užsiima aplinkai nekenksmingo maitinimo bloko kūrimu. Štai automobilių prekės ženklai, kurių projektavimo biure jau yra galimybių, pasirengę pereiti į serijas:

• „Mercedes-Benz“ yra „GLC F-Cell“ krosoveris, kurio pardavimo pradžia buvo paskelbta 2018 m., Tačiau kol kas jį įsigijo tik kelios Vokietijos įmonės ir ministerijos. Neseniai buvo pristatytas vandenilio kuro elementų vilkiko prototipas „GenH2“;
• „Hyundai“ - „Nexo“ prototipas, pristatytas prieš dvejus metus;
• BMW yra vandenilio vandenilio 7, kuris buvo išleistas iš surinkimo linijos, prototipas. 100 egzempliorių partija liko eksperimentinėje stadijoje, tačiau tai jau yra kažkas.

Tarp akcinių automobilių, kuriuos galima nusipirkti Amerikoje ir Europoje, yra „Toyota“ ir „Honda“ modeliai „Mirai“ ir „Clarity“. Likusioms įmonėms ši plėtra vis dar yra brėžinio versija arba kaip neveikiantis prototipas.

„Toyota Mirai“

„Honda“ aiškumas

Kiek kainuoja vandeniliu varomas automobilis?

Vandenilio automobilio kaina yra tinkama. To priežastis yra taurieji metalai, kurie yra kuro elementų (paladžio arba platinos) elektrodų dalis. Taip pat šiuolaikiniame automobilyje yra begalė apsaugos sistemų ir stabilizuojamas elektrinių elementų veikimas, o tam taip pat reikalingi materialiniai ištekliai.

Nors tokio automobilio priežiūra (kol nebus pakeisti kuro elementai) nėra daug brangesnė nei paprastas naujausių kartų automobilis. Yra šalių, kurios remia vandenilio gamybą, tačiau net ir į tai atsižvelgdami turėsite mokėti vidutiniškai 11 su puse dolerio už kilogramą dujų. Priklausomai nuo variklio tipo, to gali pakakti maždaug šimto kilometrų atstumui.

Kodėl vandeniliniai automobiliai yra geresni už elektromobilius?

Jei pasiimsite vandenilio gamyklą su kuro elementais, toks automobilis bus identiškas elektromobiliui, kurį esame įpratę matyti keliuose. Skirtumas tik tas, kad elektromobilis kraunamas iš tinklo arba iš degalinės terminalo. Vandenilio transportavimas pats gamina elektrą.

Kalbant apie tokių automobilių kainą, jie yra brangesni. Pavyzdžiui, baziniai „Tesla“ modeliai kainuos nuo 45 tūkst. Vandenilio analogų iš Japonijos galima įsigyti už 57 tūkst. Kita vertus, bavarai parduoda savo automobilius „žaliais“ degalais už 50 XNUMX USD kainą.

Atsižvelgiant į praktiškumą, automobilį lengviau pripildyti degalų (tai užtruks apie penkias minutes), nei palaukti pusvalandį (su greitu įkrovimu, kuris neleidžiamas visų tipų akumuliatoriams) automobilių stovėjimo aikštelėje. Tai vandenilio augalų pliusas.

Dar vienas pliusas yra tas, kad kuro elementams ypač nereikia priežiūros, o jų darbinis laikas yra gana ilgas. Kalbant apie elektrines transporto priemones, jų didžiulį akumuliatorių reikės pakeisti maždaug per penkerius metus, nes jis turi daugybę įkrovimo ir iškrovimo ciklų. Šalnų metu elektromobilių akumuliatorius išsikrauna daug greičiau nei vasarą. Bet vandenilio oksidacijos reakcijos elementas nuo to nenukenčia ir stabiliai gamina elektrą.

Kokios yra vandenilinių automobilių perspektyvos ir kada jos bus matomos kelyje?

Europoje ir JAV vandenilio automobilį jau galima rasti. Tačiau jie vis dar priklauso smalsumo kategorijai. Ir šiandien yra mažai perspektyvų.

Pagrindinė priežastis, dėl kurios tokio tipo transportas netruks užpildyti visų šalių kelių, yra gamybos pajėgumų trūkumas. Pirma, būtina nustatyti vandenilio gamybą. Be to, būtina pasiekti tokį lygį, kad, be ekologiškumo, tai būtų ir kuras daugumai vairuotojų. Be šių dujų gamybos, būtina organizuoti jų transportavimą (nors tam galite saugiai naudotis greitkeliais, kuriais gabenamas metanas), taip pat įrengti daugelį degalinių su atitinkamais terminalais.

Antra, kiekvienas automobilių gamintojas turės rimtai modernizuoti gamybos linijas, o tam reikia nemažų investicijų. Nepastovioje ekonomikoje dėl pasaulinės epidemijos protrūkio nedaugelis rizikuos.

Pažvelgus į elektros transporto plėtros tempą, populiarinimo procesas vyko labai greitai. Tačiau elektromobilių populiarumo priežastis yra galimybė taupyti degalus. Dažnai tai yra pirmoji priežastis, kodėl jie perkami, o ne siekiant išsaugoti aplinką. Vandenilio atveju nebus įmanoma sutaupyti pinigų (bent jau dabar), nes jo gamybai išleidžiama kur kas daugiau energijos.

Pliusai ir pagrindiniai vandenilio variklių trūkumai

Taigi, apibendrinkime. Vandenilio kuro variklių privalumai yra šie:

• Aplinkai nekenksmingas išmetimas;
• Tylus maitinimo bloko veikimas (elektrinė trauka);
• Naudojant kuro elementą nereikia dažnai prižiūrėti;
• Greitas degalų papildymas;
• Palyginti su elektrinėmis transporto priemonėmis, varomoji sistema ir energijos šaltinis veikia stabiliau net esant šalčiai.

Nors plėtra negali būti vadinama naujiena, vis dėlto ji vis dar turi keletą trūkumų, kurie priverčia vidutinį vairuotoją į tai žiūrėti atsargiai. Štai keletas iš jų:

• Kad vandenilis užsidegtų, jis turi būti dujinės būsenos. Tai sukelia tam tikrų sunkumų. Pavyzdžiui, norint suspausti lengvąsias dujas, reikalingi specialūs brangūs kompresoriai. Taip pat kyla problemų dėl tinkamo kuro laikymo ir gabenimo, nes jis yra labai degus;
• Turės būti periodiškai tikrinamas cilindras, kuris bus sumontuotas ant automobilio. Tam vairuotojui reikės apsilankyti specializuotame centre, ir tai yra papildomos išlaidos;
• Vandenilio automobilyje nenaudojamas didžiulis akumuliatorius, tačiau instaliacija vis tiek sveria deramai, o tai žymiai paveikia dinamines transporto priemonės charakteristikas;
• Vandenilis - užsidega nuo menkiausios kibirkštėlės, todėl avariją, susijusią su tokiu automobiliu, lydės rimtas sprogimas. Atsižvelgiant į neatsakingą kai kurių vairuotojų požiūrį į savo saugumą ir kitų eismo dalyvių gyvenimą, tokios transporto priemonės dar negali būti išleistos į kelius.

Atsižvelgdami į žmonijos susidomėjimą švaresne aplinka, galime tikėtis, kad bus pasiektas proveržis „ekologiško“ transporto užbaigimo klausime. Bet kai tai nutiks, parodys tik laikas.

Tuo tarpu žiūrėkite „Toyota Mirai“ vaizdo apžvalgą:

Vandenilio ateitis? Toyota Mirai – VISĄ APŽVALGA ir specifikacijos | LiveFEED®

Klausimai ir atsakymai:

Kodėl vandenilinis variklis yra pavojingas? Vandenilio mišinio degimo metu variklis įkaista daugiau nei degant benzinui. Dėl to yra didelė stūmoklių, vožtuvų perdegimo ir įrenginio perkrovimo tikimybė.

Kaip papildyti vandenilinį automobilį? Toks automobilis varomas dujinės būsenos vandeniliu (suskystintomis arba suslėgtomis dujomis). Kurui laikyti jis suspaudžiamas iki 350-700 atmosferų, o temperatūra gali siekti -259 laipsnius.

Kaip veikia vandenilio vidaus degimo variklis? Automobilis aprūpintas savotišku akumuliatoriumi. Deguonis ir vandenilis praeina per specialias plokštes. Rezultatas yra cheminė reakcija, kai išsiskiria vandens garai ir elektra.