Enjin hidrogen. Bagaimana ia berfungsi dan kekurangan

Enjin pembakaran dalaman tidak muncul sebagai unit kuasa yang terpisah secara dramatik. Sebaliknya, motor klasik muncul sebagai hasil daripada penyempurnaan dan peningkatan enjin haba. Baca tentang bagaimana unit, yang biasa kita lihat di bawah penutup kereta, secara beransur-ansur muncul. dalam artikel berasingan.

Namun, ketika kereta pertama yang dilengkapi dengan mesin pembakaran dalaman muncul, umat manusia menerima kenderaan bergerak sendiri yang tidak memerlukan makan berterusan, seperti kuda. Banyak perkara telah berubah pada motor sejak tahun 1885, tetapi satu kekurangannya tetap tidak berubah. Semasa pembakaran campuran petrol (atau bahan bakar lain) dan udara, terlalu banyak bahan berbahaya dilepaskan yang mencemarkan alam sekitar.

Sekiranya sebelum kedatangan kenderaan bergerak sendiri, para arkitek negara-negara Eropah takut bandar-bandar besar akan tenggelam di kotoran kuda, hari ini penduduk megalopoli menghirup udara kotor.

Mengetatkan piawaian persekitaran untuk pengangkutan memaksa pengeluar kenderaan untuk mengembangkan tenaga yang lebih bersih. Oleh itu, banyak syarikat tertarik dengan teknologi Anjos Jedlik yang pernah dibuat sebelumnya - sebuah kereta yang bergerak sendiri pada daya tarikan elektrik, yang muncul pada tahun 1828. Dan hari ini teknologi ini telah begitu mantap di dunia automotif sehingga anda tidak akan mengejutkan sesiapa sahaja dengan kereta elektrik atau hibrida.

Tetapi yang sangat menggembirakan adalah loji kuasa, satu-satunya pembebasan adalah air minuman. Ia adalah enjin hidrogen.

Apa itu enjin hidrogen?

Ini adalah jenis enjin yang menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar. Penggunaan unsur kimia ini akan mengurangkan penipisan sumber hidrokarbon. Sebab kedua untuk minat dalam pemasangan tersebut adalah pengurangan pencemaran alam sekitar.

Bergantung pada jenis motor apa yang akan digunakan dalam pengangkutan, pengoperasiannya akan berbeza dari enjin pembakaran dalaman klasik atau sama.

Sejarah Ringkas

Enjin pembakaran dalaman hidrogen muncul pada masa yang sama ketika prinsip ICE dikembangkan dan diperbaiki. Seorang jurutera dan pencipta Perancis merancang versi enjin pembakaran dalamannya sendiri. Bahan bakar yang digunakannya dalam pengembangannya adalah hidrogen, yang muncul sebagai hasil elektrolisis H₂A. Pada tahun 1807, kereta hidrogen pertama muncul.

Isaac De Rivaz pada tahun 1807 mengemukakan paten untuk pembangunan traktor peralatan ketenteraan. dia mencadangkan penggunaan hidrogen sebagai salah satu unit kuasa.

Unit kuasa adalah piston, dan penyalaan di dalamnya disebabkan oleh pembentukan percikan api di dalam silinder. Benar, penciptaan pertama penemu memerlukan penjanaan percikan manual. Setelah dua tahun, dia menyelesaikan pekerjaannya, dan kenderaan hidrogen yang dilancarkan sendiri pertama dilahirkan.

Namun, pada waktu itu, pembangunan tidak begitu penting, kerana gas tidak semudah itu diperoleh dan disimpan seperti petrol. Motor hidrogen digunakan secara praktikal di Leningrad semasa sekatan dari separuh kedua tahun 1941. Walaupun begitu, kita harus mengakui bahawa ini bukan unit hidrogen secara eksklusif. Ini adalah enjin pembakaran dalaman GAZ biasa, hanya tidak ada bahan bakar untuk mereka, tetapi ada banyak gas pada waktu itu, kerana mereka didorong oleh belon.

Pada separuh pertama 80-an, banyak negara, bukan sahaja negara Eropah, tetapi juga Amerika, Rusia dan Jepun membuat percubaan dengan jenis pemasangan ini. Jadi, pada tahun 1982, dengan kerja sama kilang Kvant dan perusahaan automobil RAF, motor gabungan muncul, yang menggunakan campuran hidrogen dan udara, dan bateri 5 kW / j digunakan sebagai sumber tenaga.

Sejak itu, ada percubaan oleh negara-negara yang berbeda untuk memasukkan kenderaan "hijau" ke dalam model model mereka, tetapi dalam kebanyakan kes kereta seperti itu tetap dalam kategori prototaip atau mempunyai edisi yang sangat terhad.

Bagaimana ia berfungsi

Sejak hari ini terdapat banyak motor operasi dari kategori ini, dalam setiap kes, loji hidrogen akan beroperasi mengikut prinsipnya sendiri. Pertimbangkan bagaimana satu modifikasi berfungsi yang dapat menggantikan enjin pembakaran dalaman klasik.

Dalam motor seperti itu, sel bahan bakar pasti akan digunakan. Mereka adalah sejenis penjana yang mengaktifkan tindak balas elektrokimia. Di dalam peranti, hidrogen dioksidakan, dan hasil tindak balasnya adalah pembebasan elektrik, wap air dan nitrogen. Karbon dioksida tidak dipancarkan dalam pemasangan sedemikian.

Kenderaan berdasarkan unit yang serupa adalah kenderaan elektrik yang sama, hanya bateri di dalamnya yang jauh lebih kecil. Sel bahan bakar menghasilkan tenaga yang cukup untuk mengendalikan semua sistem kenderaan. Satu-satunya peringatan adalah bahawa dari awal proses hingga penjanaan tenaga, ia memerlukan masa sekitar 2 minit. Tetapi output maksimum pemasangan bermula setelah sistem memanaskan badan, yang memakan masa dari seperempat jam hingga 60 minit.

Agar loji kuasa tidak berfungsi dengan sia-sia, dan tidak perlu menyiapkan pengangkutan untuk perjalanan lebih awal, ia mempunyai bateri konvensional. Semasa memandu, ia diisi semula kerana pulih, dan diperlukan secara eksklusif untuk memulakan kereta.

Kereta sedemikian dilengkapi dengan silinder dengan jumlah yang berbeza, di mana hidrogen dipam. Bergantung pada mod pemanduan, ukuran kereta dan kekuatan pemasangan elektrik, satu kilogram gas dapat mencukupi perjalanan 100 kilometer.

Jenis enjin hidrogen

Walaupun terdapat beberapa modifikasi enjin hidrogen, semuanya tergolong dalam dua jenis:

• Jenis unit dengan sel bahan bakar;
• Enjin pembakaran dalaman yang diubah suai, disesuaikan dengan hidrogen.

Mari kita pertimbangkan setiap jenis secara berasingan: apa ciri mereka.

Loji janakuasa berdasarkan sel bahan bakar hidrogen

Sel bahan bakar didasarkan pada prinsip bateri, di mana proses elektrokimia berlaku. Satu-satunya perbezaan antara analog hidrogen adalah kecekapannya yang lebih tinggi (dalam beberapa kes, lebih daripada 45 peratus).

Sel bahan bakar adalah ruang tunggal yang mengandungi dua elemen: katod dan anod. Kedua-dua elektrod dilapisi platinum (atau paladium). Selaput terletak di antara mereka. Ia membahagikan rongga menjadi dua ruang. Oksigen dibekalkan ke rongga dengan katod, dan hidrogen dibekalkan ke kedua.

Akibatnya, reaksi kimia berlaku, hasilnya adalah gabungan molekul oksigen dan hidrogen dengan pembebasan elektrik. Kesan sampingan dari proses tersebut adalah air dan nitrogen yang dibebaskan. Elektrod sel bahan bakar disambungkan ke litar elektrik kereta, termasuk motor elektrik.

Enjin pembakaran dalaman hidrogen

Dalam kes ini, walaupun mesin disebut hidrogen, ia mempunyai struktur yang sama dengan ICE konvensional. Satu-satunya perbezaan adalah bahawa bukan petrol atau propana yang membakar, tetapi hidrogen. Sekiranya anda mengisi silinder dengan hidrogen, maka ada satu masalah - gas ini akan mengurangkan kecekapan unit konvensional sekitar 60 peratus.

Berikut adalah beberapa masalah lain dengan beralih ke hidrogen tanpa menaik taraf enjin:

• Apabila HTS dimampatkan, gas akan masuk ke dalam tindak balas kimia dengan logam dari mana ruang pembakaran dan omboh dibuat, dan selalunya ini juga boleh berlaku dengan minyak enjin. Oleh kerana itu, sebatian lain terbentuk di ruang pembakaran, yang tidak dibezakan oleh kemampuan khas untuk membakar dengan baik;
• Jurang di ruang pembakaran mestilah sempurna. Sekiranya di suatu tempat sistem bahan bakar mempunyai kebocoran minimum, gas akan mudah menyala apabila bersentuhan dengan objek panas.

Enjin untuk Honda Clarity

Atas sebab-sebab ini, lebih praktikal menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar dalam mesin putar (apa ciri mereka, baca di sini). Sambungan masuk dan ekzos unit sedemikian terletak secara berasingan antara satu sama lain, sehingga gas di saluran masuk tidak panas. Biasakan seperti itu, sementara mesin dimodenkan sehingga dapat mengatasi masalah penggunaan bahan bakar yang lebih murah dan mesra alam.

Berapa lama jangka hayat sel bahan bakar?

Di seluruh dunia hari ini, kereta seperti ini sangat jarang berlaku, dan belum ada dalam siri ini, sukar untuk mengatakan sumber apa yang dimiliki oleh sumber tenaga ini. Pengrajin belum mempunyai pengalaman dalam hal ini.

Satu-satunya perkara yang boleh dikatakan adalah bahawa menurut kenyataan wakil Toyota, sel bahan bakar kereta produksi mereka Mirai mampu menghasilkan tenaga tanpa henti hingga 250 ribu kilometer. Selepas pencapaian ini, anda perlu memantau keberkesanan peranti. Sekiranya kinerjanya menurun, sel bahan bakar akan diganti di pusat servis yang sah. Benar, seseorang harus mengharapkan bahawa syarikat akan mengambil jumlah yang lumayan untuk prosedur ini.

Syarikat mana yang sudah membuat atau akan membuat kereta hidrogen?

Banyak syarikat terlibat dalam pembangunan unit tenaga yang mesra alam. Berikut adalah jenama automatik, di biro reka bentuk yang sudah ada pilihan kerja, siap untuk masuk ke dalam siri:

• Mercedes-Benz adalah crossover GLC F-Cell, permulaan penjualannya diumumkan pada tahun 2018, tetapi setakat ini hanya beberapa syarikat dan kementerian Jerman yang memperolehnya. Traktor sel bahan bakar hidrogen prototaip, GenH2, baru-baru ini dilancarkan;
• Prototaip Hyundai - Nexo diperkenalkan dua tahun lalu;
• BMW adalah prototaip hidrogen Hydrogen 7, yang dilepaskan dari barisan pemasangan. Sebanyak 100 salinan masih dalam peringkat eksperimen, tetapi ini sudah menjadi sesuatu.

Di antara kereta stok yang boleh dibeli di Amerika dan di Eropah adalah model Mirai dan Clarity masing-masing dari Toyota dan Honda. Untuk syarikat lain, perkembangan ini masih dalam versi lukisan, atau sebagai prototaip yang tidak berfungsi.

Toyota mirai

Kejelasan Honda

Berapakah kos kereta berkuasa hidrogen?

Kos kereta hidrogen adalah berpatutan. Sebabnya adalah logam berharga yang merupakan sebahagian daripada elektrod sel bahan bakar (paladium atau platinum). Juga, kereta moden dilengkapi dengan sistem keselamatan dan penstabilan operasi elemen elektrik yang tidak terkira banyaknya, yang juga memerlukan sumber bahan.

Walaupun penyelenggaraan kereta seperti itu (sehingga sel bahan bakar diganti) tidak jauh lebih mahal daripada kereta biasa generasi terkini. Ada negara yang menaja pengeluaran hidrogen, tetapi walaupun mempertimbangkannya, anda perlu membayar rata-rata 11 setengah dolar per kilogram gas. Bergantung pada jenis mesin, ini cukup untuk jarak sekitar seratus kilometer.

Mengapa kereta hidrogen lebih baik daripada kereta elektrik?

Sekiranya anda menggunakan loji hidrogen dengan sel bahan bakar, maka kereta seperti itu akan sama dengan kereta elektrik yang biasa kita lihat di jalan raya. Satu-satunya perbezaan ialah kereta elektrik dicas dari rangkaian atau dari terminal di stesen minyak. Pengangkutan hidrogen itu sendiri menjana elektrik.

Bagi kos kereta tersebut, ia lebih mahal. Sebagai contoh, model Tesla dalam konfigurasi asas akan berharga dari 45 ribu dolar. Analog hidrogen dari Jepun boleh dibeli dengan harga 57 ribu unit. Orang Bavaria, sebaliknya, menjual kereta mereka dengan bahan bakar "hijau" dengan harga $ 50.

Sekiranya kita mengambil kira kepraktisan, lebih mudah mengisi minyak dengan petrol (akan memakan masa sekitar lima minit) daripada menunggu setengah jam (dengan pengecasan pantas, yang tidak dibenarkan untuk semua jenis bateri) di tempat letak kereta. Inilah kelebihan tanaman hidrogen.

Tambahan lain - sel bahan bakar tidak memerlukan penyelenggaraan, dan jangka hayatnya cukup besar. Bagi kenderaan elektrik, baterinya yang besar memerlukan penggantian dalam masa lima tahun kerana fakta bahawa ia mempunyai banyak kitaran pengecasan. Pada musim sejuk, bateri kenderaan elektrik habis lebih cepat berbanding musim panas. Tetapi unsur tindak balas pengoksidaan hidrogen tidak mengalami ini dan menghasilkan elektrik secara stabil.

Apa prospek untuk kereta hidrogen dan kapan ia akan dilihat di jalan raya?

Di Eropah dan Amerika Syarikat, kereta hidrogen sudah dapat dijumpai. Namun, mereka masih dalam kategori ingin tahu. Dan hari ini terdapat sedikit prospek.

Sebab utama pengangkutan jenis ini tidak akan segera memenuhi jalan raya semua negara adalah kekurangan kapasiti pengeluaran. Pertama, perlu dilakukan pengeluaran hidrogen. Lebih-lebih lagi, perlu mencapai tahap seperti itu, selain keramahan alam sekitar, juga merupakan bahan bakar yang tersedia bagi kebanyakan pengendara. Sebagai tambahan kepada pengeluaran gas ini, perlu mengatur pengangkutannya (walaupun untuk ini anda boleh menggunakan lebuh raya dengan selamat di mana metana diangkut), dan juga melengkapkan banyak stesen pengisian dengan terminal yang sesuai.

Kedua, setiap pembuat kenderaan perlu serius memodenkan lini pengeluaran, yang memerlukan pelaburan yang besar. Dalam ekonomi yang tidak stabil akibat wabak global yang merebak, hanya sedikit yang akan mengambil risiko tersebut.

Sekiranya anda melihat laju perkembangan pengangkutan elektrik, proses mempopularkan berlaku dengan sangat cepat. Walau bagaimanapun, alasan populariti kereta elektrik adalah keupayaan untuk menjimatkan bahan bakar. Dan ini sering menjadi sebab pertama mengapa ia dibeli, dan bukan demi menjaga alam sekitar. Dalam kes hidrogen, tidak mungkin menjimatkan wang (sekurang-kurangnya sekarang), kerana lebih banyak tenaga dibelanjakan untuk pengeluarannya.

Kebaikan dan kekurangan utama hidrogen enjin

Jadi, mari kita ringkaskan. Kelebihan enjin bahan bakar hidrogen merangkumi faktor berikut:

• Pelepasan mesra alam;
• Operasi senyap unit kuasa (daya tarikan elektrik);
• Sekiranya menggunakan sel bahan bakar, penyelenggaraan kerap tidak diperlukan;
• Pengisian bahan api yang cepat;
• Berbanding dengan kenderaan elektrik, sistem pendorong dan sumber tenaga beroperasi lebih stabil walaupun pada suhu beku.

Walaupun perkembangannya tidak dapat disebut sebagai hal baru, namun, ia masih memiliki sejumlah kekurangan yang mendorong rata-rata pengendara melihatnya dengan berhati-hati. Berikut adalah beberapa daripadanya:

• Agar hidrogen menyala, ia mesti berada dalam keadaan gas. Ini menimbulkan kesulitan tertentu. Sebagai contoh, pemampat mahal khas diperlukan untuk memampatkan gas ringan. Ada juga masalah dengan penyimpanan dan pengangkutan bahan bakar yang betul, kerana sangat mudah terbakar;
• Silinder, yang akan dipasang di dalam kereta, perlu diperiksa secara berkala. Untuk melakukan ini, pemandu kenderaan perlu mengunjungi pusat khusus, dan ini adalah kos tambahan;
• Sebuah kereta hidrogen tidak menggunakan bateri yang besar, namun pemasangannya masih berat, yang mempengaruhi ciri-ciri dinamik kenderaan secara signifikan;
• Hidrogen - menyala pada percikan sedikit pun, jadi kemalangan yang melibatkan kereta seperti itu akan disertai dengan letupan yang serius. Memandangkan sikap tidak bertanggungjawab sesetengah pemandu terhadap keselamatan mereka sendiri dan kehidupan pengguna jalan raya yang lain, kenderaan seperti itu belum dapat dilepaskan ke jalan raya.

Dengan mempertimbangkan kepentingan umat manusia dalam lingkungan yang bersih, diharapkan terobosan dapat dilakukan dalam menyelesaikan masalah pengangkutan "hijau". Tetapi apabila ini berlaku, hanya masa yang akan memberitahu.

Sementara itu, tonton tinjauan video Toyota Mirai:

Masa depan mengenai hidrogen? Toyota Mirai - ULASAN PENUH dan Spesifikasi | LiveFEED®

Soalan dan Jawapan:

Mengapa enjin hidrogen berbahaya? Semasa pembakaran campuran hidrogen, enjin lebih panas daripada semasa pembakaran petrol. Akibatnya, terdapat kebarangkalian tinggi untuk kehabisan omboh, injap dan beban berlebihan unit.

Bagaimana untuk mengisi minyak kereta hidrogen? Kereta sedemikian dijana dengan hidrogen dalam keadaan gas (gas cecair atau termampat). Untuk menyimpan bahan api, ia dimampatkan kepada 350-700 atmosfera, dan suhu boleh mencapai -259 darjah.

Bagaimanakah enjin pembakaran dalaman hidrogen berfungsi? Kereta itu dilengkapi dengan sejenis bateri. Oksigen dan hidrogen melalui plat khas. Hasilnya ialah tindak balas kimia dengan pembebasan wap air dan elektrik.