Silnik wodorowy. Jak to działa i wady

Silniki spalinowe nie pojawiły się dramatycznie jako oddzielne zespoły napędowe. Raczej klasyczny silnik powstał w wyniku udoskonalenia i ulepszenia silników cieplnych. Przeczytaj o tym, jak stopniowo pojawiała się jednostka, do której jesteśmy przyzwyczajeni pod maską samochodów. w osobnym artykule.

Kiedy jednak pojawił się pierwszy samochód wyposażony w silnik spalinowy, ludzkość otrzymała pojazd samobieżny, który nie wymagał ciągłego karmienia, jak koń. Wiele rzeczy zmieniło się w silnikach od 1885 roku, ale jedna wada pozostaje niezmieniona. Podczas spalania mieszanki benzyny (lub innego paliwa) i powietrza wydziela się zbyt wiele szkodliwych substancji, które zanieczyszczają środowisko.

Jeśli przed pojawieniem się pojazdów samobieżnych architekci krajów europejskich obawiali się, że duże miasta utoną w końskim łajnie, dziś mieszkańcy megalopoli oddychają brudnym powietrzem.

Zaostrzające się normy środowiskowe w transporcie zmuszają producentów pojazdów do opracowywania czystszego układu napędowego. Tak więc wiele firm zainteresowało się stworzoną wcześniej technologią Anjosa Jedlika - samobieżnego wózka na trakcji elektrycznej, który pojawił się w 1828 roku. A dziś ta technologia tak ugruntowała się w świecie motoryzacyjnym, że nikogo nie zaskoczy samochód elektryczny czy hybryda.

Ale naprawdę zachęcające są elektrownie, których jedynym źródłem uwolnienia jest woda pitna. To silnik wodorowy.

Co to jest silnik wodorowy?

To rodzaj silnika, który wykorzystuje wodór jako paliwo. Zastosowanie tego pierwiastka chemicznego zmniejszy wyczerpywanie się zasobów węglowodorów. Drugim powodem zainteresowania takimi instalacjami jest redukcja zanieczyszczenia środowiska.

W zależności od typu silnika, który będzie używany w transporcie, jego działanie będzie się różniło od klasycznego silnika spalinowego lub będzie identyczne.

Krótka historia

Silniki spalinowe wodorowe pojawiły się w tym samym okresie, w którym rozwijano i udoskonalano zasadę ICE. Francuski inżynier i wynalazca zaprojektował własną wersję silnika spalinowego. Paliwem, którego użył w swoim rozwoju, jest wodór, który pojawia się w wyniku elektrolizy H.₂A. W 1807 roku pojawił się pierwszy samochód na wodór.

Isaac De Rivaz w 1807 roku złożył patent na opracowanie ciągnika do sprzętu wojskowego. zaproponował wykorzystanie wodoru jako jednej z jednostek napędowych.

Jednostką napędową był tłok, a zapłon w nim był spowodowany tworzeniem się iskry w cylindrze. To prawda, że ​​pierwsze dzieło wynalazcy wymagało ręcznego generowania iskry. Po zaledwie dwóch latach zakończył swoją pracę i narodził się pierwszy samobieżny pojazd wodorowy.

Jednak w tamtym czasie nie przywiązywano wagi do rozwoju, ponieważ gaz nie jest tak łatwy do pozyskania i magazynowania jak benzyna. Silniki wodorowe były praktycznie używane w Leningradzie podczas blokady z drugiej połowy 1941 roku. Chociaż trzeba przyznać, że nie były to wyłącznie jednostki wodorowe. Były to zwykłe silniki spalinowe GAZ, tylko nie było dla nich paliwa, ale w tym czasie było dużo gazu, ponieważ były zasilane balonami.

W pierwszej połowie lat 80. wiele krajów, nie tylko europejskich, ale także Ameryki, Rosji i Japonii podjęło się eksperymentowania z tego typu instalacjami. Tak więc w 1982 roku, dzięki wspólnej pracy fabryki Kvant i przedsiębiorstwa samochodowego RAF, pojawił się połączony silnik, który działał na mieszance wodoru i powietrza, a jako źródło energii zastosowano akumulator 5 kW / h.

Od tego czasu różne kraje podejmowały próby wprowadzenia „zielonych” pojazdów do swoich linii modelowych, ale w większości przypadków takie samochody albo pozostawały w kategorii prototypów, albo miały bardzo limitowaną edycję.

Jak działa

Od dzisiaj działa wiele silników tej kategorii, w każdym indywidualnym przypadku instalacja wodorowa będzie działać według własnej zasady. Zastanów się, jak działa jedna modyfikacja, która może zastąpić klasyczny silnik spalinowy.

W takim silniku na pewno zostaną zastosowane ogniwa paliwowe. Są rodzajem generatorów, które aktywują reakcję elektrochemiczną. Wewnątrz urządzenia wodór ulega utlenieniu, a efektem reakcji jest uwolnienie energii elektrycznej, pary wodnej i azotu. W takiej instalacji dwutlenek węgla nie jest emitowany.

Pojazd oparty na podobnej jednostce to ten sam samochód elektryczny, tylko akumulator w nim jest znacznie mniejszy. Ogniwo paliwowe wytwarza wystarczającą ilość energii do obsługi wszystkich systemów pojazdu. Jedynym zastrzeżeniem jest to, że od początku procesu do wytworzenia energii może to zająć około 2 minut. Ale maksymalna wydajność instalacji zaczyna się po rozgrzaniu systemu, co zajmuje od kwadransa do 60 minut.

Aby elektrownia nie działała na próżno i nie trzeba wcześniej przygotowywać transportu do podróży, zainstalowano w niej konwencjonalną baterię. Podczas jazdy ładuje się dzięki rekuperacji i jest potrzebny wyłącznie do uruchomienia samochodu.

Taki samochód jest wyposażony w cylinder o różnych pojemnościach, do którego pompowany jest wodór. W zależności od trybu jazdy, wielkości auta i mocy instalacji elektrycznej jeden kilogram gazu wystarczy na 100 kilometrów jazdy.

Typy silników wodorowych

Chociaż istnieje kilka modyfikacji silników wodorowych, wszystkie dzielą się na dwa typy:

• Typ jednostki z ogniwem paliwowym;
• Zmodyfikowany silnik spalinowy, przystosowany do pracy na wodorze.

Rozważmy każdy typ osobno: jakie są ich cechy.

Elektrownie oparte na wodorowych ogniwach paliwowych

Ogniwo paliwowe działa na zasadzie baterii, w której zachodzi proces elektrochemiczny. Jedyną różnicą między analogiem wodoru jest jego wyższa wydajność (w niektórych przypadkach ponad 45 procent).

Ogniwo paliwowe to pojedyncza komora, w której umieszczone są dwa elementy: katoda i anoda. Obie elektrody są pokryte platyną (lub palladem). Pomiędzy nimi znajduje się membrana. Dzieli jamę na dwie komory. Tlen jest dostarczany do wnęki z katodą, a wodór jest dostarczany do drugiej.

W rezultacie zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której dochodzi do połączenia cząsteczek tlenu i wodoru w celu wytworzenia elektryczności. Efektem ubocznym tego procesu jest uwolnienie wody i azotu. Elektrody ogniwa paliwowego są podłączone do obwodu elektrycznego samochodu, w tym do silnika elektrycznego.

Wodorowe silniki spalinowe

W tym przypadku, chociaż silnik nazywa się wodorem, ma identyczną strukturę jak konwencjonalny ICE. Jedyna różnica polega na tym, że to nie benzyna czy propan pali się, ale wodór. Jeśli napełnisz butlę wodorem, to jest jeden problem - gaz ten zmniejszy sprawność konwencjonalnej jednostki o około 60 procent.

Oto kilka innych problemów z przejściem na wodór bez modernizacji silnika:

• Gdy HTS jest sprężany, gaz wchodzi w reakcję chemiczną z metalem, z którego wykonana jest komora spalania i tłok, a często może to mieć miejsce również w przypadku oleju silnikowego. Z tego powodu w komorze spalania powstaje inny związek, który nie wyróżnia się specjalną zdolnością do dobrego spalania;
• Szczeliny w komorze spalania muszą być idealne. Jeśli gdzieś układ paliwowy ma przynajmniej minimalny wyciek, gaz łatwo zapali się w kontakcie z gorącymi przedmiotami.

Silnik do Hondy Clarity

Z tych powodów bardziej praktyczne jest stosowanie wodoru jako paliwa w silnikach rotacyjnych (jaka jest ich cecha, przeczytaj tutaj). Kolektory dolotowe i wydechowe takich jednostek są umieszczone oddzielnie od siebie, więc gaz na wlocie nie nagrzewa się. Tak czy inaczej, podczas modernizacji silników, aby ominąć problemy związane ze stosowaniem tańszego i bardziej przyjaznego dla środowiska paliwa.

Jaka jest żywotność ogniw paliwowych?

Obecnie na całym świecie takie samochody są bardzo rzadkie i nie ma ich jeszcze w serii, trudno powiedzieć, jakie zasoby ma to źródło energii. Rzemieślnicy nie mają jeszcze w tym zakresie doświadczenia.

Jedyne, co można powiedzieć, to to, że zgodnie z oświadczeniami przedstawicieli Toyoty, ogniwo paliwowe ich produkcyjnego samochodu Mirai jest w stanie nieprzerwanie generować energię do 250 tysięcy kilometrów. Po tym kamieniu milowym musisz monitorować skuteczność urządzenia. Jeśli jego wydajność wyraźnie spadła, ogniwo paliwowe jest wymieniane w autoryzowanym serwisie. To prawda, należy się spodziewać, że firma za tę procedurę weźmie przyzwoitą kwotę.

Które firmy już produkują lub zamierzają produkować samochody na wodór?

Wiele firm zajmuje się rozwojem przyjaznego dla środowiska bloku energetycznego. Oto marki samochodów, w biurze projektowym, które już działają, gotowe do wprowadzenia serii:

• Mercedes-Benz to crossover GLC F-Cell, którego rozpoczęcie sprzedaży zapowiedziano w 2018 roku, ale na razie kupiły go tylko niektóre przedsiębiorstwa i ministerstwa Niemiec. Niedawno zaprezentowano prototypowy ciągnik na ogniwa wodorowe GenH2;
• Prototyp Hyundai - Nexo wprowadzony dwa lata temu;
• BMW to prototyp wodoru Hydrogen 7, który został wypuszczony z linii montażowej. Partia 100 egzemplarzy pozostała w fazie eksperymentalnej, ale to już coś.

Wśród samochodów seryjnych, które można kupić zarówno w Ameryce, jak iw Europie, są odpowiednio modele Mirai i Clarity z Toyoty i Hondy. Dla pozostałych firm ten rozwój jest nadal w wersji rysunkowej lub jako niedziałający prototyp.

Toyota mirai

Przejrzystość Hondy

Ile kosztuje samochód napędzany wodorem?

Koszt samochodu na wodór jest przyzwoity. Powodem tego są metale szlachetne, które tworzą elektrody ogniw paliwowych (pallad lub platyna). Ponadto nowoczesny samochód wyposażony jest w niezliczone systemy bezpieczeństwa i stabilizację pracy elementów elektrycznych, co również wymaga zasobów materialnych.

Chociaż utrzymanie takiego auta (do czasu wymiany ogniw paliwowych) nie jest dużo droższe od konwencjonalnego auta najnowszych generacji. Są kraje, które sponsorują produkcję wodoru, ale nawet mając to, trzeba będzie zapłacić średnio 11 i pół dolara za kilogram gazu. W zależności od typu silnika może to wystarczyć na odległość około XNUMX kilometrów.

Dlaczego samochody wodorowe są lepsze od samochodów elektrycznych?

Jeśli weźmiemy instalację wodorową z ogniwami paliwowymi, taki samochód będzie identyczny z samochodem elektrycznym, do którego przywykliśmy na drogach. Jedyna różnica polega na tym, że samochód elektryczny jest ładowany z sieci lub z terminala na stacji benzynowej. Transport wodoru sam wytwarza energię elektryczną.

Jeśli chodzi o koszt takich samochodów, są one droższe. Na przykład modele Tesli w podstawowej konfiguracji będą kosztować od 45 tysięcy dolarów. Analogi wodoru z Japonii można kupić za 57 tysięcy sztuk. Bawarczycy natomiast sprzedają swoje samochody na „zielonym” paliwie po cenie 50 tys. Dolarów.

Jeśli weźmiemy pod uwagę praktyczność, łatwiej jest napełnić auto gazem (zajmie to około pięciu minut) niż czekać pół godziny (z szybkim ładowaniem, które nie jest dozwolone dla wszystkich typów akumulatorów) na parkingu. To jest zaleta instalacji wodorowych.

Kolejnym plusem jest to, że ogniwa paliwowe nie wymagają szczególnej konserwacji, a ich żywotność jest dość duża. Jeśli chodzi o pojazdy elektryczne, ich ogromna bateria będzie wymagała wymiany za około pięć lat ze względu na wiele cykli ładowania i rozładowania. Podczas mrozów akumulator w pojazdach elektrycznych rozładowuje się znacznie szybciej niż latem. Ale element reakcji utleniania wodoru nie cierpi z tego powodu i stabilnie wytwarza energię elektryczną.

Jakie perspektywy mają samochody napędzane wodorem i kiedy pojawią się na drogach?

W Europie i Stanach Zjednoczonych można już znaleźć samochód na wodór. Jednak nadal należą do kategorii ciekawostek. A dziś perspektyw jest niewiele.

Głównym powodem, dla którego ten rodzaj transportu nie zapełni się szybko na drogach wszystkich krajów, jest brak mocy produkcyjnych. Po pierwsze, konieczne jest ustalenie produkcji wodoru. Ponadto konieczne jest osiągnięcie takiego poziomu, aby oprócz przyjazności dla środowiska było to również paliwo dostępne dla większości kierowców. Oprócz produkcji tego gazu konieczne jest zorganizowanie jego transportu (choć w tym celu można bezpiecznie korzystać z autostrad, którymi transportowany jest metan), a także wyposażenie wielu stacji paliw w odpowiednie terminale.

Po drugie, każdy producent samochodów będzie musiał poważnie zmodernizować linie produkcyjne, co wymaga znacznych inwestycji. W niestabilnej gospodarce spowodowanej wybuchem globalnej epidemii niewielu podejmie takie ryzyko.

Jeśli spojrzeć na tempo rozwoju transportu elektrycznego, to proces popularyzacji przebiegał bardzo szybko. Jednak powodem popularności samochodów elektrycznych jest możliwość oszczędzania paliwa. I często jest to pierwszy powód, dla którego są kupowane, a nie ze względu na ochronę środowiska. W przypadku wodoru nie da się zaoszczędzić (przynajmniej teraz) pieniędzy, ponieważ do jego produkcji zużywa się znacznie więcej zasobów energii.

Plusy i główne wady silników wodorowych

A więc podsumujmy. Zalety silników napędzanych wodorem obejmują następujące czynniki:

• Emisja przyjazna dla środowiska;
• Cicha praca zespołu napędowego (trakcja elektryczna);
• W przypadku korzystania z ogniwa paliwowego częsta konserwacja nie jest wymagana;
• Szybkie tankowanie;
• W porównaniu z pojazdami elektrycznymi układ napędowy i źródło energii działają stabilniej nawet w ujemnych temperaturach.

Chociaż tej inwestycji nie można nazwać nowością, nadal ma ona szereg niedociągnięć, które skłaniają przeciętnego kierowcę do ostrożnego spojrzenia na nią. Tutaj jest kilka z nich:

• Aby wodór się zapalił, musi być w stanie gazowym. Stwarza to pewne trudności. Na przykład do sprężania lekkich gazów wymagane są specjalne drogie sprężarki. Występuje również problem z odpowiednim przechowywaniem i transportem paliwa, gdyż jest wysoce łatwopalne;
• Cylinder, który zostanie zainstalowany w samochodzie, będzie musiał być okresowo sprawdzany. W tym celu kierowca będzie musiał odwiedzić wyspecjalizowane centrum, a to jest dodatkowy koszt;
• W samochodzie wodorowym nie wykorzystuje się ogromnego akumulatora, jednak instalacja nadal waży przyzwoicie, co znacząco wpływa na charakterystykę dynamiczną pojazdu;
• Wodór - zapala się przy najmniejszej iskry, więc wypadkowi z udziałem takiego samochodu towarzyszy poważny wybuch. Ze względu na nieodpowiedzialne podejście niektórych kierowców do własnego bezpieczeństwa i życia innych użytkowników dróg, takich pojazdów nie można jeszcze wypuszczać na drogi.

Biorąc pod uwagę zainteresowanie ludzkości czystym środowiskiem, należy spodziewać się przełomu w kwestii finalizacji „zielonego” transportu. Ale kiedy to się stanie, pokaże tylko czas.

W międzyczasie obejrzyj recenzję wideo Toyoty Mirai:

Przyszłość na wodorze? Toyota Mirai - PEŁNY PRZEGLĄD i specyfikacje | LiveFEED®

Pytania i odpowiedzi:

Dlaczego silnik wodorowy jest niebezpieczny? Podczas spalania mieszanki wodorowej silnik nagrzewa się bardziej niż podczas spalania benzyny. W efekcie istnieje duże prawdopodobieństwo przepalenia się tłoków, zaworów i przeciążenia jednostki.

Jak zatankować samochód na wodór? Samochód taki zasilany jest wodorem w stanie gazowym (gaz płynny lub sprężony). Aby przechowywać paliwo, jest ono sprężane do 350-700 atmosfer, a temperatura może osiągnąć -259 stopni.

Jak działa wodorowy silnik spalinowy? Samochód wyposażony jest w rodzaj akumulatora. Tlen i wodór przechodzą przez specjalne płyty. Rezultatem jest reakcja chemiczna z uwolnieniem pary wodnej i elektryczności.