Водородный двигатель. Как работает и недостатки

Двигатели внутреннего сгорания не появились, как отдельные силовые агрегаты резко. Скорее, классический мотор появился в результате доработки и усовершенствования тепловых двигателей. О том, как постепенно появлялся агрегат, который мы привыкли видеть под капотом машин, читайте в отдельной статье.

Однако когда появился первый автомобиль, оснащенный двс, человечество получило самоходное транспортное средство, которое не требовало постоянного кормления, как лошади. С 1885 года в моторах много чего изменилось, но неизменным остался один недостаток. Во время сгорания смеси бензина (или другого топлива) и воздуха выделяется слишком много вредных веществ, загрязняющих окружающую среду.

Если перед появлением самоходных транспортных средств архитекторы европейских стран опасались, что большие города утонут в лошадином навозе, то сегодня жители мегаполисов вдыхают грязный воздух.

Ужесточение экологических стандартов для транспорта заставляет производителей автотранспорта вести разработки более чистого силового агрегата. Так, многие компании заинтересовались созданной ранее технологией Аньоса Джедлика – самоходной тележкой на электротяге, которая появилась еще в 1828-м. И на сегодняшний день эта технология настолько прочно вошла в автомобильный мир, что электромобилем или гибридом уже никого не удивишь.

Но что уж действительно обнадеживает, так это силовые установки, единственным выбросом которых является питьевая вода. Это водородный двигатель.

Что такое водородный двигатель?

Это такой тип двигателя, который в качестве топлива использует водород. Применение этого химического элемента позволит снизить истощение запасов углеводородных ресурсов. Вторая причина заинтересованности в подобных установках – снижение загрязнения окружающей среды.

В зависимости от того, какой тип мотора будет использоваться в транспорте, его работа будет отличаться от классического двс или быть идентичной.

Краткая история

Водородные двигатели внутреннего сгорания появились в тот же период, когда велись разработки и совершенствовался принцип ДВС. Французский инженер и изобретатель сконструировал свой вариант двигателя внутреннего сгорания. Топливо, которое он применял в своей разработке – водород, появлявшийся в результате электролиза H₂O. В 1807 году появился первый водородный автомобиль.

Исаак Де Риваз в 1807 году подал патент на разработку тягача для военного снаряжения. в качестве одного из силовых агрегатов он предлагал использовать именно водородный.

Силовой агрегат был поршневым, а зажигание в нем происходило благодаря образованию искры в цилиндре. Правда, первое творение изобретателя нуждалось в ручной генерации искры. Спустя всего два года он доработал свое произведение, и на свет появилось первое самоходное водородное средство передвижения.

Однако на тот момент разработке не придали значения, потому что газ не так легко получить и хранить, как бензин. Практическое применение водородные моторы получили в Ленинграде во время блокады со второй половины 1941 года. Хотя, стоит признать, что это не были исключительно водородные агрегаты. Это были обычные двс ГАЗ, только топлива для них не было, зато газа в то время было предостаточно, так как им заправляли аэростаты.

В первой половине 80-х годов много стран, причем не только европейские, но и Америка, Россия и Япония взялись экспериментировать с данного типа установками. Так, в 1982-м при совместной работе завода «Квант» и автопредприятия РАФ появился комбинированный мотор, который работал на смеси водорода и воздуха, а в качестве источника энергии использовался акб на 5 кВт/ч.

С тех пор разными странами проявлялись попытки внедрить «зеленый» транспорт в линейки своих моделей, но в большинстве случаев такие машины либо оставались в категории прототипов, либо имели сильно ограниченный тираж.

Как работает

Так как на сегодняшний день существует много действующих моторов данной категории, в каждом отдельном случае работать водородная установка будет по своему принципу. Рассмотрим, как работает одна модификация, которая может заменить классический ДВС.

В таком моторе обязательно будут использоваться топливные элементы. Это своего рода генераторы, которые активируют электрохимическую реакцию. Внутри устройства водород окисляется, а результатом реакции является выделение электричества, водяного пара и азота. Углекислый газ в такой установке не выделяется.

Транспортное средство на подобном агрегате – такой же электромобиль, только батарея в нем намного меньше. Топливный элемент вырабатывает достаточно энергии для работы всех систем автомобиля. Единственный нюанс – от начала процесса до выработки энергии может пройти около 2 мин. Но максимальная отдача установки начинается после прогрева системы, что занимает от четверти часа до 60 минут.

Чтобы силовая установка не работала впустую, и не нужно было заранее подготавливать транспорт к поездке, в нем установлена обычная батарея. Во время езды она подзаряжается за счет рекуперации, а нужна она исключительно для старта авто.

Такой автомобиль оснащается баллоном разных объемов, куда закачивается водород. В зависимости от режима езды, размеров машины и мощности электроустановки одного килограмма газа может хватить на 100 километров поездки.

Типы водородного двигателя

Хотя существует несколько модификаций водородных двигателей, все они делятся на два типа:

• Вид агрегата с топливным элементом;
• Доработанный ДВС, приспособленный для работы на водороде.

Рассмотрим каждый тип по отдельности: в чем их особенности.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

За основу работы топливного элемента взят принцип аккумулятора, в котором происходит электрохимический процесс. Единственное отличие водородного аналога – более высокий КПД (в некоторых случаях более 45 процентов).

Топливная ячейка представляет собой одну камеру, в которую помещены два элемента: катод и анод. Оба электрода покрыты платиной (или палладием). Между ними расположена мембрана. Она делит полость на две камеры. В полость с катодом подается кислород, а во вторую – водород.

В результате происходит химическая реакция, результатом которой является объединение молекул кислорода и водорода с выделением электричества. Побочный эффект от процесса – вода и выделившийся азот. Электроды топливных элементов подключены к электроцепи автомобиля, в том числе и электромотору.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

В этом случае, хотя мотор и называется водородным, он имеет идентичное строение, что и обычный ДВС. Единственное отличие – происходит сгорание не бензина или пропана, а водорода. Если заправлять баллон водородом, то есть одна проблема – этот газ снизит эффективность обычного агрегата приблизительно на 60 процентов.

Вот несколько других проблем, с которыми связан переход на водород без модернизации мотора:

• Когда ВТС будет сжиматься, газ будет вступать в химическую реакцию с металлом, из которого изготовлена камера сгорания и поршень, а нередко это может происходить и с моторным маслом. Из-за этого в камере сгорания образуется другое соединение, которое не отличается особой способностью к качественному сгоранию;
• Зазоры в камере сгорания должны быть идеальными. Если где-то топливная система имеет хотя бы минимальную утечку, при контакте с раскаленными предметами газ легко воспламенится.

Мотор для Honda Clarity

По этим причинам водород практичней применять в качестве топлива в роторных моторах (в чем их особенность, читайте здесь). Впускной и выпускной коллекторы таких агрегатов расположены отдельно друг от друга, поэтому газ на впуске не раскаляется. Как бы то ни было, пока моторы модернизируются так, чтобы обойти проблемы использования более дешевого и экологически чистого топлива.

Какой срок службы топливных ячеек?

Во всем мире на сегодняшний день такие авто – большая редкость, и их еще нет в серии, сложно сказать, какой ресурс у данного источника энергии. У мастеров еще нет опыта в этом отношении.

Единственное, что можно сказать, по заявлениям представителей Toyota топливный элемент их серийного автомобиля Mirai способен бесперебойно вырабатывать энергию вплоть до 250 тысяч километров. После этого рубежа нужно наблюдать за эффективностью устройства. Если его работа заметно снизилась, топливная ячейка меняется на официальном сервисном центре. Правда, следует ожидать, что за эту процедуру компания возьмет приличную сумму.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Разработкой экологически чистого силового агрегата занимаются многие компании. Вот автобренды, в конструкторском бюро которых стоят уже рабочие варианты, готовые выйти в серию:

• Mercedes-Benz – кроссовер GLC F-Cell, о старте продаж которого объявлено в 2018-м году, но пока его приобрели лишь некоторые предприятия и министерства Германии. Недавно был представлен прототип тягача с водородными топливными элементами – GenH2;
• Hyundai – прототип Nexo, представленный два года назад;
• BMW – опытный образец водородного Hydrogen 7, который выпустили с конвейера. Партия в 100 экземпляров так и осталась в стадии эксперимента, но это уже что-то.

Среди серийных авто, которые можно купить как в Америке, так и в Европе, относятся модели Mirai и Clarity компаний Toyota и Honda соответственно. У остальных компаний данная разработка пока либо находится в чертежном варианте, либо в качестве неработающего прототипа.

Toyota Mirai

Honda Clarity

Сколько это стоит автомобиль на водородном двигателе?

Стоимость водородного автомобиля приличная. Причина тому – драгоценные металлы, которые входят в состав электродов топливных элементов (палладий или платина). Также современное авто оснащено бесчисленным множеством систем безопасности и стабилизации работы электроэлементов, что тоже требует материальных средств.

Хотя обслуживание такого автомобиля (до момента замены топливных ячеек) не намного дороже, чем обычного авто последних поколений. Есть страны, которые спонсируют производство водорода, но даже с учетом этого за килограмм газа придется заплатить в среднем 11 с половиной долларов. В зависимости от типа двигателя этого может хватить на расстояние около ста километров.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Если взять водородную установку с топливными элементами, то такой автомобиль будет идентичным электромобилем, какой мы привыкли видеть на дорогах. Разница лишь в том, что электрокар заряжается от сети или от терминала на заправочной станции. Водородный же транспорт сам вырабатывает для себя электричество.

Что касается стоимости таких авто, то они стоят дороже. Например, модели Tesla в базовой комплектации будут стоить от 45 тысяч долларов. Водородные аналоги из Японии можно приобрести за 57 тыс.у.е. Баварцы же свои авто на «зеленом» топливе реализуют по цене от 50 тысяч долл.

Если брать во внимание практичность, то проще заправить машину газом (на это уйдет около пяти минут), чем ждать полчаса (при быстрой зарядке, что не для всех типов батарей позволительно) на стоянке. В этом плюс водородных установок.

Еще один плюс – топливные ячейки особо не нуждаются в обслуживании, а их рабочий ресурс достаточно большой. Что же касается электромобилей, то их огромная батарея приблизительно через пять лет будет требовать замены из-за того, что в ней происходит много циклов зарядки-разрядки. На морозах батарея в электротранспорте разряжается намного быстрее, чем в летний период. А вот элемент на реакции окисления водорода не страдает от этого и стабильно вырабатывает электричество.

Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?

На территории Европы и Соединенных Штатов водородный автомобиль уже можно встретить. Однако они еще находятся в категории диковинки. И на сегодняшний день перспектив пока немного.

Самая главная причина того, что данный тип транспорта еще нескоро заполонит дороги всех стран, заключается в отсутствии производственных мощностей. Во-первых, необходимо наладить выработку водорода. Причем нужно достичь такого уровня, чтобы помимо экологичности это еще было и доступное большинству автомобилистов топливо. Помимо производства этого газа нужно наладить его транспортировку (хотя для этого можно спокойно воспользоваться магистралями, по которым транспортируется метан), а также оснастить много заправочных станций соответствующими терминалами.

Во-вторых, каждому автопроизводителю придется серьезно модернизировать производственные линии, что требует немалых вложений. В условиях нестабильной экономики из-за разразившейся всемирной эпидемии мало кто пойдет на такие риски.

Если посмотреть на темпы развития электротранспорта, то процесс популяризации проходил очень быстро. Однако причина популярности машин на электротяге – возможность экономить на топливе. И это зачастую первая причина, почему их покупают, а не ради сохранения окружающей среды. В случае с водородом сэкономить не получится (по крайней мере сейчас), потому что для его производства тратится намного больше энергоресурсов.

Плюсы и основные недостатки водородных двигателей

Итак, подытожим. К плюсам двигателей на водородном топливе можно отнести такие факторы:

• Экологически чистый выброс;
• Бесшумная работа силового агрегата (электротяга);
• В случае использования топливного элемента не требуется частое обслуживание;
• Быстрая заправка;
• По сравнению с электромобилями силовая установка и источник энергии работают более стабильно даже на морозе.

Хотя разработку нельзя назвать новинкой, тем не менее, у нее до сих пор существует ряд недостатков, которые побуждают обычного автомобилиста смотреть на нее с опаской. Вот некоторые из них:

• Чтобы водород смог воспламениться, он должен быть в газообразном состоянии. Это создает определенные трудности. Например, для сжатия легких газов требуются специальные дорогие компрессоры. Также существует проблема с должным хранением и транспортировкой топлива, так как он легко воспламеняется;
• Баллон, который будут устанавливать на автомобиль, будет нуждаться в периодической проверке. Для этого автомобилисту нужно будет посещать специализированный центр, а это дополнительные затраты;
• В водородном автомобиле не используется огромная батарея, тем не менее, установка все равно прилично весит, что значительно сказывается на динамических характеристиках транспорта;
• Водород – воспламеняется при малейшей искре, поэтому ДТП с участием такого авто будет сопровождаться серьезным взрывом. Учитывая безответственное отношение некоторых водителей к собственной безопасности и жизням других участников движения, такой транспорт еще нельзя выпускать на дороги.

Если учесть заинтересованность человечества в чистоте окружающей среды, стоит ожидать, что в вопросе доработки «зеленого» транспорта совершится прорыв. Но когда такое случится, это покажет только время.

А пока посмотрите видеообзор на Toyota Mirai:

Будущее на водороде? Toyota Mirai — ПОЛНЫЙ ОБЗОР и характеристики | LiveFEED®

Вопросы и ответы:

Чем опасен водородный двигатель? Во время сгорания водородной смеси мотор нагревается сильнее, чем при сгорании бензина. В результате есть большая вероятность прогорания поршней, клапанов и перегрузке агрегата.

Чем заправлять машину на водороде? Такой автомобиль заправляется водородом в газообразном состоянии (сжиженный или сжатый газ). Для запаса топлива его сжимают до 350-700 атмосфер, а температура может достигать -259 градусов.

Как работает водородный ДВС? Автомобиль оснащается подобием аккумулятора. Через специальные пластины проходит кислород и водород. В результате происходит химическая реакция с выделением водяного пара и электричества.