Инновация 2000-х годов

Водородный двигатель - это, несомненно, революция в автостроении. Топливный водородный компактный элемент, при своем весе в пять килограммов дает автомобилю возможность на одной заправке проехать 500 километров. Одним словом, водородный двигатель - это химический электрический генератор, обладающий огромной мощностью.

Характеристики этого изделия поистине выдающиеся. Топливный элемент первого такого двигателя при заправке в 54 литра сжатого водорода выдавал мощность, которая составляла 80 киловатт! Водород является самым экологически чистым горючим. Продукт его горения - это вода. Всем известно простое уравнение, объясняющее как раз этот процесс - 2Н2 + О2 = 2Н2О. Сегодня электролиз (образование из воды водорода при помощи пропускания электрической искры через неё) - единственный метод получения данного вещества.

Преимущества

Самым главным преимуществом такого механизма, как водородный двигатель, является его стоимость. Большинство топливных элементов очень дорогие - то есть недоступные для многих автолюбителей. Водородный двигатель же основан на поршневом классическом двигателе, который проверен не одним десятилетием в автомобильном деле. Однако где взять заправки? Для такого случая инженерами был изобретен бивалентный двигатель, который осуществляет свою работу и на бензине, и на водороде. А из этого следует вывод, что обладатель данной машины не будет зависеть от того, есть ли на заправке водородное топливо. Однако имеется один недостаток - общая эффективность его работы несколько снижается.

Хочется отметить, что водород используют в и обычном двигателе как топливо. Тогда мощность двигателя снижается до 82 процентов (если сравнивать с бензиновым вариантом). Однако если изменена и система зажигания, то мощность увеличивается (примерно до 120 процентов). Но в таком случае водород при давлениях и температурах, что создаются в двигателе, может вступить в реакцию со смазкой и конструкционными материалами. Это приведет к быстрому износу. Помимо того водород является летучим веществом, и из-за этого (если использовать обычную карбюраторную систему питания) он может проникнуть в выпускной коллектор, а там воспламениться.

Водородный генератор своими руками? Запросто!

Итак, необходимы топливные водородные ячейки для машины. Они состоят из сосуда (контейнера) с водой, который располагается под капотом. В сосуд нужно набрать простой воды и бросить чайную ложку соды, катализаторы и погрузить несколько пластин, выполненных из нержавеющей стали. Их нужно подключить к аккумулятору. Когда будет включено зажигание, газ начнет вырабатываться. В воздуховод, что расположен после фильтра, нужно вмонтировать шланг с водородом. После этого кислород и водород можно извлечь из воды при помощи электролиза. Далее смесь веществ втянется во впускной коллектор автомобиля, где смешается с бензином и в обычном порядке сгорит в двигателе.

Уже мало кто будет отрицать перспективу использовать водород, как топливо для автомобилей, хотя бы как топливо переходного периода. Ведь водород, во-первых является абсолютно экологически чистым топливом, а во-вторых его запасы практически неограничены, неисчерпаемы и возобновляемы. То есть водород можно добывать в любом месте, где есть мощные источники энергии. Многие из наших читателей безусловно будут нам возражать, говоря о том, что водород и водородное топливо, это совсем не то, к чему нужно стремиться. Отчасти согласимся с этим утверждением. Действительно, водород, это не совсем то топливо на котором хотелось бы видеть автомобили будущего. Но с другой стороны, при всем при этом, это очень большой шаг вперед и вполне достойная замена нынешнему бензину и тем более дизельному топливу. Но переход на водород задерживает прежде всего информационная подоплека. Ведь в учебниках и с экранов телевизоров, нам постоянно твердят, что водород, является взрывоопасным веществом, а главное для работы на водороде нужны специальные двигатели, которые нужно очень долго придумывать, испытывать и т.д. Мы не будем списывать все эти суждения на всемирные заговоры, так как большинство подобных рассуждений может быть связано с обычным невежеством, что в данном случае вполне простительно, так как найти достоверную информацию по этому поводу очень тяжело.

Поэтому нелишним будет повторить, что положительные опыты запуска обычных двигателей внутреннего сгорания без всяких переделок, были успешно проведены еще во время второй мировой войны, при защите Ленинграда.

Но одно дело, если это кто-то и где-то сделал, а другое дело это увидеть собственными глазами и иметь повторяемую и простую методику запуска обычных двигателей внутреннего сгорания на водороде без всякой переделки и доработки ДВС или, по крайней мере, с минимальными доработками двигателя. С удовольствием делимся с Вами положительным опытом запуска совершенно обычного двигателя внутреннего сгорания на таком же совершенно обычном промышленном водороде!

Ну вот видите!? Все можно проверить самостоятельно, без дорогущей лаборатории, миллионного финансирования и прочих «мешающих» факторов!

Ну а теперь давайте попробуем вместе ответить на следующие вопросы:

— Расход водорода по сравнению с бензином, как обстоят дела на практике?

— Негативные моменты использования водорода вместо топлива, есть ли такие?

— Оптимизация двигателя внутреннего сгорания для работы на водороде.

Мы будем очень рады услышать и тем более увидеть Ваши комментарии и видео. Но так как данная статья опубликована в разделе практика, то и комментарии и видео, мы ждем практически полезные, подтвержденные личным опытом, а не просто теоретические предположения.

Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.

Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.

Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе – смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.

Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.

По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.

Наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW и другие.

Типы и принцип работы водородных двигателей

Современные силовые установки подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.

В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами - анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор.

Действующими образцами автомобиля с силовой установкой на основе топливных элементов являются «Нива» с энергоустановкой «Антэл-1» и «Лада 111» с «Антел-2», разработанные уральскими инженерами. На одной подзарядке первая машина может преодолеть 200 км, вторая - 350 км.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом.

ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия.

Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.

Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов.

Проблемы и задачи развития водородных двигателей

Для массового перехода на водород в качестве топлива существует целый ряд технологических и экологических препятствий.

Производство водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем производство бензина.

Да и сам процесс получения водорода из воды пока еще обходится слишком дорого. Поэтому основной его объем в настоящее время производится из метана. С большими затратами связана его транспортировка и хранение.

В случае массового внедрения таких силовых установок, резко увеличится количество водорода в атмосфере, что может привести к разрушению озонового слоя Земли, так как водородные двигатели выделяют значительно больше оксидов азота, чем бензиновые.

Уровень коммерческой окупаемости таких силовых установок просматривается лишь в отдаленной перспективе.

Однако точно такие же проблемы в свое время возникали в период развития бензиновых, электрических и газовых двигателей. Остается надеяться, что через 15-20 лет ситуация измениться, и появление водородного автомобиля на дорогах станет обычным делом.

После того как все государства мира объявили курс на снижение выбросов вредных веществ, производители транспортных средств задумались . Причём они начали вести разработки не только в области электромобилей, но и в направлении использования водорода в качестве топлива для автомобилей. При этом различные компании рассматривают собственные технологии, которые обладают массой . Поэтому стоит подробнее рассмотреть авто на водороде, чтобы понять, что может ожидать нас в ближайшем будущем.

Автомобили на водороде — это довольно перспективное направление в поиске альтернативных источников энергии

Различные методы

Двигатель внутреннего сгорания

Вспомните, почему водород называют «гремучим газом» - правильно, он очень легко взрывается с выделением огромного количества энергии. Почему бы не использовать эту его особенность для приведения в движение автомобилей? Именно так решили специалисты компаний Mazda и BMW, которые несколько лет назад представили свои прототипы автомобилей, работающих на водороде, поступающем внутреннего сгорания.

При этом инженеры BMW вполне справедливо решили, что экспериментировать лучше с более крупным двигателем, который позволит варьировать технические характеристики в очень широком диапазоне. Так появился на свет автомобиль седьмой серии, который оснащался крупным баком для сжатого водорода - при рабочем объёме мотора он обладал производительностью всего в 260 лошадиных сил и расходовал около 50 литров горючего на сто километров пути. Кроме того, фирма BMW экспериментировала и с автомобилями на сжиженном водороде - для этого использовались специальные криогенные баки, которые обладали , сопоставимой с ценой самой платформы машины - это делалось для увеличения запаса хода. Однако отличительной чертой всех экспериментальных автомобилей BMW, работавших на водороде, было наличие традиционной бензиновой системы питания - она позволяла перейти на обычное горючее при исчерпании запаса водорода или при неполадках, связанных с его подачей.

А вот Mazda пошла другим путём, решив не ограничиваться в своих экспериментах - японцы смонтировали установку питания водородом на автомобиле RX-8, оснащённом Ванкеля объёмом 1,3 литра. К сожалению, результат оказался провальным - мощность упала с 240 до 100 лошадиных сил, в расход топлива возрос почти до 60–70 литров на сотню километров. В отличие от BMW 7, которая сдавалась в лизинг в США и странах Европы, Mazda RX-8, работающая на водороде, так и осталась в виде прототипа. В настоящее время обе компании свернули эти исследовательские программы, сосредоточившись на других направлениях развития альтернативной энергетики.

Видео об автомобилях на водороде:

Причину понять легко, если углубиться в отчёты инженеров - они столкнулись с такими , как:

• Сниженный ресурс мотора;
• Частые поломки, связанные с разрушением стенок цилиндров, клапанов и поршней;
• Малый запас хода;
• Частые утечки, грозящие возгоранием или даже взрывом.

Конечно, многие небольшие исследовательские институты создавали водородные автомобили, работавшие по принципу сгорания «гремучего газа», и обладавшие лучшими характеристиками, чем . Однако стало понятно, что двигатель автомобиля необходимо изначально разрабатывать под водород - а производители оказались не готовыми к таким сомнительным инвестициям.

Топливные ячейки

Решение проблемы пришло из области космонавтики - так как сжигать горючее для получения электроэнергии на орбите нерационально, учёные разработали специальные топливные ячейки, в которых протекала химическая реакция с выделением огромного количества электроэнергии. При прохождении водорода сквозь такую ячейку, наполненную каталитическим материалом, происходит его соединение с кислородом, в результате которого образуется вода. Соответственно, пользователь получает только плюсы - никаких вредных веществ, на выходе только чистая вода и определённый запас электроэнергии . Остаётся только запастись нужным количеством водорода.

Автомобиль на водороде, работающий с применением топливных ячеек, функционирует - в нём отсутствует двигатель внутреннего сгорания, который полностью заменён электрическим мотором. Энергия, полученная от реакции водорода с кислородом, накапливается в аккумуляторах - а некоторые производители, ориентированные на достижение автомобилем хороших динамических характеристик, используют суперконденсаторы, которые позволяют максимально быстро отдавать полученный заряд. Благодаря этому преодолевается один из недостатков топливных ячеек на водороде - они являются инертными, то есть не могут изменять свою отдачу по желанию водителя автомобиля.

Основные преимущества

Основной плюс, которым обладает машина на водороде, использующая топливные ячейки в качестве источника энергии - сочетание в ней лучших характеристик автомобилей с двигателями внутреннего сгорания и электромобилей. Запас хода очень высок - особенно в случае, когда не только от реакции водорода с кислородом, но и от обычной электрической сети. Вместе с тем отсутствие агрегата, сжигающего углеводородное топливо, позволяет получить просто огромное количество преимуществ :

• Отсутствие вредных выбросов - как и при сгорании водорода, в топливных ячейках образуется только водяной пар, который не наносит вреда окружающей среде.
• Меньшая масса - кстати, комбинация водородных топливных ячеек, электродвигателя и аккумуляторов имеет меньшие габариты и вес, чем у батарей и мотора в традиционном электромобиле при сходных характеристиках и запасе хода.
• Уменьшение количества движущихся и соприкасающихся между собой частей в несколько раз - за счёт этого существенно повышается ресурс эксплуатации .

Если же рассматривать водородный автомобиль, который оснащается двигателем внутреннего сгорания, адаптированным к этому виду топлива, то пока у него больше минусов, чем положительных сторон. Однако отчёты научно-исследовательских институтов, которые занимаются разработками в этом направлении, позволяют надеяться на то, что в скором будущем ситуация коренным образом поменяется. Уже сообщается о том, что двигатели автомобилей, которые изначально создавались для работы на водороде, имеют :

• Ресурс эксплуатации, увеличенный на 20–30%, а также уменьшенная вероятность возникновения меньших поломок.
• Мощность, большая на 15–20%, больший КПД, означающий лучшее использование энергетического потенциала горючего.
• Стоимость пробега, в 2 раза меньшая, чем аналогичный показатель для бензина - однако только при условии промышленного производства водорода.

Вот только стоимость , очень уж высока - как в силу применения дорогостоящих инновационных материалов, так и благодаря штучному производству, ведущемуся по обходным технологиям.

Недостатки

К сожалению, не обходится и без минусов - впрочем, это касается не только водорода, но и всех прочих технологий альтернативной энергетики, работа над которыми ведётся относительно недавно. С точки зрения рядового потребителя пока существенным недостатком является высокая стоимость производства топлива - относительно недорого можно купить только водород, создаваемый в промышленных масштабах - он является редкостью, так как заводов по выпуску этого газа пока относительно немного. Кроме того, при проведении опросов в странах, где уже продано либо достаточно много автомобилей, работающих на водороде, результаты показали, что очень многие люди боятся взрыва «гремучего газа», хотя о таких случаях они даже не слышали. Действительно, на испытаниях нередко случались возгорания в результате утечки водорода, однако в серийное производство были отправлены только автомобили с многоуровневыми системами безопасности, предотвращающими возникновение взрыва.

Однако благодаря применению многих инновационных технических решений водородная машина является не только экономичной и безопасной, но и дорогой. В частности, никогда не разглашала стоимость автомобиля седьмой серии, работающего на водороде, разрешая только брать его в лизинг. Однако некоторые эксперты говорят о том, что его рыночная цена могла бы быть установлена на уровне 1,2–1,5 миллиона долларов. Даже наиболее дешёвые автомобили, выпускаемые Honda и Toyota, стоят не менее 30–50 тысяч долларов при минимальном уровне оснащения - и то, только благодаря демпинговой политике компаний и компенсациям, выделяемых правительством Японии. Стоит сказать и о том, что топливные ячейки и баки не могут быть долговечными в силу длительной эксплуатации в условиях агрессивной среды - и если ячейки можно выпускать в сменном виде, то на придётся затратить немало денег.

Пришло время поговорить о главном - где заправлять автомобиль, работающий на водороде? Говорить о создании сети заправок даже в Японии, США и Германии очень рано - пока они представляют собой единичные экземпляры. В то же время строительство соответствующей инфраструктуры для электромобилей идёт полным ходом, что позволяет получить сведения о приоритетах, которые устанавливаются современным обществом и государственными учреждениями. Заправлять водородом машину с использованием самодельных приспособлений очень опасно - вероятность взрыва будет невероятно высокой.

Топливо будущего или нет?

Сейчас приходится слышать о том, что водород является топливом будущего - однако стоит вспомнить о том, что подобные слоганы звучали во всём мире ещё в конце 60-х годов - причём Советский Союз, в котором исследования свойств этого газа шли полным ходом, исключением не был. Несмотря на всё прошедшее время, водородные автомобили так и остались прототипами, не слишком пригодными к серийному производству и эксплуатации общего пользования. Однако разработки не прекращаются, несмотря на то, что пока положительные результаты были достигнуты только единичными компаниями, начавшими мелкосерийное изготовление таких автомобилей. Кроме того, необходимо вспомнить о том, что водород является даже для окружающей среды источником энергии, чем электричеством. Ведь несмотря на развитие энергетики, в мире до 70% электростанций работают на таких «грязных» видах топлива, как нефть и уголь.