Что такое водородный двигатель авто
Поскольку речь пойдет сегодня о том, как использовать водородные двигатели на авто, о перспективах их появления на конвейерах автозаводов в принципе, то просто нельзя не вспомнить о том, что такой двигатель появился на 75 лет раньше бензинового силового агрегата. Это было 1806 году, а само изобретение приписывают франко-швейцарскому изобретателю де Ривазу. Как известно, бензиновый двигатель был изобретен только к концу 19 века.
Водородный двигатель призван решить не только экономическую проблему постоянного подорожания нефтепродуктов. В конце концов, нефть когда-то закончится и в тот момент будет поздно думать о ее альтернативе. С другой стороны, ученые ищут замену обычному топливу для автомобильных двигателей в буквальном смысле, чтобы спасти цивилизацию. Атмосфера планеты уже перенасыщена оксидами азота, оксидами серы, углекислым газом. А с ростом количества частного автомобильного транспорта даже в развивающихся странах, ситуация с экологическими показателями атмосферы планеты близка к критической.
Краткая история создания
Двигатель на водороде был создан в начале XIX века усилиями французского изобретателя. Спустя 35 лет в Англии был оформлен официальный патент на подобный агрегат, а в 1852 году немецкие инженеры доработали устройство, сделав возможной его работу на воздушно-водородной смеси.
Особое распространение моторы на водороде приобрели в годы ВОВ, когда бензин оказался в большом дефиците. Затем интерес к данному виду топлива поутих до топливного кризиса, случившегося в 70-е годы.
В последнее же время за развитие экологически безопасного топлива ратуют защитники природы и просто люди, неравнодушные к дальнейшей судьбе планеты и будущих поколений.
Достоинства и недостатки водородных автомобилей
Как и любой источник энергии, водород имеет собственные плюсы и минусы. Однако, последних, в сравнении с привычными нефтепродуктами, гораздо меньше.
Плюсы водорода как альтернативного источника энергии
Главным достоинством транспортных средств, работающих на водороде, является отсутствие углекислого газа в качестве продукта переработки. Соответственно, такие авто не вносят свой вклад в загрязнение атмосферы и глобальное потепление.
Еще одно их достоинство — отсутствие шума при работе. Особенно это заметно в сравнении с машинами, оснащенными двигателями внутреннего сгорания.
Максимальный крутящий момент доступен с нулевой секунды запуска водородного элемента. Этого удается достичь за счет использования электродвигателя, который выдает весь свой потенциал сразу же, в отличии от бензинового или дизельного мотора, которому нужен предварительный разогрев.
Автомобиль на водородном топливе более эффективен, чем традиционные транспортные средства и даже электрокар. Сфера его использования куда шире. Так, на 1 грамм водорода выделяет в 3 раза больше энергии, чем при переработке такого же количества бензина. Соответственно, без дозаправки машина может работать несравнимо дольше, имея гораздо больший запас хода. Это же актуально и для электрокаров, которые даже менее производительны, чем бензиновые авто.
Заправка происходит быстрее, что тоже является ощутимым плюсом во время длительных поездок на значительные расстояния. И если бензиновый или дизельный автомобиль всегда можно заправить по пути следования, то электрические заправочные станции встречаются все еще слишком редко.
Минусы водородных автомобилей
Самый главный недостаток водородного топлива 0 сложность в его транспортировке и хранении. Чтобы обеспечить потребности автомобиля в энергии, придется сначала сжать водород в резервуаре под большим давлением. И на это нужна дополнительная энергия, а также высокопрочный резервуар, который выдержит давление в 700 бар.
К тому же, водородный двигатель для автомобиля использует не чистый водород, а водородный элемент, получение которого сопряжено с дополнительными тратами. В целом же, именно дороговизна всей системы и самого топлива ограничивает возможности для полной замены нефтепродуктов водородом.
Honda на водородном топливе
Гибридные модели и возможные модификации
Благодаря большому интересу к использованию водорода в качестве топлива для ДВС, гидродвигатели внутреннего сгорания имеют различные модификации и типы исполнения.
Схема устройства гибридного водородного двигателя
Мотор, разработанный В.С. Кащеевым, имеет иное устройство. Помимо впускного клапана (6) для подачи воздуха, выпускного для вывода выхлопных газов (7), ГБЦ имеет отдельный клапан для подачи водорода (9) и свечу зажигания (10), которые находятся в предкамере (8). Последняя расположена в ГБЦ выше уровня поршня в положении НМТ.
После преодоления поршнем НМТ в камеру сгорания подается и воспламеняется водород (предварительно поршень затягивает воздух через впускные клапаны). В это же самое время открываются выпускные клапаны. Из-за разницы атмосферного давления, отработанные газы устремляются в выпускной коллектор, создавая за собой вакуум, который перемещает поршень к ВМТ и за счет импульса обратно в крайнее нижнее положение. Как видим, принцип немного отличается, но суть остается неизменной.
Технология гибридных силовых установок – это промежуточная ступень между началом использования водорода в качестве топлива и полным отказом от использования нефтепродуктов. Автомобили с моторами такого типа могут передвигаться как на бензине, так и на водороде.
Еще более широкого распространения получило применение водорода в качестве компонента топливно-воздушной смеси. Для работы ДВС используется обычное топливо и небольшая часть гремучего газа. Это позволяет повысить степень сжатия, и уменьшить токсичность выхлопных газов.
Одним из возможных путей развития двигателей на водороде является применение силовых установок с топливными элементами. Во время химической реакции водорода и кислорода выделяется энергия, которая используется для питания электродвигателей автомобиля.
Водородные двигатели будущего
- Новое сотрудничество в автомобильном секторе начали General Motors (GM) и Honda Motor. Обе компании планируют совместно разрабатывать водородные топливные элементы в течение следующих семи лет. Обмен ноу-хау поможет снизить затраты на технологии и делает основной целью реагирование на увеличение объёма глобальных требований, предъявляемых к сокращению выбросов, стандарт «Евро-4» имеет строгие рамки.
- Силовая установка автомобиля может послужить и электростанцией для дома, обеспечивая его энергией в течение 5 дней.
- Каждый производитель в ближайшее время рассчитывает продавать минимум тысячу экокаров за год, ожидаемая цена 97000 $.
- К 2050 году водород как источник топлива покроет треть производимой энергии.
А вот Илон Маск (глава SpaceX и Tesla) к новому топливу относится крайне критично, считая его создание маркетинговым ходом. Маск заявил, что использование технологий не решит реальных транспортных проблем и что в литий-ионных батареях плотность хранения энергии превышает все водородные разработки. А как думаете вы?
На чем поедем?
Говорят, что количество «водородных» АЗС в Европе растет довольно быстро. Хоть потребителей этого топлива совсем мало, да и пока имеются все же проблемы с техникой безопасности. Ведь не будем забывать, что он взрывоопасен и его хранение на заправочной станции требует соблюдения повышенных мер безопасности, что тянет за собой удорожание и усложнение создания водородных заправок.
Первые «водородные» АЗС в Германии появились лет 15 назад. Сейчас же в ФРГ работает около 100 таких заправок, а к 2023 году их число должно вырасти до 400 и более. Стоимость соответствующего проекта оценивается свыше €400 млн — по миллиону на каждую АЗС. Большую часть средств инвестируют фирмы Toyota, Honda, BMW, Volkswagen и Daimler. Например, в Японии таких АЗС уже около 200.
Увы, в России работает пока только одна водородная заправка (и то в тестовом режиме) — в Подмосковье, в Черноголовке, на территории одного из НИИ. При этом по итогам прошлого года у нас в российском автопарке числился также всего один легковой автомобиль с водородными топливными элементами (не российского производства).
В целом же эксперименты с водородной темой в автосфере начались еще в прошлом веке. Все ведущие автопроизводители начали разрабатывать модели на альтернативных топливных элементах. Между прочим, занимались этой темой и на нашем «Автовазе». Направление называлось АНТЭЛ — «автомобиль на топливных элементах».
Помню даже «Ниву» и универсал ВАЗ-2111, которые возили по разным выставкам. Но тема эта в Тольятти уже несколько лет как закрыта. А жаль! Ведь в мире уже серийно выпускается несколько моделей.
Первенцем стала модель Toyota Mirai, которую в Японии продают с конца 2014 года, в США и Европе — с конца 2015 года. На сегодняшний день это самый распространенный в мире ЭВМ, который выпускает уже второе поколение модели. Основным рынком сбыта являются США, но продается ЭВМ также в Европе, Японии и Канаде.
Правда, очень популярной модель не назовешь, даже если учитывать, что существуют очень серьезные дотации для покупателей со стороны производителя (компенсирует государство). Цена Toyota Mirai в США стартует с отметки $58 тыс., при этом покупатель получает на депозит $15 тыс. на заправку водородом (эти деньги надо потратить в течение трех лет). По данным 2020 года, выпущено и продано по всему миру около 6 тыс. штук Mirai.
Модель другого японского концерна, Honda Clarity, продается с 2016 года. В ход машину приводит электродвигатель мощностью 174 л.с. Водород хранится в баке под давлением 690 атмосфер. По разным данным, на одной заправке можно проехать от 500 до 750 км. Депозит на заправку такой же — $15 тыс.
В Южной Корее выпущена опытная партия водородных кроссоверов Hyundai Nexo (около тысячи штук). Есть перспективные модели и у немцев — Mercedes-Benz GLC F-Cell и BMW X5 i Hydrogen Next. Прошлым летом первый в мире тяжелый грузовик на водородных топливных элементах начал продавать Hyundai. Выпуск автобуса и грузового фургона освоила в Китае компания Foton.
Таким образом, сейчас по дорогам мира движется уже несколько тысяч автомобилей на водородном топливе. Но повторю, что спрос на такую технику весьма ограниченный. Причины понятны: высокая цена и ограниченность поездки из-за малого количества АЗС. Есть проблемы и с эксплуатацией в холодном климате (конкретно — с холодным пуском). Производители новейшего Hyundai Nexo, например, обещают беспроблемный пуск только при температуре выше –6 ºС. Но эти проблемы, думаю, через несколько лет уже решат.
Самые популярные автомобили с водородным ДВС
Несмотря на то, что учёные продолжают ломать голову над устранением текущих проблем, связанных с использованием водородных моторов, количество машин на водородном топливе продолжает расти. Самыми известными авто, функционирующими на водороде, являются:
- Тойота Mirai FCV – автомобиль впервые дебютировал в 2013 году, но в продажу поступил лишь в 2015-м. Имеющиеся в нем баллоны обеспечивали «дальнобойность» около 500 км.
BMW 750hL, концептуальная версия которого была показана ещё в 2000-м году. Машина комплектуется специальным баком с водородов, запаса которого достаточно для преодоления расстояния в 300 км.
Honda Clarity – ещё один автомобиль, использующий водород вместо классического топлива. Основные достоинства модели — эффектная внешность и впечатляющий, по меркам водородных авто, запас хода, составляющий 589 км.
Кроме того, производители продолжают представлять «водородные» концепт-кары, среди которых — Audi H-tron Quattro, водородный Mercedes GLC, грузовик Nikola One от Nikola Motor, суперкар H2 Speed от дизайнерского дома Pininfarina и многие другие.
Заключение
Несмотря на ряд недостатков, водород может стать наиболее перспективным источником экологически чистой энергии на ближайшие 30-40 лет. Нам лишь осталось найти эффективный метод добычи водорода и разработать инфраструктуру для его доставки конечному потребителю, и тогда человечество навсегда забудет не только о топливном, но и об экологическом кризисе.
Видео о двигателе на воде:
