Сегодня многие автопроизводители всерьез задумываются над транспортом будущего. Если раньше все ставили только на электромобили, то сегодня у них появился серьезный конкурент – машины на топливных
элементах. Мы решили выяснить, какие водородные автомобили сегодня можно приобрести и какие у них преимущества.
Главное преимущество топливных элементов – высокий коэффициент полезного действия (более 50%). Также инженеры отмечают компактность и относительно малый вес водородной установки, в сравнении с бензиновыми и дизельными аналогами.
К недостаткам водорода относят слабо развитую инфраструктуру заправочных станций, взрывоопасность смеси водорода и воздуха, дороговизну обслуживания силовой водородной установки, высокая летучесть водорода (наивысшая среди всех распространенных газов). Так, за 9-10 дней улетучивается около половины полного бака в автомобиле на водороде.
5. Toyota FCHV
Официально кроссовер представили в 2002 году в Японии и США. Автомобиль выдавался на несколько месяцев в аренду, и потом изымался для проверки результатов испытаний. Мощность силовой установки автомобиля составляла 90 кВт. Машина все время дорабатывается. Так, изначально пробег на одной заправке составлял 350 км (исключительно на электротяге от заряженной батареи – 50 км). Сейчас эти показатели составляют 830 и 100 км соответственно. В топливный бак машины помещается 156 литров водорода. Максимальная скорость кроссовера составляет около 160 км/ч. В Калифорнии (США) в качестве эксперимента Toyota FCHV испытывались в такси, но «сырость» технологии пока не оправдала использование машин на водороде в сервисе с большими суточными пробегами.
4. Mercedes-Benz F-Cell
Немецкие инженеры создали водородный автомобиль на базе городского хэтчбека B-Class в 2010 году, позже его немного модернизировали. Изначально максимальный пробег на одной зарядке у машины составлял всего 160 км, а максимальная скорость не превышала 132 км/ч. Со временем мощность двигателя возрастала и достигла максимальных 134 л. с., а на одном баке водорода хэтчбек мог преодолеть 402 км. Автомобили Mercedes-Benz F-Cell выдавались рядовым пользователям в лизинг совершенно бесплатно на 3 месяца, или полгода. Всего с 2002 по 2012 год компания произвела 69 машин, которые до сих пор эксплуатируются в основном в США, Германии, Франции и Японии.
3. Honda FCX Clarity
Полноразмерный седан Honda FCX Clarity официально представили в 2006 году. Производство стартовало в июне 2008-го. Продажи начались в том же году исключительно в Японии. Потребителям в Европе и Америке машина была доступна только через лизинг по цене в 600 долларов за месяц эксплуатации. В эту сумму входила сама аренда авто, цена топлива, парковки и налогов на машину. С 2008 по 2014 год компания сдала в лизинг только в США около 45 автомобилей и по 10 в Европе и Японии. Седан оснащается электромотором мощностью 134 л. с. и крутящим моментом в 256 Нм. Полного бака топлива хватает примерно на 380 км пробега. В 2014 году производство седана свернуто, но топ-менеджеры японского автопроизводителя заявили, что в конце года текущего стоит ждать премьеру нового поколения водородного седана.
2. Hyundai ix35 FCEV
Водородный корейский кроссовер Hyundai ix35 FCEV снискал большую популярность в Штатах. Официально автомобиль представили на международном автосалоне в Сеуле в 2013 году. Электрическая силовая установка мощностью 136 л. с. и с максимальным крутящим моментом в 300 Нм разгоняет машину до 180 км/ч. Полного бака, заправленного водородом под давлением 700 атмосфер, хватит на 600 км пробега. Интересно, что вес топлива в полностью заправленном бензобаке составляет меньше 5,5 кг. Производство машины стартовало в конце 2014 года. Купить водородный Hyundai ix35 FCEV можно в Европе, США и некоторых странах Азии. Цена машины в Корее составляет 144 000 долларов, из которых 50 000 компенсирует государство. 
1.Toyota Mirai
Первое место мы отдали самой свежей и на наш взгляд самой далеко идущей разработке – седану Toyota Mirai. Впервые машину представили на Токийском автосалоне 2013. Изначально авто называлось аббревиатурой FCV. Производство машины стартовало в марте 2015 года в Японии. Силовая установка мощностью 154 л. с. может разогнать полноразмерное авто до 175 км/ч. Под днищем автомобиля располагаются 2 топливных бака для хранения водорода. Один баллон находится в передней части автомобиля, а второй находится сзади. Максимальная дальность поездки на одной заправке составляет 650 километров. Базовая стоимость машины – около 70 тыс. долларов, благодаря дотациям в Японии авто обойдется покупателям всего в 30 000 долларов, в США – около 50 000.
Продажи автомобиля Toyota Mirai («будущее» яп.) - первого в мире серийного автомобиля с водородным двигателем. Цена новинки составляет 7 236 000 иен (примерно $61 100), при этом правительство Японии субсидирует покупку на 2.02 млн иен (немногим более $17 000). Согласно планам компании продажи должны были начаться весной 2015 года, однако, поскольку число предварительных заказов превысило ожидание, было принято решение о переносе даты на ранний срок.
Mirai - это четырёхдверный седан, двигателем которого является электромотор с мощностью в 151 л. с., получающий энергию от конвертера, исходным веществом которого является водород, хранящийся в двух баках из углеродного волокна под давлением в 70 МПа. Требуемый для химической реакции кислород поступает прямо из радиатора автомобиля во время его движения. Одной заправки хватит на пробег в 480 км, а сама заправка 5 килограммами (170 литров) водорода длится около 3 минут. Максимальная скорость Mirai составляет 111 миль в час (около 180 км/ч), при этом для разгона до 100 км/ч потребуется 9 секунд.
Под капотом у Mirai
В Европе автомобиль официально презентуют на автосалоне в Женеве, а в Америке продажи начнутся в конце следующего года по цене в $57 500 (что сравнимо с детищем Илона Маска - электрокарами Tesla) только в Калифорнии и только в количестве 200 экземпляров - на данный момент водородные заправочные станции на территории США отсутствуют, и Toyota совместно с Air Liquide планирует их построить в количестве 12 штук к началу продаж - цена одной станции составляет $7.2 млн. Как ожидается, конечная цена на авто с учётом всех скидок и государственных субсидий может составить $45 000.
Внутри у Mirai
Помимо своего прямого предназначения, силовая установка автомобиля может служить еще и своеобразной домашней электростанцией для дома: инженеры утверждают, что при помощи разработанной ими системы отбора мощности (Power take off System) средний японский дом может питаться вырабатываемой электроэнергией в течение 5 дней. Интересно отметить, то мысль об этом нестандартном использовании автомобиля возникла из-за значительных рисков катастроф в Японии, когда из-за цунами целые города остаются без электричества.
Независимо от того, есть ли причины волноваться Илону Маску, ТАСС, ссылаясь на бывшего министра Саудовской Аравии Ахмеда Заки Ямани, отмечает , что «эпоха нефти подходит к концу»:
В результате распространения альтернативных источников спрос на нефть будет сокращаться. В сфере генерации электроэнергии ее уже замещают атомные и ветряные установки. Для транспорта нефть все еще нужна, однако спрос и там падает из-за растущего распространения гибридных и электрических машин. Нефтяная эра окончательно закончится, если удастся практически внедрить водородное топливо и дешево его производить".
говорит эксперт.
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.
ХарактеристикаХарактеристики 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.
Originally posted by zilm at Почему мы никогда не будем ездить на водородных автомобилях
Недавно Toyota объявила о том, что передаёт все свои патенты , связанные с автомобилями на топливных элементах в публичное пространство, и теперь они доступны для использования совершенно бесплатно. Новость умиляет тем, что патентов набралось аж 5 680 штук, задумайтесь только, как старались корпоративные юристы, патентуя всё вплоть до округлостей на кнопках. Но дело не только в этом, ведь в прошлом году именно Tesla стала первой, кто в мире патентных троллей и бесконечных судов открыл свои патенты . К слову, их у компании, выпускающей самый известный электромобиль, было меньше трёх сотен.
Toyota Mirai - первый в мире автомобиль на водородных топливных
элементах, который можно будет купить, а не взять в лизинг.
Но я хочу поговорить не столько об этом событии, сколько о том, почему даже появление первого автомобиля на топливных элементах, который можно купить, ничего не меняет для водородных автомобилей, и почему эта ветвь развития является абсолютно тупиковый. Илон Маск, CEO Tesla Motors, называет топливные элементы (fuel cells) "fool cells" (элементы одурачивания), аккумуляторные эксперты сходятся в том, что все в индустрии знают, что топливные элементы это ерунда, просто не все признают это, я же сосредоточусь на фактах.
Из-за падения цен на нефть стоимость галлона (3.76 литра) бензина в США упала
до $2, но даже во время дорогой нефти цена не поднималась выше $4.
1. Водород дорог.
Это просто факт. Сейчас рыночная цена на газ - $8.96 за эквивалент галлона бензина, 0.997 кг (данные за октябрь 2014 г.). Бак Toyota Mirai вмещает 5 кг водорода. Таким образом, одна заправка обошлась бы вам в $45 и её хватило на 480 км по методике тестирования EPA (данные ещё не проверены EPA, но вряд ли эта цифра окажется больше), что выливается в $9.38 за 100 км. Для сравнения, Toyota Prius проедет те же 100 км, потратив $2.76, а Tesla Model S - $2.99, если использовать ту же методику EPA и текущие средние американские цены.
К 2017 году Toyota планирует довести годовой выпуск Mirai до 2 100 штук.
Хотя существует множество оценок , предполагающих, что при больших объемах производства стоимость водорода снизится до $3 за кг (и приблизится к текущей цене на бензин), даже сама Toyota менее оптимистична в своих прогнозах: стоимость бака для Mirai снизится до $30 в будущем . Сейчас в США производится 7.31 миллионов кг ворода в день, в год около 2 600 миллионов килограмм. При среднегодовом пробеге около 21 500 км , его бы хватило для 12 миллионов автомобилей, то есть даже если бы водородных автомобилей в США продавали 10% от всех новых авто в течении 10 лет, производство лишь удвоилось, что не дало бы такого радикального снижения цены.
Предприятие по паровой конверсии природного газа в водород.
2. Производство водорода "грязнее" электрогенерации
Сейчас 95% водорода производится из углеводородов с помощью реакции паровой конверсии или частичного окисления. Остаётся от природного газа или углеводородов CO 2 , тот самый с которым все страны дружно борятся развитием альтернативной энергетики и альтернативных автомобилей. Если вспомнить, что в Европе и Азии, в отличие от США, нет своего природного газа, для того чтобы из него делать водород, то всё становится ещё печальней. Сейчас использование водорода ставит в прямую зависимость от цены на газ, что не сильно отличается от нефтяной зависимости, электричество же генерируется из десятка различных источников. Теоретически, водород можно получать электролизом, но сейчас такой газ для США будет в 3 раза дороже получаемого из метана. Более того, так как получение электричества не экологически чистый процесс, а конверсия электричества в водород, затем обратно из водорода в электричество в топливных элементах имеет низкий суммарный КПД, выбросы будут значительно выше, чем для электромобилей.
Реакция паровой конверсии метана: в качестве
побочного продукта выделяется пресловутый CO 2
Для получения одного килограмма водорода требует 52.5 кВтч на электролизере с 75% эффективностью . Таким образом, Toyota Mirai, используя водород, полученный с помощью электролиза будет тратить 54,69 кВтч на 100 км. Даже огромная, более чем 2-х тонная Model S потребляет 23.75 кВтч на 100 км, а Mirai заметно меньше и не может похвастаться разгоном до сотни за 4 секунды. Добавьте к этому транспортировку водорода, компрессию, строительство электролизеров, строительство водородных заправок и станет понятно, что даже теоретически это не путь по уменьшению вредных выбросов в атмосферу.
Водородная заправочная станция стоит $2 млн. и
способна заправить лишь 30 автомобилей за сутки.
3. Водородная инфраструктура очень дорога и не развита.
Одна водородная заправочная станция обходится в $2 миллиона . Калифорния уже потратила $100 миллионов на водородные заправочные станции. Высокую цену станции подтверждают и европейские источники, например только господдержка на одну станцию в Великобритании составляет £1 млн. Вы думаете, зато такая станция может обслужить сотни машин? Нет, станции рассчитаны на заправку максимум 30 автомобилей в день . С одной стороны больше и не надо, откуда там взяться хотя бы двум, но с другой стороны суперзарядка Tesla Motors на 6-12 стоек обходится компании в $100k - $150k, а более продвинутая версия с солнечными батареями на крыше и аккумуляторами на 500кВтч для сохранения солнечной энергии в "целых" $300k. Надо ли добавлять, что такая станция в действительности может обслужить больше сотни машин в день.
Всего за год без какой-то государственной помощи Tesla Motors сделала
возможными дальние поездки на Model S по Западной Европе.
Сейчас в США 13 водородных заправочных станций . В 2015 году планируют открыть ещё пару десятков. Я думаю, не ошибусь, если скажу, что эти планы следуют за водородными автомобилями на протяжении последних 10 лет. Правда, одна лишь компания Tesla Motors, используя часть прибыли от продажи своих электромобилей без государственных грантов, за один месяц, декабрь 2014 года открыла 54 своих суперзарядки, 12 из них в США, каждая на 6-8 зарядочных стоек. За год в Европе открыто более 120 суперзарядок, такое же количество водородных станций обошлось бы в четверть миллиарда долларов.
Водородный Hyundai Tucson стоит $144 400, и даже такая высокая
цена не означает, что он не субсидируется производителем.
4. Водородные автомобили дороги.
Хотя Toyota Mirai будет продаваться на американском рынке за $62 000, большинство экспертов сходится во мнении, что эта цена субсидирована производителем ( , ) Точных цифр от самой Тойоты нет, косвенно же это подтверждается высказыванием главы R&D компании о том, что автомобили на топливных элементах смогуть быть конкурентными по цене с электромобилями к 2030 году и стоимостью топливных элементов . Субсидирование производителем подтверждает и цена в $144 400 Hyundai Tucson на топливных элементах, продающийся в Южной Коррее. Но даже после такой большой субсидии со стороны производителя, покупатели не торопятся покупать автомобили на топливных ячейках.
Баки из углепластика со сжатым под давлением 680 атмосфер
водородом располагаются под днищем Toyota Mirai.
5. Нет ни одного преимущества водородных автомобилей перед электромобилями.
Большую часть недостатков я уже перечислил. Оставлю за бортом безопасность: хотя я бы побоялся ездить на двух баллонах с водородом под днищем, производитель утверждает, что это безопасно, так давайте поверим ему. Попробуем найти хоть какие-то преимущества автомобилей на водороде перед электромобилями. Запас хода? У Toyota Mirai - 480 км, у Tesla Model S - 424 км, Tesla Roadster после обновления в следующем году сможет проехать почти 640 км, все цифры по одной и той же методике тестирования EPA, "яблоки с яблоками", что называется. А есть же ещё и плагин-гибриды, которые дают симбиоз экономичности электромобилей с возможностью движения на обычном топливе на дальние расстояния. В общем, запас хода после появление Tesla уже не аргумент.
Tesla Model S P85D разгоняется от 0 до 100 км/ч за 3.3 секунды, в то время как
водородные автомобили довольствуются лишь динамикой самых слабых "дизелей".
Динамика? Разгон Toyota Mirai (от $62 000 в США) около 10 секунд до сотни, электромобиль BMW i3 (от $42 000 в США) набирает ту же скорость за шесть с половиной секунд , a Model S P85D разгоняется до сотни как McLaren F1. Остаётся единственное преимущество - скорость заправки за 3 минуты. Это могло бы быть козырем, если когда-нибудь водородных заправок стало как бензиновых. До этого момента преимущество у электромобилей - постоянная зарядка дома или на работе обеспечивает полностью заряженный автомобиль без необходимости куда-то специально заезжать. А быстрая зарядка даёт возможность полностью зарядиться за время обеда с семьёй при поездках на дальние расстояни. Если же спор идёт за абсолютные цифры, быстрая замена батареи позволяет через 1,5 минуты продолжить движение с "полным баком".
Honda тоже планирует выпустить автомобиль на топливных элементах
в конце 2015 года, правда пока он больше похож на концепт.
Резонно возникает вопрос: а зачем тогда это всё Toyota и другим компаниям. Тут надо уточнить, что кроме японского гиганта интерес к автомобилям на топливных элементах в разное время возникал лишь у Honda, Hyundai и немцев (Audi, VW, Mercedes, BMW). Остальные автомобильные производители были к ним равнодушны. В то же время и от этих компаний всё чаще слышится снижение интереса ( , BMW , Hyundai) к автомобилям на топливных ячейках. Итак,
Сомневаюсь, что недавно представленный
водородный концепт Mercedes F 015 вообще ездит.
Зачем автомобильные компании продолжают делать водородные автомобили?
а) Диверсификация
Разработка и создание рабочего прототипа может стоить всего $1 млн. Создание концепта для автосалона ещё проще - он не обязан ездить. Для компаний с десятками миллиардов долларов оборота - это просто капля в море. А вдруг стрельнет, а вдруг именно эта технология окажется перспективной через 5 лет.
б) Сотрудничество между компаниями
Honda и BMW активно сотрудничают с Toyota и было бы в каких-то случаях не этично и не дальновидно не поддерживать её.
Электрический Fiat 500e продаётся лишь в Калифорнии, США для соответствия
экологическому законодательству. В Европе об этой машине никто не слышал.
в) Соответствие экологическим требованиям
Экологические требования в развитых странах ужесточаются каждый год. Например, для Калифорнии несколько производителей выпускает электромобили только для того, чтобы соответствовать . Сейчас законодательство изменилось так, что выпустить один автомобиль на водородных топливных элементах стало выгоднее в 5 раз, чем электромобиль. Добавьте сюда поддержку установки заправочной инфраструктуры постоянными грантами и вы получите готовый рецепт существования автомобилей не нужных самим производителям.
За 15 лет все автомобили Toyota получили гибридные версии.
г) Маркетинг
15 лет назад Toyota создала уникальный для того времени автомобиль, гибрид Toyota Prius. Вначале его производство было даже убыточным для компании, но позже продажи увеличились, себестоимость снижалась, и сейчас слово гибрид и экономичность для всех ассоциируется, главным образом, с Toyota. Продажи гибридных автомобилей составляют приличную долю доходов компании и спустя 15 лет стали высокомаржинальными. И тут появляются электромобили и плагин-гибриды. В этом сегменте конкуренция быстро нарастает, хотя доля продаж ещё заметно меньше, чем у обычных гибридов. В то же время доля обычных гибридов начинает падать, а электромобили и плагин-гибриды растут каждый год. При этом у Toyota нет никаких серьёзных наработок в этом сегменте.
Что надо сделать? Правильно, нужно сделать "poker face", говорить, что всё это ерунда, и дальше продавать Prius-ы
Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп , а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как также не решает всех задач.
С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию.
По этой причине автопроизводители постоянно работают над тем, чтобы получить «безвредный» для окружающей среды и относительно дешевый в производстве силовой агрегат, который при этом не будет нуждаться в дорогом топливе.
Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.
Читайте в этой статье
История создания водородного двигателя
Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.
Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.
Во времена Второй мировой войны, когда возникли сложности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелищ, который был родом из Украины, заложил основы российской водородной энергетики. Он также предложил использовать смесь водорода и воздуха в качестве горючего для ДВС, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате появилось около полутысячи двигателей, работавших на водороде.
Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире. Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г. построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.
Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).
Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.
Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.
Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС
Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.
Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или , а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.
Прежде всего, горение водорода по сравнению с нефтяным топливом отличается тем, что водород сгорает намного быстрее. В обычном двигателе смесь бензина или солярки с воздухом заполняет камеру сгорания тогда, когда поршень почти поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка), затем топливо какое-то время горит и уже после этого газы давят на поршень.
На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.
Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.
Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.
Однако чтобы этого добиться, на автомобиле должна стоять установка для электролиза (электролизер), которая и будет отделять водород от воды, чтобы затем получить нужную реакцию с кислородом в камере сгорания. На практике установка получается сложной и дорогой, а создать такую закрытую систему довольно сложно.
Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в , чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.
По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.
Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.
Также даже небольшая утечка водорода может стать причиной того, что топливо попадет на разогретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или пожар. Чтобы этого не случилось, для работы на водороде чаще задействуют роторные двигатели. Такой тип ДВС больше подходит для этой задачи, так как их конструкция предполагает увеличенное расстояние между впускным и выпускным коллектором.
Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.
Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода на полном баке водорода составляет около 300 км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.
Двигатель на водородных топливных элементах
Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.
Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.
В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной). Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.
Такая реакция образует воду, при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.
Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.
Водородный двигатель: дальнейшие перспективы
Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания , другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, в плане экологии и производительности данный вариант также может в ближайшее время составить конкуренцию ДВС на бензине, газе или дизтопливе.
Водородные двигатели показали себя несколько лучше, чем самые продвинутые электрокары. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, остался такой недостаток, как способы и возможности заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправочных станций не особенно развита, причем в мировом масштабе.
Также не особенно большим является и сам выбор водородных легковых авто. Кроме Honda Clarity можно разве что упомянуть Mazda RX8 Hydrogen, а также BMW Hydrogen 7. Фактически это автомобили-гибриды, которые работают на жидком водороде и бензине. Еще можно добавить в список Mercedes GLC F-Cell. Эта модель имеет возможность подзарядки от бытовой сети электропитания и позволяет пройти до 500 км. на одном заряде.
Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, одного бака хватает на 600 км. Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.
Как видно, с двигателем на водороде активно экспериментируют многие производители, однако такое решение все равно имеет много недостатков. При этом некоторые минусы сильно мешают массовой популяризации.
Прежде всего, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород весьма горюч и взрывоопасен даже при относительно невысоких температурах. По этой причине его сложно хранить и перевозить. Получается, необходимо строить особые водородные резервуары для авто с данным типом двигателя. Как результат, на практике водородных заправок очень мало.
К этому также можно добавить определенную сложность и высокие расходы на ремонт и обслуживание водородного агрегата, а также необходимость в подготовке и обучении большого количества высококвалифицированного персонала. Если же говорить о самом авто на водороде и его эксплуатационных характеристиках, наличие водородной установки делает машину более тяжелой, закономерно ухудшается управляемость.
Подведем итоги
Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.
Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.
Что касается недостатков и сложностей, машина с водородным двигателем сегодня имеет высокую стоимость, а также могут возникать проблемы с заправкой топливом по причине недостаточного количества заправочных станций. Не стоит забывать и о том, что также не просто найти специалистов, которые способны качественно и профессионально обслужить водородную силовую установку. При этом обслуживание будет достаточно затратным.
Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.
Читайте также
Усовершенствание конструкции поршневого двигателя, отказ от КШМ: бесшатунный двигатель, а также двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.