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.
Авто компании разрабатывают новые виды двигателей для автомобилей будущего. Кто-то ставит ставку на электромоторы, а кто-то разрабатывает водородные двигатели. Рассмотрим водородный двигатель и его преимущества.
Как работает?
Автомобиль на водородном топливе имеет так называемый топливный элемент или по-научному - электрохимический генератор. Это своего рода “вечная” батарейка, внутри которой идет реакция окисления водорода и на выходе получается чистый водяной пар, азот и электричество. Т.е. выхлоп такого водородного автомобиля экологический чистый, в нем содержание углекислого газа CO2 равняется нулю.
Автомобиль с топливными элементами, по сути электромобиль. Только с более компактной батареей: ёмкость литий-ионного аккумулятора в 10 раз меньше, чем обычного электромобиля. Здесь батарея нужна только в качестве буфера для хранения энергии, получаемой при рекуперативном торможении и для быстрого холодного старта.
Дело в том, что главный источник энергии - блок топливных элементов - выходит на рабочий режим не сразу. На первых прототипах водородных машин для этого требовалось около полутора часов. На современных - не более 2 минут, чтобы начать превращение водорода и воздуха в водяной пар, азот и электроэнергию. Но на прогрев до рабочей температуры, когда КПД установки достигает 90% уходит от 15 минут до часа в зависимости от окружающей температуры.
В баллонах хранится 5 кг водорода, обеспечивающие запас хода до 500 км. Полная заправка баллонов займет три минуты.
Главные недостатки
Главный недостаток - высокая себестоимость. Помимо электрохимического генератора, который при массовом производстве может стоить дешевле батарей для электромобилей, нужны еще прочные и легкие баки. Для этого используют дорогой углепластик.
Следующий серьезный недостаток - энергетическая эффективность. Если использовать водород как только как промежуточное звено в цепочке доставки энергии от электростанции к колесам автомобиля, то КПД составит не более 30% с учетом потерь на перекачку и охлаждение водорода перед заправкой. В отличие от 70-80% у электромобилей.
Если получать водород из попутного нефтяного газа, то КПД становится несравнимо выше - до 70%. Правда, ценой выбросов углекислого газа.
Если сейчас производить автомобили с водородными двигатели, то где взять заправки? В Европе количество водородных заправок можно пересчитать по пальцам, у нас их вовсе нет. Инженеры для таких случаев изобрели бивалентный двигатель, который может одновременно работать как на водородном топливе, так и на бензине. Теперь владелец данного автомобиля не будет зависеть от наличия на заправке водородного топлива.
Вот глядишь, лет через пять-десять, когда количество водородных заправок в Европе возрастет, тогда водородомобили получат жизнь. Пока реалии сегодняшнего дня не радужны. Взять хотя бы стоимость машины на чисто водородных элементах - она превышает стоимость обычного автомобиля почти в два раза. И на 20 процентов дороге гибридных версий.
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.
Автомобиль Toyota Mirai - водородная альтернатива завоевывающих рынок электрокаров - успешно завершил последний «секретный» этап дорожных испытаний. Буквально на днях представители компании заявили, что готовы запустить автомобиль в производство.
Благодаря усилиям японских производителей авто, уже в обозримом будущем водородные автомобили могут стать привычным явлением на дорогах в самых разных странах. Так, гибридный автомобиль на водородном двигателе Toyota Mirai уже сегодня готов к выходу на мировой рынок.
Впервые, еще концептуальная модель, Toyota Mirai была представлена в 2013 году на Токийском автосалоне. Позже машина демонстрировалась публике в доработанном виде в 2014 и 2015 годах. Ожидалось, что авто выйдет на дороги до конца 2015 года, однако в последствии дата была перенесена на 2016. При этом предварительные продажи авто начались еще в 2014 году в Японии. Стоит одна Toyota Mirai порядка 57 тысяч американских долларов. В США и странах Европы Toyota Mirai будет продаваться уже после официального релиза.
Водородный автомобиль имеет кузов седана на четыре места. Длина кузова – 4 870 мм, ширина – 1 810 мм, высота – 1 535 мм. Используемая модель - ZBA-JPD10-CEDSS. Машина использует только передний привод. Радиус поворота – 5.7 метров, а размер шин 215/55. Базовая комплекция использует легкосплавные диски R17. Дорожный просвет – 130 мм. На сегодняшний день это все, что официально известно о технической составляющей Toyota Mirai.
Были анонсированы и параметры силовой установки авто. Ездить автомобиль будет благодаря FCA110, которая будет питаться от топливных элементов класса FC stack. Двигатель производит электроэнергию за счет протекающей в нем химической реакции водорода и кислорода. Максимальный КПД составляет 83%, для сравнения 1.3-литровый бензиновый двигатель дает всего 38%. Максимальная мощность электродвигателя при этом составит 153 л.с.
Никаких вредных выбросов Toyota Mirai не создает, выходит из двигателя машины только энергия в чистом виде и вода. За 4 км, машина выбросит в атмосферу 240 миллилитров воды.
Куда важнее и интереснее то, что 10 февраля 2016 года закончились последние 107-дневные испытания Toyota Mirai. Машина проехала по дорогам Японии, США, Германии и многих других стран. В общей сложности машин, а прошла 100 тысяч километров. За это время автомобиль сменил два раза свои шины и один раз колодки. Топливные элементы водородного авто показали себя с лучшей стороны.
Стоит отметить, что бренд Toyota вошёл в .
03.02.2016
Ресурсы нашей планеты не бесконечны, в том числе и запасы «черного золота» (нефти). Несмотря на снижение мировых цен и наличие определенных запасов, осознание важности альтернатив не покидает головы многих умов человечества. Пройдут годы, и мир столкнется с нехваткой энергоресурсов.
Но будущий дефицит нефти - не единственная причина поиска новых вариантов. Люди начали думать о будущем нашей планеты и сохранении окружающей среды. На этом фоне и начались разработки водородных двигателей - устройств, способных работать на неисчерпаемом, доступном и безопасном топливе.
Суть проблемы
Одна из главных проблем - конечно, выбросы в атмосферу. В 2015 году источники около трети всех выбросов CO2 - транспортные средства (в первую очередь автомобили). По результатам исследований к 2050 году выбросы углекислого газа будут только расти (вместе с увеличением автопарка).
Кроме CO2, есть и еще одна проблема - окиси азота, которые негативным образом сказываются на здоровье и приводят к различным проблемам с дыхательной системой людей. Ученым уже удалось доказать, что одной из причин астмы является именно окись азота.
Немаловажная проблема - рост цен на энергоносители. Как показала практика, повышение или снижение цены на нефть не сильно сказывается на стоимости топлива. Бензин (солярка) есть и будут дорогими. Цена если и будет падать, то лишь в незначительной степени. На данном фоне необходим поиск альтернативы, способной подарить независимость в энергетической сфере.
История
Почти половина добываемой в мире нефти идет на производства топлива для машин. Водород в качестве замены классическому «черному золоту» рассматривается уже давно. Причина проста - запасов данного вещества на планете достаточно, чтобы тысячелетиями «кормить планету». Кроме этого, водород несложно выделить из воды, поэтому с поиском ресурсов проблем нет. Единственная сложность - перевозка и хранение, но и данные вопросы уже решаются.
Первая установка, работающая на водороде, появилась в 1841 году (речь идет о запатентованной версии). Уже через 11 лет в Германии удалось построить ДВС, который мог работать на смеси двух элементов - водорода и воздуха. На известном миру дирижабле Гиндебург стоял мотор, работающий на светильном газе (в его составе было половина водорода). Но после трагедии с дирижаблем в 1937 году и гибели 37 человек интерес к водороду, как топливу, временно был утерян.
Но уже в 70-х годах 19 века разработчики снова вернулись к созданию водородного двигателя. На современном этапе важность усовершенствования и активного внедрения таких технологий обсуждается на самом высоком уровне. Популярность обусловлена и ростом цен на нефтепродукты, что заставляет многие страны искать реальные и доступные альтернативы.
Идею создания водородного двигателя не только подхватили, но и внедрили в жизнь такие популярные производители, как Хонда Моторз, Дженерал Моторз, Форд, БМВ и прочие.
Виды водородных авто
Если рассматривать существующие водородные авто, то среди них можно выделить три основные группы:
- Транспортные средства с обычным мотором, способным работать на водороде или водородном составе. Данные типы авто универсальны, то есть способны ездить на чистом водороде или посредством применения водорода в качестве добавки к топливу. Особенность таких автомобилей - высокий уровень КПД (в случае смешивания с топливом почти на 15-20%). Второй позитивный момент - очищение выхлопа. В частности, снижение угарного газа и углеводов уменьшается почти на 50%, а оксидов азота - на 500%. Такие авто производятся как за границей, так и в странах СНГ. При этом первые транспортные средства появились приблизительно в 80-е годы прошлого века.
- Машины с электрическим питанием. Такие транспортные средства называют «гибридами». Их особенность - приведение колес в движение с помощью электрического привода, питаемого АКБ. Особенность гибридного мотора - способность работать как на обычном водороде (чистой смеси), так и на смеси с классическим топливом. Первый вариант является более выгодным с позиции затрат и экономически обоснованным. Общий КПД у авто с электродвигателем может достигать 95%. В сравнении с ДВС и их 30-35% столь высокий параметр действительно поражает. Таким образом, переход на водород может повысить полезное действие мотора почти в три раза. Но и здесь не все идеально. Даже для АКБ и его заряда требуется топливо, поэтому вредные выхлопы все равно будут присутствовать. Чтобы убрать вредные пары полностью, был создан рассмотренный ниже тип водородного двигателя.
- Водородный автомобиль, в котором установлен электрический двигатель, работающий от основного топлива. По теории такой узел способен работать от смеси водорода и воздуха. КПД устройства может достигать 85%. Но это в теории. На практике удалось добиться лишь 75%. В условиях городского цикла такое транспортное средство получает массу преимуществ перед обычными авто (в первую очередь, по отношению затрат на топливо).
Как это работает?
Схема работы авто на водороде выглядит следующим образом:
- поршень перемещается сверху вниз, открывая при этом клапан выпуска;
- давление в камере сгорания становится равным атмосферному;
- при достижении поршнем нижней точки происходит герметизация камеры;
- клапан выпуска закрывается, а через клапаны подачи топлива осуществляется впрыск топливной смеси (гремучего газа);
- в процессе сгорания смеси давления в камере возрастает; этой силы достаточно, чтобы открыть установленные в ГБЦ обратные клапана и осуществить выброс продуктов горения;
- давление снижается, что приводит к закрытию обратных клапанов и герметизации камеры сгорания;
- действие созданного давления способствует перемещению поршня и его возврату в первоначальную точку;
- как только поршень становится в верхней позиции, снова открываются клапана впуска и так далее.
Как следствие, принцип действия водородного мотора ничем не отличается от обычного ДВС. Разница лишь в применяемом топливе.
Что касается получения необходимого газа, то это может происходить несколькими путями. Один из них - посредством электролиза воды.
Описанная выше схема является простейшей, но она работает. При этом водород можно использовать и в обычном ДВС. Преимущество такой подмены - быстрое сгорание топлива и рост общей производительности автомобиля.
Пары жидкости рекомендуется добавлять в силовой узел уже к имеющемуся водородному топливу. После работы на водороде двигатель реально очищается от нагара и разных «напылений». Но есть и отрицательная сторона. Вместе с нагаром водород смывает и имеющуюся масляную пленку. Как следствие, может снизиться ресурс силового узла.
Чтобы перевести обычный двигатель на водородное топливо, стоит произвести переделку в машине выхлопной и клапанной системы. Кроме этого, необходимо заменить поршни, которые должны иметь керамическое покрытие. Если же сделать подобные переделки, то проблем со смазкой или ржавчиной точно не будет.
Преимущества и недостатки
Можно долго обсуждать все перспективы водородных двигателей, но первое, с чего всегда нужно начинать - изучение плюсов и минусов конструкции.
К плюсам водородных моторов можно отнести:
- Высокий уровень экологичности - одно из главных преимуществ, которое до сих пор является главной движущей силой данного нововведения. Сам водород является по-настоящему экологичным видом топлива. В результате его сгорания возникает только вода. Это несложно увидеть на примере простой химической формулы - 2Н2+О2=2Н2О. Многие посчитают, что при езде на водородном авто из выхлопной трубы будет выливаться обычная вода (пар). Это не совсем так. Нельзя забывать, что в двигателе есть еще масло или антифриз, которые могут попасть в камеру сгорания, а далее - в выхлоп автомобиля. Но для ученых это не проблема - они уже работают над устранением недостатка. Возможно, в скором будущем горение масла не будет приводить к ухудшению качества выбросов, а появившуюся в результате горения воду можно было бы собрать посредством электролиза;
- Есть возможность использовать сразу два вида топлива - бензин и водород. Единственное, что для этого необходимо - устанавливать две отдельные емкости. При желании можно выбрать тот вид топлива, который наиболее актуален в конкретный момент времени;
- Высокий коэффициент полезного действия, который на 200% выше, чем у обычного ДВС и на 150% больше, чем у дизеля;
- Более низкий уровень шума во время работы;
- Специалисты сходятся во мнении, что уже через 30-40 лет водород полностью покроет все потребности в топливе;
- Водород по всем показателям - идеальная смесь для применения в виде топлива. Он имеет неограниченные объемы, если в виде сырья рассматривать обычную воду.
Минусы водородного двигателя:
- Для обеспечения должной работы водородного мотора нужны мощные аккумуляторы, общая масса которых может быть весьма серьезной. Как результат, общий вес транспортного средства становится больше;
- Топливные элементы на водороде отличаются высокой ценой, что делает дороже и сам транспорт. Применение водородных элементов неизбежно приводит к повышению пожаро- и взрывоопасности;