FB Pixel
Корзина Addinol Кошик
UA RU Спробуй українською!

Водневий двигун: принцип роботи та конструкція

04.05.2022

Реклама наших партнерів

Як відомо, поршневий двигун внутрішнього згоряння має як плюси, так і низку певних недоліків. Насамперед глобальною проблемою є токсичний вихлоп бензинових та дизельних ДВЗ, а також постійна потреба в нафтовому паливі. Не сильно змінюється ситуація і після переведення автомобіля на газ, оскільки встановлення ГБО також не вирішує всіх завдань.

З урахуванням цих особливостей постійно ведуться розробки альтернативних варіантів. Сьогодні реальним конкурентом ДВЗ є електродвигун. При цьому відносно невеликий запас ходу, висока вартість акумуляторних батарей та всього електрокара (електромобіля) загалом, а також відсутність розвиненої інфраструктури з ремонту та обслуговування таких машин, закономірно гальмує їх популяризацію.

З цієї причини автовиробники постійно працюють над тим, щоб отримати «нешкідливий» для навколишнього середовища і відносно дешевий у виробництві силовий агрегат, який не потребуватиме дорогого палива.

Серед подібних двигунів слід окремо виділити водневий ДВЗ, який цілком може замінити існуючий на сьогодні дизельний або бензиновий мотор, причому в найближчому майбутньому. Давайте розглянемо, як працює водневий двигун, яку конструкцію має подібний двигун і в чому полягають його особливості.

 

Історія створення водневого двигуна

Почнемо з того, що ідеї побудувати водневий мотор з'явилися ще в 1806 р. Основоположником став Франсуа Ісаак де Ріваз, який отримував водень із води методом електролізу. Як видно, двигун на водні «народився» задовго до того, як було порушено низку питань щодо навколишнього середовища та токсичності вихлопу.

Іншими словами, спроби запустити ДВЗ на водні були зроблені не для захисту навколишнього середовища, а з метою банального використання водню як паливо. Через кілька десятків років (1841 р.) був виданий перший патент на такий двигун, у 1852 р. у Німеччині з'явився агрегат, який успішно працював на суміші повітря та водню.

За часів Другої світової війни, коли виникли складнощі з постачанням нафтового палива, технік із СРСР Борис Ісаакович Шеліщ, який був родом із України, заклав основи російської водневої енергетики. Він також запропонував використовувати суміш водню та повітря як паливо для ДВЗ, після чого його ідеї швидко знайшли практичне застосування. В результаті з'явилося близько півтисячі двигунів, що працювали на водні.

Однак після закінчення війни подальший розвиток водневого двигуна було припинено як у СРСР, так і в усьому світі. Потім про цей двигун згадали лише тоді, коли в 70-ті роки XX століття трапилася паливна криза. В результаті компанія BMW в 1979 р. побудувала автомобіль, двигун якого використовував водень як основне паливо. Агрегат працював відносно стабільно, не було вибухів та викидів водяної пари.

Інші автовиробники також розпочали роботи в цій галузі, внаслідок чого до кінця XX століття з'явилося не тільки багато прототипів, але й успішно діючих зразків двигунів на водневому паливі (бензиновий та дизельний двигун на водні).

Проте після того, як паливна криза закінчилася, роботи над водневими ДВЗ також було згорнуто. Сьогодні інтерес до альтернативних джерел енергії знову зростає, тепер уже через серйозні екологічні проблеми, а також з урахуванням того, що запаси нафти на планеті швидко скорочуються і на нафтопродукти закономірно зростають ціни.

Також уряди багатьох країн прагнуть стати енергонезалежними, а водень є цілком доступною альтернативою. Сьогодні над водневими ДВЗ ведуть роботи GM, BMW, Honda, корпорація Ford і т.д.

 

Робота двигуна на водні: особливості водневого ДВЗ

Почнемо з того, що двигун внутрішнього згоряння на водні за своєю конструкцією не сильно відрізняється від звичайного ДВЗ. Все ті ж циліндри і поршні, камера згоряння і складний кривошипно-шатунний механізм для перетворення поступального руху в корисну роботу.

Єдине, в циліндрах згоряє не бензин, газ чи солярка, а суміш повітря та водню. Також потрібно враховувати і те, що спосіб подачі водневого палива, сумішоутворення та займання також дещо інше у порівнянні з аналогічними процесами у традиційних аналогах.

Насамперед, горіння водню в порівнянні з нафтовим паливом відрізняється тим, що водень згоряє набагато швидше. У звичайному двигуні суміш бензину або солярки з повітрям заповнює камеру згоряння тоді, коли поршень майже піднявся у ВМТ (верхня мертва точка), потім паливо якийсь час горить і вже після цього гази тиснуть на поршень.

На водні реакція протікає швидше, що дозволяє зрушити наповнення циліндра на момент, коли поршень починає рух у НМТ (нижня мертва точка). Також після протікання реакції результатом стає звичайна вода замість токсичних вихлопних газів. Як видно, на перший погляд стандартний двигун відносно легко підлаштувати під водневе паливо шляхом доробок впуску, випуску та системи живлення, проте це не так.

Перша проблема у тому, як отримувати необхідний водень. Як відомо, водень знаходиться у складі води і є поширеним елементом, проте у чистому вигляді практично не зустрічається. Тому для максимальної автономності на транспортний засіб потрібно окремо ставити водневі установки, щоб «розщеплювати» воду, дозволяючи мотору живитися необхідним паливом.

Ідея видається привабливою. Більш того, можна навіть обійтися без зовнішнього повітря на впуску та створити закриту паливну систему. Іншими словами, після кожного разу, коли в камері згорить заряд, в циліндрі залишатиметься водяна пара. Якщо цю пару пропустити через радіатор, відбудеться конденсація, тобто знову утворюється вода, з якої можна отримати водень.

Однак, щоб цього добитися, на автомобілі повинна стояти установка для електролізу (електролізер), яка і відділятиме водень від води, щоб потім отримати потрібну реакцію з киснем в камері згоряння. На практиці установка виходить складною та дорогою, а створити таку закриту систему досить складно.

Справа в тому, що будь-який двигун внутрішнього згоряння незалежно від типу палива все одно потребує системи змащення, щоб захистити навантажені вузли і пари, що труться. Якщо просто, без моторного масла не обійтися. При цьому масло частково потрапляє в камеру згоряння, а потім у вихлоп. Це означає, що повністю ізолювати паливну систему на водні (не використовувати зовнішнє повітря) практично нереалізоване завдання.

Тому сучасні водневі двигуни внутрішнього згоряння більше нагадують газові двигуни, тобто агрегати на газі пропані. Щоб використати водень замість пропану, достатньо змінити налаштування такого ДВЗ. Щоправда, ККД на водні дещо знижується. Однак водню потрібно менше, щоб отримати необхідну віддачу від мотора. При цьому жодних установок для автономного одержання водню не передбачається.

Щодо спроби подати водень у звичайний бензиновий або дизельний двигун, автоматично виникають ризики та складності. Насамперед, високі температури та ступінь стиснення можуть призвести до того, що водень вступатиме в реакцію з нагрітими елементами ДВЗ та моторним маслом.

Також навіть невеликий витік водню може спричинити те, що паливо потрапить на розігрітий випускний колектор, після чого може статися вибух або пожежа. Щоб цього не сталося, для роботи на водні найчастіше залучають роторні двигуни. Такий тип ДВЗ більше підходить для цього завдання, тому що їх конструкція передбачає збільшену відстань між впускним та випускним колектором.

Так чи інакше, навіть з урахуванням усіх складнощів, низку проблем вдається обійти не тільки на роторних, а й навіть на поршневих моторах, що дозволяє водню вважатися досить перспективною альтернативою бензину, газу або солярці. Наприклад, експериментальна версія моделі BMW 750hL, яку представили у 2000 році, має водневий двигун на 12 циліндрів. Агрегат успішно працює на такому пальному і здатний розігнати автомобіль до швидкості близько 140 км/год.

Правда, жодних окремих установок для отримання водню з води на машині немає. Натомість стоїть особливий бак, який просто заправлений воднем. Запас ходу на повному баку водню становить близько 300 км. Після того, як водень закінчиться, двигун автоматично починає працювати на бензині.

 

Двигун на водневих паливних елементах

Зверніть увагу, під водневими двигунами маються на увазі як агрегати, що працюють на водні (водневий ДВЗ), так і двигуни, які використовують водневі паливні елементи. Перший тип ми вже розглянули вище, тепер зупинимося на другому варіанті.

Паливний елемент на водні фактично є «батарейкою». Іншими словами, це водневий акумулятор із високим ККД близько 50%. Пристрій будується на фізико-хімічних процесах, корпус такого паливного елемента є особливою мембраною, що проводить протони. Ця мембрана розділяє дві камери, в одній із яких стоїть анод, а в іншій катод.

У камеру, де розташований анод, надходить водень, а в камеру з катодом потрапляє кисень. Електроди додатково покриті дорогими рідкісноземельними металами (часто платиною). Це дозволяє грати роль каталізатора, який впливає на молекули водню. В результаті водень втрачає електрони. Одночасно протони йдуть через мембрану на катод, причому каталізатор також впливає і на них. У підсумку відбувається з'єднання протонів з електронами, які надходять зовні.

Така реакція утворює воду, причому електрони з камери з анодом надходять в електричний ланцюг. Вказаний ланцюг підключений до двигуна. Простими словами, утворюється електрика, що змушує двигун працювати від такого водневого паливного елемента.

Подібні водневі двигуни дають змогу пройти не менше 200 км. на одному заряді. Основним мінусом є висока вартість паливних елементів через використання платини, паладію та інших дорогих металів. В результаті, кінцева вартість транспорту з таким двигуном сильно зростає.

 

Водневий двигун: подальші перспективи

Сьогодні над створенням екологічних двигунів працюють багато компаній. Деякі йдуть шляхом створення двигунів-гібридів, інші роблять ставку на електромобілі і т.д. Що стосується водневих установок, у плані екології та продуктивності цей варіант також може найближчим часом скласти конкуренцію ДВЗ на бензині, газі або дизпаливі.

Водневі двигуни показали себе трохи краще, ніж просунуті електрокари. Наприклад, японська модель Honda Clarity. Єдине, залишився такий недолік, як способи та можливості заправки. Справа в тому, що інфраструктура водневих заправних станцій не дуже розвинена, причому у світовому масштабі.

Також не особливо великий і сам вибір водневих легкових авто. Крім Honda Clarity можна хіба що згадати Mazda RX8 Hydrogen, а також BMW Hydrogen 7. Фактично це автомобілі-гібриди, які працюють на рідкому водні та бензині. Також можна додати до списку Mercedes GLC F-Cell. Ця модель має можливість підзарядки від побутової мережі електроживлення та дозволяє пройти до 500 км. на одному заряді.

Додатково слід зазначити модель Toyota Mirai. Автомобіль працює лише на водні, одного бака вистачає на 600 км. Водневі двигуни зустрічаються на вітчизняній моделі «Нива», а також встановлюються корейцями на спеціальну версію позашляховика Hyundai Tucson.

Як видно, з двигуном на водні активно експериментують багато виробників, однак таке рішення все одно має багато недоліків. У цьому деякі мінуси сильно заважають масовій популяризації.

Насамперед, це безпека та складність транспортування такого палива. Важливо розуміти, що водень дуже горючий і вибухонебезпечний навіть за відносно невисоких температур. З цієї причини його складно зберігати та перевозити. Виходить, потрібно будувати спеціальні водневі резервуари для автомобіля з цим типом двигуна. Як наслідок, на практиці водневих заправок дуже мало.

До цього також можна додати певну складність та високі витрати на ремонт та обслуговування водневого агрегату, а також необхідність у підготовці та навчанні великої кількості висококваліфікованого персоналу. Якщо ж говорити про сам автомобіль на водні та його експлуатаційні характеристики, наявність водневої установки робить машину більш важкою, закономірно погіршується керованість.

 

Підведемо підсумки

Як видно, сьогодні водневі автомобілі та двигун на воді можна вважати цілком реальною альтернативою не лише звичним ДВЗ, які використовують нафтове паливо, а й електрокарам.

Насамперед такі установки менш токсичні, при цьому вони не потребують дорогого палива на основі нафти. Також автомобілі із водневим двигуном мають прийнятний запас ходу. У продажу є гібридні моделі, що використовують як водень, так і бензин.

Що стосується недоліків та складнощів, машина з водневим двигуном сьогодні має високу вартість, а також можуть виникати проблеми із заправкою паливом через недостатню кількість заправних станцій. Не варто забувати і про те, що також не просто знайти фахівців, які здатні якісно та професійно обслужити водневу силову установку. У цьому обслуговування буде досить затратним.

Насамкінець зазначимо, що активне будівництво трубопроводів для перекачування газу метану обіцяє в подальшій перспективі можливість перекачування цими ж трубопроводами та водню. Це означає, що у разі зростання загальної кількості авто з водневими двигунами, також висока ймовірність швидкого збільшення кількості спеціалізованих заправних станцій.

Реклама наших партнеров

Акційні товари

Коментарі

Поки немає коментарів

Написати коментар



×

Ми в соцмережах

Акції та пропозиції

Ми в Instagram

Підписуйтесь і стежте за новинами, акціями і івентами в нашому пабліку.Підписатися!