Как работает двигатель на водороде 

                                В настоящее время ведутся разработки и внедрение нового топлива для избавления от нефтяной зависимости. Америка ставит для себя задачу, как работает двигатель на водороде, как  избавиться полностью от нефтяных продуктов за 10 или 15 лет.

            Европа тоже не намерена отставать, тем более им приходиться часто выполнять все жесткие нормы на выброс вредных веществ автомобильным транспортом. У них с 1993 года были введены такие нормы бензина, как «Евро-1», в 1996 году уже ввели «Евро-2», с 1999 года вводился стандарт «Евро-3», а уже с 2005 года был введен в Европе более жесткий стандарт «Евро-4».

             В недалеком будущем автомобилям будет запрещено выбрасывать вредные вещества в атмосферу, и тогда уж автомобилистам не обойтись без машины, у которой двигатель работает на водороде.

              Главное препятствие к внедрению в быт человека автомобиля на водородном двигателе – это отсутствие необходимой системы получения водорода в промышленных объемах, а также системы хранения, заправки и транспортировки.

             Постоянно возникает вопрос, как научить работать двигатель на водороде?

 

             По мнению только американских аналитиков и специалистов, такой двигатель, который работает на водороде создадут не раньше 2020 или 2030 году. Но на переходные периоды ведущие компании автомобилестроителей предлагают «гибридные автомобили»: в которых встроенный экономичный двигатель внутреннего сгорания может подзаряжать аккумуляторную батарею, питающую потом электрический двигатель.

 

Немного из истории о том, как учили работать  двигатель на водороде

               Двигатель внутреннего сгорания был создан в 1806 году французским изобретателем Франсуа Исааком де Риваз. Его двигатель работал на водороде, который ученый производил с помощью электролиза воды.

               В других экспериментальных двигателях обычно использовался светильный газ. Бензин же стали использовать в двигателях внутреннего сгорания только в 1870 году.

                В блокадном Ленинграде сам бензин был в недостатке, но водород имелся в огромных количествах. Борис Шелищ – военный техник, предложил тогда использовать имеющуюся водородную смесь для работы всех заградительных аэростатов.

                 Потом на водород были переведены многие двигатели лебёдок аэростатов. Даже на этом топливе смогло работать 600 автомобилей во время блокады в городе.

            

                               Автомобили с двигателями, работающих на водороде

 

                  В настоящее время автомобили, которые работают на водородном топливе, можно разделить на три группы.

                  Первая – это авто с самым обычным двигателем, который работает или на водородной смеси или на водороде. Такие типы машин могут работать как на чистом водороде или, к примеру, добавляют 10 % водорода к основному топливу.

                   В таких случаях КПД у двигателя увеличивается (во втором примерно на 20 %), а выхлоп будет намного чище (содержание углеводов и угарного газа) уменьшится почти в полтора раза, а оксидов азота уменьшится почти в пять раз. Такие автомобили и двигатели к ним были сделаны как за рубежом, так и у нас примерно в 80 годах.

                    Но учитывать следует затраты и многие конструкционные сложности, это является всего лишь промежуточным этапом на пути к третьему виду автомобилей.

                       Второй тип- это автомобили с двумя электроносителями, которые называются еще гибридными. Его колеса должны приводить в движение электропривод, к которому энергию доставляет аккумулятор, заряжающийся от высокоэкономичного двигателя.

                        Этот двигатель работает на смеси водорода с бензином или просто работающий на водороде. Такой двигатель, работающий на водородной основе, намного экономичней и выгоднее, ведь КПД у электродвигателя может достигать до 90 или 95 % в сравнении с бензиновым топливом (около 35%) или, например, с дизельным (50%), следовательно, общий КПД может повыситься на 30%, при этом сразу снижается весь расход топлива.

                           Даже для аккумулятора и его подзарядки необходим бензин, поэтому объем всех вредных выбросов укладывается в нормы «Евро-4» примерно с десятикратным запасом. Но получить полностью чистый выхлоп можно только третьим видом автомобилей с водородным двигателем.

                          Третий вид – это уже реальный водородный автомобиль. В нем встроен электродвигатель, который питается от основного топливного элемента, он расположен на борту автомобиля. В теории КПД этого элемента, который работает на особой смеси воздух – водород, может стать в 85 %.

                           Даже не сегодняшний день удалось создать двигатели с КПД, превышающие 75% - это уже вдвое выше, чем в самых лучших двигателях внутреннего сгорания. В городских условиях такие автомобили получают огромное преимущество перед автомобилями, работающими на бензине.

 

Двигатель, работающий на водороде. Водород в составе топлива.

 

                           На сегодняшний день производство дешевого водорода очень далеко от совершенства. Но многие крупные предприятия химической промышленности получают более 500 млрд. м3 водорода в год. Почти половина этого количества топлива идет на аммиачные удобрения, а также на такие нужды, как производство стали, маргарина и стекла. В основном получают водород путем парового рифоминга природного газа: например, метан при очень высоких температурах (около 900°С) в составе никелевого катализатора начинает реагировать с паром.

                            В настоящее время такой водород остается самым дешевым, но российские ученые нашли способ сделать дешевле производство в 2 раза.

Есть и многие другие способы получения водорода. К примеру, электролиз, крекинг или переработка любой биомассы (такие как древесина и солома). Но любой из приведенных вариантов имеют недостатки.

                              Самый простой способ получения водорода – это электролиз. Но для выработки водорода таким образом, следует затратить 4 кВт электроэнергии, чтобы выработать около 1 м3 водорода, который, после того как сгорит, даст лишь 1,8 кВт. Но электролиз все-таки эффективней и перспективней в настоящее время. Сейчас биологи разрабатывают новое направление в технологии выработки водорода.

                               Некоторые бактерии и водоросли во время процесса фотосинтеза могут разлагать воду и выделять водород. Но проблема состоит в том, что они делают это в отсутствии кислорода и за краткий период.

В общем, двигатель, работающий на водороде, уже готов, осталось только сделать дешевле сам водород.

                     

                                                Схема работы двигателя на водороде для                                                                     автомобиля обеспечивается следующим образом: 

 

                         поршень, двигаясь от верхней точки к нижней точке камеры, при этом открывает выпускной клапан.

            В этот момент камера сгорания сообщена с атмосферным давлением, поскольку имеющееся давление равно атмосферному давлению

             Нахождение поршня с самой нижней точке камеры, осуществляет герметизацию камеры сгорания.

             При этом закрывается выпускной клапан, а через топливные клапана подаваемая топливная смесь воспламеняется. В качестве топливной смеси применяется стехиометрическая смесь, имеющая и другое название, как гремучий газ.

               Сгорая, гремучий газ резко повышает рост давления в камере сгорания водородного двигателя. Силой этого давления происходит открытие установленных в головке цилиндра обратных клапанов, что позволяет произвести выброс в атмосферу сгоревших продуктов из камеры.

               В этот момент происходит резкое понижение давления в камере сгорания, что активизирует закрытие обратных клапанов, тем самым герметизируя камеру сгорания.

              Под силой атмосферного давления поршень, работающий со стороны под поршневой полости, совершая перемещение из нижней мертвой точки в верхнюю точку, тем самым завершает рабочий ход.

               Когда поршень достигает верхней точки, вновь происходит открытие выпускного клапана, что образовывает повторение описываемого рабочего цикла. Продукты сгорания, произведенные в камере сгорания, являют собой увлажненный воздух.

               Само получение гремучего газа для водородного двигателя автомобиля может производиться электролизом воды в электролизере, который устанавливается на любой модели автомобиля.

               Такова простейшая схема двигателя, которая и обеспечивает движение транспортного средства.

                Имеющийся в готовом виде водород может применяться в качестве топливной смеси в самом обычном двигателе внутреннего сгорания, при этом сгорание осуществляется в 1800 раз быстрее, а производительность, соответственно выше, чем у бензина или солярки.

                  Пары воды рекомендовано добавлять в двигатель к имеющемуся там водороду. Итогом такой совместной работы водорода, при высоких температурах и давлении, создающихся в двигателе, и вступлении в реакцию с углеродными отложениями, сгорающих в рабочих циклах ДВС, становится вид самой камеры сгорания, представшей сверкающей и отбеленной.

                   Происходит исчезновение нагара совместно со смазкой, появляясь в виде масляной плёнки на гильзах цилиндров. Что в значительно степени способствует отсутствию большого износа двигателя внутреннего сгорания.

                    Для обеспечения работы ДВС на водородной смести достаточно будет произвести небольшую модернизацию автомобиля в виде создания клапанов и выхлопной системы из нержавеющей стали.

                     Поршни должны быть с керамическим покрытием. Для тех, кто уже решился на подобную модернизацию, появление проблем с ржавчиной и смазкой не должны отпугивать. Поскольку все осуществляется в рабочем порядке, при своевременном проведении технического обслуживания автомобиля.

                    Хочется напомнить автомобилистам всех рангов и мастей, что первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водородной смеси, изобрел в 1806 году швейцарец Франсуа Исаак де Риваз, бывший в то время майором конструктором.

                      Водородная смесь производилась конструктором уже тогда, при помощи электролиза воды. В то время, как его коллеги для своих экспериментальных работ по созданию водородного ДВС, использовали, в основном, светильный газ.

                       Во время Великой отечественной воны, в период блокады Ленинграда, бензин являлся большим дефицитом, а водород имелся в больших количествах. Поэтому предложение техника Бориса Шелищ о применении воздушно-водородной смеси, для обеспечения работы заградительных аэростатов было сделано своевременно и как нельзя кстати. Тогда же и ДВС лебедок аэростатов были переоборудованы для использования в качестве топливной смеси только водорода. В этот же блокадный период более шестисот автомобилей были переоборудованы для применения водородной смеси.

                          Одним из основных показателей использования топлива является коэффициент полезного действия. И если эта цифра для современной модели автомобиля, работающей на бензиновой топливной смеси, составляет тридцать пять процентов, то коэффициент полезного действия ДВС при применении в качестве топливной смеси гремучего газа, то есть водорода, будет равняться уже сорока пяти процентам.

                           Канадская компания Ballard Power Systems, проводившая испытания своего автобуса, применяя водородные топливные элементы, достигла на сегодняшний день максимального улучшения этого вида показателей, получив КПД, который равен пятидесяти семи процентам.

                                       Преимущества и недостатки двигателя на водороде

 

               В настоящее время практически всеми автомобильными компаниями разрабатываются и испытываются способы использовать водород как альтернативное автомобильное топливо.

                  В результате исследований в этой области, рассматривают автомобильные двигатели на водороде двух видов: гранды автомобилестроения, такие как компании Ford Genral Motors, Toyota, Honda, Nissan склоняются к полной или частичной замене традиционного автомобильного топлива водородом при сохранении двигателей внутреннего сгорания; такие компании как Mazda и BMW предлагают использовать электродвигатель, питающийся энергией, которую вырабатывают водородные топливные элементы.

                   Что же так привлекает разработчиков? Рассмотрим преимущества и недостатки двигателей автомобилей на водороде.

                                             Преимущества двигателя на водороде.

                    Основным преимуществом, которым обладают  автомобили с двигателями на водороде, является высокая экологичность. Водород можно назвать самым экологически чистым топливом, продуктом горения которого является вода, что видно из нижеприведенной реакции: 2Н₂+О₂=2Н₂О.

                     Конечно, это не означает, что при езде на автомобиле с двигателем на водороде из его выхлопной трубы, прямо как из носика чайника, валит абсолютно нетоксичный водяной пар. Не стоит забывать, что в двигателе, помимо топлива, сгорает ещё и масло в не  значительных количествах.

                     Возможно, ученые в будущем доработают это. Возможно, при горении масла будут выделяться продукты, не портящие воды. Тогда воду можно будет собрать прямо из двигателя и вновь использовать для получения водорода путем электролиза.

                 

                      Кроме того, преимущества тесно связаны и с типом двигателя машин. Так, при традиционном двигателе внутреннего сгорания снижается масса автомобилей, и увеличивается полезный объем багажных отделений, несмотря на то, что необходимо устанавливать топливные баки для водородного топлива.  

                       Двигатели внутреннего сгорания позволяют использовать не только водород, но и традиционные виды топлива, конечно, для этого надо будет иметь два топливных бака, но такую технологию ввести в массы потребителей значительно легче.

                        Что же касается электродвигателя, то его работа обеспечивается электроэнергией, вырабатываемой в результате физико-химических реакций в топливном элементе. Коэффициент полезного действия электродвигателя, а так же приемистость, мощность на единицу массы и другие показатели значительно выше, чем у традиционного двигателя внутреннего сгорания.

                          Электродвигатель более прост в обслуживании, здесь имеется намного меньше трущихся деталей, а без дорогостоящих элементов для систем питания, смазки, охлаждения, сложной трансмиссии вполне можно обойтись.

                          Так же к преимуществу электродвигателя можно отнести создание меньшего уровня шума при работе.

                                            Недостатки двигателя на водороде

                Недостатки автомобилей с двигателями на водороде так же тесно связаны с типом двигателя. Так, для обеспечения нормальной работы электродвигателя необходимы не только водородные элементы, но и мощные аккумуляторы и преобразователи тока, вес и габариты которых далеко не маленькие.   В результате увеличивается вес автомобиля.

                

                          А, кроме того водородные топливные элементы в настоящее время недешевы. При использовании водородных элементов в автомобилях с традиционным двигателем внутреннего сгорания велика взрыво- и пожароопасность.

                           Кроме того, вопрос о баках для водорода окончательно не решен: на сегодняшний день инженерами предлагаются металл-гидридные аккумуляторы, а так же баки для хранения под высоким давлением ил в сжиженном виде.

                           К преимуществам и недостаткам автомобилей с двигателями  на водороде можно относиться по-разному. Но одно несомненно: исследования в данной области будут продолжаться.

                 

                                                                ГИДРОДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

 

                          Тезис "водород - топливо будущего", "автомобили с двигателями на водороде” - звучит всё чаще.

                           По прогнозам многих специалистов, к 2050 году треть производимой энергии должна быть покрыта водородом как источником топлива.

                            Водород по всем параметрам является идеальным топливом с учетом его неограниченных запасов, если в качестве сырья рассматривать воду.   

                       Основные проблемы двигателей на водороде это:                              

          -разработка экономичной производительной аппаратуры  получения водорода для работы двигателей на водороде;

           -способы хранения; -транспортировка с небольшими потерями.

 

            ГДВС в этом смысле есть идеальный двигатель по всем параметрам:

- экологически совершенно чистый, так как, для его работы не требуется кислорода из атмосферы и нет выхлопа;

- КПД 80-85% - это максимально возможный кпд для теплосиловых машин;

- ГДВС по сути искусственный источник неисчерпаемой энергии.

                  Водородный транспорт — это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания так и с водородными топливными элементами