Водородные двигатели внутреннего сгорания

ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДНЫХ УСТРОЙСТВ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ

Автомобильный транспорт

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

Первая – это автомобили 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.

Вторая - 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.

Третья – 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.

Гиганты автомобильной индустрии очень быстро отреагировали на перспективы трансформации энергоносителей. Попытки разработки «водородного» транспортного средства увенчались успехом еще в прошлом веке, а первом десятилетии века нынешнего появились уже серийные образцы «водородных» автомобилей. По оценкам немецких футурологов из группы к середине 21 века доля привычных, бензиновых двигателей не превысит одной четверти, остальные агрегаты будут потреблять альтернативное топливо.

На сегодняшний день мировые автопроизводители могут предложить заинтересованным покупателям и «водородную» и «гибридную» (традиционный бензин плюс водород) схему силового агрегата. Лидирующие позиции в этом сегменте рынка занимают концерны Daimler, Honda, и симбиоз китайского Shanghai и немецкого VW. Именно эти производители предлагают автолюбителям готовые решения: BMW Hydrogen 7, Honda FCX, Mercedes F-Cell. Рассмотрим эти и другие решения подробнее.

Honda FCX – полноценный «водородный» автомобиль, развивающий скорость до 160 км/час и способный проехать более 500 километров на одной заправке. Емкость бака Honda FCX – более 5 килограмм сжиженного водорода. На сегодня обладателями этого технического чуда являются 200 счастливчиков, а готовность приобрести такой автомобиль выразили около 50 тысяч автолюбителей.

Силовыми агрегатами Honda FCX являются 3 электродвигателя, один вращает вал передней колесной пары, два других вмонтированы в задние колеса. Мощность «переднего» двигателя – 80 кВт. Мощность «задних» агрегатов – по 25 кВт каждый. Двигатели Honda FCX не испытывают проблем с пуском даже при чрезвычайно низких температурах (-30 по Цельсию).

Проект Honda FCX относится к комплексным решениям. Кроме транспортного средства компания Honda продает бытовую установку по добыче водородного топлива - Home Energy Station, вырабатывающую водород методом электролиза. Причем под водородное топливо расходуется только часть выработанного газа, оставшийся объем тратится на производство электроэнергии и обогрев жилища. В сутки Home Energy Station производит около 50 «кубов» альтернативного топлива.

Mercedes F-Cell является автомобилем из серии «B-class», оснащенным особым агрегатом, который разрабатывался в рамках проекта HYGENIUS. На сегодняшний день проект F-Cell проходит традиционные тесты, аналогичные испытаниям в полевых условиях «бензиновых» моделей. Инженеры концерна Mercedes заявили о решении проблемы «холодного пуска» двигателя и возможном завершении работ по оптимизации функционирования управления электродвигателем в скоростном режиме.

Mercedes F-Cell образца 2010 года оснащен электродвигателем F 600, мощность которого увеличилась до 115 лошадиных сил, а крутящий момент приближается к отметке 350 Нм. Кроме того, инженеры Mercedes добились 16-процентного сокращения потребления топлива по сравнению с моделями 2005 года. Теперь Mercedes F-Cell способен преодолеть более 400 километров всего на одной заправке «водородного» бака. Расходы на заправку «полного» бака не превышают стоимости 12 литров стандартного дизельного топлива. Автомобиль Mercedes F-Cell пока еще не поступил в продажу. Концерн Mercedes-Benz эксплуатирует модель F-Cell в рекламных целях, подогревая интерес к другим разработкам компании – автобусам из серии Citaro.

Проект Citaro ориентирован на выпуск общественного транспорта для крупных городов. На сегодня в мире существует около 40 действующих автобусов Mercedes Citaro. Мощность электродвигателя такого автобуса не превышает 250 кВат, что позволяет транспортировать пассажиров и багаж со скоростью 80 км/час. Расход составляет 25 кило на 100 километров. В баке бака Mercedes Citaro помещается 42 килограмма водородного топлива, что позволяет этому транспортному средству проехать 167 км без дозаправки. Автобусы Mercedes Citaro можно увидеть не только в крупных городах Европы – 3 автобуса закупил Китай (для пекинского общественного транспорта), а 1 автобус «заехал» в далекую Австралию.

BMW Hydrogen 7 –очередной вариант стандартной «семерки» BMW, оснащенный гибридным двигателем внутреннего сгорания. В качестве топливной смеси применяется бензин или водород. Двигатель Hydrogen является итогом двадцатилетней работы инженеров компании BMW. Этот агрегат способен «разогнать» стандартный BMW 7 до 230 км/час, а до первой сотни это авто «добегает» за 9,5 секунд.

Показатель потребление топлива у Hydrogen равняется 6,5 литрам бензина или 25 литров жидкого водорода на 100 километров пути. Емкость классического (бензинового) бака – 74 литра (хватает на 480 км). Емкость водородного бака – 8 килограмм. Именно этот элемент BMW Hydrogen 7 отличает данное авто от изделий конкурентов. Бак для водородного топлива позволяет сохранять этот летучий газ в сжиженном состоянии, поддерживая постоянную температуру в -253 градусов по Цельсию. Разумеется, такая схема хранения топлива чрезвычайно опасна, но концерн BMW утверждает, что его автомобиль Hydrogen 7 не опаснее классического бензинового варианта, а канадские аудиторы из Magna International подтверждают это заявление. Водородный бак для Hydrogen 7 прошел все тесты безопасности, и выдержал не только механическое воздействие, но и нагрев до температуры в 1000 градусов по Цельсию. К сегодняшнему дню реализовано более 100 автомобилей BMW Hydrogen 7

Аналогичный проект делает компания Mazda, решившая запустить в серию концепт RX-8 hydrogen – автомобиля с гибридным двигателем. Агрегат получил наименование Wankel и позволяет проехать до 100 километров пути на одной заправке водородным топливом или 550 км на бензине.

Емкость водородного бака составляет 2,4 кило. Первая партия RX-8 hydrogen была заказана Норвегией, закупившей более 30 автомобилей для проверки работоспособности национального проекта HyNor (водородные дороги Норвегии - hydrogen highway in Norway). Мощность водородной части двигателя RX-8 hydrogen в два раза ниже бензиновой – 109 против 192 «лошадок», но этих усилий с избытком хватает для достижения максимальной скорости в 170 км/час и разгона до 100 км/час 10 секунд.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При современных темпах роста потребления ископаемых видов топлива, запасов нефти хватит минимум на 75 лет, природного газа - более чем на 100 лет, угля - более чем на 200 лет. Надежды, которые возлагались на новые или альтернативные источники энергии, такие как энергия солнца, ветра, биоэнергия, геотермальная энергия и другие, так и остаются пока нереализованными, не внеся кардинальных изменений в структуру мирового энергобаланса. Удельный вес новых или альтернативных источников энергии, исключая гидроэлектроэнергию, в ее глобальной выработке к 2020 г будет составлять около 2%.

Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение и транспортировку. Водород находит применение и во многих областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Очень важно выбрать ключевое направление для развития. Работы по водородной энергетике во многих странах относятся к приоритетным направлениям социально-экономического развития. Ведется активный поиск путей перевода большинства энергоемких отраслей промышленности, на водородное топливо и на топливные элементы. Использование водорода в качестве основного энергоносителя приведет к созданию принципиально новой водородной экономики, станет научно-техническим прорывом, влияющим на развитие человечества в целом.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Данный тип силовых установок очень похож на распространенные сегодня моторы на пропане, поэтому, чтобы перейти с пропана на водородное топливо, достаточно просто перенастроить двигатель. Уже существует немало примеров подобного перехода, но нужно сказать, что в этом случае КПД будет несколько ниже, чем при использовании топливных элементов. В то же время, для получения 1 кВт энергии водорода потребуется меньше, что вполне компенсирует данный недостаток. Использование этого вещества в обычном моторе внутреннего сгорания вызовет целый ряд проблем. Во-первых, высокая температура сжатия «заставит» водород вступить в реакцию с металлическими элементами двигателя или даже моторным маслом. Во-вторых, даже небольшая утечка при контакте с раскаленным выпускным коллектором точно приведет к возгоранию. По этой причине для создания водородных конструкций используются только силовые агрегаты роторного типа, так как их конструкция позволяет уменьшить риск возгорания за счет расстояния между впускным и выпускным коллектором. В любом случае, все проблемы пока удается обходить, что позволяет считать водород достаточно перспективным топливом.

Схема водородного двигателя 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. На рисунке 1 представлена схема водородного двигателя внутреннего сгорания.

Рисунок 1-Схема водородного ДВС

Двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1 с рубашкой охлаждения 2, впускной клапан 3, выпускной 4, свечу зажигания 5, поршень 6 и головку цилиндра 7, образующие камеру сгорания 8, источник водорода и кислорода, источник давления подачи электролита, форсунку 22, топливный бак 27 и дренаж 28 для продувки электролизера. Источник водорода и кислорода выполнен в виде электролизера 9 в герметичном корпусе 10 с рубашкой охлаждения 11, например, водяной, общей с цилиндром или обособленной, который с подводкой питания от источника 12 постоянного тока, например от бортового аккумулятора к его электродам, обособленно для каждого цилиндра установлен на двигателе. Электролизер 9 выполнен с возможностью свободного прохода через него электролита разложения воды на водород и кислород и получения газовой смеси. Электролизер 9 может быть выполнен из листового металла, например никеля, с отверстиями 13 (перфорация) или из металлической сетки, например никелевой, в виде двух электродов-полублоков 14 и 15, своими пластинами 16 с зазором 17 вписывающимися друг в друга. Электроды-полублоки диэлектрической прокладкой 18 изолированы друг от друга и от корпуса. Для вывода полученной газовой смеси из электролизера и подачи ее в цилиндр выполнен патрубок 19 с отсекателем 20, выполненным, например, в виде самодействующего обратного клапана. Источник давления подачи электролита в электролизер выполнен в виде насоса 21 высокого давления, например плунжерного, кинематически или через блок управления связанного с кривошипно-шатунным механизмом. Форсунка 22 выполнена с кавитатором 23 в виде местного сужения 24 канала 25 - соплом и с кавитационной зоной 26.

Перед началом работы топливный бак 27 заправляют электролитом, например, водным раствором едкого калия, и на электролизер 9 подают постоянный ток от источника 12. Первый такт - впуск. Поршень 6 от ВМТ перемещается к НМТ. Выпускной клапан 4 закрыт, впускной клапан 3 открыт. В цилиндре 1 создается разрежение. Образовавшуюся в электролизере 9 водородно-кислородную смесь по патрубку 19 через отсекатель 20 и впускной клапан 3 засасывает в рабочий объем цилиндра 1, чем создается разрежение в герметичном корпусе 10 с рубашкой охлаждения 11 электролизера 9. Далее впускной клапан 3 закрывается, и в цилиндре 1 происходят такты: сжатие, рабочий ход, выпуск, что и должно соответствовать рабочему циклу четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, и циклы повторяются. В конце такта впуска топливный насос 21 забирает из топливного бака 27 цикловую дозу электролита и под давлением, например, 2 МПа, и через форсунку 22 впрыскивает ее в электролизер 9. В форсунке 22 благодаря разрежению в электролизере 9 и кавитатору 23 в местном сужении 24 канала 25 - соплом, скорость впрыскиваемого электролита резко возрастает, а давление падает до критического значения и схлопывание образовавшихся в кавитационной зоне 26 пузырей приводит к диссоциации - разложению воды на водород и кислород и к тончайшему распыливанию электролита, что улучшает работу устройства. Тончайше распыленный электролит через отверстия 13 и зазоры 17 между пластинами 16 или через сетчатые электроды-полублоки 14 и 15 свободно проходит на выход к патрубку 19 и контактирует с поверхностью электролизера 9. Затем при протекании постоянного тока от источника 12 через распыленный электролит происходит электролиз - разложение воды на водород и кислород, и циклы повторяются. При взрыве, обратных ударах в устройстве срабатывает отсекатель 20, а взрывная волна расширяется в цилиндре за счет перемещения поршня 6 и охлаждается, что обеспечивает безопасную работу устройства. При необходимости электролизер 9 продувают или промывают через дренаж 28.