Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

Водородный двигатель: типы, устройство,принцип работы

ТИПЫ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным. Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О. Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.

На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

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

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. 

Делаем простейший генератор водорода своими руками пошагово

Расскажем, как можно сделать самодельный генератор для получения смеси водорода и кислорода (ННО). Его мощности на отопления дома не хватит, но для газовой горелки для резки металла количество полученного газа будет достаточным.

Рис. 8. Схема газовой горелки

Обозначения:

• а – сопло горелки;
• b – трубки;
• c – водные затворы;
• d – вода;
• е – электроды;
• f – герметичный корпус.

В первую очередь делаем электролизер, для этого нам понадобится герметичная емкость и электроды. В качестве последних используем стальные пластины (их размер выбираем произвольно, в зависимости от желаемой производительности), прикрепленные к диэлектрическому основанию. Соединяем между собой все пластины каждого из электродов.

Когда электроды готовы их надо укрепить в емкости таким образом, чтобы места подключения проводов питания были выше предполагаемого уровня воды. Провода от электродов идут к блоку питания на 12 вольт или автомобильному аккумулятору.

В крышке емкости делаем отверстие под трубку для выхода газа. В качестве водных затворов можно использовать обычные стеклянные банки емкостью 1 литр. Заполняем их на 2/3 водой и подключаем к электролизеру и горелке, как показано на рисунке 8.

Горелку лучше взять готовую, поскольку не каждый материал может выдержать температуру горения газа Брауна. Подключаем ее к выходу последнего водного затвора.

Наполняем электролизер водой, в которую добавлена обычная кухонная соль.

Подаем напряжение на электроды и проверяем работу устройства.

С экранов телевизоров нам заявляют, что количество нефти стремительно уменьшается, и вскоре бензиновые машины отойдут в далёкое прошлое. Вот только это не совсем верно.

Действительно, количество разведанных запасов нефти не очень велико. В зависимости от степени потребления их может хватить на период от 50 до 200 лет. Но в этой статистике не учитываются до сих пор неразведанные места нефтедобычи.

В действительности нефти на нашей планете более чем достаточно. Другой вопрос, что сложность её добычи постоянно возрастает, а значит, растёт и цена. К тому же нельзя списывать со счетов экологический фактор. Выхлопные газы сильно загрязняют среду и с этим нужно что-то делать.

Современная наука создала множество альтернативных источников энергии вплоть до двигателя ядерного распада в ваших машинах. Но большинство из этих технологий пока что представляют собой концепты без возможности реального применения. По крайней мере, так было до недавнего времени.

С каждым годом машиностроительные компании выпускают всё больше машин, работающих на альтернативных источниках питания. Одним из самых эффективных решений в данном контексте является водородный двигатель от бренда «Тойота». Он позволяет полностью забыть про бензин, делая автомобиль экологичным и дешёвым транспортом.

Перспективы

Использование такого газа как водород потенциально может открыть невероятные большие перспективы. Причём здесь речь идёт не только про автомобильный двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, но и про целый ряд других сфер применения. В их числе авиация, железнодорожный транспорт, морские суда и пр. Помимо применения в ДВС, водород также может использоваться для питания и работы вспомогательной техники, механизмов и разного оборудования.

Уже сейчас ведущие автопроизводители уделяют большое внимание возможности внедрить в массовое производство водородные ДВС. Среди них такие гиганты как Volkswagen, General Motors, Toyota, BMW и пр. В настоящее время существуют автомобили, под капотом которых находятся водородные силовые установки

При этом они отлично функционируют, мало чем уступают традиционным ДВС на бензине и дизтопливе, а также обладают некоторыми существенными преимуществами

В настоящее время существуют автомобили, под капотом которых находятся водородные силовые установки. При этом они отлично функционируют, мало чем уступают традиционным ДВС на бензине и дизтопливе, а также обладают некоторыми существенными преимуществами.

Чтобы говорить о серьёзных перспективах и массовом внедрении водорода, требуется решить хотя бы несколько главных недостатков. Эксперты уверены, что при наличии способа уменьшить стоимость газа, а также при постройке большего количества АЗС и обучении кадров для обслуживания водородных моторов, множество таких машин обязательно станут нормой на дорогах.

Технологии-конкуренты

Автопроизводители пока не могут или не хотят в полной мере сконцентрироваться на водородных технологиях, поскольку у неё есть ряд серьёзных конкурентов.

Можно выделить следующие виды моторов, которые не дают водородным ДВС и топливным элементам на водороде развиваться, совершенствоваться и массово выходить на рынок.

1. Гибридные установки. Это автомобили, способные использовать одновременно несколько источников энергии. Зачастую в машину внедряют обычный ДВС и электромотор. Также бывают варианты, когда обычный двигатель на бензине работает вместе с узлом, питающимся сжатым воздухом.
2. Электрокары. Сейчас активно развиваются и распространяются полностью электрические авто. Это машины, которые двигаются за счёт работы одного или нескольких электромоторов. Они питаются от специальных аккумуляторов или топливных элементов. ДВС здесь не используют.
3. Жидкий азот. Вещество помещается в специальные ёмкости. Сам процесс работы выглядит так. Топливо нагревается за счёт работы специального механизма. Это приводит к испарению и образованию газа высокого давления. Этот газ идёт в двигатель, где воздействует на поршни или роторы, передавая свою энергию. Пока такие авто не получили широкого распространения.
4. Сжатый воздух. Здесь основой всей силовой установки выступает пневмодвигатель. Пневматический привод заставляет машину двигаться. Топливовоздушная смесь заменена на сжатый воздух. Эта система является частью современных гибридных автомобилей.

У водорода достаточно много конкурентов. И в настоящий момент самым главным соперником справедливо считается электродвигатель.

Насколько сильно ситуация изменится в ближайшие несколько лет, говорить сложно. О каких-то резких изменениях и открытиях говорить вряд ли стоит. Но есть вероятность того, что через 10-20 лет водород станет куда более эффективным и доступным. Тем самым начнут появляться серийные водородные автомобили в большом количестве. Примерно так сейчас обстоят дела с электрокарами.

Безопасность установки

Многие умельцы размещают пластины в пластиковых ёмкостях. Не стоит экономить на этом. Нужен бак из нержавеющего металла. Если его нет, можно использовать конструкцию с пластинами открытого типа. В последнем случае необходимо применять качественный изолятор тока и воды для надёжной работы реактора.

Известно, что температура горения водорода составляет 2800. Это самый взрывоопасный газ в природе. Газ Брауна – не что иное, как «гремучая» смесь водорода. Поэтому водородные генераторы на автомобильном транспорте требуют качественной сборки всех узлов системы и наличия датчиков для слежения за течением процесса.

Датчик температуры рабочей жидкости, давления и амперметр не будут лишними в конструкции установки

Особое внимание стоит уделить гидрозатвору на выходе из реактора. Он жизненно необходим

Если произойдёт воспламенение смеси, такой клапан предотвратит распространение пламени в реактор.

Водородный генератор для отопления жилых и производственных помещений, работающий на тех же принципах, отличается в несколько раз большей производительностью реактора. В таких установках отсутствие гидрозатвора представляет смертельную опасность. Водородные генераторы на автомобилях в целях обеспечения безопасной и надёжной работы системы также рекомендуется оборудовать таким обратным клапаном.

Водородные двигатели будущего

• Новое сотрудничество в автомобильном секторе начали General Motors (GM) и Honda Motor. Обе компании планируют совместно разрабатывать водородные топливные элементы в течение следующих семи лет. Обмен ноу-хау поможет снизить затраты на технологии и делает основной целью реагирование на увеличение объёма глобальных требований, предъявляемых к сокращению выбросов, стандарт «Евро-4» имеет строгие рамки.
• Силовая установка автомобиля может послужить и электростанцией для дома, обеспечивая его энергией в течение 5 дней.
• Каждый производитель в ближайшее время рассчитывает продавать минимум тысячу экокаров за год, ожидаемая цена 97000 $.
• К 2050 году водород как источник топлива покроет треть производимой энергии.

А вот Илон Маск (глава SpaceX и Tesla) к новому топливу относится крайне критично, считая его создание маркетинговым ходом. Маск заявил, что использование технологий не решит реальных транспортных проблем и что в литий-ионных батареях плотность хранения энергии превышает все водородные разработки. А как думаете вы?

–> Статья о водородном моторе: история, особенности его эксплуатации, плюсы и минусы использования, модели автомобилей. В конце статьи — видео о двигателе на воде.

Электронный блок

Данную часть генератора можно также собрать своими руками, особенно если есть познания в сфере электроники. Если таких познаний и навыков нет, то лучше обратиться к специалистам в этих областях. Блок управления должен в автоматическом режиме изменять ток, который подается на пластины, исходя из оборотов мотора.

Мощность можно установить лишь опытным путем на холостых оборотах мотора, а также под нагрузкой. Электронный блок должен получать информацию с датчиков автомобильной системы управления.

После монтажа этого генератора нужно еще раз удостовериться в герметичности и надежности всех соединений этой конструкции. Утечка опасна не только вероятностью взрыва, такая машина будет вести к повышенному расходу топлива. В итоге эффект будет крайне отрицательным. Но в целом такая машина на водороде, своими руками сделанная, позволяет экономить от 25% до 40% топлива.

Подобная техника и такие способы экономии топлива уже давно и успешно используются во всем мире. Известный актер Арнольд Шварценеггер уже давно ездит на комбинированной машине, которая работает на бензине с водородом. Автомобиль обошелся кинозвезде в 150 тысяч долларов. Расход топлива на этом комбинированном двигателе составляет 5,8 л на 100 км.

Сегодня такая машина на водороде в России тоже может быть очень актуальной.

Итак, мы выяснили все особенности и принцип работы автомобилей на данном экологическом виде топлива. Как видите, это вполне реальная альтернатива сегодняшнему бензину. И есть надежды, что уже в ближайшие десятилетия человечество перейдет на новую ступень развития, где по улицам будут ездить автомобили, работающие на водороде.

Безопасность установки

Многие умельцы размещают пластины в пластиковых ёмкостях. Не стоит экономить на этом. Нужен бак из нержавеющего металла. Если его нет, можно использовать конструкцию с пластинами открытого типа. В последнем случае необходимо применять качественный изолятор тока и воды для надёжной работы реактора.

Известно, что температура горения водорода составляет 2800. Это самый взрывоопасный газ в природе. Газ Брауна – не что иное, как «гремучая» смесь водорода. Поэтому водородные генераторы на автомобильном транспорте требуют качественной сборки всех узлов системы и наличия датчиков для слежения за течением процесса.

Датчик температуры рабочей жидкости, давления и амперметр не будут лишними в конструкции установки

Особое внимание стоит уделить гидрозатвору на выходе из реактора. Он жизненно необходим. Если произойдёт воспламенение смеси, такой клапан предотвратит распространение пламени в реактор

Если произойдёт воспламенение смеси, такой клапан предотвратит распространение пламени в реактор.

Водородный генератор для отопления жилых и производственных помещений, работающий на тех же принципах, отличается в несколько раз большей производительностью реактора. В таких установках отсутствие гидрозатвора представляет смертельную опасность. Водородные генераторы на автомобилях в целях обеспечения безопасной и надёжной работы системы также рекомендуется оборудовать таким обратным клапаном.

Какое требуется оборудование?

Самостоятельную мойку двигателя водородом мы делать не рекомендуем. Да, в сети можно найти немало советов и инструкций на эту тему, однако, если хотите произвести, действительно, качественную очистку, лучше обратитесь к профессионалам.

Во-первых, перед началом очистки необходимо выполнить ряд подготовительных манипуляций: проверить вольтаж, температуру ДВС, температуру охлаждающей жидкости, выставить время (зависит от объема двигателя и времени, которое прошло с момента последней очистки) и т.д.;
Во-вторых, потребуется специальное оборудование

Аппарат выглядит, как небольшой ящик с огоньками, кнопочками, проводами с клеммами и шлангом для закачки газовоздушной смеси в двигатель;
В-третьих, после очистки важно произвести полную замену рабочих жидкостей.. Да и вообще, вдруг что-то пойдет не так? С водородом шутки плохи, надеемся вы это понимаете

К тому же, стоимость процедуры отнюдь не космическая

Да и вообще, вдруг что-то пойдет не так? С водородом шутки плохи, надеемся вы это понимаете. К тому же, стоимость процедуры отнюдь не космическая.

Средняя цена на чистку двигателя водородом составляет 1500-2000 рублей (зависит от сервиса). К слову, если захотите заняться водородингом в качестве бизнеса, средняя стоимость одного хорошего аппарата составляет около 450-500 тыс. рублей.

Высокий уровень экологичности

Конечно, невысокая степень загрязнения присутствует, но из-за наличия в механизме автомобиля масла. Даже при добавлении водорода в обычное топливо производительность повышается на 20%. На 5 кг водородного топлива автомобиль проезжает до 500 км. Ученые считают водород единственным возобновляемым источником энергии.

При его неоспоримых преимуществах на сегодняшний день недостатков намного больше, которые в основном связаны с конструктивом двигателя:

• Летучесть водорода. Заправить автомобиль с ДВС на водороде возможно только на заправке. Дозаправиться от другого автомобиля или из канистры по дороге не получится.
• Взрывоопасность и пожароопасность. Всем известна катастрофа дирижабля «Гинденбург», который от одной искры загорелся в полете: из 97 человек, находящихся на борту, погибла треть.
• Высокая стоимость топливных элементов и водородного двигателя, что, в свою очередь, увеличивает стоимость автомобиля. Аналог с водородным двигателем стоит в два раза дороже. Автомобиль на базе водородного двигателя обслуживать в 100 раз дороже, чем обычный двигатель.
• Водородный двигатель занимает большой объем. В грузовиках и автобусах это не создает никаких неудобств, но в легковых автомобилях уменьшается объем багажного отделения.

Водородный двигатель – это не фантастика. Например, Honda, Toyota и Hyndai наладили линию по производству автомобилей с двигателями на базе водорода и плотно оккупировали рынок: Toyota Mirai (2015), Honda FCX Clarity (2008), Hyundai ix35 Fuel Cell. В середине декабря прошлого года Audi объявило о своем решении выпустить новый концепт на водороде – Q6 H-Tron.

Несмотря на все недостатки, водород – это единственный возобновляемый и неограниченный ресурс на планете. Для того чтобы автомобили с таким ДВС получили широкое распространение, ученым и разработчикам надо будет решить, как устранить негативные характеристики и уменьшить стоимость механизма, а государствам наладить инфраструктуру, чтобы машины на водороде перестали быть редкостью на дорогах.

Устройство

На практике схема устройства водородного двигателя напрямую зависит от того, к какому типу он относится.

Существует несколько вариантов моторов, где в качестве топлива применяется водород. При этом делятся они на 3 группы:

• ТС, конструкция которых предусматривает наличие сразу 2 энергоносителей. Такие автомобили экономичные, могут использовать в работе водород или топливную смесь. Их КПД находится на уровне 90-95%. Если брать тот же дизельный двигатель, его КПД составляет 50%, а бензиновые моторы не могут похвастаться КПД более 35-40%. Подобные машины соответствуют экологическим требованиям Евро 4;
• Машины с электромоторами, которые питают специальные водородные элементы. В настоящее время существуют двигатели, у которых КПД составляет от 75%;
• Обычные ТС, где для работы используется смесь или же непосредственно сам чистый водород. Их КПД поднялся ещё на 20%.

Ранее уже был отмечен тот факт, что устройство, то есть конструкция двигателя, питающегося водородом, практически не имеет существенных отличий в сравнении с классическими ДВС на бензине или дизеле. Исключением являются только некоторые элементы и дополнительное оборудование.

Главной отличительной особенностью в плане конструкции и устройства считается способ, который используется для подачи топлива в камеру, а также дальнейшее воспламенение. Если же говорить о преобразовании энергии, которая приводит в движение кривошипно-шатунный механизм, то здесь всё аналогично с традиционными моторами.

Туристическая газовая горелка BRS-3000T весом граммов для легкохода-эгоиста.

Привет. «Мал, да удал» — можно сказать об этой маленькой, но мощной горелке, подходящей для одного-двух человек. Горелка с непонятным noname-названием BRS-3000T нам обещает:

• 2.7 кВт мощности
• размер в сложенном виде 37х52 миллиметров (со спичечный коробок!)
• диаметр окружности лапок под посуду 85 мимиметров
• наличие некоторого количества теплого лампового титана в конструкции
• и все это в 25 граммах

Не слишком ли хорошо для 20уже 16 баксов? Проверим. Надо сказать, что ближайший конкурент «Fire Maple FMS-F300T», у которого, по-моему мнению, теперь отобрана пальма первенства, стоит в полтора раза дороже. Вскрываем почтовую коробку из жесткого картона и достаем нашу малютку:

В комплекте есть чехольчик, хотя его нам не обещали. Приятно.

Прикрутим козявку к баллону и подожжем. Пламя легко регулируется в широких пределах. На максимуме звук как у ракеты Все стандартно. Небольшое видео:

Для тестов возьмем с полки свеженький баллон с качественным содержимым…

… и поставим кипятиться один литр воды комнатной температуры

Кастрюлька стоит довольно устойчиво, но важно прикрутить горелку на баллон посильнее, так как встроенное резиновое колечко, необходимое для герметизации, слегка играет и пружинит, из-за чего кастрюлька может шататься

Пламя обволакивает все дно посудины:

Литр закипел за 4 минуты и 42 секунды, затрачено 14 граммов газа. Неплохо.

Возьмем видавший виды довольно известный радиаторный котелок на литр от конторы Fire Maple. Упс:

Поставить лапы горелки внутрь радиатора не получится. А жаль

Но, принимая все меры предосторожности, ставим котелок и ждем кипения. Пламя абсолютно полностью засасывается внутрь радиатора даже при максимальной мощности:

Долго ждать не пришлось. Результат — 3 минуты и 48 секунд, затрачено 10 граммов газа. Пламенный привет джетбойлам, мы их, считай, догнали. Жаль, что нормально установить этот котелок без напильника невозможно. Скорее всего, решу вопрос приложением рук. Напомню, что диаметр окружности лапок под посуду равен 85мм., т.е. нужен радиаторный котелок с отверстием диаметром больше этого значения.

Так как горелка у нас для одного-себя-любимого, попробуем вскипятить половину литра воды в обычной кружке «три пятерки», а заодно посмотрим, как ведет себя козявка в работе на небольшую посуду:

Получается очень неочень, в максимальном режиме языки пламени выходят далеко за пределы сосуда и мы греем воздух и ручку кружки, да так, что одного слоя полотенца мало для того, чтобы снять кружку.

Я попробовал повторить опыт с кружкой, но не стал выводить горелку на максимальный режим. Настроил пламя так, чтобы оно не выходило за пределы кружки. Результат: 5 минут и 7 граммов газа.

Все эти опыты показывают, что правильная кастрюлька рулит и позволяет экономить до 50% газа: Но не очень понятно, как повела бы себя эта кружка при установке на более традиционные горелки с кольцевым рассекателем. Уж не хуже ли? К сожалению, на этот вопрос я не могу сейчас ответить.

Для интереса поставил на горелку три литра воды. Нормально, держит, чуть пошатывается, но, как мне думается, это максимальный разумный предел этой малютки.

После всех издевательств я получил лишь радужные следы побежалости на титановых лапках в тех местах, где горелка раскаляла их до красна. Сам рассекатель остался как новый, что тоже порадовало.

Подытожим. Плюсы:

• вес
• цена
• мощща!
• титаниум
• чехольчик!1
• компактность
• общее качество изготовления

Особенности:

• требует аккуратности в обращении, как и любая подобная баллонная микрогорелка
• пятилитровую бадью не водрузишь.
• нет предварительного подогрева газа, посему не рекомендую использовать ее в холодное время года.
• тщательнее выбирайте кастрюльку! Впрочем, это справедливо для любой горелки.
• добавлено , :

  не стоит требовать невозможного. Этот свисток годится в качестве аварийного варианта, основной горелки на коротких вылазках или в качестве замены термоса на привалах и велопокатушках, а так же кофейку забодяжить с утра, лежа в спальнике. Для этих целей он удобен и достаточен, а стограммовый баллон в сочетании с этой малюткой позволят не замечать такое комбо в рюкзаке вообще. В остальных случаях я выберу бензин.

Минус:

заусенец на рассекателе

Всем спасибо. За фотографии прошу не ругать, фоткал на крышечку от :

С радиаторной кастрюлей на 1.6 литра совместимость гораздо лучше. Конструкция устойчива и надежна. Время закипания литра составило поразительные 2 минуты 50 секунд, а расход газа получился равен 9 граммам.