С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Двигатель на водородном топливе

Двигатель на водородном топливе


Водородный двигатель, «Тойота». Toyota Mirai с водородным двигателем

На сегодняшний день практически все мировые автопроизводители ведут активные разработки машин, работающих на экологически чистом виде топлива. Специалисты говорят, что уже через 15-20 лет мир полностью перейдет на такой вид транспорта. Пока лидерство в этом деле сохраняет компания «Тойота». После выпуска знаменитого «Примуса» японцы решили пойти дальше и разработать еще один экологически чистый автомобиль - Toyota Mirai с водородным двигателем. В сегодняшней статье мы рассмотрим все особенности данной новинки, а также перечислим все преимущества и недостатки использования водородных машин.

Характеристика

«Тойота Мирай» - это один из первых седанов японского производства, который компания решила выпускать в серийном масштабе. Кстати, решение назвать данную модель Mirai было вполне оправданным, ведь в переводе с японского это слово означает «Чистое будущее». Производитель утверждает, что первая серийная водородная Toyota отличится от своих аналогов большим запасом хода, который составит 480 километров. Этого вполне хватит как для повседневной эксплуатации в черте города, так и для семейных путешествий на большие расстояния. Но что касается дальних поездок, пока совершить их на таком авто не удастся. И здесь вопрос не в надежности конструкции (как всегда, японцы сделали машину качественно и «на века»), а в отсутствии нужных АЗС. Но об этом мы поговорим несколько позже.

Стоит отметить, что «Мирай» не самый первый в мире автомобиль с водородным двигателем. «Тойота» занимается разработкой гибридных моделей авто начиная с 1997 года. Именно тогда мировая публика увидела первый автомобиль с водородным двигателем в виде концепт-внедорожника модели FCHV. Однако запускать его в масштабное серийное производство японцы так и не решились. Чаще всего данный джип можно было встретить в госучреждениях и организациях, которые занимались тестированием данного вида транспорта. Кстати, водородный двигатель объединяет BMW и Toyota. Немцы заключили контракт с японскими инженерами и до 2020 года планируют создать новый экологически чистый седан BMW Hydrogen 7-й серии.

Для начала о преимуществах. Начнем с того, что двигатель на водородном топливе не выделяет никаких загрязняющих веществ, в отличие от дизеля и бензина. Стоит отметить и низкую себестоимость эксплуатации данного вида транспорта. Само топливо (водород) можно получать как в малых, так и крупных масштабах. Это позволит значительно стабилизировать ситуацию с постоянно меняющимися ценами на горючее и более рационально распределять энергетические ресурсы в мире.

Какие имеет минусы двигатель на водородном топливе?

Теперь поговорим о недостатках. Основной минус данного вида транспорта заключается в том, что водородный двигатель («Тойота FCV» в том числе) более взрывоопасен, чем классические дизельные и бензиновые аналоги. Это объясняется особым химическим составом водорода. Кстати, кроме взрывоопасности он отличается высокой летучестью. Эта характеристика значительно усложняет транспортировку и заправку автомобилей водородом. Также эксперты говорят, что обслуживание подобной установки будет более затратным, чем например ремонт дизельного ДВС (в силу малого количества работников, знающих толк в данной сфере). Ну и, конечно же, отсутствие водородных заправочных станций. В мире таких лишь единицы, потому использовать сейчас такие автомобили весьма трудно (тем более что заправить такую машину можно только при помощи специального оборудования).

Вопросы снабжения

Основная проблема водородных авто – отсутствие АЗС, на которых их можно было бы заправлять. Именно поэтому миру более актуальны электрокары, так как они заряжаются от обыкновенной розетки и даже на ходу, если на крыше есть солнечная батарея. Но производство водородных станций уже набирает темпы. Уже известно о планах строительства 20 таких АЗС в Калифорнии. Если продажи будут расти, количество заправок увеличат вдвое. Кстати, этот штат был выбран неспроста – именно в Калифорнии начнутся старты продаж водородных «Тойот». Но о продажах мы поговорим в конце статьи, а пока давайте рассмотрим экстерьер новинки.

Дизайн

Внешний облик новой «Тойоты Мирай» весьма впечатляющий. Сразу в глаза бросается массивный агрессивный «передок» с суровым широким бампером и раскосыми фарами. Решетка радиатора – это, пожалуй, самый мелкий и незначительный элемент в экстерьере. Но даже на таком маленьком кусочке пластика японцам удалось разместить свою фирменную эмблему, выполненную в хромированном стиле. Машина имеет хорошую площадь остекления. Особенно это касается лобового стекла. Водитель не будет чувствовать «мертвых зон», так как все события вокруг видны теперь как на ладони. Кузов имеет как угловатые, так и сглаженные, аэродинамические черты. Все это делает внешний облик седана очень свежим, современным и уникальным.

Интерьер

Внутренняя часть автомобиля словно часть космического корабля – масса кнопок, экранов, датчиков и всякой другой всячины. Что интересно, японцы не решились тратить деньги на разработку двух вариантов компоновки интерьера – для европейского и для внутреннего рынка. Проблему с перестановкой руля они решили очень просто, разместив все важные информационные приборы посредине торпеды. Сама панель размещена впритык к лобовому стеклу и растянута по всей его ширине. Дальше от нее размещен массивный бортовой компьютер, который оснащен встроенной функцией навигатора. Ниже него есть еще один дисплей. А разделяют их два широких воздуховода. Такие же дублируются по бокам у зеркал, только с хромированной окантовкой в углу. Рулевое колесо тоже оснащено кнопками дистанционного управления. Ручки КПП в салоне нет – вероятнее всего, используется вариатор или АКПП. Динамики размещены в дверях, также как и кнопки управления электростеклоподъемниками. Рулевое колесо имеет удобный хват. В целом, компоновка салона очень эргономичная. И даже невзирая на массу кнопок (тем более что половина из них сенсорные), он не перегружен лишними элементами и в некоторой степени кажется аскетичным.

«Тойота» выпустила машину с водородным двигателем, имеющим большой запас мощности. Силовая установка, по словам производителей, будет иметь 153 лошадиные силы, чего вполне достаточно как для автомобиля такого класса. О других двигателях японцы не говорят, и, скорее всего, на рынок выйдет только одна модификация новинки со 153-сильным экологически чистым агрегатом. Водородный двигатель («Тойота Мирай» 2015 года выпуска) работает на специальных топливных ячейках. Внутри последней происходит реакция, в которой принимают участие водород и кислород. В результате химического взаимодействия вырабатывается мощная энергия, которая питает электромотор.

Динамика и затраты эксплуатации

Производитель говорит, что по динамическим характеристикам Toyota с водородным двигателем ничем не отличается от своих бензиновых аналогов. Разгон с нуля до «сотни» оценивается в 9 секунд. При этом инженеры отмечают низкую себестоимость поездок.Цена заправки бака за 1 километр составит всего 10 центов. Таким образом, чтобы проехать машине сотню километров, нужно потратить всего 10 долларов. А заправить авто можно всего за 5 минут.

Как работает двигатель на водороде?

Наверняка каждый из нас задумывался о принципе действия данного агрегата. Что же, давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель на самом деле.

Основной движущей силой данных машин является электрохимический генератор (некий топливный элемент). У японцев он называется FC Stack. Внутри электрохимического генератора происходит реакция, в результате которой происходит окисление водорода. Именно в этот период вырабатывается нужная энергия, которая потом перенаправляется в компактный аккумулятор. Последний выполняет функцию питания электродвигателя, который и приводит машину в действие. В каком виде вырабатывает отходы водородный двигатель? «Тойота Мирай» не зря называется экологически чистой машиной, так как из ее выхлопной трубы исходят вовсе не ядовитые газы, а обыкновенная вода.

Все это очень хорошо, однако есть сила, препятствующая развитию данного вида транспорта. Основная проблема заключается в том, что процессы изготовления топлива для водородных авто на данный момент недостаточно развиты и требуют больших денежных затрат. Тем более что при создании водорода задействуются такие компоненты, как уголь и метан. Они очень сильно загрязняют атмосферу, а потому смысла в использовании таких двигателей ради «сохранения окружающей среды» нет. Конечно, отходов от сгорания данного топлива нет (чистая вода), но чтобы его приготовить, нужно значительно испортить атмосферу грязными выбросами. Поэтому все больше специалистов ищут замену теперешним ДВС в солнечных батареях.

Кстати, водород не относится к какому-либо уникальному виду топлива, который может использоваться только на одном типе двигателей. Исследования показали, что этот продукт вполне реально применять и на классических моторах с внутренним сгоранием. Однако после такой реакции есть последствия. Дело в том, что водород при сгорании в ДВС выделяет лишь 1/3 от той энергии, которую он произвел бы на специализированном агрегате. Правда, инженерам удалось исправить этот недостаток. Благодаря измененной системе зажигания КПД таких двигателей не снижается, а, напротив, увеличивается почти в 1,5 раза от обычного, что делает эксплуатацию этого топлива более благоприятной и разумной с экологической и финансовой точки зрения.

Но все же неприятности были подмечены не только в области КПД. И если коэффициент полезного действия инженерам удалось увеличить методом усовершенствования системы зажигания, то с такими проблемами, как высокая температура горения в камере, прогар поршней и клапанов, они справиться не в силах. Кстати, при длительной работе водород способен вступать в реакцию с другими составляющими мотора, в том числе и со смазкой. А без нее двигатель очень быстро изнашивается. Кроме этого, водород в силу своей летучести может проникать в выпускной коллектор и там воспламеняться. Что касается роторных ДВС, они в силу простой конструкции и большого расстояния между коллекторами являются более благоприятными для использования подобного топлива в качестве основного. На этом вопрос, как работает водородный двигатель, можно считать закрытым.

О стоимости

По словам производителя, старт продаж автомобилей «Тойота Мирай» состоится весной 2015 года. Сначала новинка будет доступна только на внутреннем рынке, а уже летом она появится на европейском и американском рынках. Стартовая цена водородной «Тойоты» составляет 57,5 тысячи долларов. Кроме этого, компания предлагает приобрести данное авто в кредит с ежемесячной оплатой в 500 долларов США. Бонусом станет возможность бесплатной заправки автомобиля в течение года на АЗС Калифорнии.

Пока у японской «Тойоты» нет конкурентов среди водородных автомобилей. По крайнее мерее, так будет до 2016 года. Дело в том, что в марте 2016-го на рынок выходит новый водородный автомобиль Honda FCV. Но насколько популярным она будет, мы прогнозировать не станем, а пока дождемся старта продаж новой «Тойоты Мирай».

Заключение

Итак, мы выяснили, почему он такой особенный и как работает водородный двигатель. «Тойота» - один из первых автопроизводителей, который всерьез задумывается запустить в массовое производство свой «экологически чистый продукт». Правда, пока не будет решена проблема с заправочными станциями и более дешевым способом получения водорода, компанию вряд ли ждет большой успех в сфере продажи подобных машин.

Водородный двигатель

История водородных двигателей

Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.

Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.

Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе – смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.

Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.

По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.

Наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW и другие.

Типы и принцип работы водородных двигателей

Современные силовые установки подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.

В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами - анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор.

Действующими образцами автомобиля с силовой установкой на основе топливных элементов являются «Нива» с энергоустановкой «Антэл-1» и «Лада 111» с «Антел-2», разработанные уральскими инженерами. На одной подзарядке первая машина может преодолеть 200 км, вторая - 350 км.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом.

ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия. 

Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.

Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов.

Проблемы и задачи развития водородных двигателей

Для массового перехода на водород в качестве топлива существует целый ряд технологических и экологических препятствий.

Производство водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем производство бензина.  

Да и сам процесс получения водорода из воды пока еще обходится слишком дорого. Поэтому основной его объем в настоящее время производится из метана.  С большими затратами связана его транспортировка и хранение.

В случае массового внедрения таких силовых установок, резко увеличится количество водорода в атмосфере, что может привести к разрушению озонового слоя Земли, так как водородные двигатели выделяют значительно больше оксидов азота, чем бензиновые.

Уровень коммерческой окупаемости таких силовых установок просматривается лишь в отдаленной перспективе.

Однако точно такие же проблемы в свое время возникали в период развития бензиновых, электрических и газовых двигателей. Остается надеяться, что через 15-20 лет ситуация измениться, и появление водородного автомобиля на дорогах станет обычным делом.

Водородный двигатель. Как работает и его недостатки

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.

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.

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.

Статьи по теме

ВОДОРОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. КАК РАБОТАЕТ И ОСНОВНЫЕ НЕДОСТАТКИ — Автополка на DRIVE2

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?

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.

Все 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 ВОДОРОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Главный недостаток водородного автомобиля — 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 дороже гибридных версий.

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости