Ūdeņraža dzinējs. Kā tas darbojas un kādi ir trūkumi

Iekšdedzes dzinēji dramatiski neparādījās kā atsevišķi spēka agregāti. Drīzāk klasiskais motors radās siltuma dzinēju uzlabošanas un uzlabošanas rezultātā. Lasiet par to, kā pamazām parādījās vienība, kuru mēs esam pieraduši redzēt zem automašīnu pārsega. atsevišķā rakstā.

Tomēr, kad parādījās pirmā automašīna, kas aprīkota ar iekšdedzes motoru, cilvēce saņēma tādu pašgājēju transportlīdzekli, kuram kā zirgam nebija nepieciešama pastāvīga barošana. Kopš 1885. gada motoros ir mainījušās daudzas lietas, taču viens trūkums paliek nemainīgs. Degot benzīna (vai citas degvielas) un gaisa maisījumam, izdalās pārāk daudz kaitīgu vielu, kas piesārņo vidi.

Ja pirms pašgājēju transportlīdzekļu parādīšanās Eiropas valstu arhitekti baidījās, ka lielās pilsētas noslīks zirgu mēslos, šodien megalopolīņu iedzīvotāji elpo netīru gaisu.

Stingrāki transporta standarti transporta jomā liek transportlīdzekļu ražotājiem izstrādāt tīrāku spēka agregātu. Tātad daudzi uzņēmumi sāka interesēties par iepriekš izveidoto Anjos Jedlik tehnoloģiju - pašgājēju ratiņu par elektrisko vilci, kas parādījās tālajā 1828. gadā. Un šodien šī tehnoloģija ir tik stingri nostiprinājusies automobiļu pasaulē, ka jūs nevienu nepārsteigsiet ar elektromobili vai hibrīdu.

Bet tas, kas patiešām ir iepriecinoši, ir spēkstacijas, kuru vienīgā izdalīšana ir dzeramais ūdens. Tas ir ūdeņraža dzinējs.

Kas ir ūdeņraža dzinējs?

Šis ir tāda veida dzinējs, kas kā degvielu izmanto ūdeņradi. Šī ķīmiskā elementa izmantošana samazinās ogļūdeņražu resursu izsīkumu. Otrs iemesls interesei par šādām iekārtām ir vides piesārņojuma samazināšana.

Atkarībā no tā, kāda veida motoru izmantos transportā, tā darbība atšķirsies no klasiskā iekšdedzes dzinēja vai būs identiska.

Īsa vēsture

Ūdeņraža iekšdedzes dzinēji parādījās tajā pašā periodā, kad tika izstrādāts un uzlabots ICE princips. Franču inženieris un izgudrotājs izstrādāja savu iekšdedzes dzinēja versiju. Degviela, ko viņš izmantoja izstrādē, ir ūdeņradis, kas parādās H elektrolīzes rezultātā₂A. 1807. gadā parādījās pirmā ūdeņraža automašīna.

Īzaks De Rivazs 1807. gadā iesniedza patentu traktora izstrādei militārajam aprīkojumam. viņš ierosināja izmantot ūdeņradi kā vienu no enerģijas blokiem.

Barošanas bloks bija virzulis, un aizdedzi tajā izraisīja dzirksteles veidošanās cilindrā. Tiesa, pirmajam izgudrotāja radījumam bija nepieciešama manuāla dzirksteļu ģenerēšana. Tikai pēc diviem gadiem viņš pabeidza darbu, un piedzima pirmais pašpiedziņas ūdeņraža transportlīdzeklis.

Tomēr tajā laikā attīstībai netika piešķirta nozīme, jo gāzi nav tik viegli iegūt un uzglabāt kā benzīnu. No 1941. gada otrās puses blokādes laikā Ļeņingradā praktiski tika izmantoti ūdeņraža motori. Lai gan jāatzīst, ka tās nebija tikai ūdeņraža vienības. Tie bija parastie GAZ iekšdedzes dzinēji, tikai tiem nebija degvielas, bet tajā laikā bija daudz gāzes, jo tos darbināja baloni.

Astoņdesmito gadu pirmajā pusē daudzas valstis, ne tikai Eiropas valstis, bet arī Amerika, Krievija un Japāna apņēmās eksperimentēt ar šāda veida instalācijām. Tātad 80. gadā ar Kvanta rūpnīcas un RAF automobiļu uzņēmuma kopīgu darbu parādījās kombinēts motors, kas darbojās ar ūdeņraža un gaisa maisījumu, un kā enerģijas avots tika izmantots akumulators 1982 kW / h.

Kopš tā laika dažādas valstis ir mēģinājušas ieviest "zaļos" transportlīdzekļus savās modeļu līnijās, taču vairumā gadījumu šādi transportlīdzekļi vai nu palika prototipu kategorijā, vai arī to izlaide bija ļoti ierobežota.

Kā tas darbojas

Tā kā šodien ir daudz šīs kategorijas motoru, katrā atsevišķā gadījumā ūdeņraža stacija darbosies pēc sava principa. Apsveriet, kā darbojas viena modifikācija, kas var aizstāt klasisko iekšdedzes motoru.

Šādā motorā noteikti tiks izmantotas degvielas šūnas. Tie ir sava veida ģeneratori, kas aktivizē elektroķīmisko reakciju. Ierīces iekšpusē ūdeņradis tiek oksidēts, un reakcijas rezultāts ir elektrības, ūdens tvaiku un slāpekļa izdalīšanās. Šādā iekārtā oglekļa dioksīds netiek izdalīts.

Transportlīdzeklis, kura pamatā ir līdzīga vienība, ir tas pats elektriskais transportlīdzeklis, tikai tajā esošais akumulators ir daudz mazāks. Degvielas šūna rada pietiekami daudz enerģijas, lai darbinātu visas transportlīdzekļa sistēmas. Vienīgais brīdinājums ir tāds, ka no procesa sākuma līdz enerģijas radīšanai tas var aizņemt apmēram 2 minūtes. Bet maksimālā instalācijas jauda sākas pēc sistēmas sasilšanas, kas aizņem no ceturtdaļas stundas līdz 60 minūtēm.

Lai elektrostacija nedarbotos velti, un nav nepieciešams iepriekš sagatavot transportu braucienam, tajā ir uzstādīts parasts akumulators. Braucot, tas tiek uzlādēts atjaunošanās dēļ, un tas ir nepieciešams tikai automašīnas iedarbināšanai.

Šāda automašīna ir aprīkota ar dažāda tilpuma cilindru, kurā tiek iesūknēts ūdeņradis. Atkarībā no braukšanas režīma, automašīnas lieluma un elektroinstalācijas jaudas 100 kilometru braucienam var pietikt ar vienu kilogramu gāzes.

Ūdeņraža dzinēju tipi

Lai gan ir vairākas ūdeņraža dzinēju modifikācijas, tās visas iedala divos veidos:

• Vienības tips ar degvielas elementu;
• Pārveidots iekšdedzes dzinējs, kas pielāgots darbam ar ūdeņradi.

Apskatīsim katru veidu atsevišķi: kādas ir to iezīmes.

Elektrostacijas uz ūdeņraža kurināmā elementu bāzes

Degvielas šūnas pamatā ir akumulatora princips, kurā notiek elektroķīmiskais process. Vienīgā atšķirība starp ūdeņraža analogu ir tā augstākā efektivitāte (dažos gadījumos vairāk nekā 45 procenti).

Degvielas šūna ir viena kamera, kurā ievieto divus elementus: katodu un anodu. Abi elektrodi ir pārklāti ar platīnu (vai palādiju). Starp tiem atrodas membrāna. Tas sadala dobumu divās kamerās. Skābeklis tiek piegādāts dobumā ar katodu, un ūdeņradis tiek piegādāts otrajā.

Tā rezultātā notiek ķīmiskā reakcija, kuras rezultāts ir skābekļa un ūdeņraža molekulu apvienojums ar elektrības izdalīšanos. Procesa blakusparādība ir izdalītais ūdens un slāpeklis. Degvielas elementu elektrodi ir savienoti ar automašīnas elektrisko ķēdi, ieskaitot elektromotoru.

Ūdeņraža iekšdedzes dzinēji

Šajā gadījumā, lai arī motoru sauc par ūdeņradi, tam ir identiska struktūra kā parastajam ICE. Vienīgā atšķirība ir tā, ka deg nevis benzīns vai propāns, bet gan ūdeņradis. Ja jūs piepildāt balonu ar ūdeņradi, tad ir viena problēma - šī gāze samazinās parastās vienības efektivitāti par aptuveni 60 procentiem.

Šeit ir dažas citas problēmas, pārejot uz ūdeņradi, nepārveidojot motoru:

• Kad HTS ir saspiests, gāze nonāk ķīmiskā reakcijā ar metālu, no kura tiek izgatavota sadegšanas kamera un virzulis, un bieži tas var notikt arī ar motoreļļu. Tāpēc sadegšanas kamerā izveidojas vēl viens savienojums, kas neatšķiras ar īpašu spēju labi sadedzināt;
• Degšanas kameras spraugām jābūt ideālām. Ja kaut kur degvielas sistēmā ir vismaz minimāla noplūde, gāze viegli aizdegas, saskaroties ar karstiem priekšmetiem.

Dzinējs Honda Clarity

Šo iemeslu dēļ praktiskāk ir izmantot ūdeņradi kā degvielu rotācijas motoros (kāda ir to iezīme, lasiet šeit). Šādu mezglu ieplūdes un izplūdes kolektori atrodas atsevišķi viens no otra, tāpēc gāze pie ieplūdes nesasilst. Lai kā arī būtu, kamēr motori tiek modernizēti, lai apietu lētākas un videi draudzīgākas degvielas lietošanas problēmas.

Cik ilgs ir kurināmā elementu kalpošanas laiks?

Mūsdienās visā pasaulē šādas automašīnas ir ļoti reti sastopamas, un tās vēl nav sērijā, ir grūti pateikt, kāds resurss ir šim enerģijas avotam. Amatniekiem šajā ziņā vēl nav pieredzes.

Var teikt tikai to, ka saskaņā ar Toyota pārstāvju paziņojumiem viņu sērijveida automašīnas Mirai degvielas šūna spēj nepārtraukti radīt enerģiju līdz 250 tūkstošiem kilometru. Pēc šī pavērsiena jums jāuzrauga ierīces efektivitāte. Ja tā veiktspēja ir ievērojami samazinājusies, degvielas šūna tiek mainīta pilnvarotā servisa centrā. Tiesa, vajadzētu sagaidīt, ka uzņēmums par šo procedūru ņems pienācīgu summu.

Kuras firmas jau ražo vai gatavos ražot ūdeņraža automašīnas?

Daudzi uzņēmumi nodarbojas ar videi draudzīga spēka agregāta izstrādi. Šeit ir automobiļu zīmoli, kuru dizaina birojā jau ir pieejamas iespējas, kas gatavi sākt sēriju:

• Mercedes-Benz ir GLC F-Cell krosovers, kura pārdošanas sākums tika paziņots 2018. gadā, taču līdz šim to ir ieguvuši tikai daži Vācijas uzņēmumi un ministrijas. Nesen tika prezentēts ūdeņraža degvielas šūnu traktora prototips GenH2;
• Hyundai - Nexo prototips, kas tika prezentēts pirms diviem gadiem;
• BMW ir ūdeņraža ūdeņraža 7 prototips, kas tika izlaists no konveijera. 100 eksemplāru partija palika eksperimentālajā stadijā, bet tas jau ir kaut kas.

Starp akciju automašīnām, kuras var iegādāties Amerikā un Eiropā, ir attiecīgi Toyota un Honda Mirai un Clarity modeļi. Citiem uzņēmumiem šī attīstība joprojām ir vai nu zīmēšanas versijā, vai arī kā nederīgs prototips.

Toyota mirai

Honda skaidrība

Cik maksā ar ūdeņradi darbināms automobilis?

Ūdeņraža automašīnas izmaksas ir pienācīgas. Iemesls tam ir dārgmetāli, kas veido kurināmā elementu (pallādija vai platīna) elektrodus. Tāpat moderna automašīna ir aprīkota ar neskaitāmām drošības sistēmām un elektrisko elementu darbības stabilizāciju, kas prasa arī materiālus resursus.

Lai gan šādas automašīnas uzturēšana (līdz degvielas elementu nomaiņas brīdim) nav daudz dārgāka nekā parasta jaunāko paaudžu automašīna. Ir valstis, kas sponsorē ūdeņraža ražošanu, taču pat ar to jums būs jāmaksā vidēji 11 ar pusi dolāru par kilogramu gāzes. Atkarībā no motora veida ar to var pietikt aptuveni XNUMX kilometru attālumā.

Kāpēc ūdeņraža automašīnas ir labākas par elektriskajām automašīnām?

Ja jūs ņemat ūdeņraža rūpnīcu ar degvielas šūnām, tad šāds automobilis būs identisks elektriskajam automobilim, kuru mēs esam pieraduši redzēt uz ceļiem. Vienīgā atšķirība ir tā, ka elektriskā automašīna tiek uzlādēta no tīkla vai no degvielas uzpildes stacijas termināla. Ūdeņraža transports pats par sevi ražo elektrību.

Kas attiecas uz šādu automašīnu izmaksām, tās ir dārgākas. Piemēram, Tesla modeļi pamata konfigurācijā maksās no 45 tūkstošiem dolāru. Ūdeņraža analogus no Japānas var iegādāties par 57 tūkstošiem kub. Savukārt bavārieši pārdod savas automašīnas ar "zaļo" degvielu par cenu 50 XNUMX ASV dolāru.

Ņemot vērā praktiskumu, automašīnu ir vieglāk piepildīt ar degvielu (tas aizņems apmēram piecas minūtes), nekā gaidīt pusstundu (ar ātru uzlādi, kas nav pieļaujama visu veidu akumulatoriem) stāvvietā. Tas ir ūdeņraža stādu pluss.

Vēl viens plus ir tas, ka degvielas šūnām nav īpaši nepieciešama apkope, un to darba mūžs ir diezgan liels. Attiecībā uz elektriskajiem transportlīdzekļiem to milzīgais akumulators būs jāmaina apmēram pēc pieciem gadiem, jo ​​tam ir daudz uzlādes un izlādes ciklu. Salnās elektrisko transportlīdzekļu akumulators tiek izlādēts daudz ātrāk nekā vasarā. Bet ūdeņraža oksidēšanās reakcijas elements no tā necieš un stabili ražo elektrību.

Kādas ir ūdeņraža automobiļu perspektīvas un kad tās būs redzamas uz ceļa?

Eiropā un ASV ūdeņraža automobilis jau ir atrodams. Tomēr viņi joprojām ir zinātkāres kategorijā. Un šodien izredžu nav daudz.

Galvenais iemesls, kāpēc šāda veida transports drīz neaizpildīs visu valstu ceļus, ir ražošanas jaudu trūkums. Pirmkārt, ir jānosaka ūdeņraža ražošana. Turklāt ir jāsasniedz tāds līmenis, ka papildus videi draudzīgumam tā ir arī degviela, kas pieejama lielākajai daļai autobraucēju. Papildus šīs gāzes ražošanai ir jāorganizē tās transportēšana (lai gan šim nolūkam varat droši izmantot lielceļus, pa kuriem tiek transportēts metāns), kā arī aprīkot daudzas degvielas uzpildes stacijas ar atbilstošiem termināliem.

Otrkārt, katram autoražotājam būs nopietni jāmodernizē ražošanas līnijas, kas prasa ievērojamus ieguldījumus. Nestabilā ekonomikā globālas epidēmijas uzliesmojuma dēļ maz tādu riskēs.

Ja paskatās uz elektriskā transporta attīstības tempu, popularizēšanas process notika ļoti ātri. Tomēr elektromobiļu popularitātes iemesls ir spēja ietaupīt uz degvielu. Un tas bieži vien ir pirmais iemesls, kāpēc tos pērk, nevis vides taupīšanas nolūkos. Ūdeņraža gadījumā nebūs iespējams ietaupīt naudu (vismaz tagad), jo tā ražošanai tiek tērēts daudz vairāk enerģijas.

Plusi un galvenie ūdeņraža dzinēju trūkumi

Tātad, pieņemsim apkopot. Ūdeņraža dzinēju priekšrocības ietver šādus faktorus:

• Videi draudzīga emisija;
• Klusa enerģijas vienības darbība (elektriskā vilce);
• Kurināmā elementa izmantošanas gadījumā bieža apkope nav nepieciešama;
• Ātra degvielas uzpildīšana;
• Salīdzinot ar elektriskajiem transportlīdzekļiem, piedziņas sistēma un enerģijas avots darbojas stabilāk pat sasalšanas temperatūrā.

Lai arī attīstību nevar nosaukt par jaunumu, tomēr tai tomēr ir vairāki trūkumi, kas liek vidusmēra autobraucējam uz to skatīties piesardzīgi. Šeit ir daži no tiem:

• Lai ūdeņradis varētu uzliesmot, tam jābūt gāzveida stāvoklī. Tas rada zināmas grūtības. Piemēram, vieglu gāzu saspiešanai ir nepieciešami īpaši dārgi kompresori. Problēma ir arī ar pareizu degvielas uzglabāšanu un transportēšanu, jo tā ir viegli uzliesmojoša;
• Būs periodiski jāpārbauda cilindrs, kas tiks uzstādīts uz automašīnas. Lai to izdarītu, autobraucējam būs jāapmeklē specializēts centrs, un tās ir papildu izmaksas;
• Ūdeņraža automašīnā netiek izmantots milzīgs akumulators, tomēr uzstādīšana joprojām sver pienācīgi, kas būtiski ietekmē transportlīdzekļa dinamiskās īpašības;
• Ūdeņradis - aizdegas pie mazākās dzirksteles, tāpēc negadījumu, kurā iesaistīta šāda automašīna, pavadīs nopietns sprādziens. Ņemot vērā dažu autovadītāju bezatbildīgo attieksmi pret savu drošību un citu satiksmes dalībnieku dzīvi, šādus transportlīdzekļus vēl nevar izlaist uz ceļiem.

Ņemot vērā cilvēces interesi par tīrāku vidi, mēs varam sagaidīt, ka tiks panākts izrāviens jautājumā par "zaļā" transporta pabeigšanu. Bet, kad tas notiks, to rādīs tikai laiks.

Pa to laiku noskatieties Toyota Mirai video pārskatu:

Ūdeņraža nākotne? Toyota Mirai - PILNS APSKATS un specifikācijas | LiveFEED®

Jautājumi un atbildes:

Kāpēc ūdeņraža dzinējs ir bīstams? Ūdeņraža maisījuma sadegšanas laikā dzinējs uzsilst vairāk nekā benzīna sadegšanas laikā. Tā rezultātā pastāv liela virzuļu, vārstu izdegšanas un iekārtas pārslodzes iespējamība.

Kā uzpildīt ūdeņraža automašīnu? Šāda automašīna tiek darbināta ar ūdeņradi gāzveida stāvoklī (sašķidrināta vai saspiesta gāze). Lai uzglabātu degvielu, tā tiek saspiesta līdz 350-700 atmosfērām, un temperatūra var sasniegt -259 grādus.

Kā darbojas ūdeņraža iekšdedzes dzinējs? Automašīna ir aprīkota ar sava veida akumulatoru. Skābeklis un ūdeņradis iziet cauri īpašām plāksnēm. Rezultāts ir ķīmiska reakcija ar ūdens tvaiku un elektrības izdalīšanos.