Автомобили на водороде

Немного истории


О необходимости сохранения окружающей среды человечество стало задумываться совсем недавно, а вот мысли о замене обычного ДВС учёные начали задумываться намного раньше.
Так, с руки учёного Франсуа Исаака де Риваза, уроженца Франции, первый двигатель на водороде был изготовлен в 1806 г. В 1841-м в Британии был получен первый патентный договор на изготовление водородного мотора, а в 1852-м германские учёные смогли создать ДВС, функционирующий на воздушно-водородной смеси.
Однако планам внедрения водородных моторов помешали бензиновые двигатели, получившие распространение после 1870 года.
Повторно о водороде как альтернативном топливе вспомнили только в 1941 году в блокадном Ленинграде. Тогда советский техник Б.Шелищ применил воздушно-водородный «коктейль» для запуска заградительных аэростатов.
Потом о водороде снова позабыли, пока в 70-х годах в двери не постучался всемирный топливный кризис. В конце 70-х автоконцерн БМВ выпустил своё первое авто, функционирующее на водороде, а затем его примеру последовали и другие компании, в числе которых — американская General Motors и Ford, японская Honda и прочие.
Тем не менее, как только кризис сошёл на нет, интерес к водороду как источнику энергии снова угас. И вот спустя десятилетия человечество снова вспомнило о его существовании, чему поспособствовала не только активизация защитников окружающей среды, но и рост цен на горючее.

Отличительная черта водородных двигателей


В конструктивном плане водородный мотор мало чем отличаются от стандартных ДВС. В нем также присутствуют поршни, камера сгорания и шатунно-кривошипный механизм. Так в чем же отличие?
Дело в том, что водородные моторы используют иной способ поставки топливной смеси и её последующее возгорание. Кроме того, процесс сгорания водорода занимает намного меньше времени, чем в случае с горючим нефтяного происхождения. Отличия незначительны, и на первый взгляд может сложиться впечатление, что переоборудовать обычный ДВС в водородный несложно, но это не так.

Ряд проблем использования двигателя на водороде:

  1. Водород сложно получить. Не секрет, что он содержится в воде и по праву считается самым распространённым химическим элементом в мире, правда, в чистом виде он практически не представлен. Это значит, что автомобиль необходимо оснащать специальной установкой закрытого типа — электролизёром, отвечающим за расщепление воды и позволяющим добыть водород. Однако на практике такая установка сложна в изготовлении, что сильно влияет на её конечную стоимость.
  2. Водород из-за высокой температуры сжатия легко вступает в реакцию с различными металлическими элементами силовой установки и даже с моторным маслом.
  3. Даже маленькая утечка водорода при контакте с разогретым коллектором вызовет возгорание. Именно поэтому сегодня при создании водородных моторов используются исключительно роторные силовые установки, так как они позволяют снизить риск возгорания из-за большего расстояния между коллектором впуска и выпуска.

Тем не менее, большую часть проблем пока удаётся решать, причём не только на роторных установках, но и в двигателях, использующих поршневые механизмы, что позволяет водороду оставаться наиболее перспективной заменой бензину/дизелю.

Главные плюсы и минусы водородных моторов


Основные достоинства, которыми обладают водородные двигатели:

  • высокий уровень экологичности, так как продуктом его сгорания выступает водяной пар. При сгорании водорода происходит ещё и выгорание моторного масла, однако количество токсичных выхлопов при этом в несколько раз меньше, чем при сгорании бензинового или «тяжёлого» топлива;
  • высокий КПД, который в разы превосходит таковой в классических силовых установках, функционирующих на дизельном или бензиновом топливе;
  • относительная конструктивная простота, а также отсутствие дорогостоящих и ненадёжных систем топливоподачи, которые к тому же опасны;
  • бесшумность.

Несмотря на ряд существенных преимуществ, водородные моторы имеют достаточное количество недостатков:

  • высокая цена и сложность получения чистого водорода;
  • неразвитая инфраструктура автозаправочных станций, способных осуществить дозаправку водородом;
  • отсутствие международных стандартов транспортировки и применения водородного горючего;
  • высокая цена топливных компонентов и обслуживания водородных двигателей;
  • трудности, связанные с хранением водородного горючего. Учёные до сих пор не пришли к единому знаменателю касательно материала, который необходимо использовать при изготовлении баков для хранения горючего водорода;
  • увеличение общей массы машины за счёт наличия водородного двигателя, который заметно тяжелее ныне распространённых бензиновых и дизельных моторов.

Кроме того, баллоны с водородом необходимо регулярно проверять и сертифицировать, что может быть сделано исключительно квалифицированными специалистами, обладающими соответствующим разрешением и лицензией.

Самые популярные автомобили с водородным ДВС


На фото: Riversimple Rasa
Несмотря на то, что учёные продолжают ломать голову над устранением текущих проблем, связанных с использованием водородных моторов, количество машин на водородном топливе продолжает расти. Самыми известными авто, функционирующими на водороде, являются:

  1. Тойота Mirai FCV – автомобиль впервые дебютировал в 2013 году, но в продажу поступил лишь в 2015-м. Имеющиеся в нем баллоны обеспечивали «дальнобойность» около 500 км.
  2. BMW 750hL, концептуальная версия которого была показана ещё в 2000-м году. Машина комплектуется специальным баком с водородов, запаса которого достаточно для преодоления расстояния в 300 км.
  3. Honda Clarity – ещё один автомобиль, использующий водород вместо классического топлива. Основные достоинства модели — эффектная внешность и впечатляющий, по меркам водородных авто, запас хода, составляющий 589 км.
  4. Riversimple Rasa – небольшой водородный автомобиль родом из Великобритании. Его главной особенностью стал небольшой вес (чуть более 500 кг) и внушительный запас хода – порядка 500 км.

Кроме того, производители продолжают представлять «водородные» концепт-кары, среди которых — Audi H-tron Quattro, водородный Mercedes GLC, грузовик Nikola One от Nikola Motor, суперкар H2 Speed от дизайнерского дома Pininfarina и многие другие.

Заключение

Несмотря на ряд недостатков, водород может стать наиболее перспективным источником экологически чистой энергии на ближайшие 30-40 лет. Нам лишь осталось найти эффективный метод добычи водорода и разработать инфраструктуру для его доставки конечному потребителю, и тогда человечество навсегда забудет не только о топливном, но и об экологическом кризисе.
Видео о двигателе на воде:

Устройство водородного двигателя

После исчерпывания природных запасов нефти, людям придется полностью положиться на альтернативные виды получения энергии. Водородный двигатель, как замена ДВС, работающих на черном золоте, является одной из перспектив будущих десятилетий.

Силовые установки такого типа имеют больший КПД и меньшую степень токсичности выхлопных газов. Впрочем, главное преимущество моторов, работающих на водороде, – неограниченный запас сырья для производства топлива. Вода, именно она может стать основой топлива будущего.

Интерес к использованию водорода появился еще во время топливного кризиса 70-х годов, но первый водородный двигатель был изобретен только в начале XIX столетия. Действительное применение технология получила во время блокады Ленинграда, когда водородом заправляли лебедки аэростатов, транспорт.

Несмотря на очевидные преимущества, знания способов получения водорода и его использования для работы двигателя внутреннего сгорания, существует несколько значительных «но», замедляющих внедрение этой прогрессивной технологии.

Особенности водорода, как топлива для ДВС

  • после сгорания остается только водяной пар;
  • реакция происходит намного быстрей, чем в случаи с бензином либо дизелем;
  • детонационная устойчивость позволяет повысить степень сжатия;
  • благодаря своей летучести, водород способен проникать в самые малые полости, зазоры между деталями (лишь особые сплавы повышенной прочности способны переносить разрушительное воздействия водорода на структуру металла);
  • теплоотдача сгорания водорода в 2,5 раза больше, чем у бензиновой смеси;
  • широкий диапазон реакции. Минимальная пропорция водорода, достаточная для реакции с кислородом, составляет всего 4%. Такая особенность позволяет настраивать режимы работы двигателя, дозируя консистенцию смеси;
  • хранение водорода осуществляется в сжатом или жидком агрегатном состоянии. При пробое бака, газ под давлением испаряется.

Ввиду перечисленных выше особенностей, использования водорода, как чистого топлива для ДВС, невозможно без внедрения изменений конструкции силового агрегата, а также навесного оборудования.

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.

Гибридные модели и возможные модификации

Благодаря большому интересу к использованию водорода в качестве топлива для ДВС, гидродвигатели внутреннего сгорания имеют различные модификации и типы исполнения.

Схема устройства гибридного водородного двигателя

Мотор, разработанный В.С. Кащеевым, имеет иное устройство. Помимо впускного клапана (6) для подачи воздуха, выпускного для вывода выхлопных газов (7), ГБЦ имеет отдельный клапан для подачи водорода (9) и свечу зажигания (10), которые находятся в предкамере (8). Последняя расположена в ГБЦ выше уровня поршня в положении НМТ.

После преодоления поршнем НМТ в камеру сгорания подается и воспламеняется водород (предварительно поршень затягивает воздух через впускные клапаны). В это же самое время открываются выпускные клапаны. Из-за разницы атмосферного давления, отработанные газы устремляются в выпускной коллектор, создавая за собой вакуум, который перемещает поршень к ВМТ и за счет импульса обратно в крайнее нижнее положение. Как видим, принцип немного отличается, но суть остается неизменной.

Технология гибридных силовых установок – это промежуточная ступень между началом использования водорода в качестве топлива и полным отказом от использования нефтепродуктов. Автомобили с моторами такого типа могут передвигаться как на бензине, так и на водороде.

Еще более широкого распространения получило применение водорода в качестве компонента топливно-воздушной смеси. Для работы ДВС используется обычное топливо и небольшая часть гремучего газа. Это позволяет повысить степень сжатия, и уменьшить токсичность выхлопных газов.

Одним из возможных путей развития двигателей на водороде является применение силовых установок с топливными элементами. Во время химической реакции водорода и кислорода выделяется энергия, которая используется для питания электродвигателей автомобиля.

Трудности эксплуатации водородных ДВС

Главное препятствие на пути внедрения технологии – это стоимость получения водорода (Н2), а также комплектующих для его хранения и транспортировки. К примеру, для сохранения сжиженного состояния нужно поддерживать стабильную температуру -253º С. Наиболее доступный способ получения Н2 – это электролиз воды. Промышленное снабжение водородом требует больших энергетических затрат. Рентабельным этот процесс сможет сделать ядерная энергетика, которой также пытаются найти рациональную альтернативу. Транспортировка и хранение газа требуют использования дорогостоящих материалов и высококачественных механизмов. К другим недостаткам водородного топлива можно отнести:

  • взрывоопасность. В замкнутом пространстве достаточная для реакции концентрация гремучего газа может спровоцировать взрыв. Усугубить ситуацию способна высокая температура воздуха. Из-за высокой степени диффузности водорода существует риск попадания Н2 в выхлопной коллектор, где реакция с горячими выхлопными газами приведет к возгоранию смеси. Роторный двигатель, ввиду особенностей компоновки, является более предпочтительным для водородного автомобиля;
  • для хранения водорода требуется емкость большого объема, а также специальные системы, препятствующие улетучиванию Н2 и обеспечивающие защиту от механических деформаций. Если для автобусов, грузовиков либо водного транспорта такая особенность не играет большой роли, то легковые автомобили теряют ценные кубометры багажного отделения;
  • в режимах высокотемпературных нагрузок водород способен провоцировать разрушительное воздействие на детали цилиндропоршневой группы и моторное масло. Применение соответствующих сплавов и смазочных материалов ведет к удорожанию производства и эксплуатации двигателей, работающих на водороде.

Перспективы развития

Автомобилестроение – далеко не единственная область, где могут применяться водородные двигатели. Водный, железнодорожный транспорт, авиация, а также различная вспомогательная спецтехника могут использовать силовые установки подобного типа.

Интерес к внедрению технологии водородных двигателей проявляют как дочерние предприятия, так и крупные автоконцерны (BMW, Volskwagen, Toyota, GM, Daimler AG и прочие). Уже сейчас на дорогах можно встретить не только опытные образцы, но и полноценные представители модельного ряда, приводимые в движение с помощью водорода. BMW 750i Hydrogen, Honda FSX, Toyota Mirai и многие другие модели отлично зарекомендовали себя во время дорожных испытаний. К сожалению, высокая стоимость водорода, отсутствие инфраструктуры заправочных станций, а также достаточного количества квалифицированных сотрудников, оборудования для ремонта и обслуживания не позволяют запустить такие автомобили в массовое производство. Оптимизация всего цикла использования гремучего газа являются первоначальной задачей области развития водородной энергетики.

Toyota Mirai снаружи


На первый взгляд тяжело понять, то ли это прототип новой модели, то ли серийный автомобиль, но когда подходишь ближе и начинаешь осматривать, понимаешь, машина серийная и кардинально отличается от других седанов. Показ Mirai состоялся в прошлом году в Лос-Анджелесе, но в серийное производство поступит только в следующем году.
На какие комплектации будет делится новый Mirai, производитель Toyota не уточняет, скорей всего, что это будет одна комплектация, которая максимум может отличатся по внутренней начинке, и то по началу могут быть только одной начинки, так как модель совсем свежая.
Спереди решетка Mirai большая и открытая для лучшего охлаждения двигателя. Боковые части решетки так же непривычно больших размеров, что сразу выделяет автомобиль среди других. В боковые отверстия Mirai, которые по высоте занимают почти весь передний бампер, встроены светодиодные дневные огни, они же служат противотуманками в плохую погоду.

Над бампером Mirai расположены светодиодные фары вытянутой формы, именно они разделяют нижнюю и верхнюю часть автомобиля. Стоя спереди и смотря на Toyota Mirai, можно увидеть, что часть над фарами уже, а часть автомобиля под фарами шире.
Между фарами расположили небольшую радиаторную решетку, она скорей декоративная, нежели предназначена для хорошего охлаждения. Посередине решетки расположена стандартная эмблема Toyota.
Капот Mirai имеет выгнутые формы и посажен между передних крыльев, а не как привычный в других моделях Toyota, который становится на крылья сверху. Поговаривают производитель благодаря такому капоту улучшил аэродинамику, но многие все же считают, что это не так.

Сбоку переднее крыло имеет не привычные формы, повторяя контуры фар от боковой части и до зеркал заднего вида, которые дизайнеры расположили на двери, а не возле стойки, как у большинства Toyota. Как уверяет производитель, зеркала в Mirai будут с подогревом, повторителем поворотов и электроприводом для подстройки.
Боковые формы кузова Toyota Mirai говорят о том, что дизайнеры и инженеры старались улучшить аэродинамику по максимуму, так как на дверях, крыльях и крыше просматриваются выточенные черты аэродинамического кузова. На дверях расположили ручки с сенсорным датчиком для открытия дверей, так же в комплект включены доводчики дверей, что очень удобно и не составляет труда в открытии или закрытии дверей.

Задняя часть Mirai не похожа ни на одну из существующих моделей Toyota. Большие задние фонари, которые растянулись от нижней части заднего крыла и до верхней части крышки багажника. Повторитель стопов, растянутый вдоль крышки багажника над фонарями.

Задний бампер, сверху повторяет формы крышки багажника и стопов, нижняя часть выгнута и разделена повторителем стопов на две части. Под бампером не наблюдается выемка под глушитель или же сам глушитель, и это нормально для Mirai, так как в основу поставлен водородный двигатель, который вместо бензина заправляется водородом и результатом выхлопа (работы двигателя) является не CO2, а водяной пар. Крыша Toyota Mirai, так же сделана аэродинамической, на задней части крыши установлена антенна в виде акульего плавника.
В стандартную комплектацию Toyota Mirai будут установлены легкосплавные 17? диски. На заднем левом крыле инженеры расположили заправочное отверстие для водорода. Кстати, заправить Mirai можно только на специализированных заправках, никак не в домашних условиях.
Размеры кузова Toyota Mirai не сказать, что малые и составляют:

  • длинна составляет 4870 мм;
  • ширина 1810 мм;
  • высота 1535 мм;
  • колесная база Mirai составляет 2780 мм;
  • клиренс Mirai – 130 мм.

По цветовой гамме, Mirai будет доступна покупателю:

  • Синий металлик;
  • Кристально белый;
  • Серебристый;
  • Черный.

Минимальный радиус разворота Mirai составляет 5.7 м. Масса автомобиля составляет 1850 кг.

Салон Toyota Mirai


Интерьер необычного Mirai, так же удивляет множеством функциональных кнопок на передней панели, красивым дизайном и мультифункциональностью.
Сев на место водителя, первое, что бросается в глаза, это большой сенсорный LCD экран посередине, на который будет выводиться изображения с камеры заднего вида, карты навигации или другие функции Mirai.
Под дисплеем расположили кнопку старт/стоп двигателя, два воздуховоды и кнопку аварийной стоянки. Чуть ниже расположили панель управления климат-контролем, кнопки управления аудиосистемой, кнопки подогрева сидений, зеркал и других вспомогательных систем. Так же под дисплеем расположили рычаг КПП. Во всех автомобилях Mirai коробка будет автоматической.

Немного непривычной и так же не очень удобной является панель приборов Mirai. Её расположили не над рулевым колесом, как зачастую и привычно это делают производители, а посередине консоли, над LCD дисплеем. Длинный дисплей выводит полную информацию об автомобиле, скорость, состояние двигателя, уровень водорода в баках и другую нужную информацию во время езды.
Справа от середины консоли расположили привычный всем отсек для хранения разнообразных небольших вещей, слева рулевое колесо. Не обошлось без подогрева руля и кнопок управления на рулю. Инженеры постарались по максимуму вывести управление на руль, чтоб можно было в пару движений вести контроль над Mirai.
Салон Toyota Mirai содержит множество углом и деталей подобных к деталям самолета, некоторым покупателям это может оказаться неудобным и неуклюжим. Салон оббит кожей. Двери и передняя панель так же обшиты кожаными вставками. Сами сиденья сделаны в спортивном стиле, что очень удобно при поездках на дальние расстояния. Подголовники на сиденьях так же удобны и легко регулируются под любого пассажира. Задние сиденья Mirai так же удобны и рассчитаны только для двух пассажиров, так как посередине разделены подлокотником, который невозможно сложить.


По цвету салон будет доступен в черной и белой цветовой гаме. В отличии от черного, белый салон будет не полностью белого цвета, только в самых главных и видимых местах.

Toyota Mirai 2016: технические характеристики


Как вы уже поняли, то главным показателем Mirai является водородный двигатель, не каждый день можно встретить автомобиль, который ездит на водороде вместо бензина. Но так же и не везде есть заправки для таких двигателей, что крайне не удобно становится для хозяев такого автомобиля.
Мы уже упоминали, что весь модельный ряд Toyota Mirai будет комплектоваться автоматической КПП с передним приводом. Под капотом находится водородный двигатель, который преобразует водород в энергию и позволяет проехать порядка 500 км на одной заправке. Это главное, что отличает Mirai от электрокаров, способных проехать на одном заряде чуть больше 100 км.
Что касается заправки, то она составляет до 5 минут, в электромашинах заправка занимает зачастую от пару часов, до целой ночи. Мощность водородного двигателя составляет 154 л.с., крутящий момент 335 Нм. Таким образом, разгон Toyota Mirai от 0 до 100 км/час составляет 9 секунд.

По словам производителя, средний расход водорода составляет 100 мл на 1.61 км. Баки для водорода, а их в автомобили два штуки, расположили в районе задних колес. Производятся они только на заводе Toyota под строгим контролем качества. Особая структура бака с нескольких слоев полимерного материала и углеродного волокна делают бак прочным и эффективным к поглощению энергии в случае его деформации или удара. Каждый баллон способен вместить порядка 60 и 62.4 л. водорода.
Для смещения центра тяжести, все тяжелые детали были установлены внизу Toyota Mirai. За задними сиденьями установлена дополнительная батарея питания, так как нажав на газ, водород не сразу начинает вырабатывать энергию, и благодаря этой батарее, задержка между выработкой и стартом была убрана.
Главным конкурентом будет Honda FCV, производство которой планируют начать в марте 2016 года.