Vodikov motor. Kako to radi i nedostaci

Motori s unutarnjim izgaranjem nisu se dramatično pojavili kao zasebni pogonski sklopovi. Umjesto toga, klasični motor nastao je kao rezultat usavršavanja i poboljšanja toplinskih strojeva. Pročitajte o tome kako se postupno pojavila jedinica, koju smo navikli viđati ispod haube automobila. u zasebnom članku.

Međutim, kada se pojavio prvi automobil opremljen motorom s unutarnjim izgaranjem, čovječanstvo je dobilo samohodno vozilo koje nije zahtijevalo stalno hranjenje, poput konja. Mnogo se stvari promijenilo u motorima od 1885. godine, ali jedan nedostatak ostaje nepromijenjen. Tijekom izgaranja smjese benzina (ili drugog goriva) i zraka ispušta se previše štetnih tvari koje zagađuju okoliš.

Ako su se prije pojave samohodnih vozila arhitekti europskih zemalja bojali da će se veliki gradovi utopiti u konjskoj balegi, danas stanovnici megalopolisa udišu prljavi zrak.

Pooštravanje ekoloških standarda za transport prisiljava proizvođače vozila da razviju čistiji pogonski sklop. Dakle, mnoge su se tvrtke zainteresirale za prethodno stvorenu tehnologiju Anjosa Jedlika - samohodna kolica na električnu vuču, koja su se pojavila davne 1828. godine. I danas se ta tehnologija toliko učvrstila u automobilskom svijetu da nikoga nećete iznenaditi električnim automobilom ili hibridom.

No ono što je zaista ohrabrujuće su elektrane kojima je jedino puštanje vode za piće. To je vodikov motor.

Što je vodikov motor?

Ovo je vrsta motora koji koristi vodik kao gorivo. Korištenje ovog kemijskog elementa smanjit će iscrpljivanje resursa ugljikovodika. Drugi razlog interesa za takve instalacije je smanjenje onečišćenja okoliša.

Ovisno o vrsti motora koji će se koristiti u transportu, njegov će se rad razlikovati od klasičnog motora s unutarnjim izgaranjem ili će biti identičan.

Kratka povijest

Vodikovi motori s unutarnjim izgaranjem pojavili su se u istom razdoblju kada se razvijao i unapređivao ICE princip. Francuski inženjer i izumitelj dizajnirao je vlastitu verziju motora s unutarnjim izgaranjem. Gorivo koje je koristio u svom razvoju je vodik, koji se pojavljuje kao rezultat elektrolize H₂O. 1807. godine pojavio se prvi automobil s vodikom.

Isaac De Rivaz 1807. godine podnio je patent za razvoj traktora za vojnu opremu. kao jednu od energetskih jedinica predložio je upotrebu vodika.

Pogonska jedinica bila je klipna, a paljenje u njoj nastalo je stvaranjem iskre u cilindru. Istina, za prvo stvaranje izumitelja bilo je potrebno ručno generiranje iskre. Nakon samo dvije godine, završio je svoj posao i rodilo se prvo samohodno vozilo na vodik.

Međutim, u to vrijeme razvoju nije pridavana važnost, jer plin nije tako lako dobiti i skladištiti kao benzin. Vodikovi motori praktički su korišteni u Lenjingradu tijekom blokade iz druge polovice 1941. godine. Iako, moramo priznati da to nisu bile isključivo vodikove jedinice. To su bili obični motori s unutarnjim izgaranjem GAZ, samo što za njih nije bilo goriva, ali u to je vrijeme bilo dosta plina, budući da su ih napajali baloni.

U prvoj polovici 80-ih mnoge su se zemlje, ne samo europske, već i Amerika, Rusija i Japan obvezale eksperimentirati s ovom vrstom instalacija. Dakle, 1982. godine, zajedničkim radom tvornice Kvant i automobilskog poduzeća RAF, pojavio se kombinirani motor koji je radio na mješavini vodika i zraka, a baterija od 5 kW / h korištena je kao izvor energije.

Od tada su razne zemlje pokušavale uvesti "zelena" vozila u svoje modele, ali u većini slučajeva takva su vozila ili ostala u kategoriji prototipa ili su imala vrlo ograničeno izdanje.

Kako to radi

Budući da danas postoji mnogo pogonskih motora ove kategorije, u svakom pojedinačnom slučaju postrojenje za vodik će raditi prema vlastitom principu. Razmotrite kako djeluje jedna preinaka koja može zamijeniti klasični motor s unutarnjim izgaranjem.

U takvom će se motoru definitivno koristiti gorivne ćelije. Oni su svojevrsni generatori koji aktiviraju elektrokemijsku reakciju. Unutar uređaja vodik se oksidira, a rezultat reakcije je oslobađanje električne energije, vodene pare i dušika. U takvoj se instalaciji ne emitira ugljični dioksid.

Vozilo temeljeno na sličnoj jedinici isto je električno vozilo, samo što je baterija u njemu puno manja. Gorivna ćelija stvara dovoljno energije za rad svih sustava vozila. Jedino je upozorenje da od početka procesa do stvaranja energije mogu potrajati oko 2 minute. No, maksimalni učinak instalacije započinje nakon zagrijavanja sustava, što traje od četvrt sata do 60 minuta.

Kako elektrana ne bi radila uzalud, i nije potrebno unaprijed pripremiti prijevoz za put, u nju je ugrađena konvencionalna baterija. Tijekom vožnje puni se zbog oporavka, a potreban je isključivo za pokretanje automobila.

Takav je automobil opremljen cilindrom različitih volumena, u koji se pumpa vodik. Ovisno o načinu vožnje, veličini automobila i snazi ​​električne instalacije, jedan kilogram plina može biti dovoljan za 100 kilometara putovanja.

Tipovi vodikovih motora

Iako postoji nekoliko modifikacija vodikovih motora, sve se dijele na dvije vrste:

• Tip jedinice s gorivom ćelijom;
• Izmijenjeni motor s unutarnjim izgaranjem, prilagođen za rad na vodik.

Razmotrimo svaku vrstu zasebno: koje su njihove značajke.

Elektrane na bazi vodikovih gorivnih ćelija

Gorivna ćelija temelji se na principu baterije, u kojoj se odvija elektrokemijski proces. Jedina razlika između vodikovog analoga je veća učinkovitost (u nekim slučajevima i više od 45 posto).

Gorivna ćelija je jedna komora u kojoj su smještena dva elementa: katoda i anoda. Obje elektrode presvučene su platinom (ili paladijom). Između njih nalazi se opna. Šupljinu dijeli u dvije komore. Kisik se dovodi u šupljinu s katodom, a vodik u drugu.

Kao rezultat, dolazi do kemijske reakcije čiji je rezultat kombinacija molekula kisika i vodika s oslobađanjem električne energije. Nuspojava postupka je oslobađanje vode i dušika. Elektrode gorivih ćelija spojene su na električni krug automobila, uključujući i elektromotor.

Vodikovi motori s unutarnjim izgaranjem

U ovom slučaju, iako se motor naziva vodik, on ima identičnu strukturu kao i konvencionalni ICE. Razlika je samo u tome što ne gori benzin ili propan, već vodik. Ako cilindar napunite vodikom, tada postoji jedan problem - ovaj će plin smanjiti učinkovitost konvencionalne jedinice za oko 60 posto.

Evo još nekoliko problema s prelaskom na vodik bez nadogradnje motora:

• Kad se HTS stisne, plin će ući u kemijsku reakciju s metalom od kojeg su izrađene komora za izgaranje i klip, a često se to može dogoditi i s motornim uljem. Zbog toga se u komori za izgaranje stvara drugi spoj koji se ne razlikuje po posebnoj sposobnosti da dobro gori;
• Praznine u komori za izgaranje moraju biti savršene. Ako negdje sustav za gorivo ima barem minimalno curenje, plin će se lako zapaliti u dodiru s vrućim predmetima.

Motor za Hondu Clarity

Iz tih razloga je praktičnije koristiti vodik kao gorivo u rotacijskim motorima (koja je njihova značajka, pročitajte здесь). Usisni i ispušni razvodnici takvih jedinica smješteni su odvojeno jedan od drugog, tako da se plin na ulazu ne zagrijava. Bilo kako bilo, dok se motori moderniziraju kako bi se zaobišli problemi korištenja jeftinijeg i ekološki prihvatljivijeg goriva.

Koliko traje životni vijek gorivih ćelija?

Danas su u cijelom svijetu takvi automobili vrlo rijetki i još nisu u seriji, teško je reći koji resurs ima određeni izvor energije. Obrtnici još nemaju iskustva u tom pogledu.

Jedino što se može reći je da je prema izjavama predstavnika Toyote, gorivna ćelija njihovog serijskog automobila Mirai sposobna neprekidno stvarati energiju do 250 tisuća kilometara. Nakon ove prekretnice morate pratiti učinkovitost uređaja. Ako su se njegove performanse značajno smanjile, gorivna ćelija se mijenja u ovlaštenom servisnom centru. Istina, treba očekivati ​​da će tvrtka uzeti pristojan iznos za ovaj postupak.

Koje tvrtke već proizvode ili će proizvoditi automobile s vodikom?

Mnoge se tvrtke bave razvojem ekološki prihvatljive pogonske jedinice. Evo auto marki u čijem dizajnerskom birou već postoje opcije koje su spremne za seriju:

• Mercedes-Benz je crossover GLC F-Cell, čiji je početak prodaje najavljen 2018. godine, no do sada ga je kupilo samo nekoliko njemačkih poduzeća i ministarstava. Nedavno je predstavljen prototip vučne jedinice s vodikovim gorivnim ćelijama, GenH2;
• Hyundai - prototip Nexo predstavljen prije dvije godine;
• BMW je prototip vodikovog vodika 7, koji je pušten s proizvodne trake. Serija od 100 primjeraka ostala je u eksperimentalnoj fazi, ali to je već nešto.

Među automobilima koji se mogu kupiti u Americi i Europi su modeli Mirai i Clarity iz Toyote, odnosno Honde. Za ostale tvrtke ovaj je razvoj još uvijek u verziji za crtanje ili kao neradni prototip.

Toyota mirai

Honda jasnoća

Koliko košta automobil na vodik?

Trošak automobila s vodikom je pristojan. Razlog tome su plemeniti metali koji su dio elektroda gorivih ćelija (paladij ili platina). Također, moderni automobil opremljen je bezbrojnim sigurnosnim sustavima i stabilizacijom rada električnih elemenata, što također zahtijeva materijalna sredstva.

Iako održavanje takvog automobila (do zamjene gorivih ćelija) nije puno skuplje od običnog automobila najnovije generacije. Postoje zemlje koje sponzoriraju proizvodnju vodika, ali čak i uzimajući to u obzir, morat ćete u prosjeku platiti 11 i pol dolara po kilogramu plina. Ovisno o vrsti motora, to može biti dovoljno za udaljenost od stotinjak kilometara.

Zašto su vodikovi automobili bolji od električnih automobila?

Ako uzmete biljku vodika s gorivim ćelijama, tada će takav automobil biti identičan električnom automobilu koji smo navikli viđati na cestama. Razlika je samo u tome što se električni automobil puni iz mreže ili s terminala na benzinskoj postaji. Transport vodika sam stvara električnu energiju za sebe.

Što se tiče troškova takvih automobila, oni su skuplji. Primjerice, osnovni Teslini modeli koštat će od 45 tisuća dolara. Analozi vodika iz Japana mogu se kupiti za 57 tisuća jedinica. Bavarci, pak, prodaju svoje automobile na "zelenom" gorivu po cijeni od 50 dolara.

S obzirom na praktičnost, lakše je napuniti automobil benzinom (trebat će oko pet minuta) nego čekati pola sata (s brzim punjenjem, što nije dopušteno za sve vrste baterija) na parkiralištu. To je plus biljaka s vodikom.

Još jedan plus je što gorivim ćelijama nije posebno potrebno održavanje, a njihov radni vijek prilično je velik. Što se tiče električnih vozila, njihova će ogromna baterija trebati zamjenu za otprilike pet godina zbog činjenice da ima mnogo ciklusa pražnjenja i pražnjenja. Pri temperaturama smrzavanja, baterija u električnim vozilima prazni se puno brže nego ljeti. Ali element u reakciji oksidacije vodika ne pati od toga i stabilno proizvodi električnu energiju.

Kakve su šanse za automobile s vodikom i kada će ih se vidjeti na cesti?

U Europi i Sjedinjenim Državama automobil s vodikom već se može naći. Međutim, oni su i dalje u kategoriji znatiželje. A danas je malo izgleda.

Glavni razlog što ova vrsta prijevoza neće uskoro popuniti ceste svih zemalja je nedostatak proizvodnih kapaciteta. Prvo, potrebno je uspostaviti proizvodnju vodika. Štoviše, potrebno je doseći takvu razinu da je, osim ekološke prihvatljivosti, i gorivo dostupno većini vozača. Uz proizvodnju ovog plina, potrebno je organizirati i njegov transport (iako za to možete sigurno koristiti autoceste kojima se prevozi metan), kao i opremiti mnoge punionice odgovarajućim terminalima.

Drugo, svaki će proizvođač automobila morati ozbiljno modernizirati proizvodne linije, što zahtijeva znatna ulaganja. U nestabilnoj ekonomiji zbog izbijanja globalne epidemije malo će tko riskirati.

Ako pogledate tempo razvoja električnog prijevoza, proces popularizacije odvijao se vrlo brzo. Međutim, razlog popularnosti električnih automobila je mogućnost uštede na gorivu. I to je često prvi razlog zašto se kupuju, a ne radi očuvanja okoliša. U slučaju vodika neće biti moguće uštedjeti novac (barem sada), jer se na njegovu proizvodnju troši puno više energije.

Prednosti i glavni nedostaci vodikovih motora

Dakle, rezimirajmo. Prednosti motora s vodikovim gorivom uključuju sljedeće čimbenike:

• Ekološki prihvatljiva emisija;
• Tihi rad pogonske jedinice (električna vuča);
• U slučaju korištenja gorivne ćelije nije potrebno često održavanje;
• Brzo punjenje gorivom;
• U usporedbi s električnim vozilima, pogonski sustav i izvor energije djeluju stabilnije čak i pri temperaturama smrzavanja.

Iako se razvoj ne može nazvati novošću, on ipak ima niz nedostataka koji natjeraju prosječnog vozača da ga gleda oprezno. Ovo su neki od njih:

• Da bi se vodik mogao zapaliti, on mora biti u plinovitom stanju. To stvara određene poteškoće. Na primjer, potrebni su posebni skupi kompresori za komprimiranje laganih plinova. Također postoji problem s pravilnim skladištenjem i transportom goriva, jer je vrlo zapaljivo;
• Cilindar, koji će se instalirati na automobil, morat će se povremeno provjeravati. Za to će automobilist trebati posjetiti specijalizirani centar, a to je dodatni trošak;
• U automobilu s vodikom ne koristi se ogromna baterija, međutim, instalacija i dalje pristojno teži, što značajno utječe na dinamičke karakteristike vozila;
• Vodik se zapali na najmanju iskru, pa će nesreća u kojoj je takav automobil biti popraćena ozbiljnom eksplozijom. S obzirom na neodgovoran odnos nekih vozača prema vlastitoj sigurnosti i životima drugih sudionika u prometu, takva se vozila još ne mogu pustiti na ceste.

S obzirom na interes čovječanstva za čistijim okolišem, možemo očekivati ​​da će se napraviti napredak u pitanju finalizacije "zelenog" prijevoza. Ali kad se to dogodi, vrijeme će pokazati.

U međuvremenu pogledajte video pregled Toyote Mirai:

Budućnost vodika? Toyota Mirai - POTPUNA RECENZIJA i specifikacije | LiveFEED®

Pitanja i odgovori:

Zašto je vodikov motor opasan? Tijekom izgaranja smjese vodika motor se zagrijava više nego tijekom izgaranja benzina. Kao rezultat toga, postoji velika vjerojatnost izgaranja klipova, ventila i preopterećenja jedinice.

Kako napuniti auto na vodik? Takav automobil se puni vodikom u plinovitom stanju (ukapljeni ili komprimirani plin). Za pohranu goriva, komprimira se na 350-700 atmosfera, a temperatura može doseći -259 stupnjeva.

Kako radi vodikov motor s unutarnjim izgaranjem? Automobil je opremljen svojevrsnom baterijom. Kisik i vodik prolaze kroz posebne ploče. Rezultat je kemijska reakcija s oslobađanjem vodene pare i električne energije.