Водневий двигун

Персональний сайт, Як працює двигун на водні

12.08.2015

Як працює двигун на водні

В даний час ведуться розробки та впровадження нового палива для позбавлення від нафтової залежності. Америка ставить для себе завдання, як працює двигун на водні, як повністю позбутися від нафтових продуктів за 10 або 15 років.

Європа теж не має наміру відставати, тим більше їм доводиться часто виконувати всі жорсткі норми на викид шкідливих речовин автомобільним транспортом. У них з 1993 року були введені такі норми бензину, як «Євро-1», у 1996 році вже ввели «Євро-2», з 1999 року вводився стандарт «Євро-3», а вже з 2005 року був введений в Європі більш жорсткий стандарт «Євро-4».

В недалекому майбутньому автомобілям буде заборонено викидати шкідливі речовини в атмосферу, і тоді вже автомобілістам не обійтися без машини, у якій двигун працює на водні.

Головна перешкода до впровадження в побут людини автомобіля на водневому двигуні – це відсутність необхідної системи одержання водню в промислових обсягах, а також системи зберігання, заправлення та транспортування.

Постійно виникає питання, як навчити працювати двигун на водні?

На думку тільки американських аналітиків і фахівців, такий двигун, який працює на водні створять не раніше 2020 або 2030 році. Але на перехідні періоди провідні компанії автомобілебудівників пропонують «гібридні автомобілі»: у яких вбудований економічний двигун внутрішнього згоряння може заряджати акумуляторну батарею, яка живить потім електричний двигун.

Трохи з історії про те, як вчили працювати двигун на водні

Двигун внутрішнього згорання був створений в 1806 році французьким винахідником Франсуа Ісааком де Ріваз. Його двигун працював на водні, який вчений робив з допомогою електролізу води.

В інших експериментальних двигунах зазвичай використовувався світильний газ. Бензин ж стали використовувати в двигунах внутрішнього згоряння тільки в 1870 році.

В блокадному Ленінграді сам бензин був брак, але водень був у величезних кількостях. Борис Шелищ – військовий технік, запропонував тоді використовувати наявну водневу суміш для роботи всіх загороджувальних аеростатів.

Потім на водень були переведені багато двигуни лебідок аеростатів. Навіть на цьому паливі змогло працювати 600 автомобілів під час блокади в місті.

Персональний сайт, Як працює двигун на водні

Автомобілі з двигунами, що працюють на водні

В даний час автомобілі, що працюють на водневому паливі, можна розділити на три групи.

Перша – це авто з самим звичайним двигуном, який працює або на водневої суміші або на водні. Такі типи машин можуть працювати на чистому водні або, приміром, додають 10 % водню до основного палива.

У таких випадках ККД двигуна збільшується (у другому приблизно на 20 %), а вихлоп буде набагато чистішим (вміст вуглеводів та чадного газу) зменшиться майже в півтора рази, а оксидів азоту зменшиться майже в п’ять разів. Такі автомобілі та двигуни до них були зроблені як за кордоном, так і у нас приблизно в 80 роках.

Але слід враховувати витрати і багато конструкційні складності, це є лише проміжним етапом на шляху до третього виду автомобілів.

Другий тип — це автомобілі з двома электроносителями, які називаються ще гібридними. Його колеса повинні приводити в рух електропривод, до якого енергію доставляє акумулятор, заряджається від високоекономічного двигуна.

Цей двигун працює на суміші водню з бензином або просто працює на водні. Такий двигун, що працює на водневої основі, набагато економічніше і вигідніше, адже ККД електродвигуна може досягати до 90 чи 95 % в порівнянні з бензиновим паливом (близько 35%) або, наприклад, з дизельним (50%), отже, загальний ККД може підвищитися на 30%, при цьому відразу знижується весь витрата палива.

Навіть для акумулятора і його підзарядки необхідний бензин, тому обсяг усіх шкідливих викидів укладається в норми «Євро-4» приблизно з десятикратним запасом. Але отримати повністю чистий вихлоп можна тільки третім видом автомобілів з водневим двигуном.

Третій вид – це вже реальний водневий автомобіль. В ньому вбудований електродвигун, що живиться від основного паливного елемента, він розташований на борту автомобіля. В теорії ККД цього елемента, що працює на особливій суміші повітря – водень, може стати в 85 %.

Навіть не сьогоднішній день вдалося створити двигуни з ККД, що перевищують 75% — це вже вдвічі вище, ніж у найкращих двигунах внутрішнього згоряння. У міських умовах такі автомобілі отримують величезну перевагу перед автомобілями, що працюють на бензині.

Двигун, що працює на водні. Водень у складі палива.

На сьогоднішній день виробництво дешевого водню дуже далеко від досконалості. Але багато великі підприємства хімічної промисловості отримують понад 500 млрд. м3 водню на рік. Майже половина цієї кількості палива йде на аміачні добрива, а також на такі потреби, як виробництво сталі, маргарину і скла. В основному отримують водень шляхом парового рифоминга природного газу: наприклад, метан при високих температурах (близько 900°С) у складі нікелевого каталізатора починає реагувати з парою.

В даний час такий водень залишається найдешевшим, але російські вчені знайшли спосіб зробити дешевше виробництво в 2 рази.

Є й багато інші способи отримання водню. Приміром, електроліз, крекінг або переробка будь біомаси (такі як деревина, солома). Але будь-який з наведених варіантів мають недоліки.

найпростіший спосіб отримання водню – це електроліз. Але для вироблення водню таким чином, слід витратити 4 кВт електроенергії, щоб виробити близько 1 м3 водню, який, після того, як згорить, дасть лише 1,8 кВт. Але електроліз все-таки ефективніший і перспективніший в даний час. Зараз біологи розробляють новий напрямок у технології вироблення водню.

Деякі бактерії й водорості в процесі фотосинтезу можуть розкладати воду і виділяти водень. Але проблема полягає в тому, що вони роблять це у відсутності кисню і за короткий період.

загалом, двигун, що працює на водні. вже готовий, залишилося тільки зробити дешевше сам водень.

Персональний сайт, Як працює двигун на водні

Схема роботи двигуна на водні для автомобіля забезпечується наступним чином:

поршень, рухаючись від верхньої точки до нижньої точки камери, при цьому відкриває випускний клапан.

У цей момент камера згорання повідомлена з атмосферним тиском, оскільки наявне тиск дорівнює атмосферному тиску

Знаходження поршня з найнижчій точці камери, здійснює герметизацію камери згоряння.

При цьому закривається випускний клапан, а через паливні клапани подається паливна суміш запалюється. В якості паливної суміші застосовується стехіометрична суміш, має і іншу назву, як гримучий газ.

Згораючи, гримучий газ різко підвищує зростання тиску в камері згоряння водневого двигуна. Силою цього тиску відбувається відкриття встановлених в головці циліндра зворотних клапанів, що дозволяє зробити викид в атмосферу згорілих продуктів з камери.

У цей момент відбувається різке зниження тиску в камері згоряння, що активізує закриття зворотних клапанів, тим самим герметизируя камеру згоряння.

Під силою атмосферного тиску поршень, який працює зі сторони під поршневий порожнини, здійснюючи переміщення з нижньої мертвої точки в верхню точку, тим самим завершує робочий хід.

Коли поршень досягає верхньої точки, знову відбувається відкриття випускного клапана, що утворює повторення описуваного робочого циклу. Продукти згоряння, вироблені в камері згоряння, являють собою зволожене повітря.

Саме отримання гримучого газу для водневого двигуна автомобіля може проводитися електролізом води в електролізері, який встановлюється на будь-якої моделі автомобіля.

Така найпростіша схема двигуна, яка і забезпечує рух транспортного засобу.

Наявний в готовому вигляді водень може застосовуватися в якості паливної суміші в самому звичайному двигуні внутрішнього згоряння, при цьому згоряння здійснюється в 1800 разів швидше, а продуктивність, відповідно вище, ніж у бензину чи солярки.

Пари води рекомендовано додавати у двигун до наявного там водню. Підсумком такої спільної роботи водню, при високих температурах і тиску, що створюються в двигуні, і вступ у реакцію з вуглецевими відкладеннями, які згорають в робочих циклах ДВС, стає вигляд самої камери згоряння, представшей блискучою і вибіленої.

Відбувається зникнення нагару спільно зі змазкою, з’являючись у вигляді масляної плівки на гільзах циліндрів. Що значною мірою сприяє відсутності великого зносу двигуна внутрішнього згоряння.

Для забезпечення роботи ДВЗ на водневої суміші досить буде провести невелику модернізацію автомобіля у вигляді створення клапанів і вихлопної системи з неіржавіючої сталі.

Поршні повинні бути з керамічним покриттям. Для тих, хто вже зважився на таку модернізацію, поява проблем з іржею і мастилом не повинні відлякувати. Оскільки все здійснюється в робочому порядку, при своєчасному проведенні технічного обслуговування автомобіля.

Хочеться нагадати автомобілістам всіх рангів і мастей, що перший двигун внутрішнього згоряння, що працює на водневої суміші, винайшов в 1806 році швейцарець Франсуа Ісаак де Ріваз, колишній в той час майором конструктором.

Воднева суміш проводилася конструктором вже тоді, за допомогою електролізу води. В той час, як його колеги для своїх експериментальних робіт по створенню водневого ДВС, використовували, в основному, світильний газ.

Під час Великої вітчизняної війни, в період блокади Ленінграда, бензин був великим дефіцитом, а водень був у великих кількостях. Тому пропозиція техніка Бориса Шелищ про застосування повітряно-водневої суміші, для забезпечення роботи загороджувальних аеростатів було зроблено вчасно і як не можна до речі. Тоді ж і ДВС лебідок аеростатів були переобладнані для використання в якості паливної суміші тільки водню. В цей же блокадний період більше шестисот автомобілів були переобладнані для застосування водневої суміші.

Одним з основних показників використання палива є коефіцієнт корисної дії. І якщо ця цифра для сучасної моделі автомобіля, що працює на бензинової паливної суміші, становить тридцять п’ять відсотків, то коефіцієнт корисної дії ДВС при застосуванні в якості паливної суміші гримучого газу, тобто водню, буде дорівнювати вже сорока п’яти відсоткам.

Канадська компанія Ballard Power Systems, яка проводила випробування свого автобуса, застосовуючи водневі паливні елементи, досягла на сьогоднішній день максимального поліпшення цього виду показників, отримавши ККД, що дорівнює п’ятдесяти семи відсоткам.

Переваги і недоліки двигуна на водні

В даний час практично всіма автомобільними компаніями розробляються і випробовуються способи використовувати водень як альтернативне автомобільне паливо.

В результаті досліджень у цій області, розглядають автомобільні двигуни на водні двох видів: гранди автомобілебудування, такі як компанії Ford Genral Motors, Toyota, Honda, Nissan схиляються до повної або часткової заміни традиційного автомобільного палива воднем при збереженні двигунів внутрішнього згоряння; такі компанії як Mazda і BMW пропонують використовувати електродвигун, що живиться енергією, яку виробляють водневі паливні елементи.

Що ж так приваблює розробників? Розглянемо переваги і недоліки двигунів автомобілів на водні.

Переваги двигуна на водні.

Основною перевагою, якою володіють автомобілі з двигунами на водні, є висока екологічність. Водень можна назвати самим екологічно чистим паливом, продуктом горіння якого є вода, що видно з наведеної нижче реакції: 2Н2 +2 =2Н2 О.

Звичайно, це не означає, що при їзді на автомобілі з двигуном на водні з його вихлопної труби, прямо як з носика чайника, валить абсолютно нетоксичний водяний пар. Не варто забувати, що в двигуні, крім палива, що згорає ще й масло в значних кількостях.

Можливо, учені в майбутньому доопрацюють це. Можливо, при горінні масла будуть виділятися продукти, не псують води. Тоді воду можна буде зібрати прямо з двигуна і знову використовувати для одержання водню шляхом електролізу.

Крім того, переваги тісно пов’язані з типом двигуна машин. Так, при традиційному двигуні внутрішнього згоряння знижується маса автомобілів, і збільшується корисний об’єм багажних відділень, незважаючи на те, що необхідно встановлювати баки для водневого палива.

Двигуни внутрішнього згоряння дозволяють використовувати не тільки водень, але і традиційні види палива, звичайно, для цього треба буде мати два паливних бака, але таку технологію ввести в маси споживачів значно легше.

Що ж стосується електродвигуна, то його робота забезпечується електроенергією, що виробляється в результаті фізико-хімічних реакцій в паливному елементі. Коефіцієнт корисної дії електродвигуна, а так само прийомистість, потужність на одиницю маси та інші показники значно вище, ніж у традиційного двигуна внутрішнього згоряння.

Електродвигун більш простий в обслуговуванні, тут є набагато менше тертьових деталей, а без дорогих елементів для систем живлення, змащення, охолодження, складною трансмісії цілком можна обійтися.

Так само до переваг електродвигуна можна віднести створення меншого рівня шуму при роботі.

Недоліки двигуна на водні

Недоліки автомобілів з двигунами на водні так само тісно пов’язані з типом двигуна. Так, для забезпечення нормальної роботи електродвигуна необхідні не тільки водневі елементи, але й потужні акумулятори та перетворювачі струму, вага і габарити яких далеко не маленькі. В результаті збільшується вага автомобіля.

А, крім того водневі паливні елементи нині недешеві. При використанні водневих елементів в автомобілях з традиційним двигуном внутрішнього згоряння велика вибухо — і пожежонебезпека.

Крім того, питання про баках для водню остаточно не вирішене: на сьогоднішній день інженерами пропонуються метал-гидридні акумулятори, а так само баки для зберігання під високим тиском або в зрідженому вигляді.

До переваг і недоліків автомобілів з двигунами на водні можна ставитися по-різному. Але одне безсумнівно: дослідження в даній області будуть продовжуватися.

ГІДРОДВИГУН ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ У ВОДНЕВІЙ ЕНЕРГЕТИЦІ

Тезу «водень — паливо майбутнього», «автомобілі з двигунами на водні» — звучить все частіше.

За прогнозами багатьох фахівців, до 2050 року третина виробленої енергії повинна бути покрита воднем як джерелом палива.

Водень за всіма параметрами є ідеальним паливом з урахуванням його необмежених запасів, якщо в якості сировини розглядати воду.

Основні проблеми двигунів на водні це:

-розробка економічною продуктивної апаратури отримання водню для роботи двигунів на водні;

-способи зберігання; -транспортування з невеликими втратами.

ГДВС в цьому сенсі є ідеальний двигун за всіма параметрами:

— екологічно абсолютно чистий, так як, для його роботи не потрібно кисню з атмосфери і немає вихлопу;

— ККД 80-85% — це максимально можливий ккд для теплосилових машин;

— ГДВС по суті штучний джерело невичерпної енергії.

ГДВС як новий принцип роботи теплосилової машини вирішує проблем світової енергетики і екології. ГДВС за своїм технічним та економічним характеристикам продукту перевершує всі світові аналоги і практично не буде мати конкуренції на ринку

Короткий опис статті: водневий двигун

Джерело: Персональний сайт — Як працює двигун на водні

Також ви можете прочитати