Использование водорода в ДВС и для мотор колёс.

01.09.2014

 Водород и способы его получения.

Проведение электролиза в лабораторных условиях
 Водород — первый элемент периодической системы элементов. Он является самым распространенным газом во Вселенной. Это простое вещество при обычных для него  условиях, является легким бесцветным газом, которое в смеси с воздухом или кислородом может быть взрывоопасным и легко воспламеняемым. На Земле водород встречается преимущественно в связанном состоянии. Именно поэтому способы его получения основываются на реакциях металлов с одним из соединений водорода, например:
 
   Для добычи водорода также могут быть использованы реакции разложения сложных веществ на более простые. Одним из таких способов является реакция разложения воды электрическим током (электролиз).  

Водород как топливо.

    Еще в 1806 году была разработана конструкция двигателя внутреннего сгорания, работающего на водороде. К сожалению, в то время эти эксперименты не имели практического значения  и вскоре были забыты.
О водороде вспомнили во время Второй Мировой войны: из-за недостатка бензина, -  на водородное топливо было переведено около шестисот автомобилей Вермахта. После этого исследования в области использования водородного топлива в ДВС начали проводить многие компании. У водорода есть неоспоримые плюсы: экологичность, ,высокие энергетические показатели, уникальные кинетические характеристики и практически неограниченная сырьевая база. Но если переделать стандартный двигатель внутреннего сгорания на работу с водородом, достаточно легко, и самого водорода можно производить неограниченное количество, - то почему же сейчас эта технология не получила широкое распространение?
 
   Дело в том, что для получения водорода используются  достаточно сложные и дорогостоящие технологии. Причём, - мало  получить это горючее, его нужно научиться хранить без потерь на испарение. Ещё одним серьёзным препятствием для широкого использования водорода на транспорте, является отсутствие сети водородных заправочных станций.  Всё вышеописанные проблемы в совокупности  и являются тормозом  повсеместного применения водорода.
Поэтому, автомобилей на водороде: с топливными ячейками и модифицированными двигателями внутреннего сгорания,  в мировом автопарке пока набираются только сотые доли процента.

Водородные двигатели.

   Обычный двигатель для использования водорода в качестве топлива не подходит, так как этот газ легко воспламеняется от высокой температуры внутри механизма, даже без образования искры на свечах зажигания, а значит возникает неконтролируемое горение или калильное зажигание, которое никак не согласуется с рабочим циклом двигателя. Однако, если внести изменения в систему зажигания, для работы на водороде, то с бензинового двигателя можно снимать даже большую мощность, чем при использовании штатного топлива. При этом, из-за повыщения рабочей температуры двигателя к сожалению, увеличивается выход окислов азота, что ухудшает некоторые параметра выхлопа.
 
   При протекании  рабочих  процессов в  водородных двигателях внутреннего сгорания,   возможность неконтролируемого воспламенения смеси воздуха и водорода, создаёт дополнительные проблемы с переводом ДВС на водород, однако, быстро нашлось и противоядие: дополнительный впрыск во впускной коллектор «холодного» водорода позволяет одновременно решить две задачи: повысить безопасность и эффективность работы двигателя, а также разогреть водород перед его сжиганием до газообразного состояния.
 
   При создаваемых в двигателе температурах и давлении, водород вступает в реакцию со смазкой и материалами двигателя, что приводит к быстрому износу узлов устройства, поэтому для модификации двигателей под водородное топливо, применяют особые материалы, свечи без платиновых электродов и видоизменённый воздуховод.
Кроме изменений в системе зажигания, при переделке двигателя под водородное топливо производится замена деталей цилиндро-поршневой группы и клапанного механизма на более прочные и термостойкие. Зато,  после всех переделок,  в зависимости от типа двигателя (инжекторный или карбюраторный), -  мощность двигателя  вырастает в среднем от 20 до 40 процентов.

Самодельные генераторы водорода

    Описывая двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, нельзя не упомянуть использование некоторыми автолюбителями самодельных установок для получения водорода прямо под капотом автомобиля во время его движения. В качестве исходного сырья для получения водорода используется обычная вода, налитая в какую-нибудь ёмкость для проведения электролиза. Энергия для выделения водорода из воды берётся от автомобильного генератора тока. Полученный в небольших количествах газ,  направляется во впускной коллектор двигателя через воздуховод, где смешивается с бензином и сгорает вместе с ним.
 
   Сторонники «водородного» тюнинга  «Жигулей» утверждают, что таким способом уменьшают расход бензина. Но это не так, потому что расход энергии на производство газа  превосходит количество энергии получаемой от сжигания водорода в двигателе.   Чтобы доказать это, не требуется даже проведения лабораторных замеров – всё давно уже измерено автомобильными научно-исследовательскими институтами и автомобильными корпорациями. А уж кто-кто, а автомобильные концерны, как только изыскивают способ хотя бы на несколько процентов увеличить экономичность выпускаемых ими моделей, внедряют новшества ещё раньше, чем мы о них услышим.
 
электромобиль с топилвными элементами
Автомобиль на топливных элементах.
 

Плюсы и минусы использования водорода.

   Технический водород - это экологически чистое топливо для автотранспорта, его использование сократит выброс в атмосферу вредных веществ от выхлопных газов автомобилей  и уменьшит расход невозобновляемого углеводородного топлива в масштабах планеты.    Водород обладает широкими пределами воспламенения, высокой скоростью сгорания, и лучшей диффузионной способностью по сравнению с бензином. Рабочий цикл отличается лучшими показателями экономичности, более высоким КПД и полным отсутствием  токсичности. Эти свойства  определяют  хорошие параметры рассчитанных на применение водорода   двигатели. К тому же, энергия, необходимая для воспламенения водорода намного меньше, чем для углеводородных топлив.
 
   Большим минусом водородных двигателей является то, что нет возможности быстро дозаправить машину в пути, например, из канистры или на заправке. Для дозаправки водородом требуется построить сеть заправочных станций, а это намного (примерно в 10 раз) дороже, чем строительство бензиновых заправок. Среди всех газов, -  у водорода самая высокая летучесть. Именно из-за этого его очень трудно сохранить в жидкой консистенции, что, в свою очередь, затрудняет хранение, транспортировку и использование водорода в баке. За довольно короткое время из такого резервуара может полностью испариться топливо. Если заправленной водородом машиной не пользоваться две-три недели, то водород за это время успевает полностью улетучиться.
 
 Главный недостаток использования – это отсутствие на сегодняшний день недорогих  способов получение водорода. Основные способы получения водорода сегодня, - это электролиз воды (или водных растворов), доступный даже в домашних условиях или же проведение химических реакций. Проблема состоит в том, что  суммарные затраты на получение водорода равняются или даже  превышают стоимость полученной энергии в результате его последующего сгорания.
 
   Но это экономическое противоречие можно легко обойти, если добытый водород не сжигать в двигателях внутреннего сгорания, КПД которых составляет 25-30%, а использовать в качестве исходного сырья для выработки электричества в топливных элементов и  снабжения им мотор колёс электромобилей. Такая схема уже даёт КПД на уровне 70-80%, что несомненно сделает водородную технологию рентабельной уже в ближайшем будущем.
Схема работы топливного элемента.

Схема работы топливного элемента.
 
схема энергоустановки на топливных элементах.


Схема энергоустановки на топливных элементах.

 
Машины на водородных ДВС: перспективы развития.
 
   В наше время множество автомобильных компаний предлагает собственные модели автомобилей, двигатели внутреннего сгорания которых могут работать как на водороде, так и на бензине. Наиболее известными моделями являются BMW Hydrogen 7, Toyota FCHV, Ford. F-250 Super Chief и Mazda RX-8 hydrogen. Каждая из этих машин выпущена сравнительно недавно и активно рекламируется создателями для поднятия интереса к водородной энергии. Однако большинство производителей отказались от экспериментов с  «водородными» ДВС, предпочитая развивать направление топливных водородных  ячеек и использование производимой ими электроэнергии в  электроприводе.
 
 элетромобиль, работающий на водородном ДВС.
Автомобиль, работающий на водородном ДВС.
 
   Использование водорода в качестве топлива для электромобилей позволит решить экологические проблемы, особенно в больших городах.  Надеемся, в будущем человечество оценит водород по достоинству и найдет способы решения проблем, препятствующих его активному использованию в ближайшем будущем.
 
ТМ «Volta bikes»