Водород является одним из видов топлива будущего. Есть два способа его использования. Первый — это прямое сгорание в двигателе, другой — топливные элементы.
Использование водорода в качестве топлива было обычным явлением на протяжении десятилетий, например, у космонавтов, о чем свидетельствуют, например, основные американские двигатели космического челнока (STS) SSME, которые использовали жидкий водород в сочетании с жидким кислородом.
Преимущества жидкого водорода в ракетных технологиях во время завоевания Вселенной также использовались россиянами, например, в ракете «Энергия», которая должна была быть связана с космическим кораблем «Буран» ответом России на STS США.
В отличие от космонавтов и ракетных двигателей, использование водорода в автомобиле гораздо более проблематично.
Исторически, это больше всего связано с брендами BMW, Mazda, Honda и Toyota. В то время как BMW проходила путь прямого сжигания водорода в 1980-х годах в оригинальном бензиновом двигателе, Honda и Toyota прошли путь к использованию водорода в топливных элементах и, таким образом, приводят автомобиль в движение с помощью электрического двигателя. Это доказано Honda FCX Clarity и Toyota Mirai.
Мазда также ловко использовала роторный двигатель Ванкеля, который больше подходит для поршневого двигателя, чтобы сжигать водород. Как для прямого привода (купе RX-8), так и в сочетании с электродвигателем (Premacy Hydrogen RE Hybird). Теперь мы рассмотрим концепции привода более подробно, особенно с точки зрения преимуществ и недостатков.
Водородная горелка — проблема температуры деталей двигателя
Идея разработки или, скорее, создания функционального поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором вместо дизельного топлива используется бензин на водороде, восходит к 1920-м годам. Были предприняты попытки как сборщиками двигателей для дирижаблей, так и Рикардо и Майбахом. В Чехии, к примеру, водородный привод изучается на машиностроительном факультете в ЧТУ с 1978 года.
Однако сгорание водорода в поршневом двигателе имеет несколько подводных камней. Первый по сравнению с бензином — это небольшой объем тепла, вызванный низкой плотностью водорода. Теоретически, вам нужно больше водорода, чтобы поддерживать двигатель на приемлемом уровне, по крайней мере, 30 процентов.
Toyota Mirai: сжатое будущее
Другим недостатком являются продукты, полученные в результате сжигания. Часто упоминаемый безвредный водяной пар, который очень трудно достичь на практике. Почти всегда при сжигании смеси с водородом образуются также соединения оксидов азота (NOx), которые сегодня являются наиболее наблюдаемыми продуктами сгорания. Это относится, в частности, к дизельным двигателям, используемым для этой цели по известной технологии SCR, а также к усовершенствованной рециркуляции дымовых газов.
Согласно исследованиям этот двигатель гораздо больше подходит для сжигания водорода. Образование NOx в значительной степени зависит от времени введения дозы. Если рассматривать плохие смеси для горения, то лучшим является впрыск водорода в фазу всасывания поршня или, точнее, в конец поршня. С точки зрения эффективности, еще лучше вводить водород в такт сжатия, что также приводит к увеличению количества упомянутых оксидов азота.
В случае сгорания водородных смесей в поршневом двигателе второй основной проблемой является воздействие пламени на всасывающий тракт. Это связано с горячими частями двигателя в сочетании с очень хорошим сгоранием водородно-воздушной смеси.
В связи с этим, следовательно, более выгодно использование роторного двигателя Ванкеля японской Mazda для сжигания соединений водорода. В отличие от поршневого двигателя, низкотемпературная впускная камера и высокотемпературная камера сгорания двигателя разделены в ней. Кроме того, нет классических всасывающих и выпускных клапанов.
Будущее автомобилей: водородные ставки и снижение европейских производителей
Mazda все еще находится в гибридной машине Premacy Hydrogen RE, которая сочетает в себе роторный двигатель, сжигающий смесь водорода и воздуха, но может быть заменена классическим бензином с электродвигателем, который приводит в движение передние колеса. Это водородный гибридный привод, и роторный двигатель может напрямую приводить в движение колеса вместе с электродвигателем, но он также может действовать как генератор энергии и, следовательно, только заряжать тяговую батарею.
Топливные элементы — не подходит для движения по автомагистралям
Другой способ использовать водород для управления автомобилем — это топливные элементы. В этом случае химическая энергия топлива преобразуется (в данном случае водород в электрическую) в присутствии окислителя в форме воздуха.
Автомобиль на топливных элементах, по сути, представляет собой особый тип электромобиля, поскольку прямой привод автомобиля осуществляется с помощью электродвигателя, который приводится в действие топливным элементом. В целом, топливные элементы имеют очень разные свойства по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Они имеют высокую эффективность при низкой нагрузке, но с увеличением нагрузки уменьшается. В случае двигателя внутреннего сгорания, это в основном наоборот.
Увеличение нагрузки на топливный элемент (и, следовательно, снижение его эффективности) означает постоянную зарядку аккумулятора. Это происходит при движении с нагрузкой, такой как автомагистраль, когда требуется более высокая мощность электродвигателя, но в то же время ему требуется больше тока, который он потребляет от аккумулятора. Следовательно, топливный элемент всегда необходимо перезаряжать, что снижает его эффективность. Решением может быть двигатель внутреннего сгорания, который успешно прошел испытания в лабораториях США.
Hyundai и H2 Energy запустят парк автомобилей на топливных элементах
С внедрением водорода, конечно, есть ряд других проблем. Во-первых, он взрывоопасен в сочетании с воздухом. Он также бесцветен и не имеет запаха. Однако, первоначальные опасения по поводу безопасности транспортного средства в случае пожара (взрыва) отчасти странны. Это связано с уже упомянутой низкой плотностью водорода. Это означает сжигание определенной формы пламени, которое колеблется в узкой спирали вверх. В отличие от газового огня, он распространяется не так быстро и в основном неуправляемо.
Другая проблема — недоступность водорода. АЗС немного. Однако, согласно некоторой информации, в будущем это изменится в связи с расширением заправочных станций.
