Vesinikmootor. Kuidas see töötab ja puudused

Sisepõlemismootorid ei ilmunud dramaatiliselt eraldi jõuallikatena. Pigem tekkis klassikaline mootor soojusmootorite täiustamise ja täiustamise tulemusena. Lugege, kuidas üksus, mida oleme harjunud nägema autode kapoti all, järk-järgult ilmus. eraldi artiklis.

Kui aga esimene sisepõlemismootoriga varustatud auto ilmus, sai inimkond iseliikuva sõiduki, mis ei vaja pidevat söötmist, nagu hobune. Alates 1885. aastast on mootorites palju asju muutunud, kuid üks puudus jääb muutumatuks. Bensiini (või muu kütuse) ja õhu segu põlemisel eraldub liiga palju kahjulikke aineid, mis saastavad keskkonda.

Kui enne iseliikuvate sõidukite tulekut kartsid Euroopa riikide arhitektid, et suurlinnad upuvad hobusesõnnikusse, siis täna hingavad megalopolide elanikud määrdunud õhku.

Transpordi keskkonnastandardite karmistamine sunnib sõidukitootjaid välja töötama puhtama jõuülekande. Nii tekkis paljudel ettevõtetel huvi Anjos Jedliku varem loodud tehnoloogia vastu - iseliikuv käru elektrilise veojõu kohta, mis ilmus juba 1828. aastal. Ja tänaseks on see tehnoloogia automaailmas nii kindlalt kinnistunud, et te ei üllata kedagi elektriauto või hübriidiga.

Kuid tõeliselt julgustav on elektrijaamad, mille ainus vabanemine on joogivesi. See on vesinikmootor.

Mis on vesinikmootor?

See on mootoritüüp, mis kasutab kütusena vesinikku. Selle keemilise elemendi kasutamine vähendab süsivesinike ressursside ammendumist. Teine põhjus selliste käitiste vastu huvi tundmiseks on keskkonnareostuse vähendamine.

Sõltuvalt sellest, millist mootorit transpordis kasutatakse, erineb selle töö klassikalisest sisepõlemismootorist või on identne.

Lühike ajalugu

Vesiniku sisepõlemismootorid ilmusid samal perioodil, kui ICE põhimõtet arendati ja täiustati. Prantsuse insener ja leiutaja kujundas oma sisepõlemismootori versiooni. Kütus, mida ta oma arengus kasutas, on vesinik, mis ilmneb H elektrolüüsi tulemusena₂A. 1807. aastal ilmus esimene vesinikuauto.

Isaac De Rivaz esitas 1807. aastal patendi sõjatehnika traktori arendamiseks. ta tegi ettepaneku kasutada ühe jõuüksusena vesinikku.

Toiteseade oli kolb ja selle süüde oli tingitud sädeme tekkimisest silindris. Tõsi, leiutaja esimene looming vajas käsitsi sädeme genereerimist. Vaid kahe aasta pärast viis ta oma töö lõpule ja sündis esimene iseliikuv vesinikusõiduk.

Kuid sel ajal ei omistatud arengule tähtsust, sest gaasi pole nii lihtne hankida ja säilitada kui bensiini. Vesinikmootoreid kasutati Leningradis blokaadi ajal praktiliselt 1941. aasta teisest poolest. Kuigi peame tunnistama, et need ei olnud ainult vesinikuüksused. Need olid tavalised GAZ-sisepõlemismootorid, ainult et nende jaoks ei olnud kütust, kuid sel ajal oli gaasi küllaga, kuna neid töötasid õhupallid.

80. aastate esimesel poolel kohustusid paljud riigid, mitte ainult Euroopa, vaid ka Ameerika, Venemaa ja Jaapan, katsetama seda tüüpi installatsioone. Niisiis ilmus 1982. aastal Kvanti tehase ja RAF autoettevõtte ühistööga kombineeritud mootor, mis töötas vesiniku ja õhu segul ning energiaallikana kasutati 5 kW / h akut.

Sellest ajast alates on erinevad riigid üritanud oma mudeli ridadesse tuua "rohelisi" sõidukeid, kuid enamasti jäid sellised autod prototüüpide kategooriasse või olid väga piiratud väljalaskega.

Kuidas see toimib?

Kuna tänapäeval on selles kategoorias palju töötavaid mootoreid, töötab vesinikujaam igal üksikul juhul oma põhimõtte järgi. Mõelge, kuidas töötab üks modifikatsioon, mis võib asendada klassikalist sisepõlemismootorit.

Sellises mootoris kasutatakse kindlasti kütuseelemente. Nad on omamoodi generaatorid, mis aktiveerivad elektrokeemilise reaktsiooni. Seadme sees oksüdeeritakse vesinik ja reaktsiooni tulemuseks on elektri, veeauru ja lämmastiku eraldumine. Sellises käitises süsinikdioksiidi ei eraldata.

Sarnase üksuse baasil olev sõiduk on sama elektrisõiduk, ainult selles olev aku on palju väiksem. Kütuseelement toodab piisavalt energiat kõigi sõidukisüsteemide käitamiseks. Ainus hoiatus on see, et protsessi algusest kuni energia tekkimiseni võib kuluda umbes 2 minutit. Kuid installi maksimaalne väljund algab pärast süsteemi soojenemist, mis võtab aega veerand tunnist kuni 60 minutini.

Nii et elektrijaam ei tööta asjata ja pole vaja transporti reisiks ette valmistada, on sinna paigaldatud tavaline aku. Sõidu ajal on see taastumise tõttu laetud ja seda on vaja eranditult auto käivitamiseks.

Selline auto on varustatud erineva mahuga silindriga, millesse pumbatakse vesinikku. Sõltuvalt sõidurežiimist, auto suurusest ja elektripaigaldise võimsusest võib 100 kilomeetri pikkuseks läbimiseks piisata ühest kilogrammist gaasist.

Vesinikmootorite tüübid

Kuigi vesinikmootoreid on mitu modifikatsiooni, jagunevad need kõik kahte tüüpi:

• Kütuseelemendiga üksuse tüüp;
• Muudetud sisepõlemismootor, kohandatud vesinikuga töötamiseks.

Vaatleme igat tüüpi eraldi: millised on nende omadused.

Vesinikkütuseelementidel põhinevad elektrijaamad

Kütuseelement põhineb aku põhimõttel, milles toimub elektrokeemiline protsess. Ainus erinevus vesiniku analoogi vahel on selle suurem efektiivsus (mõnel juhul üle 45 protsendi).

Kütuseelement on üks kamber, kuhu on paigutatud kaks elementi: katood ja anood. Mõlemad elektroodid on plaatinaga (või pallaadiumiga) kaetud. Nende vahel asub membraan. See jagab õõnsuse kaheks kambriks. Hapnikku juhitakse katoodiga õõnsusse ja teise vesinikku.

Selle tulemusena toimub keemiline reaktsioon, mille tulemuseks on hapniku ja vesiniku molekulide kombinatsioon elektri vabanemisega. Protsessi kõrvaltoime on vee ja lämmastiku eraldumine. Kütuseelemendi elektroodid on ühendatud auto elektriskeemiga, sealhulgas elektrimootoriga.

Vesiniku sisepõlemismootorid

Ehkki sel juhul nimetatakse mootorit vesinikuks, on selle struktuur tavalise ICE-ga identne. Ainus erinevus on see, et põleb mitte bensiin ega propaan, vaid vesinik. Kui täidate ballooni vesinikuga, siis on üks probleem - see gaas vähendab tavapärase seadme efektiivsust umbes 60 protsenti.

Siin on veel mõned probleemid vesinikule üleminekul ilma mootorit täiendamata:

• HTS kokkusurumisel satub gaas keemilisse reaktsiooni metalliga, millest põlemiskamber ja kolb on valmistatud, ja sageli võib see juhtuda ka mootoriõliga. Seetõttu moodustub põlemiskambris veel üks ühend, mis ei erine hea põlemisvõime poolest;
• Põlemiskambri vahed peavad olema täiuslikud. Kui kusagil on kütusesüsteemis vähemalt minimaalne leke, süttib gaas kuumade esemetega kokkupuutel kergesti.

Mootor Honda Clarity jaoks

Nendel põhjustel on otstarbekam kasutada vesinikku rootormootorite kütusena (mis on nende omadus, loe siin). Selliste seadmete sisselaske- ja väljalaskekollektorid asuvad üksteisest eraldi, nii et sisselaskeava gaas ei kuumene. Olgu see nii, kui mootoreid moderniseeritakse, et mööda hiilida odavama ja keskkonnasõbralikuma kütuse kasutamisega seotud probleemidest.

Kui pikk on kütuseelementide tööiga?

Kogu maailmas on sellised autod tänapäeval väga haruldased ja neid pole veel sarjas, raske on öelda, milline ressurss antud energiaallikal on. Käsitöölistel pole selles osas veel kogemusi.

Ainus, mida võib öelda, on see, et Toyota esindajate sõnul on nende seeriaauto Mirai kütuseelement võimeline katkematult energiat tootma kuni 250 tuhat kilomeetrit. Pärast seda verstaposti peate jälgima seadme tõhusust. Kui selle jõudlus on märgatavalt vähenenud, vahetatakse kütuseelement volitatud teeninduskeskuses. Tõsi, võib eeldada, et ettevõte võtab selle protseduuri jaoks korraliku summa.

Millised ettevõtted juba valmistavad või kavatsevad valmistada vesinikuautosid?

Paljud ettevõtted tegelevad keskkonnasõbraliku jõuallika väljatöötamisega. Siin on automargid, mille disainibüroos on juba toimivaid valikuid, mis on valmis seeriatesse minema:

• Mercedes-Benz on GLC F-Cell crossover, mille müügi algusest teatati 2018. aastal, kuid seni on selle omandanud vaid üksikud Saksamaa ettevõtted ja ministeeriumid. Hiljuti esitleti vesinikkütuseelemendiga traktori prototüüpi GenH2;
• Hyundai - kaks aastat tagasi tutvustatud Nexo prototüüp;
• BMW on konveierilt välja lastud vesinik Vesinik 7 prototüüp. 100 eksemplari partii jäi katsejärku, kuid see on juba midagi.

Ameerikas ja Euroopas ostetavate aktsiaautode hulgas on vastavalt Toyota ja Honda mudelid Mirai ja Clarity. Ülejäänud ettevõtete jaoks on see areng endiselt kas joonisversioonis või mittetöötava prototüübina.

Toyota Mirai

Honda selgus

Kui palju maksab vesinikul töötav auto?

Vesinikuauto maksumus on korralik. Selle põhjuseks on väärismetallid, mis on osa kütuseelementide (pallaadium või plaatina) elektroodidest. Samuti on kaasaegne auto varustatud lugematute turvasüsteemidega ja elektrielementide töö stabiliseerimisega, mis nõuab ka materiaalset ressurssi.

Kuigi sellise auto hooldus (kuni kütuseelementide väljavahetamiseni) ei ole palju kallim kui viimaste põlvkondade tavaline auto. On riike, kes toetavad vesiniku tootmist, kuid isegi seda arvesse võttes peate maksma keskmiselt 11 ja pool dollarit kilogrammi gaasi kohta. Sõltuvalt mootori tüübist võib sellest piisata umbes saja kilomeetri pikkuseks vahemaaks.

Miks on vesinikuautod elektriautodest paremad?

Kui võtta vesinikujaam koos kütuseelementidega, siis on selline auto identne elektriautoga, mida oleme harjunud teedel nägema. Ainus erinevus on see, et elektriautot laaditakse võrgust või bensiinijaama terminalist. Vesiniku transport ise toodab endale elektrit.

Mis puutub selliste autode maksumusse, siis need on kallimad. Näiteks Tesla baasmudelid maksavad alates 45 tuhandest dollarist. Jaapanist pärit vesiniku analooge saab osta 57 tuhande ühiku eest. Baierlased müüvad seevastu oma autosid "rohelise" kütusega hinnaga 50 XNUMX dollarit.

Kui võtame arvesse praktilisust, on lihtsam autot gaasiga tankida (selleks kulub umbes viis minutit) kui oodata pool tundi (kiirlaadimisega, mis pole igat tüüpi akude puhul lubatud) parklas. See on vesinikutaimede pluss.

Pluss on ka see, et kütuseelemendid ei vaja eriti hooldust ning nende tööiga on üsna pikk. Mis puutub elektrisõidukitesse, siis selle tohutu aku vajab väljavahetamist umbes viie aasta pärast, kuna sellel on palju laadimis- ja tühjenemistsükleid. Pakasega tühjeneb elektrisõidukite aku palju kiiremini kui suvel. Kuid vesiniku oksüdatsiooni reaktsioonil olev element seda ei kannata ja toodab stabiilselt elektrit.

Millised on vesinikuautode väljavaated ja millal neid teel nähakse?

Euroopas ja USA-s võib vesinikuauto juba leida. Kuid nad on endiselt uudishimu kategoorias. Ja täna on väljavaateid vähe.

Peamine põhjus, et seda tüüpi transport ei täida niipea kõigi riikide teid, on tootmisvõimsuse puudumine. Esiteks on vaja kehtestada vesiniku tootmine. Pealegi on vaja jõuda sellisele tasemele, et lisaks keskkonnasõbralikkusele on see ka enamikule autojuhtidele kättesaadav kütus. Lisaks selle gaasi tootmisele on vaja korraldada selle transport (kuigi selleks võite ohutult kasutada kiirteid, mida mööda metaani transporditakse), samuti varustada paljud tanklad vastavate terminalidega.

Teiseks peab iga autotootja tõsiselt moderniseerima tootmisliine, mis nõuab märkimisväärseid investeeringuid. Ülemaailmse epideemia puhkemise tõttu ebastabiilses majanduses võtavad vähesed selliseid riske.

Kui vaadata elektritranspordi arengutempot, toimus populariseerimise protsess väga kiiresti. Elektriautode populaarsuse põhjuseks on aga võime säästa kütust. Ja see on sageli esimene põhjus, miks neid ostetakse, mitte keskkonna säästmise huvides. Vesiniku puhul pole võimalik raha kokku hoida (vähemalt praegu), sest selle tootmiseks kulutatakse palju rohkem energiaressursse.

Vesinikmootorite plussid ja peamised puudused

Niisiis, võtame kokku. Vesinikkütusega mootorite eelised hõlmavad järgmisi tegureid:

• Keskkonnasõbralik heide;
• Jõuseadme vaikne töö (elektriline veojõud);
• Kütuseelemendi kasutamise korral pole sagedane hooldus vajalik;
• Kiire tankimine;
• Elektrisõidukitega võrreldes töötavad tõukejõusüsteem ja energiaallikas stabiilsemalt ka külmakraadide korral.

Kuigi arendust ei saa nimetada uudsuseks, on sellegipoolest siiski mitmeid puudusi, mis sunnivad keskmist autojuhti seda ettevaatlikult vaatama. Siin on mõned neist:

• Vesiniku süttimiseks peab see olema gaasilises olekus. See tekitab teatud raskusi. Näiteks on kergete gaaside kokkusurumiseks vaja spetsiaalseid kalleid kompressoreid. Samuti on probleem kütuse nõuetekohase hoidmise ja transportimisega, kuna see on väga tuleohtlik;
• Autole paigaldatavat silindrit tuleb perioodiliselt kontrollida. Selleks peab autojuht külastama spetsialiseeritud keskust ja see on lisakulu;
• Vesinikuautos ei kasutata tohutut akut, kuid paigaldus kaalub endiselt korralikult, mis mõjutab oluliselt sõiduki dünaamilisi omadusi;
• Vesinik - süttib vähima sädeme korral, nii et sellise autoga juhtunud õnnetusega kaasneb tõsine plahvatus. Arvestades mõne autojuhi vastutustundetut suhtumist enda ohutusse ja teiste liiklejate ellu, ei saa selliseid sõidukeid veel teedele lasta.

Võttes arvesse inimkonna huvi puhtama keskkonna vastu, võime eeldada, et "rohelise" transpordi lõpuleviimise küsimuses tehakse läbimurre. Kuid kui see juhtub, näitab ainult aeg.

Seniks aga vaadake Toyota Mirai videoülevaadet:

Vesiniku tulevik? Toyota Mirai – TÄIELIK ÜLEVAADE ja tehnilised andmed | LiveFEED®

Küsimused ja vastused:

Miks on vesinikmootor ohtlik? Vesinikusegu põlemisel soojeneb mootor rohkem kui bensiini põlemisel. Selle tulemusena on kolbide, ventiilide läbipõlemise ja seadme ülekoormamise tõenäosus suur.

Kuidas tankida vesinikautot? Sellist autot kasutatakse gaasilises olekus (vedel- või surugaas) vesinikuga. Kütuse hoidmiseks surutakse see kokku 350-700 atmosfäärini ja temperatuur võib ulatuda -259 kraadini.

Kuidas vesinikuga sisepõlemismootor töötab? Auto on varustatud omamoodi akuga. Hapnik ja vesinik läbivad spetsiaalseid plaate. Tulemuseks on keemiline reaktsioon veeauru ja elektri eraldumisega.