Водородный двигатель принцип работы

Типы эмалей

Металлический водород

5 октября 2016 года в физической лаборатории Harvard University получили металлический водород. Для этого потребовалось давление 495 гигапаскаль. Если решить вопрос стабильности и охлаждения камеры сгорания (6000 К), то металлический водород станет самым перспективным ракетным топливом.

Ученые предполагают, что металлический водород позволит получить в двигателях импульс 1000-1700 секунд. (В современных ЖРД пока достигнут импульс 460 секунд). Плюс для хранения металлического водорода понадобятся маленькие баки, что позволит делать одноступенчатые ракеты для вывода полезной нагрузки в космос, это откроет новую эру освоения космического пространства!

История водородных автомобилей

Еще в 1990-х годах производители углубились в разработку транспортных средств, которые передвигаются на топливных элементах. Основная причина поиска альтернативного горючего — введение новых стандартов выбросов CO2 и энергетический кризис. Единственные экологически чистые автомобили того времени — электрокары, имели несколько ограничений: длительная зарядка аккумулятора, небольшой запас хода, дорогостоящие комплектующие. В итоге компании начали искать другой способ привести машину в действие.

В качестве основного топливного элемента выбрали водород. Химические свойства, экологичность и распространенность в окружающей среде подтолкнули инженеров к мысли, что работа с этим веществом может принести доход и внушительные перспективы. Водородные машины должны были проезжать такие же дистанции, как и бензиновые аналоги, с той же мощностью и скоростью. Однако основная сложность была в другом — как изготовить необходимый двигатель и направить энергию топливного элемента в правильное русло?

Оказывается, первый ДВС на водороде был придуман еще в позапрошлом веке. Большинство экспертов склоняются к исследованиям французского естествоиспытателя Франсуа де Риваз, который в начале XIX века получал водород электролизом воды. В современном мире крупные производители почти одновременно выпустили водородные автомобили с похожей базовой технической “начинкой”.

А это эффективно?

Министерство энергетики США опубликовало результаты исследования, в котором КПД автомобилей с двигателем внутреннего сгорания сравнивается с КПД автомобилей с электродвигателями. Согласно этому исследованию, только от 12 до 20% сгенерированной двигателем внутреннего сгорания энергии передается на колеса. Колес электромобиля достигает уже от 86 до 94% энергии.

Максимальная скорость электробуса КАМАЗ-6282, оснащенного литий-титанатными аккумуляторами Drive Electro, составляет 75 км/ч при максимальном запасе хода 70 км. Показатели, на первый взгляд, не кажутся впечатляющими, но стоит вспомнить, что полная масса электробуса около 19 тонн, при способности перевозить до 110 пассажиров. Существуют примеры установки аккумуляторов того же типа на пассажирские электромобили. Так, литий-титанатными аккумуляторами оснащены электромобили Mitsubishi i-MiEV для рынка Японии и электромобили Honda Fit EV. Максимальный пробег Honda Fit EV составляет 225 км. Это более чем в два раза меньше в сравнении с запасом хода в 500 километров Tesla Model 3 с литий-ионной батареей. Однако при сравнении следует учитывать емкость батарейного блока — 20 кВт•ч у Honda и более 80 кВт•ч у Tesla Model 3 с батареей увеличенной емкости.

Гибридная установка на водородных топливных элементах Toyota Mirai обладает максимальным КПД преобразования водорода в электрический ток, равным 83%. Максимальная мощность установки — 114 кВт. Автомобиль оснащен синхронным электродвигателем переменного тока. Его максимальная мощность составляет 113 кВт, или 154 лошадиные силы.

В два топливных бака Mirai можно единовременно заправить 122,4 литра или пять килограммов водорода. Максимальная дальность поездки на одной заправке при этом составит 650 километров. Для полной заправки баков необходимо три минуты.

Применение

Эффект Доплера является неотъемлемой частью современных теорий о начале Вселенной (Большом взрыве и красном смещении). Принцип получил многочисленные применения в астрономии для измерений скоростей движения звёзд вдоль луча зрения (приближения или удаления от наблюдателя) и их вращения вокруг оси, параметров вращения планет, колец Сатурна (что позволило уточнить их структуру), турбулентных потоков в солнечной фотосфере, траекторий спутников, контроль за термоядерными реакциями, а затем и в самых разнообразных областях физики и техники (при прогнозе погоды, в воздушной навигации и радарах, используемых ГИБДД). Широкое применение эффект Доплера получил в современной медицине: на нём основано множество приборов ультразвуковой диагностики. Основные области применения:

Доплеровский радар — радар, измеряющий изменение частоты сигнала, отражённого от объекта. По изменению частоты вычисляется радиальная составляющая скорости объекта (проекция скорости на прямую, проходящую через объект и радар). Доплеровские радары могут применяться в самых разных областях: для определения скорости летательных аппаратов, кораблей, автомобилей, гидрометеоров (например, облаков), морских и речных течений, а также других объектов.

Доказательство вращения Земли вокруг Солнца с помощью эффекта Доплера.

• Астрономия:
  • По смещению линий спектра определяют радиальную скорость движения звёзд, галактик и других небесных тел. В астрономии принято называть радиальную скорость небесных светил лучевой скоростью. С помощью эффекта Доплера по спектру небесных тел определяется их лучевая скорость. Изменение длин волн световых колебаний приводит к тому, что все спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону длинных волн, если лучевая скорость его направлена от наблюдателя (красное смещение), и в сторону коротких, если направление лучевой скорости — к наблюдателю (фиолетовое смещение). Если скорость источника мала по сравнению со скоростью света (~300 000 км/с), то в нерелятивистском приближении лучевая скорость равна скорости света, умноженной на изменение длины волны любой спектральной линии и делённой на длину волны этой же линии в неподвижном источнике.
  • По увеличению ширины линий спектра можно измерить температуру фотосферы звёзд. Уширение линий при повышении температуры обусловлено увеличением скорости хаотического теплового движения излучающих или поглощающих атомов в газе.

• Бесконтактное измерение скорости потока жидкости или газа. С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей и газов. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется помещать датчики непосредственно в поток. Скорость определяется по рассеянию волн ультразвука или оптического излучения (Оптические расходомеры) на неоднородностях среды (частицах взвеси, каплях жидкости, не смешивающихся с основным потоком, пузырьках газа в жидкости).

  Красное смещение спектральных линий поглощения в спектре удаляющейся звезды сходного с Солнцем спектрального класса. Для сравнения слева показан спектр Солнца.

• Охранные сигнализации. Для обнаружения движущихся объектов.
• Определение координат. В спутниковой системе Коспас-Сарсат координаты аварийного передатчика на земле определяются спутником по принятому от него радиосигналу, используя эффект Доплера.
• Системы глобального позиционирования GPS и ГЛОНАСС.

Не меняющий своего местоположения микрофон записывает звук, издаваемый сиренами двух движущихся влево полицейских машин. Снизу можно видеть частоту каждого из двух звуков, принимаемую микрофоном.

Примечания

1. ↑
2. ↑ Мацкерле Ю. 19.Водород и возможности его применения в автомобиле // Современный экономичный автомобиль = Automobil s lepší účinností / Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А.Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — С. 273 — 282. — 320 с.
3. ↑
4. Любимцев В. В. «Вопросы и ответы» — М.: Дрофа, 1995; ISBN 5-7107-0448-2
5. Nihon Keizai Shimbun July 15, 2003
6. ↑
7. Цитата: «Сейчас на производство одного кубометра молекулярного водорода на электролизных заводах нужно затратить в среднем от четырех до пяти киловатт энергии. Всерьез говорить о водороде в качестве автомобильного топлива можно лишь в том случае, если он будет производится из энергии, которая может производиться на гидроэлектростанциях, либо на приливных электростанциях, либо из другого более дешевого альтернативного источника электроэнергии и не будет требовать сжигания ископаемого топлива, так как само ископаемое топливо (нефть, газ, уголь) является лучшей альтернативой водороду. Сейчас существуют проекты по строительству Мезенской и Пенжинской приливных электростанций и как вариант использования огромного количества энергии, вырабатываемой этими мощными станциями, является производство водорода с его последующей транспортировкой в более населенные части страны.

Что такое автомобиль на водороде из Китая Grove

Экологически чистая машина разрабатывалась авторами еще с 2016 года. За это время был построен спортивный прототип Activity Vehicle. Вся информация о новой модели будет озвучена во время официального представления. Оно состоится на мировом автошоу 2019 года в апреле в Шанхае. Пока же известны лишь некоторые основные показатели и характеристики.

Силовые возможности

Машина перемещается с использованием электрической энергии, вырабатываемой силовой установкой на водородных топливных элементах. Ее основой является устройство типа электростанции, расщепляющей водород. Полученный ток приводит во вращение электромоторы, которые и крутят колеса.

По сути, автомобиль на водороде из Китая Grove представляет собой электромобиль. Считается, что такой принцип получения и использования электроэнергии более экологически безопасен, чем применение аккумуляторных батарей. 

Фронтальный вид подчеркивает силовые возможности машины

Все бы хорошо, но есть в этом две существенные проблемы. Во-первых, устройство достаточно сложное по конструкции. Во-вторых, итоговый продукт, вследствие этого, получается дорогой. Однако компания-производитель считает, ситуация в самом ближайшем будущем изменится, и эти проблемы упростятся.

Ведь нечто подобное происходило и на старте электромобилей с АКБ. А сейчас дальность их хода почти сравнялась с традиционными машинами. Здесь уместно упомянуть о таком преимуществе водородных автомобилей, как время заправки. Для Grove он составляет несколько минут. Сопоставьте с электромобилем на аккумуляторе, и все становится ясно.

Хранение топлива

Водород закачивается в несколько специальных емкостей особой прочности. Их количество и объем пока не сообщается.    

Автомобиль на водороде из Китая Grove — особенности устройства

Из прошедшего предварительного показа стало известно, что перед нами авто престижного класса. Весь его функционал характеризуется только показателем люкс. Относительно элементов безопасности водителя и пассажиров все исполнено на высшем уровне.

Некоторые элементы конструкции изготовлены из материалов, применяемых в космической индустрии и для профессиональных гоночных болидов. В первую очередь это касается наружных панелей кузова. Они изготовлены из углепластика.

Внешние формы автомобиля удивляют своими особенностями

Хэтчбек с пятью дверями обращает на себя внимание экстравагантностью формы. Все четыре двери исполнены в виде «крыльев бабочки», открываясь в сторону и вверх

Автомобиль на водороде из Китая Grove имеет смещенную назад кабину, впереди которой расположился огромный капот. Тем не менее, передняя и задняя часть автомобиля находятся в идеальном весовом соотношении между собой.

Автомобиль на водороде из Китая — так открывает двери Grove

Это один из показателей машины, позволяющий ей демонстрировать отличные данные на длинных дистанциях переездов. Об этом заявил Кристофер Райтц, являющийся ответственным за все дизайнерские решения проекта. До него он занимался подобными вопросами для Audi, Fiat и Volkswagen.

Кто еще так далеко ездит

Кроме Grove большим запасом хода располагают еще несколько моделей с такой же топливной установкой. Это — Honda Clarity с показателем 750 километров. За ней по мере снижения следуют Hyundai Nexo – 595км и Toyota Mirai с дальностью 502 километра.

Представленная машина получила больший запас хода против конкурентов. По заявлению компании, это произошло за счет меньшего потребления вырабатываемой энергии на километр пробега. 

Автомобиль на водороде из Китая Grove — перспективы выпуска и стоимость

На настоящее время завершаются все испытания. Первые машины появятся на дорогах к концу текущего года. Постановка Grove на массовый серийный конвейер запланирована на 2020 год. О стоимости пока не сообщается.

Компания намерена развивать модельный ряд своих водородных автомобилей

Следом за этой моделью компания намерена представить и начать выпуск еще нескольких машин. Они будут иметь такую же платформу и появятся в ближайшее время.

Немного о компании-производителе

Grove Hydrogen Automotive Co LTD была создана в 2016 году. Ее единственная задача заключается в выпуске автомобилей на водородных двигателях. Пока больше никто в Китае не занимается разработкой и изготовлением таких машин. Компания к 2025 году намерена стать мировым лидером в этом сегменте автомобилей.

Автомобиль на водороде из Китая Grove должен послужить удачным стартом для производителя. Автосалон в Шанхае является отличной международной площадкой, чтобы начать реализовывать такие амбициозные планы.

Внимание! Эта статья защищается законом об авторском праве в цифровую эпоху (DMCA). Запрещается любое копирование без моего разрешения

Термический реактор Росси

Итальянский изобретатель Андреа Росси при поддержке научного консультанта физика Серджо Фокарди, провели эксперимент:

В герметичную трубку поместили насколько грамм никеля (Ni) добавили 10% алюмогидрида лития, катализатор и заполнили капсулу водородом (Н2). После нагрева до температуры порядка 1100-1300оС, парадоксально, но трубка оставалась в горячем состоянии на протяжении целого месяца, а выделенная тепловая энергия, в несколько раз превышала затраченную на нагрев!

На семинаре в Российском университете дружбы народов (РУДН) в декабре 2014 года, было доложено об успешном повторении этого процесса в России:

По аналогии выполнена трубка с топливом:

Выводы по эксперименту: выделение энергии в 2,58 раза больше затраченной электрической энергии.

В Советском Союзе работы по ХЯС велись с 1960 года в некоторых КБ и НИИ по заказу государства, но с «перестройкой» финансирование прекратилось. На сегодняшний день эксперименты успешно проводятся независимыми исследователями – энтузиастами. Финансирование осуществляется на личные средства коллективов граждан России. Одна из групп энтузиастов, под руководством Самсоненко Н.В., работает в здании «Инженерного корпуса» РУДН.

Ими был проведен ряд калибровочных тестов с электронагревательными приборами и реактором без топлива. В этом случае, как и следовало ожидать, выделяемая тепловая мощность равна подводимой электрической мощности.

Основная проблема – спекание порошка и локальный перегрев реактора, из-за чего нагревательная спираль перегорает и даже сам реактор может прогореть насквозь.

Но А.Г. Пархомову, удалось сделать длительно работающий реактор. Мощность нагревателя 300 Вт, КПД=300%.

Экскурс по истории

Примечательно, что водородный двигатель был изобретён гораздо раньше бензинового. Но развитие получил почему-то второй. Построенный во Франции ещё в 1806 году учёным Франсуа Исааком де Риваз агрегат уже тогда работал от гидролиза воды. А бензин для ДВС стали применять только в 1870.

Видео об использовании водорода в качестве топлива для авто:

https://youtube.com/watch?v=kECJOXqY-yw

Во времена, не столь далёкие, а именно в Великую Отечественную войну, есть свидетельство ещё одного удачного использования водорода, как источника получения энергии. В Ленинграде в блокаду бензина катастрофически не хватало. Поэтому было решено для работы аэростатов заграждения и приводящих лебёдок использовать водород, которого было достаточно. И это сыграло немаловажную роль по защите города.

Вот такая альтернатива нефтепродуктам есть у человечества на сегодня. И работа в этом направлении ведётся всё интенсивнее. Про то, как работает водородный двигатель сейчас и как он будет работать завтра, можно говорить только в общих чертах. Ясно одно — за водородом будущее нашей планеты.

Если имеется чем дополнить, комментарии ждут вас внизу.

Газ Брауна

Сегодня водородные генераторы у автолюбителей приобретают популярность. Однако это не совсем то, о чем шла речь выше. Путём электролиза вода превращается в так называемый газ Брауна, который и добавляют к топливной смеси. Основная задача, которую решает этот газ, – полное сгорание топлива. Это и служит увеличением мощности и снижением расхода топлива на приличный процент. Некоторым механикам удалось добиться экономии на 40 %.

Решающее значение в количественном выходе газа имеет площадь поверхности электродов. Под действием электрического тока молекула воды начинает разлагаться на два атома водорода и один кислорода. Такая газовая смесь при сгорании выделяет почти в 4 раза больше энергии, чем при сгорании молекулярного водорода. Поэтому использование этого газа в двигателях внутреннего сгорания приводит к более эффективному сгоранию топливной смеси, уменьшает количество вредных выбросов в атмосферу, увеличивает мощность и уменьшает величину затраченного топлива.

ЗИЛ-131 фото

Бортовое питание

Водородные топливные элементы могут использоваться и для бортового питания самолётов, морских судов, крупных грузовиков. Для бортового питания могут применяться SOFC-топливные элементы.

В 2006 году производители топливных элементов совместно с Европейским Агентством Авиационной Безопасности (EASA) начали разрабатывать стандарты сертификации топливных элементов для самолётов.

Airbus выступает координатором европейского проекта New Configured Aircraft (CELINA). Проект работает над снижением веса и размеров топливных элементов мощностью 400—600 кВт. 40 % электроэнергии Airbus A330-300 будет вырабатывать в водородных топливных элементах[источник не указан 2811 дней]. Разработчикам поставлена цель — увеличить это количество до 60 %.

Первые лётные испытания установки для бортового питания на водородных топливных элементах мощностью 20 кВт. проведены Airbus в феврале 2008 года на самолёте Airbus A320.

Использование силовых установок на водородных топливных элементах на самолётах позволит снизить уровень шума, потребление топлива и выбросы экологически опасных газов.

Boeing также разрабатывает SOFC-топливные элементы для бортового питания. Силовая установка мощностью 440 кВт. позволит сократить потребление керосина на 75 % во время стоянки на земле. Боинг планирует завершить разработки к 2015 году[источник не указан 2811 дней].

В марте 2008 года во время экспедиции STS-123 шаттла Endeavour топливные элементы производства компании UTC Power преодолели рубеж в 100 тысяч операционных часов в космосе. Водородные топливные элементы производят энергию на борту шаттлов с 1981 года.

Полезное видео

90 забавных и странных вещей, замеченных в метро, которые делают поездку незабываемой

Сколько это стоит автомобиль на водородном двигателе?

Стоимость водородного автомобиля приличная. Причина тому – драгоценные металлы, которые входят в состав электродов топливных элементов (палладий или платина). Также современное авто оснащено бесчисленным множеством систем безопасности и стабилизации работы электроэлементов, что тоже требует материальных средств.

Хотя обслуживание такого автомобиля (до момента замены топливных ячеек) не намного дороже, чем обычного авто последних поколений. Есть страны, которые спонсируют производство водорода, но даже с учетом этого за килограмм газа придется заплатить в среднем 11 с половиной долларов. В зависимости от типа двигателя этого может хватить на расстояние около ста километров.

Есть ли будущее у автомобилей на водородном топливе

В настоящее время имеется множество препятствий для того, чтобы перевести большую часть автомобилей на водородное топливо:

Высокая цена водорода. Примерная цена 9 долларов на 100 км пробега. Гибридный автомобиль (Toyota Prius) проедет те же сто км за 2,8 долларов, а Tesla Model S – за 3 бакса. А снижение цены на водород до уровня цен на бензин не прогнозируют даже сами производители автомобилей. Поэтому здесь не получится никакой экономии как при покупке транспорта, так и при заправках.

Производство водорода — вредно для экологии. Сейчас водород производится при помощи паровой конверсии метана, либо частичного окисления. После производства чистого водорода в атмосферу оксид углерода (углекислый газ, CO₂), против которого борются многие страны при помощи альтернативных источников энергии для автомобилей. Поэтому здесь получается замкнутый круг.

Отсутствие развития водородных заправок. Для открытия средней водородной заправочной станции требуется не очень большие средства. Все станции можно пересчитать по пальцам, поэтому на водородном автомобиле далеко не уедешь. Придётся осуществлять поездки только в тех местах, где имеются эти самые водородные станции.

Высокая цена на водородные автомобили. Цена на Toyota Mirai на данный момент составляет от 58 тыс. долларов, а на самом деле его продают почти по себестоимости. Из-за таких цен многие не спешат с покупкой таких автомобилей.

Отсутствие преимуществ перед электрокарами. Запас хода, цена заправки, безопасность, мощность и разгон – везде выигрывают электрические автомобили по сравнению с водородными машинами. Единственный плюс у водородных авто – это очень быстрая заправка – 3-5 минут, тогда как электромобили заправляются за 30 минут и более. В любом случае можно в электрокарах можно быстро поменять батарею и через пару минут ехать на «полном баке». Да и когда изобретут более быстрый метод заправок электрических автомобилей, то водородные авто отойдут на 2 план.

Для чего тогда автоконцерны производят и разрабатывают автомобили? Во-первых, это вложение, вдруг через несколько лет именно эта технология окажется наиболее перспективной. Во-вторых, между фирмами идёт соперничество. В-третьих, в некоторых штатах законодательство так поменялось, что сделать водородное авто в 5 раз выгоднее, чем электрокар, плюс государство даёт постоянные гранты и вливания на развитие заправок. Если появится большое количество заводов по производству водорода, то цена автомобилей и водорода будет более интересная.

Видео: Автогиганты бьют по ТЕСЛА: ВОДОРОДНЫЕ автомобили будущего!

Водородный автомобиль – это авто будущего, к переходу на которые могут перейти в недалёком будущем. Сейчас самый популярный авто на водороде – это Toyota Mirai, стоимость которого сравнима с ценой электрокаров. Обеспечивается работа автомобилей при помощи специальных топливных ячеек или элементов, число которых достигает несколько сотен.

Если бы цена на газ была меньше, а заправок было бы больше, то авто с водородными двигателями получили бы не меньшую популярность, чем электромобили. Посмотрим, что покажет будущее.

Сделай репост и информация будет всегда под рукой

Факторы, сдерживающие внедрение водородных технологий

• отсутствие водородной инфраструктуры (частично эту проблему можно разрешить в частности устройством домашних заправок при частных жилых домах).
• несовершенные технологии хранения водорода (см. статью Хранение водорода);
• отсутствие стандартов безопасности, хранения, транспортировки, применения и т. д.;
• распространённые современные способы безопасного хранения водорода требуют большего объёма топливных баков, чем для бензина. Поэтому в разработанных на сегодняшний день автомобилях замена топлива на водород приводит к значительному уменьшению объёма багажника. Возможно в будущем эта проблема будет преодолена, но скорее всего за счёт некоторого увеличения габаритов легковых авто. (Для других классов автомобилей (автобусов, грузовых автомобилей, разнообразных специальных автомашин) проблема увеличения габаритов транспортного средства не столь остра. В частности на автобусах топливные элементы могут размещаться на крыше кузова, подобно тому как это делается например с троллейбусным электрооборудованием.)

Водородная установка для автомобиля, с нее все начиналось

Согласно историческим сведениям, первый двигатель ДВС был водородный, хотя порой использовался и светильный газ. Но потребовалось еще много лет для совершенствования подобного мотора, и только в 1859 году был построен первый самоходный экипаж, топливом для которого служили упомянутые газы. Так что можно сказать, что современный транспорт начинался с автомобиля с водородным двигателем. Хотя в дальнейшем он уступил свое место бензиновому.

Известно несколько случаев, когда при отсутствии привычного горючего, водородный генератор обеспечивал автомобиль топливом. Но тем не менее, при всех достоинствах такого источника энергии он не нашел широко применения, хотя многие автомобильные корпорации, та же самая Toyota, работают над возможностью создания автомобиля на водородном топливе, и надо сказать не без успеха.

Немного истории

В 70-х годах прошлого века наблюдался период достаточно острого дефицита горючего, изготовленного на основе нефтепродуктов. Именно тогда инженеры начали проявлять повышенный интерес к такому ресурсу как водород.

Если говорить о самих разработчиках, то первым, кто презентовал автомобильный водородный мотор, оказалась компания Toyota. Их проект появился на выставке только в 1997 году и носил название FCHV. Это был прототип кроссовера, но по тем или иным причинам серийный выпуск так и не начался.

Хотя старт оказался неудачным, автокомпании не остановились, а продолжили исследования и поиски выхода из ситуации. В этом компоненте преуспели японские и корейские производители в лице Honda, Toyota и Hyundai. Также определённые шаги в сторону водородных моторов делают представители General Motors, Nissan, BMW, Volkswagen и Ford.

Пусть к автомобилям это не имеет прямого отношения, но 2016 год стал знаковым, поскольку появился поезд, работающий на водороде. Создали его в компании Alstom. Немцы планируют в ближайшие несколько лет убрать около 4 тысяч своих дизельных локомотивов, и заменить их на водородные составы Coranda iLint. Помимо Германии, эти поезда хочет закупить Дания, Норвегия и ряд других государств.