Двигатель внутреннего сгорания на воде как его сделать

Автомобиль на воде

Автомобиль на воде — гипотетический автомобиль, получающий энергию для движения из одной только воды. Водяные автомобили стали предметом множества международных патентов, статей в газетах и научно-популярных журналах, местных теленовостей и интернет-публикаций. Заявления о подобных устройствах признаны некорректными, а некоторые оказались попытками мошенничества [1] [2] [3] [4] . Утверждается, что эти машины могут вырабатывать топливо из возимого запаса воды без всяких других источников энергии или являются гибридами, способными использовать энергию как воды, так и обычного топлива.

В этой статье внимание уделяется машинам, относительно которых утверждается, что они могут извлекать потенциальную химическую энергию непосредственно из воды. Вода является полностью окисленным водородом. Водород − высокоэнергетическое горючее, однако эта энергия выделяется в процессе образования воды, и сама по себе вода топливом быть не может. Вода может быть разделена на водород и кислород, например, в процессе электролиза, но на разрыв межатомных связей нужно затратить столько же энергии, сколько высвободилось при их образовании. В реальности же в процессе электролиза, а затем сжигания водорода невозможно избежать тепловых потерь, сопровождающих любые преобразования энергии. Таким образом, получение из воды химической энергии в избытке или хотя бы в количестве, достаточном для автономного поддержания процесса, противоречит первому и/или второму началам термодинамики [5] [6] [7] .

Содержание

• 1 Какие автомобили НЕ являются «водяными»
• 2 Получение энергии из воды
• 3 Заявления о действующих «водяных автомобилях»
  • 3.1 Электролитический карбюратор Гаррета
  • 3.2 Водная ячейка Стэнли Мейера
  • 3.3 Дэннис Клейн
  • 3.4 Genesis World Energy (GWE)
  • 3.5 Genepax Water Energy System
  • 3.6 Тушара Приямал Эдиризинге
  • 3.7 Дэниэл Дингел
  • 3.8 Др. Гулам Сарвар
  • 3.9 Ага Вакар Ахмад
• 4 Водород как добавка
• 5 «Бензиновые таблетки» и подобные им добавки
• 6 См. также
• 7 Примечания

Какие автомобили НЕ являются «водяными» [ править | править код ]

К «водяным автомобилям» не относятся следующие технические решения:

• Паровой автомобиль.
• Впрыск воды как метод охлаждения цилиндров двигателей путём добавления воды в топливно-воздушную смесь, служащий для увеличения степени сжатия и предотвращения детонации.
• Водородный автомобиль, хотя он часто содержит некоторые сходные элементы. Чтобы заправить водородный автомобиль, воду подвергают электролизу. Получившийся водород затем сгорает в двигателе или окисляется до воды в топливном элементе. В итоге машина получает энергию от сгорания водорода, который получают за счет энергии из электросети. Водород служит энергоносителем (англ.) .
• Добавление воды к традиционному углеводородному топливу с целью его экономии и/или уменьшения выбросов. Хотя это и является самым распространенным способом использования воды в автомобилях.

Получение энергии из воды [ править | править код ]

В соответствии с фундаментальными физическими законами, нет способа извлекать химическую энергию из воды. У воды отрицательная энтальпия образования, следовательно, для разделения её на элементы требуется затратить энергию. Не существует соединений кислорода и водорода с большей негативной энтальпией образования, за счёт которой мог бы быть получен избыток энергии [6] .

Большинство из предлагаемых конструкций «водяных автомобилей» основаны на той или иной форме электролитического разделения воды на водород и кислород и последующей их рекомбинации с выделением энергии. Однако, поскольку необходимая для электролиза энергия, в конечном счёте, всегда оказывается большей, чем может дать образовавшийся водород, такая схема не может быть использована для получения избыточной энергии. Подобное устройство противоречит первому началу термодинамики, следовательно, относится к вечным двигателям первого рода.

Заявления о действующих «водяных автомобилях» [ править | править код ]

Электролитический карбюратор Гаррета [ править | править код ]

В сентябре 1935 г. Чарльз Гаррет (Charles H. Garrett), как сообщала Dallas Morning News [8] , будто бы продемонстрировал «в течение нескольких минут» работу «водяного автомобиля». Как можно увидеть из патента Гаррета, оформленного в том же году [9] , для генерации водорода применялся электролиз. Патент включает чертёж, изображающий карбюратор, похожий на обычный поплавковый, но на нижней части размещались электроды, а поплавок служил для поддержания уровня воды. В патенте Гаррета отсутствует определение нового источника энергии.

Водная ячейка Стэнли Мейера [ править | править код ]

Уже по крайней мере с 1980 г. Стэнли Мейер заявлял, что построил багги, который ездит на воде вместо бензина [10] , хотя давал противоречивые объяснения относительно режима его работы. В некоторых случаях он утверждал, что заменил свечи зажигания «водными сплиттерами», в других — что использует «топливную ячейку», разделяющую воду на водород и кислород [11] . В этой «топливной ячейке», по утверждению автора, за счёт электрического резонанса (англ.) из воды получался гремучий газ, который сгорал в обычном двигателе внутреннего сгорания для получения чистой энергии. Заявления Мейера не получили независимого подтверждения, и суд штата Огайо признал его виновным в «наглом мошенничестве» [1] .

Мейер умер от аневризмы в 1998 г., однако сторонники теории заговора (англ.) продолжают утверждать, что он был отравлен.

Дэннис Клейн [ править | править код ]

В 2002 г. фирма Hydrogen Technology Applications запатентовала конструкцию электролизёра и сделала своей торговой маркой термин «Аквиген» («Aquygen»), обозначающий газовую смесь водорода и кислорода, производимую этим устройством [12] . Изначально разработанный как альтернатива ацетиленовой сварке, по заявлениям компании аппарат способен обеспечивать автомобиль топливом исключительно за счёт воды, производя «Аквиген». Для объяснения своих результатов они привлекали понятие «магнегаза» — неизвестного науке состояния материи, основываясь на маргинальной теории магнекул Ругеро Сантили (англ.) [13] . Основатель компании Дэннис Клейн утверждал, что ведёт переговоры с крупнейшими американскими производителями автомобилей и что правительство США хочет выпускать «Хаммеры» с использованием его технологии [14] .

В настоящее время компания больше не утверждает, что может обеспечить работу автомобиля только за счёт воды. Вместо этого она продаёт установки по производству «Аквигена» как устройства для увеличения топливной эффективности [15] .

Genesis World Energy (GWE) [ править | править код ]

В 2002 г. Genesis World Energy анонсировала готовое к продвижению на рынок устройство, которое извлекало бы энергию из воды путём её разложения на водород и кислород [16] . В 2003 г. компания объявила, что технология адаптирована для применения в автомобилях [17] . Компания собрала более 2,5 млн долларов инвестиций, но ни одно устройство на рынок так и не поступило. В 2006 г. Патрик Келли, собственник GWE, был приговорён в Нью-Джерси к пяти годам тюрьмы за кражу и выплате возмещений в размере 400 тыс. долларов [2] .

Genepax Water Energy System [ править | править код ]

В июне 2008 г. японская компания Genepax представила автомобиль, который, по их заявлениям, ездит только на воде и воздухе [18] , и во многих выпусках новостей машину окрестили «водяным автомобилем» [19] . Компания заявила, что пока «не может разглашать ключевых деталей изобретения» [20] , однако раскрыла, что система использует бортовой генератор энергии («сборку мембранных электродов») для получения водорода по «механизму, похожему на метод, при котором водород образуется в реакции гидрида металла с водой» [21] . Водород затем используется как источник энергии для автомобиля. Это привело к предположению, что в процессе потребляется гидрид металла, который и является изначальным источником энергии, и речь идёт скорее о машине на водородном топливе, чем о «водяном автомобиле» [22] [23] . На сайте компании объяснения относительно источника энергии ограничивались словами «химическая реакция». Журнал «Популярная механика» описывает заявления компании Genepax как «вздор» [5] . Машина, продемонстрированная прессе в 2008 г., оказалась электромобилем REVA, производимым в Индии и продаваемым в Великобритании под названием G-Wiz.

В начале 2009 г. компания Genepax объявила о закрытии сайта, ссылаясь на большие затраты на разработку [24] .

Тушара Приямал Эдиризинге [ править | править код ]

Также в 2008 г. новостные источники Шри-Ланки сообщили о некоем Тушара Приямал Эдиризинге (Thushara Priyamal Edirisinghe), заявлявшем, что проехал около 300 км на «водяном автомобиле», потратив 3 литра воды [4] [25] . Как и в других существующих «водяных автомобилях», вода должна была разлагаться на водород и кислород путём электролиза, а полученные газы сжигаться в двигателе. Тушара продемонстрировал свою технологию премьер-министру Ратнасири Викреманаяке, который «пообещал всемерную правительственную поддержку его усилий по продвижению водяного автомобиля на рынок Шри-Ланки [25] ».

Несколько месяцев спустя Тушара был арестован по обвинению в мошенничестве [4] .

Дэниэл Дингел [ править | править код ]

Дэниэл Дингел (англ.) , филиппинский изобретатель, с 1969 г. заявлял, что разработал технологию, позволяющую использовать воду в качестве топлива. В 2000 г. Дингел стал бизнес-партнёром компании Formosa Plastics Group (англ.) с целью дальнейшего развития технологии. В 2008 компания подала на изобретателя иск за мошенничество, и 80-летний Дингел был приговорён к 20 годам тюрьмы [3] .

Др. Гулам Сарвар [ править | править код ]

В декабре 2011 пакистанский доктор Гулам Сарвар (Ghulam Sarwar) заявил, что создаёт автомобиль, работающий на воде [26] . По утверждению изобретателя, машина потребляет 60 % воды и 40 % дизельного топлива, но он упорно работает над тем, чтобы перейти на одну только воду, предполагая закончить работу к концу июня 2012 г. В дальнейшем он заявил, что автомобиль «выделяет кислород, а не углерод, как обычные машины» [27] .

Ага Вакар Ахмад [ править | править код ]

Гражданин Пакистана Ага Вакар Ахмад (Agha Waqar Ahmad) заявил в 2012 об изобретении «водяного устройства», пригодного для установки на все типы автомобилей [28] [29] . Устройство состоит из цилиндрического сосуда, содержащего воду, барботёры и трубки, ведущей к двигателю. Ахмад утверждал, что устройство использует электролиз для превращения воды в «HHO», который и используется как топливо. Для работы устройства необходима дистиллированная вода [30] . По утверждению изобретателя, он добился гораздо большего выхода газа по сравнению с другими, ссылаясь на «скрытые вычисления» [31] . Ахмад запатентовал свою конструкцию в Пакистане. Некоторые пакистанские учёные заявили, что его «изобретение» — не что иное, как мошенничество, поскольку противоречит второму началу термодинамики [32] [33] .

Водород как добавка [ править | править код ]

Вдобавок к заявлениям об автомобилях, которые ездят на одной только воде, также существуют утверждения, что сжигание водорода или гремучего газа вместе с бензином или дизельным топливом повышает топливную эффективность. Действительно ли подобные системы позволяют уменьшить выбросы и/или обеспечить экономию топлива, является в настоящее время предметом споров [34] . Получение водорода на борту требует большого расхода электроэнергии, которая, в конечном итоге, получается за счёт сжигания топлива в двигателе. Электролиз воды в данном случае — дополнительное преобразование энергии, то есть, источник дополнительных тепловых потерь, снижающих общий КПД. На многих отечественных и зарубежных сайтах предлагают устройства для получения кислородно-водородной смеси (часто называемый «HHO», «газ Брауна») на борту автомобиля, обещая при этом значительное увеличение топливной эффективности [15] [35] [36] . По словам представителя Американской Автомобильной Ассоциации (англ.) , «Все эти устройства, вероятно, выглядят работающими, но поверьте мне, это не так [37] ».

Утверждается, что технология GEET Paul Pantone [38] может позволить создание двигателя на воде благодаря высокотемпературному разложению воды за счёт тепла выхлопных газов [39] ; технология не прошла никаких независимых тестов, а её создатель решением суда был отправлен в психиатрическую лечебницу [40] [41] [42] [43] .

«Бензиновые таблетки» и подобные им добавки [ править | править код ]

К мистификациям относительно «водяных автомобилей» близки заявления о добавках, часто в виде таблеток, превращающих воду в топливо, подобно тому, как в карбидной лампе высокоэнергетическая добавка (карбид кальция) в реакции с водой даёт горючий газ. По сообщению Mother Earth News (англ.) , эти «бензиновые таблетки» будто бы были продемонстрированы в 1980 г. Но опять-таки вода сама по себе неспособна дать выход энергии, и топливом должны быть сами эти таблетки.

Двигатель на воде: мифы и реальность.

Начнем со сложного- с подачи воды в двигатель. На сайте есть много людей, которые уж очень рекламируют данную тему. По сути, большинство их доводов- чистой воды демагогия или просто выдача желаемого за действительность. Мне эта тема не давала покоя, и я решил сам все поверить, собственно, так и написал эту статтю.

В интернете существует много различных мифов, как повысить мощность двигателя, сократив при этом расход топлива. Это и различные «экотопы», и магниты на бензопроводе, и всякие гомогенизаторы, завыхрители и т.д. В 95% все эти «гениальные» изобретения, которые обещают повысить мощность на 20%, снизить расход на 30% чистой воды шарлатанство, которое в лучшем случае не сделает ситуацию хуже.
Среди всех этих сомнительных улучшений есть системы впрыска воды, причем, как и от СНГ производителя («Водокар»), который приводит вполне серьезные, хоть и антинаучные аргументы (термолиз воды в цилиндре ДВС), так и от серьезных тюнинговых компаний (AEM)
Мало кто понимает сущность подобных систем и результат ее действия. Но тем не менее много кто берется высказать свое мнение, часто ошибочное. В целом все мнения делятся на отрицательные и положительные. Попробуем разобраться, обоснованы ли они.

Начнем с отрицательных:

1 впрыск воды в работающий двигатель обязательно приведет к гидроудару.
Гидроудар происходит когда в цилиндр попадает жидкость (в нашем случае вода) в количестве которое с избытком заполняет объем камеры сгорания когда поршень находится в верхней мертвой точке. Допустим, при движении у верхнюю мертвую точку в конце 2 такта, когда впускные и выпускные клапаны закрыты, поршень встречает встречает воду в избыточном количестве. Согласно законам физики, жидкости (в нашем случае вода) не сжимаются, и вода для поршня стает непреодолимой преградой, и шатун, вращаемый довольно инерционным (в связке с маховиком) коленвалом, гнется или ломается, обычно пробивая при этом блок цилиндров, и мы видим при этом так называемую «руку дружбы.»

Определим критичное количество воды при котором наступает гидроудар на примере двигателя ваз 2103.
Итак, объем камеры сгорания в головке блока цилиндров составляет 39,5 см3 (ГБЦ + прокладка), округлим это число к 40 для удобства расчетов и примем его за объем камеры сгорания при поршне у ВМТ. Для упрощения недоход поршня не будем брать во внимание.
Возьмем наиболее уязвимые для гидроудара обороты— обороты холостого хода—приблизительно 900 об./мин. При данных оборотах двигатель совершает 225 рабочих тактов. В секунду, соответственно, эта величина будет равна 3, 75. Т.е. для гидроудара в двигатель должно попасть 3,75 х 40 = 150 см3 = 150мл/с или 150 х 60 = 9000 мл/мин = 9л/мин Это, согласитесь, довольно много, учитывая расход бензина 1 л/ч = 16,7 мл/мин на холостом ходу. А ведь при таком соотношении бензина/воды 1/5400 двигатель работать не будет в любом случае. Гидроудар наступит разве что если вплеснуть эти 150 мл у впускной коллектор .

2 Впрыск воды приведет к ржавлению цилиндров.
Впрыск воды серийно использовался на немецких истребителях Messerschmitt (система MW 50), также были проведены полномасштабные испытания на авиадвигателе АШ 62. Следов ржавчины не было обнаружено.

3. Вода будет разжижать масло в картере.
Вода в цилиндре перебывает исключительно в газообразном состоянии, а соответственно, разжижает масло не больше чем бензин в топливной смеси.

А теперь положительные:

1. В цилиндре вода под действием высокой температуры разлагается на кислород и водород, которые явно способствуют горению, повышая КПД двигателя и увеличивая его экономичность.

На самом деле температура в камере сгорания в момент рабочего такта (приблизительно от 1000 С до 1800 С) значительно ниже таковой, необходимой для термолиза воды (2500 С)

2. Вода способствует охлаждению ГБЦ и цилиндра

Вполне логичное предположение, подтвержденное испытаниями как и в США так и в СССР

3. избавление от нагара на стенках камеры сгорания

Вода весьма эффективно чистит нагар. Подтверждено испытаниями.

4. вода является эффективным антидетонатором

Вода, охлаждая топливную смесь и камеру сгорания, а также являясь инертной средой в цилиндре очень успешно подавляет детонацию, делая возможным работу двигателя на низкооктановых топливах, высоком давлении наддува, сильно обедненных смесях.

А теперь кратко о испытаниях и серийных системах. Испытаниями занимались как и в США так и в СССР. На основание испытаний были сделаны следующие выводы:

1. Впрыск воды снижает температуру ГБЦ и поршня.
2. Впрыск воды эффективно подавляет детонацию, а, соответственно, позволяет:
А) применять в эксплуатации низкооктановый бензин.
Б) увеличивать давление наддува, повышая при этом мощность а также КПД двигателя, снижая при этом удельный расход топлива.
3. Уменьшение вредных выбросов в атмосферу
А) за счет более эффективного сгорания топлива.
Б) в случае работы двигателе на бензине с более низким октановым числом, в котором
Отсутствуют антидетонаторы на основе вредных веществ типа тетраэтилсвинца.

Наиболее известной системой впрыска воды, устанавливаемой серийно была MW 50, устанавливаемая на двигатели Daimler Benz 601 истребителя Messerschmitt bf-109.
Система состояла из бака, наполненного на 50% водой и 50% метанолом, который был необходим, чтобы избежать замерзания воды на больших высотах (в экстренных случаях допускалось использование чистой воды). Вода из бака подавалась в механический нагнетатель, охлаждая горючую смесь, отодвигая при этом зону детонации. При этом давление наддува повышалось с 1,3 ATA до 1,7 ATA. Мощность при этом возрастала 1575 л.с. до 1800 л.с. При этом также значительно повышался расход топлива. Всего за 1 полет MW 50 можно было включать 2 раза по 10 минут.
В США эксплуатировали похожую систему: впрыск воды позволял избежать детонации в режимах больших нагрузок. При этом обеднялась горючая смесь и оптимизировался процесс сгорания в цилиндрах (более полное, а значит и более эффективное сгорание топлива)
В СССР подобные системы серийно не эксплуатировались, но были проведены полномасштабные стендовые и летные испытания, которые подтвердили эффективность впрыска воды.
На автомобилях впрыск воды не прижился: он использовался лишь на некоторых моделях Chrysler и SAAB

Подробно изучив информацию по данной теме, было принято решение изготовить систему впрыска воды из подручных средств и испытать ее на двигателе ваз 2103.
Для этого был доработан штатный карбюратор ДААЗ 2107. Доработки заключались в следующем:
1 Был просверлен эмульсионный канал к 1 камере (аналогично эмульсионному каналу эконостата 2 камеры). Для сверления рекомендую использовать сверлильный станок. В начало просверленного канала была вставлена трубка .
2 На месте отсутствующего воздушного жиклера (по аналогии с эконостатом 2 камеры)
Была вставлена трубка, которая через просверленное в крышке карбюратора отверстие выведена наружу.
3 В корпусе карбюратора в месте состыковки малого диффузора и корпуса было просверлено отверстие до эмульсионного канала (аналогично эконостату 2 камеры).
4 Был применен малый диффузор с маркировкой 4 с каналом эконостата.
5 В отверстие эмульсионного канала вставляется отсутствующий эмульсионный жиклер, отверстие топливного канала (рядом) заглушается.
6 трубка 1 (пункт 2) через электромагнитный клапан подключена через жиклер к бачку, служащему поплавковой камерой, закрепленному таким образом, чтобы уровень воды был несколько выше уровня топлива в поплавковой камере карбюратора, но так, чтобы вода не капала с малого диффузора при открытом клапане на заглушенном двигателе. Поплавковой камерой служит бачок для тормозной жидкости, используемый в приводе сцепления.
7. «Поплавковой» данную камеру можно назвать лишь с натяжкой, так как поплавок отсутствует. Его роль выполняют 3 контакта погружены в воду, с помощью которых схема, основанная на NAND логике, управляет помпой, расположенной в 3-х литровом бачке (бачок омывателя и насос из Газели ).(Работа схемы основана на электропроводимости воды).
8. Трубка 2(пункт 1) заканчивается жиклером и воздушным фильтром.
9. В силу конструктивных особенностей система вступает в работу в диапазоне оборотов от 1700 до 2000. Чтобы подача воды осуществлялась более точно, ее включение происходит автоматически с помощью блока управления ЭПХХ при 1900 об/мин.
Блок ЭПХХ был немного доработан: в схему добавлен инвертор, чтобы при достижении заданных оборотов включения, на выходе был логический 1(+), а при отключении логический 0.
10 При оборотах ниже порога включения системы, а также при выключенном зажигании электромагнитный клапан закрыт, питание на механизм регулировки уровня воды в поплавковой камере не поступает.

Поедем на водороде? Как обстоят дела с самыми экологически чистыми электромобилями

Продажи электрокаров растут, даже несмотря на пандемию COVID-19. Так, за 2020 год было реализовано 3,1 млн штук по всему миру — их доля в общем объеме составила почти 5% против 2,5% в 2019 году. При этом 2,2 млн пришлось на экологически чистые электромобили и более 900 тыс. — на подзаряжаемые гибриды (PHEV).

Но по-прежнему 95% проданных машин оснащено двигателями внутреннего сгорания. Дело в том, что нерешенными остаются ключевые вопросы, связанные с емкостью батареи (и соответственно, пробегом автомобиля), длительностью зарядки, инфраструктуры… И главная проблема — откуда мы получаем электроэнергию для такого автомобиля?

В большинстве случаев она вырабатывается на тепловых электростанциях — за счет сжигания топлива. Выходит, мы просто обманываем сами себя: экологические проблемы не решаются, а просто переносятся из «чистых» городов, где бегают электромобили, в районы, где добывают нефть, газ, уголь, и сжигают их.

На этом фоне ведущие автопроизводители продолжают осваивать проекты, основанные на использовании водорода как топлива.

Разобраться в терминах

Для начала обозначим: водородомобиль — это в любом случае электромобиль, потому что его приводит в движение электромотор. Просто электроэнергия получается не из розетки, а в ходе химической реакции с водородом. Эта реакция проходит внутри ячеек топливных элементов, куда подаются водород и кислород. Так получается электричество, которое передается на электромотор и приводит в действие колеса и все остальные системы. Отмечу, что реакция происходит без процесса горения, а «выхлоп» представляет собой безвредный водяной пар, что вполне вписывается в концепцию «нулевого выхлопа».

Мир получит и другие плюсы в случае распространения электроводородных автомобилей. Например, освобождение от технического обслуживания в нынешнем понимании. Ведь менять масло, другие технические жидкости, как сейчас в двигателе внутреннего сгорания или трансмиссии, не придется. Не нужны будут и свечи, системы охлаждения, нейтрализации отработанных газов и многое другое. Уйдет в прошлое тяжелый и дорогой аккумулятор, цена которого сегодня составляет треть, а то и половину стоимости электромобиля. Теоретически все это положительно скажется как на стоимости эксплуатации, так и на экологии.

По эффективности бензин, дизтопливо или любая современная батарея, как говорится, с водородом и рядом не стояли — 1 г водорода дает в три раза больше энергии, чем 1 г бензина. От этого многократно выше и стартовый крутящий момент, увеличен запас хода, а выброс СО₂ и тяжелых металлов равен нулю. Вместо серы и окислов азота в атмосферу улетают кислород и водяной пар. Кроме того, водородные двигатели практически бесшумны.

Где добывают водород?

Чтобы электроводородомобиль поехал (буду обозначать его как ЭВМ), должна произойти химическая реакция, соответственно, для этого его нужно заправить водородом. Но прежде же этот водород откуда-то необходимо взять — в чистом виде в природе водород не встречается, его нужно получить с помощью химических реакций. Распространенный сегодня способ (кстати, относительно экономически выгодный) — выделение его из воды (пара) в процессе сжигания природного газа при высокой температуре (700–1000 ºС) и под давлением. Правда, при этом выделяется вредный углекислый газ. Словом, не просто этот способ назвать высокоэкологичным.

Увы, полностью экологичных способов производства водорода пока разработано не так много. А те, что есть, чудовищно дороги. Так, даже «промышленный» водород примерно в три раза дороже бензина. Хотя за последние 15 лет за счет разработки новых технологий уже удалось снизить его стоимость на мировом рынке с $250 до $30 за литр — это далеко не предел.

Также из нелицеприятных сторон водорода можно назвать то, что он считается очень взрывоопасным, ведь давление газа в баллоне достигает 700 атмосфер, а для поддержки жидкого состояния требуется температура ниже –250 ºС. Правда, кроме впечатляющих цифр сжатия и повышенной летучести он ничем не отличается от других газов, включая пропан, бутан, метан, кислород и азот, но ведь научились с ними работать. Так что водород нужно рассматривать как обычное газомоторное топливо, отличающееся (от пропана и метана) только чистотой выброса, энергетической мощностью и более низкой ценой (в перспективе).

Сегодня в мире уже находят неплохие ответы на тревожащие вопросы относительно водорода. Например, последние исследования показывают, что более эффективно его хранить в гидридах (соединениях водорода с другими химическими элементами). В связи с чем разрабатываются системы хранения на основе гидридов магния — сплавы поглощают водород в больших количествах и освобождают его при нагреве (очень похоже на замерзшую воду в поролоновой мочалке). По сути, водородный бак, образно говоря, становится электрической батареей, которая в 100 раз эффективнее самой современной литиевой.

«Конечно, есть проблемы технические, количество специальных водородных заправок очень невелико, такое топливо пока остается дорогим. Но специалисты говорят, что эти задачи уже чисто инженерного характера и решить их можно будет примерно за пять лет», — уверяет доктор экономических наук, основатель группы компаний «Автотор» Владимир Щербаков.

На чем поедем?

Говорят, что количество «водородных» АЗС в Европе растет довольно быстро. Хоть потребителей этого топлива совсем мало, да и пока имеются все же проблемы с техникой безопасности. Ведь не будем забывать, что он взрывоопасен и его хранение на заправочной станции требует соблюдения повышенных мер безопасности, что тянет за собой удорожание и усложнение создания водородных заправок.

Первые «водородные» АЗС в Германии появились лет 15 назад. Сейчас же в ФРГ работает около 100 таких заправок, а к 2023 году их число должно вырасти до 400 и более. Стоимость соответствующего проекта оценивается свыше €400 млн — по миллиону на каждую АЗС. Большую часть средств инвестируют фирмы Toyota, Honda, BMW, Volkswagen и Daimler. Например, в Японии таких АЗС уже около 200.

Увы, в России работает пока только одна водородная заправка (и то в тестовом режиме) — в Подмосковье, в Черноголовке, на территории одного из НИИ. При этом по итогам прошлого года у нас в российском автопарке числился также всего один легковой автомобиль с водородными топливными элементами (не российского производства).

В целом же эксперименты с водородной темой в автосфере начались еще в прошлом веке. Все ведущие автопроизводители начали разрабатывать модели на альтернативных топливных элементах. Между прочим, занимались этой темой и на нашем «Автовазе». Направление называлось АНТЭЛ — «автомобиль на топливных элементах».

Помню даже «Ниву» и универсал ВАЗ-2111, которые возили по разным выставкам. Но тема эта в Тольятти уже несколько лет как закрыта. А жаль! Ведь в мире уже серийно выпускается несколько моделей.

Первенцем стала модель Toyota Mirai, которую в Японии продают с конца 2014 года, в США и Европе — с конца 2015 года. На сегодняшний день это самый распространенный в мире ЭВМ, который выпускает уже второе поколение модели. Основным рынком сбыта являются США, но продается ЭВМ также в Европе, Японии и Канаде.

Правда, очень популярной модель не назовешь, даже если учитывать, что существуют очень серьезные дотации для покупателей со стороны производителя (компенсирует государство). Цена Toyota Mirai в США стартует с отметки $58 тыс., при этом покупатель получает на депозит $15 тыс. на заправку водородом (эти деньги надо потратить в течение трех лет). По данным 2020 года, выпущено и продано по всему миру около 6 тыс. штук Mirai.

Модель другого японского концерна, Honda Clarity, продается с 2016 года. В ход машину приводит электродвигатель мощностью 174 л.с. Водород хранится в баке под давлением 690 атмосфер. По разным данным, на одной заправке можно проехать от 500 до 750 км. Депозит на заправку такой же — $15 тыс.

В Южной Корее выпущена опытная партия водородных кроссоверов Hyundai Nexo (около тысячи штук). Есть перспективные модели и у немцев — Mercedes-Benz GLC F-Cell и BMW X5 i Hydrogen Next. Прошлым летом первый в мире тяжелый грузовик на водородных топливных элементах начал продавать Hyundai. Выпуск автобуса и грузового фургона освоила в Китае компания Foton.

Таким образом, сейчас по дорогам мира движется уже несколько тысяч автомобилей на водородном топливе. Но повторю, что спрос на такую технику весьма ограниченный. Причины понятны: высокая цена и ограниченность поездки из-за малого количества АЗС. Есть проблемы и с эксплуатацией в холодном климате (конкретно — с холодным пуском). Производители новейшего Hyundai Nexo, например, обещают беспроблемный пуск только при температуре выше –6 ºС. Но эти проблемы, думаю, через несколько лет уже решат.

Есть пророки в своем отечестве

В России сегодня нет никакого официального документа, в котором бы определялось отношение государства к автомобилям с альтернативными источниками (в том числе на водородных элементах). Несколько лет назад в Министерстве промышленности и торговли подготовили общую концепцию развития автопрома. Но, по мнению многих специалистов, она устарела еще до ее утверждения в 2018 году.

Сейчас, по разной информации, целых три ведомства пишут новые концепции развития в нашей стране транспорта на альтернативных видах топлива (Минэкономразвития, Минпромторг и Минэнерго), и даже мелькает цифра — сколько надо будет потратить в итоге: порядка триллиона рублей.

Так, министр промышленности и торговли РФ Денис Мантуров в недавнем интервью ТАСС пообещал, что в России начнут производить машины на водородных топливных элементах уже в 2024 году. По его мнению, первыми водородными транспортными средствами, которые начнут собирать в нашей стране, станут автобусы.

Такой выбор не удивителен, ведь в декабре 2020 года президент РФ Владимир Путин поручил начать производство городского транспорта на водородных элементах, правда, к 2023 году. Тогда руководители «Камаза» сразу отрапортовали, что конструкторские разработки уже ведутся.

Также заместитель министра промышленности и торговли Михаил Иванов пообещал, что в период с 2025 до 2030 года в России построят до 1,2 тыс. заправок для водородных автомобилей.

Сложно оценить реальность таких заявлений, ведь очень мало информации о том, как далеко продвинулись наши ученые из военно-промышленного комплекса в разработке элементов хранения водорода; не ведаем, что за наработки по промышленному (и экологически чистому) получению водорода есть у российских ведущих нефтегазовых компаний.

«Главная проблема — это не отсутствие научных и инженерных кадров, новых разработок в стране. В том числе на водородных элементах. Проблема в том, что правительство не ставит задачу к 2025 году, например, освоить серийное производство электромобилей. Ни на обычных элементах, ни на топливных, ни в действующей концепции, ни в программе развития автопрома, ни в специнвестконтрактах (СПИК) с автопроизводителями до 2030 года такой цели нет, — объясняет Владимир Щербаков. — Вместо серьезного обсуждения, что и как нужно сделать, чтобы занять достойное место в мировой гонке, все друг другу объясняют, почему электродвигатель для России не подходит. Одни доказывают, что электробатареи слишком дорогие и запас энергии может обеспечить только небольшой пробег. Но как-то при этом забывают, что Россия — один из главных в мире обладателей ресурсов, из которых эти батареи изготавливаются: лития, магния, кадмия, железа, титана, редкоземельных металлов. И просто стыдно не создать лучшие технологии их переработки».

Но, похоже, разработки в стране действительно идут. На днях объявили, что совсем скоро, в начале 2022 года, будут запущены в эксплуатацию водородные электромобили на базе «ГАЗели Next». Но — в Германии. Проект реализуется с 2019 года совместно с немецким партнером «Группы ГАЗ» — компанией ElektrofahrzeugeStuttgart (EFA-S). ЭВМ создается на шасси «ГАЗель Next» полной массой 4,6 т с двухрядной кабиной. Запас хода у такого автомобиля, как обещают, будет достигать 500 км.

Почему же отечественный производитель технику, разработанную по собственной технологии, производит за рубежом? Ответ выше — отсутствие четкой концепции на верхах.

Однако, если честно, несмотря на то что работы по созданию автомобилей на альтернативных видах топлива в мире ведутся давно, до сих пор у инженеров и других специалистов нет четкого понимания, как в будущем будет выглядеть автомобиль и на каком источнике энергии он поедет. В Honda, например, делают ставку на водород, а в Toyota разрабатывают как обычные электромобили, так и ЭВМ. При этом не спешат отказываться и от привычных ДВС, совершенствуя их. В то время как многие их коллеги из европейских компаний уже объявили, что больше двигателями внутреннего сгорания принципиально заниматься не будут.

Спросил ли при этом кто-то конечного потребителя — что ему надо? Ведь ему все эти высоконаучные споры неинтересны. Его, может, вполне устраивает автомобиль с ДВС — простой, надежный, недорогой, с пробегом не в 200 км, а в тысячу. А привлечь внимание автомобилиста туманными «экологическими перспективами» без экономической выгоды и комфортной эксплуатации — задача крайне труднодостижимая. Разве что предложить большие дотации (за счет его же налогов, между прочим)?

Как работает водородный двигатель

С экранов телевизоров нам заявляют, что количество нефти стремительно уменьшается, и вскоре бензиновые машины отойдут в далёкое прошлое. Вот только это не совсем верно.

Действительно, количество разведанных запасов нефти не очень велико. В зависимости от степени потребления их может хватить на период от 50 до 200 лет. Но в этой статистике не учитываются до сих пор неразведанные места нефтедобычи.

В действительности нефти на нашей планете более чем достаточно. Другой вопрос, что сложность её добычи постоянно возрастает, а значит, растёт и цена. К тому же нельзя списывать со счетов экологический фактор. Выхлопные газы сильно загрязняют среду и с этим нужно что-то делать.

Современная наука создала множество альтернативных источников энергии вплоть до двигателя ядерного распада в ваших машинах. Но большинство из этих технологий пока что представляют собой концепты без возможности реального применения. По крайней мере, так было до недавнего времени.

С каждым годом машиностроительные компании выпускают всё больше машин, работающих на альтернативных источниках питания. Одним из самых эффективных решений в данном контексте является водородный двигатель от бренда «Тойота». Он позволяет полностью забыть про бензин, делая автомобиль экологичным и дешёвым транспортом.

Водородные двигатели

Типы водородных двигателей и их описание

Наука непрерывно развивается. Каждый день придумываются новые концепты. Но только лучшие из них воплощаются в жизнь. Сейчас существует всего два типа водородных двигателей, которые могут быть рентабельными и производительными.

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

На данный момент тяжело сказать, какая из двух технологий по созданию водородных двигателей победит. У каждой есть свои плюсы и минусы. В любом случае работы в данном направлении не прекращаются. Поэтому, вполне возможно, что к 2030 году машину с водородным двигателем можно будет купить в любом автосалоне.

Принцип работы

Водородный двигатель работает на основе принципа электролиза. Данный процесс происходит в воде под воздействием специального катализатора. В результате выделяется гидроген. Его химическая формула следующая — ННО. Газ не обладает взрывоопасными качествами.

В состав генератора входит электролизер и резервуар. За процесс генерации газа отвечает модулятор тока. Для обеспечения наилучших результатов в инжекторных водородных двигателях устанавливается оптимизатор. Это устройство отвечает за регулирование соотношения топливно-воздушной смеси и газа Брауна.

Характеристики катализаторов

Катализаторы, используемые для создания нужной реакции в водородном двигателе, могут быть трёх видов:

1. Цилиндрические банки. Это самая простая конструкция, работающая на довольно примитивной системе управления. Производительность водородного двигателя, работающего с данным катализатором, не превышает 0,7 литра газа в минуту. Такие системы могут использоваться на машинах с водородным двигателем объёмом до полутора литра. Увеличение числа банок позволяет превысить данный лимит.
2. Раздельные ячейки. Считается, что именно такой тип катализатора является наиболее эффективным. Производительность системы составляет более двух литров газа в минуту, КПД — максимальный.
3. Открытые пластины или сухой катализатор. Данная система рассчитана на длительный срок работы. Производительность колеблется в диапазоне от одного до двух литров газа в минуту. Открытое расположение обеспечивает максимально эффективное охлаждение.

Эффективность водородных двигателей с каждым годом растёт. Сейчас начинают вводиться в эксплуатации гибридные устройства, функционирующие на водороде и бензине. В свою очередь, конструкторы не прекращают искать наиболее эффективной модели катализатора, обеспечивающей ещё большую производительность.

Водородный двигатель своими руками

Генератор

Чтобы создать эффективный водородный двигатель для автомобиля своими руками, нужно начать с генератора. Самый простой самодельный генератор — это герметичная ёмкость с жидкостью, в которую погружаются электроды. Для такого устройства достаточно источника питания в 12 В.

Штуцер устанавливается на крышке конструкции. Он отводит смесь водорода с кислородом. Собственно, это и есть основа генератора для водородного двигателя, которая подключается к ДВС.

Чтобы создать полноценную систему также понадобится дополнительный накопитель и аккумулятор. В качестве корпуса лучше всего использовать водопроводный фильтр или же можно купить специальную установку. В последней применяются цилиндрические электроды повышенной производительности.

Как видите, выделить нужный газ для реакции не так-то уж и сложно. Намного сложнее произвести его в нужном для водородного двигателя количестве. Чтоб повысить эффективность необходимо использовать электроды из меди. В крайнем случае подойдёт и нержавейка.

В ходе реакции ток должен подаваться с разной силой. Поэтому без электронного блока не обойтись. К тому же в резервуаре всегда должно быть определённое количество воды, чтобы реакция проходила в нормальных условиях. Система автоматической подпитки в водородном двигателе решает эту проблему. Интенсивность электролиза обеспечивает достаточное количество соли.

Чтобы сделать воду для водородного двигателя необходимо взять 10 литров жидкости и добавить столовую ложку гидроксида.

Устройство водородного двигателя

В первую очередь нужно позаботиться о дополнительных резервуарах и трубопроводе. Водородный двигатель нуждается в датчике уровня воды, который устанавливается в середине крышки. Это предотвратит ложное срабатывание при движении вверх-вниз. Именно он будет давать команду системе автоматической подпитки, когда это понадобится.

Особую роль играет датчик давления. Он включается на показателе в 40 psi. Как только внутреннее давление достигнет показателя в 45 psi, подкачка отключается. При превышении 50 psi сработает предохранитель.

Предохранитель водородного двигателя должен состоять из двух частей: вентиля аварийного сброса и разрывного диска. Разрывной диск активируется, когда давление достигает 60 psi, не нанося никакого вреда системе.

Для отвода тепла нужно использовать самую холодную свечу. Не подходят свечи с платиновыми наконечниками. Платина — отличный катализатор для реакции водорода и кислорода.

Электрическая часть

Важную роль в электрической схеме водородного двигателя играет таймер 555. Он выполняет роль импульсного генератора. Мало того, с его помощью можно регулировать частоту и ширину импульса.

В плате водородного двигателя должно быть два импульсных таймера 555. При этом первый должен иметь конденсаторы большей ёмкости. Выход с ноги 3 поступает на второй генератор. Он его собственно и включает.

Третий выход второго таймера импульсного водородного генератора подключается к резисторам на 220 и 820 Ом. Транзистор усиливает ток до нужной величины. За его защиту отвечает диод 1N4007. Это обеспечивает нормальную работу всей системы.

Итоги

Сейчас водородный двигатель уже не плод фантазии учёных, а вполне реальная разработка, которую можно сделать самостоятельно. Конечно, по характеристикам подобный агрегат будет уступать заводской модели. Но экономия для ДВС всё равно будет заметной.

Водородные двигатели не просто помогают сократить потребление бензина, но и являются полностью безопасными для окружающей среды. Именно поэтому уже в первом квартале продажи водородного автомобиля марки «Тойота» побили все рекорды в Японии.