Технический прогресс принес человечеству не только возможность на порядок повысить уровень жизни, достичь небывалых успехов в развитии науки и техники, но и поставил цивилизацию на грань экологической катастрофы. Сегодня более миллиарда жителей планеты страдают от кислотных дождей, грязного воздуха, зараженной токсичными металлами почвы.

И, если в таких, самых грязных городах мира, как Сумгаит, Норильск, Ранипед, Линьфэнь источник загрязнения атмосферы виден сразу, это дымящие трубы промышленных и угольных предприятий, то на выхлопные трубы автомобиля многие из нас не обращают внимания. Однако именно автомобильная сфера считается самой экологичноопасной.

На долю транспортной отрасли приходится не менее 40% глобального загрязнения атмосферы токсичными веществами, а в некоторых мегаполисах, например Мехико и Нью-Йорк выбросы СО2 и сернистого ангидрида в атмосферу достигают 70%. Есть ли выход из ситуации, почему электромобили не спасают экологию и может ли перевод ДВС на водород снизить токсичное воздействие на планету в целом, и каждого человека, в частности — анализируем и думаем.

Электромобили — ложная надежда человечества

Анализируя статистические данные цифровых панелей, которые отслеживают поток транспортных артерий в большинстве крупных городов Америки ученые и инженеры пришли к неутешительному выводу. Тотальный переход автомобильного парка США на аккумуляторные батареи спровоцировал потребление колоссального количества электроэнергии. Подсчитано, что общая мощность автомобильных моторов в 3 раза превышает суммарную мощность электростанций страны.

Эксперты энергетического рынка Америки уже высказывают мнение, что величина эмиссии вредных продуктов в результате работы электростанций, энергия которых необходима для зарядки электрокара в ближайшем будущем представит большую угрозу, чем выбросы автомобилей с бензиновыми и дизельными ДВС. Это мнение пока является спорным, в странах США и Европы ведутся работы по размещению электростанций в удалении от крупных городов, электрокары помогают очистить атмосферу мегаполиса, но автоконцерны уже понимают будущие риски и ведут активную работу по созданию и применению топливных элементов на современных автомобилях.

Водород как топливо для ДВС

Своеобразные свойства водорода всегда привлекали ученых и изобретателей в области моторостроения, мировой опыт показывает, что водород совместим с существующей конструктивной базой поршневого ДВС. Главным преимуществом водорода остается широкая сырьевая база и уникальные экологичные характеристики. По сути, автомобиль становится абсолютно безопасным видом транспорта не только в процессе эксплуатации, но и во время производства топлива.

Многие автоконцерны, включая BMW, Mercedes-Benz, Toyota не первый десяток лет конструируют гибридные силовые установки и представляют публике спорткары, кроссоверы на топливных элементах. В 2019 Баварский производитель представил концепт BMW i Hydrogen Next, машина так и не вышла в серию, но уже на осенней выставке IAA 2021 года, которая из-за пандемии переехала из Франкфурта в Мюнхен, публике представили новый водородный кроссовер BMW iX5 Hydrogen.

Не отступая от своего вечного конкурента, концерн Мерседес вышел на рынок с мощной артиллерией, и в 2020 представил тяжелый грузовик Mercedes-Benz GenH2, работающий на водородных топливных элементах, показав, что вполне реально использовать возобновляемое топливо как для легковых, так и для грузовых автомобилей, которые среди автотранспорта считаются самыми неэкологичными.

Пожалуй, самые значимые результаты в развитии водородных ДВС демонстрирует компания Toyota, которая в 2017 представила первые водородные тягачи с силовыми гибридными агрегатами 670 л.с и серию легких седанов Mirai. А компания «Mazda» делает ставку на водородный роторно-поршневой двигатель, как на самую экономично-выгодную технологию будущего.

Принцип работы водородного двигателя

Водород имеет высокую скорость сгорания, широкий диапазон возгорания, при этом энергия воспламенения газа на порядок меньше, чем у углеводородных топлив. Временной цикл сгорания водорода в камере обеспечивает высокое КПД рабочего процесса ДВС, лучшую экономичность и отсутствие токсичных выбросов.

По массовой энергоемкости водород значительно превосходит все известные виды топлива:

• углеводородные в 2,5 раза;
• спирты — 5,5 раз;
• аммиак — 7 раз.

Воздушно-водородная смесь стабильно воспламеняется в большом диапазоне концентрации α=0,2 до α=10, что позволяет регулировать мощность мотора во всех скоростных режимах. Принцип работы водородного ДВС, не вдаваясь в детали, можно описать следующим образом.

1. Топливные баки заправляются сжатым водородом.
2. Необходимый для топливообразования воздух поступает через воздухозаборник.
3. Химическая реакция водород-кислород образует электроэнергию, которая после нажатия на акселератор приводит в движение электромотор.

Единственный побочный продукт работы такого мотора — вода, которую представитель Тойота даже рискнул выпить, демонстрируя журналистам стопроцентную экологичность нового ДВС концерна в легком седане Toyota Mirai.

Двигатель на водороде — конструктивные особенности

Но не все так просто в конструкции водородного ДВС. Чтобы приспособить существующие серии поршневых дизельных и бензиновых моторов к новому типу топлива необходимо полностью переоснастить систему топливоподачи.

Инженеры прекрасно знают, что, используя систему внешнего, а не внутреннего топливообразования водородный двигатель теряет до 40% суммарной мощности, поскольку водород относится к самым летучим элементам и уровень окислителя в камере становится недостаточным.

В конструкции ДВС, где используется схема внутреннего смешения водорода и кислорода наблюдается значительное увеличение мощности мотора, которое становится сопоставимо мощности ДВС на традиционных дизельных автомобилях.

Рабочий цикл водородного двигателя отличается трудно контролируемым процессом воспламенения топливной смеси, для оптимизации которого используют технологию впрыска «холодного» водорода или воды во впускной коллектор, дефорсирование мотора, которое снижает давление в камере в момент воспламенения топливной смеси, принудительное обеднение топливной смеси.

Активно ведутся работы по оптимизации формы камеры сгорания ДВС для обеспечения гомогенности рабочей смеси, изучается динамика развития струи водорода и воздуха, которая подается в цилиндры. Инженеры проводят испытания новых моторов, в которых водород подается этапами, часть топлива на впуск, часть на такт сжатия. Все эти исследования позволили сконструировать кардинально новые типы водородных ДВС, которые имеют классический принцип работы, но совершенно новую структуру.

Работы по модернизации и улучшению водородных ДВС проходят по нескольким направлениям.

1. Рассматриваются действенные пути по переводу на водород уже существующих двигателей.
2. Продолжаются работы по изучению рабочего процесса ДВС для обеспечения большей топливной экономичности.
3. Разрабатываются новые системы топливоподачи и способы хранения водорода на транспорте.
4. Модернизируется и оснащается сеть заправок, для возможности аккумулирования водорода.

Кроме этого, инженеры не только конструируют новые типы водородного ДВС, но и идут по пути использования водорода в качестве присадок к существующим топливам, что частично решает вопрос вредных выбросов в атмосферу.

Водородная установка BMW iX5 Hydrogen

Если рассматривать работу водородной силовой установки на новом кроссовере BMW iX5 Hydrogen, можно отметить, что немецкие инженеры использовали японский концепт. А именно в центральном тоннеле и под креслами заднего ряда установили несколько композитных баллонов, которые вмещают 6 кг. водорода, давлением 700 бар. Топливный элемент является собственной разработкой Toyota (концерн сотрудничает с баварским производителем по водородным технологиям с 2013 года).

Мощность электрохимического генератора 170 л.с., единственный электромотор, максимальной отдачи 374 л.с. установлен в кроссовере на задней оси. Пиковую мощность мотор может развить на короткое время при условии оптимального заряда буферного аккумулятора, емкость батареи производитель пока держит в секрете.

Водородный седан Toyota Mirai

Серийный водородный седан Toyota Mirai, который впервые представили публике на Токийском автосалоне в 2013 году, 25 мая 2021г. побил рекорд пробега на одной заправке. 5-литровый бак водорода позволил автомобилю преодолеть 1003 км., при этом система показала, что остатка топлива хватит еще на 9 км.

В седане использована гибридная силовая установка модели FCA110 на водородных топливных элементах FC stack. В результате химической реакции без процесса горения, установка выдает КПД преобразования водорода в электричество 83%. Среднестатистический бензиновый мотор Тойота имеет КПД 23% (максимальный результат у бензинового 1,3-литрового мотора Toyota VVT-iE, КПД — 38%).

Водородный ДВС от Toyota

В апреле 2021 года концерн Тойота объявил, что начинает полевые испытания своего нового мотора, который будет использовать водород в качестве топлива. Здесь речь уже идет не о топливных элементах на водороде, а полноценном поршневом двигателе внутреннего сгорания.

Японские инженеры модернизировали трехцилиндровый турбомотор объемом 1.6 литров и установили абсолютно новую систему топливоподачи. На время эксперимента новый агрегат получил хэтчбек Corolla Sport, который выступит в японской серии гонок на выносливость Super Taikyu Series 2021 Powered by Hankook.

Во время тестовых заездов был зафиксирован нулевой выброс, при этом водородный ДВС сохранил все признаки классических моторов, а именно звук и вибрации. Заправляют автомобиль экологичным топливом производства крупнейшего в мире завода по выработке водородного топлива Fukushima Hydrogen Energy Research Field. Завод использует солнечную электростанцию, которая выдает энергию мощностью 20 МгВт., поэтому можно утверждать, что и при производстве зеленого топлива вред окружающей среде равен нулю.

Плюсы и минусы водородных ДВС и топливных систем для потребителя

Сегодня производители отмечают две главные проблемы при производстве и реализации автомобилей на экологичном, и главное, возобновляемом топливе — цена и отсутствие заправочных станций в должном объеме. И хотя при покупке водородного седана Toyota Mirai производитель дарит 3 года бесплатной заправки, цена автомобиля 70 000 евро для рынка ЕС остается высокой.

Если говорить об Украине первая стационарная водородная заправка появится в следующем году (в сентябре 2021 в стране сертифицировали первый водородный автомобиль Toyota, сегодня в Украине официально всего 2 седана Mirai).

Преимущества водородных ДВС

Водород как топливо, имеет неоспоримые преимущества перед привычными нефтяными смесями:

• воспламеняемость топливной смеси на основе водорода и воздуха считается идеальной — автомобиль легко заведется при любой температуре;
• высокая скорость сгорания и теплоотдача;
• отсутствие детонации при высокой степени сжатия топливной смеси;
• абсолютная экологичность.

Не будем забывать, что водород относится к возобновляемым источникам энергии, и если на наш век нефти еще хватит, то уже через сто лет мир столкнется с энергетическим кризисом. Разрабатывая водородные топливные системы сегодня и масштабно внедряя их в жизнь, можно не только заложить фундамент энергетической независимости для каждого государства, но и очистить атмосферу всей планеты.