Технические науки: транспорт
Мартынов Р.Х., Окунева В.С.
Хакасский
технический институт–филиал ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Разработка проекта
водородного двигателя как дополнительного источника генерации энергии системой
охлаждения автомобиля
Используемым в настоящее время автомобилям,
работающим на природном газе и бензине,
идет на смену авто с водородным двигателем.
Попытки создания
водородного двигателя предпринимались многими автоконцернами. Разработчики
понимают, что запасы нефти, а значит и ее продукта бензина не бесконечны (около
45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для
автомобилей) и лидирующие позиции на
рынке производителей авто будут занимать автоконцерны, первые продвигающие
двигатели с альтернативным топливом.
Сторонники природной и окружающей среды были бы
удовлетворены: автомобиль, работающий на
водородном двигателе, не загрязняет атмосферу вредными выбросами, ведь
при сжигании водорода в качестве топлива образуется вода и значительно
меньше вредных веществ, чем при сжигании традиционных видов топлива. Однако
технические проблемы, связанные с разработкой дешевого способа получения,
хранения и создания материалов, стойких в атмосфере водорода, транспортировка
газообразного водорода, требующего баллоны высокого давления, а для жидкого
водорода- криогенные емкости (производство
водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем
производство бензина), затрудняют создание автомобиля, работающего на
водородном двигателе.
В настоящее время наметился прорыв в области
производства автомобилей на топливных элементах.
Нами
разрабатывается проект водородного двигателя- дополнительного источника тока
(энергии) системой охлаждения автомобиля, как дополнительного источника
генерации энергии.
Идея
проекта: заставить вырабатывать ток (энергию) всем системам автомобиля, в т.ч.
и системе охлаждения.
Основной
принцип работы водородного двигателя (основан на принципе электролиза): водород
в генераторе получается электролизом дистиллированной воды в электролизере,
который выполнен на твердом электролите - полимерной мембране.
Описание работы водородного двигателя:
1. В среде с инертным газом
находится установка для электролиза;
2. Газ подается в двигатель
внутреннего сгорания (можно использовать двигатель для авиамоделей), необходимо
выяснить, какой объём газа требуется для запуска двигателя, возможно, придётся
отказаться от электролиза в пользу газификации углеводородов, что сложнее, но
экономически выгоднее;
3. Двигатель вращает вал
генератора. Т.к. температура воспламенения гремучего газа 510 градусов, а
продукт горения - вода, её можно использовать для турбины другого генератора,
что повысит коэффициент использования топлива.
4. Охлаждение двигателя так
же можно использовать для генерации тока.
Принципиальная
схема топливной системы водородного двигателя:
Преимущества
использования чистого водорода, полученного электрохимическим методом:
1. Высокая чистота продукта
- до 99.9%
2. Простота и непрерывность
технологического процесса, возможность автоматизации, отсутствие подвижных
частей в электролизере
3. Получение ценных отходов
- кислорода и тяжелой воды
4. Дешевое сырье – вода
5. Продолжительный срок
эксплуатации электролизеров (минимум 10 лет)
В
Германии, Японии и США работа над водородными двигателями достигла своего
апогея.
Зарубежные аналоги водородного двигателя
|
Страна -
разработчик |
Основной
принцип работы водородного двигателя |
Характеристики
водородного двигателя |
|
Германия
(BMW Group) |
имеет
баллон для хранения 8 кг водорода. Бак для хранения
водорода двухслойный. Между слоями в вакууме расположены 70 слоёв специальной
пены |
проезжает
200−300 км. Мощность двигателя составляет 170 кВт (228 лс),
крутящий момент 337 Н·м. Водород хранится в жидкой форме при температуре не
выше −253 °C. |
|
Япония. (Toyota
Mirai) |
два бака
для водорода (передний 60 литров, задний 62,4 литра), водородное топливо
попадая в топливный элемент с полимерным электролитом, смешивается с
кислородом и в процессе химической реакции образует воду и электричество.
Полученная электроэнергия может накапливаться в аккумуляторных батареях или
идти непосредственно для питания электромотора |
проезжает
650 км, время заправки -3 мин, Электромотор - 154 лс, крутящий момент- 335
Нм, способен разгоняться до 100 км/ч за 10 сек и Максимальная скорость -175
км/ч. |
|
Америка.
(Союз автоконцернов:Ford, Nissan и Mercedes-Benz) |
Технология,
аналогичная японской. В топливных ячейках хранится водород, который
окисляется с выделением электричества. |
замена
литий-ионного
аккумулятора на новый
литий-воздушный аккумулятор, который сможет накапливать больше энергии.
Создание максимально компактных и эффективных топливных элементов на
водородной основе |
Принцип
работы охлаждающей системы водородного двигателя:
1.
Тепло направляется к радиатору с одной стороны, в то время как с другой стороны
направляется вода, поглощающая тепло (превращается в пар).
2.
Давление в системе регулируется при помощи сопла, т.о. пар вырывается с
давлением, необходимым для вращения малой турбины (или турбины, для вращения
которой хватит энергии пара). Возможно, удастся направить выработанное таким
образом электричество на электролиз и снизить энергозатраты генератора малой
мощности, используемого для электролиза.
3.
Вероятно, что такая система охлаждения будет плохо справляться с охлаждением
двигателя, что может привести к взрыву, можно использовать дополнительную
систему охлаждения для снижения температуры, или же ещё одну систему генерации
тока с помощью тепла, подобно геотермальным станциям.
Причина,
почему выбран гремучий газ, полученный посредством электролиза воды:
¾
удельная
теплота сгорания, даже большее чем у многих углеводородов (120-140МДж/кг против
50МДж/кг)
¾
хранить
гремучий газ при н.у. можно вечно и при возгорания он не просто горит, а
взрывается.
В
статье поднят вопрос разработки водородного двигателя, вырабатывающего ток
(энергию) системой охлаждения
автомобиля.
.
Литература
1. URL: http://ru-ecology.info/term/77030/
2. URL:
http://www.cleandex.ru/articles/2010/08/05/the_use_of_hydrogen_as_a_f
3. URL: https://blamper.ru/auto/wiki/dvigatel/vodorodnyy-dvigatel-3019