Водородные двигатели. 
Водород. 
Топливо будущего

Водород — очень перспективный энергоноситель, позволяющий одновременно решить сложные экологические проблемы. При его сгорании (быстро протекающей экзотермической реакции окисления кислородом) получаются лишь вода и тепло. Да, образуются еще окислы азота, количество которых зависит от температуры сгорания смеси в цилиндре двигателя. И здесь важно, что в водородных двигателях температура сгорания топлива на режимах городской эксплуатации существенно ниже, чем в углеводородных (бензиновых, спиртовых, метановых, пропан-бутановых и т. д.).

Очевидно, что если под «водородным двигателем» понимать электрический, получающий энергию от реакции соединения водорода и кислорода в топливных элементах, то окислов азота не будет совсем. А углеводородное топливо «поставляет» при сжигании целый букет токсичных соединений, среди которых сажа — далеко не самая вредная.

Мне представляется, что первый этап становления водородной энергетики — это применение водорода в качестве моторного топлива. Пока топливные элементы, при всей их перспективности, удовольствие очень дорогое. Не все технологии отработаны, и процесс этот идет достаточно медленно, еще далеко не все вопросы решены. Ожидают, что … вот-вот будет. Еще двадцать пять лет назад можно было видеть «Рафик» на топливных элементах. Впрочем, истории водорода как топлива тоже не один десяток лет.

" Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.

Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в «ящике с мембраной» (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют «топливоэлементными» концепткарами и собираются вот-вот «завалить» всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте — сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.

Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) — существенно превышает «экономию» от удаления ДВС и его механической трансмиссии.

Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника).

Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород. Но тут-то и проявляется главный козырь японских и германских «раскольников» .

BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами «бензин/газ»).

Такой подход, по замыслу автостроителей, облегчит постепенный переход автотранспорта только на водородное питание.

Ведь клиент сможет с чистой совестью купить подобную машину уже тогда, когда в регионе, где он живёт, появится хоть одна водородная заправка. И ему не придётся опасаться застрять поодаль от неё с пустым водородным баком.

Меж тем, серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах долгое время будут сильно сдерживаться малым числом таких заправочных станций. Да, и стоимость топливных элементов пока велика.

Кроме того, перевод на водород обычных ДВС (при соответствующих настройках) не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы.

Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси.

И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь.

Итак, решено — «скармливаем» водород двигателю внутреннего сгорания. Физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина. Над системами питания немцам и японцам пришлось поломать голову. Но результат того стоил.

Показанные BMW и Mazda водородные автомобили сочетают привычную для владельцев обычных авто высокую динамику с нулевым выхлопом.

А главное — они куда лучше приспособлены к массовому производству, чем «ультраинновационные» машины на топливных элементах.

Американские исследователи Университета штата Оклахома приспособили для водорода классический бензиновый автомобильный двигатель. Оказалось, что при прямом впрыскивании водорода в цилиндры — как в дизельных двигателях — отпадает надобность в опережении зажигания. Как показал анализ выхлопных газов, окислы серы и углерода в них вообще отсутствуют, а окислы азота содержится лишь в незначительных количествах.

Однако широкому применению водорода в качестве автомобильного топлива препятствует немало проблем, и самая трудная из них — топливные баки. На 10 кг водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л, а чтобы хранить его требуется прочный резервуар массой 1500 кг. Это натолкнуло конструкторов на мысль использовать сжиженный водород; тогда те же 10 кг водорода помещаются в баллоне массой 80 кг и емкостью 160 л. Но чтобы иметь водород в сжиженном состоянии, нужно поддерживать в баллоне температуру -253⁰С. Применять сосуды Дьюара было бы слишком дорого. Возможно, конструкторам удастся использовать какие-то варианты широко применяемых в настоящее время резервуаров для хранения жидкого топлива, у которых суточные потери на испарение не превышают 1,5%. Так, в экспериментальном автомобиле «Волга» смонтирован криогенный водородный бак общей массой 140 кг. Специалисты нашли и другое решение: бак можно изготовить из гидридов металлов сплавов магния, марганца, титана и железа, которые обладают тем преимуществом, что поглощают часть испаряющегося водорода, а при нагреве (хотя бы выхлопными газами) снова выделяют его. Масса водородного бака из гидридов металлов превышает 150 кг.

Новое топливо уже опробовано на практике. Успешно прошел испытания автомобиль «Жигули» с комбинированным двигателем на бензине и водороде. К.П.Д. двигателя повысился на четверть, расход бензина уменьшился на треть, а содержание вредных веществ в выхлопных газах снизилось до минимума. Большие надежды возлагаются и на электромобили, снабженные водородо-кислотными топливными системами.

По мнению многих специалистов, водородный двигатель вряд ли найдет применение в легковых автомобилях, по соображениям безопасности, но он может пригодиться для общественного транспорта.

Большой интерес к водородному топливу проявляют и авиаконструкторы. В США еще в 1957 г. исследовательская группа Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства проводила испытания двухмоторного самолета на водородном топливе. В 1973 г. НАСА поручило фирме «Локхид» приспособить для водородного топлива два серийных боевых самолета (С-141 и «Старфайтер»). Фирма «Боинг» разработала вариант крупнейшего самолета «Джамбо-Джет» на водородном топливе.

Есть еще одно важное соединение водорода — это перекись водорода, которая применяется для двигателей подводных лодок, ракетных двигателей, в том числе и таких, которые могут поместиться в ранце за спиной человека.

На прошедшей в Москве международной конференции по моторному топливу заместитель директора научно-производственной фирмы «Фордигаз» Сергей Шипунов уверял участников конференции, что если установить на автомобилях их топливные системы для двигателей внутреннего сгорания, то содержание вредных веществ в выхлопных газах уменьшится в сотни раз. Во всем мире считается большим достижением, если удается уменьшить на несколько процентов количество этих ядов. Даже если перевести автомобили с жидкого на газовое топливо, то вредных веществ в дыме станет в 3−10 раз меньше. А «Фордигаз» уверяет, что может понизить их содержание еще на порядок для машин на газе и на два порядка — на бензине. Это кажется просто невероятным.

Тем не менее «Фордигаз» убедился в этом на опыте. Топливная система была установлена не на автомобиле, а на двигателе для мобильной электростанции мощностью 4 киловатта. 14 человек проходили испытания в комнате площадью 20 квадратных метров. Окна в ней были закрыты, а выхлопная труба выходила прямо в помещение. И вот мы залили в бак бензин, включили двигатель.

Двигатель работал на полную мощность целый час, но присутствующие не испытывали особых неудобств. Только стало жарко, но воздух был совершенно чистым. А газоанализатор «Инфолит», сделанный в Германии, показал нулевое содержание вредных веществ в выхлопных газах. Когда сняли топливную систему и двигатель стал работать в обычном режиме, дым быстро наполнил комнату. Через 4 минуты присутствующие чуть не задохнулись.

А чудо объяснялось просто. Топливная система обеспечивала идеальное перемешивание воздуха с бензином, в результате он сгорал полностью — из выхлопной трубы вылетали только пары воды и углекислый газ.

Сначала жидкое топливо превращается потоком воздуха в аэрозоль. Он увлажняет специальную ткань, а с нее воздух срывает уже не капельки, а отдельные молекулы бензина. В результате жидкое топливо превращается в газообразное, и в таком состоянии поступает в специальный смеситель. Там к горючему добавляют строго определенную порцию воздуха и хорошо их перемешивают. Особые устройства поддерживают оптимальное соотношение молекул кислорода и углеводов на протяжении всей работы двигателя — в результате топливо сгорает без остатка.

Водители знают, что обычный двигатель дает 7−8% окиси углерода в выхлопных газах, в лучшем случае (если хорошо отрегулировать) до 2%. Но испытания первого двигателя с топливной системой показали, что содержание окиси углерода составило 8 сотых долей процента.

Это устройство величиной чуть больше стакана. Воздух и горючее проходят в нем по изогнутым каналам, которые лихо закручивают и перемешивают эту смесь, делая ее максимально однородной. И такая хитрая операция дает удивительный эффект.

Расход горючего снизился 20%. Но главное — количество токсичных выбросов в атмосферы уменьшилось в 3 раза.