Động cơ hydro. Cách thức hoạt động và nhược điểm

Động cơ đốt trong không xuất hiện dưới dạng các đơn vị điện riêng biệt một cách đáng kể. Đúng hơn, động cơ cổ điển ra đời là kết quả của quá trình cải tiến và cải tiến động cơ nhiệt. Đọc về cách mà đơn vị, mà chúng ta vẫn quen nhìn thấy dưới mui xe, dần dần xuất hiện. trong một bài báo riêng.

Tuy nhiên, khi chiếc ô tô đầu tiên trang bị động cơ đốt trong xuất hiện, nhân loại đã đón nhận một loại xe tự hành không cần nạp liệu liên tục, giống như một con ngựa. Nhiều thứ đã thay đổi trong động cơ kể từ năm 1885, nhưng một nhược điểm vẫn không thay đổi. Trong quá trình đốt cháy hỗn hợp xăng (hoặc nhiên liệu khác) và không khí, quá nhiều chất độc hại được thải ra gây ô nhiễm môi trường.

Nếu như trước khi xe tự hành ra đời, các kiến ​​trúc sư của các nước châu Âu lo sợ các thành phố lớn sẽ chết chìm trong đống phân ngựa thì ngày nay cư dân của các siêu đô thị hít thở không khí bẩn thỉu.

Việc thắt chặt các tiêu chuẩn môi trường đối với giao thông đang buộc các nhà sản xuất xe phải phát triển một hệ thống truyền động sạch hơn. Vì vậy, nhiều công ty quan tâm đến công nghệ được tạo ra trước đây của Anjos Jedlik - một chiếc xe đẩy tự hành bằng sức kéo điện, xuất hiện vào năm 1828. Và ngày nay công nghệ này đã trở nên vững chắc trong thế giới ô tô đến mức bạn sẽ không làm bất cứ ai ngạc nhiên với một chiếc ô tô điện hay xe hybrid.

Nhưng điều thực sự đáng khích lệ là các nhà máy điện, nguồn cung cấp duy nhất là nước uống. Đó là một động cơ hydro.

Động cơ hydro là gì?

Đây là một loại động cơ sử dụng hydro làm nhiên liệu. Việc sử dụng nguyên tố hóa học này sẽ làm giảm sự cạn kiệt của các nguồn hydrocacbon. Lý do thứ hai cho sự quan tâm đến việc lắp đặt như vậy là giảm ô nhiễm môi trường.

Tùy thuộc vào loại động cơ sẽ được sử dụng trong vận tải, hoạt động của nó sẽ khác với động cơ đốt trong cổ điển hoặc giống hệt nhau.

Tóm tắt lịch sử

Động cơ đốt trong hydro xuất hiện cùng thời kỳ khi nguyên tắc ICE đang được phát triển và cải tiến. Một kỹ sư và nhà phát minh người Pháp đã thiết kế phiên bản động cơ đốt trong của riêng mình. Nhiên liệu mà ông đã sử dụng trong quá trình phát triển của mình là hydro, xuất hiện do quá trình điện phân H₂A. Năm 1807, ô tô chạy bằng hiđrô đầu tiên xuất hiện.

Isaac De Rivaz vào năm 1807 đã nộp bằng sáng chế cho việc phát triển máy kéo cho thiết bị quân sự. ông đề xuất sử dụng hydro làm một trong những đơn vị năng lượng.

Bộ phận năng lượng là pít-tông, và sự đánh lửa trong đó là do sự hình thành tia lửa trong xi-lanh. Đúng như vậy, tác phẩm đầu tiên của nhà phát minh cần tạo ra tia lửa thủ công. Chỉ sau hai năm, ông đã hoàn thành công việc của mình và chiếc xe chạy bằng hydro đầu tiên đã ra đời.

Tuy nhiên, vào thời điểm đó, sự phát triển không được coi trọng, bởi vì khí đốt không dễ kiếm và lưu trữ như xăng. Động cơ hydro thực tế đã được sử dụng ở Leningrad trong thời gian bị phong tỏa từ nửa cuối năm 1941. Mặc dù, chúng ta phải thừa nhận rằng đây không phải là đơn vị hydro. Đây là động cơ đốt trong GAZ thông thường, chỉ có điều là không có nhiên liệu cho chúng, nhưng có rất nhiều khí vào thời điểm đó, vì chúng được tiếp nhiên liệu bằng bóng bay.

Trong nửa đầu những năm 80, nhiều quốc gia, không chỉ châu Âu, mà còn cả Mỹ, Nga và Nhật Bản đã tiến hành thử nghiệm loại hình lắp đặt này. Vì vậy, vào năm 1982, với sự hợp tác của nhà máy Kvant và xí nghiệp ô tô RAF, một động cơ kết hợp đã xuất hiện, chạy bằng hỗn hợp hydro và không khí, và pin 5 kW / h được sử dụng làm nguồn năng lượng.

Kể từ đó, các quốc gia khác nhau đã nỗ lực đưa xe "xanh" vào dòng xe của mình, nhưng trong hầu hết các trường hợp, những chiếc xe đó vẫn nằm trong danh mục nguyên mẫu hoặc có một phiên bản rất hạn chế.

Làm thế nào nó hoạt động

Vì ngày nay có rất nhiều động cơ hoạt động thuộc loại này, trong mỗi trường hợp riêng biệt, nhà máy hydro sẽ hoạt động theo nguyên lý riêng của nó. Xem xét cách thức hoạt động của một sửa đổi có thể thay thế động cơ đốt trong cổ điển.

Trong một động cơ như vậy, pin nhiên liệu chắc chắn sẽ được sử dụng. Chúng là một loại máy phát điện kích hoạt phản ứng điện hóa. Bên trong thiết bị, hydro bị oxy hóa, và kết quả của phản ứng là giải phóng điện, hơi nước và nitơ. Khí cacbonic không được thải ra khi lắp đặt như vậy.

Một chiếc xe dựa trên một đơn vị tương tự là cùng một chiếc xe điện, chỉ có pin trong đó nhỏ hơn nhiều. Pin nhiên liệu tạo ra đủ năng lượng để vận hành tất cả các hệ thống của xe. Lưu ý duy nhất là từ khi bắt đầu quá trình đến khi tạo ra năng lượng, có thể mất khoảng 2 phút. Nhưng sản lượng tối đa của quá trình cài đặt bắt đầu sau khi hệ thống ấm lên, mất từ ​​một phần tư giờ đến 60 phút.

Để nhà máy điện không hoạt động vô ích, và không cần chuẩn bị trước phương tiện di chuyển cho chuyến đi, người ta đã lắp một bộ pin thông thường trong đó. Trong khi lái xe, nó sẽ được sạc lại để phục hồi sức khỏe và nó chỉ cần thiết để khởi động xe hơi.

Một chiếc xe như vậy được trang bị một xi lanh có thể tích khác nhau, trong đó hydro được bơm vào. Tùy thuộc vào chế độ lái, kích thước của xe và công suất lắp đặt điện, một kg xăng có thể đủ cho 100 km di chuyển.

Các loại động cơ hydro

Mặc dù có một số sửa đổi của động cơ hydro, chúng đều thuộc hai loại:

• Loại đơn vị có pin nhiên liệu;
• Động cơ đốt trong đã được cải tiến, thích nghi để hoạt động bằng hydro.

Chúng ta hãy xem xét từng loại riêng biệt: tính năng của chúng là gì.

Nhà máy điện dựa trên pin nhiên liệu hydro

Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên nguyên tắc của pin, trong đó quá trình điện hóa diễn ra. Sự khác biệt duy nhất giữa chất tương tự hydro là hiệu suất cao hơn (trong một số trường hợp, hơn 45%).

Pin nhiên liệu là một buồng đơn trong đó có hai phần tử được đặt: cực âm và cực dương. Cả hai điện cực đều được phủ platinum (hoặc palladium). Một lớp màng nằm giữa chúng. Nó chia khoang thành hai khoang. Oxy được cung cấp cho khoang với catốt, và hydro được cung cấp cho khoang thứ hai.

Kết quả là, một phản ứng hóa học xảy ra, kết quả của nó là sự kết hợp của các phân tử oxy và hydro với sự giải phóng điện. Một tác dụng phụ của quá trình này là nước và nitơ được giải phóng. Các điện cực của pin nhiên liệu được kết nối với mạch điện của ô tô, bao gồm cả động cơ điện.

Động cơ đốt trong hydro

Trong trường hợp này, mặc dù động cơ được gọi là hydro, nhưng nó có cấu trúc giống hệt như một ICE thông thường. Sự khác biệt duy nhất là không phải xăng hay propan cháy mà là hydro. Nếu bạn đổ đầy hydro vào một xi lanh, thì có một vấn đề - khí này sẽ làm giảm hiệu suất của một thiết bị thông thường khoảng 60%.

Dưới đây là một số vấn đề khác khi chuyển sang sử dụng hydro mà không nâng cấp động cơ:

• Khi HTS được nén, khí sẽ tham gia phản ứng hóa học với kim loại, từ đó tạo ra buồng đốt và pít-tông, và thường điều này cũng có thể xảy ra với dầu động cơ. Bởi vì điều này, một hợp chất khác được hình thành trong buồng đốt, không được phân biệt bởi khả năng đặc biệt là cháy tốt;
• Các khe hở trong buồng đốt phải hoàn hảo. Nếu ở đâu đó hệ thống nhiên liệu bị rò rỉ ít nhất là tối thiểu, khí sẽ dễ dàng bốc cháy khi tiếp xúc với các vật nóng.

Động cơ cho Honda Clarity

Vì những lý do này, thực tế hơn là sử dụng hydro làm nhiên liệu trong động cơ quay (tính năng của chúng là gì, hãy đọc đây). Các ống nạp và ống xả của các bộ này được đặt tách biệt với nhau nên khí ở đầu vào không bị nóng lên. Có thể như vậy, trong khi các động cơ đang được hiện đại hóa để giảm thiểu các vấn đề của việc sử dụng nhiên liệu rẻ hơn và thân thiện hơn với môi trường.

Tuổi thọ của pin nhiên liệu là bao lâu?

Trên toàn thế giới hiện nay, những chiếc xe như vậy rất hiếm, và chúng chưa có trong loạt sản phẩm, rất khó để nói nguồn năng lượng này có nguồn gốc gì. Các thợ thủ công chưa có kinh nghiệm trong vấn đề này.

Điều duy nhất có thể nói là theo tuyên bố của đại diện Toyota, pin nhiên liệu của chiếc xe do họ sản xuất Mirai có khả năng tạo ra năng lượng liên tục với quãng đường lên tới 250 nghìn km. Sau mốc này, bạn cần theo dõi hiệu quả của thiết bị. Nếu hiệu suất của nó giảm đáng kể, pin nhiên liệu được thay tại trung tâm dịch vụ được ủy quyền. Đúng vậy, người ta nên mong đợi rằng công ty sẽ mất một khoản kha khá cho thủ tục này.

Những công ty nào đã hoặc sắp sản xuất ô tô chạy bằng hydro?

Nhiều công ty đang tham gia vào việc phát triển một đơn vị điện thân thiện với môi trường. Dưới đây là các thương hiệu ô tô, trong phòng thiết kế đã có các tùy chọn đang hoạt động, sẵn sàng đi vào loạt bài:

• Mercedes-Benz là chiếc crossover GLC F-Cell, thời điểm bắt đầu bán ra từ năm 2018, nhưng đến nay mới chỉ có một số doanh nghiệp và bộ ngành của Đức mua. Một nguyên mẫu máy kéo pin nhiên liệu hydro, GenH2, gần đây đã được công bố;
• Nguyên mẫu của Hyundai - Nexo được giới thiệu cách đây hai năm;
• BMW là một nguyên mẫu của khí Hydrogen 7, được sản xuất từ ​​dây chuyền lắp ráp. Lô 100 bản vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, nhưng đây đã là một cái gì đó.

Trong số những mẫu xe có thể mua được cả ở Mỹ và châu Âu lần lượt là các mẫu Mirai và Clarity của Toyota và Honda. Đối với các công ty khác, sự phát triển này vẫn ở trong phiên bản vẽ hoặc ở dạng nguyên mẫu không hoạt động.

Toyota mirai

Honda rõ ràng

Một chiếc ô tô chạy bằng khí hydro có giá bao nhiêu?

Chi phí của một chiếc xe hydro là khá. Lý do cho điều này là các kim loại quý tạo nên điện cực của pin nhiên liệu (palladium hoặc bạch kim). Ngoài ra, một chiếc ô tô hiện đại được trang bị vô số hệ thống an ninh và ổn định hoạt động của các phần tử điện, điều này cũng đòi hỏi nguồn nguyên liệu.

Mặc dù việc bảo dưỡng một chiếc xe như vậy (cho đến khi thay pin nhiên liệu) không đắt hơn nhiều so với một chiếc xe bình thường thuộc các thế hệ mới nhất. Có những quốc gia tài trợ cho việc sản xuất hydro, nhưng ngay cả khi tính đến điều này, bạn sẽ phải trả trung bình 11 đô la rưỡi cho một kg khí. Tùy thuộc vào loại động cơ, điều này có thể đủ cho quãng đường khoảng một trăm km.

Tại sao ô tô chạy bằng hydro lại tốt hơn ô tô điện?

Nếu bạn lấy một nhà máy hydro với pin nhiên liệu, thì một chiếc xe như vậy sẽ giống hệt với chiếc xe điện mà chúng ta thường thấy trên đường. Điểm khác biệt duy nhất là xe điện được sạc từ nhà mạng hoặc từ bến ở trạm xăng. Quá trình vận chuyển hydro tự tạo ra điện cho chính nó.

Đối với chi phí của những chiếc xe như vậy, chúng đắt hơn. Ví dụ, các mẫu xe Tesla ở cấu hình cơ bản sẽ có giá từ 45 nghìn đô la. Các chất tương tự hydro từ Nhật Bản có thể được mua với giá 57 nghìn cu. Mặt khác, những người Bavaria bán xe của họ bằng nhiên liệu "xanh" với giá 50 nghìn đô la.

Xét trên thực tế, việc đổ xăng cho xe (mất khoảng XNUMX phút) sẽ dễ dàng hơn là chờ nửa tiếng (với tính năng sạc nhanh, điều này không được phép cho tất cả các loại ắc quy) trong bãi đậu xe. Đây là điểm cộng của nhà máy hydro.

Một điểm cộng khác - pin nhiên liệu đặc biệt không cần bảo dưỡng và tuổi thọ hoạt động của chúng khá lớn. Đối với xe điện, bộ pin khổng lồ của họ sẽ phải thay thế trong khoảng XNUMX năm do thực tế là nó có nhiều chu kỳ sạc - xả. Trong điều kiện nhiệt độ đóng băng, pin trong xe điện bị xả nhanh hơn nhiều so với mùa hè. Nhưng nguyên tố trên phản ứng oxy hóa hydro không bị như vậy và sản xuất điện ổn định.

Triển vọng đối với ô tô chạy bằng hydro là gì và khi nào chúng sẽ được nhìn thấy trên đường?

Ở Châu Âu và Hoa Kỳ, xe chạy hydro đã có thể được tìm thấy. Tuy nhiên, chúng vẫn nằm trong danh mục gây tò mò. Và ngày nay không có nhiều triển vọng.

Nguyên nhân chính khiến loại hình vận tải này sẽ không sớm lấp đầy các con đường của tất cả các nước là do thiếu năng lực sản xuất. Đầu tiên, cần thiết lập sản xuất hydro. Hơn nữa, cần phải đạt được mức độ thân thiện với môi trường, mà nó còn là nhiên liệu có sẵn cho hầu hết người lái xe. Ngoài việc sản xuất khí này, cần phải tổ chức vận chuyển (mặc dù vì điều này, bạn có thể sử dụng một cách an toàn các đường cao tốc mà khí mê-tan được vận chuyển), và cũng trang bị cho nhiều trạm nạp với thiết bị đầu cuối thích hợp.

Thứ hai, mỗi hãng xe sẽ phải hiện đại hóa nghiêm túc dây chuyền sản xuất, đòi hỏi nhiều vốn đầu tư. Trong một nền kinh tế không ổn định do sự bùng phát của đại dịch toàn cầu, sẽ rất ít người chấp nhận rủi ro như vậy.

Nếu nhìn vào tốc độ phát triển của vận tải điện, quá trình phổ cập hóa diễn ra rất nhanh chóng. Tuy nhiên, lý do khiến xe điện được ưa chuộng là khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Và đây thường là lý do đầu tiên tại sao chúng được mua, và không phải vì mục đích bảo vệ môi trường. Trong trường hợp của hydro, sẽ không thể tiết kiệm được tiền (ít nhất là bây giờ), bởi vì năng lượng được sử dụng nhiều hơn để sản xuất nó.

Ưu và nhược điểm chính của động cơ hydro

Vì vậy, chúng ta hãy tóm tắt. Ưu điểm của động cơ nhiên liệu hydro bao gồm các yếu tố sau:

• Khí thải thân thiện với môi trường;
• Hoạt động im lặng của bộ nguồn (sức kéo điện);
• Trong trường hợp sử dụng pin nhiên liệu, không cần bảo dưỡng thường xuyên;
• Tiếp nhiên liệu nhanh chóng;
• So với xe điện, hệ thống đẩy và nguồn năng lượng hoạt động ổn định hơn ngay cả trong nhiệt độ đóng băng.

Mặc dù sự phát triển không thể được gọi là mới lạ, tuy nhiên, nó vẫn còn một số thiếu sót khiến những người lái xe bình thường nhìn vào nó phải thận trọng. Đây là một số trong số chúng:

• Để hydro bốc cháy, nó phải ở trạng thái khí. Điều này tạo ra những khó khăn nhất định. Ví dụ, máy nén đặc biệt đắt tiền được yêu cầu để nén khí nhẹ. Cũng có một vấn đề với việc bảo quản và vận chuyển nhiên liệu thích hợp, vì nó rất dễ cháy;
• Xi lanh, sẽ được lắp đặt trên xe, sẽ cần được kiểm tra định kỳ. Để làm điều này, người lái xe sẽ cần phải đến một trung tâm chuyên biệt, và đây là một khoản chi phí bổ sung;
• Trong một chiếc ô tô chạy bằng hydro, một bộ pin khổng lồ không được sử dụng, tuy nhiên, việc lắp đặt vẫn còn nặng nề, ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính động lực học của xe;
• Hydro - bốc cháy ở tia lửa nhỏ nhất, do đó, một vụ tai nạn liên quan đến một chiếc xe như vậy sẽ kèm theo một vụ nổ nghiêm trọng. Trước thái độ thiếu trách nhiệm của một số người điều khiển phương tiện đối với sự an toàn của bản thân và tính mạng của những người tham gia giao thông khác, những phương tiện đó vẫn chưa thể được lưu thông trên đường.

Tính đến sự quan tâm của nhân loại đối với môi trường trong lành, người ta nên mong đợi rằng một bước đột phá sẽ được thực hiện trong vấn đề hoàn thiện phương tiện giao thông "xanh". Nhưng khi điều này xảy ra, chỉ có thời gian mới trả lời được.

Trong thời gian chờ đợi, hãy xem video đánh giá xe Toyota Mirai:

Tương lai về hydro? Toyota Mirai - ĐÁNH GIÁ ĐẦY ĐỦ và Thông số kỹ thuật | LiveFEED®

Câu hỏi và trả lời:

Tại sao động cơ hydro lại nguy hiểm? Trong quá trình đốt cháy hỗn hợp hydro, động cơ nóng lên nhiều hơn trong quá trình đốt cháy xăng. Do đó, khả năng cao xảy ra cháy các piston, van và quá tải của tổ máy.

Làm thế nào để tiếp nhiên liệu cho một chiếc ô tô hydro? Một chiếc xe như vậy được cung cấp nhiên liệu bằng hydro ở trạng thái khí (khí hóa lỏng hoặc khí nén). Để lưu trữ nhiên liệu, nó được nén đến 350-700 atm và nhiệt độ có thể lên tới -259 độ.

Động cơ đốt trong hydro hoạt động như thế nào? Xe được trang bị một loại pin. Oxy và hydro đi qua các tấm đặc biệt. Kết quả là một phản ứng hóa học giải phóng hơi nước và điện.