Автомобили на топливных элементах
Подобно электрическим автомобилям, автомобили на топливных элементах обходятся без двигателя внутреннего сгорания вообще. Топливные элементы-это устройства, которые преобразуют химическую энергию (часто в виде водорода) в электричество, не проходя через стадию горения. Автомобиль приводится в движение электродвигателем.
Топливные элементы представляют электрохимические устройства, которые преобразуют энергию, запасенную в химической формуле непосредственно в электрическую энергию, воду и тепло.
Как работают автомобили на топливных элементах?
Основополагающим принципом этого источника энергии является электрохимическая реакция используемая для производства электроэнергии. Как и в случае с электрическими ячейками, топливные элементы не ограничены законами термодинамики. Это означает, что они способны достичь более высокой эффективности преобразования энергии, чем обычные двигатели, которые имеют КПД 20% — 25% энергии топлива, но могут достичь до 60%. Однако в отличие от электрической батареи, реактивы должны поставляться постоянно для выработки электрического тока.
Топливный элемент использует водород подаваемый извне для выработки электроэнергии.
- сжатие – газ хранится в баллонах при атмосферном давлении до 7000 раз;
- криогенные системы – это сохранить газ при низкой температуре, необходимой для сжижения водорода (-253 C);
- металл гидриды – специальные металлические сплавы поглощающие водород под давлением.
Один из подходов, который позволяет избежать проблемы хранения водорода в машине является генерация газа по требованию.
Как заправлять автомобиль топливным элементом
Известно, что топливо для машины возможно бензин, метанол, водород, газохол и т.п. Все они заполняются обычным способом. Метод заправки топливных элементов машины отличается.
Автомобиль на топливных элементах Toyota Mirai
Заправка водородом становится очень дорогим процессом. Хотя до сих пор разрабатывается водородная газовая заправка, все они предполагают использование гибкой связи между заправщиком и автомобилем, который создает запечатанную систему.
Учитывая новизну водородных автомобилей, есть еще сравнительно мало станций заправок водородом во всем мире. Однако с появлением машин на новом принципе растет количество станций. В результате все больше и больше водорода строятся в городах по всей Европе, уже включая Амстердам, Барселона, Гамбург, Лондон, Люксембург, Мадрид, Порто, Рейкьявик, Стокгольм и Штутгарт.
Автомобили на новом принципе лучше для окружающей среды
Если используется не возобновляемые источники энергии, воздействие на выбросы трудно подсчитать, в зависимости от способа хранения бортового топлива и производства топлива. Однако учитывая основные варианты учета диоксида углерода и выбросов метана, автомобили на топливных элементах прогнозируются со значительным снижением в жизненном цикле выбросов парниковых газов — до 55% по сравнению с бензином.
Автомобили на новом принципе значительно более энергоэффективны, чем обычные транспортные средства. Также рекуперативное торможение повышает эффективность использования топлива до 20%. Если возобновляемые источники энергии используются для генерации водорода, жизненный цикл выбросов парниковых газов практически равен нулю за исключением водяного пара. Это истинный автомобиль с нулевым уровнем выбросов.
Стоимость топливных элементов автомобиля?
При промышленном производстве пока нельзя спрогнозировать с уверенностью, сколько будут стоить топливные элементы, но вполне вероятно, что они будут стоить значительно дороже, чем эквивалент бензина или дизельного топлива. Однако цена будет падать, если будет производиться достаточное количество автомобилей на топливных элементах.
Прогнозирование эксплуатационных расходов трудно из-за неопределенности в отношении способа производства и спроса на водородное топливо. По крайней мере в принципе, более высокие расходы на покупку могут компенсироваться более низким расходом на топливо (из-за высокой топливной экономичности автомобилей на новом принципе). Расходы на обслуживание, техническое обслуживание и ремонт топливных элементов остаются неизвестными, но предполагаются чуть меньше, чем для обычных автомобилей из-за низкого количества движущихся частей в элементах двигателя.
Кроме того авто на новых принципах уменьшит проблемы мегаполиса.
Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях
Что такое топливные элементы и их применение в автомобилестроении
Сэр Уильям Грове знал очень много об электролизе, поэтому он в свое время выдвинул такую гипотезу, а именно, что путем процесса, который расщепляет воду на составляющие водород и кислород методом проведения электричества через нее, он может производить (вырабатывать) электричество, если провести его в обратном порядке. После расчётов сделанных на бумаге он подошел к экспериментальной стадии процесса, где сумел доказать правильность своей идеи. Эту доказанную гипотезу далее развили ученые Людвиг Монд и его помощник Чарльз Лангре, которые усовершенствовали технологию Грове и в далеком 1889 году дали ей конкретное название, в которое вошли два определенных слова, название которых означает и звучит как — «топливный элемент».
Сейчас это словосочетание крепко вошло в обиход всех автомобилистов. Вы безусловно друзья слышали этот термин «топливный элемент» и не единожды. В новостях в интернете, по телевизору и в прессе все чаще мелькают новомодные и неизвестные иногда нам слова. Обычно эти новомодные словечки относятся к рассказам о новейших гибридных автомобилях или к программам развития этих гибридных автомобилей.
Например, еще 11 лет назад в США была запущена такая программа, как «The Hydrogen Fuel Initiative». Она была направлена на разработку водородных топливных элементов и технологий данной инфраструктуры, которые были нужны для того, чтобы сделать автотранспортные средства, использующие топливные элементы, практичными, экономически продуманными и рентабельными к 2020 году. Кстати, за это время на эту программу было выделено более 1 млрд. долларов США, что говорит о серьезной ставке на программу, которую сделали и создали власти Соединенных Штатов и которая была направлена на развитие экологически дружелюбных технологий.
По другую сторону океана автопроизводители тоже не дремали, они продолжали проводить свои изыскания по теме машин с топливными элементами. Например, компании «Honda», «Toyota», «Mercedes-Benz» и даже «Hyundai» продолжали работать над созданием надежной технологии этих топливных элементов.
Наибольшего успеха на данном поприще разработок среди всех мировых автопроизводителей, добились два Японских автопроизводителя, это компании «Toyota» и «Honda». Их модели машин на новых топливных элементах уже пошли в серийное производство, в тоже время как их ближайшие конкуренты тоже следует прямо близко за ними.
Поэтому надо признать, что топливные элементы в автомобильной индустрии — это надолго. Рассмотрим дорогие наши читатели принципы работы самой этой технологии и ее применение в современных автомобилях.
Принцип работы топливного элемента
В сущности, сам топливный элемент представляет собой небольшой двигатель без движущихся частей. С технической точки зрения определить такой топливный элемент можно с позиции, как электрохимическое устройство для преобразования энергии. Он преобразует частицы водорода и кислорода в воду, в процессе попутно производя электричество, то есть постоянный ток.
Существует множество типов топливных элементов, некоторые из них уже используются в автомобилях, ну а другие пока проходят исследовательские тесты. В большинстве из них в качестве основных химических элементов необходимых для преобразования, используется водород и кислород.
Аналогичная процедура происходит и в обычной батарее, отличие заключается только в том, что батарея уже имеет в себе все необходимые химические вещества требуемые для преобразования электричества «на борту», в то время как сам топливный элемент может «заряжаться» от внешнего источника, благодаря чему этот процесс «производства» электричества может быть продолжен. Помимо водяного пара и электричества другим побочным продуктом данной процедуры является выделяемое им тепло.
Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной содержит в себе протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет между собой два электрода — анод и катод. Каждый из этих электродов обычно представляет из себя простую угольную пластину (матрицу) с нанесённым на нее катализатором, то есть платиной или сплавом платиноидов и др. композитов.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану по направлению к катоду, но сами электроны отдаются во внешнюю цепь, так как сама мембрана не пропускает эти электроны.
На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном который подводится из внешних коммуникаций с пришедшим протоном и преобразует ее в воду, которая является единственным продуктом полученной реакции (в виде пара и/или жидкости).
wikipedia.org
Применение в автомобилях
Из всех типов топливных элементов наилучшим кандидатом для применения в транспортных средствах по-видимому стали топливные элементы полученные на основе протонообменных мембран или на основе так называемых на западе- Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Основными причинами этого являются: -его высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура, а это в свою очередь означает, что для него не потребуется много времени чтобы привести топливные элементы в рабочий режим. Они оперативно разогреются и начнут производить необходимое количество электроэнергии. В ее основе также используется еще одна из самых простых реакций из всех типов топливных элементов.
Первое транспортное средство с этой технологией было сделано еще в 1994 году, когда компания «Mercedes-Benz» представила прототип своего элемента MB100 созданного на основе NECAR1 (новый электрический автомобиль 1). Помимо малой выходной мощности (всего 50 киловатт) самым большим недостатком этой концепции являлся сам топливный элемент, который занимал весь объем грузового отсека автофургона.
Кроме того, с точки зрения пассивной безопасности, это была одна из ужаснейших идей для массового производства, принимая во внимание необходимость установки на борту фургона этого массивного резервуара, который заполнялся легковоспламеняющимся водородом под давлением.
В течение следующего десятилетия данная технология развивалась и одна из последних концепций созданных на топливных элементах от «Мерседес» имела выходную мощность 115 л.с. (85 квт) и диапазон действия около 400 километров перед дозаправкой. Конечно, немцы были не единственными пионерами в разработке топливных элементов будущего. Не надо друзья забывать и про двух японцев, т.е. про компании «Toyota» и «Honda». Одним из крупнейших автомобильных игроков стала компания «Honda», которая представила свой серийный автомобиль с силовой установкой на водородных топливных элементах. Продажи модели FCX Clarity в лизинг на территории США начались летом 2008 года, чуть позже реализация автомобиля перешла и в саму Японию.
Еще дальше пошла фирма «Toyota» со своей моделью Mirai, чья прогрессивная система топливных элементов, работающая на водороде, по-видимому способна предоставить футуристичному автомобилю солидный диапазон действия в 520 км на одном баке, который может быть заправлен менее чем за пять минут, так же как и обычный автомобиль. Показатели расхода топлива поражают любого скептика, они просто невероятны и даже для автомобиля с классической силовой установкой, как модель Toyota Mirai, которая расходует 3,5 литра горючего независимо от того в каких условиях используется автомобиль, в городе ли, на шоссе ли, или в смешанном цикле.
Прошло уже восемь лет. Компания «Honda» потратила это время с большой пользой для своего дела. Второе поколение автомобилей Honda FCX Clarity уже сейчас появляется в продаже. Ее топливные элементы (батареи) стали на 33% более компактными, чем у первой модели автомобиля, а сама ее удельная мощность увеличилась аж на 60%. «Honda» уверяет, что топливный элемент и интегрированный силовой агрегат в Clarity Fuel Cell по размерам может быть сравним с двигателем V6, что оставляет достаточного места для внутреннего пространства в машине пяти пассажирам и для их багажа.
Предполагаемый диапазон прохождения составляет 500 км, а стартовая цена данной автоновинки должна закрепиться на уровне примерно $60 тыс. долларов США. Дорого скажете? Наоборот, очень даже дешево. В начале 2000-х годов автомобили с подобными технологиями стоили $100 тыс. долларов.
Учитывая все ограничения присущие данной технологии в автомобилях и в связи с отсутствием заправочной инфраструктуры являющейся наибольшим препятствием, такие машины на новых топливных элементах вряд ли смогут конкурировать с более традиционными автомобилями в ближайшие 15 — 20 лет, но вот в долгосрочной перспективе они однозначно смогут оказаться более жизнеспособными авто. Налоги на загрязнение и сами экологические законы становятся все более и более жесткими, а наряду с непрерывным ростом потребления ископаемого топлива это может убедить правительства разных стран и самих производителей автомобилей вкладываться в экологичную технологию еще активнее.
Что делать, если бензин попал в масло двигателя
Уровень моторного масла надо регулярно проверять, что позволит своевременно избежать негативных последствий, проконтролировать и диагностировать работу мотора. Например, когда бензин попадает в масло двигателя, это большая опасность для внутренних элементов ДВС. Узнаем, почему такое происходит.
Как определить, что бензин попал в масло
Естественно, судить о просачивании топлива в моторное масло удаётся и визуально. Такое масло меняет густоту и цвет. Двигатель начинает работать шумнее, затрудняется разгон и достижение машиной своей максимальной скорости. Обращать внимание следует и на выхлоп — густой, с характерным запахом бензина. Автомобиль также может глохнуть, а двигатель — троить.
Бензин в масле меняет его вязкость, цвет и запах
Причины неисправности
Примечательно, что если бензин попал в масло, то такое возможно даже на силовых установках с целиком рабочей (исправной) поршневой. Это очень серьёзная проблема, она приводит к различным сбоям и даже полному разрушению двигателя. Конкретно всё определяется количеством — чем его больше бензина попадает внутрь, тем хуже.
- На современных (реже карбюраторных) моторах горючее просачивается в картер из камеры сгорания через внутренние элементы ДВС. Основной корень зла, это проблема зажигания и подачи питания. Второстепенные причины — различные неполадки внутри двигателя. Как правило, подобная неполадка случается на старых, потрёпанных двигателях, где топливо целиком не сгорает, а показатель компрессии оставляет желать лучшего. Ещё один фактор — неисправность с топливными форсунками.
- На карбюраторных ДВС такое чаще возникает из‐за повреждения сетки бензонасоса или неполадок в самом карбюраторе — игла, эмулятор, дозатор.
Таким образом, получается следующая картина: бензин подаётся в избытке, что отрицательно сказывается на процессе вспыхивания и горения. Остатки бесцветной жидкости проникают в картер потому, что до конца не сгорают из‐за низкой компрессии.
Как определить, что бензин в моторном масле
Известно несколько способов определения попадания бензина в моторное масло. Опытные водители быстро определяют состояние масла по запаху. Более точные тесты — капельный и по горению.
По запаху
Каждый водитель должен уметь определять состояние масла по запаху. Это бесплатный и быстрый способ выявления горючего в смазке. Достаточно не иметь насморка и принюхаться.
Естественно, от щупа не должно нести бензином, что подтвердит наличие его попадания в картер. Обычно сильно воняет от выхлопных газов.
Капельный тест
Можно просто обмакнуть щуп в ёмкость с чистой водой. Если на поверхности жидкости появится разноцветная плёнка, это укажет на то, что бензин в масле двигателя. Но куда эффективнее капельный тест, который проводят на прогретый двигатель. Силовой агрегат заводят и оставляют работать около 10 минут. После этого выдерживают 5‐минутную паузу, и капают смазку с щупа на белую бумагу. Чистое масло сохранит свою форму, а смешанное с горючим — начнёт расползаться по поверхности листа.
Анализ обязательно ведётся по нескольким критериям: линии пятна, одинаковости растекания масла, количеству колец и размерам высохшего остатка. Подробнее о результатах:
- тестируется центральная зона (ядро) капли на наличие примесей — они не растворяются, при высыхании повышается уровень пыли и сажи;
- проверяются края капли — под воздействием органических веществ она становится светлее;
- анализируется зона диффузии или светлое кольцо — чем оно шире, тем больше содержание примесей.
Таким образом, о том, что бензин в масле судят по отсутствию ровных краёв, появлению внешнего жёлтого кружка и дополнительного кольца.
Капельный тест моторного масла на бумаге
Горение моторного масла
В этом случае некоторые любители подносят к масляному щупу, вытащенному из картера, зажигалку. Естественно, перед этим отходят от машины на дальнее расстояние. Присутствие на металлическом стержне горючего ознаменуется резким воспламенением. Однако такой метод проверки не считается достаточно убедительным.
Куда правильнее залить жидкость в закрытую пробирку. Затем следует нагреть её. После этого поднести к ёмкости пламя — при наличии бензина в масле появится резкий кратковременный взрыв.
Вообще, специалисты всегда начинают осмотр со свечей зажигания. Если на них присутствует чёрный нагар — пропуски зажигания или чрезмерно богатая смесь подтверждается. К тому же, мастер прислушивается к шуму мотора — его троение, это дополнительный признак неисправности. И конечно, ошибку с пропусками зажигания всегда диагностирует компьютерный блок управления. На щитке загорается «Чек».
Популярные марки:
Что делать и как лечить
Что же делать, если топливо попадает внутрь картера.
В первую очередь исключить причину, после этого заменить масло.
Ниже приведены основные факторы проблемы и пути решения.
- Чаще всего на карбюраторных агрегатах топливо в моторную смазку попадает из-за неисправности бензонасоса. Конкретно «виновницей» становится диафрагма. Постресканная и протёртая, она нуждается в обязательной замене. Иначе бензин уйдёт через головку блока в поддон двигателя. Во многих случаях это повышает общий уровень масла. Очевидно, что в этом случае механизм нуждается в снятии и разборке. Все детали нужно прочистить и дефектовать. Помимо неисправной мембраны не исключено ослабление крепления на оси или изначально неправильная сборка бензонасоса. Дополнительным признаком в таких случаях становится сильный запах горючего в подкапотной зоне и салоне машины.
- На инжекторном двигателе при нарушении герметичности форсунок происходит то же самое. Топливо сочится из распылителей во время стоянки машины. Как правило, такое происходит из-за засорения и образования большого количества внутренних отложений. Бензин уходит в большей или меньшей степени, а конкретно всё зависит от состояния форсунок. Верное решение тут — прочистить/промыть рампу или заменить (в редких случаях).
- Поршневая двигателя может иметь увеличенные зазоры. В этом случае горючая смесь также будет попадать в картер. Чтобы исправить проблему, следует измерить сначала компрессию. А затем уже заняться ремонтом мотора.
- Нерабочие элементы искрообразования и другие компоненты системы зажигания тоже влияют на то, что бензин просачивается в масло. Как и было сказано выше, впрыскиваемое горючее полностью не сгорает, его часть попадает внутрь ДВС.
Низкая компрессия — одна из распространённых причин просачивания бензина в масло. Падает она обычно из‐за прогорания компрессионных колец. Поэтому имеет смысл провести начальную диагностику. Сначала она включает проверку уровня жидкости. Если смазка не расходуется в больших количествах, значит, кольца не прогорели. Обратная ситуация, когда наблюдается жор и одновременно запах горючего.
Проверка компрессии двигателя
Неисправность распылителей — вторая по известности причина. В инжекторных ДВС подача топлива проходит дозировано, что непосредственно зависит от степени нагрузки на машину. Впрыск осуществляется в поток воздуха, образуя смесь. Дальше она из камеры сгорания поступает внутрь двигателя. При различных дефектах, в том числе электронасоса, форсунки не способны нормально распылять горючее. Из‐за этого бензин просачивается внутрь.
Моторы с впрыском тестируют по нескольким параметрам:
- на подачу топлива — контролируют работу электрического насоса;
- на сопротивление обмотке — активно проверяются датчики РХХ, ДМРВ, ДТОЖ;
- на дёрганья, провалы и потерю приёмистости — тут проводят тест динамических качеств ДВС.
Чтобы прочистить форсунки, снимают всю топливную рампу.
Теперь подробнее о поршнях. Если владелец автомобиля использует масло низкого качества, то это ведет к разрушениям во внутреннем блоке. На поршнях появляются нежелательные шлаки, происходит быстрый износ деталей. Естественно, межкольцевые канавки забиваются, а между цилиндрами появляются зазоры, откуда собственно топливо и начинает просачиваться. В результате масло плохо смывается со стенок, начинается процесс закоксовывания, ухудшается общее функционирование силового агрегата.
Закоксованные поршни
Ремонт поршней полностью избавит от головной боли, связанной с попаданием бензина в масло. Новые детали цилиндровой группы подбираются в соответствии с ремонтными размерами. Дело это ответственное, его следует доверить профи.
Следующая причина — изначально низкое качество ГСМ. Смазочный материал обязан поддерживать стабильную работу двигателя и предотвращать износ. Если он не подобран по типу двигателя и его температурному режиму, а также включает вредные присадки, это вызовет различные неполадки. Одна из них — трудный запуск двигателя, что может привести к заливанию свечей и попаданием горючего внутрь силового агрегата.
Последствия эксплуатации авто с бензином в масле
Бензин в масле вызывает разные последствия, но самое главное — это разжижение моторного масла и потеря им своих начальных свойств. Из‐за этого уменьшается ресурс трущихся элементов ДВС. В наиболее запущенных случаях двгатель надо уже капитально ремонтировать.
Особенно тяжёлая ситуация возникает, когда топливо контрафактное. В этом случае оно имеет огромное количество вредных примесей, попадание которых внутрь силового агрегата крайне нежелательно.
Вывод: нельзя использовать смешанное с бензином моторное масло. Это приведёт к быстрому износу подшипников, образованию задиров и заклиниванию двигателя авто.
А ещё вот почему — поршневая группа может просто развалиться от накопленных отложений, а топливная смесь будет постоянно детонировать.
Профилактика
Чтобы исключить проблемы подобного типа, автомобиль следует регулярно показывать мастерам в СТО. Своевременное проведение технического осмотра, замена изношенных деталей, анализ уровня жидкостей — всё это поможет в профилактике.
На подержанных автомобилях будет полезно заменить клапан вентиляции газов (КВКГ). Обычно его срок годности на Мерседесах и других аналогичных моделях авто составляет порядка 140–150 тыс. километров пробега. Заменяют деталь без снятия коллектора впуска.
Источник https://beelead.com/avtomobili-toplivnyih-elementah/
Источник https://1gai.ru/publ/516646-tehnologiya-toplivnyh-elementov-i-ee-ispolzovanie-v-avtomobilyah.html
Источник https://ddcar.ru/blog/diagnostika/benzin-popal-v-maslo-dvigatelya
