Двигатели внутреннего сгорания работ на воде

Автомобиль на воде

Автомобиль на воде — гипотетический автомобиль, получающий энергию для движения из одной только воды. Водяные автомобили стали предметом множества международных патентов, статей в газетах и научно-популярных журналах, местных теленовостей и интернет-публикаций. Заявления о подобных устройствах признаны некорректными, а некоторые оказались попытками мошенничества [1] [2] [3] [4] . Утверждается, что эти машины могут вырабатывать топливо из возимого запаса воды без всяких других источников энергии или являются гибридами, способными использовать энергию как воды, так и обычного топлива.

В этой статье внимание уделяется машинам, относительно которых утверждается, что они могут извлекать потенциальную химическую энергию непосредственно из воды. Вода является полностью окисленным водородом. Водород − высокоэнергетическое горючее, однако эта энергия выделяется в процессе образования воды, и сама по себе вода топливом быть не может. Вода может быть разделена на водород и кислород, например, в процессе электролиза, но на разрыв межатомных связей нужно затратить столько же энергии, сколько высвободилось при их образовании. В реальности же в процессе электролиза, а затем сжигания водорода невозможно избежать тепловых потерь, сопровождающих любые преобразования энергии. Таким образом, получение из воды химической энергии в избытке или хотя бы в количестве, достаточном для автономного поддержания процесса, противоречит первому и/или второму началам термодинамики [5] [6] [7] .

Содержание

• 1 Какие автомобили НЕ являются «водяными»
• 2 Получение энергии из воды
• 3 Заявления о действующих «водяных автомобилях»
  • 3.1 Электролитический карбюратор Гаррета
  • 3.2 Водная ячейка Стэнли Мейера
  • 3.3 Дэннис Клейн
  • 3.4 Genesis World Energy (GWE)
  • 3.5 Genepax Water Energy System
  • 3.6 Тушара Приямал Эдиризинге
  • 3.7 Дэниэл Дингел
  • 3.8 Др. Гулам Сарвар
  • 3.9 Ага Вакар Ахмад
• 4 Водород как добавка
• 5 «Бензиновые таблетки» и подобные им добавки
• 6 См. также
• 7 Примечания

Какие автомобили НЕ являются «водяными» [ править | править код ]

К «водяным автомобилям» не относятся следующие технические решения:

• Паровой автомобиль.
• Впрыск воды как метод охлаждения цилиндров двигателей путём добавления воды в топливно-воздушную смесь, служащий для увеличения степени сжатия и предотвращения детонации.
• Водородный автомобиль, хотя он часто содержит некоторые сходные элементы. Чтобы заправить водородный автомобиль, воду подвергают электролизу. Получившийся водород затем сгорает в двигателе или окисляется до воды в топливном элементе. В итоге машина получает энергию от сгорания водорода, который получают за счет энергии из электросети. Водород служит энергоносителем (англ.) .
• Добавление воды к традиционному углеводородному топливу с целью его экономии и/или уменьшения выбросов. Хотя это и является самым распространенным способом использования воды в автомобилях.

Получение энергии из воды [ править | править код ]

В соответствии с фундаментальными физическими законами, нет способа извлекать химическую энергию из воды. У воды отрицательная энтальпия образования, следовательно, для разделения её на элементы требуется затратить энергию. Не существует соединений кислорода и водорода с большей негативной энтальпией образования, за счёт которой мог бы быть получен избыток энергии [6] .

Большинство из предлагаемых конструкций «водяных автомобилей» основаны на той или иной форме электролитического разделения воды на водород и кислород и последующей их рекомбинации с выделением энергии. Однако, поскольку необходимая для электролиза энергия, в конечном счёте, всегда оказывается большей, чем может дать образовавшийся водород, такая схема не может быть использована для получения избыточной энергии. Подобное устройство противоречит первому началу термодинамики, следовательно, относится к вечным двигателям первого рода.

Заявления о действующих «водяных автомобилях» [ править | править код ]

Электролитический карбюратор Гаррета [ править | править код ]

В сентябре 1935 г. Чарльз Гаррет (Charles H. Garrett), как сообщала Dallas Morning News [8] , будто бы продемонстрировал «в течение нескольких минут» работу «водяного автомобиля». Как можно увидеть из патента Гаррета, оформленного в том же году [9] , для генерации водорода применялся электролиз. Патент включает чертёж, изображающий карбюратор, похожий на обычный поплавковый, но на нижней части размещались электроды, а поплавок служил для поддержания уровня воды. В патенте Гаррета отсутствует определение нового источника энергии.

Водная ячейка Стэнли Мейера [ править | править код ]

Уже по крайней мере с 1980 г. Стэнли Мейер заявлял, что построил багги, который ездит на воде вместо бензина [10] , хотя давал противоречивые объяснения относительно режима его работы. В некоторых случаях он утверждал, что заменил свечи зажигания «водными сплиттерами», в других — что использует «топливную ячейку», разделяющую воду на водород и кислород [11] . В этой «топливной ячейке», по утверждению автора, за счёт электрического резонанса (англ.) из воды получался гремучий газ, который сгорал в обычном двигателе внутреннего сгорания для получения чистой энергии. Заявления Мейера не получили независимого подтверждения, и суд штата Огайо признал его виновным в «наглом мошенничестве» [1] .

Мейер умер от аневризмы в 1998 г., однако сторонники теории заговора (англ.) продолжают утверждать, что он был отравлен.

Дэннис Клейн [ править | править код ]

В 2002 г. фирма Hydrogen Technology Applications запатентовала конструкцию электролизёра и сделала своей торговой маркой термин «Аквиген» («Aquygen»), обозначающий газовую смесь водорода и кислорода, производимую этим устройством [12] . Изначально разработанный как альтернатива ацетиленовой сварке, по заявлениям компании аппарат способен обеспечивать автомобиль топливом исключительно за счёт воды, производя «Аквиген». Для объяснения своих результатов они привлекали понятие «магнегаза» — неизвестного науке состояния материи, основываясь на маргинальной теории магнекул Ругеро Сантили (англ.) [13] . Основатель компании Дэннис Клейн утверждал, что ведёт переговоры с крупнейшими американскими производителями автомобилей и что правительство США хочет выпускать «Хаммеры» с использованием его технологии [14] .

В настоящее время компания больше не утверждает, что может обеспечить работу автомобиля только за счёт воды. Вместо этого она продаёт установки по производству «Аквигена» как устройства для увеличения топливной эффективности [15] .

Genesis World Energy (GWE) [ править | править код ]

В 2002 г. Genesis World Energy анонсировала готовое к продвижению на рынок устройство, которое извлекало бы энергию из воды путём её разложения на водород и кислород [16] . В 2003 г. компания объявила, что технология адаптирована для применения в автомобилях [17] . Компания собрала более 2,5 млн долларов инвестиций, но ни одно устройство на рынок так и не поступило. В 2006 г. Патрик Келли, собственник GWE, был приговорён в Нью-Джерси к пяти годам тюрьмы за кражу и выплате возмещений в размере 400 тыс. долларов [2] .

Genepax Water Energy System [ править | править код ]

В июне 2008 г. японская компания Genepax представила автомобиль, который, по их заявлениям, ездит только на воде и воздухе [18] , и во многих выпусках новостей машину окрестили «водяным автомобилем» [19] . Компания заявила, что пока «не может разглашать ключевых деталей изобретения» [20] , однако раскрыла, что система использует бортовой генератор энергии («сборку мембранных электродов») для получения водорода по «механизму, похожему на метод, при котором водород образуется в реакции гидрида металла с водой» [21] . Водород затем используется как источник энергии для автомобиля. Это привело к предположению, что в процессе потребляется гидрид металла, который и является изначальным источником энергии, и речь идёт скорее о машине на водородном топливе, чем о «водяном автомобиле» [22] [23] . На сайте компании объяснения относительно источника энергии ограничивались словами «химическая реакция». Журнал «Популярная механика» описывает заявления компании Genepax как «вздор» [5] . Машина, продемонстрированная прессе в 2008 г., оказалась электромобилем REVA, производимым в Индии и продаваемым в Великобритании под названием G-Wiz.

В начале 2009 г. компания Genepax объявила о закрытии сайта, ссылаясь на большие затраты на разработку [24] .

Тушара Приямал Эдиризинге [ править | править код ]

Также в 2008 г. новостные источники Шри-Ланки сообщили о некоем Тушара Приямал Эдиризинге (Thushara Priyamal Edirisinghe), заявлявшем, что проехал около 300 км на «водяном автомобиле», потратив 3 литра воды [4] [25] . Как и в других существующих «водяных автомобилях», вода должна была разлагаться на водород и кислород путём электролиза, а полученные газы сжигаться в двигателе. Тушара продемонстрировал свою технологию премьер-министру Ратнасири Викреманаяке, который «пообещал всемерную правительственную поддержку его усилий по продвижению водяного автомобиля на рынок Шри-Ланки [25] ».

Несколько месяцев спустя Тушара был арестован по обвинению в мошенничестве [4] .

Дэниэл Дингел [ править | править код ]

Дэниэл Дингел (англ.) , филиппинский изобретатель, с 1969 г. заявлял, что разработал технологию, позволяющую использовать воду в качестве топлива. В 2000 г. Дингел стал бизнес-партнёром компании Formosa Plastics Group (англ.) с целью дальнейшего развития технологии. В 2008 компания подала на изобретателя иск за мошенничество, и 80-летний Дингел был приговорён к 20 годам тюрьмы [3] .

Др. Гулам Сарвар [ править | править код ]

В декабре 2011 пакистанский доктор Гулам Сарвар (Ghulam Sarwar) заявил, что создаёт автомобиль, работающий на воде [26] . По утверждению изобретателя, машина потребляет 60 % воды и 40 % дизельного топлива, но он упорно работает над тем, чтобы перейти на одну только воду, предполагая закончить работу к концу июня 2012 г. В дальнейшем он заявил, что автомобиль «выделяет кислород, а не углерод, как обычные машины» [27] .

Ага Вакар Ахмад [ править | править код ]

Гражданин Пакистана Ага Вакар Ахмад (Agha Waqar Ahmad) заявил в 2012 об изобретении «водяного устройства», пригодного для установки на все типы автомобилей [28] [29] . Устройство состоит из цилиндрического сосуда, содержащего воду, барботёры и трубки, ведущей к двигателю. Ахмад утверждал, что устройство использует электролиз для превращения воды в «HHO», который и используется как топливо. Для работы устройства необходима дистиллированная вода [30] . По утверждению изобретателя, он добился гораздо большего выхода газа по сравнению с другими, ссылаясь на «скрытые вычисления» [31] . Ахмад запатентовал свою конструкцию в Пакистане. Некоторые пакистанские учёные заявили, что его «изобретение» — не что иное, как мошенничество, поскольку противоречит второму началу термодинамики [32] [33] .

Водород как добавка [ править | править код ]

Вдобавок к заявлениям об автомобилях, которые ездят на одной только воде, также существуют утверждения, что сжигание водорода или гремучего газа вместе с бензином или дизельным топливом повышает топливную эффективность. Действительно ли подобные системы позволяют уменьшить выбросы и/или обеспечить экономию топлива, является в настоящее время предметом споров [34] . Получение водорода на борту требует большого расхода электроэнергии, которая, в конечном итоге, получается за счёт сжигания топлива в двигателе. Электролиз воды в данном случае — дополнительное преобразование энергии, то есть, источник дополнительных тепловых потерь, снижающих общий КПД. На многих отечественных и зарубежных сайтах предлагают устройства для получения кислородно-водородной смеси (часто называемый «HHO», «газ Брауна») на борту автомобиля, обещая при этом значительное увеличение топливной эффективности [15] [35] [36] . По словам представителя Американской Автомобильной Ассоциации (англ.) , «Все эти устройства, вероятно, выглядят работающими, но поверьте мне, это не так [37] ».

Утверждается, что технология GEET Paul Pantone [38] может позволить создание двигателя на воде благодаря высокотемпературному разложению воды за счёт тепла выхлопных газов [39] ; технология не прошла никаких независимых тестов, а её создатель решением суда был отправлен в психиатрическую лечебницу [40] [41] [42] [43] .

«Бензиновые таблетки» и подобные им добавки [ править | править код ]

К мистификациям относительно «водяных автомобилей» близки заявления о добавках, часто в виде таблеток, превращающих воду в топливо, подобно тому, как в карбидной лампе высокоэнергетическая добавка (карбид кальция) в реакции с водой даёт горючий газ. По сообщению Mother Earth News (англ.) , эти «бензиновые таблетки» будто бы были продемонстрированы в 1980 г. Но опять-таки вода сама по себе неспособна дать выход энергии, и топливом должны быть сами эти таблетки.

Двигатель на воде: мифы и реальность.

Начнем со сложного- с подачи воды в двигатель. На сайте есть много людей, которые уж очень рекламируют данную тему. По сути, большинство их доводов- чистой воды демагогия или просто выдача желаемого за действительность. Мне эта тема не давала покоя, и я решил сам все поверить, собственно, так и написал эту статтю.

В интернете существует много различных мифов, как повысить мощность двигателя, сократив при этом расход топлива. Это и различные «экотопы», и магниты на бензопроводе, и всякие гомогенизаторы, завыхрители и т.д. В 95% все эти «гениальные» изобретения, которые обещают повысить мощность на 20%, снизить расход на 30% чистой воды шарлатанство, которое в лучшем случае не сделает ситуацию хуже.
Среди всех этих сомнительных улучшений есть системы впрыска воды, причем, как и от СНГ производителя («Водокар»), который приводит вполне серьезные, хоть и антинаучные аргументы (термолиз воды в цилиндре ДВС), так и от серьезных тюнинговых компаний (AEM)
Мало кто понимает сущность подобных систем и результат ее действия. Но тем не менее много кто берется высказать свое мнение, часто ошибочное. В целом все мнения делятся на отрицательные и положительные. Попробуем разобраться, обоснованы ли они.

Начнем с отрицательных:

1 впрыск воды в работающий двигатель обязательно приведет к гидроудару.
Гидроудар происходит когда в цилиндр попадает жидкость (в нашем случае вода) в количестве которое с избытком заполняет объем камеры сгорания когда поршень находится в верхней мертвой точке. Допустим, при движении у верхнюю мертвую точку в конце 2 такта, когда впускные и выпускные клапаны закрыты, поршень встречает встречает воду в избыточном количестве. Согласно законам физики, жидкости (в нашем случае вода) не сжимаются, и вода для поршня стает непреодолимой преградой, и шатун, вращаемый довольно инерционным (в связке с маховиком) коленвалом, гнется или ломается, обычно пробивая при этом блок цилиндров, и мы видим при этом так называемую «руку дружбы.»

Определим критичное количество воды при котором наступает гидроудар на примере двигателя ваз 2103.
Итак, объем камеры сгорания в головке блока цилиндров составляет 39,5 см3 (ГБЦ + прокладка), округлим это число к 40 для удобства расчетов и примем его за объем камеры сгорания при поршне у ВМТ. Для упрощения недоход поршня не будем брать во внимание.
Возьмем наиболее уязвимые для гидроудара обороты— обороты холостого хода—приблизительно 900 об./мин. При данных оборотах двигатель совершает 225 рабочих тактов. В секунду, соответственно, эта величина будет равна 3, 75. Т.е. для гидроудара в двигатель должно попасть 3,75 х 40 = 150 см3 = 150мл/с или 150 х 60 = 9000 мл/мин = 9л/мин Это, согласитесь, довольно много, учитывая расход бензина 1 л/ч = 16,7 мл/мин на холостом ходу. А ведь при таком соотношении бензина/воды 1/5400 двигатель работать не будет в любом случае. Гидроудар наступит разве что если вплеснуть эти 150 мл у впускной коллектор .

2 Впрыск воды приведет к ржавлению цилиндров.
Впрыск воды серийно использовался на немецких истребителях Messerschmitt (система MW 50), также были проведены полномасштабные испытания на авиадвигателе АШ 62. Следов ржавчины не было обнаружено.

3. Вода будет разжижать масло в картере.
Вода в цилиндре перебывает исключительно в газообразном состоянии, а соответственно, разжижает масло не больше чем бензин в топливной смеси.

А теперь положительные:

1. В цилиндре вода под действием высокой температуры разлагается на кислород и водород, которые явно способствуют горению, повышая КПД двигателя и увеличивая его экономичность.

На самом деле температура в камере сгорания в момент рабочего такта (приблизительно от 1000 С до 1800 С) значительно ниже таковой, необходимой для термолиза воды (2500 С)

2. Вода способствует охлаждению ГБЦ и цилиндра

Вполне логичное предположение, подтвержденное испытаниями как и в США так и в СССР

3. избавление от нагара на стенках камеры сгорания

Вода весьма эффективно чистит нагар. Подтверждено испытаниями.

4. вода является эффективным антидетонатором

Вода, охлаждая топливную смесь и камеру сгорания, а также являясь инертной средой в цилиндре очень успешно подавляет детонацию, делая возможным работу двигателя на низкооктановых топливах, высоком давлении наддува, сильно обедненных смесях.

А теперь кратко о испытаниях и серийных системах. Испытаниями занимались как и в США так и в СССР. На основание испытаний были сделаны следующие выводы:

1. Впрыск воды снижает температуру ГБЦ и поршня.
2. Впрыск воды эффективно подавляет детонацию, а, соответственно, позволяет:
А) применять в эксплуатации низкооктановый бензин.
Б) увеличивать давление наддува, повышая при этом мощность а также КПД двигателя, снижая при этом удельный расход топлива.
3. Уменьшение вредных выбросов в атмосферу
А) за счет более эффективного сгорания топлива.
Б) в случае работы двигателе на бензине с более низким октановым числом, в котором
Отсутствуют антидетонаторы на основе вредных веществ типа тетраэтилсвинца.

Наиболее известной системой впрыска воды, устанавливаемой серийно была MW 50, устанавливаемая на двигатели Daimler Benz 601 истребителя Messerschmitt bf-109.
Система состояла из бака, наполненного на 50% водой и 50% метанолом, который был необходим, чтобы избежать замерзания воды на больших высотах (в экстренных случаях допускалось использование чистой воды). Вода из бака подавалась в механический нагнетатель, охлаждая горючую смесь, отодвигая при этом зону детонации. При этом давление наддува повышалось с 1,3 ATA до 1,7 ATA. Мощность при этом возрастала 1575 л.с. до 1800 л.с. При этом также значительно повышался расход топлива. Всего за 1 полет MW 50 можно было включать 2 раза по 10 минут.
В США эксплуатировали похожую систему: впрыск воды позволял избежать детонации в режимах больших нагрузок. При этом обеднялась горючая смесь и оптимизировался процесс сгорания в цилиндрах (более полное, а значит и более эффективное сгорание топлива)
В СССР подобные системы серийно не эксплуатировались, но были проведены полномасштабные стендовые и летные испытания, которые подтвердили эффективность впрыска воды.
На автомобилях впрыск воды не прижился: он использовался лишь на некоторых моделях Chrysler и SAAB

Подробно изучив информацию по данной теме, было принято решение изготовить систему впрыска воды из подручных средств и испытать ее на двигателе ваз 2103.
Для этого был доработан штатный карбюратор ДААЗ 2107. Доработки заключались в следующем:
1 Был просверлен эмульсионный канал к 1 камере (аналогично эмульсионному каналу эконостата 2 камеры). Для сверления рекомендую использовать сверлильный станок. В начало просверленного канала была вставлена трубка .
2 На месте отсутствующего воздушного жиклера (по аналогии с эконостатом 2 камеры)
Была вставлена трубка, которая через просверленное в крышке карбюратора отверстие выведена наружу.
3 В корпусе карбюратора в месте состыковки малого диффузора и корпуса было просверлено отверстие до эмульсионного канала (аналогично эконостату 2 камеры).
4 Был применен малый диффузор с маркировкой 4 с каналом эконостата.
5 В отверстие эмульсионного канала вставляется отсутствующий эмульсионный жиклер, отверстие топливного канала (рядом) заглушается.
6 трубка 1 (пункт 2) через электромагнитный клапан подключена через жиклер к бачку, служащему поплавковой камерой, закрепленному таким образом, чтобы уровень воды был несколько выше уровня топлива в поплавковой камере карбюратора, но так, чтобы вода не капала с малого диффузора при открытом клапане на заглушенном двигателе. Поплавковой камерой служит бачок для тормозной жидкости, используемый в приводе сцепления.
7. «Поплавковой» данную камеру можно назвать лишь с натяжкой, так как поплавок отсутствует. Его роль выполняют 3 контакта погружены в воду, с помощью которых схема, основанная на NAND логике, управляет помпой, расположенной в 3-х литровом бачке (бачок омывателя и насос из Газели ).(Работа схемы основана на электропроводимости воды).
8. Трубка 2(пункт 1) заканчивается жиклером и воздушным фильтром.
9. В силу конструктивных особенностей система вступает в работу в диапазоне оборотов от 1700 до 2000. Чтобы подача воды осуществлялась более точно, ее включение происходит автоматически с помощью блока управления ЭПХХ при 1900 об/мин.
Блок ЭПХХ был немного доработан: в схему добавлен инвертор, чтобы при достижении заданных оборотов включения, на выходе был логический 1(+), а при отключении логический 0.
10 При оборотах ниже порога включения системы, а также при выключенном зажигании электромагнитный клапан закрыт, питание на механизм регулировки уровня воды в поплавковой камере не поступает.

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп бензиновых и дизельных ДВС, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как установка ГБО также не решает всех задач.

С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего электрокара (электромобиля) в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию.

Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.

История создания водородного двигателя

Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.

Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире. Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г. построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.

Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода на полном баке водорода составляет около 300 км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной). Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания двигателей-гибридов, другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, в плане экологии и производительности данный вариант также может в ближайшее время составить конкуренцию ДВС на бензине, газе или дизтопливе.

Водородные двигатели показали себя несколько лучше, чем самые продвинутые электрокары. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, остался такой недостаток, как способы и возможности заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправочных станций не особенно развита, причем в мировом масштабе.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, одного бака хватает на 600 км. Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.

Как видно, с двигателем на водороде активно экспериментируют многие производители, однако такое решение все равно имеет много недостатков. При этом некоторые минусы сильно мешают массовой популяризации.

Прежде всего, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород весьма горюч и взрывоопасен даже при относительно невысоких температурах. По этой причине его сложно хранить и перевозить. Получается, необходимо строить особые водородные резервуары для авто с данным типом двигателя. Как результат, на практике водородных заправок очень мало.

К этому также можно добавить определенную сложность и высокие расходы на ремонт и обслуживание водородного агрегата, а также необходимость в подготовке и обучении большого количества высококвалифицированного персонала. Если же говорить о самом авто на водороде и его эксплуатационных характеристиках, наличие водородной установки делает машину более тяжелой, закономерно ухудшается управляемость.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.

Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.

Усовершенствание конструкции поршневого двигателя, отказ от КШМ: бесшатунный двигатель, а также двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.

Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.

Виды двигателей внутреннего сгорания, отличия различных типов ДВС. Особенности компоновки, объем двигателя, мощность, крутящий момент и другие параметры.

Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.

Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.

Что нужно знать о моторах на Рендж Ровер перед покупкой такого автомобиля б/у. С каким двигателем лучше взять данный автомобиль и почему.

Утоли мои печали: как впрыск воды повышает мощность мотора

Уже более ста лет автомобильные инженеры работают над повышением отдачи мотора. Поначалу все было просто: больше литраж, больше цилиндров, больше мощности! Но довольно быстро стало понятно, что replacement for displacement все-таки необходим: в ход пошли компрессоры, турбины, усложнение ГРМ с многоклапанными конструкциями и регулируемыми фазами, распределенный и непосредственный впрыск, облегчение поршневой группы… Теперь, когда к ДВС все чаще в компанию стали добавлять электромоторы, кажется, что предел форсирования обычного мотора достигнут. Но нет – вы забыли про впрыск воды! Разберемся, зачем это делается и почему до сих пор не применяется в массовом автомобилестроении.

О быватель при упоминании системы впрыска воды в цилиндр скептически хмыкнет: если двигатель автомобиля получит гидроудар, ничего хорошего из этого не выйдет. Но одно дело, когда при проезде глубокой лужи в двигатель через впускной тракт попадает большое количество воды, которую пытается сжать поршень – это приводит к разрушению шатунно-поршневой группы… Совсем другое – точечный впрыск специальной смеси в камеру сгорания.

Как это работает?

Система впрыска воды чаще всего используется на высокофорсированных двигателях для улучшения их характеристик. Откуда получается дополнительная мощность? Существует сразу несколько вариаций системы, различающиеся только точками установки. Для этого во впускном коллекторе устанавливается специальная форсунка, подающая во впускной тракт водометанольную смесь, которая смешивается с топливной смесью, подаваемой в камеру сгорания.

Почему именно смесь воды со спиртом? Во-первых, такая жидкость замерзает при более низких температурах, а во-вторых, вода со спиртом обладает лучшим рассеиванием, из-за чего образуется более равномерная смесь и уменьшается температура во впускном коллекторе. За счет мелкодисперсных капель смесь охлаждается, что позволяет повысить степень сжатия, а также уменьшить скорость горения смеси в цилиндрах, а это снижает возможность детонации. Также снижение температуры горения топливно-водяной смеси влияет на химические процессы в камере сгорания, что уменьшает концентрацию вредных выбросов азота и углекислых газов.

Опыты российских конструкторов на дизельных двигателях с экспериментальными системами показали снижение выбросов оксидов азота в три-четыре раза, а выбросов СО2 – в 1,2 раза.

Казалось бы, одни плюсы! Но, как и все в мире, идеальных вещей не бывает. В отработавших газах увеличивается концентрация несгоревших углеводородов, что немного увеличивает расход топлива автомобиля. На малой скорости или полностью открытой дроссельной заслонке двигатель может работать неустойчиво.

Одной из ключевых причин является неравномерное распределение жидкости по цилиндрам – в некоторых из них неизбежно создается обедненная смесь. Обычно такую проблему можно решить, установив систему с индивидуальными форсунками на каждый из цилиндров, управляемых компьютером.

Кроме того, пользователи часто забывают, что в систему необходимо заливать только дистиллированную воду. Ведь растворенные в обычной воде соли могут привести к образованию нагара в камерах сгорания, и, как следствие, уменьшить ресурс двигателя. Посмотрите на накипь в чайнике – вы же не хотите, чтобы подобная гадость была и внутри цилиндров?

С чего все началось?

Впервые в мировой практике впрыск воды в цилиндры двигателя применил венгерский инженер Bcnki в начале XX века. Еще спустя несколько лет профессор Хопкинсон из Англии успешно применил экспериментальную систему впрыска воды для улучшения характеристик промышленных двигателей. А наибольший вклад внес Гарри Рикардо, создатель одноименной марки, занимающейся выпуском автомобильных комплектующих. На его счету – многочисленные исследования, несколько патентов и даже монография High-Speed Internal Combustion Engine, в которых подробно описаны методы и испытания двигателей с впрыском воды.

В результате всех испытаний Рикардо представил двигатель, оснащенный системой впрыска смеси воды с метанолом, благодаря которой удалось добиться увеличения характеристик мотора почти что двукратно! Широкое применение водометанольные смеси нашли во время Второй мировой войны. Первую скрипку сыграли авиаторы, которые в погоне за скоростями и высотой искали любые ухищрения, чтобы выжать максимум мощности из поршневых двигателей, которых к концу войны все равно заменили реактивной авиацией.

В 1942 году на вооружение ВВС Германии поступил иcтребитель Focke-Wulf 190 D-9, оснащенный системой впрыска водометанольной смеси во время форсажа. Причем он был не единственным в своем роде в Люфтваффе. Похожей системой впрыска оснащались двигатели Daimler-Benz 605 и BMW 801D для Messerschmidt Bf-109, а также Junkers Jumo 213A-1. Стоит отметить, что авиационные двигатели того времени уже имели системы турбонаддува, и впрыск воды, по сути, играл роль интеркулера. Водометанольная смесь MW-50 впрыскивалась во впускной тракт авиационного двигателя, где смешивалась с топливной смесью, устремляясь в камеру сгорания. В результате контакта с раскаленными стенками цилиндров вода превращалась в пар, который, расширяясь, создавал в цилиндре избыточное давление, а предварительное охлаждение топливной смеси на впуске способствовало увеличению ее объема в цилиндре и улучшало эффективность сгорания топлива. В результате мощность немецких моторов кратковременно увеличивалась на 20-30 процентов, что давало последним преимущества по набору высоты и максимальной скорости.

На фото: Messerschmitt Bf-109

Собственные системы впрыска воды разработали и союзники. Так, американская компания Pratt & Whitney в своем двигателе J57 для бомбардировщика В-29 установила похожую систему для повышения характеристик двигателя на малых и средних высотах. Похожую систему с успехом применяли и на истребителях. В 1943 году по приказу НКАП моторный завод №45 должен был разработать документацию на советскую систему впрыска воды для двигателей АМ-38Ф. Опытная партия из пяти самолетов Ил-2, оснащенных двигателем с впрыском воды, была построена на заводе №18, однако после испытаний система была признана слишком дорогой и сложной в настройке.

На каких автомобилях применялось?

С развитием в конце войны реактивных двигателей работы по увеличению мощности поршневых агрегатов были практически свернуты, и богатый опыт форсировки отошел на задний план. Но о системах вспомнили автомобильные компании. Первым впрыск водометанольной смеси на серийном автомобиле стали применять американцы из General Motors, которым такая система оказалась нужна для повышения детонационной стойкости турбомотора Oldsmobile F-85 Jetfire. Что из этого получилось, мы уже рассказывали вам ранее.

На фото: Oldsmobile F-85 Jetfire Hardtop Coupe 1963

Еще одним производителем, вспомнившем о полезных свойствах водометанольной смеси, стал шведский Saab, где до начала 1980-х годов устанавливали систему впрыска воды на Saab 99 Turbo S. Правда, с появлением интеркулеров, охлаждающих воздух во впускном тракте, такие системы на серийных автомобилях плавно сошли на нет, но не были забыты в автоспорте.

В 1983 году команды Формулы-1 Renault и Ferrari установили на свои болиды системы впрыска воды, позволившие итальянцам в итоге занять первое место в кубке конструкторов. На машинах были установлены баки объемом 12 литров для хранения смеси спирта и воды, регулятор давления и водяной насос, однако впоследствии подобные системы были запрещены регламентом.

На фото: Renault RE40 ‘1983

Похожие системы пытались внедрить в середине 1990-х в WRC, но и там они получили запрет через недолгое время, как и на ле-мановских спортпротипах. Очень широкое распространение баки с водой получили у американских гонщиков на ¼ мили. Могучие американские «восьмерки» дрегстеров, снабженные механическими нагнетателями, требовали серьезного охлаждения, а интеркулеры еще не получили широкое распространение. Тогда некоторые светлые головы и вспомнили о полезных свойствах водно-спиртовой смеси, подаваемой в двигатель. Так, суперкар Porsche 911, доработанный фирмой 9ff, в 2005 году установил рекорд скорости 388 км/ч для автомобилей, официально сертифицированных для дорог общего пользования. Его оппозитная «шестерка» с двумя турбокомпрессорами на пару с обычными интеркулерами была также оснащена системой впрыска воды.

Впрыск воды, наши дни

На некоторое время интерес к системам от производителей угас, но в 2015 году про технологии вспомнили мотористы BMW, решившие применить впрыск воды уже не для повышения мощности, а для снижения расхода бензина. Первым автомобилем, опробовавшем систему впрыска воды с метанолом, стал пейс-кар BMW M4, участвующий в гонках MotoGP. Но если там была установлена обычная форсунка, подающая смесь во впускной коллектор, то на опытном трехцилиндровом турбомоторе рабочим объемом 1,5 литра система стала более продвинутой.

Вода смешивается с топливной смесью с помощью топливного насоса высокого давления Bosch, срабатывающему только на оборотах мотора свыше 4 000. Водно-топливная смесь через форсунку впрыскивается в саму камеру сгорания. В результате мощность 201-сильного двигателя увеличилась на 14 л. с., возросла детонационная стойкость двигателя, что позволило поднять степень сжатия с 9.5:1 до 11,0:1 и в целом улучшить отдачу мотора на низких и средних оборотах. Объем водяного бака с подогревом – 7 литров, а в обычных условиях автомобиль расходует около 1,5 литра воды на 100 км пути, что означает необходимость пополнения системы почти каждые 500 километров.

На фото: BMW M4 Coupé MotoGP Safety Car (F82) ‘2015

Однако инженеры BMW предусмотрели и другие способы добычи воды: при работе кондиционера конденсат из системы автоматически сливается в бак. Все эти ухищрения позволяют экономить почти 8% топлива на 100 км пути в смешанном цикле, а особенно эффективно система может работать в паре с гибридным приводом. Правда, о таких гибридах в БМВ пока молчат.

Серийный выпуск двигателей с водометанольной системой впрыска по планам должен начаться уже в конце этого года, причем поставляться такие БМВ будут и в Россию. На наше счастье, из-за повышенной стойкости к детонации эти машины будут менее требовательны к октановому числу – заправляться можно будет обычным Аи-95.

Можно ли поставить такую систему себе на машину?

Если очень хочется, то можно. Начитавшись интернета, умельцы делают самодельные системы, используя в качестве элементов капельницы, медицинские шприцы и прочие изделия, устанавливают во впускном коллекторе за дроссельной заслонкой и. такие системы работают.

Впрочем, все плюсы от повышенной мощности или крутящего момента перечеркиваются одним жирным минусом. Ведь по сути такой самопал просто льет огромное количество воды в коллектор, не распыляя ее, в результате чего водяная взвесь поступает во все цилиндры неравномерно. О последствиях мы уже говорили выше – в некоторых цилиндрах воды больше, чем в остальных, что приводит к обеднению смеси в отдельных цилиндрах и неравномерную работу мотора. В худшем случае количество воды, поступаемой в цилиндр, так велико, что приводит к шансу получить тот самый пресловутый гидроудар.

Для тех, у кого есть чуть больше денег, продавцы тюнинг-аксессуаров предлагают комплект из насоса высокого (около 5-10 бар) давления, электронного блока управления насосом, форсунок для впрыска смеси и, естественно, бачка для воды. В самых дорогих системах применяется клапан, регулирующий давление и количество поступаемой воды.

Принцип работы такой системы прост: блок управления, подключенный к датчику расхода воздуха двигателя, анализирует полученную информацию и рассчитывает подачу воды, дав команду насосу.

Несмотря на кажущуюся простоту, и здесь возникают определенные сложности. Впрыск воды происходит только на определенных режимах работы двигателя, обычно подобные системы работают при оборотах двигателя свыше 3 000 об/мин. К тому же система почти не контролирует подачу смеси, а только подает команду на включение/выключение насоса. Основным ограничением на количество впрыскиваемой воды становится только производительность самой форсунки.

Кстати, пока блок даст команду насосу на запуск, пока насос включается и начинает перекачивать воду, происходит задержка между отправкой команд на впрыск топлива и впрыск воды, что неминуемо снижает эффективность всей системы.

Главными спецами по системам впрыска воды для автомобильных двигателей были признаны конструкторы британской фирмы Aquamist, в 1990-е поставлявшие комплекты для болидов WRC, пока их не запретили. И цена на тюнинг-киты колеблется в районе 3 000 долларов. В общем, пока впрыск воды остается довольно экзотическим, недешевым и, положа руку на сердце, не таким уж эффективным средством форсировки.