Виды и перспективные моторы: Обзор технологий и развитие двигателей в будущем. Часть 4

Двигатель внутреннего сгорания является главным силовым агрегатом современных машин. Однако по мере того, как увеличиваются экологические требования, увеличивается интерес к новым технологиям. 

Как работает гибридный двигатель

Гибридный двигатель является системой, в которую входят бензиновый мотор внутреннего сгорания и электродвигатель, то есть комплект из силовых установок: бензиновой (дизельной) и электрической.

Нужно привести здесь описание гибридного автомобильного двигателя. Тогда легче будет понять, как он работает. Итак, перечислим, из чего он состоит:

- двигатель внутреннего сгорания. Его разрабатывали так, чтобы вес был облегченным, и можно было свести к минимуму затраты топлива и объем выбросов;
- электрический двигатель. Он сгенерирован с топливным баком. Способен вырабатывать энергию, необходимую для того, чтобы заряжать АКБ. Деталь встраивают в силовую систему. Она же может располагаться отдельно;
- трансмиссия. Ее вид зависит от типа гибрида, есть интегрированные коробки передач, КПП с механикой либо автоматикой;
- топливный бак. Из него осуществляется подача топлива в ДВС;
- аккумуляторы. Как правило, производится установка двух батарей – высоковольтная предназначена для работы мотора, а на 12 В – для того, чтобы запитывать бортовую систему;
- инвертор. Он необходим для того, чтобы преобразовать ток от аккумулятора – в переменный трехфазный для электромотора;
- генератор. Действует по принципу электрического агрегата.

Прибор по тому, каков режим движения, способен определить необходимый вид активного силового агрегата и задействовать его:

- на городских улицах необходим электродвигатель, у которого мощность невелика;
- когда едешь на загородном шоссе, то задействуется ДВС;
- в смешанном режиме (смена остановки и ускорения) агрегаты работают вместе.

Использование гибридных двигателей

Впервые, еще в 1987 году, производить подобный транспорт начал бренд Parisienne des Voitures Electriques. Однако больших успехов в этом деле он не достиг. 

В 1900 году компания General Electric из США начала все-таки выпускать гибриды. Силами инженеров корпорации была создана машина, у которой был четырехцилиндровый двигатель на бензине.

Однако такой абсолютно новый вид транспорта тогда нельзя было признать экономически нецелесообразным. К сожалению, мощность его была невелика. И все-таки грузовики-гибриды до 1940-х годов в Чикаго производили, хотя и несерийно.

Поскольку экологическая обстановка в последние годы стала хуже, то сейчас наступило то время, когда идея создать смешанные силовые агрегаты приобрела особую актуальность. Серийное производство гибридов первыми наладили японцы – бренд Тойота. Автомобили Toyota Prius liftback произвели в 1997 году. 

В 1999 году Хонда продемонстрировала собственную модель Insight. На 2014 год численность автомобильных гибридов уже превысила 7 млн. штук и продолжает расти.

Перспективы автомобилей-гибридов

С учетом того, что долгих 20 лет бренд Тойота продолжал разрабатывать свои идеи, у гибридов существуют хорошие перспективы развития. Автомобили, у которых облегченный кузов, емкие и компактные батареи, простая быстрая зарядка и усовершенствованный режим рекуперации, вот-вот завоюют рынок.

У гибридных машин нет критических нагрузок на ДВС. А если учитывать цикл Аткинсона, то его моторесурс более высокий, чем у традиционного двигателя. Для того чтобы снизить затраты на топливо, автомобили оснащаются газобаллонным оборудованием, которое совмещено с электронным блоком управления. 

При том, что у таких машин есть внешнее сходство с бензиновой техникой, автомобилисты имеют определенные проблемы, вызванные сложностью их обслуживания и огромным разбегом стоимости. Даже тогда, когда нет поломок, и есть значительный пробег, цена такой четырехколесной собственности может окупиться примерно лет через пять. Однако минимальные затраты на горючее стоят подобных усилий.

Но для полноценного использования таких машин необходимо развивать зарядную инфраструктуру, то есть устанавливать специальные розетки на АЗС.

Работа водородного двигателя

Топливный бак на специальных заправках можно заправить сжатым водородом. Он направляется в топливный элемент, где находится особая мембрана. И она разделяет камеры с анодом и катодом. В первую камеру отправляется водород, а во вторую — кислород, поступающий из воздухозаборника.

Каждый электрод мембраны имеет слой катализатора. В большинстве случаев – платины. И в результате водород постепенно теряет электроны, то есть частицы, отрицательно заряженные. Одновременно через мембрану протоны проходят к катоду. Это частицы, положительно заряженные. При их соединении с электронами на выходе образуются водяной пар и электричество.

Впервые работающий на водороде двигатель стал известен в 1806 году. Такую идею выдвинул изобретатель Франсуа Исаак де Риваз из Франции. При его экспериментах водород получался в процессе электролиза воды. А вот патент на водородный двигатель впервые официально оформили намного позже – в 1841 году. И произошло это в Великобритании. До реализации этой идеи на практике прошло еще несколько лет. Только в 1852 году в Германии появился первый двигатель, работавший на воздушно-водородной смеси.

Применение водородного топлива

Конечно, машины с водородными двигателями – это в первую очередь конкуренты электрокаров. Где сегодня они нашли свое использование?

- В машинах с водородными и гибридными моторами. Их уже производят Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
- В ж/д транспорте. Первый поезд изготовила немецкая компания Alstom. И теперь он ходит между Букстехуде и Куксхафеном.
- В автобусах: в частности, в городских низкопольных машинах марки MAN.
- В самолетах. Впервые беспилотник на водороде был изготовлен концерном Boeing, на нем стоял водородный двигатель Ford.
- На водном транспорте. Siemens уже производит подлодки на водороде. А в такой стране, как Исландия, намерены перевести на водородное топливо все суда, которые занимаются рыбной ловлей.
- В так называемом вспомогательном транспорте. Водород нашел применение в электрокарах для гольфа, погрузчиках, которые работают на складах, а также в сервисных автомобилях аэропортов и логистических компаний;
- В энергетике. Электростанции, мощность которых составляет от 1 до 5 кВт, тоже функционируют на водороде. Они способны обеспечить энергией и теплом маленькие города и отдельные объекты. Скажем, когда в 2018 году произошла авария на Фукусиме, японцы стали более активно переходить на водородную энергетику. И теперь они вынашивают планы перевести на водород 1,4 млн. электрогенераторов.
- В смесях с обычным топливом также часто используется водород. В частности, с топливом газовым или дизельным. Это необходимо для того, чтобы производство обходилось дешевле.

В Великобритании поддерживают полный запрет бензиновые автомобили к 2040 году. Тогда же, как утверждает исследование Bloomberg New Energy Finance, на электрокары придется доля в размере 35 процентов от всей реализации автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover собираются довести количество электрокаров в своих линейках до 100 процентов. Некоторые из них тоже используют водород в качестве топлива.