Водородный двигатель 4JM

В поиске новых, более дешёвых источников энергии передвижения человеческая мысль пришла к идее использования водорода в качестве топлива для заправки колёсных средств передвижения. Несмотря на то, что идея не нова (первый водородный двигатель внутреннего сгорания создан в 1806 году французом Франсуа Де Ривасом), к промышленному использованию самого лёгкого газа в топливных элементах, двс и газотурбинных двигателях инженеры пришли только вначале нового, XXI века.

Как работает водородный двигатель

Главной причиной поиска нового источника энергии для автомобильных двигателей стала острая необходимость сокращения вредных выбросов. Современные технологии очистки отработанного топлива позволяют сократить объёмы выбросов до сотен граммов на километр пути. Но ситуация усугубляется неконтролируемым ростом числа автомашин на дорогах: разбухающий автомобильный поток нивелирует качество современных технологий удаления кислородно-углеродной смеси.

Наиболее перспективным направлением развития водородной технологии является применение топливных элементов. Они способны производить электроэнергию, располагаясь непосредственно на борту транспортного средства. В числе прочих разработкой гибридного водородного двигателя занимаются инженеры японской автомобильной корпорации Toyota Motor Corporation. В 2014 году под этой появился первый в мире серийный автомобиль на водороде – Mirai (в переводе с японского – «будущее»).

Силовая установка Toyota Mirai – гибридная, включает три составные части:

• батарея топливных элементов TFCS;
• водородные баллоны высокого давления;
• повышающий преобразователь.

Батарея способна производить 114 кВт мощности, что по DIN эквивалентно 155 л.с. Удельная мощность батареи TFCS (3,1 кВт/л) более, чем в 2 раза выше первого варианта, разработанного инженерами Toyota – FCHV-advantage.

4JM – лучший в мире водородный мотор

Следует отметить, что химическая реакция по выработке электрической энергии происходит без горения, повышая, тем самым экологичность и без того абсолютно «чистого» электромотора. Преобразование энергии в двигателе 4JM осуществляется с КПД 83 %. На двигатель установлена вторичная никель-кадмиевая батарея в виде аккумулятора мощностью 21 кВт.

4JM представляет собой синхронный электродвигатель переменного тока. При рекуперативном торможении аккумулятор сохраняет возвращаемую в сеть электроэнергию, которая вырабатывается тяговым двигателем в режиме генератора.

С помощью преобразователя полученное на элементах напряжение повышается до показателя 650 В. Это нужно для того, чтобы уменьшить геометрические параметры электромотора и число топливных элементов, компактно уместить составные части системы внутри автомобиля. Постоянный ток в переменный преобразуется с помощью инвертора. В процессе заправки закачка водорода в бак производится через фильтрационную угольную систему. При движении через воздухозаборники в батарею попадает воздух из атмосферы.

Начинается химическая реакция с водородом, результатом которой является получение электрической энергии. При нажатии на акселератор осуществляется её подача от батареи к мотору. Знатоки химии сразу определят, что единственным побочным продуктом в данной цепочке является образующаяся в результате химической реакции вода. Её отвод осуществляется через выхлопную трубу.

Расположение батареи и водородных баллонов высокого давления по центру машины вкупе с оптимальными настройками электромотора обеспечивают оптимальное управление показателями мощности. Результатом этого является восприимчивость машины к действиям водителя на любой скорости, повышение крутящего момента и обеспечение плавного разгона. В обратном порядке происходит процедура торможения.

Геометрия машины спроектирована таким образом, чтобы обеспечить максимально низкий центр тяжести, оптимальную развесовку передней и задней частей кузова и общую максимальную жёсткость конструкции.

Количество водородных ёмкостей – 2 (60 и 62,4 л, соответственно). Газ хранится в них под давлением 70 МПа. Максимальная масса водорода, закачиваемого в ёмкости в течение 3 минут, составляет 5 кг. Это позволяет на одной заправке проехать до 650 километров, развивая максимальную скорость 175 км/ч.

Всё ли так безоблачно в водородной технологии

Срок службы одной топливной ячейки, работающей на водороде, составляет до 10 лет. В работе двигателя отсутствуют характерные для двс шумы и вибрация. Моторы абсолютно чисты с экологической точки зрения. Тем не менее, критика исследований в области транспорта на водородном топливе обширна. Апологеты традиционных источников энергии для колёсных автомашин и разработчики обычных электродвигателей «задвигают» водород, указывая на ряд трудноразрешимых вопросов в области инфраструктуры и технологии.

Критики водородного транспорта указывают на отсутствие стандартов в области производства, хранения, перемещения и использования водорода. Значительный объём топливных баков для дальних поездок сокращает вместимость салона и багажника. Есть чисто технологические факторы, связанные с опасностью неправильного обращения с оборудованием для хранения и закачки водорода. Он чрезвычайно летуч: малейший зазор в конструкции баков и систем подачи водорода к месту химической реакции может привести замкнутому наполнению салона автомашины и воспламенению.

Словом, проблем, которые предстоит решить на пути к безопасному и экономичному массовому применению водорода для заправки автомобильного транспорта, достаточно. Главный вопрос в том, готовы ли владельцы автокорпораций вкладывать значительные средства в развитие новой инфраструктуры, дальнейшие теоретические исследования и практические разработки. Ведь на сегодня дозаправка автомашин в пути (то есть, без посещения специальных заправочных станций) невозможна.

Деньги – основа всего

Главным «минусом» считается сложность процесса производства столь огромного количества водорода, которое понадобится при массовом переводе машин на новое топливо. Дорого на сегодняшний день получать водород, как из природного газа, так и методом электролиза. Таким образом, стоимость пробега на машине с водородным двигателем значительно дороже, нежели на бензине или солярке.

На данный момент, заправляя 120 литров водорода в пару баков высокого давления, владельцы авто должны выложить 960 евро. Это очень дорого, в сравнении с бензином или дизельным топливом. Позволить себе приобрести такой автомобиль и постоянно передвигаться на нём, наматывая немалые «концы», может позволить не каждый средний житель развитых стран Европы, Азии или Америки. Пока Toyota Mirai представляет собой дорогой экземпляр для автомобильной коллекции, либо средство передвижения для толстосумов, не привыкших считать деньги.

Частичным решением вопроса мог бы стать гибридный двигатель, в котором вторым топливом является традиционный бензин или солярка. Для проведения такого тюнинга вручную, нужно осуществить установку пусковой батареи, БСУ, водородных и кислородных баллонов. Электротехническая часть тюнинга:

• электрохимический генератор (ЭХГ);
• электродвигатель;
• пусковая батарея.

Сырьём для получения водорода является питьевая вода, слитая в ёмкость для электролиза. Источником энергии является генератор. Газ вырабатывается в небольшом количестве, затем направляется во впускной коллектор двс. Там происходит смешивание водорода с бензином и последующее сгорание. Однако, расход энергии на получение водорода в пути, и его количество не позволяют говорить об экономичности подобных установок.

Невзирая на то, что машины с гибридными установками на водородном топливе и электромоторах ближе всего по конструкции, философии использования и технологии к обычным электромобилям, апологеты последних являются главными критиками нового источника энергии. Видимо, в будущем затраты на решение всех вопросов будут ничтожными по сравнению с доходами от продаж автомашин на водороде. Если, конечно, удастся преодолеть все препятствия.

Серийный водородный седан Toyota Mirai

К электрокарам люди уже привыкли, хоть и обращают на них внимание, но Тойота еще в 2014 показала и запустила продажи водородного автомобиля Toyota Mirai. Это не концепт, модель реально продается на рынке Японии за 57 500 долларов. Покупателей много, даже после презентации компания не ожидала такого количества заказов.

Сегодня расскажем вам полностью про этот автомобиль, изучим технологии, примененные японцами и поймем как с ним жить.

Содержание:

Футуризм и технологичность дизайна

Всем электокарам и гидрам делают инновационную внешность, наверное, чтобы подчеркнуть необычные технологии. Здесь традиция сохранилась, пропустить седан в потоке невозможно. Как минимум машина привлечет агрессивностью.

Агрессию спереди создает узкая оптика с 4 светодиодными блоками ближнего и дальнего света. Фары соединены тонкой охлаждающей решеткой. Выше сильно приподнятый капот – первая выделяющая часть, которую хорошо заметно сбоку.

По бамперу кажется, что здесь турбированный V8 из-за огромных воздухозаборников, охлаждающих радиатор и подающих воздух технике для обеспечения тяги (об этом в технических характеристиках). Края воздухозаборника Mirai оснастили вертикальными светодиодными фонарями ДХО, они же поворотники.

Сбоку видно стильный переход черной вставкой от фонаря к оконной раме, полностью состоящей из такого материала. Из него же выполнили заднюю стойку – стиль парящей крыши. Линии кузова тоже странные, спереди углубление с переходом в верхнюю классическую полосу, сзади большое расширение, соединенное с линией порога.

Сзади уникальность остается, обычно фонари делают похожими на передние, здесь решили сделать похожими на огромные воздухозаборники. Выше проходит светодиодная линия, посередине разделенная логотипом автомобиля будущего. Бампер Toyota Mirai ниже углубляется к треугольному светоотражателю. Выхлопных труб естественно нет, даже для дизайна.

Габариты седана:

• длина – 4890 мм;
• ширина – 1815 мм;
• высота – 1535 мм;
• колесная база – 2780 мм;
• клиренс – 130 мм.

По цвету покупателю также доступен неплохой выбор:

• белый (White Pearl);
• черный (Precious Black Pearl);
• серебристый (Precious Silver);
• голубой (Pure Blue);
• темно-синий (Dark Blue Mica);
• красный (Dark Red Mica).

Салон Мираи

Внутри инновационный образ остается, архитектура Тойоты осталась, многим владельцам знаком стиль, но внесено немало нового. Материалы прекрасного качества – кожа на сиденьях, мягкий пластик и хорошая ткань. Премиум здесь не нужен, смысл автомобиля все-таки в экономии.

Спереди прекрасные анатомические сиденья с легкой боковой поддержкой, системой подогрева и 8-диапазонной электрической регулировкой. Сзади два посадочных места, разделенные высоким подлокотником, на котором кнопки включения заднего подогрева сидений.

X-образный стиль панели торпедо Тойоты Мирай притягивает взгляд, особенно необычно смотрится с двухцветной обшивкой салона. Наверху торпедо приподнятая панель с расположенным посередине 4,2-дюймовым дисплеем со спидометром и информацией о режиме КПП – панель приборов по сути. Ниже из полосы «икса» выходит оттопыренный от панели 9-дюймовый дисплей мультимедийно системы с навигацией и системой управления голосом.

Панель перехода в тоннель из глянцевого черного пластика вся состоит из сенсорных кнопок. Привлекает внимание еще большой монитор, который покажет, как вы настроили 2-зонный климат-контроль. Наверху панели маленький джойстик фальш коробки передач, справа от которого кнопки выбора режима – Eco mode и Power mode. Рядом кнопка отключения системы стабилизации.

Перед водителем Toyota Mirai только удобный Тойотовский 3-спицевый мульти-руль. У него есть подогрев, кнопок хватает для управления основным и не только функционалом. Круиз-контроль правда регулируется рычагом – некоторым неудобно.

Багажник 361-литровый и задние кресла откинуть невозможно.

Технические характеристики водородной установки

Тип	Объем	Мощность	Крутящий момент	Разгон	Максимальная скорость	Количество цилиндров
Водород	0.0 л	154 л.с.	335 H*m	9,6 сек.	178 км/ч	0

Автомобиль приводится в движения за счет системы Toyota Fuel Cell System (TFCS), соединяющей в себе топливные ячейки, электрический двигатель, водородные баллоны и преобразователь энергии.

Toyota FC Stack

По сути это электрический двигатель, отличающийся способом добычи энергии. Здесь два водородных бака, топливо которых смешивается с воздухом, поступившим из огромных передних воздухозаборников в блоке Toyota FC Stack. Взаимодействие водорода и воздуха приводит к получению постоянного электрического тока и воды, которая скапливается в отдельной емкости. Воду нужно периодически сливать, один из автообзорщиков Mirai рискнул даже выпить ее.

Водород хранится в двух углепластиковых баках (60 литров и 62,4 литра) под давлением 70МПа. Основную мощность отдает передний, а в спортивном стиле езды подключается питание заднего бака и аккумулятора.

Полученная энергия распределяется по двум никель-металлгидридным (NiMH) батареям с трехмерной решетчатой структурой каналов, равномерно распределяющей энергию. Также японцы придумали способ отказала от драгоценных металлов – минимум платины в катализаторе и отсутствие золотого покрытия.

Отдача мощности

Затем энергия перерабатывается через 13-литровый преобразователь FC Boost Converter, который преобразует постоянный ток в переменный, увеличивая напряжение до 650 вольт. После этого под педалью и появляется вся мощность.

Электродвигатель Toyota Mirai выдает 154 лошадиные силы и 335 H*m крутящего момента, мощность доступна во всем диапазоне. КПП нет, все напрямую связано с мотором, рычагом в салоне вы просто выбираете режим.

В режиме Power mode седан разгоняется до 100 км/ч за 9,6 секунды, а максимальная скорость равна 178 км/ч. Запаса хода аккумуляторов хватает на 600 километров, а заправка более быстрая, чем у электрокаров. Этому способствует также систему рекуперации энергии от торможения в задний 21-киловольтный аккумулятор.

Модель имеет внешнюю систему питания, мощность 9 кВт (Power take off System). Через разъем CHAdeMO в багажнике можно подключить бытовые приборы и оснащать электрическом дом. Удобно при отключении электричества и во время путешествий.

Подвеска седана состоит из независимых стоек Макферсона спереди и полунезависимой торсионной балке сзади. Комфорт приемлемый, все-таки Тойота Мирай не премиум класса. За остановку отвечает дисковая тормозная система, вентилируемая спереди.

Заправка

Заправочные станции расположены в Японии, Великобритании и активно строятся в Германии, мероприятие спонсируется Toyota, Volkswagen, Daimler, BMW и Honda. Похоже компании имеют планы на использование подобной технологии.

Станции решили делать в едином стандарте, чтобы другим производителям не пришлось организовывать свои заправки и облегчить жизнь покупателям будущих водородных автомобилей других компаний.

Полная заправка баков занимает 3-4 минуты, а по цене выходит 45 евро. Получается 100 километров стоит 7,5 евро. В Германии 10 литров бензина обойдется в 13 евро, так что разницы в денежном расходе практически нет.

Необходимая безопасность Toyota Mirai

Водород – опасное вещество, думаю многие слышали про водородные бомбы. Японцы прекрасно это поминают, поэтому Тойота использовала весь свой опыт, накопленный с 90-х годов. Да, японцы уже тогда искали альтернативное топливо.

Во-первых, баллоны выполнены из карбона – прочного материала, у которого меньше шансов деформироваться при ДТП. Во-вторых, проработана структура кузова, добавлены усиления в нужных местах, найденные на основе краш-тестов. В случае утечки водорода, датчики блокируют клапаны, чтобы он не шел дальше через шланги. Шланги в свою очередь находятся за салоном, поэтому топливо быстро растворяется в воздухе, а его там немного из-за перекрытия клапанов баллонов.

Вся система защищается недавно разработанным термопластичным армированным углеродным пластиком, из которого создан поглощающий удары каркас.

В дополнение Mirai оснащается системами:

• экстренного торможения при фронтальном столкновении;
• контроля полосы разметки;
• анализа слепых зон;
• 9 подушек безопасности;
• парктрониками;
• Hill Start Assist;
• EBD;
• ABS;
• VSC;
• TRC.

Цена и гарантия

Базовый ценник водородного автомобиля начинается с 57 500 долларов, а в Великобритании он стоит значительно дороже – 78 540 евро. Покупатель получает круглосуточную консультацию по вопросам топливной системы, круглосуточную помощь на дорогах (буксировка и т.п.), 3 года бесплатного обслуживания, заправки на определенных станциях и 8 лет гарантии.

Три года бесплатной заправки, это конечно очень привлекательно, особенно на фоне отсутствия разницы в цене заправки с бензиновым двигателем. Вообще автомобиль очень интересный, правда жить с Toyota Mirai сложновато из-за малого количества заправок, но в будущем все изменится.

От электрокара отличий тут по сути нет, водород просто значительно увеличивает скорость заправки, что ухудшает дешевизну эксплуатации. Надеемся в будущем технология будет развиваться, и мы получим очищение окружающей среды.

Видео

Основной автор сайта и основатель нескольких автомобильных интернет-проектов