Американские инженеры разработали новый водородный двигатель внутреннего сгорания, предназначенный в первую очередь для коммерческого транспорта. По характеристикам крутящего момента и мощности он должен конкурировать с традиционными дизельными агрегатами, но при этом обеспечивать практически нулевые выбросы углекислого газа непосредственно из выхлопной трубы.
Разработкой занимался Southwest Research Institute (SwRI). Проект длился около двух лет и реализовывался совместно с неназванным коммерческим заказчиком и крупными поставщиками автомобильных компонентов. Готовый многоцилиндровый двигатель можно устанавливать на шасси грузовиков среднего класса.
В отличие от водородных автомобилей на топливных элементах, где водород используется для выработки электроэнергии, новая силовая установка работает по хорошо знакомому принципу ДВС. Топливо подается непосредственно в двигатель, сгорает в цилиндрах и приводит в движение поршни.
Просто залить водород вместо дизельного топлива не получится
Основой для новой установки послужила конструкция с камерой сгорания типа «pent-roof», которая ранее использовалась в бензиновых двигателях. Однако для работы на водороде инженерам пришлось существенно её доработать.
Первые испытания проводились на одноцилиндровой установке. Специалисты экспериментировали со способами впрыска топлива и процессом сгорания, после чего приступили к созданию полноценного многоцилиндрового двигателя.
Одной из главных проблем стали физические свойства водорода. Он отличается другой скоростью горения и предъявляет значительно более высокие требования к контролю воспламенения смеси. Разработчикам пришлось решать, в частности, проблемы преждевременного воспламенения и нестабильного сгорания.
Для этого SwRI изменил геометрию впускных каналов, увеличил размер впускного клапана и установил специально разработанные для водорода форсунки. Двигатель также получил турбонаддув. По словам разработчиков, именно такая конфигурация позволяет получить характеристику крутящего момента, близкую к дизельным агрегатам — это особенно важно для грузовиков, которым требуется большая тяга на невысоких оборотах.
Специально для силовой установки SwRI разработала и откалибровала собственную систему управления двигателем, которая контролирует процесс впрыска и сгорания водорода.
Дизельный двигатель можно заменить без перехода на электродвигатель
Главное преимущество такого подхода заключается в том, что производителям не нужно полностью отказываться от технологий, которые десятилетиями используются в автомобильной промышленности. По своей механической архитектуре водородный ДВС значительно ближе к бензиновым и дизельным двигателям, чем силовая установка на топливных элементах.
SwRI уже имеет опыт работы с подобными системами. Ранее институт создал демонстрационный тяжёлый грузовик класса 8, для которого двигатель, работающий на природном газе, был переоборудован на водород. Позже установку модернизировали, установив новую турбину, чтобы приблизить её характеристики к современным дизельным двигателям для дальнобойных грузовиков.
В то же время называть водородный ДВС абсолютно беземиссионным было бы неправильно. В самом водороде нет углерода, поэтому при его сгорании практически не образуется CO₂. Однако при высоких температурах в двигателе могут образовываться оксиды азота — NOx. Министерство энергетики США отмечает, что их количество можно уменьшить путем настройки процесса сгорания и с помощью систем очистки выхлопных газов.
Кроме того, реальный экологический эффект будет зависеть от того, каким образом именно производится водород. Его можно получать как из ископаемого топлива, так и путем электролиза воды, поэтому выбросы на протяжении всего жизненного цикла топлива могут существенно различаться.
Таким образом, разработка SwRI пока не означает скорого исчезновения дизельных грузовиков. Однако она демонстрирует ещё один возможный путь декарбонизации коммерческого транспорта: сохранить привычную конструкцию двигателя внутреннего сгорания, но заменить углеводородное топливо водородом.
