Регистрация Войти
Вопрос

Почему газ вокруг автомобильного аккумулятора может воспламениться только от проводов для прикуривания?

Как указано в Инструкции по запуску разряженного аккумулятора: подключить чёрный провод к отрицательному полюсу аккумулятора или к заземлённому металлу?, чёрный кабель для запуска от внешнего источника подключается к кузову разряженного автомобиля, чтобы избежать искрения при подключении рядом с аккумулятором, который может быть окружён газообразным водородом. Как отмечает Пол в Почему при запуске от внешнего источника сначала нужно подключать красный/положительный провод?, это кажется крайне маловероятным, но ладно, безопасность превыше всего.



Тем не менее рекомендуется подключать чёрный провод к оголённому металлу на шасси или блоке двигателя. Блок двигателя в среднестатистическом автомобиле не такой уж и большой. Мне интересно, если аккумулятор окружён облаком водородного газа и я подключаю чёрную клемму где-то на противоположном конце блока двигателя, не воспламенится ли всё равно это облако газа? Действительно ли облако газа так плотно сосредоточено вокруг аккумулятора? А что будет, когда вам всё-таки удастся завести машину? Почему при запуске автомобиля не возникает риска воспламенения газового облака от различных источников тепла и искр?
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/29524/why-is-gas-around-a-car-battery-only-at-risk-of-ignition-from-jumper-cables
1
+ Читать

28 Комментариев

  1. Во-первых, положительный зажим подключают раньше отрицательного, чтобы в случае его соскальзывания вы заметили это до подключения отрицательного зажима. Если сначала подключить отрицательный зажим, а затем положительный, один из положительных зажимов-крокодилов может соскользнуть и соприкоснуться с шасси одного из автомобилей, что приведёт к короткому замыканию аккумулятора и возникновению сильного тока, который может вызвать возгорание. С современными зажимами в корпусе такой проблемы меньше.



    Во-вторых, самая важная причина, по которой минусовой провод пускового устройства подключают к блоку цилиндров неработающего автомобиля, заключается в том, что так обеспечивается лучшее соединение со стартером. Стартер соединён с блоком цилиндров через шасси, поэтому наиболее эффективный запуск происходит при подключении пускового устройства именно к этому месту. Подключение к клемме аккумулятора увеличивает длину пути от пускового устройства до стартера, поэтому его следует избегать, так как оно снижает эффективность запуска.



    С другой стороны, подключение минусового провода к блоку двигателя увеличивает сопротивление аккумулятора неработающего автомобиля, что позволяет избежать чрезмерного зарядного тока. Подключение минусового провода к аккумулятору неработающего автомобиля приведёт к увеличению зарядного тока (но, как объяснялось выше, к уменьшению пускового тока).

  1. Я не эксперт в этой области, но не думаю, что вокруг аккумулятора образуется «облако газа». Водород — самый лёгкий газ из всех (0,089 г/л), и в случае утечки он не будет скапливаться. Он будет просто подниматься, пока открыт капот, потому что он менее плотный, чем воздух, который в основном состоит из гораздо более тяжёлых азота (1,25 г/л) и кислорода (1,4285 г/л). Я предполагаю, что практика подключения заземления получателя к корпусу, а не к отрицательному полюсу аккумулятора, просто защищает от воспламенения из-за незначительной утечки тока в самом аккумуляторе.



    При запуске автомобиля не должно быть открытых источников искрового разряда. Генератор, свечи зажигания, провода свечей зажигания, распределитель и генератор не должны создавать открытый искровой разряд, если они в хорошем состоянии и в любом случае находятся достаточно далеко от аккумулятора. Даже если по какой-то причине двигатель, который вы запускаете с помощью пускового устройства, горячий, нагрева должно быть недостаточно. Водород самовоспламеняется в атмосфере при температуре ~500 °C, а температура под вытяжкой не должна подниматься выше ~100 °C
  1. Если на естественном пути от стартера к аккумулятору есть значительные сопротивления, то зачем вообще это делать таким образом? Я думаю, что это очень длинный металлический провод, поэтому сопротивление очень низкое. Фактическое сопротивление соединения будет зависеть от того, насколько хорошо зажим прилегает к клемме, а также от того, насколько сильно окислена и загрязнена клемма.
  1. @CortAmmon: Да, но вам всё равно нужно учитывать окружающую обстановку и, если говорить прямо, векторы побега :D
  1. @LightnessRacesinOrbit Следует также учитывать, что водород — настолько маленькая молекула, что он довольно быстро распространяется. Если ваш моторный отсек хоть как-то открыт (а в каждом автомобиле, который я видел, есть отверстие для циркуляции воздуха через радиатор), водород будет распространяться очень быстро.
  1. Я понял это благодаря «Разрушителям легенд» «Насколько сложно поджечь комнату, полную бензина?!»
  1. «Любой водород, выделяющийся из аккумулятора, будет стремиться подняться вверх». ... и, достигнув крышки, он уже не сможет подняться выше, поэтому начнёт накапливаться в определённом количестве...

  1. Дальше будет немного сложно для понимания, но даже если вы проспали все уроки химии, суть всё равно должна быть ясна.



    Когда водород опасен?



    Как и в случае с топливно-воздушной смесью в двигателе, водород горюч только в определённом диапазоне концентраций. Мы используем так называемые нижний предел воспламенения (НПВ) и верхний предел воспламенения (ВПВ) — концентрации газа (в воздухе), при которых происходит воспламенение. Для газообразного водорода нижний предел взрываемости составляет 4 %, а верхний — более 75 %. Это означает, что если концентрация газообразного водорода достигает 4 %, то он может воспламениться от искры. Для сравнения: естественная концентрация H2 в атмосфере составляет около 0,01 %.



    Как автомобильный аккумулятор вырабатывает газообразный водород?



    Автомобильный аккумулятор заполнен смесью из 36 % серной кислоты (SO4) и 64 % воды (H2O). При зарядке аккумулятора выделяется газообразный водород в результате процесса, называемого электролизом, при котором вода распадается на составляющие её водород (H) и кислород (O) под воздействием напряжения, превышающего напряжение равновесия при электролизе. Это напряжение составляет 1,227 В для воды. Нормальное напряжение одной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи составляет 2,1 В, а в автомобильном аккумуляторе их шесть, соединённых последовательно (6 x 2,1 = 12,6 В). Поскольку напряжение батареи выше напряжения разложения воды, почти всегда выделяется очень небольшое количество газа. Однако в худшем случае (при максимальном токе) выделяется больше всего водорода. Эта реакция также зависит от температуры, поэтому при более высоких температурах выделяется больше газа.



    Сколько водорода вырабатывается?



    Нас интересует реакция, в результате которой ионы водорода (H+) превращаются в газообразный водород (H2). Химики записали бы это так:




    2H+ + 2e- --> H2




    Это означает, что два иона водорода плюс два электрона образуют одну молекулу газообразного водорода. (Это также означает, что газ поступает с отрицательного электрода, но помните, что это происходит в пределах одной ячейки.)



    Опуская многие математические и химические детали, мы можем подсчитать, что при температуре 25 °C (77 °F) на каждый элемент приходится около 0,45 литра газообразного водорода на 1 Ач (ампер-час) перезаряда. Таким образом, при подаче 10 А на полностью заряженный стандартный 6-элементный аккумулятор в течение одного часа будет получено 0,45 л/Ач x 6 x 10 А x 1 ч = 27 л газообразного водорода при 25 °C. Чтобы это было опасно, концентрация должна составлять не менее 4 %, то есть общий объём воздуха + водорода должен быть не более 675 литров. Пуск двигателя обычно не занимает целый час и не предполагает перезарядку уже заряженного аккумулятора.



    Куда девается водород?



    Как известно любому, кто хоть раз слышал о катастрофе «Гинденбурга», водород легче воздуха и при этом горюч. Поскольку водород легче воздуха, любой водородный газ, выделяющийся из аккумулятора, будет стремиться подняться вверх.



    Итог



    При типичном расположении автомобильного аккумулятора под капотом большая часть водорода безвредно улетучивается в атмосферу, как только открывается капот, но при запуске двигателя от внешнего источника может выделяться больше водорода. Поэтому капот должен оставаться открытым, а также рекомендуется сначала подключать (и сначала отключать) минусовой провод как можно дальше от аккумулятора.



    Автомобильные конструкторы уже провели эти расчёты, и концентрация вредных веществ под капотом намного ниже 4 % даже в экстремальных ситуациях, связанных с неисправностью системы зарядки. Например, в таких стандартах, как IEEE 484, указано, что концентрация вредных веществ не должна превышать 2 %.
  1. Пределы взрывоопасной концентрации водорода в воздухе не дают полной картины, потому что, если аккумулятор выделяет много газа, он, скорее всего, близок к стехиометрической смеси водорода и кислорода, которая гораздо опаснее, чем низкая концентрация водорода в воздухе. Это объясняет, почему взрывы внутри аккумулятора такие мощные.
  1. @JDługosz между аккумулятором и корпусом проложен толстый провод, поэтому сопротивление составляет менее 0,1 Ом. Но когда стартер потребляет сотни ампер, это может иметь значение. При проектировании этот провод был рассчитан на «достаточное» сопротивление при заряженном аккумуляторе. Если аккумулятор разряжен, а провод окислился, завести машину будет проще, если подключить провод напрямую к блоку двигателя, а не к аккумулятору. Любая мелочь может помочь. mechanics.stackexchange.com/a/1424/11767согласен с. Я также видел, как кому-то удалось добиться большего успеха, подключив плюсовой провод напрямую к стартеру, но это неудобно и потенциально опасно
  1. @LightnessRacesinOrbit В обычном автомобиле объем улавливаемого газа будет довольно небольшим — менее 2 литров. Однако в некоторых автомобилях, таких как BMW 325 80-х годов или Porsche 911, аккумулятор находится в багажнике, который, скорее всего, будет хорошо герметизирован, в отличие от моторного отсека. Я полагаю, что в таких автомобилях теоретически может накапливаться водород в количестве, превышающем уровень взрываемости; однако для этого потребуется перезарядка или запуск от внешнего источника при закрытой крышке, что кажется маловероятным.
  1. @alephzero Это полностью объясняет возможность воспламенения вне аккумулятора, поскольку ограничивающим фактором будет количество водорода. В атмосфере уже содержится 20 % кислорода, поэтому небольшое количество кислорода, выделяющегося из аккумулятора (вдвое меньше, чем водорода), практически не оказывает влияния. Однако внутри аккумулятора соотношение почти точно соответствует стехиометрическому, так что ваше замечание вполне уместно.
  1. Это невероятный ответ, и мне бы хотелось поставить вам больше лайков. Большое спасибо!
  1. @Moab: Да, верно. Чем ниже уровень электролита, тем больше объём газа, образующегося внутри аккумулятора. Это одна из многих причин, по которым перед зарядкой необходимо долить электролит.
  1. «Настоящая опасность заключается во взрыве внутри аккумулятора». Я заменил несколько таких взорвавшихся аккумуляторов. Обычно при взрыве уровень электролита сильно падает.
  1. Во время движения опасность даже не возникает, потому что из-за поступательного движения автомобиля воздух будет обдувать аккумулятор, предотвращая скопление газообразного водорода. Наибольшая опасность возникает при попытке завести автомобиль с помощью внешнего зарядного устройства, но вероятность взрыва в открытом пространстве крайне мала. Реальная опасность заключается во взрыве внутри аккумулятора.
  1. Отличный ответ! Насколько я понимаю, количество энергии, вырабатываемой при запуске двигателя от внешнего источника, должно быть ничтожно малым, и единственная реальная опасность заключается в том, что регулятор напряжения генератора может перезаряжать аккумулятор во время движения.
  1. @Bas В некоторых конструкциях клеммы расположены сбоку. Однако при определенных обстоятельствах искры, возникающие при подключении соединительных кабелей, могут разлетаться довольно далеко.
  1. @MontyHarder Вы правы, с научной точки зрения это не имеет смысла. Однако я уверен, что найдутся люди, которые скажут, что «100 °C — это не половина от 500 °C». Я просто перефразирую, если это вас смущает.
  1. Утверждение «температура под капотом не должна превышать пятую часть от этой величины» не совсем верно. Температура кипения воды при стандартном давлении составляет 373,15 К, что почти в два раза меньше 773,15 К (или 500 °C). И только измерения, основанные на абсолютных значениях, имеют смысл для описания «пятой части» температуры.
  1. То есть, по сути, единственное место, где существует опасность (каким бы малым ни был риск), — это пространство над аккумулятором? Интересно. Интересно, почему они не расположили клеммы сбоку, а вентиляционное отверстие — сверху.
  1. Современный автомобильный аккумулятор в хорошем состоянии при нормальном использовании должен выделять мало газа или не выделять его вовсе. Но если вам нужно завести машину с помощью пускового устройства, это обычно означает, что аккумулятор полностью разряжен. И он будет потреблять зарядный ток от второго аккумулятора, который слишком велик для системы подавления газообразования в аккумуляторе, и/или срок его службы подошёл к концу, и химические реакции, подавляющие газообразование, больше не работают. Таким образом, запуск с помощью пускового устройства — это наихудший сценарий с точки зрения образования газов в аккумуляторе.
  1. @JPhi1618 ох, страшно. Сейчас вернусь, нужно проверить провода свечей зажигания.
  1. Готов поспорить, что может. Когда я был ребёнком, аккумулятор в машине моей мамы взорвался и погнул капот как раз в тот момент, когда она пыталась завести машину. Готов поспорить, что скопившийся газ воспламенился от чего-то, что вызвало искру при повороте ключа. Возможно, при движении машины поток воздуха слишком сильный, чтобы это произошло, но с неподвижной машиной такое точно случается.
  1. @JPhi1618 Это правда. Но мне было интересно, может ли водород из старого аккумулятора скопиться под закрытым капотом (при условии, что в нём нет отверстий) и воспламениться от старого и изношенного искрового провода во время медленной езды.
  1. Водород будет подниматься вертикально вверх и двигаться довольно быстро. У него просто нет возможности «пробраться» к блоку двигателя.
  1. При нормальном запуске двигателя под капотом не должно возникать искр. Другие источники тепла (например, выпускной коллектор) просто недостаточно нагреты. Температура искры составляет тысячи градусов.
  1. Он подвержен риску возгорания от любого источника.
Вы уже ответили на этот вопрос