BMW in vodik: motor z notranjim zgorevanjem

Projekti podjetja so se začeli pred 40 leti z vodikovo različico serije 5

BMW že dolgo verjame v električno mobilnost. Danes lahko Tesla velja za merilo na tem področju, a pred desetimi leti, ko je ameriško podjetje predstavilo koncept prilagojene aluminijaste platforme, ki je bila nato realizirana v obliki Tesle Model S, je BMW aktivno delal na Megacityju. Projekt vozila. 2013 se trži kot BMW i3. Avantgardni nemški avtomobil ne uporablja le aluminijaste nosilne strukture z vgrajenimi baterijami, temveč tudi karoserijo iz polimerov, ojačanih s karbonom. Vendar pa je Tesla nedvomno pred svojimi konkurenti izjemna metodologija, zlasti na področju razvoja baterij za električna vozila – od odnosov s proizvajalci litij-ionskih celic do gradnje ogromnih tovarn baterij, vključno s tistimi z neelektričnimi aplikacijami. mobilnost.

A vrnimo se k BMW-ju, saj za razliko od Tesle in številnih tekmecev nemško podjetje še vedno verjame v mobilnost vodika. Pred kratkim je ekipa, ki jo vodi podpredsednik podjetja za vodikove gorivne celice, dr. Jürgen Gouldner, predstavila gorivno celico I-Hydrogen Next, samovozni agregat, ki ga poganja nizkotemperaturna kemična reakcija. Ta trenutek zaznamuje 10. obletnico začetka BMW-jevega razvoja vozil na gorivne celice in 7. obletnico sodelovanja s Toyoto na področju gorivnih celic. Vendar se BMW zanaša na vodik že 40 let nazaj in je veliko bolj "vroča temperatura".

Gre za več kot četrt stoletja razvoja podjetja, v katerem vodik uporabljajo kot gorivo za motorje z notranjim zgorevanjem. Večji del tega obdobja je podjetje verjelo, da je motor z notranjim zgorevanjem na vodik bližje potrošniku kot gorivna celica. S približno 60-odstotnim izkoristkom in kombinacijo elektromotorja z več kot 90-odstotnim izkoristkom je motor na gorivne celice veliko bolj učinkovit kot motor z notranjim zgorevanjem na vodik. Kot bomo videli v naslednjih vrsticah, bodo današnji zmanjšani motorji z neposrednim vbrizgavanjem in turbinskim polnjenjem izredno primerni za dovajanje vodika – pod pogojem, da so nameščeni ustrezni sistemi za vbrizgavanje in nadzor zgorevanja. Čeprav so motorji z notranjim zgorevanjem na vodik običajno veliko cenejši od gorivnih celic v kombinaciji z litij-ionsko baterijo, niso več na dnevnem redu. Poleg tega problemi mobilnosti vodika v obeh primerih daleč presegajo okvire pogonskega sistema.

In vendar zakaj vodik?

Vodik je pomemben element človekovega prizadevanja za uporabo vedno več alternativnih virov energije, kot je most za shranjevanje energije sonca, vetra, vode in biomase, tako da jo pretvori v kemično energijo. Preprosto povedano, to pomeni, da električne energije, ki jo proizvajajo ti naravni viri, ni mogoče shraniti v velikih količinah, ampak jo lahko uporabimo za proizvodnjo vodika z razgradnjo vode v kisik in vodik.

Vodik je seveda mogoče pridobivati ​​tudi iz neobnovljivih virov ogljikovodikov, vendar je to že dolgo nesprejemljivo, ko gre za uporabo kot vir energije. Nesporno dejstvo je, da so tehnološki problemi proizvodnje, skladiščenja in transporta vodika rešljivi – v praksi se že sedaj proizvajajo ogromne količine tega plina, ki se uporablja kot surovina v kemični in petrokemični industriji. V teh primerih pa visoka cena vodika ni smrtonosna, saj se »stopi« ob visoki ceni izdelkov, v katerih je vpleten.

Nekoliko bolj zapleten pa je problem uporabe lahkega plina kot vira energije in v velikih količinah. Znanstveniki že dolgo zmajujejo z glavami v iskanju morebitne strateške alternative kurilnemu olju, povečanje električne mobilnosti in vodika pa je lahko v tesni simbiozi. V središču vsega tega je preprosto, a zelo pomembno dejstvo – pridobivanje in uporaba vodika se vrtita okoli naravnega cikla združevanja in razgradnje vode … Če človeštvo izboljša in razširi proizvodne metode z uporabo naravnih virov, kot so sončna energija, veter in voda, vodik lahko proizvajamo in uporabljamo v neomejenih količinah brez izpustov škodljivih emisij.
Proizvodnja

Trenutno se na svetu proizvede več kot 70 milijonov ton čistega vodika. Glavna surovina za njegovo proizvodnjo je zemeljski plin, ki se predela v postopku, znanem kot "reformiranje" (polovica celotne količine). Manjše količine vodika nastanejo v drugih postopkih, kot so elektroliza klorovih spojin, delna oksidacija težkega olja, uplinjanje premoga, piroliza premoga za pridobivanje koksa in reformiranje bencina. Približno polovica svetovne proizvodnje vodika se porabi za sintezo amoniaka (ki se uporablja kot surovina za proizvodnjo gnojil), za prečiščevanje olja in za sintezo metanola.

Te proizvodne sheme v različni meri obremenjujejo okolje in na žalost nobena od njih ne ponuja smiselne alternative trenutnemu energetskemu statusu quo – prvič, ker uporabljajo neobnovljive vire, in drugič, ker proizvodnja oddaja neželene snovi, kot je ogljikov dioksid. Najbolj obetavna metoda za pridobivanje vodika v prihodnosti ostaja že v osnovni šoli poznana razgradnja vode s pomočjo elektrike. Vendar je sklenitev cikla čiste energije trenutno mogoča le z uporabo naravne in predvsem sončne ter vetrne energije za pridobivanje električne energije, potrebne za razgradnjo vode. Po besedah ​​dr. Gouldnerja so sodobne tehnologije, »povezane« z vetrnimi in sončnimi sistemi, vključno z majhnimi vodikovimi postajami, kjer slednje proizvajajo na licu mesta, velik nov korak v tej smeri.
Mesto shranjevanja

Vodik lahko v velikih količinah shranimo tako v plinasti kot v tekoči fazi. Največji takšni rezervoarji, v katerih je vodik pod razmeroma nizkim tlakom, se imenujejo "plinomeri". Srednji in manjši rezervoarji so prilagojeni za shranjevanje vodika pri tlaku 30 barov, medtem ko najmanjši posebni rezervoarji (drage naprave iz posebnih kompozitov, ojačanih s posebnimi jekli ali ogljikovimi vlakni) vzdržujejo konstanten tlak 400 barov.
Vodik je mogoče shraniti tudi v tekoči fazi pri -253 °C na enoto prostornine, ki vsebuje 1,78-krat več energije kot pri shranjevanju pri 700 barih – da bi dosegli enako količino energije v utekočinjenem vodiku na enoto prostornine, je treba plin stisniti do 1250 barov. Zaradi višje energijske učinkovitosti ohlajenega vodika BMW pri svojih prvih sistemih sodeluje z nemško skupino za hlajenje Linde, ki je razvila najsodobnejše kriogene naprave za utekočinjenje in shranjevanje vodika. Znanstveniki ponujajo tudi druge, a trenutno manj uporabne alternative za shranjevanje vodika - na primer shranjevanje pod pritiskom v posebni kovinski moki, v obliki kovinskih hidridov in druge.

Mreže za prenos vodika že obstajajo na območjih z visoko koncentracijo kemičnih rastlin in rafinerij nafte. Na splošno je tehnika podobna tisti za prenos zemeljskega plina, vendar uporaba slednjega za potrebe vodika ni vedno mogoča. Toda tudi v prejšnjem stoletju so bile številne hiše v evropskih mestih osvetljene s plinovodnim lahkim plinom, ki vsebuje do 50% vodika in se uporablja kot gorivo za prve stacionarne motorje z notranjim zgorevanjem. Trenutna stopnja tehnologije že omogoča čezcelinski transport utekočinjenega vodika skozi obstoječe kriogene tankerje, podobne tistim, ki se uporabljajo za zemeljski plin.

BMW in motor z notranjim zgorevanjem

"Voda. Edini končni produkt čistih motorjev BMW, ki uporablja tekoči vodik namesto naftnega goriva in omogoča vsem, da uživajo v novih tehnologijah mirne vesti.”

Te besede so citat iz oglaševalske kampanje nemškega podjetja na začetku 745. stoletja. Morala bi promovirati precej eksotično XNUMX-urno vodikovo različico bavarskega proizvajalca avtomobilov. Eksotično, kajti po navedbah BMW bo prehod na alternative ogljikovodikovim gorivom, s katerimi se avtomobilska industrija hrani že od začetka, zahteval spremembo celotne industrijske infrastrukture. Takrat so Bavarci našli obetavno razvojno pot ne v široko oglaševanih gorivnih celicah, temveč v pretvorbi motorjev z notranjim zgorevanjem v delo z vodikom. BMW meni, da je obravnavana naknadna vgradnja rešljiva težava in že znatno napreduje pri ključnem izzivu zagotavljanja zanesljive zmogljivosti motorja in odprave nagnjenosti k bežnemu zgorevanju s čistim vodikom. Uspeh v tej smeri je posledica usposobljenosti na področju elektronskega nadzora motornih procesov in zmožnosti uporabe patentiranih BMW patentiranih sistemov za fleksibilno distribucijo plina Valvetronic in Vanos, brez katerih ni mogoče zagotoviti normalnega delovanja "vodikovih motorjev".

Vendar pa prvi koraki v tej smeri segajo v leto 1820, ko je oblikovalec William Cecil ustvaril motor na vodikovo gorivo, ki deluje na tako imenovanem "vakuumskem principu" - shemi, ki je popolnoma drugačna od tiste, ki so jo kasneje izumili z notranjim motorjem. goreče. Pri svojem prvem razvoju motorjev z notranjim zgorevanjem 60 let pozneje je pionir Otto uporabil že omenjeni in iz premoga pridobljen sintetični plin s približno 50-odstotno vsebnostjo vodika. Z izumom uplinjača pa je uporaba bencina postala veliko bolj praktična in varna, tekoče gorivo pa je nadomestilo vse druge alternative, ki so obstajale do sedaj. Lastnosti vodika kot goriva je mnogo let kasneje odkrila vesoljska industrija, ki je hitro odkrila, da ima vodik najboljše razmerje med energijo in maso med vsemi gorivi, ki jih pozna človeštvo.

Julija 1998 se je Evropsko združenje avtomobilske industrije (ACEA) zavezalo, da bo do leta 2 zmanjšalo emisije CO140 za novo registrirana vozila v Uniji na povprečno 2008 gramov na kilometer. V praksi to pomeni 25-odstotno zmanjšanje emisij v primerjavi z letom 1995 in je enakovredno povprečni porabi goriva v novi floti približno 6,0 l / 100 km. To nalogo avtomobilskim podjetjem izjemno otežuje, po mnenju strokovnjakov BMW pa jo je mogoče rešiti bodisi z uporabo nizkoogljičnih goriv bodisi s popolnim odstranjevanjem ogljika iz sestave goriv. Po tej teoriji se na avtomobilski sceni vodik v vsem svojem sijaju pojavlja.
Bavarsko podjetje postane prvi proizvajalec avtomobilov, ki je začel serijsko proizvajati vozila na vodikov pogon. Resnične in samozavestne trditve upravnega odbora BMW Burkharda Göschela, člana uprave BMW, odgovornega za novo dogajanje, da bo "podjetje prodajalo avtomobile z vodikom, še preden poteče serija 7", se res uresničijo. S Hydrogen 7 je bila leta 2006 predstavljena različica sedme serije, ki ima 12-valjni motor s 260 KM. to sporočilo postane resničnost.

Namen se zdi precej ambiciozen, vendar z dobrim razlogom. BMW eksperimentira z motorji z notranjim zgorevanjem od leta 1978, s serijo 5 (E12) je bila 1984-urna različica E 745 predstavljena leta 23 in 11. maja 2000 je pokazala edinstvene zmogljivosti te alternative. Impresivna flota s 15 KM. E 750 "tedna" z 38-valjnimi vodikovimi motorji je pretekel 12 km maratona, s čimer je poudaril uspeh podjetja in obljubo nove tehnologije. V letih 170 in 000 so se nekatera od teh vozil še naprej udeleževala različnih demonstracij za promocijo vodikove ideje. Nato prihaja nov razvoj, ki temelji na naslednji seriji 2001, z modernim 2002-litrskim motorjem V-7 z največjo hitrostjo 4,4 km / h, čemur sledi najnovejši razvoj z 212-valjnim motorjem V-12.

Po uradnem mnenju podjetja so razlogi, zakaj se je BMW nato odločil za to tehnologijo nad gorivnimi celicami, tako komercialni kot psihološki. Prvič, ta metoda bo zahtevala bistveno manj naložb v primeru sprememb industrijske infrastrukture. Drugič, ker so ljudje vajeni dobrega starega motorja z notranjim zgorevanjem, ga imajo radi in se bodo od njega težko ločili. In tretjič, ker se hkrati ta tehnologija razvija hitreje kot tehnologija gorivnih celic.

V avtomobilih BMW je vodik shranjen v preveč izolirani kriogeni posodi, kot je visokotehnološka termo steklenica, ki jo je razvila nemška skupina za hlajenje Linde. Pri nizkih temperaturah skladiščenja je gorivo v tekoči fazi in vstopa v motor kot običajno gorivo.

Snovalci münchenskega podjetja uporabljajo vbrizg goriva v sesalnih kolektorjih, kakovost mešanice pa je odvisna od načina delovanja motorja. V načinu delne obremenitve motor deluje na revnih mešanicah, podobno kot pri dizlu – spremeni se le količina vbrizganega goriva. Gre za tako imenovano “kontrolo kakovosti” mešanice, pri kateri motor deluje s presežkom zraka, vendar je zaradi nizke obremenitve nastajanje dušikovih emisij minimizirano. Ko je potrebna znatna moč, motor začne delovati kot bencinski motor, pri čemer se premakne na tako imenovano "kvantitativno regulacijo" mešanice in na običajne (ne puste) mešanice. Te spremembe so možne po eni strani zaradi hitrosti elektronskega krmiljenja procesov v motorju, po drugi strani pa zaradi prilagodljivega delovanja krmilnih sistemov za distribucijo plina - "dvojni" Vanos, ki delujeta v povezavi s sistemom za nadzor sesanja Valvetronic brez plina. Upoštevati je treba, da je po besedah ​​inženirjev BMW delovna shema tega razvoja le vmesna stopnja v razvoju tehnologije in da bodo morali motorji v prihodnosti preiti na neposredni vbrizg vodika v valje in turbopolnilnik. Pričakuje se, da bo uporaba teh metod vodila do izboljšanja dinamične zmogljivosti avtomobila v primerjavi s podobnim bencinskim motorjem in do povečanja skupne učinkovitosti motorja z notranjim zgorevanjem za več kot 50 %.

Zanimiv razvojni podatek je, da konstruktorji v Münchnu z najnovejšim razvojem motorjev z notranjim zgorevanjem na "vodik" vstopajo na področje gorivnih celic. Takšne naprave uporabljajo za napajanje vgrajenega električnega omrežja v avtomobilih, s čimer popolnoma odpravijo običajni akumulator. Zahvaljujoč temu koraku so možni dodatni prihranki pri gorivu, saj motorju na vodik ni treba poganjati alternatorja, vgrajeni električni sistem pa postane popolnoma avtonomen in neodvisen od pogonske poti – lahko proizvaja elektriko tudi, ko motor ne teče, proizvodnjo in porabo energije pa je mogoče popolnoma optimizirati. Dejstvo, da je zdaj mogoče proizvesti toliko električne energije, kot je potrebno za napajanje vodne črpalke, oljnih črpalk, ojačevalnika zavor in sistemov ožičenja, pomeni tudi dodatne prihranke. Vendar pa vzporedno z vsemi temi novostmi sistem za vbrizgavanje goriva (bencin) praktično ni bil deležen dragih konstrukcijskih sprememb.

MAN je za promocijo vodikovih tehnologij junija 2002 BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel ustvaril partnerski program CleanEnergy, ki je svojo dejavnost začel z razvojem bencinskih črpalk za utekočinjen naftni plin. in stisnjen vodik. V njih se del vodika proizvede na kraju samem s pomočjo sončne električne energije, nato pa se stisne, velike utekočinjene količine pa prihajajo iz posebnih proizvodnih postaj, vse pare iz tekoče faze pa se samodejno prenesejo v rezervoar za plin.
BMW je sprožil številne druge skupne projekte, tudi z naftnimi podjetji, med katerimi so najbolj aktivni Aral, BP, Shell in Total.
Zakaj pa BMW opusti te tehnološke rešitve in se še vedno osredotoča na gorivne celice, vam bomo povedali v drugem članku te serije.

Vodik v motorjih z notranjim zgorevanjem

Zanimiv je podatek, da je vodik zaradi fizikalnih in kemijskih lastnosti veliko bolj vnetljiv kot bencin. V praksi to pomeni, da je za sprožitev zgorevalnega procesa v vodiku potrebna veliko manj začetne energije. Po drugi strani pa vodikovi motorji zlahka uporabljajo zelo "slabe" mešanice - nekaj, kar sodobni bencinski motorji dosegajo s kompleksnimi in dragimi tehnologijami.

Toplota med delci vodikovo-zračne zmesi se manj odvaja, hkrati pa je temperatura samovžiga veliko višja, prav tako hitrost zgorevalnih procesov v primerjavi z bencinom. Vodik ima nizko gostoto in močno difuznost (možnost vstopa delcev v drug plin - v tem primeru v zrak).

Prav nizka aktivacijska energija, potrebna za samovžig, je eden največjih izzivov pri nadzoru zgorevanja v vodikovih motorjih, saj se lahko mešanica zlahka spontano vname zaradi stika z bolj vročimi predeli v zgorevalni komori in upora po verigi popolnoma nenadzorovanih procesov. Izogibanje temu tveganju je eden največjih izzivov pri zasnovi vodikovega motorja, vendar ni lahko odpraviti posledic dejstva, da se močno razpršena zgorevalna zmes giblje zelo blizu sten jeklenk in lahko prodre v izjemno ozke reže. na primer vzdolž zaprtih ventilov ... Vse to je treba upoštevati pri načrtovanju teh motorjev.

Visoka temperatura samovžiga in visoko oktansko število (približno 130) omogočata povečanje kompresijskega razmerja motorja in s tem njegove učinkovitosti, vendar spet obstaja nevarnost samozagorevanja vodika ob stiku z bolj vročim delom. v valju. Prednost visoke difuzijske zmogljivosti vodika je v možnosti enostavnega mešanja z zrakom, kar v primeru okvare rezervoarja zagotavlja hitro in varno razpršitev goriva.

Idealna zmes zraka in vodika za zgorevanje ima razmerje približno 34:1 (pri bencinu je to razmerje 14,7:1). To pomeni, da je pri kombiniranju enake mase vodika in bencina v prvem primeru potrebno več kot dvakrat več zraka. Hkrati mešanica vodika in zraka zavzame bistveno več prostora, kar pojasnjuje, zakaj imajo motorji na vodik manjšo moč. Povsem digitalna ponazoritev razmerij in volumnov je precej zgovorna - gostota vodika, pripravljenega za zgorevanje, je 56-krat manjša od gostote bencinskih hlapov ... Vendar je treba opozoriti, da na splošno vodikovi motorji lahko delujejo na zračnih mešanicah. . vodik v razmerjih do 180:1 (torej z zelo "slabimi" mešanicami), kar posledično pomeni, da lahko motor deluje brez plina in uporablja princip dizelskih motorjev. Omeniti velja še, da vodik nedvomno prednjači v primerjavi med vodikom in bencinom kot množičnim energentom - kilogram vodika ima skoraj trikrat več energije na kilogram bencina.

Tako kot pri bencinskih motorjih lahko utekočinjeni vodik vbrizgavamo neposredno pred ventile v kolektorjih, najboljša rešitev pa je vbrizg neposredno med kompresijskim taktom – v tem primeru lahko moč za 25 % preseže moč primerljivega bencinskega motorja. To je zato, ker gorivo (vodik) ne izpodriva zraka kot pri bencinskih ali dizelskih motorjih, kar omogoča, da se zgorevalna komora napolni samo z (bistveno več kot običajno) zrakom. Poleg tega za razliko od bencinskih motorjev vodik ne potrebuje strukturnega vrtinčenja, saj vodik brez tega ukrepa precej dobro difundira z zrakom. Zaradi različnih stopenj gorenja v različnih delih cilindra je bolje namestiti dve svečki, pri vodikovih motorjih pa uporaba platinastih elektrod ni primerna, saj platina postane katalizator, ki vodi do oksidacije goriva tudi pri nizkih temperaturah. .

Mazdina možnost

Svojo različico vodikovega motorja v obliki rotacijskega bloka v športnem avtomobilu RX-8 razkazuje tudi japonsko podjetje Mazda. To ni presenetljivo, saj so konstrukcijske značilnosti Wanklovega motorja izjemno primerne za uporabo vodika kot goriva.
Plin je pod visokim tlakom shranjen v posebni posodi in gorivo se vbrizga neposredno v zgorevalne komore. Ker so pri rotacijskih motorjih območja, v katerih poteka vbrizgavanje in zgorevanje, ločeni, temperatura v sesalnem delu pa nižja, se težava z možnostjo nenadzorovanega vžiga bistveno zmanjša. Motor Wankel ponuja tudi dovolj prostora za dva vbrizgalnika, kar je ključnega pomena za vbrizganje optimalne količine vodika.

H2R

H2R je delujoč superšportni prototip, ki so ga izdelali inženirji BMW in ga poganja 12-valjni motor, ki doseže največjo moč 285 KM. pri delu z vodikom. Po njihovi zaslugi poskusni model pospeši od 0 do 100 km / h v šestih sekundah in doseže najvišjo hitrost 300 km / h.Motor H2R temelji na standardnem vrhu, ki se uporablja v bencinskem 760i, za razvoj pa je trajalo le deset mesecev. .

Da bi preprečili spontano zgorevanje, so bavarski strokovnjaki razvili posebno strategijo za cikle pretoka in vbrizgavanja v zgorevalno komoro z uporabo možnosti, ki jih ponuja sistem spremenljivega krmiljenja ventilov motorja. Preden zmes vstopi v jeklenke, se slednji ohladijo z zrakom, vžig pa se izvede le v zgornjem mrtvem središču - zaradi visoke stopnje zgorevanja z vodikovim gorivom napredek vžiga ni potreben.