Testna vožnja BMW in vodik: drugi del

"Voda. Edini končni produkt čistih motorjev BMW je uporaba tekočega vodika namesto naftnih goriv in vsem omogoča uživanje novih tehnologij z mirno vestjo."

BMW način

Te besede so citat iz oglaševalske kampanje nemškega podjetja pred nekaj leti. Dolgo časa nihče ni postavljal pod vprašaj dejstva, da Bavarci zelo dobro vedo, kaj delajo na področju motorne tehnologije in so na tem področju eni nespornih svetovnih voditeljev. Prav tako si ne bi mislili, da bi podjetje, ki je v zadnjih letih izkazalo solidno rast prodaje, vrglo kup denarja v malo znane oglase za obetavne tehnologije z negotovo prihodnostjo.

Hkrati pa so citirane besede del kampanje za promocijo precej eksotične 745-urne vodikove različice admiralske ladje bavarskega proizvajalca avtomobilov. Eksotika, saj bo po besedah ​​BMW prehod na alternative ogljikovodikovim gorivom, ki jih avtomobilska industrija hrani že od vsega začetka, zahteval spremembo celotne proizvodne infrastrukture. Slednje je nujno, ker Bavarci obetavne razvojne poti ne vidijo v na široko oglaševanih gorivnih celicah, temveč v predelavi motorjev z notranjim zgorevanjem na vodik. BMW verjame, da je nadgradnja rešljiv problem in je že dosegel pomemben napredek pri reševanju glavnega problema doseganja zanesljivega delovanja motorja in odpravljanja njegove nagnjenosti k nenadzorovanim zgorevalnim procesom z uporabo čistega vodika. Uspeh v tej smeri je posledica kompetenc na področju elektronskega nadzora motornih procesov in možnosti uporabe BMW patentiranih fleksibilnih sistemov distribucije plina Valvetronic in Vanos, brez katerih ne bi bilo mogoče zagotoviti normalnega delovanja "vodikovih motorjev" . Vendar pa prvi koraki v tej smeri segajo v leto 1820, ko je oblikovalec William Cecil izdelal motor na vodik, ki je deloval na tako imenovanem "vakuumskem principu" - shemi, ki se je zelo razlikovala od kasneje izumljenega motorja 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 ponovno odkrila vesoljska industrija, ki je hitro ugotovila, 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 Evropski uniji, da bo emisije CO2008 iz novo registriranih vozil v Uniji zmanjšalo za povprečno 2 grama na kilometer za 140. V praksi je to pomenilo 25-odstotno zmanjšanje emisij v primerjavi z letom 1995, povprečna poraba goriva nove flote pa je bila približno 6,0 l / 100 km. V bližnji prihodnosti se pričakuje dodatne ukrepe za zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida za 14% do leta 2012. To nalogo avtomobilskim podjetjem izjemno otežuje, po mnenju strokovnjakov BMW pa jo je mogoče rešiti bodisi z uporabo nizkoogljičnih goriv bodisi s popolno odpravo ogljika iz sestave goriv. Po tej teoriji se vodik v avtomobilski areni ponovno pojavlja v vsej svoji slavi.

Bavarsko podjetje je postalo prvi proizvajalec avtomobilov, ki je serijsko izdeloval vozila na vodikov pogon. Uresničile so se optimistične in samozavestne trditve profesorja Burkharda Geschela, člana uprave BMW, odgovornega za novosti, da bo "podjetje prodajalo vodikove avtomobile pred iztekom sedanje serije 7". S svojo najnovejšo različico, Hydrogen 7, sedmo serijo, predstavljeno leta 2006, z 12-valjnim motorjem z močjo 260 KM. to sporočilo je že postalo resničnost. Namen se je zdel precej ambiciozen, vendar ne brez razloga. BMW že od leta 1978 eksperimentira z motorji z notranjim zgorevanjem, ki delujejo na vodik, in 11. maja 2000 izvedel edinstven prikaz možnosti te alternative. Impresivna flota 15 750 hl vozil iz prejšnje generacije tedna, ki so jo poganjali vodikovi dvanajstvaljni motorji, je zaključila 170 km maratona, kar je poudarilo uspeh podjetja in obljubo nove tehnologije. V letih 000 in 2001 so se nekatera od teh vozil še naprej udeleževala različnih demonstracij v podporo vodikovi ideji. Potem je prišel čas za nov razvoj, ki bo na osnovi naslednje serije 2002 uporabil sodoben 7-litrski motor V-4,4 z največjo hitrostjo 212 km / h, čemur je sledil najnovejši razvoj z 12-valjnim V-XNUMX. Po uradnem mnenju podjetja so razlogi, zakaj je BMW to tehnologijo izbral nad gorivnimi celicami, komercialni in psihološki. Prvič, ta metoda bo zahtevala bistveno manj naložb, če se spremeni proizvodna infrastruktura. Drugič, ker so ljudje vajeni dobrega starega motorja z notranjim zgorevanjem, jim je všeč in se bodo od njega težko ločili. In tretjič, medtem se je izkazalo, da se ta tehnologija razvija hitreje kot tehnologija gorivnih celic.

V avtomobilih BMW je vodik shranjen v super 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.

Na tej stopnji so se oblikovalci podjetja iz Münchna osredotočili na posredno vbrizgavanje goriva, kakovost mešanice pa je odvisna od načina delovanja motorja. V načinu delne obremenitve deluje motor na revne mešanice, podobno kot pri dizelskem gorivu – sprememba se izvede samo v količini vbrizganega goriva. To je tako imenovani "nadzor kakovosti" mešanice, pri katerem motor deluje z odvečnim zrakom, vendar je zaradi nizke obremenitve nastanek emisij dušika minimiziran. Ko je potrebna velika moč, začne motor delovati kot bencinski motor, preide na tako imenovani "količinski nadzor" mešanice in običajnih (ne pustih) mešanic. Te spremembe so po eni strani možne zaradi hitrosti elektronskega krmiljenja procesov v motorju, po drugi strani pa zaradi prilagodljivega delovanja krmilnih sistemov za distribucijo plina - "dvojni" Vanos, ki deluje v povezavi z Valvetronic krmilni sistem dovoda brez plina. Upoštevati je treba, da je po mnenju inženirjev BMW delovna shema tega razvoja le vmesna stopnja v razvoju tehnologij in da bodo motorji v prihodnosti prešli na neposredno vbrizgavanje vodika v jeklenke in turbopolnilnik. Pričakuje se, da bodo te tehnike povzročile boljšo dinamiko vozila kot primerljiv bencinski motor in povečale splošno učinkovitost motorja z notranjim zgorevanjem za več kot 50%. Tu smo se namerno vzdržali dotika teme "gorivne celice", saj se to vprašanje v zadnjem času precej aktivno uporablja. Hkrati pa jih moramo omeniti v kontekstu BMW-jeve vodikove tehnologije, saj so se oblikovalci v Münchnu odločili, da bodo za napajanje električnega omrežja na vozilu v avtomobilih uporabili prav takšne naprave, s čimer bodo popolnoma odpravili običajno napajanje iz akumulatorja. Ta poteza omogoča dodatne prihranke pri gorivu, saj motorju na vodik ni treba poganjati alternatorja, vgrajeni električni sistem pa postane popolnoma avtonomen in neodvisen od poti pogona – lahko proizvaja elektriko tudi, ko motor ne teče, pa tudi proizvaja in poraba energije je primerna za popolno optimizacijo. Dejstvo, da je zdaj mogoče proizvesti le toliko električne energije, kot je potrebno za pogon vodne črpalke, oljnih črpalk, ojačevalnika zavor in žičnih sistemov, pomeni tudi dodatne prihranke. Vendar pa vzporedno z vsemi temi novostmi sistem vbrizgavanja goriva (bencin) praktično ni doživel dragih oblikovnih sprememb. Za promocijo vodikovih tehnologij so junija 2002 BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN ustvarili partnerski program CleanEnergy, ki se je začel z razvojem polnilnic z utekočinjenim in stisnjenim vodikom.

BMW je pobudnik številnih drugih skupnih projektov, tudi z naftnimi družbami, med katerimi so najaktivnejši udeleženci Aral, BP, Shell, Total. Zanimanje za to obetavno področje eksponentno narašča – samo EU bo v naslednjih desetih letih zagotovila neposredne finančne prispevke v sklade za financiranje razvoja in implementacije vodikovih tehnologij v višini 2,8 milijarde evrov. Obseg naložb zasebnih podjetij v razvoj "vodika" v tem obdobju je težko napovedati, vendar je jasno, da bo večkrat presegel odbitke neprofitnih organizacij.

Vodik v motorjih z notranjim zgorevanjem

Zanimiv je podatek, da je vodik zaradi fizikalnih in kemičnih 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 se zelo revne zmesi zlahka uporabljajo v vodikovih motorjih – nekaj, kar sodobni bencinski motorji dosegajo s kompleksnimi in dragimi tehnologijami.

Toplota med delci vodikovo-zračne zmesi se manj razprši, hkrati pa sta temperatura samovžiga in hitrost zgorevalnih procesov veliko višji kot pri bencinu. Vodik ima nizko gostoto in močno difuznost (možnost prodiranja delcev v drug plin – v tem primeru v zrak).

Nizka aktivacijska energija, ki je potrebna za samovžig, je eden največjih izzivov pri nadzoru zgorevalnih procesov v vodikovih motorjih, saj se zmes zlahka spontano vname zaradi stika z vročimi območji v zgorevalni komori in odpornosti na sledenje verigi popolnoma nenadzorovanih procesov. Izogniti se temu tveganju je eden največjih izzivov pri razvoju motorjev na vodik, vendar ni lahko odpraviti posledic dejstva, da zelo razpršena goreča zmes potuje zelo blizu sten valja in lahko prodre skozi izjemno ozke reže. kot so na primer zaprti ventili ... 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 zaradi stika z bolj vročim delom. v valju. Prednost visoke difuzijske zmogljivosti vodika je možnost 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 vodikovi motorji načeloma lahko delujejo tudi z mešanicami zrak vodik do 180:1 (t.i. zelo "puste" mešanice), kar posledično pomeni, da motor deluje. brez dušilne lopute in uporabljajo princip dizelskih motorjev. Omeniti velja še, da je vodik nesporno vodilni v primerjavi vodika in bencina kot energentov glede na maso – kilogram vodika je skoraj trikrat bolj energetsko potraten od kilograma 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 podobnega bencinskega motorja. To je zato, ker gorivo (vodik) ne izpodriva zraka kot pri bencinskih ali dizelskih motorjih, kar omogoča samo zraku (precej več kot običajno), da napolni zgorevalno komoro. Poleg tega za razliko od bencinskih motorjev vodikovi motorji ne potrebujejo strukturnega vrtinčenja, ker vodik brez tega ukrepa dovolj dobro difundira z zrakom. Zaradi različnih stopenj gorenja v različnih delih cilindra je bolje namestiti dve svečki, pri vodikovih motorjih pa je uporaba platinastih elektrod nepraktična, saj platina postane katalizator, ki vodi do oksidacije goriva pri nizkih temperaturah.

H2R

H2R je delujoč superšportni prototip, ki so ga izdelali inženirji BMW in ga poganja dvanajstvaljni motor, ki pri pogonu na vodik doseže največjo moč 285 KM. 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 standardni vrhunski enoti, ki se uporablja v bencinskem 760i in je potreboval le deset mesecev za razvoj. Da bi preprečili spontano zgorevanje, so bavarski strokovnjaki razvili poseben pretočni cikel in strategijo vbrizgavanja v zgorevalno komoro, pri čemer so uporabili možnosti, ki jih ponujajo sistemi spremenljivega krmiljenja ventilov motorja. Preden mešanica 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.

Ugotovitve

Finančna analiza prehoda na čisto vodikovo energijo še ni preveč optimistična. Proizvodnja, skladiščenje, prevoz in dobava lahkega plina so še vedno precej energetsko zahtevni procesi in v sedanji tehnološki fazi človekovega razvoja tak sistem ne more biti učinkovit. Vendar to ne pomeni, da se raziskave in iskanje rešitev ne bodo nadaljevale. Predlogi za pridobivanje vodika iz vode z uporabo električne energije iz sončnih kolektorjev in njegovo shranjevanje v velikih rezervoarjih zvenijo optimistično. Po drugi strani pa postopek proizvodnje električne energije in vodika v plinski fazi v puščavi Sahara, transport po Sredozemskem morju po cevovodih, utekočinjanje in prevoz s kriogenimi cisternami, raztovarjanje v pristaniščih in končni prevoz s tovornjaki trenutno zveni nekoliko smešno ...

Zanimivo idejo je nedavno predstavilo norveško naftno podjetje Norsk Hydro, ki je predlagalo proizvodnjo vodika iz zemeljskega plina na proizvodnih mestih v Severnem morju, preostali ogljikov monoksid pa je bil shranjen na osiromašenih poljih pod morskim dnom. Resnica je nekje na sredini in le čas bo pokazal, kam bo šel razvoj industrije vodika.

Mazdina varianta

Tudi japonsko podjetje Mazda prikazuje svojo različico vodikovega motorja - v obliki rotacijske enote športnega avtomobila RX-8. To ni presenetljivo, saj so konstrukcijske značilnosti Wanklovega motorja izjemno primerne za uporabo vodika kot goriva. Plin je pod visokim pritiskom shranjen v posebnem rezervoarju, gorivo pa se vbrizga neposredno v zgorevalne komore. Ker sta pri rotacijskih motorjih področja vbrizgavanja in izgorevanja ločena, temperatura v sesalnem delu pa je nižja, se bistveno zmanjša problem možnosti nenadzorovanega vžiga. Wanklov motor ponuja tudi dovolj prostora za dve injektorji, kar je izjemno pomembno za vbrizgavanje optimalne količine vodika.