BMW și hidrogen: motorul cu ardere internă

Proiectele companiei au început acum 40 de ani cu versiunea cu hidrogen a seriei 5

BMW a crezut de mult în mobilitatea electrică. Astăzi, Tesla poate fi considerată reperul în acest domeniu, dar în urmă cu zece ani, când compania americană a demonstrat conceptul unei platforme personalizate din aluminiu, care a fost realizat apoi sub forma Tesla Model S, BMW lucra activ la Megacity. Proiectul vehiculului. 2013 este comercializat ca BMW i3. Mașina germană de avangardă folosește nu doar o structură de susținere din aluminiu cu baterii integrate, ci și o caroserie din polimeri armați cu carbon. Cu toate acestea, ceea ce Tesla este incontestabil înaintea concurenților săi este metodologia sa excepțională, în special la scara dezvoltării bateriilor pentru vehicule electrice – de la relațiile cu producătorii de celule litiu-ion până la construirea de fabrici uriașe de baterii, inclusiv cele cu aplicații non-electrice. mobilitate.

Dar să revenim la BMW pentru că, spre deosebire de Tesla și mulți dintre concurenții săi, compania germană încă mai crede în mobilitatea hidrogenului. Recent, o echipă condusă de vicepreședintele companiei pentru Pile de Combustie cu Hidrogen, Dr. Jürgen Gouldner, a dezvăluit celula de combustibil I-Hydrogen Next, un grup electrogen autopropulsat alimentat de o reacție chimică la temperatură joasă. Acest moment marchează cea de-a 10-a aniversare de la lansarea dezvoltării vehiculelor cu celule de combustibil de la BMW și cea de-a 7-a aniversare a colaborării cu Toyota pe pile de combustibil. Cu toate acestea, dependența BMW de hidrogen datează de 40 de ani și este o mult mai „temperatură fierbinte”.

Acesta este mai mult de un sfert de secol de evoluții ale companiei, în care hidrogenul este folosit ca combustibil pentru motoarele cu ardere internă. O mare parte din acea perioadă, compania a crezut că un motor cu combustie internă alimentat cu hidrogen era mai aproape de consumator decât o pilă de combustie. Cu o eficiență de aproximativ 60% și o combinație a unui motor electric cu o eficiență de peste 90%, un motor cu pile de combustie este mult mai eficient decât un motor cu ardere internă care funcționează pe hidrogen. După cum vom vedea în rândurile următoare, cu injecția lor directă și turboalimentarea, motoarele reduse de astăzi vor fi extrem de potrivite pentru furnizarea de hidrogen - cu condiția ca sistemele adecvate de control al injecției și combustiei să fie la locul lor. Dar, în timp ce motoarele cu combustie internă alimentate cu hidrogen sunt de obicei mult mai ieftine decât o pilă de combustie combinată cu o baterie cu litiu-ion, ele nu mai sunt pe ordinea de zi. În plus, problemele mobilității hidrogenului în ambele cazuri depășesc cu mult domeniul de aplicare al sistemului de propulsie.

Și totuși de ce hidrogen?

Hidrogenul este un element important în căutarea umanității de a utiliza din ce în ce mai multe surse alternative de energie, cum ar fi o punte de stocare a energiei din soare, eolian, apă și biomasă prin transformarea ei în energie chimică. În termeni simpli, aceasta înseamnă că energia electrică generată de aceste surse naturale nu poate fi stocată în volume mari, ci poate fi utilizată pentru a produce hidrogen prin descompunerea apei în oxigen și hidrogen.

Desigur, hidrogenul poate fi extras și din surse de hidrocarburi neregenerabile, dar acest lucru a fost mult timp inacceptabil atunci când vine vorba de utilizarea lui ca sursă de energie. Este de netăgăduit faptul că problemele tehnologice ale producției, depozitării și transportului hidrogenului sunt rezolvabile - în practică, chiar și acum, cantități uriașe din acest gaz sunt produse și utilizate ca materii prime în industria chimică și petrochimică. În aceste cazuri însă, costul ridicat al hidrogenului nu este letal, deoarece se „topește” la prețul ridicat al produselor în care este implicat.

Totuși, problema utilizării gazului ușor ca sursă de energie și în cantități mari este ceva mai complicată. Oamenii de știință scutură de mult din cap în căutarea unei posibile alternative strategice la păcură, iar creșterea mobilității electrice și a hidrogenului poate fi în strânsă simbioză. În centrul tuturor acestor lucruri se află un fapt simplu, dar foarte important – extracția și utilizarea hidrogenului se învârte în jurul ciclului natural de combinare și descompunere a apei... Dacă umanitatea îmbunătățește și extinde metodele de producție folosind surse naturale precum energia solară, vântul și apa, hidrogenul poate fi produs și utilizat în cantități nelimitate fără a emite emisii nocive.
producere

Peste 70 de milioane de tone de hidrogen pur sunt produse în prezent în lume. Principala materie primă pentru producția sa este gazul natural, care este procesat într-un proces cunoscut sub numele de „reformare” (jumătate din total). Cantități mai mici de hidrogen sunt produse prin alte procese, cum ar fi electroliza compușilor de clor, oxidarea parțială a petrolului greu, gazificarea cărbunelui, piroliza cărbunelui pentru a produce cocs și reformarea benzinei. Aproximativ jumătate din producția mondială de hidrogen este utilizată pentru sinteza amoniacului (care este utilizat ca materie primă în producția de îngrășăminte), în rafinarea petrolului și în sinteza metanolului.

Aceste scheme de producție împovărează mediul în diferite grade și, din păcate, niciuna dintre ele nu oferă o alternativă semnificativă la status quo-ul energetic actual – în primul rând pentru că folosesc surse neregenerabile și, în al doilea rând, pentru că producția emite substanțe nedorite precum dioxidul de carbon. Cea mai promițătoare metodă de producere a hidrogenului în viitor rămâne descompunerea apei cu ajutorul energiei electrice, cunoscută în școala primară. Cu toate acestea, închiderea ciclului de energie curată este în prezent posibilă doar prin utilizarea energiei naturale și mai ales solare și eoliene pentru a genera electricitatea necesară descompunerii apei. Potrivit dr. Gouldner, tehnologiile moderne „conectate” la sistemele eoliene și solare, inclusiv micile stații de hidrogen, unde acestea din urmă sunt produse la fața locului, reprezintă un nou pas mare în această direcție.
Locația depozitului

Hidrogenul poate fi depozitat în cantități mari, atât în ​​fază gazoasă, cât și în fază lichidă. Cele mai mari astfel de rezervoare, în care hidrogenul este păstrat la o presiune relativ mică, sunt numite „contoare de gaz”. Rezervoarele medii și mai mici sunt adaptate pentru a stoca hidrogenul la o presiune de 30 bari, în timp ce cele mai mici rezervoare speciale (dispozitive scumpe din oțel special sau compozite armate cu fibră de carbon) mențin o presiune constantă de 400 bari.
Hidrogenul poate fi, de asemenea, stocat într-o fază lichidă la -253°C per unitate de volum, care conține de 1,78 ori mai multă energie decât atunci când este stocat la 700 bar - pentru a obține o cantitate echivalentă de energie în hidrogen lichefiat pe unitate de volum, gazul trebuie comprimat până la 1250 bar. Datorită eficienței energetice mai mari a hidrogenului răcit, BMW colaborează cu grupul german de refrigerare Linde pentru primele sale sisteme, care a dezvoltat dispozitive criogenice de ultimă generație pentru lichefierea și stocarea hidrogenului. Oamenii de știință oferă și alte alternative, dar mai puțin aplicabile în acest moment, pentru stocarea hidrogenului - de exemplu, depozitarea sub presiune în făină metalică specială, sub formă de hidruri metalice și altele.

Rețelele de transmisie a hidrogenului există deja în zone cu o concentrație mare de uzine chimice și rafinării de petrol. În general, tehnica este similară cu cea pentru transmiterea gazelor naturale, dar utilizarea acestora din urmă pentru nevoile de hidrogen nu este întotdeauna posibilă. Cu toate acestea, chiar și în secolul trecut, multe case din orașele europene au fost iluminate cu gaz ușor prin conducte, care conține până la 50% hidrogen și care este folosit ca combustibil pentru primele motoare staționare cu ardere internă. Nivelul actual al tehnologiei permite deja transportul transcontinental al hidrogenului lichefiat prin cisterne criogenice existente, similare cu cele utilizate pentru gazele naturale.

BMW și motorul cu ardere internă

"Apă. Singurul produs final al motoarelor BMW curate care utilizează hidrogen lichid în loc de combustibil din petrol și permite tuturor să se bucure de noile tehnologii cu conștiința curată.”

Aceste cuvinte sunt un citat dintr-o campanie publicitară pentru o companie germană la începutul secolului XXI. Ar trebui să promoveze versiunea destul de exotică cu hidrogen de 745 de ore a navei amiral a fabricantului bavarez. Exotic, deoarece, potrivit BMW, tranziția către alternativele de combustibil cu hidrocarburi pe care industria auto s-a hrănit de la început va necesita o schimbare a întregii infrastructuri industriale. La acea vreme, bavarezii au găsit o cale promițătoare de dezvoltare nu în celulele de combustibil publicitate pe scară largă, ci în transferul motoarelor cu ardere internă pentru a lucra cu hidrogen. BMW consideră că modernizarea în discuție este o problemă rezolvabilă și face deja progrese semnificative către provocarea cheie de a asigura performanța fiabilă a motorului și de a-și elimina tendința de a arde în fugă folosind hidrogen pur. Succesul în această direcție se datorează competenței în domeniul controlului electronic al proceselor motorului și capacității de a utiliza sistemele brevetate BMW brevetate pentru distribuția flexibilă a gazelor Valvetronic și Vanos, fără de care este imposibil să se garanteze funcționarea normală a „motoarelor cu hidrogen”.

Cu toate acestea, primii pași în această direcție datează din 1820, când designerul William Cecil a creat un motor alimentat cu hidrogen care funcționează pe așa-numitul „principiu al vidului” - o schemă complet diferită de cea inventată mai târziu cu un motor intern. ardere. În prima sa dezvoltare a motoarelor cu ardere internă, 60 de ani mai târziu, pionierul Otto a folosit deja menționatul gaz sintetic derivat din cărbune, cu un conținut de hidrogen de aproximativ 50%. Cu toate acestea, odată cu inventarea carburatorului, utilizarea benzinei a devenit mult mai practică și mai sigură, iar combustibilul lichid a înlocuit toate celelalte alternative care existau până acum. Proprietățile hidrogenului ca combustibil au fost descoperite mulți ani mai târziu de industria spațială, care a descoperit rapid că hidrogenul are cel mai bun raport energie/masă dintre orice combustibil cunoscut omenirii.

În iulie 1998, Asociația Europeană a Industriei Auto (ACEA) s-a angajat să reducă emisiile de CO2 pentru vehiculele nou înmatriculate în Uniune la o medie de 140 de grame pe kilometru până în 2008. În practică, aceasta înseamnă o reducere de 25% a emisiilor față de 1995 și echivalează cu un consum mediu de combustibil în noua flotă de aproximativ 6,0 l / 100 km. Acest lucru face ca sarcina pentru companiile auto să fie extrem de dificilă și, potrivit experților BMW, poate fi rezolvată fie folosind combustibili cu conținut scăzut de carbon, fie eliminând complet carbonul din compoziția combustibilului. Conform acestei teorii, hidrogenul apare în toată splendoarea sa pe scena auto.
Compania bavareză devine primul producător de automobile care începe producția în masă de vehicule cu hidrogen. Afirmațiile optimiste și sigure ale consiliului de administrație BMW Burkhard Göschel, membru al consiliului de administrație BMW responsabil pentru noile dezvoltări, conform cărora „compania va vinde mașini cu hidrogen înainte de expirarea Seriei 7” se împlinește. Cu Hydrogen 7, o versiune a celei de-a șaptea serii a fost introdusă în 2006 și are un motor cu 12 cilindri de 260 CP. acest mesaj devine realitate.

Intenția pare destul de ambițioasă, dar din motive întemeiate. BMW a experimentat cu motoare cu ardere de hidrogen din 1978, cu seria 5 (E12), versiunea E 1984 de 745 de ore a fost introdusă în 23, iar pe 11 mai 2000 a demonstrat capacitățile unice ale acestei alternative. O flotă impresionantă de 15 CP. E 750 "a săptămânii" cu motoare cu 38 cilindri alimentate cu hidrogen a rulat un maraton de 12 km, subliniind succesul companiei și promisiunea unei noi tehnologii. În 170 și 000, unele dintre aceste vehicule au continuat să participe la diferite demonstrații pentru a promova ideea hidrogenului. Apoi vine o nouă dezvoltare bazată pe următoarea serie 2001, utilizând un motor modern V-2002 de 7 litri și capabil de o viteză maximă de 4,4 km / h, urmată de cea mai recentă dezvoltare cu un motor V-212 cu 12 cilindri.

Potrivit opiniei oficiale a companiei, motivele pentru care BMW a preferat atunci această tehnologie decât celulele de combustie sunt atât comerciale, cât și psihologice. În primul rând, această metodă va necesita investiții semnificativ mai mici în cazul modificărilor infrastructurii industriale. În al doilea rând, pentru că oamenii sunt obișnuiți cu vechiul motor cu ardere internă, îi place și va fi dificil să se despartă de el. Și în al treilea rând, pentru că, în același timp, această tehnologie se dezvoltă mai repede decât tehnologia celulei de combustibil.

În mașinile BMW, hidrogenul este stocat într-un vas criogenic supraizolat, un fel ca o sticlă termos de înaltă tehnologie dezvoltată de grupul german de refrigerare Linde. La temperaturi scăzute de depozitare, combustibilul este în fază lichidă și intră în motor ca combustibil normal.

Designerii companiei din München folosesc injecția de combustibil în galeriile de admisie, iar calitatea amestecului depinde de modul de funcționare a motorului. În modul de sarcină parțială, motorul funcționează cu amestecuri sărace similare cu motorina - se modifică doar cantitatea de combustibil injectată. Acesta este așa-numitul „control al calității” al amestecului, în care motorul funcționează cu exces de aer, dar din cauza sarcinii reduse, formarea emisiilor de azot este redusă la minimum. Când este nevoie de o putere semnificativă, motorul începe să funcționeze ca un motor pe benzină, trecând la așa-numita „reglare cantitativă” a amestecului și la amestecuri normale (nu slabe). Aceste modificări sunt posibile, pe de o parte, datorită vitezei controlului electronic al procesului din motor și, pe de altă parte, datorită funcționării flexibile a sistemelor de control al distribuției gazelor - „dublu” Vanos, care lucrează în conjuncție cu sistemul de control al admisiei Valvetronic fără accelerație. Trebuie avut în vedere că, potrivit inginerilor BMW, schema de lucru a acestei dezvoltări este doar o etapă intermediară în dezvoltarea tehnologiei și că în viitor motoarele vor trebui să treacă la injecția directă de hidrogen în cilindri și turbocompresor. Este de așteptat ca aplicarea acestor metode să conducă la o îmbunătățire a performanței dinamice a mașinii în comparație cu un motor similar pe benzină și la o creștere a eficienței globale a motorului cu ardere internă cu peste 50%.

Un fapt interesant de dezvoltare este că, odată cu cele mai recente evoluții în motoarele cu combustie internă „hidrogen”, designerii din München intră în domeniul pilelor de combustibil. Ei folosesc astfel de dispozitive pentru a alimenta rețeaua electrică de bord a mașinilor, eliminând complet bateria convențională. Datorită acestui pas, sunt posibile economii suplimentare de combustibil, deoarece motorul cu hidrogen nu trebuie să conducă alternatorul, iar sistemul electric de bord devine complet autonom și independent de calea de conducere - poate genera energie electrică chiar și atunci când motorul nu funcționează, iar producția și consumul de energie pot fi pe deplin optimizate. Faptul că acum poate fi generată atâta energie electrică cât este necesar pentru a alimenta pompa de apă, pompele de ulei, servofrânele și sistemele de cablare se traduce, de asemenea, în economii suplimentare. Cu toate acestea, în paralel cu toate aceste inovații, sistemul de injecție a combustibilului (benzină) practic nu a suferit modificări de design costisitoare.

Pentru a promova tehnologiile hidrogenului în iunie 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN au creat programul de parteneriat CleanEnergy, care și-a început activitatea cu dezvoltarea stațiilor de alimentare cu GPL. și hidrogen comprimat. În ele, o parte din hidrogen este produsă la fața locului folosind electricitate solară, apoi este comprimată, iar cantitățile mari lichefiate provin din stații speciale de producție, iar toți vaporii din faza lichidă sunt transferați automat în rezervorul de gaz.
BMW a inițiat o serie de alte proiecte comune, inclusiv cu companii petroliere, printre care cei mai activi participanți sunt Aral, BP, Shell, Total.
Totuși, de ce BMW renunță la aceste soluții tehnologice și se concentrează încă asupra pilelor de combustibil, vă vom spune într-un alt articol din această serie.

Hidrogen în motoarele cu combustie internă

Este interesant de observat că, datorită proprietăților fizice și chimice ale hidrogenului, este mult mai inflamabil decât benzina. În practică, aceasta înseamnă că este necesară mult mai puțină energie inițială pentru a iniția procesul de ardere în hidrogen. Pe de altă parte, motoarele cu hidrogen pot folosi cu ușurință amestecuri foarte „rele” - lucru pe care motoarele moderne pe benzină îl realizează prin tehnologii complexe și costisitoare.

Căldura dintre particulele amestecului hidrogen-aer este mai puțin disipată și, în același timp, temperatura de autoaprindere este mult mai mare, la fel ca și viteza proceselor de ardere în comparație cu benzina. Hidrogenul are o densitate scăzută și o difuzivitate puternică (posibilitatea ca particulele să intre într-un alt gaz - în acest caz, aer).

Energia de activare scăzută necesară pentru autoaprindere este una dintre cele mai mari provocări în controlul arderii la motoarele cu hidrogen, deoarece amestecul se poate aprinde cu ușurință în mod spontan datorită contactului cu zonele mai fierbinți din camera de ardere și a rezistenței în urma unui lanț de procese complet necontrolate. Evitarea acestui risc este una dintre cele mai mari provocări în proiectarea motoarelor cu hidrogen, dar nu este ușor să eliminați consecințele faptului că amestecul de ardere foarte dispersat se mișcă foarte aproape de pereții cilindrului și poate pătrunde în goluri extrem de înguste. de exemplu de-a lungul supapelor închise ... Toate acestea trebuie luate în considerare la proiectarea acestor motoare.

O temperatură ridicată de autoaprindere și un număr mare de octanici (aproximativ 130) permit o creștere a raportului de compresie a motorului și, prin urmare, a eficienței acestuia, dar din nou există pericolul de autoaprindere a hidrogenului la contactul cu partea mai fierbinte. în cilindru. Avantajul capacității mari de difuzie a hidrogenului este posibilitatea amestecării ușoare cu aerul, care, în cazul unei defecțiuni a rezervorului, garantează o dispersie rapidă și sigură a combustibilului.

Amestecul ideal aer-hidrogen pentru ardere are un raport de aproximativ 34:1 (pentru benzină acest raport este de 14,7:1). Aceasta înseamnă că atunci când se combină aceeași masă de hidrogen și benzină în primul caz, este nevoie de mai mult de două ori mai mult aer. În același timp, amestecul hidrogen-aer ocupă mult mai mult spațiu, ceea ce explică de ce motoarele cu hidrogen au mai puțină putere. O ilustrare pur digitală a rapoartelor și volumelor este destul de elocventă - densitatea hidrogenului gata de ardere este de 56 de ori mai mică decât densitatea vaporilor de benzină ... Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că, în general, motoarele cu hidrogen pot funcționa pe amestecuri de aer . hidrogen în rapoarte de până la 180:1 (adică cu amestecuri foarte „rele”), ceea ce înseamnă, la rândul său, că motorul poate funcționa fără accelerație și poate folosi principiul motoarelor diesel. De menționat, de asemenea, că hidrogenul este liderul incontestabil în comparația dintre hidrogen și benzină ca sursă de energie de masă - un kilogram de hidrogen are aproape de trei ori mai multă energie pe kilogram de benzină.

Ca și în cazul motoarelor pe benzină, hidrogenul lichefiat poate fi injectat direct înaintea supapelor din colectoare, dar cea mai bună soluție este injecția direct în timpul cursei de compresie - în acest caz, puterea o poate depăși pe cea a unui motor pe benzină comparabil cu 25%. Acest lucru se datorează faptului că combustibilul (hidrogenul) nu înlocuiește aerul ca în cazul unui motor pe benzină sau diesel, permițând camerei de ardere să se umple doar cu aer (semnificativ mai mult decât de obicei). În plus, spre deosebire de motoarele pe benzină, hidrogenul nu are nevoie de turbionare structurală, deoarece hidrogenul fără această măsură difuzează destul de bine cu aerul. Datorită ratelor diferite de ardere în diferite părți ale cilindrului, este mai bine să instalați două bujii, iar în motoarele cu hidrogen, utilizarea electrozilor de platină nu este potrivită, deoarece platina devine un catalizator care duce la oxidarea combustibilului chiar și la temperaturi scăzute. .

Opțiunea Mazda

Compania japoneză Mazda își prezintă și versiunea sa de motor cu hidrogen, sub forma unui bloc rotativ în mașina sport RX-8. Acest lucru nu este surprinzător, deoarece caracteristicile de design ale motorului Wankel sunt extrem de potrivite pentru utilizarea hidrogenului ca combustibil.
Gazul este stocat sub presiune ridicată într-un rezervor special, iar combustibilul este injectat direct în camerele de ardere. Datorită faptului că, în cazul motoarelor rotative, zonele în care au loc injecția și arderea sunt separate, iar temperatura din partea de admisie este mai mică, problema cu posibilitatea de aprindere necontrolată este redusă semnificativ. Motorul Wankel oferă, de asemenea, spațiu amplu pentru două injectoare, ceea ce este esențial pentru injectarea cantității optime de hidrogen.

H2R

H2R este un prototip de supersport funcțional construit de inginerii BMW și propulsat de un motor cu 12 cilindri care atinge o putere maximă de 285 CP. când se lucrează cu hidrogen. Datorită acestora, modelul experimental accelerează de la 0 la 100 km/h în șase secunde și atinge o viteză maximă de 300 km/h. Motorul H2R se bazează pe vârful standard folosit la benzina 760i și a durat doar zece luni pentru a se dezvolta .

Pentru a preveni arderea spontană, specialiștii bavarez au dezvoltat o strategie specială pentru ciclurile de curgere și injecție în camera de ardere, folosind posibilitățile oferite de sistemul de distribuție variabilă a supapelor al motorului. Înainte ca amestecul să intre în cilindri, aceștia din urmă sunt răciți cu aer, iar aprinderea se efectuează numai în punctul mort superior - datorită vitezei mari de ardere cu combustibil hidrogen, avansul la aprindere nu este necesar.