Test drive BMW și hidrogen: partea a doua

"Apă. Singurul produs final al motoarelor curate ale BMW este utilizarea hidrogenului lichid în loc de combustibili din petrol și permiterea tuturor să se bucure de noile tehnologii cu conștiința curată.”

Modul BMW

Aceste cuvinte sunt un citat dintr-o campanie de publicitate a unei companii germane în urmă cu câțiva ani. Multă vreme nimeni nu a pus la îndoială faptul că bavarezii știu foarte bine ce fac când vine vorba de tehnologia motoarelor și sunt unul dintre liderii mondiali de necontestat în acest domeniu. Nici nu s-ar crede că o companie care a înregistrat o creștere solidă a vânzărilor în ultimii ani ar arunca o tonă de bani pe reclame puțin cunoscute pentru tehnologii promițătoare cu un viitor incert.

În același timp, totuși, cuvintele citate fac parte dintr-o campanie de promovare a unei versiuni cu hidrogen destul de exotice de 745 de ore a nava amiral a constructorului bavarez. Exotic, pentru că, potrivit BMW, tranziția către alternative la combustibilii cu hidrocarburi, pe care industria auto le-a alimentat încă de la început, va necesita o schimbare în întreaga infrastructură de producție. Acesta din urmă este necesar, deoarece bavarezii văd o cale de dezvoltare promițătoare nu în pilele de combustie, larg publicitate, ci în transformarea motoarelor cu ardere internă pentru a funcționa pe hidrogen. BMW consideră că modernizarea este o problemă care se poate rezolva și a făcut deja progrese semnificative în rezolvarea problemei principale de a obține performanțe fiabile ale motorului și de a elimina tendința acestuia pentru procese de ardere necontrolate folosind hidrogen pur. Succesul în această direcție se datorează competenței în domeniul controlului electronic al proceselor motoarelor și posibilității de a utiliza sistemele flexibile de distribuție a gazelor brevetate BMW Valvetronic și Vanos, fără de care ar fi imposibil să se asigure 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 foarte diferită de cea a motorului inventat 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 redescoperite 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 față de Uniunea Europeană să reducă emisiile de CO2008 de la vehiculele nou înmatriculate în Uniune cu o medie de 2 grame pe kilometru cu 140. În practică, aceasta a însemnat o reducere de 25% a emisiilor față de 1995, iar consumul mediu de combustibil al noii flote a fost de aproximativ 6,0 l / 100 km. În viitorul apropiat, se așteaptă măsuri suplimentare pentru a reduce emisiile de dioxid de carbon cu 14% până în 2012. Acest lucru face ca sarcina pentru companiile auto să fie extrem de dificilă și, potrivit experților BMW, poate fi rezolvată fie prin utilizarea combustibililor cu emisii reduse de carbon, fie prin eliminarea completă a carbonului din compoziția combustibilului. Conform acestei teorii, hidrogenul reapare în arena automobilelor în toată splendoarea sa.

Compania bavareză a devenit primul producător de automobile care a produs în serie vehicule cu hidrogen. Afirmațiile optimiste și încrezătoare ale profesorului Burkhard Geschel, membru al consiliului de administrație BMW responsabil pentru noile dezvoltări, potrivit cărora „compania va vinde mașini cu hidrogen înainte de expirarea actualei Serii 7” s-au împlinit. Cu cea mai recentă versiune, Hydrogen 7, a șaptea serie, introdusă în 2006, cu un motor cu 12 cilindri de 260 CP. acest mesaj a devenit deja o realitate. Intenția părea destul de ambițioasă, dar nu fără motiv. BMW a experimentat cu motoare cu ardere internă care funcționează cu hidrogen din 1978, iar la 11 mai 2000 a făcut o demonstrație unică a posibilităților acestei alternative. O flotă impresionantă de 15 vehicule de 750 hl din generația anterioară a săptămânii, alimentată cu motoare cu hidrogen cu 170 cilindri, a completat maratonul de 000 km, subliniind succesul companiei și promisiunea unei noi tehnologii. În 2001 și 2002, unele dintre aceste vehicule au continuat să participe la diferite demonstrații în sprijinul ideii hidrogenului. Apoi a venit timpul pentru o nouă dezvoltare bazată pe următoarea serie 7, folosind un motor modern V-4,4 de 212 litri capabil de o viteză maximă de 12 km / h, urmat de cea mai recentă dezvoltare cu un V-XNUMX cu XNUMX cilindri. Conform opiniei oficiale a companiei, motivele pentru care BMW a ales această tehnologie în locul celulelor de combustie sunt atât comerciale, cât și psihologice. În primul rând, această metodă va necesita mult mai puține investiții dacă se schimbă infrastructura de producție. În al doilea rând, pentru că oamenii sunt obișnuiți cu vechiul motor cu ardere internă, le place și va fi dificil să se despartă de el. Și în al treilea rând, între timp, s-a dovedit că 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 și combustibilul obișnuit.

În această etapă, proiectanții companiei din München s-au concentrat pe injecția indirectă de combustibil, iar calitatea amestecului depinde de modul de funcționare al motorului. În modul de sarcină parțială, motorul funcționează cu amestecuri sărace similare cu motorina - schimbarea se face numai în cantitatea de combustibil injectată. Acesta este așa-numitul „control al calității” amestecului, în care motorul funcționează cu aer în exces, dar datorită sarcinii reduse, formarea emisiilor de azot este redusă la minimum. Atunci când este nevoie de o putere semnificativă, motorul începe să funcționeze ca un motor pe benzină, trecând la așa-numitul „control cantitativ” al amestecului și al amestecurilor normale (nu slabe). Aceste modificări sunt posibile, pe de o parte, datorită vitezei de control electronic al proceselor din motor și, pe de altă parte, datorită funcționării flexibile a sistemelor de control al distribuției gazelor - „dublu” Vanos, care lucrează împreună cu Sistem de control al admisiei Valvetronic fără accelerație. Trebuie avut în vedere faptul că, potrivit inginerilor BMW, schema de lucru a acestei dezvoltări este doar o etapă intermediară în dezvoltarea tehnologiei și că, în viitor, motoarele vor trece la injecția directă de hidrogen în cilindri și la supraalimentare. Se așteaptă ca aceste tehnici să aibă ca rezultat o dinamică mai bună a vehiculului decât un motor pe benzină comparabil și o creștere a eficienței globale a motorului cu ardere internă cu peste 50%. Aici ne-am abținut în mod deliberat de la atingerea subiectului „pilelor de combustibil”, deoarece recent această problemă a fost utilizată destul de activ. În același timp, totuși, trebuie să le menționăm în contextul tehnologiei hidrogenului BMW, deoarece designerii din München au decis să folosească doar astfel de dispozitive pentru a alimenta rețeaua electrică de la bordul mașinilor, eliminând complet puterea convențională a bateriei. Această mișcare permite 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, precum și produce și consumul de energie se pretează la optimizare completă. Faptul că acum poate fi produsă doar câtă energie electrică este necesară pentru alimentarea pompei de apă, a pompelor de ulei, a rapelului de frână și a sistemelor cablate, de asemenea, se traduce prin economii suplimentare. Cu toate acestea, în paralel cu toate aceste inovații, sistemul de injecție a combustibilului (benzină) practic nu a suferit modificări costisitoare de proiectare. 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 a început cu dezvoltarea stațiilor de alimentare cu hidrogen lichefiat și comprimat.

BMW este inițiatorul unui număr de alte proiecte comune, inclusiv cu companii petroliere, printre care cei mai activi participanți sunt Aral, BP, Shell, Total. Interesul pentru acest domeniu promițător crește exponențial – în următorii zece ani, numai UE va oferi contribuții financiare directe la fonduri pentru finanțarea dezvoltării și implementării tehnologiilor cu hidrogen în valoare de 2,8 miliarde de euro. Volumul investițiilor realizate de companiile private în dezvoltarea „hidrogenului” în această perioadă este greu de prevăzut, dar este clar că va depăși de multe ori deducerile de la organizațiile non-profit.

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, amestecurile foarte slabe pot fi folosite cu ușurință în motoarele cu hidrogen - 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 și viteza proceselor de ardere sunt mult mai mari decât cea a benzinei. Hidrogenul are o densitate scăzută și o difuzivitate puternică (posibilitatea ca particulele să pătrundă în alt gaz - în acest caz, aer).

Energia de activare scăzută necesară pentru autoaprindere este una dintre cele mai mari provocări în controlul proceselor de ardere în motoarele cu hidrogen, deoarece amestecul se poate aprinde cu ușurință spontan datorită contactului cu zonele mai fierbinți din camera de ardere și rezistenței la urmarea unui lanț de procese complet necontrolate. Evitarea acestui risc este una dintre cele mai mari provocări în dezvoltarea motoarelor cu hidrogen, dar nu este ușor de eliminat consecințele faptului că un amestec de ardere foarte difuz se deplasează foarte aproape de pereții cilindrilor și poate pătrunde în goluri extrem de înguste. precum supapele închise, de exemplu... 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 există din nou pericolul de autoaprindere a hidrogenului prin 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 alimentate 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 cea a vaporilor de benzină .... Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că, în principiu, motoarele cu hidrogen pot funcționa și cu amestecuri aer-hidrogen de până la 180:1 (adică amestecuri foarte „sărace”), ceea ce înseamnă, la rândul său, că motorul poate fi acționat. fără supapă de accelerație și utilizează principiul motoarelor diesel. De asemenea, trebuie remarcat faptul că hidrogenul este liderul incontestabil în comparația hidrogenului și benzinei ca surse de energie din punct de vedere al masei - un kilogram de hidrogen este de aproape trei ori mai consumator de energie decât un 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 similar pe benzină cu 25%. Acest lucru se datorează faptului că combustibilul (hidrogenul) nu înlocuiește aerul ca într-un motor pe benzină sau diesel, permițând doar aerului (semnificativ mai mult decât de obicei) să umple camera de ardere. De asemenea, spre deosebire de motoarele pe benzină, motoarele cu hidrogen nu au nevoie de turbionare structurală, deoarece hidrogenul difuzează suficient de bine cu aerul fără această măsură. Datorită ratelor diferite de ardere în diferite părți ale cilindrului, este mai bine să plasați două bujii, iar în motoarele cu hidrogen, utilizarea electrozilor de platină nu este practică, deoarece platina devine un catalizator care duce la oxidarea combustibilului la temperaturi scăzute.

H2R

H2R este un prototip funcțional de supersport construit de inginerii BMW și propulsat de un motor cu doisprezece cilindri care atinge o putere maximă de 285 CP atunci când este alimentat 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 unitatea standard de vârf folosită la 760i pe benzină și a luat doar zece luni pentru a se dezvolta. Pentru a preveni arderea spontană, specialiștii bavarez au dezvoltat un ciclu special de curgere și o strategie de injecție în camera de ardere, folosind posibilitățile oferite de sistemele de sincronizare variabilă a supapelor ale motorului. Înainte ca amestecul să intre în cilindri, aceștia din urmă sunt răciți cu aer, iar aprinderea se efectuează numai la punctul mort superior - datorită vitezei mari de ardere cu combustibil hidrogen, avansul la aprindere nu este necesar.

Constatări

Analiza financiară a tranziției către energia cu hidrogen curat nu este încă foarte optimistă. Producția, stocarea, transportul și furnizarea de gaze ușoare sunt în continuare procese destul de consumatoare de energie, iar în stadiul tehnologic actual al dezvoltării umane o astfel de schemă nu poate fi eficientă. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că cercetarea și căutarea soluțiilor nu vor continua. Propunerile de a genera hidrogen din apă folosind electricitatea din panourile solare și de a-l stoca în rezervoare mari sun optimiste. Pe de altă parte, procesul de generare a energiei electrice și a hidrogenului în faza gazoasă în deșertul Sahara, transportarea acestuia către Marea Mediterană prin conducte, lichefierea și transportarea acestuia prin tancuri criogenice, descărcarea acestuia în porturi și în final transportarea acestuia cu camionul sună un puțin ridicol în acest moment ...

O idee interesantă a fost prezentată recent de compania petrolieră norvegiană Norsk Hydro, care a propus producerea de hidrogen din gaze naturale în amplasamentele de producție din Marea Nordului, iar monoxidul de carbon rezidual a fost depozitat în câmpuri epuizate sub fundul mării. Adevărul se află undeva la mijloc și numai timpul va spune unde va merge dezvoltarea industriei hidrogenului.

Varianta Mazda

Compania japoneză Mazda prezintă, de asemenea, versiunea sa a motorului cu hidrogen - sub forma unei mașini sport RX-8 cu unitate rotativă. Acest lucru nu este surprinzător, deoarece caracteristicile de design ale motorului Wankel sunt extrem de potrivite pentru utilizarea hidrogenului ca combustibil. Gazul este depozitat la presiune ridicată într-un rezervor special, iar combustibilul este injectat direct în camerele de ardere. Datorita faptului ca in cazul motoarelor rotative zonele in care au loc injectia si arderea sunt separate, iar temperatura in partea de aspiratie este mai mica, problema posibilitatii aprinderii necontrolate este redusa semnificativ. Motorul Wankel oferă și spațiu suficient pentru două injectoare, ceea ce este extrem de important pentru injectarea cantității optime de hidrogen.