БМВ и водоник: мотор са унутрашњим сагоревањем

Пројекти компаније започети су пре 40 година са водоничном верзијом серије 5

БМВ већ дуго верује у електричну мобилност. Данас се Тесла може сматрати репером у овој области, али пре десет година, када је америчка компанија демонстрирала концепт прилагођене алуминијумске платформе, која је потом реализована у облику Тесла Модел С, БМВ је активно радио на Мегацитију. Пројекат возила. 2013 се продаје као БМВ и3. Авангардни немачки аутомобил користи не само алуминијумску потпорну структуру са интегрисаним батеријама, већ и тело од полимера ојачаних угљеником. Међутим, оно што је Тесла неоспорно испред својих конкурената јесте његова изузетна методологија, посебно на нивоу развоја батерија за електрична возила – од односа са произвођачима литијум-јонских ћелија до изградње огромних фабрика батерија, укључујући и оне са неелектричним применама. покретљивост.

Али вратимо се БМВ-у јер, за разлику од Тесле и многих његових конкурената, немачка компанија и даље верује у мобилност водоника. Недавно је тим на челу са потпредседником компаније за водоничне горивне ћелије, др Јиргеном Гоулднером, представио И-Хидроген Нект горивну ћелију, самоходни генератор који покреће хемијска реакција на ниској температури. Овог тренутка обележава се 10. годишњица лансирања БМВ-овог развоја возила на горивне ћелије и 7. годишњица сарадње са Тојотом на горивим ћелијама. Међутим, ослањање БМВ-а на водоник сеже 40 година уназад и много је више „вруће температуре“.

Ово је више од четврт века развоја компаније, у којој се водоник користи као гориво за моторе са унутрашњим сагоревањем. Током већег дела тог периода, компанија је веровала да је мотор са унутрашњим сагоревањем на водоник ближи потрошачу од горивне ћелије. Са ефикасношћу од око 60% и комбинацијом електромотора са ефикасношћу већом од 90%, мотор на гориве ћелије је много ефикаснији од мотора са унутрашњим сагоревањем који ради на водоник. Као што ћемо видети у наредним редовима, са њиховим директним убризгавањем и турбо пуњењем, данашњи мотори смањених димензија биће изузетно погодни за испоруку водоника—под условом да су на месту одговарајући системи за убризгавање и контролу сагоревања. Али док су мотори са унутрашњим сагоревањем на водоник обично много јефтинији од горивих ћелија у комбинацији са литијум-јонском батеријом, они више нису на дневном реду. Осим тога, проблеми мобилности водоника у оба случаја далеко превазилазе оквире погонског система.

Па ипак, зашто водоник?

Водоник је суштински елемент у тежњи човечанства да користи све више и више алтернативних извора енергије, попут моста за складиштење енергије сунца, ветра, воде и биомасе претварајући је у хемијску енергију. Једноставно речено, то значи да се електрична енергија произведена овим природним изворима не може складиштити у великим количинама, већ се може користити за производњу водоника разлагањем воде у кисеоник и водоник.

Наравно, водоник се може екстраховати и из необновљивих извора угљоводоника, али то је дуго било неприхватљиво када је у питању његово коришћење као енергент. Неоспорна је чињеница да су технолошки проблеми производње, складиштења и транспорта водоника решиви – у пракси се и сада производе огромне количине овог гаса и користе као сировина у хемијској и петрохемијској индустрији. У овим случајевима, међутим, висока цена водоника није смртоносна, јер се „топи“ по високој цени производа у које је укључен.

Међутим, проблем коришћења лаког гаса као извора енергије и то у великим количинама је мало компликованији. Научници већ дуго одмахују главом у потрази за могућом стратешком алтернативом мазут, а повећање електричне мобилности и водоника можда су у блиској симбиози. У основи свега овога је једноставна, али веома важна чињеница – екстракција и употреба водоника се врти око природног циклуса комбиновања и разлагања воде… Ако човечанство унапреди и прошири методе производње користећи природне изворе као што су сунчева енергија, ветар и вода, водоник се може производити и користити у неограниченим количинама без емитовања штетних емисија.
производња

Тренутно се у свету производи више од 70 милиона тона чистог водоника. Главна сировина за његову производњу је природни гас, који се прерађује у процесу познатом као „реформисање“ (половина укупног броја). Мање количине водоника производе се другим процесима као што су електролиза једињења хлора, делимична оксидација тешке нафте, гасификација угља, пиролиза угља ради добијања кокса и реформинг бензина. Отприлике половина светске производње водоника користи се за синтезу амонијака (који се користи као сировина у производњи ђубрива), у преради нафте и синтези метанола.

Ове производне шеме оптерећују животну средину у различитом степену и, нажалост, ниједан од њих не нуди смислену алтернативу тренутном енергетском статусу кво – прво зато што користе необновљиве изворе, а друго зато што производња емитује нежељене супстанце као што је угљен-диоксид. Најперспективнији метод за производњу водоника у будућности остаје разлагање воде уз помоћ електричне енергије, познато у основној школи. Међутим, затварање циклуса чисте енергије тренутно је могуће само коришћењем природне, а посебно сунчеве енергије и енергије ветра за производњу електричне енергије потребне за разлагање воде. Према речима др Гоулднера, савремене технологије „повезане” са ветро- и соларним системима, укључујући мале водоничне станице, где се ове последње производе на лицу места, представљају велики нови корак у овом правцу.
Локација складишта

Водоник се може складиштити у великим количинама и у гасовитој и у течној фази. Највећи такви резервоари, у којима се водоник држи на релативно ниском притиску, називају се „гасомери“. Средњи и мањи резервоари прилагођени су за складиштење водоника под притиском од 30 бара, док најмањи специјални резервоари (скупи уређаји израђени од композита ојачаних специјалним челиком или карбонским влакнима) одржавају константан притисак од 400 бара.
Водоник се такође може складиштити у течној фази на -253°Ц по јединици запремине која садржи 1,78 пута више енергије него када се складишти на 700 бара – да би се постигла еквивалентна количина енергије у течном водонику по јединици запремине, гас мора бити компримован до 1250 бара. Због веће енергетске ефикасности расхлађеног водоника, БМВ је у партнерству са немачком расхладном групом Линде за своје прве системе, која је развила најсавременије криогене уређаје за течност и складиштење водоника. Научници нуде и друге, али у овом тренутку мање применљиве, алтернативе за складиштење водоника – на пример складиштење под притиском у специјалном металном брашну, у виду металних хидрида и др.

Мреже за пренос водоника већ постоје у областима са високом концентрацијом хемијских постројења и рафинерија нафте. Генерално, техника је слична оној за пренос природног гаса, али употреба потоњег за потребе водоника није увек могућа. Међутим, чак и у прошлом веку, многе куће у европским градовима биле су осветљене цевоводним лаким гасом, који садржи до 50% водоника и који се користи као гориво за прве стационарне моторе са унутрашњим сагоревањем. Тренутни ниво технологије већ омогућава трансконтинентални транспорт течног водоника кроз постојеће криогене танкере, сличне онима који се користе за природни гас.

БМВ и мотор са унутрашњим сагоревањем

„Вода. Једини крајњи производ чистих БМВ мотора који користи течни водоник уместо нафтног горива и омогућава свима да уживају у новим технологијама чисте савести.”

Ове речи су цитат из рекламне кампање за немачку компанију с почетка 745. века. Требало би да промовише прилично егзотичну верзију баварског произвођача аутомобила, која има XNUMX сати водоника. Егзотично, јер ће, према БМВ-у, прелазак на алтернативе угљоводоничним горивима којима се ауто индустрија храни од почетка захтевати промену целокупне индустријске инфраструктуре. Тада су Баварци пронашли обећавајући пут развоја не у широко рекламираним горивним ћелијама, већ у преношењу мотора са унутрашњим сагоревањем у рад са водоником. БМВ верује да је накнадна уградња предмет који се може решити и већ бележи значајан напредак према кључном изазову обезбеђивања поузданих перформанси мотора и елиминисања његове тенденције ка бежном сагоревању користећи чисти водоник. Успех у овом правцу је резултат компетентности на пољу електронске контроле процеса мотора и могућности употребе патентираних БМВ-ових патентираних система Валветрониц и Ванос за флексибилну дистрибуцију гаса, без којих је немогуће гарантовати нормалан рад „водоничних мотора“.

Међутим, први кораци у овом правцу датирају из 1820. године, када је дизајнер Вилијам Сесил створио мотор на водоник који ради на такозваном „принципу вакуума“ – шема потпуно другачија од оне која је касније измишљена са унутрашњим мотором. гори. У свом првом развоју мотора са унутрашњим сагоревањем 60 година касније, пионир Ото је користио већ поменути синтетички гас добијен од угља са садржајем водоника од око 50%. Међутим, проналаском карбуратора, употреба бензина је постала много практичнија и сигурнија, а течно гориво је заменило све друге алтернативе које су постојале до сада. Својства водоника као горива открила је много година касније свемирска индустрија, која је брзо открила да водоник има најбољи однос енергије и масе од било ког горива познатог човечанству.

У јулу 1998. године, Европско удружење аутомобилске индустрије (АЦЕА) обавезало се да ће смањити емисију ЦО2 за новорегистрована возила у Унији на просечно 140 грама по километру до 2008. године. У пракси то значи смањење емисије од 25% у односу на 1995. годину и еквивалентно је просечној потрошњи горива у новој флоти од око 6,0 л / 100 км. То изузетно отежава задатак аутомобилским компанијама и, према речима стручњака БМВ-а, може се решити или коришћењем горива са ниским садржајем угљеника или потпуно уклањањем угљеника из састава горива. Према овој теорији, водоник се у свој својој слави појављује на аутомобилској сцени.
Баварска компанија постаје први произвођач аутомобила који је започео масовну производњу возила на водоник. Оптимистичне и самопоуздане тврдње одбора директора БМВ-а Буркхарда Госцхела, члана одбора БМВ-а одговорног за нови развој, да ће „компанија продавати аутомобиле са водоником пре истека серије 7“ се заиста остварују. Са Хидроген 7, верзија седме серије представљена је 2006. године и има 12-цилиндрични мотор од 260 КС. ова порука постаје стварност.

Намера делује прилично амбициозно, али са добрим разлогом. БМВ експериментише са моторима са сагоревањем водоника од 1978. године, са серијом 5 (Е12), 1984-часовна верзија Е 745 представљена је 23. године, а 11. маја 2000. године демонстрирала је јединствене могућности ове алтернативе. Импресивна флота од 15 КС. Е 750 „недеље“ са 38-цилиндричним моторима на водоник покренуо је маратон од 12 км, истичући успех компаније и обећање нове технологије. 170. и 000. године нека од ових возила наставила су да учествују у разним демонстрацијама за промоцију идеје о водонику. Затим долази нови развој заснован на следећој серији 2001, који користи савремени 2002-литарски В-7 мотор и способан је да постигне максималну брзину од 4,4 км / х, праћен најновијим развојем са 212-цилиндричним В-12 мотором.

Према званичном мишљењу компаније, разлози због којих се БМВ тада одлучио за ову технологију преко горивних ћелија су и комерцијални и психолошки. Прво, овај метод ће захтевати знатно мање улагања у случају промена индустријске инфраструктуре. Друго, јер су људи навикли на стари стари мотор са унутрашњим сагоревањем, воле га и биће тешко растати се од њега. И треће, јер се истовремено ова технологија развија брже од технологије горивих ћелија.

У БМВ аутомобилима, водоник се складишти у претерано изолованој криогеној посуди, нешто попут термос боце високе технологије коју је развила немачка група за хлађење Линде. На ниским температурама складиштења, гориво је у течној фази и улази у мотор као нормално гориво.

Дизајнери минхенске компаније користе убризгавање горива у усисне колекторе, а квалитет смеше зависи од режима рада мотора. У режиму делимичног оптерећења, мотор ради на сиромашним смешама сличним дизелу - мења се само количина убризганог горива. Ово је такозвана „контрола квалитета“ смеше, у којој мотор ради са вишком ваздуха, али због малог оптерећења, стварање емисије азота је сведено на минимум. Када постоји потреба за значајном снагом, мотор почиње да ради као бензински, прелазећи на такозвану „квантитативну регулацију“ смеше и на нормалне (не посне) смеше. Ове промене су могуће, с једне стране, захваљујући брзини електронског управљања процесима у мотору, ас друге стране, захваљујући флексибилном раду система за контролу дистрибуције гаса – „дупли” Ванос, који раде у спрези. са Валветрониц системом за контролу усисавања без гаса. Треба имати у виду да је, према речима инжењера БМВ-а, радна шема овог развоја само међуфаза у развоју технологије и да ће у будућности мотори морати да пређу на директно убризгавање водоника у цилиндре и турбопуњач. Очекује се да ће примена ових метода довести до побољшања динамичких перформанси аутомобила у поређењу са сличним бензинским мотором и до повећања укупне ефикасности мотора са унутрашњим сагоревањем за више од 50%.

Интересантна чињеница о развоју је да са најновијим достигнућима у моторима са унутрашњим сагоревањем „водоник” дизајнери у Минхену улазе у област горивих ћелија. Они користе такве уређаје за напајање уграђене електричне мреже у аутомобилима, потпуно елиминишући конвенционалну батерију. Захваљујући овом кораку, могућа је додатна уштеда горива, пошто мотор на водоник не мора да покреће алтернатор, а електрични систем у возилу постаје потпуно аутономан и независан од путање вожње – може да производи електричну енергију чак и када мотор не ради, а производња и потрошња енергије се могу у потпуности оптимизовати. Чињеница да се сада може произвести онолико електричне енергије колико је потребно за напајање водене пумпе, пумпи за уље, појачавача кочница и система ожичења такође се претвара у даљу уштеду. Међутим, паралелно са свим овим иновацијама, систем за убризгавање горива (бензин) практично није претрпео никакве скупе промене дизајна.

У циљу промоције водоничних технологија у јуну 2002. године, БМВ Гроуп, Арал, БВГ, ДаимлерЦхрислер, Форд, ГХВ, Линде, Опел, МАН је створио партнерски програм ЦлеанЕнерги, који је започео своју активност са развојем бензинских пумпи. и компримовани водоник. У њима се део водоника производи на лицу места помоћу соларне електричне енергије, а затим се компримује, а велике течне количине долазе из посебних производних станица, а све паре из течне фазе се аутоматски преносе у резервоар за гас.
БМВ је покренуо низ других заједничких пројеката, укључујући и нафтне компаније, међу којима су најактивнији учесници Арал, БП, Схелл и Тотал.
Међутим, зашто БМВ напушта ова технолошка решења и даље се фокусира на горивне ћелије, рећи ћемо вам у другом чланку ове серије.

Водоник у моторима са унутрашњим сагоревањем

Занимљиво је напоменути да је због физичких и хемијских својстава водоника много запаљивији од бензина. У пракси, то значи да је за покретање процеса сагоревања у водонику потребно много мање почетне енергије. С друге стране, мотори на водоник могу лако да користе веома "лоше" мешавине - нешто што савремени бензински мотори постижу сложеним и скупим технологијама.

Топлота између честица мешавине водоник-ваздух се мање распршује, а истовремено је температура самопаљења много већа, као и брзина процеса сагоревања у поређењу са бензином. Водоник има малу густину и јаку дифузију (могућност уласка честица у други гас - у овом случају ваздух).

Управо је ниска енергија активирања потребна за самозапаљење један од највећих изазова у контроли сагоревања у водоничним моторима, јер се смеша лако може спонтано запалити због додира са врућим деловима у комори за сагоревање и отпора пратећи ланац потпуно неконтролисаних процеса. Избегавање овог ризика један је од највећих изазова у дизајну мотора са водоником, али није лако елиминисати последице чињенице да се високо диспергована смеша за сагоревање креће врло близу зидова цилиндра и може продрети у изузетно уске празнине. на пример дуж затворених вентила ... Све ово се мора узети у обзир приликом пројектовања ових мотора.

Висока температура самозапаљења и висок октански број (око 130) омогућавају повећање степена компресије мотора и, према томе, његове ефикасности, али опет постоји опасност од самозапаљења водоника у додиру са топлијим делом. у цилиндру. Предност велике дифузијске способности водоника је могућност лаког мешања са ваздухом, што у случају квара резервоара гарантује брзо и сигурно расипање горива.

Идеална смеша ваздух-водоник за сагоревање има однос од око 34:1 (за бензин овај однос је 14,7:1). То значи да је при комбиновању исте масе водоника и бензина у првом случају потребно више него двоструко више ваздуха. Истовремено, мешавина водоник-ваздух заузима знатно више простора, што објашњава зашто водонични мотори имају мању снагу. Чисто дигитална илустрација односа и запремина је прилично елоквентна - густина водоника спремног за сагоревање је 56 пута мања од густине бензинске паре... Међутим, треба напоменути да, генерално, водонични мотори могу да раде на мешавини ваздуха. . водоник у односима до 180:1 (тј. са веома „лошим“ мешавинама), што опет значи да мотор може да ради без гаса и да користи принцип дизел мотора. Такође треба напоменути да је водоник неприкосновени лидер у поређењу водоника и бензина као масовног извора енергије – килограм водоника има скоро три пута више енергије по килограму бензина.

Као и код бензинских мотора, течни водоник се може убризгати директно испред вентила у колекторима, али најбоље решење је убризгавање директно током такта компресије – у овом случају снага може премашити снагу упоредивог бензинског мотора за 25%. То је зато што гориво (водоник) не истискује ваздух као код бензинских или дизел мотора, дозвољавајући комори за сагоревање да се напуни само (значајно више него обично) ваздухом. Поред тога, за разлику од бензинских мотора, водонику није потребно структурно ковитлање, јер водоник без ове мере прилично добро дифундује са ваздухом. Због различитих брзина сагоревања у различитим деловима цилиндра, боље је уградити две свећице, ау моторима на водоник употреба платинастих електрода није погодна, јер платина постаје катализатор који доводи до оксидације горива чак и на ниским температурама. .

Мазда опција

Јапанска компанија Мазда такође показује своју верзију водоничног мотора, у виду ротационог блока у спортском аутомобилу РКС-8. Ово није изненађујуће, јер су карактеристике дизајна Ванкел мотора изузетно погодне за коришћење водоника као горива.
Гас се складишти под високим притиском у посебном резервоару и гориво се убризгава директно у коморе за сагоревање. С обзиром на то да су код ротационих мотора зоне у којима се јавља убризгавање и сагоревање одвојене, а температура у усисном делу нижа, проблем са могућношћу неконтролисаног паљења је знатно смањен. Ванкелов мотор такође нуди довољно простора за два ињектора, што је пресудно за убризгавање оптималне количине водоника.

ХКСНУМКСР

Х2Р је радни суперспортски прототип који су израдили БМВ инжењери и покреће га 12-цилиндарски мотор који достиже максималну снагу од 285 КС. при раду са водоником. Захваљујући њима, експериментални модел убрзава од 0 до 100 км / х за шест секунди и достиже максималну брзину од 300 км / х. Х2Р мотор је заснован на стандардном врху који се користи у 760и бензинцу и требало му је само десет месеци да се развије .

Да би спречили спонтано сагоревање, баварски стручњаци су развили специјалну стратегију за циклусе протока и убризгавања у комору за сагоревање, користећи могућности које пружа променљиви систем управљања вентилима мотора. Пре него што смеша уђе у цилиндре, ови се хладе ваздухом, а паљење се врши само у горњој мртвој тачки - због велике брзине сагоревања са водоничним горивом, није потребно унапредјење паљења.