BMW и водород: мотор со внатрешно согорување

Проектите на компанијата започнаа пред 40 години со водородната верзија на серијата 5

BMW долго време верува во електричната мобилност. Денес Tesla може да се смета за репер на ова поле, но пред десет години, кога американската компанија го демонстрираше концептот на прилагодена алуминиумска платформа, која потоа беше реализирана во форма на Tesla Model S, BMW активно работеше на Megacity Vehicle. проект. 2013 година се продава како BMW i3. Авангардниот германски автомобил не користи само алуминиумска потпорна структура со интегрирани батерии, туку и каросерија направена од полимери засилени со јаглерод. Сепак, она што Tesla е несомнено пред своите конкуренти е неговата исклучителна методологија, особено во опсегот на развојот на батериите за електрични возила - од односите со производителите на литиум-јонски ќелии до изградбата на огромни фабрики за батерии, вклучително и за неелектрични апликации. мобилност.

Но, да се вратиме на BMW, бидејќи за разлика од Tesla и многу нејзини конкуренти, германската компанија сè уште верува во мобилност на водород. Неодамна, тим предводен од потпретседателот на компанијата за водородни горивни ќелии, д-р Јирген Гулднер, го претстави моделот на горивни ќелии I-Hydrogen Next, самоодни електрични генератори базирани на хемиска реакција на ниска температура. Овој момент ја одбележува 10-годишнината од претставувањето од почетокот на развојот на возилата со горивни ќелии во BMW и 7-годишнината од почетокот на соработката со Toyota во областа на горивни ќелии. Сепак, зависноста на БМВ од водородот датира 40 години наназад и е многу по „висока температура“.

Ова е повеќе од четвртина век развој на компанијата во која водородот се користи како гориво за мотори со внатрешно согорување. Во поголемиот дел од овој период, компанијата веруваше дека моторот со согорување на водород е поблиску до потрошувачот отколку горивната ќелија. Со ефикасност од околу 60% и комбинација на електричен мотор со ефикасност од над 90%, моторот со горивни ќелии работи многу поефикасно од моторот со согорување на водород. Како што ќе видиме во следните редови, со нивното директно вбризгување и турбо полнење, современите намалени мотори ќе бидат исклучително погодни за испорака на водород - под услов да се создадат соодветни системи за вбризгување и управување со согорувањето. Но, иако моторите со внатрешно согорување напојувани од водород се генерално многу поевтини од горивни ќелии споени со литиум-јонска батерија, тие повеќе не се на дневен ред. Дополнително, проблемите со мобилноста на водородот во двата случаи се протегаат многу подалеку од погонскиот систем.

А сепак, зошто водород?

Водородот е важен елемент во потрагата на човештвото да користи сè повеќе алтернативни извори на енергија, како што е мостот за складирање на енергија од сончева, ветер, вода и биомаса преку нејзино претворање во хемиска енергија. Во едноставни термини, тоа значи дека електричната енергија произведена од овие природни извори не може да се складира во големи количини, туку може да се користи за производство на водород со разградување на водата на кислород и водород.

Се разбира, водородот може да се екстрахира и од необновливи извори на јаглеводороди, но тоа одамна е неприфатливо кога станува збор за негово користење како извор на енергија. Непобитен факт е дека технолошките проблеми за производство, складирање и транспорт на водород се решливи - во пракса и сега се произведуваат огромни количини на овој гас и се користат како суровини во хемиската и петрохемиската индустрија. Во овие случаи, сепак, високата цена на водородот не е смртоносна, бидејќи тој се „топи“ по високата цена на производите во чии синтеза учествува.

Сепак, проблемот со користење на лесен гас како извор на енергија и во големи количини е малку покомплициран. Научниците долго време вртат глава за можна стратешка алтернатива на нафтените горива, а зголемената електрична мобилност и водородот може да имаат блиска симбиоза. Во срцето на сето тоа е едноставен, но многу важен факт - екстракцијата и употребата на водородот се врти околу природниот циклус на комбинирање и разградување на водата... Ако човештвото ги подобри и прошири методите на производство користејќи природни извори како сончевата енергија, ветерот и вода, водородот може да се произведува и користи во неограничени количини без да испушта штетни емисии.
производство

Во моментов, светот произведува повеќе од 70 милиони тони чист водород. Главната суровина за неговото производство е природниот гас, кој се преработува во процес познат како „реформирање“ (половина од вкупниот број). Помали количини на водород се произведуваат со други процеси како што се електролиза на соединенија на хлор, делумна оксидација на тешка нафта, гасификација на јаглен, пиролиза на јаглен за производство на кокс и реформирање на бензинот. Околу половина од светското производство на водород се користи за синтеза на амонијак (кој се користи како суровина во производството на ѓубрива), рафинирање на нафта и синтеза на метанол.

Овие производни шеми наметнуваат различни степени на оптоварување на животната средина и, за жал, ниту една од нив не нуди значајна алтернатива на сегашната енергетска состојба - прво затоа што користат необновливи извори, и второ затоа што производството испушта несакан отпад.супстанции како јаглерод диоксид. Најперспективен метод за производство на водород во иднина останува распаѓањето на водата со помош на електрична енергија, познато во основното училиште. Сепак, затворањето на јамката за чиста енергија моментално е можно само со користење на природна, а особено сончева и ветерна енергија за производство на електрична енергија потребна за разградување на водата. Според д-р Гулднер, современите технологии „поврзани“ со ветерните и соларните системи, вклучително и малите водородни станици каде вторите се произведуваат на лице место, се следниот голем чекор во оваа насока.
Место за складирање

Водородот може да се складира во големи количини и во гасовита и во течна фаза. Најголемите такви резервоари, кои држат водород при релативно низок притисок, се нарекуваат „мерки на гас“. Средните и помалите резервоари се дизајнирани да складираат водород на 30 бари, додека најмалите наменски резервоари (скапите единици направени од специјални композити армирани со челик или јаглеродни влакна) одржуваат постојан притисок од 400 бари.
Водородот може да се складира и во течна фаза на -253°C по единица волумен, што содржи 1,78 пати повеќе енергија отколку кога се складира на 700 бари - за да се постигне еквивалентно количество енергија во течен водород по единица волумен, гасот мора да се компресира. до 1250 бари. Поради повисоката енергетска ефикасност на ладилниот водород, BMW соработува со германската групација за ладење Linde за своите први системи, кои развиле модерни криогени уреди за течење и складирање на водород. Научниците предлагаат и други, но моментално помалку применливи алтернативи за складирање на водород - на пример складирање под притисок во специјално метално брашно, во форма на метални хидриди и други.

Мрежи за пренос на водород веќе постојат во области со високи концентрации на хемиски погони и рафинерии за нафта. Генерално, методологијата е слична на онаа за пренос на природен гас, но користењето на вториот за потребите на водород не е секогаш можно. Сепак, уште во минатиот век, многу куќи во европските градови беа осветлени со цевководен лесен гас, кој содржи до 50% водород и се користеше како гориво за првите стационарни мотори со внатрешно согорување. Денешното ниво на технологија веќе овозможува трансконтинентален транспорт на течен водород преку постоечките криогени танкери слични на оние што се користат за природен гас.

BMW и моторот со внатрешно согорување

„Вода. Единствениот краен производ на чистите мотори на BMW, кои користат течен водород наместо нафтено гориво и им овозможуваат на сите да уживаат во новите технологии со чиста совест“.

Овие зборови се цитат од рекламна кампања на една германска компанија на почетокот на 745 век. Тој треба да промовира прилично егзотична верзија на водород од XNUMX часа на предводникот на баварскиот производител на автомобили. Егзотични бидејќи, според BMW, транзицијата кон алтернативи на јаглеводородни горива, кои ја напојуваат автомобилската индустрија од самиот почеток, ќе бара промени во целата индустриска инфраструктура. Во тоа време, Баварците најдоа ветувачки пат за развој не во широко рекламираните горивни ќелии, туку во претворањето на моторите со внатрешно согорување да работат со водород. BMW верува дека обновувањето што се разгледува е решлив проблем и веќе прави значителен напредок во справувањето со клучниот предизвик за обезбедување сигурни перформанси на моторот и елиминирање на неговата склоност кон процесите на неконтролирано согорување со користење на чист водород. Успехот во оваа насока се должи на компетентноста во областа на електронската контрола на процесите на моторот и способноста да се користат патентираните системи на BMW за флексибилна дистрибуција на гас Valvetronic и Vanos, без кои е невозможно да се гарантира нормално функционирање на „водородните мотори“.

Сепак, првите чекори во оваа насока датираат од 1820 година, кога дизајнерот Вилијам Сесил создаде мотор со водород гориво што работи на таканаречениот „вакуум принцип“ - сосема поинаков дизајн од оној што подоцна беше измислен со внатрешен мотор. согорување. Во неговиот прв развој на мотори со внатрешно согорување 60 години подоцна, пионерот Ото го користел веќе споменатиот сингас добиен од јаглен со содржина на водород од околу 50%. Меѓутоа, со пронаоѓањето на карбураторот, употребата на бензин стана многу попрактична и побезбедна, а течното гориво ги замени сите други алтернативи што постоеја до сега. Својствата на водородот како гориво беа откриени многу години подоцна од вселенската индустрија, која брзо откри дека водородот има најдобар сооднос енергија/маса од кое било гориво познато на човештвото.

Во јули 1998 година, Европската асоцијација за автомобилска индустрија (ACEA) се обврза да ги намали емисиите на CO2 за новите регистрирани автомобили во Унијата на просечни 140 грама на километар до 2008 година. Во пракса, ова значи намалување на емисиите за 25% во споредба со 1995 година и е еквивалентно на просечна потрошувачка на гориво на нова флота од околу 6,0 l/100 km. Ова ја прави задачата исклучително тешка за автомобилските компании и, според експертите на BMW, може да се реши или со користење горива со ниска содржина на јаглерод или со целосно отстранување на јаглеродот од составот на горивото. Според оваа теорија, водородот се појавува на автомобилската сцена во сета своја слава.
Баварската компанија станува првиот производител на автомобили кој масовно произведува возила со погон на водород. Оптимистичките и сигурни изјави на БМВ Буркхард Гошел, член на одборот на директори на БМВ одговорен за новите случувања, дека „компанијата ќе продава автомобили со водород пред истекот на Серијата 7“ навистина се остваруваат. Верзијата Hydrogen 7 од седумте серии беше претставена во 2006 година и има 12-цилиндричен мотор со 260 КС. оваа порака станува реалност.

Намерата изгледа прилично амбициозна, но со добра причина. BMW експериментира со водородни мотори со внатрешно согорување од 1978 година, со серијата 5 (E12), верзијата E 1984 од 745 часа беше претставена во 23 година, а на 11 мај 2000 година ги покажа уникатните способности на оваа алтернатива. , Импресивна флота од 15 КС. Автомобилите E 750 „недела“ со 38-цилиндрични мотори кои работат на водород истрчаа маратон од 12 km, особено јасно демонстрирајќи го успехот на компанијата и ветувањето за новата технологија. Во 170 и 000 година, некои од овие автомобили продолжија да учествуваат во различни демонстрации за промовирање на идејата за водород. Потоа следува нов развој базиран на следната Серија 2001, кој користи модерен 2002-литарски мотор со осум цилиндри и способен за максимална брзина од 7 km/h, проследен со најновиот развој со 4,4-цилиндричен мотор со шест литри.

Според официјалното мислење на компанијата, причините зошто BMW ја избрал оваа технологија наместо горивни ќелии во тоа време, имале и комерцијална и психолошка основа. Прво, овој метод ќе бара значително помалку инвестиции во случај на промени во индустриската инфраструктура. Второ, бидејќи луѓето се навикнати на стариот добар мотор со внатрешно согорување, го сакаат и тешко ќе се разделат со него. И трето, затоа што во исто време оваа технологија се развива побрзо од технологијата на горивни ќелии.

Во автомобилите на BMW, водородот се складира во супер изолиран криоген сад - нешто како високотехнолошка термос колба развиена од германската група за ладење Линде. При ниски температури на складирање, горивото е во течна фаза и влегува во моторот како обично гориво.

Дизајнерите на минхенската компанија користат вбризгување гориво во доводните колектори, а квалитетот на смесата зависи од режимот на работа на моторот. Во режимот на делумно оптоварување, моторот работи на посно смеси слични на дизелот - единствената промена е во количината на вбризгувано гориво. Ова се нарекува контрола на мешавината, во која моторот работи со вишок воздух, но поради малото оптоварување, генерирањето на емисиите на азот е минимизирано. Кога ќе се појави потреба за значителна моќност, моторот почнува да работи како бензински мотор, преминувајќи кон таканаречената „квантитативна контрола“ на смесата и кон нормални (не посно) мешавини. Овие промени се можни, од една страна, благодарение на брзината на електронската контрола на процесот во моторот, а од друга, благодарение на флексибилното функционирање на системите за контрола на вентилите - „двојниот“ Ванос, кој работи во врска со Систем за контрола на доводот Valvetronic без вентил за гас. Треба да се има на ум дека, според инженерите на BMW, работната шема на овој развој е само средна фаза во развојот на технологијата и дека во иднина моторите ќе треба да се префрлат на директно вбризгување на водород во цилиндрите и турбо полнач. . Се очекува дека примената на овие методи ќе резултира со подобрени динамички перформанси на возилото во споредба со сличен бензински мотор и зголемување на вкупната ефикасност на моторот со внатрешно согорување за повеќе од 50%.

Интересен факт за развој е дека со најновите достигнувања на „водородни“ мотори со внатрешно согорување, дизајнерите во Минхен влегуваат во полето на горивни ќелии. Тие користат такви уреди за напојување на вградената електрична мрежа во автомобилите, со што целосно ја елиминираат конвенционалната батерија. Благодарение на овој чекор, можни се дополнителни заштеди на гориво, бидејќи водородниот мотор не мора да го придвижува алтернаторот, а вградениот електричен систем станува целосно автономен и независен од погонската патека - може да генерира електрична енергија дури и кога моторот не е работи, а производството и потрошувачката на енергија може целосно да се оптимизираат. Фактот дека сега може да се генерира онолку електрична енергија колку што е потребно за напојување на пумпата за вода, пумпите за масло, засилувачите на сопирачките и системите за жици, исто така, резултира со дополнителни заштеди. Сепак, паралелно со сите овие иновации, системот за вбризгување гориво (бензин) практично не претрпе никакви скапи промени во дизајнот.

Со цел да се промовираат водородните технологии, во јуни 2002 година, компаниите BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN ја создадоа партнерската програма „CleanEnergy“, која ги започна своите активности со развој на полнење со течен гас. станици. и компримиран водород. Во нив дел од водородот се произведува на лице место со помош на соларна струја, а потоа се компресира, додека поголемите течни количини се снабдуваат од специјални производствени станици, а сите испарувања од течната фаза автоматски се пренесуваат во резервоар за гас.
BMW иницираше голем број други заеднички проекти, вклучително и со нафтени компании, меѓу кои најактивни учесници се Aral, BP, Shell, Total.
Меѓутоа, зошто BMW ги напушта овие технолошки решенија и сè уште се фокусира на горивни ќелии, ќе ви кажеме во друга статија од оваа серија.

Водород во моторите со внатрешно согорување

Интересно е да се забележи дека поради физичките и хемиските својства на водородот, тој е многу позапалив од бензинот. Во пракса, тоа значи дека е потребна многу помалку почетна енергија за да се започне процесот на согорување во водород. Од друга страна, водородните мотори можат лесно да користат многу „сиромашни“ мешавини - нешто што современите бензински мотори го постигнуваат преку сложена и скапа технологија.

Топлината помеѓу честичките од смесата водород-воздух се троши помалку, а во исто време температурата на автоматско палење е многу повисока, како и брзината на процесите на согорување во споредба со бензинот. Водородот има мала густина и силна дифузија (можност честичките да влезат во друг гас - во овој случај, воздух).

Токму ниската енергија за активирање потребна за автоматско палење е еден од најголемите проблеми во контролирањето на процесите на согорување кај водородните мотори, бидејќи смесата лесно може спонтано да се запали поради контакт со пожешките области во комората за согорување и отпорот по синџирот на целосно неконтролирани процеси. Избегнувањето на овој ризик е еден од најголемите предизвици во дизајнот на водородниот мотор, но не е толку лесно да се елиминираат последиците од фактот дека високо дисперзираната смеса за горење патува многу блиску до ѕидовите на цилиндерот и може да навлезе во екстремно тесни празнини. на пример, покрај затворени вентили... Сето ова мора да се земе предвид при дизајнирање на овие мотори.

Високата температура на автоматско палење и високиот октански број (околу 130) му овозможуваат на моторот да го зголеми односот на компресија, а со тоа и неговата ефикасност, но повторно постои опасност од автоматско палење на водородот доколку дојде во контакт со потопол дел. во цилиндар. Предноста на високата дифузност на водородот е способноста лесно да се меша со воздухот, што во случај на дефект на резервоарот гарантира брзо и безбедно растурање на горивото.

Идеалната смеса воздух-водород за согорување има сооднос од околу 34:1 (за бензин односот е 14,7:1). Ова значи дека при комбинирање на иста маса на водород и бензин, првиот ќе бара повеќе од двојно повеќе воздух. Во исто време, мешавината водород-воздух зафаќа значително повеќе простор, што објаснува зошто водородните мотори имаат помала моќност. Чисто дигитална илустрација на соодносите и волумените е доста елоквентна - густината на водородот подготвен за согорување е 56 пати помала од густината на пареата на бензинот... Сепак, треба да се забележи дека генерално, водородните мотори можат да работат на воздушни мешавини . водород во сооднос до 180:1 (т.е. со многу „сиромашни“ мешавини), што пак значи дека моторот може да работи без гас и да го користи принципот на работа на дизел моторите. Треба да се спомене и дека водородот е неприкосновен лидер во споредбата меѓу водородот и бензинот како масовни извори на енергија - килограм водород има речиси три пати повеќе енергија за килограм бензин.

Како и кај бензинските мотори, течниот водород може да се инјектира непосредно пред вентилите во колекторите, но оптималното решение е вбризгување директно за време на ударот на компресија - во овој случај, моќноста може да биде 25% поголема од онаа на споредлив бензински мотор. Тоа е затоа што горивото (водородот) не го поместува воздухот како кај бензинскиот или дизел моторот, што овозможува комората за согорување да се полни само со (многу повеќе од нормалниот) воздух. Покрај тоа, за разлика од бензинските мотори, водородот не бара конструктивно вртење, бидејќи водородот доста добро дифузира со воздухот без оваа мерка. Поради различни стапки на согорување во различни делови на цилиндерот, подобро е да се инсталираат две свеќички, а кај водородните мотори употребата на платински електроди не е погодна, бидејќи платината станува катализатор што доведува до оксидација на горивото дури и при ниски температури. .

Мазда варијанта

Јапонската компанија Mazda исто така ја демонстрира својата верзија на водороден мотор - во форма на ротациона единица во спортскиот автомобил RX-8. Ова не е изненадувачки бидејќи дизајнерските карактеристики на моторот Wankel се исклучително погодни за користење на водород како гориво.
Гасот се складира под висок притисок во посебен резервоар, а горивото се вбризгува директно во коморите за согорување. Бидејќи кај ротационите мотори зоните за вбризгување и согорување се одвоени, а температурата на доводот е пониска, проблемот со согорувањето е значително намален. Моторот Wankel исто така нуди доволно простор за два инјектора, што е од суштинско значење за вбризгување на оптимална количина на водород.

H2R

H2R е работен суперспортски прототип создаден од инженери на BMW и опремен со 12-цилиндричен мотор кој достигнува максимална моќност од 285 КС. при работа со водород. Благодарение на нив, експерименталниот модел забрзува од 0 до 100 km/h за шест секунди и достигнува максимална брзина од 300 km/h.Моторот H2R се заснова на стандардниот горен дел кој се користи во бензинецот 760i и му беа потребни само десет месеци за развиваат.

За да се спречи спонтано согорување, баварските специјалисти развија посебна стратегија за циклуси на проток и вбризгување во комората за согорување, искористувајќи ги можностите што ги дава променливиот систем за тајминг на вентилите на моторот. Пред да влезе смесата во цилиндрите, вторите се ладат со воздух, а палењето се случува само во горниот мртов центар - поради високата стапка на согорување со водородното гориво, не е потребно напредување на палењето.