BMW i vodik: motor s unutarnjim izgaranjem

Projekti tvrtke započeli su prije 40 godina s vodikovom verzijom serije 5

BMW već dugo vjeruje u električnu mobilnost. Danas se Tesla može smatrati mjerilom na ovom području, ali prije desetak godina, kada je američka tvrtka demonstrirala koncept prilagođene aluminijske platforme, koja je potom realizirana u obliku Tesla Model S, BMW je aktivno radio na Megacityju. Projekt vozila. 2013 se prodaje kao BMW i3. Avangardni njemački automobil koristi ne samo aluminijsku potpornu strukturu s integriranim baterijama, već i karoseriju izrađenu od polimera ojačanih ugljikom. Međutim, ono u čemu je Tesla nedvojbeno ispred svojih konkurenata je njegova iznimna metodologija, posebno u opsegu razvoja baterija za električna vozila – od odnosa s proizvođačima litij-ionskih ćelija do izgradnje ogromnih tvornica baterija, uključujući i one s neelektričnim aplikacijama. mobilnost.

No, vratimo se BMW-u jer, za razliku od Tesle i mnogih njegovih konkurenata, njemačka tvrtka i dalje vjeruje u mobilnost vodika. Nedavno je tim predvođen potpredsjednikom tvrtke za vodikove gorivne ćelije, dr. Jürgenom Gouldnerom, predstavio I-Hydrogen Next gorivu ćeliju, samohodni generator koji pokreće niskotemperaturna kemijska reakcija. Ovog trenutka obilježava se 10. godišnjica pokretanja BMW-ovog razvoja vozila na gorivne ćelije i 7. godišnjica suradnje s Toyotom na gorivim ćelijama. Međutim, BMW-ovo oslanjanje na vodik seže 40 godina unatrag i puno je "vruća temperatura".

Ovo je više od četvrt stoljeća razvoja tvrtke, u kojoj se vodik koristi kao gorivo za motore s unutarnjim izgaranjem. Veći dio tog razdoblja tvrtka je vjerovala da je motor s unutarnjim izgaranjem na vodik bliži potrošaču od gorive ćelije. S učinkovitošću od oko 60% i kombinacijom elektromotora s učinkovitošću većom od 90%, motor na gorive ćelije mnogo je učinkovitiji od motora s unutarnjim izgaranjem na vodik. Kao što ćemo vidjeti u sljedećim retcima, s njihovim izravnim ubrizgavanjem i turbo punjenjem, današnji smanjeni motori bit će iznimno prikladni za isporuku vodika—pod uvjetom da su postavljeni odgovarajući sustavi za ubrizgavanje i kontrolu izgaranja. No dok su motori s unutarnjim izgaranjem na vodik obično mnogo jeftiniji od gorivih ćelija u kombinaciji s litij-ionskom baterijom, oni više nisu na dnevnom redu. Osim toga, problemi mobilnosti vodika u oba slučaja daleko nadilaze okvire pogonskog sustava.

A ipak zašto vodik?

Vodik je bitan element u čovjekovoj potrazi za korištenjem sve više i više alternativnih izvora energije, poput mosta za pohranu energije sunca, vjetra, vode i biomase pretvarajući je u kemijsku energiju. Jednostavno rečeno, to znači da se električna energija proizvedena tim prirodnim izvorima ne može skladištiti u velikim količinama, već se može koristiti za proizvodnju vodika razgradnjom vode na kisik i vodik.

Naravno, vodik se može dobivati ​​i iz neobnovljivih izvora ugljikovodika, no to je već dugo nedopustivo kada je riječ o korištenju kao energentu. Nepobitna je činjenica da su tehnološki problemi proizvodnje, skladištenja i transporta vodika rješivi - u praksi se već sada proizvode ogromne količine ovog plina koji se koristi kao sirovina u kemijskoj i petrokemijskoj industriji. U tim slučajevima, međutim, visoka cijena vodika nije smrtonosna, jer se on "topi" na visokoj cijeni proizvoda u kojima je uključen.

Međutim, malo je složeniji problem korištenja lakog plina kao izvora energije i to u velikim količinama. Znanstvenici već dugo vrte glavom u potrazi za mogućom strateškom alternativom loživom ulju, a povećanje električne mobilnosti i vodika možda su u bliskoj simbiozi. U središtu svega je jednostavna, ali vrlo važna činjenica – ekstrakcija i korištenje vodika vrti se oko prirodnog ciklusa spajanja i razgradnje vode… Ako čovječanstvo poboljša i proširi proizvodne metode korištenjem prirodnih izvora kao što su sunčeva energija, vjetar i voda, vodik se može proizvesti i koristiti u neograničenim količinama bez emitiranja štetnih emisija.
proizvodnja

Trenutno se u svijetu proizvodi više od 70 milijuna tona čistog vodika. Glavna sirovina za njegovu proizvodnju je prirodni plin, koji se prerađuje u procesu poznatom kao "reformiranje" (polovica ukupnog broja). Manje količine vodika proizvode se drugim postupcima kao što su elektroliza spojeva klora, djelomična oksidacija teške nafte, uplinjavanje ugljena, piroliza ugljena za dobivanje koksa i reformiranje benzina. Otprilike polovica svjetske proizvodnje vodika koristi se za sintezu amonijaka (koji se koristi kao sirovina u proizvodnji gnojiva), za rafinaciju nafte i sintezu metanola.

Ovi proizvodni programi opterećuju okoliš u različitim stupnjevima i, nažalost, nijedan od njih ne nudi smislenu alternativu trenutnom energetskom statusu quo – prvo zato što koriste neobnovljive izvore, a drugo zato što proizvodnja emitira neželjene tvari kao što je ugljični dioksid. Najperspektivnija metoda za proizvodnju vodika u budućnosti ostaje razgradnja vode uz pomoć struje, poznata u osnovnoj školi. Međutim, zatvaranje ciklusa čiste energije trenutno je moguće samo korištenjem prirodne, a posebno sunčeve i energije vjetra za proizvodnju električne energije potrebne za razgradnju vode. Prema dr. Gouldneru, moderne tehnologije "povezane" s vjetroelektranama i solarnim sustavima, uključujući male hidrogenske stanice, gdje se potonji proizvode na licu mjesta, veliki su novi korak u tom smjeru.
Mjesto pohrane

Vodik se može skladištiti u velikim količinama i u plinovitoj i u tekućoj fazi. Najveći takvi rezervoari, u kojima se vodik drži na relativno niskom tlaku, nazivaju se "plinomjeri". Srednji i manji spremnici prilagođeni su za pohranu vodika pod tlakom od 30 bara, dok najmanji posebni spremnici (skupi uređaji izrađeni od posebnih kompozita ojačanih čeličnim ili karbonskim vlaknima) održavaju konstantan tlak od 400 bara.
Vodik se također može pohraniti u tekućoj fazi na -253°C po jedinici volumena koja sadrži 1,78 puta više energije nego kada se pohranjuje na 700 bara – da bi se postigla ekvivalentna količina energije u ukapljenom vodiku po jedinici volumena, plin mora biti komprimiran do 1250 bara. Zbog veće energetske učinkovitosti ohlađenog vodika, BMW je partner s njemačkom rashladnom grupom Linde za svoje prve sustave, koja je razvila najsuvremenije kriogene uređaje za ukapljivanje i skladištenje vodika. Znanstvenici nude i druge, ali u ovom trenutku manje primjenjive, alternative za skladištenje vodika - na primjer, skladištenje pod pritiskom u posebnom metalnom brašnu, u obliku metalnih hidrida i druge.

Mreže za prijenos vodika već postoje u područjima s visokom koncentracijom kemijskih postrojenja i rafinerijama nafte. Općenito, tehnika je slična onoj za prijenos prirodnog plina, ali uporaba potonjeg za potrebe vodika nije uvijek moguća. Međutim, čak su i u prošlom stoljeću mnoge kuće u europskim gradovima bile osvijetljene plinovodima laganim plinom koji sadrži do 50% vodika i koji se koristi kao gorivo za prve stacionarne motore s unutarnjim izgaranjem. Trenutna razina tehnologije već omogućuje transkontinentalni transport ukapljenog vodika kroz postojeće kriogene tankere, slične onima koji se koriste za prirodni plin.

BMW i motor s unutarnjim izgaranjem

"Voda. Jedini krajnji proizvod čistih BMW motora koji koristi tekući vodik umjesto naftnog goriva i omogućuje svima uživanje u novim tehnologijama čiste savjesti.”

Te su riječi citat iz reklamne kampanje za njemačku tvrtku s početka 745. stoljeća. Trebao bi promovirati prilično egzotičnu XNUMX-satnu vodikovu verziju bavarskog proizvođača automobila. Egzotično, jer će, prema BMW-u, prijelaz na alternative ugljikovodičnim gorivima kojima se auto industrija hrani od početka zahtijevati promjenu u cjelokupnoj industrijskoj infrastrukturi. U to su vrijeme Bavarci pronašli obećavajući put razvoja ne u široko reklamiranim gorivim ćelijama, već u prijenosu motora s unutarnjim izgaranjem u rad s vodikom. BMW vjeruje da je naknadna ugradnja razrješivo pitanje i već bilježi značajan napredak prema ključnom izazovu osiguranja pouzdanih performansi motora i uklanjanja njegove tendencije prema odgaranju izgaranja čistim vodikom. Uspjeh u ovom smjeru zaslužan je za kompetentnost na polju elektroničkog upravljanja motornim procesima i mogućnost korištenja patentiranih BMW-ovih patentiranih sustava Valvetronic i Vanos za fleksibilnu distribuciju plina, bez kojih je nemoguće zajamčiti normalan rad "vodikovih motora".

Međutim, prvi koraci u tom smjeru datiraju iz 1820. godine, kada je dizajner William Cecil stvorio motor na vodik koji radi na takozvanom "vakuumskom principu" - shemi potpuno različitoj od one koja je kasnije izumljena s unutarnjim motorom. gori. U svom prvom razvoju motora s unutarnjim izgaranjem 60 godina kasnije, pionir Otto koristio je već spomenuti sintetski plin dobiven iz ugljena s udjelom vodika od oko 50%. No, izumom rasplinjača uporaba benzina postala je mnogo praktičnija i sigurnija, a tekuće gorivo zamijenilo je sve ostale alternative koje su do sada postojale. Svojstva vodika kao goriva otkrila je mnogo godina kasnije svemirska industrija, koja je brzo otkrila da vodik ima najbolji omjer energije i mase od svih goriva poznatih čovječanstvu.

U srpnju 1998. Europsko udruženje automobilske industrije (ACEA) obvezalo se do 2. smanjiti emisiju CO140 za novoregistrirana vozila u Uniji na prosječno 2008 grama po kilometru. U praksi to znači smanjenje emisije od 25% u odnosu na 1995. godinu, što je ekvivalent prosječnoj potrošnji goriva u novoj floti od oko 6,0 l / 100 km. To zadaću automobilskim tvrtkama čini izuzetno teškom, a prema riječima stručnjaka BMW-a može se riješiti ili korištenjem goriva s niskim udjelom ugljika ili potpuno uklanjanjem ugljika iz sastava goriva. Prema ovoj teoriji, vodik se u punom sjaju pojavljuje na automobilskoj sceni.
Bavarska tvrtka postaje prvi proizvođač automobila koji je započeo masovnu proizvodnju vozila na vodikov pogon. Optimistične i samopouzdane tvrdnje upravnog odbora BMW-a Burkharda Göschela, člana uprave BMW-a odgovornog za nova zbivanja, da će "tvrtka prodavati automobile s vodikom prije isteka serije 7", zaista se ostvaruju. S vodikom 7, verzija sedme serije predstavljena je 2006. godine i ima 12-cilindarski motor od 260 KS. ova poruka postaje stvarnost.

Namjera se čini prilično ambicioznom, ali s razlogom. BMW eksperimentira s motorima s izgaranjem vodika od 1978. godine, serijom 5 (E12), 1984-satna verzija E 745 predstavljena je 23. godine, a 11. svibnja 2000. pokazao je jedinstvene mogućnosti ove alternative. Impresivna flota od 15 KS. E 750 "tjedna" s 38-cilindričnim motorima na vodik istrčao je maraton od 12 170 km, ističući uspjeh tvrtke i obećanje nove tehnologije. 000. i 2001. godine neka od tih vozila nastavila su sudjelovati u raznim demonstracijama za promicanje ideje o vodiku. Zatim dolazi novi razvoj zasnovan na sljedećoj seriji 2002, koji koristi suvremeni 7-litreni V-4,4 motor i sposoban je postići najveću brzinu od 212 km / h, nakon čega slijedi najnoviji razvoj s 12-cilindričnim V-XNUMX motorom.

Prema službenom mišljenju tvrtke, razlozi zbog kojih se BMW tada odlučio za ovu tehnologiju preko gorivih ćelija su i komercijalni i psihološki. Prvo, ova metoda zahtijevat će znatno manje ulaganja u slučaju promjena industrijske infrastrukture. Drugo, jer su ljudi navikli na stari stari motor s unutarnjim izgaranjem, vole ga i bit će teško rastati se od njega. I treće, jer se istovremeno ta tehnologija razvija brže od tehnologije gorivih ćelija.

U BMW-ovim automobilima, vodik se skladišti u preizoliranoj kriogenoj posudi, nešto poput visokotehnološke termos boce koju je razvila njemačka rashladna grupa Linde. Pri niskim temperaturama skladištenja gorivo je u tekućoj fazi i ulazi u motor kao normalno gorivo.

Dizajneri minhenske tvrtke koriste ubrizgavanje goriva u usisne grane, a kvaliteta smjese ovisi o režimu rada motora. U načinu djelomičnog opterećenja, motor radi na siromašnoj smjesi slično dizelu - mijenja se samo količina ubrizganog goriva. To je takozvana “kontrola kvalitete” smjese, pri kojoj motor radi s viškom zraka, ali je zbog niskog opterećenja stvaranje emisije dušika svedeno na minimum. Kada postoji potreba za značajnom snagom, motor počinje raditi kao benzinski motor, prelazeći na takozvanu "kvantitativnu regulaciju" smjese i na normalne (ne siromašne) smjese. Ove promjene moguće su, s jedne strane, zahvaljujući brzini elektroničke kontrole procesa u motoru, as druge strane, zahvaljujući fleksibilnom radu sustava upravljanja distribucijom plina - "dvostruki" Vanos, koji rade zajedno s Valvetronic sustavom kontrole usisa bez gasa. Treba imati na umu da je, prema riječima inženjera BMW-a, radna shema ovog razvoja tek međufaza u razvoju tehnologije i da će u budućnosti motori morati prijeći na izravno ubrizgavanje vodika u cilindre i turbopunjač. Očekuje se da će primjena ovih metoda dovesti do poboljšanja dinamičkih performansi automobila u usporedbi sa sličnim benzinskim motorom te do povećanja ukupne učinkovitosti motora s unutarnjim izgaranjem za više od 50%.

Zanimljiva razvojna činjenica je da s najnovijim razvojem "vodikovih" motora s unutarnjim izgaranjem, dizajneri u Münchenu ulaze u područje gorivih ćelija. Oni koriste takve uređaje za napajanje električne mreže u vozilu, potpuno eliminirajući konvencionalnu bateriju. Zahvaljujući ovom koraku moguće su dodatne uštede goriva, budući da motor na vodik ne mora pokretati alternator, a električni sustav na vozilu postaje potpuno autonoman i neovisan o putu vožnje - može proizvoditi električnu energiju čak i kada motor ne radi, a proizvodnja i potrošnja energije mogu se u potpunosti optimizirati. Činjenica da se sada može proizvesti onoliko električne energije koliko je potrebno za napajanje pumpe za vodu, pumpi za ulje, pojačivača kočnica i sustava ožičenja također se pretvara u daljnje uštede. Međutim, paralelno sa svim ovim inovacijama, sustav ubrizgavanja goriva (benzin) praktički nije doživio nikakve skupe promjene dizajna.

U cilju promicanja vodikovih tehnologija u lipnju 2002. godine, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN je stvorio partnerski program CleanEnergy, koji je započeo svoju aktivnost s razvojem punionica za UNP. i komprimirani vodik. U njima se dio vodika proizvodi na mjestu pomoću solarne električne energije, a zatim se komprimira, a velike ukapljene količine dolaze iz posebnih proizvodnih stanica, a sve pare iz tekuće faze automatski se prenose u spremnik plina.
BMW je pokrenuo niz drugih zajedničkih projekata, uključujući s naftnim kompanijama, među kojima su najaktivniji sudionici Aral, BP, Shell i Total.
Međutim, zašto BMW napušta ova tehnološka rješenja i još uvijek se usredotočuje na gorivne ćelije, reći ćemo vam u drugom članku ove serije.

Vodik u motorima s unutarnjim izgaranjem

Zanimljivo je napomenuti da je zbog fizikalnih i kemijskih svojstava vodik puno zapaljiviji od benzina. U praksi to znači da je za pokretanje procesa izgaranja u vodiku potrebno puno manje početne energije. S druge strane, vodikovi motori mogu lako koristiti vrlo "loše" smjese - nešto što moderni benzinski motori postižu složenim i skupim tehnologijama.

Toplina između čestica smjese vodik-zrak manje se raspršuje, a istovremeno je temperatura samozapaljenja puno viša, kao i brzina procesa izgaranja u odnosu na benzin. Vodik ima nisku gustoću i jaku difuznost (mogućnost ulaska čestica u drugi plin – u ovom slučaju zrak).

Upravo je niska energija aktiviranja potrebna za samozapaljenje jedan od najvećih izazova u kontroli izgaranja u vodikovim motorima, jer se smjesa lako može spontano zapaliti zbog dodira s vrućim područjima u komori za izgaranje i otpora prateći lanac potpuno nekontroliranih procesa. Izbjegavanje ovog rizika jedan je od najvećih izazova u dizajnu vodikovih motora, ali nije lako ukloniti posljedice činjenice da se visoko raspršena smjesa izgaranja kreće vrlo blizu stijenki cilindra i može prodrijeti u izuzetno uske praznine. na primjer duž zatvorenih ventila ... Sve se to mora uzeti u obzir prilikom projektiranja ovih motora.

Visoka temperatura samozapaljenja i visoki oktanski broj (oko 130) omogućuju povećanje stupnja kompresije motora i, prema tome, njegove učinkovitosti, ali opet postoji opasnost od samozapaljenja vodika u dodiru s vrućim dijelom. u cilindru. Prednost velike difuzijske sposobnosti vodika je mogućnost lakog miješanja sa zrakom, što u slučaju kvara spremnika jamči brzo i sigurno raspršivanje goriva.

Idealna smjesa zrak-vodik za izgaranje ima omjer od oko 34:1 (za benzin je taj omjer 14,7:1). To znači da je pri spajanju iste mase vodika i benzina u prvom slučaju potrebno više od dvostruko više zraka. Pritom mješavina vodika i zraka zauzima znatno više prostora, što objašnjava zašto motori na vodik imaju manju snagu. Čisto digitalna ilustracija omjera i volumena prilično je rječita - gustoća vodika spremnog za izgaranje je 56 puta manja od gustoće benzinske pare ... Međutim, treba napomenuti da, općenito, vodikovi motori mogu raditi na mješavinama zraka . vodik u omjerima do 180:1 (tj. s vrlo "lošim" smjesama), što opet znači da motor može raditi bez gasa i koristiti princip dizelskih motora. Također treba spomenuti da je vodik neprikosnoveni lider u usporedbi vodika i benzina kao masovnog energenta - kilogram vodika ima gotovo tri puta više energije od kilograma benzina.

Kao i kod benzinskih motora, ukapljeni vodik može se ubrizgavati izravno ispred ventila u razdjelnicima, ali najbolje rješenje je ubrizgavanje izravno tijekom takta kompresije - u tom slučaju snaga može premašiti snagu usporedivog benzinskog motora za 25%. To je zato što gorivo (vodik) ne istiskuje zrak kao kod benzinskog ili dizelskog motora, dopuštajući da se komora za izgaranje napuni samo (znatno više nego inače) zrakom. Osim toga, za razliku od benzinskih motora, vodik ne treba strukturno vrtloženje, jer vodik bez te mjere prilično dobro difundira sa zrakom. Zbog različitih brzina sagorijevanja u različitim dijelovima cilindra, bolje je ugraditi dvije svjećice, au motorima na vodik uporaba platinskih elektroda nije prikladna, jer platina postaje katalizator koji dovodi do oksidacije goriva čak i pri niskim temperaturama. .

Mazda opcija

Japanska tvrtka Mazda također pokazuje svoju verziju motora na vodik, u obliku rotacijskog bloka u sportskom automobilu RX-8. To ne čudi, budući da su značajke dizajna Wankelovog motora izuzetno prikladne za korištenje vodika kao goriva.
Plin se skladišti pod visokim tlakom u posebnom spremniku i gorivo se ubrizgava izravno u komore za izgaranje. Zbog činjenice da su kod rotacijskih motora zone u kojima se događa ubrizgavanje i izgaranje odvojene, a temperatura u usisnom dijelu niža, problem s mogućnošću nekontroliranog paljenja znatno je smanjen. Wankelov motor također nudi dovoljno prostora za dvije mlaznice, što je presudno za ubrizgavanje optimalne količine vodika.

H2R

H2R je radni supersportski prototip koji su izradili BMW-ovi inženjeri, a pokreće ga 12-cilindrični motor koji postiže najveću snagu od 285 KS. pri radu s vodikom. Zahvaljujući njima, eksperimentalni model ubrzava od 0 do 100 km / h za šest sekundi i postiže najveću brzinu od 300 km / h. Motor H2R temelji se na standardnom vrhu koji se koristi u benzincu 760i i trebalo mu je samo deset mjeseci da se razvije .

Kako bi spriječili spontano izgaranje, bavarski stručnjaci razvili su posebnu strategiju za cikluse protoka i ubrizgavanja u komoru za izgaranje, koristeći mogućnosti koje pruža sustav varijabilnog otvaranja ventila motora. Prije nego što smjesa uđe u cilindre, potonji se hlade zrakom, a paljenje se provodi samo u gornjoj mrtvoj točki - zbog velike brzine izgaranja s vodikovim gorivom, nije potrebno unaprijed paljenja.