BMW i wodór: silnik spalinowy

Projekty firmy rozpoczęły się 40 lat temu od wodorowej wersji serii 5

BMW od dawna wierzy w mobilność elektryczną. Dziś Teslę można uznać za wzorzec w tej dziedzinie, ale dziesięć lat temu, kiedy amerykańska firma zademonstrowała koncepcję niestandardowej aluminiowej platformy, którą następnie zrealizowano w postaci Tesli Model S, BMW aktywnie pracowało nad Megacity Projekt pojazdu. 2013 jest sprzedawany jako BMW i3. Awangardowy niemiecki samochód wykorzystuje nie tylko aluminiową konstrukcję nośną ze zintegrowanymi akumulatorami, ale także karoserię wykonaną z polimerów wzmacnianych węglem. Jednak to, co Tesla niezaprzeczalnie wyprzedza swoich konkurentów, to wyjątkowa metodologia, zwłaszcza w skali opracowywania baterii do pojazdów elektrycznych – od relacji z producentami ogniw litowo-jonowych po budowę ogromnych fabryk baterii, w tym tych o zastosowaniach nieelektrycznych. Mobilność.

Wróćmy jednak do BMW, bo w przeciwieństwie do Tesli i wielu jej konkurentów, niemiecka firma nadal wierzy w mobilność wodoru. Niedawno zespół kierowany przez wiceprezesa firmy ds. wodorowych ogniw paliwowych, dr Jürgena Gouldnera, zaprezentował ogniwo paliwowe I-Hydrogen Next, samobieżny agregat zasilany niskotemperaturową reakcją chemiczną. W tym momencie przypada 10. rocznica rozpoczęcia przez BMW prac nad pojazdami napędzanymi ogniwami paliwowymi oraz 7. rocznica współpracy z Toyotą w zakresie ogniw paliwowych. Jednak poleganie BMW na wodorze sięga 40 lat wstecz i ma znacznie bardziej „gorącą temperaturę”.

To ponad ćwierć wieku rozwoju firmy, w którym wodór jest wykorzystywany jako paliwo do silników spalinowych. Przez większą część tego okresu firma uważała, że ​​silnik spalinowy napędzany wodorem jest bliższy konsumentowi niż ogniwo paliwowe. Dzięki sprawności około 60% i połączeniu silnika elektrycznego o sprawności ponad 90%, silnik na ogniwa paliwowe jest znacznie bardziej wydajny niż silnik spalinowy zasilany wodorem. Jak zobaczymy w kolejnych wierszach, z ich bezpośrednim wtryskiem i turbodoładowaniem, dzisiejsze silniki o zmniejszonych rozmiarach będą wyjątkowo odpowiednie do dostarczania wodoru - pod warunkiem, że zostaną zastosowane odpowiednie systemy wtrysku i kontroli spalania. Ale chociaż silniki spalinowe napędzane wodorem są zwykle znacznie tańsze niż ogniwo paliwowe połączone z baterią litowo-jonową, nie są już na porządku dziennym. Ponadto problemy mobilności wodoru w obu przypadkach wykraczają daleko poza zakres układu napędowego.

A jednak dlaczego wodór?

Wodór jest ważnym elementem w dążeniu ludzkości do wykorzystywania coraz większej liczby alternatywnych źródeł energii, takich jak most do gromadzenia energii ze słońca, wiatru, wody i biomasy poprzez przekształcenie jej w energię chemiczną. Mówiąc prosto, oznacza to, że energia elektryczna wytwarzana przez te naturalne źródła nie może być magazynowana w dużych ilościach, ale może być wykorzystana do produkcji wodoru poprzez rozkład wody na tlen i wodór.

Oczywiście wodór można również wydobywać z nieodnawialnych źródeł węglowodorów, ale od dawna jest to niedopuszczalne, jeśli chodzi o wykorzystanie go jako źródła energii. Niezaprzeczalnym faktem jest, że problemy technologiczne produkcji, magazynowania i transportu wodoru są rozwiązywalne – w praktyce już teraz wytwarza się ogromne ilości tego gazu i wykorzystuje jako surowiec w przemyśle chemicznym i petrochemicznym. Jednak w takich przypadkach wysoki koszt wodoru nie jest zabójczy, ponieważ „topi się” on kosztem produktów, w których występuje.

Jednak problem wykorzystania gazu lekkiego jako źródła energii i to w dużych ilościach jest nieco bardziej skomplikowany. Naukowcy od dawna kręcą głowami w poszukiwaniu możliwej strategicznej alternatywy dla oleju opałowego, a wzrost elektromobilności i wodoru mogą być w ścisłej symbiozie. U podstaw tego wszystkiego leży prosty, ale bardzo ważny fakt – wydobycie i wykorzystanie wodoru obraca się wokół naturalnego cyklu łączenia i rozkładu wody… Jeśli ludzkość udoskonali i rozszerzy metody produkcji wykorzystujące naturalne źródła, takie jak energia słoneczna, wiatr i woda, wodór można wytwarzać i wykorzystywać w nieograniczonych ilościach bez emisji szkodliwych emisji.
produkcja

Obecnie na świecie produkowanych jest ponad 70 milionów ton czystego wodoru. Głównym surowcem do jego produkcji jest gaz ziemny, który jest przetwarzany w procesie znanym jako „reforming” (połowa całości). Mniejsze ilości wodoru są wytwarzane w innych procesach, takich jak elektroliza związków chloru, częściowe utlenianie ciężkiego oleju, zgazowanie węgla, piroliza węgla do produkcji koksu i reforming benzyny. Około połowa światowej produkcji wodoru jest wykorzystywana do syntezy amoniaku (który jest wykorzystywany jako surowiec w produkcji nawozów), rafinacji ropy naftowej i syntezy metanolu.

Te schematy produkcji w różnym stopniu obciążają środowisko i niestety żaden z nich nie oferuje sensownej alternatywy dla obecnego status quo energetycznego – po pierwsze dlatego, że wykorzystują źródła nieodnawialne, a po drugie dlatego, że produkcja emituje niepożądane substancje, takie jak dwutlenek węgla. Najbardziej obiecującą metodą produkcji wodoru w przyszłości pozostaje rozkład wody za pomocą energii elektrycznej, znany w szkole podstawowej. Jednak zamknięcie obiegu czystej energii jest obecnie możliwe jedynie przy wykorzystaniu energii naturalnej, a zwłaszcza słonecznej i wiatrowej, do wytwarzania energii elektrycznej potrzebnej do rozkładu wody. Zdaniem dr Gouldnera nowoczesne technologie „połączone” z systemami wiatrowymi i słonecznymi, w tym małymi stacjami wodoru, gdzie te ostatnie są produkowane na miejscu, to duży nowy krok w tym kierunku.
miejsce składowania

Wodór może być przechowywany w dużych ilościach zarówno w fazie gazowej, jak i ciekłej. Największe zbiorniki, w których wodór znajduje się pod stosunkowo niskim ciśnieniem, nazywane są „gazomierzami”. Średnie i mniejsze zbiorniki są zaprojektowane do przechowywania wodoru pod ciśnieniem 30 barów, podczas gdy najmniejsze specjalne zbiorniki (drogie urządzenia wykonane ze specjalnych materiałów kompozytowych wzmocnionych stalą lub włóknem węglowym) utrzymują stałe ciśnienie 400 barów.
Wodór można również przechowywać w fazie ciekłej w temperaturze -253°C na jednostkę objętości, zawierającej 1,78 razy więcej energii niż w przypadku przechowywania pod ciśnieniem 700 barów – aby uzyskać równoważną ilość energii w skroplonym wodorze na jednostkę objętości, gaz musi być sprężony do 1250 barów. Ze względu na wyższą efektywność energetyczną schłodzonego wodoru, BMW współpracuje z niemiecką grupą chłodniczą Linde przy swoich pierwszych systemach, która opracowała najnowocześniejsze urządzenia kriogeniczne do skraplania i przechowywania wodoru. Naukowcy oferują również inne, ale w tej chwili mniej przydatne, alternatywy przechowywania wodoru - na przykład przechowywanie pod ciśnieniem w specjalnej mące metalicznej, w postaci wodorków metali i innych.

Sieci przesyłu wodoru już istnieją na obszarach o wysokim stężeniu zakładów chemicznych i rafinerii ropy naftowej. Zasadniczo technika jest podobna do tej w przypadku przesyłania gazu ziemnego, ale zastosowanie tego drugiego do potrzeb wodoru nie zawsze jest możliwe. Jednak w ostatnim stuleciu wiele domów w europejskich miastach było oświetlonych gazowym gazem lekkim, który zawiera do 50% wodoru i który jest wykorzystywany jako paliwo do pierwszych stacjonarnych silników spalinowych. Dzisiejszy poziom technologii pozwala już na transkontynentalny transport skroplonego wodoru przez istniejące tankowce kriogeniczne, podobne do tych używanych do gazu ziemnego.

BMW i silnik spalinowy

"Woda. Jedyny produkt końcowy czystych silników BMW, który wykorzystuje ciekły wodór zamiast paliwa ropopochodnego i pozwala każdemu cieszyć się nowymi technologiami z czystym sumieniem”.

Te słowa są cytatem z kampanii reklamowej niemieckiej firmy z początku XXI wieku. Powinien promować raczej egzotyczną 745-godzinną wersję wodorową flagowego bawarskiego producenta samochodów. Egzotyczny, ponieważ według BMW przejście na alternatywy dla paliw węglowodorowych, które przemysł motoryzacyjny od samego początku karmi, będzie wymagało zmian w całej infrastrukturze przemysłowej. W tym czasie Bawarii udało się znaleźć obiecującą ścieżkę rozwoju nie w szeroko reklamowanych ogniwach paliwowych, ale w konwersji silników spalinowych na wodór. BMW uważa, że ​​modernizacja, o której mowa, stanowi problem, który można rozwiązać, i już poczyniła znaczące postępy w rozwiązaniu głównego problemu zapewnienia niezawodnych osiągów silnika i wyeliminowania jego tendencji do niekontrolowanych procesów spalania przy użyciu czystego wodoru. Sukces w tym kierunku wynika z kompetencji w dziedzinie elektronicznego sterowania procesami silnika i zdolności do korzystania z opatentowanych systemów BMW do elastycznej dystrybucji gazu Valvetronic i Vanos, bez których niemożliwe jest zagwarantowanie normalnej pracy „silników wodorowych”.

Jednak pierwsze kroki w tym kierunku datuje się na rok 1820, kiedy to konstruktor William Cecil stworzył silnik napędzany wodorem, działający na tzw. palenie. W swoim pierwszym opracowaniu silników spalinowych 60 lat później pionier Otto zastosował wspomniany już gaz syntetyczny pochodzący z węgla o zawartości wodoru około 50%. Jednak wraz z wynalezieniem gaźnika stosowanie benzyny stało się znacznie bardziej praktyczne i bezpieczniejsze, a paliwo płynne zastąpiło wszystkie inne alternatywy, które istniały do ​​tej pory. Właściwości wodoru jako paliwa zostały odkryte wiele lat później przez przemysł kosmiczny, który szybko odkrył, że wodór ma najlepszy stosunek energii do masy spośród wszystkich paliw znanych ludzkości.

W lipcu 1998 r. Europejskie Stowarzyszenie Przemysłu Samochodowego (ACEA) zobowiązało się do ograniczenia emisji CO2 nowo zarejestrowanych samochodów w Unii do średnio 140 gramów na kilometr do 2008 r. W praktyce oznacza to zmniejszenie emisji o 25% w porównaniu z 1995 r. I jest równoważne średniemu zużyciu paliwa w nowej flocie o około 6,0 l / 100 km. To sprawia, że ​​zadanie dla firm motoryzacyjnych jest niezwykle trudne i według ekspertów BMW można je rozwiązać przy użyciu paliwa niskoemisyjnego lub całkowicie usuwając węgiel ze składu paliwa. Zgodnie z tą teorią wodór pojawia się na scenie motoryzacyjnej w całej okazałości.
Bawarska firma staje się pierwszym producentem samochodów, który rozpoczął masową produkcję samochodów napędzanych wodorem. Spełniają się optymistyczne i pewne wypowiedzi BMW Burkhard Göschel, członka zarządu BMW odpowiedzialnego za nowe rozwiązania, że ​​„firma będzie sprzedawać samochody napędzane wodorem przed upływem 7. serii”. Wraz z wersją Hydrogen 7 siódmej serii wprowadzoną w 2006 roku ma 12-cylindrowy silnik o mocy 260 KM. Ta wiadomość staje się rzeczywistością.

Intencja wydaje się raczej ambitna, ale nie bez powodu. BMW eksperymentuje z wodorowymi silnikami spalinowymi od 1978 r., Z piątą serią (E5), 12-godzinna wersja E 1984 została wprowadzona w 745 r., A 23 maja 11 r. Wykazała wyjątkowe możliwości tej alternatywy. Imponująca flota o mocy 2000 15 KM E 750 „tygodnia” z 38-cylindrowymi silnikami napędzanymi wodorem przebiegł maraton o długości 12 170 km, szczególnie wyraźnie pokazując sukces firmy i perspektywy nowej technologii. W 000 i 2001 r. Niektóre z tych samochodów nadal uczestniczyły w różnych demonstracjach promujących ideę wodoru. Potem pojawia się nowa wersja, oparta na następnej serii 2002, wykorzystująca nowoczesny 7-cylindrowy silnik o pojemności 4,4 litra i rozwijający prędkość maksymalną 212 km / h, a następnie najnowsza wersja z 12-cylindrowym sześciocylindrowym silnikiem.

Według oficjalnej opinii firmy powody, dla których BMW wolało tę technologię od ogniw paliwowych, mają zarówno podłoże komercyjne, jak i psychologiczne. Po pierwsze, ta metoda będzie wymagała znacznie mniej inwestycji, jeśli zmieni się infrastruktura przemysłowa. Po drugie, ponieważ ludzie są przyzwyczajeni do starego dobrego silnika spalinowego, uwielbiają go i trudno będzie się z nim rozstać. I po trzecie, ponieważ jednocześnie technologia ta rozwija się szybciej niż technologia ogniw paliwowych.

W samochodach BMW wodór jest przechowywany w nadmiernie izolowanym zbiorniku kriogenicznym, czymś w rodzaju zaawansowanego technologicznie termosu opracowanego przez niemiecką grupę chłodniczą Linde. W niskich temperaturach przechowywania paliwo jest w fazie ciekłej i dostaje się do silnika jako zwykłe paliwo.

Konstruktorzy monachijskiej firmy stosują wtrysk paliwa w kolektorach dolotowych, a jakość mieszanki zależy od trybu pracy silnika. W trybie częściowego obciążenia silnik pracuje na ubogich mieszankach zbliżonych do diesla - zmienia się tylko ilość wtryskiwanego paliwa. Jest to tak zwana „kontrola jakości” mieszanki, w której silnik pracuje z nadmiarem powietrza, ale ze względu na małe obciążenie minimalizuje powstawanie emisji azotu. Gdy zachodzi potrzeba znacznej mocy, silnik zaczyna pracować jak silnik benzynowy, przechodząc do tzw. „regulacji ilościowej” mieszanki i do mieszanek normalnych (nie ubogich). Zmiany te są możliwe z jednej strony dzięki szybkości elektronicznego sterowania procesem w silniku, a z drugiej dzięki elastycznemu działaniu systemów kontroli dystrybucji gazu - „podwójnych” Vanosów, współpracujących ze sobą z systemem kontroli dolotu Valvetronic bez przepustnicy. Należy pamiętać, że według inżynierów BMW, schemat działania tego opracowania jest tylko etapem pośrednim w rozwoju technologii i że w przyszłości silniki będą musiały przejść na bezpośredni wtrysk wodoru do cylindrów i turbosprężarki. Oczekuje się, że zastosowanie tych metod doprowadzi do poprawy osiągów dynamicznych samochodu w stosunku do podobnego silnika benzynowego oraz do wzrostu ogólnej sprawności silnika spalinowego o ponad 50%.

Ciekawym faktem rozwojowym jest to, że wraz z najnowszymi osiągnięciami w silnikach spalinowych „wodorowych” projektanci z Monachium wkraczają na dziedzinę ogniw paliwowych. Używają takich urządzeń do zasilania pokładowej sieci elektrycznej w samochodach, całkowicie eliminując konwencjonalny akumulator. Dzięki temu krokowi możliwe są dodatkowe oszczędności paliwa, ponieważ silnik wodorowy nie musi napędzać alternatora, a pokładowa instalacja elektryczna staje się całkowicie autonomiczna i niezależna od toru jazdy – może generować prąd nawet wtedy, gdy silnik nie pracuje, a produkcja i zużycie energii mogą być w pełni zoptymalizowane. Fakt, że można teraz wytwarzać tyle energii elektrycznej, ile potrzeba do zasilania pompy wodnej, pomp olejowych, wspomagania hamulców i systemów okablowania, przekłada się również na dalsze oszczędności. Jednak równolegle z tymi wszystkimi innowacjami układ wtrysku paliwa (benzyna) praktycznie nie przeszedł żadnych kosztownych zmian konstrukcyjnych.

W celu promowania technologii wodorowych w czerwcu 2002 roku BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN stworzył program partnerski CleanEnergy, który rozpoczął swoją działalność od rozwoju stacji LPG. i sprężony wodór. W nich część wodoru produkowana jest na miejscu za pomocą energii słonecznej, a następnie sprężana, a duże ilości skroplone pochodzą ze specjalnych stacji produkcyjnych, a wszystkie opary z fazy ciekłej są automatycznie przenoszone do zbiornika gazu.
BMW zainicjowało szereg innych wspólnych projektów, w tym z firmami naftowymi, wśród których najbardziej aktywnymi uczestnikami są Aral, BP, Shell, Total.
Jednak dlaczego BMW odrzuca te rozwiązania technologiczne i nadal koncentruje się na ogniwach paliwowych, powiemy ci w innym artykule z tej serii.

Wodór w silnikach spalinowych

Warto zauważyć, że ze względu na fizyczne i chemiczne właściwości wodoru, jest on znacznie bardziej łatwopalny niż benzyna. W praktyce oznacza to, że do zainicjowania procesu spalania w wodorze potrzeba znacznie mniej energii początkowej. Z drugiej strony silniki wodorowe mogą z łatwością wykorzystywać bardzo „złe” mieszanki – coś, co nowoczesne silniki benzynowe osiągają dzięki złożonym i kosztownym technologiom.

Ciepło między cząsteczkami mieszaniny wodór-powietrze jest mniej rozpraszane, a jednocześnie temperatura samozapłonu jest znacznie wyższa, podobnie jak szybkość procesów spalania w porównaniu z benzyną. Wodór ma niską gęstość i silną dyfuzyjność (możliwość przedostania się cząstek do innego gazu - w tym przypadku powietrza).

Jest to niska energia aktywacji niezbędna do samozapłonu, która jest jednym z największych problemów w kontrolowaniu procesów spalania w silnikach wodorowych, ponieważ mieszanina może łatwo zapalić się spontanicznie z powodu kontaktu z cieplejszymi obszarami w komorze spalania i oporu po łańcuchu całkowicie niekontrolowanych procesów. Unikanie tego ryzyka jest jednym z największych problemów w projektowaniu silników wodorowych, ale nie jest tak łatwo wyeliminować konsekwencje faktu, że wysoce zdyspergowana mieszanka spalania porusza się bardzo blisko ścian cylindra i może penetrować w bardzo wąskie szczeliny. na przykład wzdłuż zamkniętych zaworów ... Wszystko to należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu tych silników.

Wysoka temperatura samozapłonu i wysoka liczba oktanowa (około 130) mogą zwiększać stopień sprężania silnika, aw konsekwencji jego wydajność, ale ponownie istnieje niebezpieczeństwo samozapłonu wodoru w kontakcie z cieplejszą częścią. w cylindrze. Zaletą wysokiej dyfuzyjności wodoru jest możliwość łatwego mieszania z powietrzem, co w przypadku pęknięcia zbiornika gwarantuje szybkie i bezpieczne rozproszenie paliwa.

Idealna do spalania mieszanka powietrzno-wodorowa ma stosunek około 34:1 (dla benzyny stosunek ten wynosi 14,7:1). Oznacza to, że przy połączeniu tej samej masy wodoru i benzyny w pierwszym przypadku potrzeba ponad dwa razy więcej powietrza. Jednocześnie mieszanka wodorowo-powietrzna zajmuje znacznie więcej miejsca, co wyjaśnia, dlaczego silniki wodorowe mają mniejszą moc. Czysto cyfrowa ilustracja proporcji i objętości jest dość wymowna - gęstość wodoru gotowego do spalania jest 56 razy mniejsza niż gęstość oparów benzyny ... Należy jednak zauważyć, że generalnie silniki wodorowe mogą pracować na mieszankach powietrza . wodór w proporcjach do 180:1 (czyli przy bardzo „złych” mieszankach), co z kolei oznacza, że ​​silnik może pracować bez gazu i na zasadzie działania silników Diesla. Należy również wspomnieć, że wodór jest niekwestionowanym liderem w porównaniu wodoru z benzyną jako masowego źródła energii – kilogram wodoru to prawie trzy razy więcej energii na kilogram benzyny.

Podobnie jak w przypadku silników benzynowych, skroplony wodór można wtryskiwać bezpośrednio przed zaworami w kolektorach, jednak najlepszym rozwiązaniem jest wtrysk bezpośrednio podczas suwu sprężania – w tym przypadku moc może przewyższać moc porównywalnego silnika benzynowego o 25%. Dzieje się tak, ponieważ paliwo (wodór) nie wypiera powietrza, jak w przypadku silnika benzynowego lub wysokoprężnego, co pozwala na wypełnienie komory spalania tylko (znacznie więcej niż zwykle) powietrzem. Ponadto, w przeciwieństwie do silników benzynowych, wodór nie wymaga zawirowań strukturalnych, ponieważ wodór bez tego środka dość dobrze dyfunduje z powietrzem. Ze względu na różne szybkości spalania w różnych częściach cylindra lepiej jest zainstalować dwie świece zapłonowe, aw silnikach wodorowych stosowanie elektrod platynowych nie jest odpowiednie, ponieważ platyna staje się katalizatorem, który prowadzi do utleniania paliwa nawet w niskich temperaturach .

Opcja Mazda

Japońska firma Mazda również prezentuje swoją wersję silnika wodorowego w postaci obrotowego bloku w sportowym samochodzie RX-8. Nie jest to zaskakujące, ponieważ cechy konstrukcyjne silnika Wankla są wyjątkowo odpowiednie do stosowania wodoru jako paliwa.
Gaz jest przechowywany pod wysokim ciśnieniem w specjalnym zbiorniku, a paliwo jest wtryskiwane bezpośrednio do komór spalania. Z uwagi na fakt, że w przypadku silników obrotowych strefy, w których odbywa się wtrysk i spalanie, są oddzielne, a temperatura w części wlotowej jest niższa, problem z możliwością niekontrolowanego zapłonu jest znacznie zmniejszony. Silnik Wankela oferuje również dużo miejsca na dwa wtryskiwacze, co ma kluczowe znaczenie dla wtryskiwania optymalnej ilości wodoru.

H2R

H2R to działający supersportowy prototyp zbudowany przez inżynierów BMW i napędzany 12-cylindrowym silnikiem o maksymalnej mocy 285 KM. podczas pracy z wodorem. Dzięki nim eksperymentalny model rozpędza się od 0 do 100 km/h w sześć sekund i osiąga prędkość maksymalną 300 km/h. Silnik H2R bazuje na standardowym topowym stosowanym w benzynowym 760i, a jego opracowanie zajęło zaledwie dziesięć miesięcy .

Aby zapobiec samozapłonowi, specjaliści z Bawarii opracowali specjalną strategię przepływu i cykli wtrysku do komory spalania, wykorzystując możliwości oferowane przez system zmiennych faz rozrządu silnika. Zanim mieszanka trafi do cylindrów, te ostatnie są chłodzone powietrzem, a zapłon odbywa się tylko w górnym martwym punkcie - ze względu na dużą szybkość spalania paliwem wodorowym nie jest wymagane wyprzedzenie zapłonu.