Jazda próbna BMW i wodór: część druga

"Woda. Jedynym produktem końcowym czystych silników BMW jest stosowanie ciekłego wodoru zamiast paliw ropopochodnych i umożliwienie wszystkim korzystania z nowych technologii z czystym sumieniem”.

Sposób BMW

Te słowa to cytat z kampanii reklamowej niemieckiej firmy sprzed kilku lat. Przez długi czas nikt nie kwestionował faktu, że Bawarczycy doskonale wiedzą, co robią, jeśli chodzi o technologię motoryzacyjną i są jednymi z niekwestionowanych światowych liderów w tej dziedzinie. Nikt też nie pomyślałby, że firma, która odnotowała solidny wzrost sprzedaży w ostatnich latach, wyda mnóstwo pieniędzy na mało znane reklamy obiecujących technologii o niepewnej przyszłości.

Jednocześnie jednak przytoczone słowa są częścią kampanii promującej dość egzotyczną 745-godzinną wodorową wersję flagowca bawarskiego producenta. Egzotyczne, bo zdaniem BMW przejście na alternatywy dla paliw węglowodorowych, którymi motoryzacja żywi się od samego początku, będzie wymagało zmiany całej infrastruktury produkcyjnej. To ostatnie jest konieczne, ponieważ Bawarczycy widzą obiecującą ścieżkę rozwoju nie w szeroko reklamowanych ogniwach paliwowych, ale w konwersji silników spalinowych na wodór. BMW uważa, że ​​modernizacja jest problemem do rozwiązania i poczyniła już znaczne postępy w rozwiązaniu głównego problemu, jakim jest osiągnięcie niezawodnych osiągów silnika i wyeliminowanie jego skłonności do niekontrolowanych procesów spalania przy użyciu czystego wodoru. Sukces w tym kierunku zawdzięczamy kompetencjom w zakresie elektronicznego sterowania procesami pracy silnika oraz możliwości wykorzystania opatentowanych przez BMW elastycznych systemów dystrybucji gazu Valvetronic i Vanos, bez których niemożliwe byłoby zapewnienie 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. „zasadzie próżni” – schemacie bardzo odmiennym od wynalezionego później silnika z silnikiem wewnętrznym . 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 ponownie 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 Motoryzacyjnego (ACEA) zobowiązało się wobec Unii Europejskiej do zmniejszenia emisji CO2008 z nowo zarejestrowanych pojazdów w Unii o średnio 2 gramy na kilometr o 140. W praktyce oznaczało to 25% redukcję emisji w porównaniu z 1995 r., A średnie zużycie paliwa nowej floty wynosiło około 6,0 l / 100 km. Oczekuje się, że w najbliższej przyszłości dodatkowe środki zmniejszą emisję dwutlenku węgla o 14% do 2012 roku. To sprawia, że ​​zadanie dla firm samochodowych jest niezwykle trudne i, zdaniem ekspertów BMW, można je rozwiązać albo stosując paliwa niskoemisyjne, albo całkowicie eliminując węgiel ze składu paliwa. Zgodnie z tą teorią wodór powraca na arenie motoryzacyjnej w całej okazałości.

Bawarska firma stała się pierwszym producentem samochodów, który masowo produkował pojazdy napędzane wodorem. Optymistyczne i pewne stwierdzenie profesora Burkharda Geschela, członka zarządu BMW odpowiedzialnego za nowe rozwiązania, że ​​„firma będzie sprzedawać samochody napędzane wodorem przed wygaśnięciem obecnej Serii 7”, spełniły się. W najnowszej wersji Hydrogen 7, siódmej serii, wprowadzonej w 2006 roku, z 12-cylindrowym silnikiem o mocy 260 KM. to przesłanie stało się już rzeczywistością. Zamiar wydawał się dość ambitny, ale nie bez powodu. BMW eksperymentuje z silnikami spalinowymi napędzanymi wodorem od 1978 roku, a 11 maja 2000 roku w wyjątkowy sposób zademonstrował możliwości tej alternatywy. Imponująca flota 15 750 hl pojazdów poprzedniej generacji, z dwunastocylindrowymi silnikami wodorowymi, ukończyła maraton 170 000 km, podkreślając sukces firmy i obietnicę nowych technologii. W latach 2001 i 2002 niektóre z tych pojazdów nadal brały udział w różnych demonstracjach popierających ideę wodoru. Następnie nadszedł czas na nowy projekt, oparty na następnej Serii 7, wykorzystujący nowoczesny 4,4-litrowy silnik V-212, rozwijający prędkość maksymalną 12 km / h, a następnie najnowszy projekt z XNUMX-cylindrowym V-XNUMX. Zgodnie z oficjalną opinią firmy, powody, dla których BMW wybrało tę technologię zamiast ogniw paliwowych, są zarówno komercyjne, jak i psychologiczne. Po pierwsze, ta metoda będzie wymagała znacznie mniejszych inwestycji, jeśli zmieni się infrastruktura produkcyjna. Po drugie, ponieważ ludzie są przyzwyczajeni do starego dobrego silnika spalinowego, podoba im się i trudno będzie się z nim rozstać. Po trzecie, w międzyczasie okazało się, że ta technologia rozwija się szybciej niż technologia ogniw paliwowych.

W samochodach BMW wodór jest przechowywany w super 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 jak zwykłe paliwo.

Na tym etapie projektanci monachijskiej firmy skupili się na pośrednim wtrysku paliwa, a jakość mieszanki zależy od trybu pracy silnika. W trybie obciążenia częściowego silnik pracuje na mieszankach ubogich, zbliżonych do oleju napędowego – zmiana dotyczy jedynie ilości wtryskiwanego paliwa. Jest to tak zwana „kontrola jakości” mieszanki, w której silnik pracuje z nadmiarem powietrza, ale dzięki niskiemu obciążeniu minimalizowane jest powstawanie emisji azotu. Gdy zachodzi potrzeba znacznej mocy, silnik zaczyna pracować jak silnik benzynowy, przechodząc do tak zwanej „kontroli ilościowej” mieszanki i normalnych (nie ubogich) mieszanek. Zmiany te są możliwe z jednej strony dzięki szybkości elektronicznego sterowania procesami zachodzącymi w silniku, a z drugiej dzięki elastycznemu działaniu systemów kontroli dystrybucji gazu – „podwójnych” Vanosów, współpracujących z System kontroli dolotu Valvetronic bez przepustnicy. Należy pamiętać, że według inżynierów BMW, schemat działania tego rozwoju jest tylko etapem pośrednim w rozwoju technologii i że w przyszłości silniki przestawią się na bezpośredni wtrysk wodoru do cylindrów i turbodoładowanie. Oczekuje się, że techniki te zapewnią lepszą dynamikę pojazdu niż porównywalny silnik benzynowy i wzrost ogólnej sprawności silnika spalinowego o ponad 50%. Tutaj celowo powstrzymaliśmy się od poruszania tematu „ogniw paliwowych”, ponieważ ostatnio ten problem był dość aktywnie wykorzystywany. Zarazem jednak trzeba o nich wspomnieć w kontekście technologii wodorowej BMW, gdyż konstruktorzy w Monachium postanowili wykorzystać właśnie takie urządzenia do zasilania pokładowej instalacji elektrycznej w samochodach, całkowicie eliminując konwencjonalne zasilanie bateryjne. Takie posunięcie pozwala na dodatkowe oszczędności paliwa, ponieważ silnik wodorowy nie musi napędzać alternatora, a pokładowa instalacja elektryczna staje się całkowicie autonomiczna i niezależna od ścieżki jazdy – może generować energię elektryczną nawet wtedy, gdy silnik nie pracuje, a także wytwarzać i zużywać energię nadaje się do pełnej optymalizacji. Fakt, że teraz można wyprodukować tylko tyle energii elektrycznej, ile potrzeba do zasilania pompy wody, pomp oleju, wspomagania hamulców i systemów przewodowych, również przekłada się na dodatkowe oszczędności. Jednak równolegle ze wszystkimi tymi innowacjami układ wtrysku paliwa (benzyna) praktycznie nie podlegał kosztownym zmianom konstrukcyjnym. 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 się od rozwoju stacji paliw skroplonym i sprężonym wodorem.

BMW jest inicjatorem szeregu innych wspólnych projektów, w tym z koncernami naftowymi, wśród których najaktywniejszymi uczestnikami są Aral, BP, Shell, Total. Zainteresowanie tym obiecującym obszarem rośnie wykładniczo – w ciągu najbliższych dziesięciu lat sama UE przekaże bezpośrednie wkłady finansowe do funduszy na finansowanie rozwoju i wdrażania technologii wodorowych w wysokości 2,8 mld euro. Wielkość inwestycji prywatnych firm w rozwój „wodoru” w tym okresie jest trudna do przewidzenia, ale wiadomo, że wielokrotnie przekroczy odliczenia od organizacji non-profit.

Wodór w silnikach spalinowych

Warto zauważyć, że ze względu na właściwości fizyczne i chemiczne 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 bardzo ubogie mieszanki można z łatwością stosować w silnikach wodorowych – coś, co nowoczesne silniki benzynowe osiągają dzięki złożonym i kosztownym technologiom.

Ciepło między cząsteczkami mieszaniny wodoru z powietrzem jest mniej rozpraszane, a jednocześnie temperatura samozapłonu i szybkość procesów spalania są znacznie wyższe niż w przypadku benzyny. Wodór ma małą gęstość i dużą dyfuzyjność (możliwość przenikania cząstek do innego gazu – w tym przypadku do powietrza).

Niska energia aktywacji wymagana do samozapłonu jest jednym z największych wyzwań w kontrolowaniu procesów spalania w silnikach wodorowych, ponieważ mieszanka może łatwo ulec samozapłonowi w wyniku kontaktu z cieplejszymi obszarami w komorze spalania i odpornością na podążanie łańcuchem całkowicie niekontrolowanych procesów. Unikanie tego ryzyka jest jednym z największych wyzwań przy opracowywaniu silników wodorowych, ale nie jest łatwo wyeliminować konsekwencje faktu, że wysoce rozproszona paląca się mieszanka przemieszcza się bardzo blisko ścianek cylindra i może przenikać przez bardzo wąskie szczeliny. jak na przykład zamknięte zawory... Wszystko to należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu tych silników.

Wysoka temperatura samozapłonu i wysoka liczba oktanowa (około 130) pozwalają na zwiększenie stopnia sprężania silnika, a tym samym jego sprawności, ale znowu istnieje niebezpieczeństwo samozapłonu wodoru w wyniku kontaktu z gorętszą częścią. w cylindrze. Zaletą dużej zdolności dyfuzyjnej wodoru jest możliwość łatwego mieszania się z powietrzem, co w przypadku awarii 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 napędzane wodorem mają mniejszą moc. Czysto cyfrowa ilustracja proporcji i objętości jest dość wymowna - gęstość wodoru gotowego do spalenia jest 56 razy mniejsza niż gęstość oparów benzyny .... Należy jednak zauważyć, że w zasadzie silniki wodorowe mogą pracować również na mieszankach powietrzno-wodorowych do 180:1 (czyli bardzo „ubogich”), co z kolei oznacza, że ​​silnik może pracować. bez przepustnicy i wykorzystują zasadę silników Diesla. Należy również zauważyć, że wodór jest niekwestionowanym liderem w porównaniu masy wodoru i benzyny jako źródeł energii – kilogram wodoru jest prawie trzykrotnie bardziej energochłonny niż 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 takim przypadku moc może przewyższać moc podobnego silnika benzynowego o 25%. Dzieje się tak dlatego, że paliwo (wodór) nie wypiera powietrza jak w silniku benzynowym czy wysokoprężnym, pozwalając jedynie na wypełnienie komory spalania powietrzem (znacznie więcej niż zwykle). Ponadto, w przeciwieństwie do silników benzynowych, silniki wodorowe nie wymagają zawirowań strukturalnych, ponieważ wodór wystarczająco dobrze dyfunduje z powietrzem bez tego środka. Ze względu na różne szybkości spalania w różnych częściach cylindra lepiej jest umieścić dwie świece zapłonowe, aw silnikach wodorowych stosowanie elektrod platynowych jest niepraktyczne, ponieważ platyna staje się katalizatorem prowadzącym do utlenienia paliwa w niskich temperaturach.

H2R

H2R to działający supersportowy prototyp zbudowany przez inżynierów BMW i napędzany dwunastocylindrowym silnikiem, który przy zasilaniu wodorem osiąga maksymalną moc 285 KM. 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 standardowej topowej jednostce stosowanej w benzynowym 760i i zajmował zaledwie dziesięć miesięcy na rozwój. Aby zapobiec samozapłonowi, specjaliści z Bawarii opracowali specjalny cykl przepływu i strategię wtrysku do komory spalania, wykorzystując możliwości oferowane przez układy 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.

odkrycia

Analiza finansowa przejścia na czystą energię wodorową nie jest jeszcze zbyt optymistyczna. Produkcja, magazynowanie, transport i dostawa gazu lekkiego są nadal procesami dość energochłonnymi i na obecnym etapie rozwoju człowieka taki schemat nie może być skuteczny. Nie oznacza to jednak, że badania i poszukiwanie rozwiązań nie będą kontynuowane. Propozycje wytwarzania wodoru z wody przy użyciu energii elektrycznej z paneli słonecznych i przechowywania go w dużych zbiornikach brzmią optymistycznie. Z drugiej strony proces wytwarzania energii elektrycznej i wodoru w fazie gazowej na Saharze, transport rurociągiem do Morza Śródziemnego, skraplanie i transport kriogenicznymi cysternami, rozładunek w portach i wreszcie transport ciężarówką brzmi w tej chwili trochę absurdalnie ...

Ciekawy pomysł przedstawił ostatnio norweski koncern naftowy Norsk Hydro, który zaproponował produkcję wodoru z gazu ziemnego w zakładach wydobywczych na Morzu Północnym, podczas gdy resztkowy tlenek węgla był składowany na zubożonych polach pod dnem morskim. Prawda leży gdzieś pośrodku i tylko czas pokaże, dokąd pójdzie rozwój przemysłu wodorowego.

Wariant Mazdy

Japońska firma Mazda pokazuje również swoją wersję silnika wodorowego - w postaci jednostki obrotowej samochodu sportowego RX-8. Nie jest to zaskakujące, ponieważ cechy konstrukcyjne silnika Wankla są wyjątkowo odpowiednie do wykorzystania wodoru jako paliwa. Gaz magazynowany jest pod wysokim ciśnieniem w specjalnym zbiorniku, a paliwo wtryskiwane jest bezpośrednio do komór spalania. Dzięki temu, że w przypadku silników rotacyjnych obszary, w których odbywa się wtrysk i spalanie są rozdzielone, a temperatura w części ssącej jest niższa, znacznie zmniejsza się problem możliwości niekontrolowanego zapłonu. Silnik Wankla oferuje również wystarczająco dużo miejsca na dwa wtryskiwacze, co jest niezwykle ważne dla wtrysku optymalnej ilości wodoru.