BMW ir vandenilis: vidaus degimo variklis

Įmonės projektai prasidėjo prieš 40 metų nuo vandenilio 5 serijos versijos

BMW jau seniai tikėjo elektriniu mobilumu. Šiandien „Tesla“ gali būti laikoma etalonu šioje srityje, tačiau prieš dešimt metų, kai amerikiečių kompanija pademonstravo pritaikytos aliuminio platformos koncepciją, kuri vėliau buvo įgyvendinta „Tesla Model S“ pavidalu, BMW aktyviai dirbo prie „Megacity“. Transporto priemonės projektas. 2013 m. parduodamas kaip BMW i3. Avangardiniame vokiškame automobilyje panaudota ne tik aliuminio atraminė konstrukcija su integruotais akumuliatoriais, bet ir kėbulas iš anglimi sutvirtintų polimerų. Tačiau „Tesla“ neabejotinai lenkia savo konkurentus – tai išskirtinė metodika, ypač elektra varomų transporto priemonių akumuliatorių kūrimo mastu – nuo ​​santykių su ličio jonų elementų gamintojais iki didžiulių akumuliatorių gamyklų, įskaitant ir neelektrinių įrenginių, kūrimo. mobilumas.

Tačiau grįžkime prie BMW, nes, skirtingai nei Tesla ir daugelis jos konkurentų, Vokietijos kompanija vis dar tiki vandenilio mobilumu. Neseniai komanda, vadovaujama bendrovės vandenilio kuro elementų viceprezidento dr. Jürgeno Gouldnerio, pristatė kuro elementą I-Hydrogen Next – savaeigį generatorių, varomą naudojant žemos temperatūros cheminę reakciją. Šią akimirką minime 10-ąsias BMW kuro elementų transporto priemonių kūrimo metines ir 7-ąsias kuro elementų bendradarbiavimo su Toyota metines. Tačiau BMW priklausomybė nuo vandenilio siekia 40 metų ir yra daug aukštesnė temperatūra.

Tai daugiau nei ketvirtis amžiaus trunkanti įmonės plėtra, kurioje vandenilis naudojamas kaip vidaus degimo variklių kuras. Didžiąją šio laikotarpio dalį bendrovė manė, kad vandeniliu varomas vidaus degimo variklis yra arčiau vartotojo nei kuro elementas. Kuro elementų variklis, kurio efektyvumas yra apie 60%, o elektros variklio našumas didesnis nei 90%, yra daug efektyvesnis nei vidaus degimo variklis, varomas vandeniliu. Kaip matysime tolesnėse eilutėse, su tiesioginiu įpurškimu ir turbokompresoriumi šiandieniniai sumažinto dydžio varikliai bus itin tinkami tiekti vandenilį, jei bus įdiegtos tinkamos įpurškimo ir degimo valdymo sistemos. Tačiau nors vandeniliu varomi vidaus degimo varikliai paprastai yra daug pigesni nei kuro elementas kartu su ličio jonų akumuliatoriumi, jų nebėra darbotvarkėje. Be to, abiem atvejais vandenilio mobilumo problemos gerokai viršija varomosios sistemos taikymo sritį.

Ir vis dėlto kodėl vandenilis?

Vandenilis yra esminis žmonijos siekio naudoti vis daugiau ir daugiau alternatyvių energijos šaltinių elementas, pavyzdžiui, tiltas saulės, vėjo, vandens ir biomasės energijai kaupti paverčiant ją chemine energija. Paprasčiau tariant, tai reiškia, kad šių natūralių šaltinių sukurta elektros energija negali būti kaupiama dideliais kiekiais, tačiau gali būti naudojama vandeniliui gaminti, skaidant vandenį deguonimi ir vandeniliu.

Žinoma, vandenilį galima išgauti ir iš neatsinaujinančių angliavandenilių šaltinių, tačiau tai jau seniai buvo nepriimtina, kai kalbama apie jo naudojimą kaip energijos šaltinį. Neabejotinas faktas, kad vandenilio gamybos, laikymo ir transportavimo technologinės problemos yra sprendžiamos – praktiškai net ir dabar didžiuliai kiekiai šių dujų gaminami ir naudojami kaip žaliava chemijos ir naftos chemijos pramonėje. Tačiau tokiais atvejais didelė vandenilio kaina nėra mirtina, nes jis „tirpsta“ dėl didelių produktų, su kuriais jis susijęs, kainos.

Tačiau lengvųjų dujų, kaip energijos šaltinio, naudojimo dideliais kiekiais problema yra šiek tiek sudėtingesnė. Mokslininkai jau seniai kraipė galvas, ieškodami galimos strateginės alternatyvos mazutui, o elektrinio mobilumo ir vandenilio didėjimas gali būti artimoje simbiozėje. Viso to esmė yra paprastas, bet labai svarbus faktas – vandenilio gavyba ir naudojimas sukasi aplink natūralų vandens susijungimo ir skaidymo ciklą... Jei žmonija tobulins ir išplės gamybos metodus, naudodama natūralius šaltinius, tokius kaip saulės energija, vėjas ir vanduo, vandenilis gali būti gaminamas ir naudojamas neribotais kiekiais, neišskiriant kenksmingų teršalų.
gamyba

Šiuo metu pasaulyje pagaminama daugiau nei 70 milijonų tonų gryno vandenilio. Pagrindinė žaliava jos gamybai yra gamtinės dujos, kurios yra perdirbamos vadinamuoju „reformavimo“ procesu (pusė visos). Mažesni vandenilio kiekiai gaunami kitais procesais, tokiais kaip chloro junginių elektrolizė, dalinė sunkiosios naftos oksidacija, anglies dujinimas, pirolizė akmens angliai, kad gautų koksą, ir benzino reformavimas. Maždaug pusė viso pasaulio vandenilio gamybos sunaudojama amoniakui (kuris naudojamas kaip žaliava trąšų gamybai), naftos perdirbimui ir metanolio sintezei sintezuoti.

Šios gamybos schemos įvairiai apkrauna aplinką ir, deja, nė viena iš jų nepasiūlo prasmingos alternatyvos dabartiniam energetikos status quo – pirma dėl to, kad jose naudojami neatsinaujinantys šaltiniai, ir, antra, dėl to, kad gamyba išskiria nepageidaujamas medžiagas, tokias kaip anglies dioksidas. Perspektyviausias vandenilio gamybos būdas ateityje išliks pradinėje mokykloje žinomas vandens skaidymas elektros pagalba. Tačiau švarios energijos ciklą šiuo metu galima uždaryti tik naudojant gamtinę, o ypač saulės ir vėjo energiją, gaminant elektrą, reikalingą vandeniui skaidyti. Pasak daktaro Gouldnerio, šiuolaikinės technologijos, „sujungtos“ su vėjo ir saulės sistemomis, įskaitant mažas vandenilio stotis, kur pastarosios gaminamos vietoje, yra didelis naujas žingsnis šia kryptimi.
Sandėliavimo vieta

Vandenilis gali būti laikomas dideliais kiekiais dujinėse ir skystosiose fazėse. Didžiausi tokie rezervuarai, kuriuose vandenilis laikomas santykinai žemame slėgyje, vadinami „dujų skaitikliais“. Vidutinės ir mažesnės talpyklos yra pritaikytos vandeniliui laikyti esant 30 barų slėgiui, o mažiausios specialios talpyklos (brangūs įtaisai, pagaminti iš specialių plieno arba anglies pluošto kompozicinių medžiagų) palaiko pastovų 400 barų slėgį.
Vandenilis taip pat gali būti laikomas skystoje fazėje esant -253°C tūrio vienetui, kuriame yra 1,78 karto daugiau energijos nei laikant esant 700 barų – kad būtų pasiektas lygiavertis energijos kiekis suskystintame vandenilyje tūrio vienete, dujos turi būti suslėgtos iki 1250 barų. Dėl didesnio atšaldyto vandenilio energetinio efektyvumo BMW bendradarbiauja su Vokietijos šaldymo grupe „Linde“, kurdama pirmąsias sistemas, kuri sukūrė moderniausius kriogeninius įrenginius vandeniliui suskystinti ir laikyti. Mokslininkai siūlo ir kitų, tačiau šiuo metu mažiau pritaikomų vandenilio laikymo alternatyvų – pavyzdžiui, laikymą esant slėgiui specialiuose metaliniuose miltuose, metalo hidridų pavidalu ir kt.

Vandenilio perdavimo tinklai jau egzistuoja vietovėse, kuriose yra didelė chemijos gamyklų ir naftos perdirbimo gamyklų koncentracija. Apskritai, technika yra panaši į gamtinių dujų perdavimo būdą, tačiau pastarąsias ne visada įmanoma naudoti vandenilio reikmėms. Tačiau net praėjusį šimtmetį daugelis namų Europos miestuose buvo apšviesti dujotiekio lengvosiomis dujomis, kuriose yra iki 50% vandenilio ir kurios naudojamos kaip degalai pirmiesiems stacionariems vidaus degimo varikliams. Dabartinis technologijos lygis jau leidžia transkontinentinį transportuoti suskystintą vandenilį per esamus kriogeninius tanklaivius, panašius į naudojamus gamtinėms dujoms.

BMW ir vidaus degimo variklis

"Vanduo. Vienintelis galutinis švarių BMW variklių produktas, kuriame vietoj naftos kuro naudojamas skystas vandenilis ir leidžiantis kiekvienam ramia sąžine mėgautis naujomis technologijomis.

Šie žodžiai yra citata iš XXI amžiaus pradžios vokiečių kompanijos reklamos kampanijos. Tai turėtų skatinti gana egzotišką Bavarijos automobilių gamintojo flagmano 745 valandų vandenilio versiją. Egzotika, nes, pasak BMW, norint pereiti prie angliavandenilių kuro alternatyvų, kuriomis automobilių pramonė maitino nuo pat pradžių, reikės pakeisti visą pramonės infrastruktūrą. Tuo metu bavarai rado perspektyvų plėtros kelią ne plačiai reklamuojamuose kuro elementuose, o vidaus degimo variklių perkėlime dirbti su vandeniliu. BMW mano, kad svarstomas modifikavimas yra išsprendžiama problema ir jau daro didelę pažangą siekdama pagrindinio uždavinio - užtikrinti patikimą variklio veikimą ir panaikinti jo polinkį bėgti naudojant gryną vandenilį. Sėkmę šia kryptimi lemia kompetencija elektroninio variklio procesų valdymo srityje ir galimybė naudoti lanksčiam dujų paskirstymui patentuotas BMW užpatentuotas „Valvetronic“ ir „Vanos“ sistemas, be kurių neįmanoma garantuoti normalaus „vandenilio variklių“ veikimo.

Tačiau pirmieji žingsniai šia kryptimi datuojami 1820 m., kai dizaineris Williamas Cecilis sukūrė vandeniliu varomą variklį, veikiantį vadinamuoju „vakuuminiu principu“ – schemą, visiškai kitokią nei vėliau išrasta su vidiniu varikliu. deginimas. Pirmą kartą savo vidaus degimo variklių kūrime po 60 metų pradininkas Otto panaudojo jau minėtas ir iš anglies gautas sintetines dujas, kuriose vandenilio kiekis siekė apie 50%. Tačiau išradus karbiuratorių, benzino naudojimas tapo daug praktiškesnis ir saugesnis, o skystasis kuras pakeitė visas kitas iki šiol buvusias alternatyvas. Vandenilio, kaip kuro, savybes po daugelio metų atrado kosmoso pramonė, kuri greitai išsiaiškino, kad vandenilis turi geriausią energijos ir masės santykį iš bet kurio žmonijai žinomo kuro.

1998 m. Liepos mėn. Europos automobilių pramonės asociacija (ACEA) įsipareigojo iki 2 m. Sumažinti vidutinę 140 gramų vienam kilometrui naujų ES registruotų transporto priemonių išmetamą CO2008 kiekį. Praktiškai tai reiškia, kad išmetamų teršalų kiekis sumažėjo 25%, palyginti su 1995 m., Ir tai prilygsta vidutinėms naujojo transporto parko degalų sąnaudoms - apie 6,0 l / 100 km. Tai labai apsunkina užduotį automobilių įmonėms ir, pasak BMW ekspertų, ją galima išspręsti arba naudojant mažai anglies išskiriantį kurą, arba visiškai pašalinant anglį iš kuro sudėties. Pagal šią teoriją vandenilis visoje savo šlovėje pasirodo automobilių arenoje.
Bavarijos įmonė tampa pirmąja automobilių gamintoja, pradėjusia masinę vandeniliu varomų transporto priemonių gamybą. Išsipildo optimistiški ir pasitikintys BMW direktorių valdybos Burkhardo Göschelio, BMW valdybos nario, atsakingo už naujoves, teiginiai, kad „įmonė parduos vandenilinius automobilius iki 7-osios serijos galiojimo pabaigos“. Su „Hydrogen 7“ septintosios serijos versija buvo pristatyta 2006 metais ir turi 12 cilindrų 260 AG variklį. ši žinia tampa realybe.

Šis ketinimas atrodo gana ambicingas, tačiau dėl rimtų priežasčių. BMW nuo 1978 m. Eksperimentuoja su vandenilio degimo varikliais, o 5 serijos (E12), 1984 valandų E 745 versija buvo pristatyta 23 m., O 11 m. Gegužės 2000 d. Ji parodė unikalias šios alternatyvos galimybes. Įspūdingas 15 750 AG galios parkas. „Savaitės E 38“ su 12 cilindrų vandeniliu varomais varikliais įveikė 170 000 km maratoną, pabrėždamas įmonės sėkmę ir naujų technologijų pažadą. 2001 ir 2002 m. Kai kurios iš šių transporto priemonių toliau dalyvavo įvairiose demonstracijose, skirtose vandenilio idėjai skatinti. Tada ateina nauja plėtra, pagrįsta sekančia 7 serija, naudojant modernų 4,4 litro V-212 variklį, galintį pasiekti didžiausią greitį 12 km / h, o po to seka naujausia versija su XNUMX cilindrų V-XNUMX varikliu.

Remiantis oficialia bendrovės nuomone, priežastys, kodėl BMW vėliau pasirinko šią technologiją, o ne kuro elementus, yra ir komercinės, ir psichologinės. Pirma, šiam metodui prireiks žymiai mažiau investicijų, jei pasikeis pramonės infrastruktūra. Antra, kadangi žmonės yra įpratę prie seno gero vidaus degimo variklio, jie jį myli ir bus sunku su juo išsiskirti. Ir trečia, nes tuo pačiu metu ši technologija vystosi greičiau nei kuro elementų technologija.

BMW automobiliuose vandenilis laikomas per daug izoliuotame kriogeniniame inde, panašiai kaip aukštųjų technologijų termosas, sukurtas Vokietijos šaldymo grupės „Linde“. Esant žemai laikymo temperatūrai, degalai yra skystoje fazėje ir patenka į variklį kaip įprasti degalai.

Miuncheno įmonės konstruktoriai naudoja kuro įpurškimą įsiurbimo kolektoriuose, o mišinio kokybė priklauso nuo variklio darbo režimo. Dalinės apkrovos režimu variklis dirba liesais mišiniais, panašiais į dyzeliną – keičiamas tik įpurškiamo kuro kiekis. Tai yra vadinamoji mišinio „kokybės kontrolė“, kai variklis dirba su oro pertekliumi, tačiau dėl mažos apkrovos azoto emisijų susidarymas yra sumažintas iki minimumo. Kai reikia didelės galios, variklis pradeda dirbti kaip benzininis, pereinant prie vadinamojo mišinio „kiekybinio reguliavimo“ ir prie įprastų (ne liesų) mišinių. Šie pokyčiai įmanomi, viena vertus, dėl elektroninio proceso valdymo greičio variklyje, kita vertus, dėl lankstaus dujų paskirstymo valdymo sistemų veikimo - „dvigubo“ Vanos, veikiančio kartu. su Valvetronic įsiurbimo valdymo sistema be droselio. Reikėtų nepamiršti, kad, pasak BMW inžinierių, šios plėtros darbo schema yra tik tarpinis technologijų vystymosi etapas ir ateityje varikliai turės pereiti prie tiesioginio vandenilio įpurškimo į cilindrus ir turbokompresorių. Tikimasi, kad pritaikius šiuos metodus pagerės automobilio dinaminės charakteristikos lyginant su panašiu benzininiu varikliu ir bendras vidaus degimo variklio efektyvumas padidės daugiau nei 50 proc.

Įdomus vystymosi faktas yra tai, kad su naujausiais „vandenilio“ vidaus degimo variklių patobulinimais Miuncheno dizaineriai žengia į kuro elementų sritį. Tokius įrenginius jie naudoja automobilių elektros tinklui maitinti, visiškai pašalindami įprastą akumuliatorių. Dėl šio žingsnio galima papildomai sutaupyti degalų, nes vandeniliniam varikliui nereikia varyti generatoriaus, o borto elektros sistema tampa visiškai autonomiška ir nepriklausoma nuo važiavimo kelio – ji gali generuoti elektrą net varikliui neveikiant, o gamybos ir vartojimo energija gali būti visiškai optimizuota. Tai, kad dabar galima pagaminti tiek elektros energijos, kiek reikia vandens siurbliui, alyvos siurbliams, stabdžių stiprintuvui ir laidų sistemoms maitinti, taip pat galima sutaupyti. Tačiau lygiagrečiai su visomis šiomis naujovėmis degalų įpurškimo sistema (benzinas) praktiškai nepatyrė jokių brangiai kainuojančių konstrukcijos pakeitimų.

Siekdami skatinti vandenilio technologijas 2002 m. Birželio mėn., „BMW Group“, „Aral“, BVG, „DaimlerChrysler“, „Ford“, „GHW“, „Linde“, „Opel“ ir „MAN“ sukūrė „CleanEnergy“ partnerystės programą, kuri savo veiklą pradėjo nuo SND degalinių plėtros. ir suspausto vandenilio. Jose dalis vandenilio gaminama vietoje naudojant saulės energiją, o po to suspaudžiama, o dideli suskystinti kiekiai atkeliauja iš specialių gamybos stočių, o visi garai iš skystosios fazės automatiškai perkeliami į dujų rezervuarą.
BMW inicijavo daugybę kitų bendrų projektų, įskaitant su naftos kompanijomis, tarp kurių aktyviausi dalyviai yra „Aral“, BP, „Shell“, „Total“.
Tačiau kodėl BMW atsisako šių technologinių sprendimų ir vis tiek orientuojasi į kuro elementus, mes jums pasakysime kitame šios serijos straipsnyje.

Vandenilis vidaus degimo varikliuose

Įdomu pastebėti, kad dėl vandenilio fizikinių ir cheminių savybių jis yra daug degesnis nei benzinas. Praktiškai tai reiškia, kad norint pradėti degimo procesą vandenilyje, reikia daug mažiau pradinės energijos. Kita vertus, vandeniliniai varikliai gali lengvai naudoti labai „blogus“ mišinius – tai šiuolaikiniai benzininiai varikliai pasiekia pasitelkę sudėtingas ir brangias technologijas.

Šiluma tarp vandenilio-oro mišinio dalelių yra mažiau išsklaidoma, o tuo pačiu metu savaiminio užsidegimo temperatūra yra daug aukštesnė, kaip ir degimo procesų greitis, palyginti su benzinu. Vandenilis turi mažą tankį ir stiprią difuziją (dalelės gali patekti į kitas dujas - šiuo atveju orą).

Būtent maža aktyvavimo energija, reikalinga savaiminiam užsidegimui, yra vienas didžiausių iššūkių kontroliuojant degimą vandenilio varikliuose, nes mišinys gali lengvai savaime užsidegti dėl kontakto su karštesnėmis degimo kameros sritimis ir pasipriešinimo, sekant visiškai nekontroliuojamų procesų grandinę. Šios rizikos išvengimas yra vienas iš didžiausių iššūkių kuriant vandenilio variklius, tačiau nėra lengva pašalinti pasekmes dėl to, kad labai išsklaidytas degimo mišinys juda labai arti cilindro sienelių ir gali prasiskverbti į ypač siaurus tarpus. pavyzdžiui, išilgai uždarų vožtuvų ... Į visa tai reikia atsižvelgti projektuojant šiuos variklius.

Aukšta savaiminio užsidegimo temperatūra ir didelis oktaninis skaičius (apie 130) leidžia padidinti variklio suspaudimo laipsnį ir dėl to jo efektyvumą, tačiau vėl kyla pavojus, kad vandenilis savaime užsidegs, kai liečiasi su karštesne dalimi. cilindre. Didelio vandenilio difuzijos pajėgumo pranašumas yra galimybė lengvai sumaišyti su oru, o tai sugedus bakui garantuoja greitą ir saugų kuro išsisklaidymą.

Idealus oro ir vandenilio mišinys degimui yra apie 34:1 (benzinui šis santykis yra 14,7:1). Tai reiškia, kad pirmuoju atveju derinant tą pačią vandenilio ir benzino masę, reikia daugiau nei dvigubai daugiau oro. Tuo pačiu metu vandenilio ir oro mišinys užima žymiai daugiau vietos, o tai paaiškina, kodėl vandeniliniai varikliai turi mažesnę galią. Grynai skaitmeninė santykio ir tūrio iliustracija yra gana iškalbinga – degimui paruošto vandenilio tankis yra 56 kartus mažesnis už benzino garų tankį... Tačiau reikia pastebėti, kad apskritai vandenilio varikliai gali dirbti su oro mišiniais. . vandenilio santykiu iki 180:1 (t.y. su labai „blogais“ mišiniais), o tai savo ruožtu reiškia, kad variklis gali dirbti be droselio ir naudoti dyzelinių variklių principą. Taip pat reikėtų paminėti, kad vandenilis yra neabejotinas lyderis, lyginant vandenilį ir benziną kaip masinį energijos šaltinį – kilogramas vandenilio turi beveik tris kartus daugiau energijos kilograme benzino.

Kaip ir benzininiuose varikliuose, suskystintas vandenilis gali būti įpurškiamas tiesiai prieš kolektorių vožtuvus, tačiau geriausias sprendimas yra įpurškimas tiesiai per suspaudimo taktą – tokiu atveju panašaus benzininio variklio galia gali viršyti 25%. Taip yra todėl, kad degalai (vandenilis) neišstumia oro, kaip naudojant benzininį ar dyzelinį variklį, todėl degimo kamerą galima užpildyti tik (žymiai daugiau nei įprastai) oro. Be to, skirtingai nei benzininiams varikliams, vandeniliui nereikia struktūrinio sūkuriavimo, nes vandenilis be šios priemonės gana gerai išsisklaido su oru. Dėl skirtingo degimo greičio skirtingose ​​cilindro dalyse geriau montuoti dvi uždegimo žvakes, o vandeniliniuose varikliuose platinos elektrodų naudojimas netinka, nes platina tampa katalizatoriumi, kuris sukelia kuro oksidaciją net esant žemai temperatūrai. .

„Mazda“ variantas

Japonijos kompanija „Mazda“ taip pat demonstruoja savo vandenilinio variklio versiją, sukamąjį bloką sportiniame automobilyje RX-8. Tai nenuostabu, nes Wankel variklio konstrukcijos ypatybės yra ypač tinkamos naudoti vandenilį kaip kurą.
Dujos laikomos aukštu slėgiu specialiame rezervuare, o kuras įpurškiamas tiesiai į degimo kameras. Atsižvelgiant į tai, kad rotacinių variklių atveju zonos, kuriose vyksta įpurškimas ir degimas, yra atskiros, o temperatūra įsiurbimo dalyje yra žemesnė, problema su galimybe nekontroliuojamai užsidegti žymiai sumažėja. „Wankel“ variklis taip pat siūlo daug vietos dviem purkštukams, o tai labai svarbu norint įpurkšti optimalų vandenilio kiekį.

H2R

H2R yra veikiantis supersporto prototipas, kurį sukūrė BMW inžinieriai ir varomas 12 cilindrų varikliu, kurio maksimali galia siekia 285 AG. dirbant su vandeniliu. Jų dėka eksperimentinis modelis nuo 0 iki 100 km/h įsibėgėja per šešias sekundes, o maksimalus greitis siekia 300 km/h. H2R variklis sukurtas pagal standartinį 760i benzine naudojamą viršūnę ir užtruko vos dešimt mėnesių sukurti. .

Siekdami išvengti savaiminio užsidegimo, Bavarijos specialistai sukūrė specialią srauto ir įpurškimo į degimo kamerą ciklų strategiją, išnaudodami variklio kintamo vožtuvų laiko nustatymo sistemos teikiamas galimybes. Prieš mišiniui patenkant į cilindrus, pastarieji aušinami oru, o uždegimas vykdomas tik viršutiniame negyvajame taške – dėl didelio vandenilio kuro degimo greičio uždegimo paankstinimas nereikalingas.