BMW és hidrogén: a belső égésű motor

A vállalat projektjei 40 évvel ezelőtt kezdődtek az 5-ös sorozat hidrogénes változatával

A BMW régóta hisz az elektromos mobilitásban. Ma a Tesla tekinthető a mércének ezen a területen, de tíz évvel ezelőtt, amikor az amerikai cég bemutatta a testreszabott alumínium platform koncepcióját, amely aztán a Tesla Model S formájában valósult meg, a BMW aktívan dolgozott a Megacityn. Jármű projekt. A 2013-as BMW i3 néven kerül forgalomba. Az avantgárd német autó nemcsak alumínium tartószerkezetet használ integrált akkumulátorokkal, hanem szénerősítésű polimerekből készült karosszériát is. A Tesla azonban tagadhatatlanul megelőzi versenytársait, az a kivételes módszertan, különösen az elektromos járművek akkumulátorainak fejlesztése terén – a lítium-ion cellagyártókkal való kapcsolatoktól a hatalmas akkumulátorgyárak építéséig, beleértve a nem elektromos alkalmazásokat is. mobilitás.

De térjünk vissza a BMW-hez, mert a Teslával és sok versenytársával ellentétben a német cég továbbra is hisz a hidrogén mobilitásában. Nemrég a cég hidrogén üzemanyagcellákért felelős alelnöke, Dr. Jürgen Gouldner vezette csapat bemutatta az I-Hydrogen Next üzemanyagcellát, egy alacsony hőmérsékletű kémiai reakcióval működő önjáró generátort. Ez a pillanat a BMW üzemanyagcellás járműfejlesztésének elindításának 10. évfordulója, valamint a Toyotával az üzemanyagcellák terén folytatott együttműködés 7. évfordulója. A BMW azonban 40 évre nyúlik vissza a hidrogéntől, és sokkal "forróbb hőmérséklet".

Ez a cég több mint negyedszázados fejlesztése, amelyben a hidrogént belső égésű motorok üzemanyagaként használják. Ezen időszak nagy részében a vállalat úgy gondolta, hogy a hidrogénüzemű belső égésű motor közelebb áll a fogyasztóhoz, mint az üzemanyagcella. Körülbelül 60%-os hatásfokkal és 90%-nál nagyobb hatásfokú villanymotor kombinációjával az üzemanyagcellás motor sokkal hatékonyabb, mint a hidrogénnel működő belsőégésű motor. Amint azt a következő sorokban látni fogjuk, a mai leépített motorok közvetlen befecskendezésükkel és turbófeltöltésükkel rendkívül alkalmasak lesznek hidrogén szállítására – feltéve, hogy a megfelelő befecskendezési és égésszabályozási rendszerek megvannak. Ám bár a hidrogénüzemű belső égésű motorok jellemzően jóval olcsóbbak, mint a lítium-ion akkumulátorral kombinált üzemanyagcellák, már nincsenek napirenden. Ráadásul a hidrogén mobilitásának problémái mindkét esetben messze túlmutatnak a meghajtási rendszer keretein.

És mégis miért hidrogén?

A hidrogén elengedhetetlen elem az emberiség azon törekvésében, hogy egyre több alternatív energiaforrást használjon, például egy hidat, amely a nap, a szél, a víz és a biomassza energiáját kémiai energiává alakítja. Egyszerűbben fogalmazva, ez azt jelenti, hogy az e természetes források által termelt villamos energia nem tárolható nagy mennyiségben, hanem felhasználható hidrogén előállítására a víz oxigénné és hidrogénné bontásával.

Természetesen a hidrogént nem megújuló szénhidrogénforrásokból is ki lehet nyerni, de ez már régóta elfogadhatatlan, ha energiaforrásként használjuk. Tagadhatatlan tény, hogy a hidrogén előállításának, tárolásának és szállításának technológiai problémái megoldhatók - a gyakorlatban még ma is hatalmas mennyiségben állítják elő és hasznosítják ezt a gázt a vegyiparban és a petrolkémiai iparban. Ezekben az esetekben azonban a hidrogén magas ára nem halálos, mivel "olvad" azon termékek magas költségén, amelyekben részt vesz.

A könnyű gáz energiaforrásként és nagy mennyiségben történő felhasználásának problémája azonban egy kicsit bonyolultabb. A tudósok már régóta csóválják a fejüket a tüzelőolaj lehetséges stratégiai alternatíváját keresve, az elektromos mobilitás és a hidrogén növekedése pedig szoros szimbiózisban lehet. Mindennek a középpontjában egy egyszerű, de nagyon fontos tény áll – a hidrogén kitermelése és felhasználása a víz egyesülésének és lebontásának természetes ciklusa körül forog… Ha az emberiség fejleszti és kiterjeszti a termelési módszereket olyan természetes források felhasználásával, mint a napenergia, a szél és a víz, a hidrogén korlátlan mennyiségben állítható elő és használható fel káros kibocsátás nélkül.
termelés

A világon jelenleg több mint 70 millió tonna tiszta hidrogént állítanak elő. Előállításának fő nyersanyaga a földgáz, amelyet „reform” néven ismert folyamatban dolgoznak fel (a teljes mennyiség fele). Kisebb mennyiségű hidrogént más eljárásokkal állítanak elő, például klórvegyületek elektrolízisével, nehézolaj részleges oxidációjával, széngázosítással, a szén pirolízisével koksz előállítására és benzinreformálással. A világ hidrogéntermelésének mintegy felét az ammónia szintézisére használják (amelyet műtrágya-előállítás során alapanyagként használnak), az olajfinomításban és a metanol szintézisében.

Ezek a termelési rendszerek különböző mértékben terhelik a környezetet, és sajnos egyik sem kínál érdemi alternatívát a jelenlegi energetikai status quo-hoz – egyrészt azért, mert nem megújuló forrásokat használnak, másrészt azért, mert a termelés nem kívánt anyagokat, például szén-dioxidot bocsát ki. A hidrogén előállításának legígéretesebb módszere a jövőben is a víz elektromos áram segítségével történő lebontása marad, amelyet az általános iskolákban ismertek. A tiszta energia körforgásának lezárása azonban jelenleg csak úgy lehetséges, ha természetes és főleg nap- és szélenergia felhasználásával állítják elő a víz lebontásához szükséges villamos energiát. Dr. Gouldner szerint a szél- és napenergia-rendszerekhez „kapcsolt” modern technológiák, köztük a kis hidrogénállomások, ahol ez utóbbiakat a helyszínen állítják elő, nagy új lépést jelentenek ebbe az irányba.
Tárolási hely

A hidrogén nagy mennyiségben tárolható mind gáz, mind folyadék fázisban. A legnagyobb ilyen tárolókat, amelyekben a hidrogént viszonylag alacsony nyomáson tartják, "gázmérőknek" nevezzük. A közepes és kisebb tartályok a hidrogén 30 bar nyomáson történő tárolására vannak kialakítva, míg a legkisebb speciális tartályok (drága, speciális acélból vagy szénszállal erősített kompozitokból készült készülékek) állandó 400 bar nyomást tartanak fenn.
A hidrogén folyékony fázisban is tárolható -253°C-on térfogategységenként, amely 1,78-szor több energiát tartalmaz, mint 700 bar nyomáson – az egységnyi térfogatra jutó cseppfolyósított hidrogénben egyenértékű energia eléréséhez a gázt legfeljebb 1250-szor több energiával kell sűríteni. XNUMX bar. A hűtött hidrogén nagyobb energiahatékonysága miatt a BMW a német Linde hűtőcsoporttal áll partnerre első rendszerei kidolgozásában, amely a hidrogén cseppfolyósítására és tárolására a legmodernebb kriogén eszközöket fejlesztett ki. A tudósok más, de jelenleg kevésbé alkalmazható alternatívákat is kínálnak a hidrogén tárolására - például nyomás alatti tárolást speciális fémlisztben, fémhidridek formájában és mások.

A hidrogénátviteli hálózatok már léteznek olyan területeken, ahol nagy a vegyi üzemek és az olajfinomítók koncentrációja. Általánosságban elmondható, hogy a technika hasonló a földgáz átviteléhez, de ez utóbbi felhasználása a hidrogén szükségleteihez nem mindig lehetséges. Azonban még a múlt században is sok házat világítottak meg az európai városokban csővezetékes könnyű gáz, amely akár 50% hidrogént tartalmaz, és amelyet üzemanyagként használnak az első álló belső égésű motorokhoz. A jelenlegi technológiai szint már lehetővé teszi a cseppfolyósított hidrogén transzkontinentális transzportját a meglévő kriogén tartályhajókon keresztül, hasonlóan a földgázhoz használtakhoz.

BMW és a belső égésű motor

"Víz. A tiszta BMW motorok egyetlen végterméke, amely kőolaj helyett folyékony hidrogént használ, és mindenki számára lehetővé teszi, hogy tiszta lelkiismerettel élvezhesse az új technológiákat.”

Ezek a szavak egy német vállalat 745. századi reklámkampányának idézetei. A bajor autógyártó zászlóshajójának meglehetősen egzotikus, XNUMX órás hidrogén-változatát kellene népszerűsítenie. Egzotikus, mert a BMW szerint a szénhidrogén üzemanyag-alternatívákra való áttéréshez, amelyet az autóipar kezdettől fogva táplál, meg kell változtatni a teljes ipari infrastruktúrán. Abban az időben a bajorok ígéretes fejlődési utat találtak nem a széles körben reklámozott üzemanyagcellákban, hanem a belső égésű motorok hidrogénnel való működtetésében. A BMW úgy véli, hogy a szóban forgó utólagos felszerelés megoldható kérdés, és máris jelentős előrelépést tesz annak a fő kihívásnak a felé, amely a megbízható motorteljesítmény biztosítása és a tiszta hidrogén felhasználásával történő elszökő hajlam megszüntetése. Az ebben az irányban elért siker annak köszönhető, hogy jártas a motorfolyamatok elektronikus vezérlésének területén, valamint annak a képességének, hogy a rugalmas szabadalmaztatásban a BMW által szabadalmaztatott Valvetronic és Vanos rendszereket felhasználhassuk a rugalmas gázelosztáshoz, amelyek nélkül lehetetlen garantálni a "hidrogénmotorok" normál működését.

Az ebbe az irányba tett első lépések azonban 1820-ra nyúlnak vissza, amikor William Cecil tervező megalkotta az úgynevezett „vákuum-elven” működő hidrogénüzemű motort – ez teljesen más, mint a később belső motorral feltalált. égő. Az úttörő Ottó 60 évvel későbbi első belsőégésű motorok fejlesztésénél a már említett és szénből származó, mintegy 50%-os hidrogéntartalmú szintetikus gázt használt. A karburátor feltalálásával azonban a benzin használata sokkal praktikusabb és biztonságosabb lett, a folyékony üzemanyag pedig minden eddig létező alternatívát felváltott. A hidrogén mint üzemanyag tulajdonságait sok évvel később fedezte fel az űripar, amely gyorsan felfedezte, hogy az emberiség által ismert üzemanyagok közül a hidrogénnek van a legjobb energia/tömeg aránya.

1998 júliusában az Európai Járműipari Szövetség (ACEA) kötelezettséget vállalt arra, hogy az újonnan nyilvántartásba vett járművek szén-dioxid-kibocsátását 2-ra átlagosan 140 gramm / kilométerre csökkenti az Unióban. A gyakorlatban ez 2008% -os kibocsátáscsökkenést jelent 25-höz képest, és megegyezik az új flotta átlagos üzemanyag-fogyasztásával, amely körülbelül 1995 l / 6,0 km. Ez rendkívül megnehezíti az autóipari vállalatok feladatát, és a BMW szakemberei szerint megoldható akár alacsony szén-dioxid-kibocsátású üzemanyagok alkalmazásával, akár a szén teljes eltávolításával az üzemanyag-összetételből. Ezen elmélet szerint a hidrogén teljes dicsőségében megjelenik az autóiparban.
A bajor cég az első autógyártó, amely megkezdi a hidrogénüzemű járművek tömeges gyártását. Burkhard Göschel, a BMW új fejlesztésekért felelős igazgatósági tagjának optimista és magabiztos állításai, miszerint „a vállalat hidrogén-gépkocsikat értékesít a 7. sorozat lejárta előtt”, valóra válnak. A Hydrogen 7-tel 2006-ban mutatták be a hetedik sorozat egyik változatát, amelynek 12 hengeres, 260 LE-s motorja van. ez az üzenet valósággá válik.

A szándék elég ambiciózusnak tűnik, de jó okkal. A BMW 1978 óta kísérletezik hidrogén-égésű motorokkal, az 5-ös szériával (E12) az E 1984 745 órás változatát 23-ben vezették be, és 11. május 2000-én bemutatta ennek az alternatívának az egyedülálló képességeit. Lenyűgöző flotta, 15 750 lóerő. Az E 38 "a hét" 12 hengeres hidrogénüzemű motorjaival 170 000 km maratont futott, kiemelve a vállalat sikerét és az új technológia ígéretét. 2001-ben és 2002-ben ezek közül a járművek közül néhányan továbbra is részt vettek a hidrogén-ötlet előmozdítását szolgáló különféle demonstrációkban. Ezután jön egy új fejlesztés, amely a következő 7-es sorozatra épül, modern 4,4 literes V-212 motorral és 12 km / h maximális sebességre képes, majd a legújabb fejlesztés egy XNUMX hengeres V-XNUMX motorral.

A vállalat hivatalos véleménye szerint mind a kereskedelmi, mind a pszichológiai okok, amelyek miatt a BMW az üzemanyagcellák helyett ezt a technológiát választotta. Először is, ez a módszer jelentősen kevesebb beruházást igényel ipari infrastruktúra-változások esetén. Másodszor, mivel az emberek hozzászoktak a jó öreg belső égésű motorhoz, imádják, és nehéz lesz elválni tőle. Harmadszor, mert ugyanakkor ez a technológia gyorsabban fejlődik, mint az üzemanyagcellás technológia.

A BMW autókban a hidrogént egy túlszigetelt kriogén tartályban tárolják, mintegy a Linde német hűtőcsoport által kifejlesztett csúcstechnológiás termoszban. Alacsony tárolási hőmérsékleten az üzemanyag folyékony fázisban van, és normál üzemanyagként kerül a motorba.

A müncheni cég tervezői üzemanyag-befecskendezést használnak a szívócsonkban, és a keverék minősége a motor működési módjától függ. Részleges terhelésű üzemmódban a motor a dízelhez hasonlóan sovány keverékekkel működik - csak a befecskendezett üzemanyag mennyisége változik. Ez a keverék úgynevezett „minőség-ellenőrzése”, amelyben a motor levegőfelesleggel jár, de az alacsony terhelés miatt a nitrogénkibocsátás minimálisra csökken. Ha jelentős teljesítményre van szükség, a motor úgy kezd működni, mint egy benzinmotor, áttérve a keverék úgynevezett "mennyiségi szabályozására" és a normál (nem sovány) keverékekre. Ezek a változtatások egyrészt a motorban lévő elektronikus folyamatszabályozás sebességének, másrészt a gázelosztó vezérlőrendszerek rugalmas működésének köszönhetően – a „kettős” Vanos együtt működő – lehetségesek. gázszelep nélküli Valvetronic szívórendszerrel. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a BMW mérnökei szerint ennek a fejlesztésnek a működési sémája csak egy köztes szakasz a technológia fejlődésében, és a jövőben a motoroknak át kell állniuk a közvetlen hidrogén-befecskendezésre a hengerekbe és a turbófeltöltőbe. Ezeknek a módszereknek az alkalmazása várhatóan az autó dinamikus teljesítményének javulását eredményezi egy hasonló benzinmotorhoz képest, és több mint 50%-kal növeli a belső égésű motor összhatékonyságát.

Érdekes fejlesztési tény, hogy a „hidrogén” belső égésű motorok legújabb fejlesztéseivel a müncheni tervezők az üzemanyagcellák területére lépnek. Ilyen eszközöket használnak az autók fedélzeti elektromos hálózatának táplálására, teljesen kiiktatva a hagyományos akkumulátort. Ennek a lépésnek köszönhetően további üzemanyag-megtakarítás érhető el, hiszen a hidrogénmotornak nem kell a generátort hajtania, a fedélzeti elektromos rendszer pedig teljesen autonóm és a hajtási úttól függetlenné válik - akkor is képes áramot termelni, ha a motor nem jár, valamint a termelési és fogyasztási energia teljes mértékben optimalizálható. Az a tény, hogy a vízszivattyú, az olajszivattyúk, a fékrásegítő és a vezetékrendszerek áramellátásához szükséges mennyiségű villamos energia termelhető, szintén további megtakarítást jelent. Mindezekkel az újításokkal párhuzamosan azonban az üzemanyag-befecskendező rendszer (benzin) gyakorlatilag semmilyen költséges tervezési változtatáson nem esett át.

A hidrogéntechnológiák népszerűsítése érdekében 2002 júniusában a BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN létrehozta a CleanEnergy partnerségi programot, amely tevékenységét az LPG töltőállomások fejlesztésével kezdte. és sűrített hidrogént. Náluk a hidrogén egy részét a helyszínen napenergiával állítják elő, majd összenyomják, míg a nagy cseppfolyósított mennyiségek a speciális gyártóállomásokról érkeznek, és a folyékony fázisból származó összes gőz automatikusan átkerül a gáztartályba.
A BMW számos más közös projektet kezdeményezett, többek között olajipari vállalatokkal, amelyek között a legaktívabb résztvevők az Aral, a BP, a Shell, a Total.
Azonban, hogy a BMW miért hagyja el ezeket a technológiai megoldásokat, és továbbra is az üzemanyagcellákra koncentrál, a sorozat egy másik cikkében elmondjuk.

Hidrogén a belső égésű motorokban

Érdekes megjegyezni, hogy a hidrogén fizikai és kémiai tulajdonságai miatt sokkal gyúlékonyabb, mint a benzin. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy sokkal kevesebb kezdeti energia szükséges a hidrogénben történő égési folyamat elindításához. Másrészt a hidrogénmotorok könnyen használhatnak nagyon „rossz” keverékeket – ezt a modern benzinmotorok bonyolult és drága technológiákkal érik el.

A hidrogén-levegő keverék részecskéi közötti hő kevésbé disszipálódik, ugyanakkor az öngyulladási hőmérséklet is sokkal magasabb, valamint az égési folyamatok sebessége a benzinhez képest. A hidrogénnek alacsony a sűrűsége és erős a diffúziója (a részecskék egy másik gázba - ebben az esetben a levegőbe - bejutásának lehetősége).

Éppen az öngyulladáshoz szükséges alacsony aktiválási energia az egyik legnagyobb kihívás a hidrogénmotorok égésének szabályozásában, mert a keverék könnyen spontán meggyulladhat az égéstér forróbb területeivel való érintkezés és a teljesen ellenőrizetlen folyamatok láncát követő ellenállás miatt. Ennek a kockázatnak az elkerülése az egyik legnagyobb kihívás a hidrogénmotor tervezésében, de nem könnyű kiküszöbölni annak következményeit, hogy az erősen diszpergált égéskeverék nagyon közel mozog a henger falaihoz, és rendkívül keskeny réseken tud behatolni. például zárt szelepek mentén ... Mindezt figyelembe kell venni ezen motorok tervezésénél.

A magas öngyulladási hőmérséklet és a nagy oktánszám (kb. 130) lehetővé teszi a motor sűrítési arányának és ennélfogva a hatékonyságának növekedését, de megint fennáll a hidrogén öngyulladásának veszélye a forróbb részhez való érintkezéskor. a hengerben. A hidrogén nagy diffúziós kapacitásának előnye a levegővel történő könnyű keverés lehetősége, amely tartály meghibásodása esetén garantálja az üzemanyag gyors és biztonságos eloszlását.

Az égéshez ideális levegő-hidrogén keverék aránya körülbelül 34:1 (benzin esetében ez az arány 14,7:1). Ez azt jelenti, hogy ha az első esetben azonos tömegű hidrogént és benzint kombinálunk, akkor több mint kétszer annyi levegőre van szükség. Ugyanakkor a hidrogén-levegő keverék lényegesen több helyet foglal el, ami megmagyarázza, hogy a hidrogénmotorok kisebb teljesítményűek. Az arányok és térfogatok tisztán digitális illusztrációja meglehetősen beszédes - az égésre kész hidrogén sűrűsége 56-szor kisebb, mint a benzingőz sűrűsége... Meg kell azonban jegyezni, hogy a hidrogénmotorok általában levegőkeverékekkel is működhetnek. . hidrogén akár 180:1 arányban (azaz nagyon "rossz" keverékekkel), ami viszont azt jelenti, hogy a motor fojtószelep nélkül és a dízelmotorok elvét használja. Azt is meg kell említeni, hogy a hidrogén vitathatatlanul vezető szerepet tölt be a hidrogén és a benzin, mint tömeges energiaforrás összehasonlításában – egy kilogramm hidrogén majdnem háromszor több energiát tartalmaz kilogrammonként benzinre.

A benzinmotorokhoz hasonlóan a cseppfolyósított hidrogént közvetlenül a szelepek elé lehet befecskendezni az elosztókba, de a legjobb megoldás a közvetlenül a kompressziós löket során történő befecskendezés – ebben az esetben a teljesítmény 25%-kal meghaladhatja egy hasonló benzinmotorét. Ennek az az oka, hogy az üzemanyag (hidrogén) nem szorítja ki a levegőt, mint egy benzin- vagy dízelmotornál, így az égéstér csak (a szokásosnál lényegesen több) levegővel töltődhet fel. Ezenkívül a benzinmotorokkal ellentétben a hidrogénnek nincs szüksége szerkezeti örvénylésre, mivel a hidrogén e nélkül elég jól diffundál a levegővel. A henger különböző részein eltérő égési sebesség miatt jobb két gyújtógyertyát beszerelni, a hidrogénmotoroknál pedig a platinaelektródák használata nem megfelelő, mivel a platina katalizátorrá válik, amely alacsony hőmérsékleten is az üzemanyag oxidációjához vezet. .

Mazda opció

A japán Mazda cég is bemutatja a hidrogénmotoros változatát, az RX-8 sportkocsiban forgóblokk formájában. Ez nem meglepő, mivel a Wankel-motor tervezési jellemzői rendkívül alkalmasak a hidrogén üzemanyagként történő felhasználására.
A gázt nagy nyomáson egy speciális tartályban tárolják, és az üzemanyagot közvetlenül az égéstérbe juttatják. Annak a ténynek köszönhetően, hogy a forgó motorok esetében a zónák, amelyekben a befecskendezés és az égés történik, külön vannak, és a szívó rész hőmérséklete alacsonyabb, az ellenőrzés nélküli gyújtás lehetőségével kapcsolatos probléma jelentősen csökken. A Wankel motor bőséges helyet kínál két injektor számára is, ami kritikus fontosságú az optimális hidrogénmennyiség befecskendezéséhez.

H2R

A H2R egy működő szupersport prototípus, amelyet BMW mérnökei építettek, és egy 12 hengeres motor hajtja, amely eléri a 285 lóerős maximális teljesítményt. ha hidrogénnel dolgozik. Nekik köszönhetően a kísérleti modell hat másodperc alatt gyorsul 0-ról 100 km/h-ra, végsebessége pedig eléri a 300 km/h-t A H2R motor a 760i benzinben használt szabványos csúcsra épül, és mindössze tíz hónapig tartott a kifejlesztése .

A spontán égés megakadályozására a bajor szakemberek speciális stratégiát dolgoztak ki az égéstérbe történő áramlási és befecskendezési ciklusokra, kihasználva a motor változtatható szelepvezérlésének lehetőségeit. Mielőtt a keverék bejutna a hengerekbe, az utóbbiakat levegővel lehűtik, és a gyújtást csak a felső holtpontban hajtják végre - a hidrogén üzemanyaggal történő nagy égési sebesség miatt nincs szükség gyújtás előmozdítására.