Tesztvezetés BMW és hidrogén: második rész

"Víz. A BMW tiszta motorjainak egyetlen végterméke az, hogy folyékony hidrogént használnak kőolaj-üzemanyagok helyett, és lehetővé teszik, hogy mindenki tiszta lelkiismerettel élvezhesse az új technológiákat."

BMW módon

Ezek a szavak egy német cég több évvel ezelőtti reklámkampányából való idézet. Sokáig senki sem kérdőjelezte meg azt a tényt, hogy a bajorok nagyon jól tudják, mit csinálnak a motortechnológiával kapcsolatban, és e téren a világ egyik vitathatatlan éllovasai. Azt sem gondolnánk, hogy az elmúlt években szolid árbevétel-növekedést felmutató cég rengeteg pénzt dobna a bizonytalan jövővel kecsegtető technológiák kevéssé ismert hirdetéseire.

Ugyanakkor az idézett szavak a bajor autógyártó zászlóshajójának egy meglehetősen egzotikus, 745 órás hidrogénes változatát népszerűsítő kampány részét képezik. Egzotikus, mert a BMW szerint a szénhidrogén-üzemanyagok alternatíváira való átállás, amit az autóipar a kezdetektől táplált, a teljes termelési infrastruktúra megváltoztatását igényli. Utóbbira azért van szükség, mert a bajorok nem a széles körben hirdetett üzemanyagcellákban látnak ígéretes fejlődési utat, hanem a belső égésű motorok hidrogénüzemre való átalakításában. A BMW úgy véli, hogy a frissítés megoldható probléma, és máris jelentős előrelépést tett a fő probléma megoldásában, ami a megbízható motorteljesítmény elérése és a tiszta hidrogént használó ellenőrizetlen égési folyamatokra való hajlam megszüntetése. Az ebben az irányban elért siker a motorfolyamatok elektronikus vezérlése terén szerzett kompetenciának és a BMW szabadalmaztatott, rugalmas gázelosztó rendszereinek, a Valvetronic és Vanos használatának a lehetőségének köszönhető, amelyek nélkül lehetetlen lenne a „hidrogénmotorok” normál működését biztosítani. . Az ebbe az irányba tett első lépések azonban 1820-ra nyúlnak vissza, amikor is William Cecil tervező megalkotta az úgynevezett "vákuum-elven" működő hidrogénüzemű motort – ami nagyon különbözik a később feltalált belső motorral rendelkező motorétól. . 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 az űripar fedezte fel, és gyorsan felfedezte, hogy az emberiség által ismert üzemanyagok közül a hidrogénnek van a legjobb energia/tömeg aránya.

1998 júliusában az Európai Gépjárműipari Szövetség (ACEA) elkötelezte magát az Európai Unió mellett, hogy az újonnan nyilvántartásba vett járművek CO2008 kibocsátását az Unióban átlagosan 2 gramm / kilométerrel, 140-gyel csökkenti. A gyakorlatban ez 25% -os kibocsátáscsökkenést jelentett 1995-höz képest, és az új flotta átlagos üzemanyag-fogyasztása körülbelül 6,0 l / 100 km volt. A közeljövőben további intézkedések várhatóan 14-re 2012% -kal csökkentik a szén-dioxid-kibocsátást. 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 újra megjelenik az autóiparban.

A bajor cég lett az első autógyártó, amely hidrogénüzemű járművek sorozatgyártását hajtotta végre. Burkhard Geschel professzor, az új fejlesztésekért felelős BMW igazgatósági tag optimista és magabiztos állításai, miszerint "a vállalat hidrogénüzemű autókat értékesít, még mielőtt a jelenlegi 7. sorozat lejárna". Legújabb verziójával a Hydrogen 7, a hetedik széria 2006-ban került bemutatásra, 12 lóerős 260 hengeres motorral. ez az üzenet már valósággá vált. A szándék meglehetősen ambiciózusnak tűnt, de nem ok nélkül. A BMW 1978 óta kísérletezik hidrogénnel működő belső égésű motorokkal, és 11. május 2000-én egyedülállóan bemutatta ennek az alternatívának a lehetőségeit. A hét előző generációjának tizenkét hengeres hidrogén motorral hajtott, lenyűgöző 15 750 hl-es járműparkja teljesítette a 170 000 km-es maratont, kiemelve a vállalat sikerét és az új technológia ígéretét. 2001-ben és 2002-ben néhány ilyen jármű továbbra is részt vett a hidrogén-ötlet támogatását szolgáló különféle demonstrációkban. Akkor eljött az ideje egy új fejlesztésnek, amely a következő 7-es sorozatra épül, modern 4,4 literes V-212 motor használatával, amely 12 km / h maximális sebességre képes, majd ezt követi a legújabb fejlesztés egy XNUMX hengeres V-XNUMX-tal. A vállalat hivatalos véleménye szerint mind a kereskedelmi, mind a pszichológiai okok, amelyek miatt a BMW ezt a technológiát választotta az üzemanyagcellák helyett. Először is, ez a módszer jelentősen kevesebb beruházást igényel, ha a termelési infrastruktúra megváltozik. Másodszor, mivel az emberek megszokták a jó öreg belső égésű motort, tetszik nekik, és nehéz lesz elválni tőle. Harmadszor, időközben kiderült, hogy ez a technológia gyorsabban fejlődik, mint az üzemanyagcellás technológia.

A BMW autókban a hidrogént egy szuperszigetelt kriogén edényben tárolják, mint egy csúcstechnológiás termosz palackot, amelyet a Linde német hűtőcsoport fejlesztett ki. Alacsony tárolási hőmérsékleten az üzemanyag folyékony fázisban van, és normál üzemanyagként kerül be a motorba.

Ebben a szakaszban a müncheni cég tervezői a közvetett üzemanyag-befecskendezésre összpontosítottak, és a keverék minősége a motor működési módjától függ. Részterheléses üzemmódban a motor a dízel üzemanyaghoz hasonló sovány keverékekkel működik - a változás csak a befecskendezett üzemanyag mennyiségében történik. Ez a keverék ún. Amikor jelentős teljesítményre van szükség, a motor úgy kezd működni, mint a benzinmotor, továbblépve a keverék és a normál (nem sovány) keverékek úgynevezett "mennyiségi ellenőrzésére". Ezek a változások egyrészt a motorban zajló folyamatok elektronikus vezérlésének sebessége, másrészt a gázelosztó vezérlőrendszerek rugalmas működése miatt lehetségesek - a „kettős” Vanos, amely együttműködik a motorral. Valvetronic szívórendszer fojtószelep nélkül. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a BMW mérnökei szerint ennek a fejlesztésnek a munkasémája csak egy közbenső szakasz a technológia fejlődésében, és hogy a jövőben a motorok át fognak váltani a hidrogén közvetlen befecskendezésére a palackokba és a turbófeltöltésre. Ezek a technikák várhatóan jobb járműdinamikát eredményeznek, mint egy hasonló benzinmotor, és a belső égésű motor összhatékonyságát több mint 50%-kal növelik. Itt szándékosan tartózkodtunk attól, hogy hozzányúljunk az "üzemanyagcellák" témához, mivel ezt a kérdést az utóbbi időben meglehetősen aktívan használják. Ugyanakkor azonban meg kell említenünk őket a BMW hidrogéntechnológiájának összefüggésében, mivel a müncheni tervezők úgy döntöttek, hogy éppen ilyen eszközöket használnak az autók fedélzeti elektromos hálózatának áramellátásához, teljesen megszüntetve a hagyományos akkumulátorokat. Ez a lépés további üzemanyag-megtakarítást tesz lehetővé, mivel a hidrogénmotornak nem kell meghajtania a generátort, a fedélzeti elektromos rendszer pedig teljesen autonóm és független lesz a hajtási útvonaltól - akkor is képes áramot termelni, ha a motor nem jár, valamint termel. és az energiafogyasztás teljes optimalizálásra alkalmas. Az a tény, hogy a vízszivattyú, az olajszivattyúk, a fékerősítő és a vezetékes rendszerek működtetéséhez már csak annyi villamos energiát tudnak előállítani, amennyi szükséges. Mindezekkel az újításokkal párhuzamosan azonban az üzemanyag -befecskendező rendszer (benzin) gyakorlatilag nem esett át drága tervezési változtatásokon. A hidrogéntechnológiák népszerűsítése érdekében 2002 júniusában a BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN megalkotta a CleanEnergy partnerségi programot, amely a cseppfolyósított és sűrített hidrogénnel töltött töltőállomások fejlesztésével kezdődött.

A BMW számos más közös projekt kezdeményezője, többek között olajtársaságokkal, amelyek közül a legaktívabb résztvevők az Aral, a BP, a Shell, a Total. Az ígéretes terület iránti érdeklődés exponenciálisan növekszik – a következő tíz évben egyedül az EU 2,8 milliárd euró értékben nyújt közvetlen pénzügyi hozzájárulást a hidrogéntechnológiák fejlesztését és megvalósítását finanszírozó alapokhoz. Nehéz megjósolni, hogy a magáncégek mennyit fektetnek be a „hidrogén” fejlesztésébe ebben az időszakban, de az egyértelmű, hogy sokszorosan meghaladja a nonprofit szervezetektől származó elvonásokat.

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 nagyon sovány keverékek könnyen felhasználhatók a hidrogénmotorokban – ezt a modern benzinmotorok bonyolult és drága technológiákkal érik el.

A hidrogén-levegő keverék részecskéi közötti hő kevésbé disszipálódik, ugyanakkor az öngyulladási hőmérséklet és az égési folyamatok sebessége sokkal nagyobb, mint a benziné. A hidrogénnek alacsony a sűrűsége és erős a diffúziója (a részecskék egy másik gázba - ebben az esetben a levegőbe - behatolásának lehetősége).

Az öngyulladáshoz szükséges alacsony aktiválási energia jelenti az egyik legnagyobb kihívást a hidrogénmotorok égési folyamatainak szabályozásában, mivel a keverék könnyen spontán meggyulladhat az égéstér melegebb területeivel való érintkezés és a teljesen ellenőrizetlen folyamatok láncolatának követésével szembeni ellenállás miatt. Ennek a kockázatnak az elkerülése jelenti az egyik legnagyobb kihívást a hidrogénmotorok fejlesztése során, de nem könnyű kiküszöbölni annak a következményeit, hogy egy erősen diffúz égő keverék nagyon közel halad a hengerfalhoz, és rendkívül szűk réseken is át tud hatolni. mint például zárt szelepek... Mindezt figyelembe kell venni ezeknek a motoroknak a tervezésénél.

A magas öngyulladási hőmérséklet és a magas oktánszám (kb. 130) lehetővé teszi a motor sűrítési arányának és ennélfogva a hatékonyságának növekedését, de ismét fennáll a hidrogén öngyulladásának veszélye a forróbb részhez való érintkezés következtében. 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 hidrogénüzemű motorok kisebb teljesítményűek. Az arányok és térfogatok tisztán digitális illusztrációja meglehetősen beszédes - az égésre kész hidrogén sűrűsége 56-szor kisebb, mint a benzingőzé.... Megjegyzendő azonban, hogy elvileg a hidrogénmotorok 180:1-ig levegő-hidrogén keverékkel is működhetnek (azaz nagyon "sovány" keverékekkel), ami viszont azt jelenti, hogy a motor üzemeltethető. fojtószelep nélkül, és a dízelmotorok elvét használja. Azt is meg kell jegyezni, hogy a hidrogén vitathatatlanul vezető szerepet tölt be a hidrogén és a benzin mint energiaforrás összehasonlításában a tömeg tekintetében – egy kilogramm hidrogén csaknem háromszor energiaigényesebb, mint egy kilogramm benzin.

A benzinmotorokhoz hasonlóan a cseppfolyósított hidrogént közvetlenül a szelepek elé lehet befecskendezni az elosztókba, de a legjobb megoldás a közvetlenül a kompressziós löket alatti 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 dízelmotorban, így csak levegő (a szokásosnál lényegesen több) tölti be az égésteret. Ezenkívül a benzinmotorokkal ellentétben a hidrogénmotoroknak nincs szükségük szerkezeti örvénylésre, mivel a hidrogén e nélkül is elég jól diffundál a levegővel. A henger különböző részein eltérő égési sebesség miatt célszerűbb két gyújtógyertyát elhelyezni, a hidrogénmotorokban pedig nem praktikus a platinaelektródák alkalmazása, mivel a platina alacsony hőmérsékleten az üzemanyag oxidációjához vezető katalizátorrá válik.

H2R

A H2R egy működőképes szupersport prototípus, amelyet BMW mérnökei építettek, és tizenkét hengeres motor hajtja, amely hidrogénnel meghajtva eléri a 285 LE maximális teljesítményét. 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 benzines 760i-ben használt szabványos csúcsegységre épül, és mindössze tízet vett igénybe. hónapok fejlesztésére. A spontán égés megakadályozására a bajor szakemberek speciális áramlási ciklust és befecskendezési stratégiát dolgoztak ki az égéstérbe, kihasználva a motor változtatható szelepvezérlésének lehetőségeit. Mielőtt a keverék bejutna a hengerekbe, az utóbbiakat levegővel lehűtik, és a gyújtást csak a felső holtponton hajtják végre - a hidrogén-üzemanyaggal való magas égési sebesség miatt nincs szükség gyújtás előmozdítására.

Álláspontja

A tiszta hidrogén energiára való áttérés pénzügyi elemzése még nem túl optimista. A könnyű gáz előállítása, tárolása, szállítása és szállítása továbbra is meglehetősen energiaigényes folyamatok, és az emberi fejlődés jelenlegi technológiai szakaszában egy ilyen rendszer nem lehet hatékony. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a kutatás és a megoldások keresése nem folytatódik tovább. Optimistán hangzanak azok a javaslatok, amelyek szerint a vízből hidrogént termelnek napelemekből származó villamos energia felhasználásával, és nagy tartályokban tárolják. Másrészt az a folyamat, hogy villamos energiát és hidrogént termelnek a szaharai sivatag gázfázisában, csővezetéken szállítják a Földközi-tengerbe, kriogén tartályhajókkal cseppfolyósítják és szállítják, kirakodják a kikötőkben és végül teherautóval szállítják, kissé nevetségesnek hangzik ...

Érdekes ötletet mutatott be nemrég a norvég Norsk Hydro olajtársaság, amely az északi-tengeri termelőhelyeken földgázból hidrogéntermelést javasolt, és a maradék szén-monoxidot a tengerfenék alatti kimerült mezőkben tárolták. Az igazság valahol a közepén van, és csak az idő fogja megmondani, hogy merre halad a hidrogénipar fejlődése.

Mazda változat

A japán Mazda cég is bemutatja a hidrogénmotoros változatát - egy forgóegységes RX-8 sportautó formájában. Ez nem meglepő, mert a Wankel-motor tervezési jellemzői rendkívül alkalmasak a hidrogén üzemanyagként történő felhasználására. A gázt nagy nyomás alatt tárolják egy speciális tartályban, és az üzemanyagot közvetlenül az égésterekbe fecskendezik be. Tekintettel arra, hogy a forgómotorok esetében a befecskendezési és égési területek elkülönülnek, és a szívórészben alacsonyabb a hőmérséklet, jelentősen csökken az ellenőrizetlen gyújtás lehetőségének problémája. A Wankel motor két befecskendezőnek is elegendő helyet biztosít, ami rendkívül fontos az optimális mennyiségű hidrogén befecskendezéséhez.