اختبر قيادة BMW والهيدروجين: الجزء الثاني

"ماء. المنتج النهائي الوحيد لمحركات BMW النظيفة هو استخدام الهيدروجين السائل بدلاً من الوقود البترولي وتمكين الجميع من الاستمتاع بالتقنيات الجديدة بضمير مرتاح ".

طريقة BMW

هذه الكلمات مقتبسة من حملة إعلانية لشركة ألمانية قبل عدة سنوات. لفترة طويلة لم يشكك أحد في حقيقة أن البافاريين يعرفون جيدًا ما يفعلونه عندما يتعلق الأمر بتكنولوجيا السيارات وهم أحد رواد العالم بلا منازع في هذا المجال. ولن يُعتقد أيضًا أن الشركة التي أظهرت نموًا قويًا في المبيعات في السنوات الأخيرة ستضخ الكثير من الأموال على الإعلانات غير المعروفة لتقنيات واعدة بمستقبل غير مؤكد.

ومع ذلك ، في الوقت نفسه ، فإن الكلمات المقتبسة هي جزء من حملة للترويج لنسخة هيدروجين غريبة إلى حد ما مدتها 745 ساعة من السيارة البافارية الرائدة في صناعة السيارات. غريب ، لأنه وفقًا لشركة BMW ، فإن الانتقال إلى بدائل الوقود الهيدروكربوني ، التي كانت صناعة السيارات تغذيها منذ البداية ، سيتطلب تغييرًا في البنية التحتية للإنتاج بأكملها. هذا الأخير ضروري لأن البافاريين يرون مسار تطور واعد ليس في خلايا الوقود المعلن عنها على نطاق واسع ، ولكن في تحويل محركات الاحتراق الداخلي للعمل على الهيدروجين. تعتقد BMW أن الترقية هي مشكلة قابلة للحل وقد أحرزت بالفعل تقدمًا كبيرًا في حل المشكلة الرئيسية المتمثلة في تحقيق أداء موثوق للمحرك والقضاء على ميلها لعمليات الاحتراق غير المنضبط باستخدام الهيدروجين النقي. يرجع النجاح في هذا الاتجاه إلى الكفاءة في مجال التحكم الإلكتروني في عمليات المحرك وإمكانية استخدام أنظمة توزيع الغاز المرنة الحاصلة على براءة اختراع من BMW ، Valvetronic و Vanos ، والتي بدونها سيكون من المستحيل ضمان التشغيل العادي لـ "محركات الهيدروجين" . ومع ذلك ، فإن الخطوات الأولى في هذا الاتجاه تعود إلى عام 1820 ، عندما ابتكر المصمم ويليام سيسيل محركًا يعمل بوقود الهيدروجين يعمل وفقًا لما يسمى "مبدأ الفراغ" - وهو مخطط يختلف تمامًا عن مخطط المحرك الذي تم اختراعه لاحقًا بمحرك داخلي . احتراق. في أول تطوير له لمحركات الاحتراق الداخلي بعد 60 عامًا ، استخدم الرائد أوتو الغاز الاصطناعي الذي سبق ذكره والمشتق من الفحم مع محتوى هيدروجين يبلغ حوالي 50٪. ومع ذلك ، مع اختراع المكربن ​​، أصبح استخدام البنزين أكثر عملية وأمانًا ، وحل الوقود السائل محل جميع البدائل الأخرى الموجودة حتى الآن. تمت إعادة اكتشاف خصائص الهيدروجين كوقود بعد سنوات عديدة من قبل صناعة الفضاء ، والتي اكتشفت بسرعة أن الهيدروجين لديه أفضل نسبة طاقة / كتلة من أي وقود معروف للبشرية.

في يوليو 1998 ، التزمت الرابطة الأوروبية لصناعة السيارات (ACEA) بالاتحاد الأوروبي بتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون 2008 من المركبات المسجلة حديثًا في الاتحاد بمعدل 2 جرام لكل كيلومتر بمقدار 140. من الناحية العملية ، كان هذا يعني انخفاضًا بنسبة 25 ٪ في الانبعاثات مقارنة بعام 1995 ، وكان متوسط ​​استهلاك الوقود للأسطول الجديد حوالي 6,0 لتر / 100 كم. في المستقبل القريب ، من المتوقع أن تؤدي التدابير الإضافية إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 14٪ بحلول عام 2012. وهذا يجعل مهمة شركات السيارات صعبة للغاية ، ووفقًا لخبراء BMW ، يمكن حلها إما باستخدام وقود منخفض الكربون أو عن طريق إزالة الكربون تمامًا من تركيبة الوقود. وفقًا لهذه النظرية ، يظهر الهيدروجين مرة أخرى في ساحة السيارات بكل مجدها.

أصبحت الشركة البافارية أول شركة مصنعة للسيارات تنتج كميات كبيرة من المركبات التي تعمل بالهيدروجين. لقد تحققت المزاعم المتفائلة والواثقة من البروفيسور بوركهارد جيشل ، عضو مجلس إدارة BMW المسؤول عن التطورات الجديدة ، بأن "الشركة ستبيع سيارات الهيدروجين قبل انتهاء صلاحية الفئة السابعة الحالية". مع أحدث إصدار لها ، تم طرح سلسلة الهيدروجين 7 ، السلسلة السابعة ، في عام 7 ، بمحرك 2006 حصان من 12 أسطوانة. هذه الرسالة أصبحت بالفعل حقيقة واقعة. بدت النية طموحة للغاية ، ولكن ليس بدون سبب. تقوم BMW بتجربة محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بالهيدروجين منذ عام 260 ، وفي 1978 مايو 11 قدمت عرضًا فريدًا لإمكانيات هذا البديل. أكمل أسطول مثير للإعجاب مكون من 2000 مركبة من الجيل السابق لهذا الأسبوع ، مدعوم بمحركات هيدروجين ذات اثني عشر أسطوانة ، سباق الماراثون البالغ طوله 15 ألف كيلومتر ، مما يبرز نجاح الشركة ووعدها بتكنولوجيا جديدة. في عامي 750 و 170 ، استمرت بعض هذه المركبات في المشاركة في مظاهرات مختلفة لدعم فكرة الهيدروجين. ثم حان الوقت لتطوير جديد يعتمد على السلسلة السابعة التالية ، باستخدام محرك V-000 حديث سعة 2001 لتر قادر على الوصول إلى سرعة قصوى تبلغ 2002 كم / ساعة ، يليه أحدث تطوير بمحرك V-7 سعة 4,4 أسطوانة. وفقًا للرأي الرسمي للشركة ، فإن الأسباب التي دفعت BMW لاختيار هذه التقنية على خلايا الوقود هي أسباب تجارية ونفسية. أولاً ، ستتطلب هذه الطريقة استثمارات أقل بشكل ملحوظ إذا تغيرت البنية التحتية للإنتاج. ثانيًا ، نظرًا لأن الناس معتادون على محرك الاحتراق الداخلي القديم الجيد ، فإنهم يحبونه وسيكون من الصعب التخلي عنه. وثالثًا ، في غضون ذلك ، اتضح أن هذه التكنولوجيا تتطور بشكل أسرع من تقنية خلايا الوقود.

في سيارات BMW ، يتم تخزين الهيدروجين في وعاء شديد العزل ، يشبه زجاجة الترمس عالية التقنية التي طورتها مجموعة التبريد الألمانية Linde. في درجات حرارة التخزين المنخفضة ، يكون الوقود في المرحلة السائلة ويدخل إلى المحرك مثل الوقود العادي.

في هذه المرحلة ، ركز مصممو الشركة التي تتخذ من ميونخ مقراً لها على الحقن غير المباشر للوقود ، وتعتمد جودة الخليط على طريقة تشغيل المحرك. في وضع التحميل الجزئي ، يعمل المحرك على مخاليط خفيفة شبيهة بوقود الديزل - يتم التغيير فقط في كمية الوقود المحقون. هذا هو ما يسمى ب "مراقبة جودة" الخليط ، حيث يعمل المحرك مع الهواء الزائد ، ولكن بسبب الحمل المنخفض ، يتم تقليل تكوين انبعاثات النيتروجين إلى الحد الأدنى. عندما تكون هناك حاجة إلى طاقة كبيرة ، يبدأ المحرك في العمل مثل محرك البنزين ، والانتقال إلى ما يسمى "التحكم الكمي" للخليط والمخاليط العادية (غير الهزيلة). هذه التغييرات ممكنة ، من ناحية ، بسبب سرعة التحكم الإلكتروني في العمليات في المحرك ، ومن ناحية أخرى ، بسبب التشغيل المرن لأنظمة التحكم في توزيع الغاز - فانوس "مزدوج" ، يعمل جنبًا إلى جنب مع نظام التحكم في المدخول Valvetronic بدون دواسة الوقود. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه وفقًا لمهندسي BMW ، فإن مخطط العمل لهذا التطور ليس سوى مرحلة وسيطة في تطوير التكنولوجيا وأن المحركات في المستقبل ستتحول إلى حقن الهيدروجين المباشر في الأسطوانات والشحن التوربيني. من المتوقع أن تؤدي هذه التقنيات إلى ديناميكيات أفضل للمركبة مقارنة بمحرك بنزين مشابه وزيادة في الكفاءة الكلية لمحرك الاحتراق الداخلي بأكثر من 50٪. هنا امتنعنا عمدًا عن التطرق إلى موضوع "خلايا الوقود" ، حيث تم استخدام هذه المسألة بنشاط كبير مؤخرًا. ومع ذلك ، في الوقت نفسه ، يجب أن نذكرها في سياق تقنية الهيدروجين في BMW ، حيث قرر المصممون في ميونيخ استخدام هذه الأجهزة فقط لتشغيل الشبكة الكهربائية الموجودة على متن السيارة ، مما يلغي تمامًا طاقة البطارية التقليدية. تتيح هذه الخطوة توفيرًا إضافيًا للوقود ، حيث لا يتعين على محرك الهيدروجين قيادة المولد ، ويصبح النظام الكهربائي الموجود على متن المركب مستقلاً تمامًا ومستقلًا عن مسار القيادة - يمكن أن يولد الكهرباء حتى عندما لا يعمل المحرك ، وكذلك ينتج ويستهلك الطاقة يفسح المجال للتحسين الكامل. كما أن حقيقة أنه يمكن الآن إنتاج نفس القدر من الكهرباء فقط لتشغيل مضخة المياه ومضخات الزيت وأنظمة معزز الفرامل والأنظمة السلكية تترجم أيضًا إلى وفورات إضافية. ومع ذلك ، بالتوازي مع كل هذه الابتكارات ، لم يخضع نظام حقن الوقود (البنزين) عمليًا لتغييرات باهظة في التصميم. من أجل تعزيز تقنيات الهيدروجين في يونيو 2002 ، قامت مجموعة BMW و Aral و BVG و DaimlerChrysler و Ford و GHW و Linde و Opel MAN بإنشاء برنامج شراكة CleanEnergy ، والذي بدأ بتطوير محطات تعبئة مع الهيدروجين المسال والمضغوط.

BMW هي البادئ بعدد من المشاريع المشتركة الأخرى ، بما في ذلك مع شركات النفط ، من بينها أكثر المشاركين نشاطًا هم Aral و BP و Shell و Total. يتزايد الاهتمام بهذا المجال الواعد بشكل كبير - في السنوات العشر القادمة ، سيقدم الاتحاد الأوروبي وحده مساهمات مالية مباشرة لتمويل تطوير وتنفيذ تقنيات الهيدروجين بمبلغ 2,8 مليار يورو. من الصعب التنبؤ بحجم استثمارات الشركات الخاصة في تطوير "الهيدروجين" خلال هذه الفترة ، لكن من الواضح أنها ستتجاوز في كثير من الأحيان الاستقطاعات من المنظمات غير الهادفة للربح.

الهيدروجين في محركات الاحتراق الداخلي

من المثير للاهتمام ملاحظة أنه بسبب الخصائص الفيزيائية والكيميائية للهيدروجين ، فهو أكثر قابلية للاشتعال من البنزين. من الناحية العملية ، هذا يعني أن الطاقة الأولية المطلوبة لبدء عملية الاحتراق في الهيدروجين أقل بكثير. من ناحية أخرى ، يمكن استخدام الخلائط الخالية من الدهون بسهولة في محركات الهيدروجين - وهو أمر تحققه محركات البنزين الحديثة من خلال تقنيات معقدة ومكلفة.

الحرارة بين جزيئات خليط الهيدروجين والهواء أقل تشتت ، وفي نفس الوقت تكون درجة حرارة الاشتعال الذاتي ومعدل عمليات الاحتراق أعلى بكثير من البنزين. يحتوي الهيدروجين على كثافة منخفضة وانتشار قوي (احتمال اختراق الجسيمات لغاز آخر - في هذه الحالة ، الهواء).

تعد طاقة التنشيط المنخفضة المطلوبة للاشتعال الذاتي واحدة من أكبر التحديات في التحكم في عمليات الاحتراق في محركات الهيدروجين لأن الخليط يمكن أن يشتعل تلقائيًا بسهولة بسبب التلامس مع المناطق الأكثر سخونة في غرفة الاحتراق ومقاومة اتباع سلسلة من العمليات غير المنضبط تمامًا. يعد تجنب هذه المخاطر أحد أكبر التحديات في تطوير محركات الهيدروجين ، ولكن ليس من السهل القضاء على عواقب حقيقة أن خليط الاحتراق شديد الانتشار ينتقل بالقرب من جدران الأسطوانة ويمكن أن يخترق فجوات ضيقة للغاية. مثل الصمامات المغلقة على سبيل المثال ... كل هذا يجب أن يؤخذ في الاعتبار عند تصميم هذه المحركات.

تسمح درجة حرارة الاشتعال الذاتي المرتفعة وعدد الأوكتان المرتفع (حوالي 130) بزيادة نسبة ضغط المحرك ، وبالتالي كفاءته ، ولكن مرة أخرى هناك خطر الاشتعال الذاتي للهيدروجين من ملامسته للجزء الأكثر سخونة. في الاسطوانة. تتمثل ميزة سعة الانتشار العالية للهيدروجين في إمكانية الخلط السهل مع الهواء ، والذي يضمن في حالة تعطل الخزان تشتتًا سريعًا وآمنًا للوقود.

يحتوي خليط الهواء والهيدروجين المثالي للاحتراق على نسبة تقارب 34: 1 (بالنسبة للبنزين ، هذه النسبة هي 14,7: 1). هذا يعني أنه عند الجمع بين نفس كتلة الهيدروجين والبنزين في الحالة الأولى ، يتطلب الأمر أكثر من ضعف كمية الهواء. في الوقت نفسه ، يحتل خليط الهيدروجين والهواء مساحة أكبر بكثير ، وهو ما يفسر سبب انخفاض الطاقة في المحركات التي تعمل بالهيدروجين. إن الرسم التوضيحي الرقمي البحت للنسب والأحجام بليغ تمامًا - كثافة الهيدروجين الجاهز للاحتراق أقل 56 مرة من كثافة بخار البنزين ... ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أنه ، من حيث المبدأ ، يمكن لمحركات الهيدروجين أن تعمل أيضًا بمخاليط هواء-هيدروجين تصل إلى 180: 1 (أي مخاليط "خفيفة الوزن" جدًا) ، مما يعني بدوره أنه يمكن تشغيل المحرك. بدون صمام خانق واستخدام مبدأ محركات الديزل. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن الهيدروجين هو الرائد بلا منازع في مقارنة الهيدروجين والبنزين كمصادر للطاقة من حيث الكتلة - كيلوغرام من الهيدروجين يستهلك طاقة أكثر بثلاث مرات من كيلوغرام من البنزين.

كما هو الحال مع محركات البنزين ، يمكن حقن الهيدروجين المسال مباشرة أمام الصمامات في الفتحات ، ولكن الحل الأفضل هو الحقن مباشرة أثناء شوط الانضغاط - وفي هذه الحالة ، يمكن أن تتجاوز الطاقة قوة محرك بنزين مشابه بنسبة 25٪. هذا لأن الوقود (الهيدروجين) لا يحل محل الهواء كما هو الحال في محرك البنزين أو الديزل ، مما يسمح للهواء فقط (أكثر من المعتاد) بملء غرفة الاحتراق. أيضًا ، على عكس محركات البنزين ، لا تحتاج محركات الهيدروجين إلى دوامات هيكلية لأن الهيدروجين ينتشر جيدًا مع الهواء دون هذا الإجراء. نظرًا لمعدلات الاحتراق المختلفة في أجزاء مختلفة من الأسطوانة ، فمن الأفضل وضع شمعتين للشرارة ، وفي محركات الهيدروجين ، يعد استخدام أقطاب البلاتين غير عملي ، حيث يصبح البلاتين محفزًا يؤدي إلى أكسدة الوقود عند درجات حرارة منخفضة.

H2R

H2R هو نموذج أولي للرياضة الفائقة تم بناؤه بواسطة مهندسي BMW ويتم تشغيله بواسطة محرك من اثني عشر أسطوانة يصل أقصى قوة إلى 285 حصان عند تشغيله بالهيدروجين. بفضلهم ، يتسارع النموذج التجريبي من 0 إلى 100 كم / ساعة في ست ثوانٍ ويصل إلى سرعة قصوى تبلغ 300 كم / ساعة. يعتمد محرك H2R على الوحدة القياسية المتطورة المستخدمة في البنزين 760i واستغرق XNUMX فقط أشهر للتطوير. لمنع الاحتراق التلقائي ، طور المتخصصون البافاريون دورة تدفق خاصة واستراتيجية حقن في غرفة الاحتراق ، باستخدام الإمكانيات التي توفرها أنظمة توقيت الصمامات المتغيرة للمحرك. قبل دخول الخليط إلى الأسطوانات ، يتم تبريد الأخير عن طريق الهواء ، ويتم الاشتعال فقط في المركز الميت العلوي - نظرًا لارتفاع معدل الاحتراق بوقود الهيدروجين ، لا يلزم تقدم الاشتعال.

النتائج

إن التحليل المالي للانتقال إلى طاقة الهيدروجين النقية ليس متفائلاً بعد. لا يزال إنتاج الغاز الخفيف وتخزينه ونقله وتوريده عمليات كثيفة الاستخدام للطاقة ، وفي المرحلة التكنولوجية الحالية للتنمية البشرية لا يمكن لمثل هذا المخطط أن يكون فعالاً. ومع ذلك ، هذا لا يعني أن البحث والبحث عن حلول لن يستمر. اقتراحات لتوليد الهيدروجين من المياه باستخدام الكهرباء من الألواح الشمسية وتخزينه في خزانات كبيرة تبدو متفائلة. من ناحية أخرى ، فإن عملية توليد الكهرباء والهيدروجين في المرحلة الغازية في الصحراء الكبرى ، ونقلها إلى البحر الأبيض المتوسط ​​عن طريق خطوط الأنابيب ، وتسييلها ونقلها بواسطة الناقلات المبردة ، وتفريغها في الموانئ ، ونقلها أخيرًا بالشاحنات ، تبدو سخيفة بعض الشيء في الوقت الحالي ...

تم تقديم فكرة مثيرة للاهتمام مؤخرًا من قبل شركة النفط النرويجية Norsk Hydro ، والتي اقترحت إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي في مواقع الإنتاج في بحر الشمال ، وتم تخزين أول أكسيد الكربون المتبقي في الحقول المستنفدة تحت قاع البحر. الحقيقة تكمن في مكان ما في الوسط ، والزمن وحده هو الذي سيحدد إلى أين سيذهب تطوير صناعة الهيدروجين.

البديل Mazda

كما تعرض شركة Mazda اليابانية نسختها من محرك الهيدروجين - على شكل سيارة رياضية RX-8 ذات وحدة دوارة. هذا ليس مفاجئًا ، لأن ميزات تصميم محرك وانكل مناسبة للغاية لاستخدام الهيدروجين كوقود. يتم تخزين الغاز تحت ضغط عالٍ في خزان خاص ، ويتم حقن الوقود مباشرة في غرف الاحتراق. نظرًا لحقيقة أنه في حالة المحركات الدوارة ، يتم فصل المناطق التي يحدث فيها الحقن والاحتراق ، وتكون درجة الحرارة في جزء الشفط أقل ، يتم تقليل مشكلة إمكانية الاشتعال غير المنضبط بشكل كبير. يوفر محرك Wankel أيضًا مساحة كافية لحاقنين ، وهو أمر مهم للغاية لحقن الكمية المثلى من الهيدروجين.