БМВ и водород: двигатель внутреннего сгорания

Проекты компании начались 40 лет назад с водородной версии 5 серии

BMW давно верит в электрическую мобильность. Сегодня Tesla можно считать эталоном в этой области, но десять лет назад, когда американская компания продемонстрировала концепцию индивидуальной алюминиевой платформы, которая затем была реализована в форме Tesla Model S, BMW активно работала над проектом Megacity Vehicle. 2013 продается на рынке как BMW i3. В авангардном немецком автомобиле используется не только алюминиевая опорная конструкция со встроенными батареями, но и корпус из углеродно-армированных полимеров. Однако, что Tesla, несомненно, опережает своих конкурентов, это исключительная методология, особенно в масштабах разработки аккумуляторов для электромобилей – от отношений с производителями литий-ионных элементов до строительства огромных заводов по производству аккумуляторов, в том числе с неэлектрическими применениями. мобильность.

Но давайте вернемся к BMW, потому что, в отличие от Tesla и многих ее конкурентов, немецкая компания по-прежнему верит в мобильность водорода. Недавно команда во главе с вице-президентом компании по водородным топливным элементам, доктором Юргеном Гулднером, представила модель I-Hydrogen Next на топливных элементах – генераторную электрическую машину для собственного двигателя, основанную на низкотемпературной химической реакции. Этот момент знаменует 10-ю годовщину презентации с начала разработки автомобилей на топливных элементах BMW и 7-ю годовщину начала сотрудничества с Toyota в области топливных элементов. Тем не менее, зависимость BMW от водорода насчитывает 40 лет и является гораздо более «высокой температурой».

Это более четверти века разработок компании, в которых водород используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. В течение большей части этого периода компания считала, что двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, был ближе к потребителю, чем топливный элемент. При КПД около 60% и комбинации электродвигателя с КПД более 90% двигатель с топливным элементом работает намного эффективнее, чем двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде. Как мы увидим в следующих строках, с их непосредственным впрыском и турбонаддувом, современные двигатели с уменьшенным размером будут чрезвычайно подходящими для подачи водорода – при условии создания соответствующих систем для впрыска и управления процессами сгорания. Но хотя двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, как правило, намного дешевле, чем топливный элемент в сочетании с литий-ионным аккумулятором, они больше не стоят на повестке дня. Кроме того, проблемы подвижности водорода в обоих случаях выходят далеко за рамки двигательной установки.

И все же, почему водород?

Водород является важным элементом в стремлении человечества использовать все больше и больше альтернативных источников энергии, таких как мост для накопления энергии от солнца, ветра, воды и биомассы путем преобразования ее в химическую энергию. Проще говоря, это означает, что электроэнергия, произведенная этими природными источниками, не может храниться в больших объемах, но может использоваться для производства водорода путем разложения воды на кислород и водород.

Конечно, водород также может быть извлечен из невозобновляемых источников углеводородов, но это давно недопустимо, когда речь идет об использовании его в качестве источника энергии. Неоспорим тот факт, что технологические проблемы добычи, хранения и транспортировки водорода решаемы – на практике даже сейчас огромные количества этого газа производятся и используются в качестве сырья в химической и нефтехимической промышленности. В этих случаях, однако, высокая стоимость водорода не смертельна, поскольку он «тает» при высокой стоимости продуктов, в синтезе которых он участвует.

Однако проблема использования легкого газа в качестве источника энергии и в больших количествах немного сложнее. Ученые долго качали головами в поисках возможной стратегической альтернативы нефтяному топливу, и увеличение электрической мобильности и водорода может находиться в тесном симбиозе. В основе всего этого лежит простой, но очень важный факт – извлечение и использование водорода вращается вокруг естественного цикла объединения и разложения воды … Если человечество совершенствует и расширяет методы производства с использованием природных источников, таких как солнечная энергия, ветер и вода, водород можно будет производить и использовать в неограниченных количествах, не выделяя вредных выбросов.
производство

В настоящее время в мире производится более 70 миллионов тонн чистого водорода. Основным сырьем для его производства является природный газ, который перерабатывается в процессе, известном как «риформинг» (половина от общего объема). Меньшие количества водорода производятся другими процессами, такими как электролиз соединений хлора, частичное окисление тяжелой нефти, газификация угля, пиролиз угля для производства кокса и риформинг бензина. Примерно половина мирового производства водорода используется для синтеза аммиака (который используется в качестве сырья при производстве удобрений), в нефтепереработке и в синтезе метанола.

Эти производственные схемы в разной степени обременяют окружающую среду, и, к сожалению, ни одна из них не предлагает значимой альтернативы существующему энергетическому статусу-кво – во-первых, потому что они используют невозобновляемые источники, а во-вторых, потому что производство выделяет нежелательные вещества, такие как диоксид углерода. Наиболее перспективным методом производства водорода в будущем остается разложение воды с помощью электричества, известное в начальной школе. Тем не менее, замыкание цикла чистой энергии в настоящее время возможно только при использовании естественной и особенно солнечной и ветровой энергии для производства электричества, необходимого для разложения воды. По словам доктора Гулднера, современные технологии, «подключенные» к ветряным и солнечным системам, включая небольшие водородные станции, где последние производятся на месте, являются новым большим шагом в этом направлении.
Место хранения

Водород может храниться в больших количествах как в газообразной, так и в жидкой фазах. Крупнейшие такие резервуары, в которых водород находится при относительно низком давлении, называются «газовыми счетчиками». Резервуары среднего размера и меньшего размера приспособлены для хранения водорода под давлением 30 бар, в то время как самые маленькие специальные резервуары (дорогие устройства, изготовленные из специальной стали или композиционных материалов, армированных углеродным волокном) поддерживают постоянное давление 400 бар.
Водород также может храниться в жидкой фазе с температурой -253 ° С на единицу объема, содержащей в 1,78 раза больше энергии, чем при хранении при давлении 700 бар – для достижения эквивалентного количества энергии в сжиженном водороде в Объем единицы, газ должен быть сжат до 1250 бар. В связи с более высокой энергоэффективностью охлажденного водорода, BMW сотрудничает с немецкой холодильной группой Linde для ее первых систем, которые разработали современные криогенные устройства для сжижения и хранения водорода. Ученые также предлагают другие, но менее применимые на данный момент, альтернативы для хранения водорода – например, хранение под давлением в специальной металлической муке, в форме гидридов металлов и другие.

Сети передачи водорода уже существуют в районах с высокой концентрацией химических заводов и нефтеперерабатывающих заводов. В целом, методика аналогична таковой для передачи природного газа, но использование последнего для нужд водорода не всегда возможно. Однако еще в прошлом веке многие дома в европейских городах были освещены трубопроводным легким газом, который содержит до 50% водорода и который используется в качестве топлива для первых стационарных двигателей внутреннего сгорания. Сегодняшний уровень технологий уже позволяет трансконтинентальную транспортировку сжиженного водорода через существующие криогенные танкеры, аналогичные тем, которые используются для природного газа.

BMW и двигатель внутреннего сгорания

“Вода. Единственный конечный продукт чистых двигателей BMW, которые используют жидкий водород вместо нефтяного топлива и позволяют каждому с чистой совестью наслаждаться новыми технологиями ».

Эти слова являются цитатой из рекламной кампании немецкой компании начала XXI века. Он должен продвигать довольно экзотическую 745-часовую водородную версию флагмана баварского автопроизводителя. Экзотика, потому что, по мнению BMW, переход к альтернативам углеводородному топливу, которым автоиндустрия питалась с самого начала, потребует изменения всей промышленной инфраструктуры. В то время баварцы нашли многообещающий путь развития не в широко рекламируемых топливных элементах, а в переводе двигателей внутреннего сгорания на работу с водородом. BMW полагает, что рассматриваемое дооснащение является решаемой проблемой, и уже добивается значительного прогресса в решении основной задачи обеспечения надежных рабочих характеристик двигателя и устранения его склонности к неконтролируемым процессам сгорания с использованием чистого водорода. Успех в этом направлении обусловлен компетенцией в области электронного управления процессами двигателя и возможностью использовать запатентованные BMW запатентованные системы для гибкого распределения газа Valvetronic и Vanos, без которых невозможно гарантировать нормальную работу «водородных двигателей».

Тем не менее, первые шаги в этом направлении относятся к 1820 году, когда дизайнер Уильям Сесил создал двигатель с водородным топливом, работающий по так называемому «вакуумному принципу» – схема, совершенно отличная от той, что была изобретена позднее с внутренним двигателем. горения. В своей первой разработке двигателей внутреннего сгорания 60 лет спустя пионер Отто использовал уже упомянутый и полученный из угля синтетический газ с содержанием водорода около 50%. Однако с изобретением карбюратора использование бензина стало значительно более практичным и безопасным, а жидкое топливо заменило все другие альтернативы, которые существовали до сих пор. Свойства водорода как топлива были открыты много лет спустя космической промышленностью, которая быстро обнаружила, что водород имеет лучшее соотношение «энергия / масса» из всех видов топлива, известных человечеству.

В июле 1998 года Европейская ассоциация автомобильной промышленности (ACEA) взяла на себя обязательство сократить выбросы CO2 для новых зарегистрированных автомобилей в Союзе до в среднем 140 грамм на километр к 2008 году. На практике это означает сокращение выбросов на 25% по сравнению с 1995 годом и эквивалентно среднему расходу топлива в новом автопарке около 6,0 л / 100 км. Это делает задачу для автомобильных компаний чрезвычайно сложной и, по мнению экспертов BMW, может быть решена либо с помощью низкоуглеродистого топлива, либо путем полного удаления углерода из состава топлива. Согласно этой теории, водород появляется на автомобильной сцене во всей красе.
Баварская компания становится первым производителем автомобилей, намеревающимся начать массовое производство автомобилей с водородным двигателем. Оптимистичные и уверенные заявления BMW Burkhard Göschel, члена совета директоров BMW, ответственного за новые разработки, о том, что «компания будет продавать водородные автомобили до истечения срока действия 7-й серии», действительно сбываются. , С Hydrogen 7 версия седьмой серии представлена ​​в 2006 году и имеет 12-цилиндровый двигатель мощностью 260 л.с. это сообщение становится реальностью.

Намерение кажется довольно амбициозным, но не без причины. BMW экспериментирует с водородными двигателями внутреннего сгорания с 1978 года, с 5-й серией (E12), в 1984 году была представлена ​​745-часовая версия E 23, и 11 мая 2000 года она продемонстрировала уникальные возможности этой альтернативы. , Внушительный парк из 15 750 л.с. автомобилей E 38 «недели» с 12-цилиндровыми двигателями, работающими на водороде, пробежал марафон длиной 170 000 км, особенно ярко продемонстрировав успех компании и перспективы новой технологии. В 2001 и 2002 годах некоторые из этих автомобилей продолжали участвовать в различных демонстрациях, чтобы продвигать идею водорода. Затем идет новая разработка, основанная на следующих 7 сериях, использующая современный 4,4-литровый восьмицилиндровый двигатель и способный развивать максимальную скорость 212 км / ч, за которой следует последняя разработка с 12-цилиндровым шестилитровым двигателем.

Согласно официальному мнению компании, причины, по которым BMW тогда предпочла эту технологию топливным элементам, имеют как коммерческую, так и психологическую основу. Во-первых, этот метод потребует значительно меньших инвестиций в случае изменения промышленной инфраструктуры. Во-вторых, потому что люди привыкли к старому доброму двигателю внутреннего сгорания, они любят его, и с ним будет трудно расстаться. И, в-третьих, потому что в то же время эта технология развивается быстрее, чем технология топливных элементов.

В автомобилях BMW водород хранится в криогенном сосуде со сверхизоляцией – что-то вроде высокотехнологичного термоса, разработанного немецкой холодильной группой Linde. При низких температурах хранения топливо находится в жидкой фазе и поступает в двигатель как обычное топливо.

Конструкторы мюнхенской компании используют впрыск топлива во впускных коллекторах, а качество смеси зависит от режима работы двигателя. В режиме частичной нагрузки двигатель работает на бедных смесях, аналогичных дизельному, – изменение производится только в отношении количества впрыскиваемого топлива. Это так называемое «регулирование качества» смеси, при которой двигатель работает с избытком воздуха, но из-за низкой нагрузки образование выбросов азота сводится к минимуму. Когда возникает потребность в значительной мощности, двигатель начинает работать как бензиновый двигатель, переходя к так называемому «количественному регулированию» смеси и к нормальным (не обедненным) смесям. Эти изменения возможны, с одной стороны, благодаря скорости электронного управления процессом в двигателе, а с другой – благодаря гибкой работе систем управления газораспределением – «двойного» Vanos, работающего совместно с системой управления впуском Valvetronic без дроссельной заслонки. Следует иметь в виду, что, по мнению инженеров BMW, рабочая схема этого развития является лишь промежуточным этапом в развитии технологии и что в будущем двигатели должны будут перейти к прямому впрыску водорода в цилиндры и турбокомпрессору. Ожидается, что применение этих методов приведет к улучшению динамических характеристик автомобиля по сравнению с аналогичным бензиновым двигателем и к увеличению общей эффективности двигателя внутреннего сгорания более чем на 50%.

Интересный факт от разработки, что с последними разработками “водородных” двигателей внутреннего сгорания дизайнеры в Мюнхене входят в область топливных элементов. Они используют такие устройства для питания бортовой электрической сети в автомобилях, полностью исключая обычную батарею. Благодаря этому шагу возможна дополнительная экономия топлива, поскольку водородный двигатель не должен приводить в движение генератор переменного тока, а бортовая электрическая система становится полностью автономной и независимой от приводного тракта – она ​​может генерировать электричество, даже когда двигатель не работает, а производство и потребление энергия поддается полной оптимизации. Тот факт, что теперь может быть произведено столько электричества, сколько необходимо для питания водяного насоса, масляных насосов, усилителя тормозов и проводных систем, также приводит к дополнительной экономии. Однако параллельно со всеми этими нововведениями система впрыска топлива (бензин) практически не претерпела каких-либо дорогостоящих конструктивных изменений.

В целях продвижения водородных технологий в июне 2002 года компании BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN создали партнерскую программу «CleanEnergy», которая начала свою деятельность с разработки автозаправочных станций со сжиженным газом. и сжатый водород. В них часть водорода производится на месте с помощью солнечного электричества, а затем сжимается, а большие сжиженные количества поступают со специальных производственных станций, и все пары из жидкой фазы автоматически переносятся в газовый резервуар.
BMW инициировала ряд других совместных проектов, в том числе с нефтяными компаниями, среди которых наиболее активными участниками являются Aral, BP, Shell, Total.
Однако, почему BMW отказывается от этих технологических решений и все еще фокусируется на топливных элементах, мы расскажем вам в другой статье этой серии.

Водород в двигателях внутреннего сгорания

Интересно отметить, что из-за физических и химических свойств водорода он гораздо более огнеопасен, чем бензин. На практике это означает, что для инициирования процесса сгорания в водороде требуется гораздо меньше начальной энергии. С другой стороны, водородные двигатели могут легко использовать очень «плохие» смеси – то, что современные бензиновые двигатели достигают за счет сложных и дорогих технологий.

Тепло между частицами водородно-воздушной смеси рассеивается меньше, и в то же время температура самовоспламенения значительно выше, как и скорость процессов сгорания по сравнению с бензином. Водород обладает низкой плотностью и сильной диффузионной способностью (возможность попадания частиц в другой газ – в данном случае в воздух).

Именно низкая энергия активации, необходимая для самовоспламенения, является одной из самых больших проблем при управлении процессами сгорания в водородных двигателях, потому что смесь может легко самопроизвольно воспламениться из-за контакта с более горячими областями в камере сгорания и сопротивления следуя цепочке совершенно неконтролируемых процессов. Избежание этого риска является одной из самых больших проблем в конструкции водородных двигателей, но не так просто устранить последствия того факта, что сильно рассеянная горящая смесь перемещается очень близко к стенкам цилиндра и может проникать в чрезвычайно узкие зазоры. например, вдоль закрытых клапанов … Все это необходимо учитывать при проектировании этих двигателей.

Высокая температура самовоспламенения и высокое октановое число (порядка 130) позволяют повысить степень сжатия двигателя и, следовательно, его эффективность, но опять-таки существует опасность самовоспламенения водорода при контакте с более горячей частью. в цилиндре. Преимуществом высокой диффузионной способности водорода является возможность легкого смешивания с воздухом, что в случае поломки бака гарантирует быстрое и безопасное рассеивание топлива.

Идеальная смесь воздух-водород для горения имеет соотношение около 34: 1 (для бензина это соотношение составляет 14,7: 1). Это означает, что при объединении одинаковой массы водорода и бензина в первом случае потребуется более чем вдвое больше воздуха. В то же время водородно-воздушная смесь занимает значительно больше места, что объясняет, почему водородные двигатели имеют меньшую мощность. Чисто цифровая иллюстрация соотношений и объемов достаточно красноречива – плотность готового к сжиганию водорода в 56 раз меньше плотности паров бензина … Однако следует отметить, что в целом водородные двигатели могут работать на воздушных смесях. водород в соотношении до 180: 1 (т.е. с очень «плохими» смесями), что в свою очередь означает, что двигатель может работать без дроссельной заслонки и использовать принцип работы дизельных двигателей. Следует также упомянуть, что водород является бесспорным лидером в сравнении между водородом и бензином как массовыми источниками энергии – килограмм водорода имеет почти в три раза больше энергии на килограмм бензина.

Как и в бензиновых двигателях, сжиженный водород можно впрыскивать непосредственно перед клапанами в коллекторах, но оптимальным решением является впрыск непосредственно во время такта сжатия – в этом случае мощность может превышать на 25% мощность сопоставимого бензинового двигателя. Это связано с тем, что топливо (водород) не вытесняет воздух, как с бензиновым или дизельным двигателем, что позволяет камере сгорания заполняться только (значительно больше, чем обычно) воздухом. Кроме того, в отличие от бензиновых двигателей, водород не нуждается в конструктивном завихрении, поскольку водород без этой меры достаточно хорошо диффундирует с воздухом. Из-за разных скоростей горения в разных частях цилиндра лучше установить две свечи зажигания, а в водородных двигателях использование платиновых электродов не подходит, поскольку платина становится катализатором, который приводит к окислению топлива даже при низких температурах.

Вариант мазда

Японская компания Mazda также демонстрирует свою версию водородного двигателя – в виде роторного блока спортивного автомобиля RX-8. Это неудивительно, поскольку конструктивные особенности двигателя Ванкеля чрезвычайно подходят для использования водорода в качестве топлива.
Газ хранится под высоким давлением в специальном резервуаре, а топливо впрыскивается непосредственно в камеры сгорания. В связи с тем, что в случае роторных двигателей зоны, в которых происходит впрыск и сгорание, являются раздельными, а температура во впускной части ниже, проблема с возможностью неконтролируемого воспламенения значительно уменьшается. Двигатель Ванкеля также предлагает достаточно места для двух инжекторов, что крайне важно для впрыска оптимального количества водорода.

H2R

H2R – это работающий суперспортивный прототип, созданный инженерами BMW и оснащенный 12-цилиндровым двигателем, который достигает максимальной мощности 285 л.с. при работе с водородом. Благодаря им экспериментальная модель разгоняется за шесть секунд с 0 до 100 км / ч и достигает максимальной скорости 300 км / ч. Двигатель H2R основан на стандартной верхней части, используемой в бензине 760i, и на его разработку ушло всего десять месяцев.

Чтобы предотвратить самовозгорание, баварские специалисты разработали специальную стратегию циклов потока и впрыска в камеру сгорания, используя возможности, предоставляемые системой изменения фаз газораспределения двигателя. Перед тем, как смесь поступает в цилиндры, последние охлаждаются воздухом, и зажигание осуществляется только в верхней мертвой точке – из-за высокой скорости горения с водородным топливом «опережение» воспламенения не требуется.