BMW i vodonik: motor sa unutraĆĄnjim sagorevanjem
Članci

BMW i vodonik: motor sa unutraĆĄnjim sagorevanjem

Projekti kompanije započeli su prije 40 godina s vodikovom verzijom serije 5

BMW već dugo vjeruje u električnu mobilnost. Danas se Tesla moĆŸe smatrati reperom u ovoj oblasti, ali prije deset godina, kada je američka kompanija demonstrirala koncept prilagođene aluminijske platforme, koja je tada realizovana u obliku Tesla Model S, BMW je aktivno radio na Megacityju. Projekat vozila. 2013 se prodaje kao BMW i3. Avangardni njemački automobil koristi ne samo aluminijsku potpornu strukturu s integriranim baterijama, već i karoseriju od polimera ojačanih ugljikom. Međutim, ono ĆĄto Tesla neosporno prednjači u odnosu na konkurente je njegova izuzetna metodologija, posebno na skali razvoja baterija za električna vozila – od odnosa sa proizvođačima litijum-jonskih ćelija do izgradnje ogromnih fabrika baterija, uključujući i one sa neelektričnim aplikacijama. mobilnost.

No, vratimo se BMW-u jer, za razliku od Tesle i mnogih njegovih konkurenata, njemačka kompanija i dalje vjeruje u mobilnost vodonika. Nedavno je tim predvođen potpredsjednikom kompanije za vodonične gorivne ćelije, dr. JĂŒrgenom Gouldnerom, predstavio I-Hydrogen Next gorivnu ćeliju, samohodni generator koji pokreće hemijska reakcija na niskoj temperaturi. Ovog trenutka obiljeĆŸava se 10. godiĆĄnjica lansiranja BMW-ovog razvoja vozila na gorive ćelije i 7. godiĆĄnjica saradnje sa Toyotom na gorivim ćelijama. Međutim, BMW-ovo oslanjanje na vodonik seĆŸe 40 godina unazad i mnogo je viĆĄe "vruće temperature".

Ovo je viĆĄe od četvrt veka razvoja kompanije, u kojoj se vodonik koristi kao gorivo za motore sa unutraĆĄnjim sagorevanjem. Veći dio tog perioda kompanija je vjerovala da je motor s unutarnjim sagorijevanjem na vodik bliĆŸi potroĆĄaču od gorivne ćelije. Sa efikasnoơću od oko 60% i kombinacijom elektromotora sa efikasnoơću većom od 90%, motor na gorive ćelije je mnogo efikasniji od motora sa unutraĆĄnjim sagorevanjem koji radi na vodonik. Kao ĆĄto ćemo vidjeti u sljedećim redovima, sa njihovim direktnim ubrizgavanjem i turbo punjenjem, danaĆĄnji motori smanjene veličine bit će izuzetno pogodni za isporuku vodonika - pod uvjetom da su na mjestu odgovarajući sistemi za ubrizgavanje i kontrolu sagorijevanja. Ali dok su motori sa unutraĆĄnjim sagorevanjem na vodik obično mnogo jeftiniji od gorivih ćelija u kombinaciji sa litijum-jonskom baterijom, oni viĆĄe nisu na dnevnom redu. Osim toga, problemi mobilnosti vodonika u oba slučaja daleko prevazilaze okvire pogonskog sistema.

A zaĆĄto vodonik?

Vodik je bitan element u teĆŸnji čovječanstva da koristi sve viĆĄe i viĆĄe alternativnih izvora energije, poput mosta za skladiĆĄtenje energije sunca, vjetra, vode i biomase pretvarajući je u hemijsku energiju. Jednostavno rečeno, to znači da se električna energija proizvedena ovim prirodnim izvorima ne moĆŸe skladiĆĄtiti u velikim količinama, već se moĆŸe koristiti za proizvodnju vodika razgradnjom vode na kisik i vodonik.

Naravno, vodonik se moĆŸe ekstrahirati i iz neobnovljivih izvora ugljovodonika, ali to je dugo bilo neprihvatljivo kada je riječ o koriĆĄtenju kao energentu. Nepobitna je činjenica da su tehnoloĆĄki problemi proizvodnje, skladiĆĄtenja i transporta vodonika rjeĆĄivi – u praksi se i sada proizvode ogromne količine ovog plina i koriste kao sirovina u hemijskoj i petrohemijskoj industriji. U tim slučajevima, međutim, visoka cijena vodika nije smrtonosna, jer se on "topi" po visokoj cijeni proizvoda u koje je uključen.

Međutim, problem koriĆĄtenja laganog plina kao izvora energije i to u velikim količinama je malo sloĆŸeniji. Naučnici već dugo odmahuju glavom u potrazi za mogućom strateĆĄkom alternativom loĆŸ-ulju, a povećanje električne mobilnosti i vodonika moĆŸda su u bliskoj simbiozi. U srediĆĄtu svega je jednostavna, ali vrlo vaĆŸna činjenica – ekstrakcija i koriĆĄtenje vodika se vrti oko prirodnog ciklusa spajanja i razlaganja vode
 Ako čovječanstvo unaprijedi i proĆĄiri metode proizvodnje koristeći prirodne izvore kao ĆĄto su sunčeva energija, vjetar i voda, vodonik se moĆŸe proizvoditi i koristiti u neograničenim količinama bez emitiranja ĆĄtetnih emisija.
ĐżŃ€ĐŸĐžĐ·ĐČĐŸĐŽŃŃ‚ĐČĐŸ

Trenutno se u svijetu proizvodi viơe od 70 miliona tona čistog vodonika. Glavna sirovina za njegovu proizvodnju je prirodni plin, koji se prerađuje u procesu poznatom kao "reformiranje" (polovina ukupnog broja). Manje količine vodika proizvode se drugim procesima, kao ơto su elektroliza spojeva klora, djelomična oksidacija teơke nafte, uplinjavanje ugljena, piroliza ugljena za proizvodnju koksa i reformiranje benzina. Otprilike polovina svjetske proizvodnje vodonika koristi se za sintezu amonijaka (koji se koristi kao sirovina u proizvodnji gnojiva), za rafinaciju nafte i sintezu metanola.

Ove proizvodne sheme opterećuju okoliĆĄ u različitom stupnju i, naĆŸalost, nijedan od njih ne nudi smislenu alternativu trenutnom energetskom statusu quo – prvo zato ĆĄto koriste neobnovljive izvore, a drugo zato ĆĄto proizvodnja emituje neĆŸeljene tvari kao ĆĄto je ugljični dioksid. Najperspektivniji metod za proizvodnju vodonika u budućnosti ostaje razlaganje vode uz pomoć električne energije, poznato u osnovnoj ĆĄkoli. Međutim, zatvaranje ciklusa čiste energije trenutno je moguće samo koriĆĄtenjem prirodne, a posebno sunčeve energije i energije vjetra za proizvodnju električne energije potrebne za razgradnju vode. Prema riječima dr. Gouldnera, savremene tehnologije "povezane" sa vjetroelektranama i solarnim sistemima, uključujući male vodonične stanice, gdje se potonje proizvode na licu mjesta, veliki su novi korak u ovom pravcu.
Lokacija skladiĆĄta

Vodik se moĆŸe skladiĆĄtiti u velikim količinama i u gasovitoj i u tečnoj fazi. Najveći takvi rezervoari, u kojima se vodonik drĆŸi na relativno niskom pritisku, nazivaju se "brojila plina". Srednji i manji rezervoari prilagođeni su za skladiĆĄtenje vodika pod pritiskom od 30 bara, dok najmanji specijalni rezervoari (skupi uređaji izrađeni od specijalnih čeličnih ili kompozitnih materijala od karbonskih vlakana) odrĆŸavaju konstantan pritisak od 400 bara.
Vodik se takođe moĆŸe skladiĆĄtiti u tečnoj fazi na -253°C po jedinici zapremine koja sadrĆŸi 1,78 puta viĆĄe energije nego kada se skladiĆĄti na 700 bara – da bi se postigla ekvivalentna količina energije u tečnom vodoniku po jedinici zapremine, gas mora biti komprimovan do 1250 bara. Zbog veće energetske efikasnosti rashlađenog vodonika, BMW je u partnerstvu sa njemačkom rashladnom grupom Linde za svoje prve sisteme, koja je razvila najsavremenije kriogene uređaje za ukapljivanje i skladiĆĄtenje vodonika. Naučnici nude i druge, ali trenutno manje primjenjive, alternative za skladiĆĄtenje vodonika - na primjer skladiĆĄtenje pod pritiskom u specijalnom metalnom braĆĄnu, u obliku metalnih hidrida i dr.

MreĆŸe za prenos vodonika već postoje u područjima sa visokom koncentracijom hemijskih postrojenja i rafinerija nafte. Općenito, tehnika je slična onoj za prijenos prirodnog plina, ali upotreba potonjeg za potrebe vodika nije uvijek moguća. Međutim, čak su i u proĆĄlom stoljeću mnoge kuće u europskim gradovima bile osvijetljene plinovodnim lakim plinom, koji sadrĆŸi do 50% vodika i koji se koristi kao gorivo za prve stacionarne motore s unutraĆĄnjim sagorijevanjem. Trenutni nivo tehnologije već omogućava transkontinentalni transport tečnog vodonika kroz postojeće kriogene tankere, slične onima koji se koriste za prirodni gas.

BMW i motor sa unutraĆĄnjim sagorevanjem

„Voda. Jedini krajnji proizvod čistih BMW motora koji koristi tečni vodonik umjesto naftnog goriva i omogućava svima da uĆŸivaju u novim tehnologijama mirne savjesti.”

Ove riječi su citat iz reklamne kampanje za njemačku kompaniju s početka 745. vijeka. Trebao bi promovirati prilično egzotičnu XNUMX-satnu verziju vodika bavarskog proizvođača automobila. Egzotično, jer će, prema BMW-u, prelazak na alternative ugljikovodikovim gorivima kojima se auto industrija hrani od početka zahtijevati promjenu u cjelokupnoj industrijskoj infrastrukturi. Tada su Bavarci pronaĆĄli obećavajući put razvoja ne u ĆĄiroko reklamiranim gorivnim ćelijama, već u prenoĆĄenju motora sa unutraĆĄnjim sagorijevanjem u rad s vodikom. BMW vjeruje da je naknadna ugradnja rjeĆĄivo pitanje i već biljeĆŸi značajan napredak prema ključnom izazovu osiguranja pouzdanih performansi motora i uklanjanja njegove tendencije ka odgaranju sagorijevanjem čistim vodikom. Uspjeh u ovom smjeru zasluĆŸan je za kompetentnost na polju elektroničkog upravljanja motornim procesima i mogućnost koriĆĄtenja patentiranih BMW patentiranih sistema za fleksibilnu distribuciju plina Valvetronic i Vanos, bez kojih je nemoguće garantirati normalan rad "vodoničnih motora".

Međutim, prvi koraci u tom smjeru datiraju iz 1820. godine, kada je dizajner William Cecil stvorio motor na vodik koji radi na takozvanom "principu vakuuma" - shema potpuno drugačija od one koja je kasnije izumljena s unutraĆĄnjim motorom. gori. U svom prvom razvoju motora sa unutraĆĄnjim sagorevanjem 60 godina kasnije, pionir Otto je koristio već pomenuti sintetički gas dobijen od uglja sa sadrĆŸajem vodonika od oko 50%. Međutim, izumom karburatora upotreba benzina je postala mnogo praktičnija i sigurnija, a tečno gorivo je zamijenilo sve druge alternative koje su postojale do sada. Svojstva vodonika kao goriva otkrila je mnogo godina kasnije svemirska industrija, koja je brzo otkrila da vodik ima najbolji omjer energije i mase od bilo kojeg goriva poznatog čovječanstvu.

U julu 1998. godine, Europsko udruĆŸenje automobilske industrije (ACEA) obvezalo se smanjiti emisiju CO2 za novoregistrirana vozila u Uniji na prosječno 140 grama po kilometru do 2008. godine. U praksi to znači smanjenje emisije od 25% u odnosu na 1995. godinu i ekvivalent je prosječnoj potroĆĄnji goriva u novoj floti od oko 6,0 l / 100 km. To izuzetno oteĆŸava zadatak automobilskim kompanijama i, prema stručnjacima BMW-a, moĆŸe se rijeĆĄiti ili koriĆĄtenjem goriva s niskim udjelom ugljika ili potpuno uklanjanjem ugljika iz sastava goriva. Prema ovoj teoriji, vodonik se u svoj svojoj slavi pojavljuje na automobilskoj sceni.
Bavarska kompanija postaje prvi proizvođač automobila koji je započeo masovnu proizvodnju vozila na vodik. Vesele i samopouzdane tvrdnje BMW-ovog odbora direktora Burkharda Göschela, člana odbora BMW-a odgovornog za novi razvoj, da će "kompanija prodavati automobile sa vodonikom prije isteka serije 7", zaista se obistinjuju. Sa Hydrogen 7, verzija sedme serije predstavljena je 2006. godine i ima 12-cilindrični motor od 260 KS. ova poruka postaje stvarnost.

Namjera se čini prilično ambicioznom, ali s dobrim razlogom. BMW eksperimentira sa motorima sa sagorijevanjem vodonika od 1978. godine, s 5-serijom (E12), 1984-satnom verzijom E 745 predstavljena je 23. godine, a 11. maja 2000. godine pokazala je jedinstvene mogućnosti ove alternative. Impresivna flota od 15 KS. E 750 "sedmice" sa 38-cilindričnim motorima na vodonik trčao je 12 170 km maratona, ističući uspjeh kompanije i obećanje nove tehnologije. 000. i 2001. godine neka od ovih vozila nastavila su sudjelovati u raznim demonstracijama za promociju ideje o vodiku. Zatim dolazi novi razvoj zasnovan na narednoj seriji 2002, koji koristi moderni 7-litreni V-4,4 motor i sposoban je postići maksimalnu brzinu od 212 km / h, praćen najnovijim razvojem sa 12-cilindričnim V-XNUMX motorom.

Prema sluĆŸbenom miĆĄljenju kompanije, razlozi zbog kojih se BMW tada odlučio za ovu tehnologiju preko gorivih ćelija su komercijalni i psiholoĆĄki. Prvo, ova metoda će zahtijevati znatno manje ulaganja u slučaju promjena industrijske infrastrukture. Drugo, jer su ljudi navikli na stari stari motor s unutarnjim izgaranjem, vole ga i bit će teĆĄko rastati se od njega. I treće, jer se istovremeno ta tehnologija razvija brĆŸe od tehnologije gorivih ćelija.

U BMW automobilima, vodonik se skladiơti u preizoliranoj kriogenoj posudi, neơto poput termos boce visoke tehnologije koju je razvila njemačka rashladna grupa Linde. Pri niskim temperaturama skladiơtenja, gorivo je u tečnoj fazi i ulazi u motor kao normalno gorivo.

Dizajneri minhenske kompanije koriste ubrizgavanje goriva u usisne grane, a kvaliteta smjese ovisi o načinu rada motora. U načinu rada s djelomičnim opterećenjem, motor radi na siromaĆĄnoj smjesi slično kao dizel - mijenja se samo količina ubrizganog goriva. Ovo je takozvana "kontrola kvaliteta" mjeĆĄavine, u kojoj motor radi s viĆĄkom zraka, ali zbog niskog opterećenja stvaranje emisije duĆĄika je svedeno na minimum. Kada postoji potreba za značajnom snagom, motor počinje da radi kao benzinski motor, prelazeći na takozvanu "kvantitativnu regulaciju" meĆĄavine i na normalne (ne posne) meĆĄavine. Ove promjene su moguće, s jedne strane, zahvaljujući brzini elektronske kontrole procesa u motoru, as druge strane, zahvaljujući fleksibilnom radu sistema za kontrolu distribucije gasa - „duplog“ Vanosa, koji radi u sprezi. sa Valvetronic sistemom kontrole usisa bez gasa. Treba imati na umu da je, prema miĆĄljenju inĆŸenjera BMW-a, radna ĆĄema ovog razvoja tek međufaza u razvoju tehnologije i da će u budućnosti motori morati da pređu na direktno ubrizgavanje vodonika u cilindre i turbopunjač. Očekuje se da će primena ovih metoda dovesti do poboljĆĄanja dinamičkih performansi automobila u poređenju sa sličnim benzinskim motorom i do povećanja ukupne efikasnosti motora sa unutraĆĄnjim sagorevanjem za viĆĄe od 50%.

Zanimljiva razvojna činjenica je da sa najnovijim dostignućima u motorima sa unutraĆĄnjim sagorevanjem „vodika“, dizajneri u Minhenu ulaze u oblast gorivnih ćelija. Oni koriste takve uređaje za napajanje ugrađene električne mreĆŸe u automobilima, potpuno eliminirajući konvencionalnu bateriju. Zahvaljujući ovom koraku moguća je dodatna uĆĄteda goriva, budući da motor na vodik ne mora pokretati alternator, a električni sistem u vozilu postaje potpuno autonoman i nezavisan od putanje voĆŸnje - moĆŸe proizvoditi električnu energiju čak i kada motor ne radi, a proizvodnja i potroĆĄnja energije mogu se u potpunosti optimizirati. Činjenica da se sada moĆŸe proizvesti onoliko električne energije koliko je potrebno za napajanje vodene pumpe, pumpi za ulje, pojačivača kočnica i sistema oĆŸičenja također znači dalju uĆĄtedu. Međutim, paralelno sa svim ovim inovacijama, sistem za ubrizgavanje goriva (benzin) praktički nije pretrpio nikakve skupe promjene dizajna.

U cilju promocije vodikovih tehnologija u lipnju 2002. godine, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN je stvorio partnerski program CleanEnergy, koji je započeo svoju aktivnost s razvojem punionica za UNP. i komprimovani vodonik. U njima se dio vodika proizvodi na licu mjesta pomoću solarne električne energije, a zatim se komprimira, a velike ukapljene količine dolaze iz posebnih proizvodnih stanica, a sve pare iz tekuće faze automatski se prenose u rezervoar za plin.
BMW je pokrenuo niz drugih zajedničkih projekata, uključujući i naftne kompanije, među kojima su najaktivniji učesnici Aral, BP, Shell i Total.
Međutim, zaơto BMW napuơta ova tehnoloơka rjeơenja i dalje se fokusira na gorivne ćelije, reći ćemo vam u drugom članku iz ove serije.

Vodonik u motorima sa unutraĆĄnjim sagorevanjem

Zanimljivo je napomenuti da je zbog fizičkih i hemijskih svojstava vodonika mnogo zapaljiviji od benzina. U praksi, to znači da je potrebno mnogo manje početne energije za pokretanje procesa sagorijevanja u vodiku. S druge strane, motori na vodonik mogu lako koristiti vrlo "loĆĄe" mjeĆĄavine - neĆĄto ĆĄto moderni benzinski motori postiĆŸu sloĆŸenim i skupim tehnologijama.

Toplota između čestica smjese vodonik-vazduh se manje rasprơuje, a istovremeno je temperatura samozapaljenja mnogo veća, kao i brzina procesa sagorijevanja u odnosu na benzin. Vodonik ima malu gustinu i jaku difuziju (mogućnost ulaska čestica u drugi gas - u ovom slučaju vazduh).

Upravo je niska energija aktiviranja potrebna za samozapaljenje jedan od najvećih izazova u kontroli sagorijevanja u vodikovim motorima, jer se smjesa moĆŸe lako spontano zapaliti zbog dodira s vrućim područjima u komori za sagorijevanje i otpora prateći lanac potpuno nekontroliranih procesa. Izbjegavanje ovog rizika jedan je od najvećih izazova u dizajnu vodikovih motora, ali nije lako ukloniti posljedice činjenice da se visoko rasprĆĄena smjesa sagorijevanja kreće vrlo blizu zidova cilindra i moĆŸe prodrijeti u izuzetno uske praznine. na primjer duĆŸ zatvorenih ventila ... Sve ovo mora se uzeti u obzir prilikom dizajniranja ovih motora.

Visoka temperatura samozapaljenja i visok oktanski broj (oko 130) omogućavaju povećanje stepena kompresije motora, a time i njegove efikasnosti, ali opet postoji opasnost od samozapaljenja vodika u dodiru s vrućim dijelom. u cilindru. Prednost velike difuzijske sposobnosti vodika je mogućnost lakog mijeơanja sa zrakom, ơto u slučaju kvara spremnika jamči brzo i sigurno rasipanje goriva.

Idealna mjeĆĄavina zraka i vodonika za sagorijevanje ima omjer od oko 34:1 (za benzin je taj odnos 14,7:1). To znači da je pri kombinovanju iste mase vodonika i benzina u prvom slučaju potrebno viĆĄe nego dvostruko viĆĄe vazduha. Istovremeno, mjeĆĄavina vodonika i zraka zauzima znatno viĆĄe prostora, ĆĄto objaĆĄnjava zaĆĄto vodonični motori imaju manju snagu. Čisto digitalna ilustracija omjera i zapremina je prilično elokventna - gustina vodonika spremnog za sagorevanje je 56 puta manja od gustine benzinske pare... Međutim, treba napomenuti da, generalno, motori na vodik mogu da rade na meĆĄavini vazduha . vodonik u omjerima do 180:1 (tj. sa vrlo "loĆĄim" mjeĆĄavinama), ĆĄto opet znači da motor moĆŸe raditi bez gasa i koristiti princip dizel motora. Treba napomenuti i da je vodonik neprikosnoveni lider u poređenju vodonika i benzina kao masovnog izvora energije – kilogram vodonika ima skoro tri puta viĆĄe energije po kilogramu benzina.

Kao i kod benzinskih motora, tečni vodonik se moĆŸe ubrizgavati direktno ispred ventila u razdjelnicima, ali najbolje rjeĆĄenje je ubrizgavanje direktno tokom takta kompresije – u ovom slučaju snaga moĆŸe premaĆĄiti snagu uporedivog benzinskog motora za 25%. To je zato ĆĄto gorivo (vodonik) ne istiskuje vazduh kao kod benzinskog ili dizel motora, dozvoljavajući da se komora za sagorevanje napuni samo (znatno viĆĄe nego obično) vazduhom. Osim toga, za razliku od benzinskih motora, vodoniku nije potrebno strukturno vrtlovanje, jer vodonik bez ove mjere prilično dobro difundira sa zrakom. Zbog različite brzine sagorijevanja u različitim dijelovima cilindra, bolje je ugraditi dvije svjećice, a u motorima na vodik upotreba platinastih elektroda nije prikladna, jer platina postaje katalizator koji dovodi do oksidacije goriva čak i na niskim temperaturama. .

Mazda opcija

Japanska kompanija Mazda takođe pokazuje svoju verziju hidrogen motora, u obliku rotacionog bloka u sportskom automobilu RX-8. To nije iznenađujuće, budući da su karakteristike dizajna Wankel motora izuzetno pogodne za koriơtenje vodonika kao goriva.
Plin se pod visokim pritiskom skladiĆĄti u posebnom spremniku i gorivo se ubrizgava direktno u komore za sagorijevanje. Zbog činjenice da su kod rotacionih motora zone u kojima se odvija ubrizgavanje i sagorijevanje odvojene, a temperatura u usisnom dijelu niĆŸa, problem s mogućnoơću nekontrolisanog paljenja znatno je smanjen. Wankelov motor takođe nudi dovoljno prostora za dva injektora, ĆĄto je presudno za ubrizgavanje optimalne količine vodonika.

H2R

H2R je radni supersportski prototip koji su izradili BMW inĆŸenjeri, a pokreće ga 12-cilindarski motor koji dostiĆŸe maksimalnu snagu od 285 KS. pri radu sa vodonikom. Zahvaljujući njima, eksperimentalni model ubrzava od 0 do 100 km/h za ĆĄest sekundi i postiĆŸe maksimalnu brzinu od 300 km/h. H2R motor je baziran na standardnom vrhu koji se koristi u benzinskom modelu 760i i trebalo mu je samo deset mjeseci da se razvije .


Da bi sprečili spontano sagorevanje, bavarski stručnjaci su razvili posebnu strategiju za cikluse protoka i ubrizgavanja u komoru za sagorevanje, koristeći mogućnosti koje pruĆŸa promenljivi sistem raspoređivanja ventila motora. Prije nego ĆĄto smjesa uđe u cilindre, potonji se hlade zrakom, a paljenje se vrĆĄi samo u gornjoj mrtvoj tački - zbog velike brzine sagorijevanja sa vodoničnim gorivom, nije potrebno unaprijediti paljenje.

Dodajte komentar