Testovací jízda BMW a vodík: část druhá

"Voda. Jediným konečným produktem čistých motorů BMW je použití kapalného vodíku místo ropných paliv a umožňuje každému užívat si nové technologie s čistým svědomím."

Způsob BMW

Tato slova jsou citací z reklamní kampaně německé společnosti před několika lety. Dlouho nikdo nezpochybňoval, že Bavoři v oblasti motorové techniky velmi dobře vědí, co dělají, a patří v tomto oboru ke světové špičce. Ani by se nenapadlo, že společnost, která v posledních letech vykazuje solidní růst tržeb, vyhazuje spoustu peněz na málo známé reklamy na slibné technologie s nejistou budoucností.

Zároveň jsou ale citovaná slova součástí kampaně na propagaci poněkud exotické 745hodinové vodíkové verze vlajkové lodi bavorské automobilky. Exotické, protože přechod na alternativy k uhlovodíkovým palivům, kterými se automobilový průmysl živí od samého začátku, si podle BMW vyžádá změnu celé výrobní infrastruktury. To druhé je nutné, protože bavoráci vidí slibnou cestu vývoje nikoli v hojně propagovaných palivových článcích, ale v přestavbě spalovacích motorů na vodík. BMW věří, že modernizace je řešitelný problém a již výrazně pokročila v řešení hlavního problému dosažení spolehlivého výkonu motoru a odstranění jeho sklonu k nekontrolovaným spalovacím procesům využívajícím čistý vodík. Úspěch v tomto směru je dán kompetencí v oblasti elektronického řízení procesů motoru a možností využití BMW patentovaných flexibilních systémů distribuce plynu Valvetronic a Vanos, bez kterých by nebylo možné zajistit běžný provoz „vodíkových motorů“ . První kroky v tomto směru však sahají až do roku 1820, kdy konstruktér William Cecil vytvořil motor na vodíkový pohon fungující na takzvaném „podtlakovém principu“ – schématu velmi odlišném od schématu později vynalezeného motoru s vnitřním motorem. . hořící. Při svém prvním vývoji spalovacích motorů o 60 let později použil průkopník Otto již zmíněný a z uhlí odvozený syntetický plyn s obsahem vodíku asi 50 %. S vynálezem karburátoru se však používání benzinu stalo mnohem praktičtějším a bezpečnějším a kapalné palivo nahradilo všechny ostatní alternativy, které dosud existovaly. Vlastnosti vodíku jako paliva byly znovu objeveny o mnoho let později vesmírným průmyslem, který rychle zjistil, že vodík má nejlepší poměr energie/hmotnost ze všech paliv, které lidstvo zná.

V červenci 1998 se Evropská asociace automobilového průmyslu (ACEA) zavázala k Evropské unii, že sníží emise CO2008 z nově registrovaných vozidel v Unii v průměru o 2 gramy na kilometr o 140. V praxi to znamenalo 25% snížení emisí ve srovnání s rokem 1995 a průměrná spotřeba paliva nového vozového parku byla přibližně 6,0 l / 100 km. V blízké budoucnosti se očekává další opatření ke snížení emisí oxidu uhličitého do roku 14 o 2012%. Z tohoto důvodu je pro automobilové společnosti úkol extrémně obtížný a podle odborníků BMW jej lze vyřešit buď použitím nízkouhlíkových paliv, nebo úplným vyloučením uhlíku ze složení paliva. Podle této teorie se vodík v automobilové aréně znovu objevuje v celé své kráse.

Bavorská společnost se stala prvním výrobcem automobilů, který hromadně vyráběl vozidla na vodíkový pohon. Naplnila se optimistická a sebevědomá tvrzení profesora Burkharda Geschela, člena představenstva BMW odpovědného za nový vývoj, že „společnost bude prodávat vodíkové vozy před vypršením platnosti aktuální řady 7“. S nejnovější verzí 7. řady Hydrogen 2006 představenou v roce 12 s 260válcovým motorem o výkonu 1978 hp. tato zpráva se již stala realitou. Záměr vypadal docela ambiciózně, ale ne bezdůvodně. Společnost BMW experimentuje se spalovacími motory na vodík od roku 11 a dne 2000. května 15 učinila jedinečnou ukázku možností této alternativy. Impozantní vozový park 750 170 hl vozidel z předchozí generace týdne, poháněný vodíkovými dvanáctiválcovými motory, dokončil maraton na 000 2001 km a zdůraznil úspěch společnosti a příslib nové technologie. V letech 2002 a 7 se některá z těchto vozidel nadále účastnila různých demonstrací na podporu myšlenky vodíku. Poté nastal čas na nový vývoj založený na příští řadě 4,4, který využívá moderní motor V-212 o objemu 12 litru s maximální rychlostí XNUMX km / h, následovaný nejnovějším vývojem s XNUMXválcovým motorem V-XNUMX. Podle oficiálního stanoviska společnosti jsou důvody, proč BMW zvolilo tuto technologii nad palivovými články, komerční i psychologické. Nejprve bude tato metoda vyžadovat výrazně menší investice, pokud se změní výrobní infrastruktura. Zadruhé, protože jsou lidé zvyklí na starý dobrý spalovací motor, mají ho rádi a bude těžké se s ním rozloučit. A za třetí, mezitím se ukázalo, že tato technologie se vyvíjí rychleji než technologie palivových článků.

V automobilech BMW je vodík uložen v superizolované kryogenní nádobě, něco jako high-tech termoska vyvinutá německou chladicí skupinou Linde. Při nízkých skladovacích teplotách je palivo v kapalné fázi a vstupuje do motoru jako běžné palivo.

V této fázi se konstruktéři mnichovské společnosti zaměřili na nepřímé vstřikování paliva a kvalita směsi závisí na provozním režimu motoru. V režimu částečného zatížení motor běží na chudé směsi podobné motorové naftě – změna se provádí pouze v množství vstřikovaného paliva. Jedná se o takzvanou „kontrolu kvality“ směsi, při které motor běží s přebytečným vzduchem, ale kvůli nízkému zatížení je tvorba emisí dusíku minimalizována. Když je potřeba značného výkonu, motor začne pracovat jako benzínový motor, přejde k takzvané „kvantitativní kontrole“ směsi a normálních (nikoli chudých) směsí. Tyto změny jsou možné na jedné straně díky rychlosti elektronického řízení procesů v motoru a na druhé straně díky flexibilnímu provozu řídicích systémů distribuce plynu - „dvojitého“ Vanosu, pracujícího ve spojení s Systém řízení sání Valvetronic bez škrticí klapky. Je třeba mít na paměti, že podle inženýrů BMW je pracovní schéma tohoto vývoje pouze mezistupeňem vývoje technologie a že v budoucnu motory přejdou na přímé vstřikování vodíku do válců a přeplňování. Očekává se, že tyto techniky budou mít za následek lepší dynamiku vozidla než srovnatelný benzínový motor a zvýšení celkové účinnosti spalovacího motoru o více než 50%. Zde jsme se záměrně zdrželi dotyku na téma „palivových článků“, protože tento problém je v poslední době docela aktivně využíván. Zároveň je však musíme zmínit v kontextu vodíkové technologie BMW, protože právě v Mnichově se konstruktéři rozhodli používat právě taková zařízení k napájení palubní elektrické sítě v automobilech, čímž zcela eliminovali konvenční napájení z baterií. Tento krok umožňuje další úsporu paliva, protože vodíkový motor nemusí pohánět alternátor a palubní elektrický systém se stává zcela autonomním a nezávislým na dráze pohonu – může vyrábět elektřinu, i když motor neběží, a také vyrábět a spotřebovávat energii se hodí k plné optimalizaci. Skutečnost, že nyní lze vyrobit jen tolik elektřiny, kolik je potřeba, k napájení vodního čerpadla, olejových čerpadel, posilovače brzd a kabelových systémů, se promítá také do dalších úspor. Souběžně se všemi těmito inovacemi však systém vstřikování paliva (benzín) prakticky neprošel nákladnými konstrukčními změnami. Za účelem propagace vodíkových technologií v červnu 2002 vytvořily BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN partnerský program CleanEnergy, který začal vývojem čerpacích stanic se zkapalněným a stlačeným vodíkem.

BMW je iniciátorem řady dalších společných projektů, mimo jiné s ropnými společnostmi, z nichž nejaktivnějšími účastníky jsou Aral, BP, Shell, Total. Zájem o tuto perspektivní oblast roste exponenciálně – v příštích deseti letech jen EU poskytne přímé finanční příspěvky do fondů na financování vývoje a implementace vodíkových technologií ve výši 2,8 miliardy eur. Objem investic soukromých firem do rozvoje „vodíku“ v tomto období je těžké předvídat, ale je jasné, že mnohonásobně převýší odvody od neziskových organizací.

Vodík ve spalovacích motorech

Je zajímavé, že díky fyzikálním a chemickým vlastnostem vodíku je mnohem hořlavější než benzín. V praxi to znamená, že k zahájení procesu spalování vodíku je potřeba mnohem méně počáteční energie. Na druhou stranu velmi chudé směsi lze snadno použít ve vodíkových motorech – čehož moderní benzínové motory dosahují pomocí složitých a drahých technologií.

Teplo mezi částicemi směsi vodíku a vzduchu je méně rozptýleno a zároveň je teplota samovznícení a rychlost spalovacích procesů mnohem vyšší než u benzínu. Vodík má nízkou hustotu a silnou difuzivitu (možnost pronikání částic do jiného plynu – v tomto případě do vzduchu).

Nízká aktivační energie potřebná k samovznícení je jednou z největších výzev při řízení spalovacích procesů ve vodíkových motorech, protože směs se může snadno samovolně vznítit díky kontaktu s teplejšími oblastmi ve spalovací komoře a odolnosti vůči sledování řetězce zcela nekontrolovaných procesů. Vyhnout se tomuto riziku je jednou z největších výzev při vývoji vodíkových motorů, ale není snadné eliminovat důsledky toho, že vysoce difuzní hořící směs putuje velmi blízko stěn válců a může pronikat extrémně úzkými mezerami. jako jsou například uzavřené ventily... To vše je třeba vzít v úvahu při návrhu těchto motorů.

Vysoká teplota samovznícení a vysoké oktanové číslo (asi 130) umožňují zvýšení kompresního poměru motoru a tím i jeho účinnost, ale opět hrozí nebezpečí samovznícení vodíku při kontaktu s teplejší částí. ve válci. Výhodou vysoké difúzní kapacity vodíku je možnost snadného smíchání se vzduchem, což v případě rozbití nádrže zaručuje rychlé a bezpečné rozptýlení paliva.

Ideální směs vzduch-vodík pro spalování má poměr přibližně 34:1 (u benzínu je tento poměr 14,7:1). To znamená, že při kombinaci stejné hmotnosti vodíku a benzínu v prvním případě je potřeba více než dvojnásobek vzduchu. Směs vodíku a vzduchu přitom zabírá výrazně více místa, což vysvětluje, proč mají motory na vodíkový pohon menší výkon. Čistě digitální znázornění poměrů a objemů je poměrně výmluvné – hustota vodíku připraveného ke spalování je 56x menší než u benzínových par .... Nutno však podotknout, že v zásadě mohou vodíkové motory pracovat i se směsmi vzduch-vodík až do poměru 180:1 (tedy velmi „chudí“ směsi), což zase znamená, že motor lze provozovat. bez škrticí klapky a využívají principu vznětových motorů. Je třeba také poznamenat, že vodík je nesporným lídrem ve srovnání vodíku a benzínu jako zdrojů energie z hlediska hmotnosti - kilogram vodíku je téměř třikrát energeticky náročnější než kilogram benzínu.

Stejně jako u benzinových motorů lze zkapalněný vodík vstřikovat přímo před ventily v rozdělovačích potrubí, ale nejlepším řešením je vstřikování přímo během kompresního zdvihu – v tomto případě může výkon převýšit výkon podobného benzinového motoru o 25 %. Je to proto, že palivo (vodík) nevytlačuje vzduch jako u benzínového nebo naftového motoru, takže spalovací prostor naplňuje pouze vzduch (výrazně více než obvykle). Na rozdíl od benzínových motorů také vodíkové motory nepotřebují strukturální víření, protože vodík dostatečně dobře difunduje vzduchem i bez tohoto opatření. Vzhledem k různé rychlosti hoření v různých částech válce je lepší umístit dvě zapalovací svíčky a u vodíkových motorů je použití platinových elektrod nepraktické, protože platina se stává katalyzátorem vedoucím k oxidaci paliva při nízkých teplotách.

H2R

H2R je funkční prototyp supersportu postavený inženýry BMW a poháněný dvanáctiválcovým motorem, který při pohonu vodíkem dosahuje maximálního výkonu 285 koní. Experimentální model díky nim zrychlí z 0 na 100 km/h za šest sekund a dosáhne maximální rychlosti 300 km/h. Motor H2R vychází ze standardní špičkové jednotky používané v benzínovém 760i a zabral pouhých deset měsíce rozvíjet. Aby se zabránilo samovznícení, bavorští specialisté vyvinuli speciální cyklus proudění a vstřikování do spalovací komory, využívající možnosti, které poskytují systémy variabilního časování ventilů motoru. Před vstupem směsi do válců jsou tyto chlazeny vzduchem a zapalování se provádí pouze v horní úvrati - kvůli vysoké rychlosti spalování vodíkového paliva není vyžadován předstih zážehu.

Závěry

Finanční analýza přechodu na čistou vodíkovou energii ještě není příliš optimistická. Výroba, skladování, přeprava a dodávka lehkého plynu jsou stále energeticky velmi náročné procesy a v současné technologické fázi lidského rozvoje takový systém nemůže být efektivní. To však neznamená, že výzkum a hledání řešení nebudou pokračovat. Optimistické jsou návrhy na výrobu vodíku z vody pomocí elektřiny ze solárních panelů a jeho skladování ve velkých nádržích. Na druhou stranu proces výroby elektřiny a vodíku v plynné fázi v saharské poušti, její přeprava do Středozemního moře potrubím, zkapalňování a přeprava kryogenními tankery, vykládka do přístavů a ​​konečná přeprava nákladním automobilem zní v tuto chvíli trochu směšně ...

Zajímavý nápad nedávno představila norská ropná společnost Norsk Hydro, která navrhla výrobu vodíku ze zemního plynu ve výrobních závodech v Severním moři a zbytkový oxid uhelnatý byl skladován na ochuzených polích pod mořským dnem. Pravda leží někde uprostřed a jen čas ukáže, kam bude směřovat vývoj vodíkového průmyslu.

Varianta Mazda

Svou verzi vodíkového motoru ukazuje i japonská společnost Mazda - v podobě rotačního agregátu sportovního vozu RX-8. To není překvapivé, protože konstrukční vlastnosti Wankelova motoru jsou mimořádně vhodné pro použití vodíku jako paliva. Plyn je uložen pod vysokým tlakem ve speciální nádrži a palivo je vstřikováno přímo do spalovacích komor. Vzhledem k tomu, že u rotačních motorů jsou odděleny oblasti, ve kterých probíhá vstřik a spalování, a teplota v sací části je nižší, výrazně se snižuje problém možnosti nekontrolovaného vznícení. Wankelův motor nabízí také dostatek prostoru pro dva vstřikovače, což je nesmírně důležité pro vstřikování optimálního množství vodíku.