BMW og brint: forbrændingsmotoren

Virksomhedens projekter begyndte for 40 år siden med brintversionen af ​​5-serien

BMW har længe troet på elektrisk mobilitet. I dag kan Tesla betragtes som benchmark på dette område, men for ti år siden, da det amerikanske firma demonstrerede konceptet med en tilpasset aluminiumsplatform, som dengang blev realiseret i form af Tesla Model S, arbejdede BMW aktivt på Megacity Køretøjsprojekt. 2013 markedsføres som BMW i3. Den avantgardistiske tyske bil bruger ikke kun en aluminiumsstøttestruktur med integrerede batterier, men også en krop lavet af kulstofforstærkede polymerer. Men det, som Tesla unægtelig er foran sine konkurrenter, er dens enestående metodologi, især på skalaen med at udvikle batterier til elektriske køretøjer – fra forhold til lithium-ion-celleproducenter til at bygge enorme batterifabrikker, inklusive dem med ikke-elektriske applikationer. mobilitet.

Men lad os vende tilbage til BMW, for i modsætning til Tesla og mange af dens konkurrenter tror det tyske firma stadig på brints mobilitet. For nylig afslørede et team ledet af virksomhedens Vice President for Hydrogen Fuel Cells, Dr. Jürgen Gouldner, I-Hydrogen Next brændselscellen, et selvkørende generatorsæt drevet af en kemisk reaktion ved lav temperatur. Dette øjeblik markerer 10-året for lanceringen af ​​BMWs udvikling af brændselscellebiler og 7-året for samarbejdet med Toyota om brændselsceller. BMWs afhængighed af brint går dog 40 år tilbage og er en meget mere "varm temperatur".

Dette er mere end et kvart århundredes udvikling af virksomheden, hvor brint bruges som brændstof til forbrændingsmotorer. I en stor del af den periode troede virksomheden, at en brintdrevet forbrændingsmotor var tættere på forbrugeren end en brændselscelle. Med en virkningsgrad på omkring 60 % og en kombination af en elmotor med en virkningsgrad på mere end 90 % er en brændselscellemotor meget mere effektiv end en forbrændingsmotor, der kører på brint. Som vi vil se i de følgende linjer, med deres direkte indsprøjtning og turboopladning, vil dagens downsized motorer være yderst velegnede til at levere brint - forudsat at de korrekte indsprøjtnings- og forbrændingskontrolsystemer er på plads. Men mens brintdrevne forbrændingsmotorer typisk er meget billigere end en brændselscelle kombineret med et lithium-ion-batteri, er de ikke længere på dagsordenen. Derudover går problemerne med brintmobilitet i begge tilfælde langt ud over fremdriftssystemets rammer.

Og alligevel hvorfor brint?

Brint er et vigtigt element i menneskehedens søgen efter at bruge flere og flere alternative energikilder såsom en bro til at lagre energi fra solen, vinden, vandet og biomassen ved at omdanne den til kemisk energi. Kort sagt betyder det, at elektricitet, der genereres af disse naturlige kilder, ikke kan opbevares i store mængder, men kan bruges til at producere brint ved at nedbryde vand til ilt og brint.

Naturligvis kan brint også udvindes fra ikke-vedvarende kulbrintekilder, men det har længe været uacceptabelt, når det kommer til at bruge det som energikilde. Det er en ubestridelig kendsgerning, at de teknologiske problemer med produktion, opbevaring og transport af brint er løselige - i praksis, selv nu, produceres enorme mængder af denne gas og bruges som råmaterialer i den kemiske og petrokemiske industri. I disse tilfælde er de høje omkostninger ved brint imidlertid ikke dødelige, da det "smelter" til de høje omkostninger ved de produkter, det er involveret i.

Problemet med at bruge let gas som energikilde og i store mængder er dog lidt mere kompliceret. Forskere har rystet på hovedet i lang tid på jagt efter et muligt strategisk alternativ til brændselsolie, og stigningen i elektrisk mobilitet og brint kan være i tæt symbiose. Kernen i alt dette er en enkel, men meget vigtig kendsgerning – udvindingen og brugen af ​​brint drejer sig om den naturlige cyklus med at kombinere og nedbryde vand … Hvis menneskeheden forbedrer og udvider produktionsmetoder ved hjælp af naturlige kilder som solenergi, vind og vand, brint kan produceres og bruges i ubegrænsede mængder uden at udlede skadelige emissioner.
produktion

Mere end 70 millioner tons rent brint produceres i øjeblikket i verden. Det vigtigste råmateriale til dens produktion er naturgas, der forarbejdes i en proces, der kaldes "reformering" (halvdelen af ​​det samlede beløb). Mindre mængder brint produceres ved andre processer, såsom elektrolyse af klorforbindelser, delvis oxidation af tung olie, kulforgasning, pyrolyse af kul til produktion af koks og benzinreformering. Cirka halvdelen af ​​verdens brintproduktion anvendes til syntese af ammoniak (som bruges som råstof til produktion af gødning), til olieraffinering og til syntese af methanol.

Disse produktionsordninger belaster miljøet i forskellig grad, og desværre tilbyder ingen af ​​dem et meningsfuldt alternativ til den nuværende energistatus quo – for det første fordi de bruger ikke-vedvarende kilder, og for det andet fordi produktionen udleder uønskede stoffer som kuldioxid. Den mest lovende metode til fremstilling af brint i fremtiden er fortsat nedbrydning af vand ved hjælp af elektricitet, kendt i folkeskolen. Men at lukke det rene energikredsløb er i øjeblikket kun muligt ved at bruge naturlig og især sol- og vindenergi til at generere den elektricitet, der er nødvendig for at nedbryde vand. Ifølge Dr. Gouldner er moderne teknologier "forbundet" til vind- og solsystemer, herunder små brintstationer, hvor sidstnævnte produceres på stedet, et stort nyt skridt i denne retning.
Opbevaringssted

Brint kan opbevares i store mængder i både gasformige og flydende faser. De største sådanne reservoirer, hvor brint holdes ved et relativt lavt tryk, kaldes "gasmålere". Mellemstore og mindre tanke er tilpasset til opbevaring af brint ved et tryk på 30 bar, mens de mindste specialtanke (dyre anordninger fremstillet af specielle stål- eller carbonfiberkompositmaterialer) opretholder et konstant tryk på 400 bar.
Brint kan også lagres i flydende fase ved -253°C pr volumenhed indeholdende 1,78 gange mere energi end ved 700 bar - for at opnå den tilsvarende mængde energi i flydende brint pr volumenhed skal gassen komprimeres op til 1250 bar. På grund af den højere energieffektivitet af kølet brint samarbejder BMW med den tyske kølekoncern Linde om deres første systemer, som har udviklet avancerede kryogene enheder til at gøre brint flydende og opbevare. Forskere tilbyder også andre, men mindre anvendelige i øjeblikket, alternativer til opbevaring af brint - for eksempel opbevaring under tryk i specielt metalmel, i form af metalhydrider og andre.

Hydrogentransmissionsnet findes allerede i områder med en høj koncentration af kemiske anlæg og olieraffinaderier. Generelt ligner teknikken den til transmission af naturgas, men brugen af ​​sidstnævnte til brintbehov er ikke altid mulig. Selv i det forrige århundrede blev mange huse i europæiske byer imidlertid tændt med rørledningsgas, der indeholder op til 50% brint, og som bruges som brændstof til de første stationære forbrændingsmotorer. Det nuværende teknologiniveau tillader allerede den transkontinentale transport af flydende brint gennem eksisterende kryogene tankskibe, svarende til dem, der bruges til naturgas.

BMW og forbrændingsmotoren

"Vand. Det eneste slutprodukt af rene BMW-motorer, der bruger flydende brint i stedet for petroleumsbrændstof og giver alle mulighed for at nyde nye teknologier med god samvittighed."

Disse ord er et citat fra en reklamekampagne for et tysk firma i begyndelsen af ​​det 745. århundrede. Det skulle fremme den temmelig eksotiske XNUMX timers brintversion af det bayerske bilproducents flagskib. Eksotisk, fordi overgangen til carbonhydridbrændstofalternativer, som bilindustrien har fodret med fra begyndelsen, ifølge BMW, kræver en ændring i hele den industrielle infrastruktur. På det tidspunkt fandt bayerne en lovende udviklingsvej ikke i de bredt annoncerede brændselsceller, men i omdannelsen af ​​forbrændingsmotorer til at arbejde med brint. BMW mener, at den igangværende eftermontering er et løseligt problem og allerede gør betydelige fremskridt med at tackle den centrale udfordring ved at sikre pålidelig motorydelse og eliminere dens tendens til forbrændingsforbrænding ved hjælp af rent brint. Succesen i denne retning skyldes kompetencen inden for elektronisk styring af motorprocesser og evnen til at bruge de patenterede BMW-patenterede systemer til fleksibel gasdistribution Valvetronic og Vanos, uden hvilke det er umuligt at garantere den normale drift af "brintmotorer".

De første skridt i denne retning går dog tilbage til 1820, hvor designeren William Cecil skabte en brintdrevet motor, der opererede efter det såkaldte "vakuumprincip" - et skema helt anderledes end det, der senere blev opfundet med en intern motor. brændende. I sin første udvikling af forbrændingsmotorer 60 år senere brugte pioneren Otto den allerede nævnte og kul-afledte syntetiske gas med et brintindhold på omkring 50 %. Men med opfindelsen af ​​karburatoren er brugen af ​​benzin blevet meget mere praktisk og mere sikker, og flydende brændstof har erstattet alle andre alternativer, der har eksisteret indtil nu. Egenskaberne ved brint som brændstof blev opdaget mange år senere af rumindustrien, som hurtigt opdagede, at brint havde det bedste energi/masseforhold af ethvert brændstof kendt af menneskeheden.

I juli 1998 forpligtede Den Europæiske Automobile Industry Association (ACEA) sig til at reducere CO2-emissioner for nyregistrerede køretøjer i Unionen til i gennemsnit 140 gram pr. Kilometer i 2008. I praksis betyder dette en reduktion af emissionerne på 25% sammenlignet med 1995 og svarer til et gennemsnitligt brændstofforbrug i den nye flåde på ca. 6,0 l / 100 km. Dette gør opgaven for bilfirmaer ekstremt vanskelig og kan ifølge BMW-eksperter enten løses ved at bruge brændstof med lavt kulstofindhold eller ved at fjerne kulstof helt fra brændstofsammensætningen. I henhold til denne teori forekommer brint i al sin prakt på bilindustrien.
Det bayerske selskab bliver den første bilproducent, der begynder masseproduktion af brintdrevne køretøjer. BMW's bestyrelsesmedlem Burkhard Göschels, BMW-bestyrelsesmedlem, der er ansvarlig for nye udviklinger, giver de positive og tillidsfulde påstande om, at "virksomheden vil sælge brintbiler inden 7-serien udløber". Med Hydrogen 7 blev en version af den syvende serie introduceret i 2006 og har en 12-cylindret 260 hk motor. dette budskab bliver virkelighed.

Intensionen virker ganske ambitiøs, men med god grund. BMW har eksperimenteret med brændstofforbrændingsmotorer siden 1978 med 5-serien (E12), den 1984-timers version af E 745 blev introduceret i 23, og den 11. maj 2000 demonstrerede det de unikke egenskaber ved dette alternativ. En imponerende flåde på 15 hk. Ugens E 750 "ugens" med 38-cylindrede brintdrevne motorer løb et maraton på 12 km, hvilket fremhæver virksomhedens succes og løftet om ny teknologi. I 170 og 000 fortsatte nogle af disse køretøjer med at deltage i forskellige demonstrationer for at fremme brintideen. Dette efterfølges af en ny udvikling baseret på den næste 2001-serie, ved hjælp af en moderne 2002-liters V-7-motor og i stand til en tophastighed på 4,4 km / t, efterfulgt af den seneste udvikling med en 212-cylindret V-12-motor.

Ifølge virksomhedens officielle udtalelse var grundene til, at BMW derefter foretrak denne teknologi frem for brændselsceller, både erhvervsmæssige og psykologiske. For det første kræver denne metode betydeligt mindre investeringer i tilfælde af ændringer i industriel infrastruktur. For det andet, fordi folk er vant til den gode gamle forbrændingsmotor, elsker de den, og det vil være vanskeligt at skille sig ud med den. Og for det tredje, fordi denne teknologi på samme tid udvikler sig hurtigere end brændselscelle-teknologi.

I BMW-biler opbevares brint i en overisoleret kryogenbeholder, ligesom en højteknologisk termokandeflaske udviklet af den tyske kølekoncern Linde. Ved lave opbevaringstemperaturer er brændstoffet i flydende fase og kommer ind i motoren som normalt brændstof.

Designerne af München-virksomheden bruger brændstofindsprøjtning i indsugningsmanifoldene, og blandingens kvalitet afhænger af motorens driftstilstand. I delbelastningstilstand kører motoren på magre blandinger, der ligner diesel - kun mængden af ​​indsprøjtet brændstof ændres. Dette er den såkaldte "kvalitetskontrol" af blandingen, hvor motoren kører med overskydende luft, men på grund af den lave belastning minimeres dannelsen af ​​nitrogen-emissioner. Når der er behov for betydelig kraft, begynder motoren at fungere som en benzinmotor, der bevæger sig til den såkaldte "kvantitative regulering" af blandingen og til normale (ikke magre) blandinger. Disse ændringer er mulige på den ene side takket være hastigheden af ​​den elektroniske processtyring i motoren, og på den anden side takket være den fleksible betjening af gasdistributionskontrolsystemerne - den "dobbelte" Vanos, der arbejder sammen med Valvetronic indsugningskontrolsystem uden gasspjæld. Man skal huske på, at arbejdsplanen for denne udvikling ifølge BMW-ingeniører kun er et mellemtrin i udviklingen af ​​teknologi, og at motorer i fremtiden skal flyttes til direkte brintindsprøjtning i cylindrene og turboladeren. Det forventes, at anvendelsen af ​​disse metoder vil føre til en forbedring af bilens dynamiske ydeevne sammenlignet med en tilsvarende benzinmotor og til en stigning i den samlede effektivitet af forbrændingsmotoren med mere end 50 %.

En interessant udviklingskendsgerning er, at med den seneste udvikling inden for "brint" forbrændingsmotorer, går designerne i München ind på brændselsceller. De bruger sådanne enheder til at drive det indbyggede elektriske netværk i biler, hvilket helt eliminerer det konventionelle batteri. Takket være dette trin er yderligere brændstofbesparelser mulige, da brintmotoren ikke behøver at drive generatoren, og det indbyggede elektriske system bliver fuldstændig autonomt og uafhængigt af kørebanen - det kan generere elektricitet, selv når motoren ikke kører, og produktion og forbrug af energi kan optimeres fuldt ud. Det faktum, at der nu kan genereres så meget elektricitet, som det er nødvendigt for at drive vandpumpen, oliepumperne, bremseforstærkeren og ledningssystemer, udmønter sig også i yderligere besparelser. Men parallelt med alle disse innovationer har brændstofindsprøjtningssystemet (benzin) praktisk talt ikke gennemgået nogen dyre designændringer.

For at fremme brintteknologier i juni 2002 oprettede BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN partnerskabsprogrammet CleanEnergy, der startede sin aktivitet med udviklingen af ​​LPG -tankstationer. og komprimeret hydrogen. I dem produceres en del af brintet på stedet ved hjælp af solenergi og komprimeres derefter, og store flydende mængder kommer fra særlige produktionsstationer, og alle dampe fra væskefasen overføres automatisk til gasreservoiret.
BMW har iværksat en række andre fælles projekter, blandt andet med olieselskaber, blandt hvilke de mest aktive deltagere er Aral, BP, Shell, Total.
Hvorfor BMW opgiver disse teknologiske løsninger og stadig fokuserer på brændselsceller, fortæller vi dig i en anden artikel i denne serie.

Brint i forbrændingsmotorer

Det er interessant at bemærke, at på grund af brints fysiske og kemiske egenskaber er det meget mere brandfarligt end benzin. I praksis betyder det, at der kræves meget mindre startenergi for at starte forbrændingsprocessen i brint. Til gengæld kan brintmotorer sagtens bruge meget "dårlige" blandinger – noget som moderne benzinmotorer opnår gennem komplekse og dyre teknologier.

Varmen mellem partiklerne i brint-luftblandingen er mindre spredt, og samtidig er selvantændelsestemperaturen meget højere, ligesom hastigheden af ​​forbrændingsprocesser sammenlignet med benzin. Brint har en lav densitet og en stærk diffusivitet (muligheden for, at partikler kommer ind i en anden gas - i dette tilfælde luft).

Det er den lave aktiveringsenergi, der kræves til selvantændelse, som er en af ​​de største udfordringer med at kontrollere forbrænding i brintmotorer, fordi blandingen let spontant kan antændes på grund af kontakt med varmere områder i forbrændingskammeret og modstand efter en kæde af helt ukontrollerede processer. At undgå denne risiko er en af ​​de største udfordringer inden for design af brintmotorer, men det er ikke let at fjerne konsekvenserne af det faktum, at den stærkt spredte forbrændingsblanding bevæger sig meget tæt på cylindervæggene og kan trænge ind i ekstremt smalle huller. for eksempel langs lukkede ventiler ... Alt dette skal overvejes, når disse motorer designes.

En høj autoignitionstemperatur og et højt oktantal (ca. 130) tillader en stigning i motorens kompressionsforhold og derfor dens effektivitet, men igen er der en fare for autoignition af brint ved kontakt med den varmere del. i cylinderen. Fordelen ved den høje diffusionskapacitet af brint er muligheden for let blanding med luft, hvilket i tilfælde af en tanknedbrud garanterer hurtig og sikker spredning af brændstoffet.

Den ideelle luft-brintblanding til forbrænding har et forhold på omkring 34:1 (for benzin er dette forhold 14,7:1). Det betyder, at når man kombinerer den samme masse af brint og benzin i det første tilfælde, kræves der mere end dobbelt så meget luft. Samtidig fylder brint-luftblandingen væsentligt mere, hvilket forklarer, hvorfor brintmotorer har mindre effekt. En rent digital illustration af forhold og volumener er ret veltalende - densiteten af ​​brint klar til forbrænding er 56 gange mindre end densiteten af ​​benzindampe ... Det skal dog bemærkes, at brintmotorer generelt kan fungere på luftblandinger . brint i forhold op til 180:1 (dvs. med meget "dårlige" blandinger), hvilket igen betyder, at motoren kan køre uden gasspjæld og bruge princippet om dieselmotorer. Det skal også nævnes, at brint er den ubestridte førende i sammenligningen mellem brint og benzin som masseenergikilde – et kilogram brint har næsten tre gange mere energi pr. kilogram benzin.

Som med benzinmotorer kan flydende brint indsprøjtes direkte foran ventilerne i manifolderne, men den bedste løsning er indsprøjtning direkte under kompressionsslaget - i dette tilfælde kan effekten overstige en sammenlignelig benzinmotor med 25 %. Dette skyldes, at brændstoffet (brint) ikke fortrænger luft som ved en benzin- eller dieselmotor, hvilket gør, at forbrændingskammeret kun fyldes med (betydeligt mere end normalt) luft. Derudover har brint i modsætning til benzinmotorer ikke brug for strukturel hvirvling, da brint uden denne foranstaltning diffunderer ganske godt med luft. På grund af de forskellige forbrændingshastigheder i forskellige dele af cylinderen er det bedre at installere to tændrør, og i brintmotorer er brugen af ​​platinelektroder ikke egnet, da platin bliver en katalysator, der fører til brændstofoxidation selv ved lave temperaturer .

Mazda mulighed

Det japanske firma Mazda viser også sin version af brintmotoren frem, i form af en roterende blok i RX-8-sportsvognen. Dette er ikke overraskende, da designfunktionerne i Wankel-motoren er yderst velegnede til at bruge brint som brændstof.
Gassen opbevares under højt tryk i en speciel tank, og brændstoffet indsprøjtes direkte i forbrændingskamrene. På grund af det faktum, at i tilfælde af roterende motorer, de zoner, hvor injektionen og forbrændingen finder sted, er separate, og temperaturen i indsugningsdelen er lavere, reduceres problemet med muligheden for ukontrolleret antændelse markant. Wankel-motoren giver også rigelig plads til to injektorer, hvilket er kritisk for at indsprøjte den optimale mængde brint.

H2R

H2R er en fungerende supersport-prototype bygget af BMW-ingeniører og drevet af en 12-cylindret motor, der når en maksimal effekt på 285 hk. når man arbejder med brint. Takket være dem accelererer den eksperimentelle model fra 0 til 100 km/t på seks sekunder og når en tophastighed på 300 km/t. H2R-motoren er baseret på standardtoppen, der bruges i 760i benzinen og tog kun ti måneder at udvikle .

For at forhindre spontan forbrænding har de bayerske specialister udviklet en særlig strategi for flow- og indsprøjtningscyklusserne i forbrændingskammeret ved at bruge de muligheder, som motorens variable ventiltimingssystem giver. Før blandingen kommer ind i cylindrene, afkøles sidstnævnte med luft, og tændingen udføres kun ved det øverste dødpunkt - på grund af den høje forbrændingshastighed med brintbrændstof er det ikke nødvendigt med tænding.