BMW ja vesinik: sisepõlemismootor

Ettevõtte projektid algasid 40 aastat tagasi 5. seeria vesinikversiooniga

BMW on pikka aega uskunud elektrilisse liikuvusse. Tänapäeval võib selles vallas etaloniks pidada Teslat, kuid kümme aastat tagasi, kui Ameerika ettevõte demonstreeris kohandatud alumiiniumplatvormi kontseptsiooni, mis seejärel teostus Tesla Model S näol, töötas BMW aktiivselt Megacity kallal. Sõiduki projekt. 2013. aastat turustatakse BMW i3 nime all. Avangardse Saksa auto puhul ei kasutata mitte ainult alumiiniumist tugikonstruktsiooni koos integreeritud akudega, vaid ka süsinikuga tugevdatud polümeeridest kere. Tesla on aga vaieldamatult konkurentidest ees tema erakordne metoodika, eriti elektrisõidukite akude väljatöötamise skaalal – alates suhetest liitiumioonelementide tootjatega kuni tohutute akutehaste ehitamiseni, sealhulgas mitteelektriliste rakendustega. liikuvus.

Aga tuleme tagasi BMW juurde, sest erinevalt Teslast ja paljudest tema konkurentidest usub Saksa ettevõte endiselt vesiniku liikuvusse. Hiljuti esitles ettevõtte vesinikkütuseelementide asepresidendi dr Jürgen Gouldneri juhitud meeskond kütuseelementi I-Hydrogen Next, iseliikuvat generaatorit, mis töötab madalal temperatuuril keemilise reaktsiooniga. See hetk tähistab 10. aastapäeva BMW kütuseelementidega sõidukite arendamise käivitamisest ja 7. aastapäeva koostööst Toyotaga kütuseelementide vallas. BMW sõltuvus vesinikust ulatub aga 40 aasta taha ja on palju "kuum temperatuur".

See on enam kui veerand sajandit väldanud ettevõtte arendustegevus, milles vesinikku kasutatakse sisepõlemismootorite kütusena. Suure osa sellest perioodist uskus ettevõte, et vesinikul töötav sisepõlemismootor on tarbijale lähemal kui kütuseelement. Umbes 60% kasuteguriga ja üle 90% kasuteguriga elektrimootori kombinatsiooniga on kütuseelemendimootor palju tõhusam kui vesinikul töötav sisepõlemismootor. Nagu järgmistest ridadest näeme, on tänapäevased vähendatud mootorid oma otsesissepritse ja turboülelaaduriga ülimalt sobivad vesiniku tarnimiseks – eeldusel, et on olemas õiged sissepritse- ja põlemisjuhtimissüsteemid. Kuid kuigi vesiniku jõul töötavad sisepõlemismootorid on tavaliselt palju odavamad kui liitiumioonakuga kombineeritud kütuseelement, pole need enam päevakorras. Lisaks ulatuvad vesiniku liikuvuse probleemid mõlemal juhul tõukejõusüsteemi ulatusest palju kaugemale.

Ja miks ikkagi vesinik?

Vesinik on oluline element inimkonna püüdlustes kasutada üha rohkem alternatiivseid energiaallikaid, näiteks silda päikese, tuule, vee ja biomassi energia salvestamiseks, muutes selle keemiliseks energiaks. Lihtsamalt öeldes tähendab see, et nende looduslike allikate tekitatud elektrit ei saa ladustada suurtes kogustes, vaid seda saab kasutada vesiniku tootmiseks, lagundades vett hapnikuks ja vesinikuks.

Loomulikult saab vesinikku ammutada ka taastumatutest süsivesinike allikatest, kuid see on ammu olnud vastuvõetamatu, kui rääkida sellest energiaallikana. On vaieldamatu tõsiasi, et vesiniku tootmise, ladustamise ja transpordi tehnoloogilised probleemid on lahendatavad – praktikas toodetakse ja kasutatakse seda gaasi ka praegu tohututes kogustes keemia- ja naftakeemiatööstuses toorainena. Nendel juhtudel ei ole aga vesiniku kõrge hind surmav, kuna see "sulab" kokku toodete kõrge hinnaga, milles see on seotud.

Kerggaasi energiaallikana ja suurtes kogustes kasutamise probleem on aga veidi keerulisem. Teadlased on kütteõlile võimaliku strateegilise alternatiivi otsimisel pead vangutanud juba pikka aega ning elektrilise mobiilsuse ja vesiniku suurenemine võib olla tihedas sümbioosis. Kõige selle keskmes on lihtne, kuid väga oluline tõsiasi – vesiniku ammutamine ja kasutamine keerleb ümber loodusliku vee ühendamise ja lagunemise tsükli… Kui inimkond täiustab ja laiendab tootmismeetodeid, kasutades looduslikke allikaid, nagu päikeseenergia, tuul ja vesi, vesinikku saab toota ja kasutada piiramatus koguses ilma kahjulikke heitmeid tekitamata.
tootmine

Praegu toodetakse maailmas rohkem kui 70 miljonit tonni puhast vesinikku. Selle tootmise peamine tooraine on maagaas, mida töödeldakse protsessis, mida nimetatakse reformimiseks (pool koguarvust). Väiksemas koguses vesinikku saadakse muude protsesside abil, nagu klooriühendite elektrolüüs, raske nafta osaline oksüdeerimine, söe gaasistamine, söe pürolüüs koksi saamiseks ja bensiini reformimine. Ligikaudu pool maailma vesinikutoodangust kasutatakse ammoniaagi (mida kasutatakse väetiste tootmisel lähteainena), õli rafineerimisel ja metanooli sünteesil.

Need tootmisskeemid koormavad keskkonda erineval määral ja kahjuks ei paku ükski neist praegusele energeetilisele status quo'le sisukat alternatiivi – esiteks seetõttu, et nad kasutavad taastumatuid allikaid ja teiseks seetõttu, et tootmise käigus eraldub soovimatuid aineid, näiteks süsihappegaasi. Kõige lootustandvamaks meetodiks vesiniku tootmisel jääb tulevikus põhikoolis tuntud vee lagundamine elektri abil. Puhta energia tsükli sulgemine on aga praegu võimalik vaid loodusliku ning eelkõige päikese- ja tuuleenergia abil vee lagundamiseks vajaliku elektri tootmiseks. Dr Gouldneri sõnul on tuule- ja päikesesüsteemidega “ühendatud” kaasaegsed tehnoloogiad, sealhulgas väikesed vesinikujaamad, kus viimaseid kohapeal toodetakse, suur uus samm selles suunas.
Säilitamise asukoht

Vesinikku saab hoida suurtes kogustes nii gaasilises kui ka vedelas faasis. Suurimaid selliseid reservuaare, milles vesinikku hoitakse suhteliselt madalal rõhul, nimetatakse "gaasiarvestiteks". Keskmised ja väiksemad mahutid on kohandatud vesiniku hoidmiseks rõhul 30 baari, samas kui väikseimad spetsiaalsed paagid (spetsiaalsest terasest või süsinikkiust komposiitmaterjalidest valmistatud kallid seadmed) hoiavad püsivat rõhku 400 baari.
Vesinikku saab säilitada ka vedelas faasis temperatuuril –253°C ruumalaühiku kohta, mis sisaldab 1,78 korda rohkem energiat kui 700 baari juures hoides – selleks, et saavutada veeldatud vesinikus samaväärset energiahulka ruumalaühiku kohta, tuleb gaas kokku suruda kuni 1250 baari. Jahutatud vesiniku suurema energiatõhususe tõttu teeb BMW oma esimeste süsteemide loomisel koostööd Saksa külmutuskontserniga Linde, kes on välja töötanud tipptasemel krüogeensed seadmed vesiniku veeldamiseks ja säilitamiseks. Teadlased pakuvad ka muid, kuid hetkel vähem rakendatavaid alternatiive vesiniku säilitamiseks – näiteks rõhu all hoidmist spetsiaalses metallijahus, metallhüdriidide kujul ja muud.

Vesiniku ülekandevõrgud on juba olemas kemikaalide ja naftatöötlemistehaste kõrge kontsentratsiooniga piirkondades. Üldiselt on tehnika sarnane maagaasi edastamise tehnikaga, kuid viimase kasutamine vesiniku vajaduste jaoks pole alati võimalik. Kuid isegi eelmisel sajandil valgustati paljusid maju Euroopa linnades torujuhtmete kerggaasiga, mis sisaldab kuni 50% vesinikku ja mida kasutatakse esimeste statsionaarsete sisepõlemismootorite kütusena. Praegune tehnoloogia tase võimaldab juba veeldatud vesiniku transkontinentaalset transportimist olemasolevate krüogeensete paakautode kaudu, sarnaselt maagaasi jaoks kasutatavatele.

BMW ja sisepõlemismootor

"Vesi. Ainus puhaste BMW mootorite lõpptoode, mis kasutab naftakütuse asemel vedelat vesinikku ja võimaldab kõigil nautida uusi tehnoloogiaid puhta südametunnistusega.

Need sõnad on tsitaat Saksa ettevõtte 745. sajandi alguse reklaamikampaaniast. See peaks propageerima Baieri autotootja lipulaeva üsna eksootilist XNUMX-tunnist vesiniku versiooni. Eksootiline, sest BMW sõnul nõuab üleminek süsivesinikkütuse alternatiividele, millest autotööstus on algusest peale toitnud, kogu tööstuse infrastruktuuri muutmist. Sel ajal leidsid baierlased paljulubava arengutee mitte laialdaselt reklaamitud kütuseelementides, vaid sisepõlemismootorite üleviimisel vesinikuga töötamiseks. BMW usub, et vaadeldav moderniseerimine on lahendatav probleem ja teeb juba olulisi edusamme peamise väljakutse nimel - tagada mootori usaldusväärne jõudlus ja kõrvaldada oma kalduvus põlemata põlemisele puhta vesiniku abil. Edu selles suunas põhjustab kompetents mootoriprotsesside elektroonilise juhtimise valdkonnas ja võime kasutada BMW patenteeritud süsteeme paindlikuks gaasijaotuseks Valvetronic ja Vanos, ilma milleta on võimatu tagada "vesinikmootorite" normaalset tööd.

Esimesed sammud selles suunas pärinevad aga juba 1820. aastast, mil disainer William Cecil lõi vesinikkütusel töötava mootori, mis töötab nn "vaakumprintsiibil" – skeemi, mis on täiesti erinev sellest, mis hiljem leiutati sisemise mootoriga. põletamine. Oma esimeses sisepõlemismootorite arenduses 60 aastat hiljem kasutas teerajaja Otto juba mainitud ja kivisöest saadud sünteetilist gaasi, mille vesinikusisaldus on umbes 50%. Karburaatori leiutamisega on aga bensiini kasutamine muutunud palju praktilisemaks ja ohutumaks ning vedelkütus on asendanud kõik muud seni eksisteerinud alternatiivid. Vesiniku kui kütuse omadused avastas palju aastaid hiljem kosmosetööstus, kes avastas kiiresti, et vesinikul on inimkonnale teadaolevatest kütustest parim energia/massi suhe.

1998. aasta juulis kohustus Euroopa Autotööstuse Assotsiatsioon (ACEA) vähendama liidus äsja registreeritud sõidukite süsinikdioksiidi heidet 2. aastaks keskmiselt 140 grammini kilomeetri kohta. Praktikas tähendab see 2008% heitkoguste vähenemist võrreldes 25. aastaga ja võrdub uue laevastiku keskmise kütusekuluga umbes 1995 l / 6,0 km. See muudab autoettevõtete ülesande äärmiselt keeruliseks ja BMW ekspertide sõnul saab selle lahendada kas madala süsinikusisaldusega kütuste kasutamisega või süsiniku täieliku eemaldamisega kütuse koostisest. Selle teooria kohaselt ilmub vesinik kogu oma hiilguses autotööstuses.
Baieri ettevõttest saab esimene autotootja, kes alustas vesinikkütusega sõidukite masstootmist. Uute arenduste eest vastutava BMW juhatuse liikme Burkhard Göscheli hoogsad ja enesekindlad väited, et "ettevõte müüb vesinikuautosid enne 7. seeria kehtivuse lõppemist", saavad tõeks. Vesinik 7-ga toodeti 2006. aastal välja seitsmenda seeria versioon, millel on 12-silindriline 260 hj mootor. sellest sõnumist saab reaalsus.

Kavatsus näib üsna ambitsioonikas, kuid sellel on hea põhjus. BMW on vesinikpõlemismootoritega katsetanud alates 1978. aastast, 5-seeria (E12), E1984 745-tunnise versiooniga tutvustati 23. aastal ja 11. mail 2000 demonstreeriti selle alternatiivi ainulaadseid võimalusi. Muljetavaldav laevastik 15 750 hj. 38-silindriliste vesinikkütusega mootoritega E 12 "nädala" läbis 170 000 km maratoni, tuues esile ettevõtte edu ja uue tehnoloogia lubaduse. Aastatel 2001 ja 2002 jätkasid mõned neist sõidukitest vesiniku idee edendamiseks mitmesuguseid meeleavaldusi. Seejärel tuleb uus arendus, mis põhineb järgmisel 7. seerial, kasutades kaasaegset 4,4-liitrist V-212 mootorit ja võimeline maksimumkiiruseks 12 km / h, millele järgneb uusim areng XNUMX-silindrilise V-XNUMX mootoriga.

Ettevõtte ametliku arvamuse kohaselt on põhjused, miks BMW siis selle kütuseelementide asemel selle tehnoloogia valis, nii ärilised kui ka psühholoogilised. Esiteks nõuab see meetod tööstusinfrastruktuuri muutuste korral oluliselt vähem investeeringuid. Teiseks, kuna inimesed on vana hea sisepõlemismootoriga harjunud, armastavad nad seda ja sellest on raske lahku minna. Ja kolmandaks, kuna samal ajal areneb see tehnoloogia kiiremini kui kütuseelementide tehnoloogia.

BMW autodes hoitakse vesinikku liiga isoleeritud krüogeenses anumas, umbes nagu kõrgtehnoloogilises termospudelis, mille on välja töötanud Saksa külmutuskontsern Linde. Madalatel säilitustemperatuuridel on kütus vedelas faasis ja siseneb mootorisse tavalise kütusena.

Müncheni ettevõtte disainerid kasutavad sisselaskekollektorites kütuse sissepritse ja segu kvaliteet sõltub mootori töörežiimist. Osalise koormusega režiimis töötab mootor diislile sarnaselt lahjadel segudel – muudetakse vaid sissepritsitava kütuse kogust. See on segu nn kvaliteedikontroll, mille puhul mootor töötab küll üleliigse õhuga, kuid väikese koormuse tõttu on lämmastikuheite teke minimaalne. Olulise võimsuse vajaduse korral hakkab mootor töötama nagu bensiinimootor, liikudes üle segu nn "kvantitatiivsele reguleerimisele" ja tavalistele (mitte lahjadele) segudele. Need muudatused on võimalikud ühelt poolt tänu mootori elektroonilise protsessijuhtimise kiirusele ja teiselt poolt tänu gaasijaotusjuhtimissüsteemide paindlikule tööle - "topelt" Vanos, mis töötavad koos. ilma gaasipedaalita sisselaskekontrollisüsteemiga Valvetronic. Tuleb meeles pidada, et BMW inseneride hinnangul on selle arenduse tööskeem vaid vaheetapp tehnoloogia arengus ning et tulevikus peavad mootorid üle minema vesiniku otsesissepritsele silindritesse ja turboülelaadurisse. Eeldatakse, et nende meetodite rakendamine toob kaasa auto dünaamilise jõudluse paranemise võrreldes sarnase bensiinimootoriga ja sisepõlemismootori üldise efektiivsuse tõusu rohkem kui 50%.

Huvitav arengufakt on see, et vesiniku sisepõlemismootorite uusimate arengutega on Müncheni disainerid sisenemas kütuseelementide valdkonda. Nad kasutavad selliseid seadmeid autode parda elektrivõrgu toiteks, kõrvaldades täielikult tavapärase aku. Tänu sellele sammule on võimalik täiendav kütusesääst, kuna vesinikmootor ei pea generaatorit vedama ning parda elektrisüsteem muutub täiesti autonoomseks ja sõiduteest sõltumatuks – see suudab elektrit toota ka siis, kui mootor ei tööta, energia tootmist ja tarbimist saab täielikult optimeerida. Asjaolu, et veepumba, õlipumpade, pidurivõimendi ja juhtmestiku toiteks on nüüd võimalik toota nii palju elektrit, kui on vaja, tähendab ka täiendavat kokkuhoidu. Paralleelselt kõigi nende uuendustega pole kütuse sissepritsesüsteemis (bensiin) aga praktiliselt kulukaid konstruktsioonimuudatusi tehtud.

Vesinikutehnoloogiate edendamiseks 2002. aasta juunis lõid BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN partnerlusprogrammi CleanEnergy, mis alustas oma tegevust LPG tanklate arendamisega. ja kokkusurutud vesinik. Nendes toodetakse osa vesinikust kohapeal päikeseenergiat kasutades, seejärel pressitakse kokku ja suured veeldatud kogused tulevad spetsiaalsetest tootmisjaamadest ning kõik vedelfaasi aurud kantakse automaatselt gaasimahutisse.
BMW on algatanud hulga muid ühisprojekte, sealhulgas naftafirmadega, mille seas on aktiivsemad osalejad Aral, BP, Shell, Total.
Kuid miks BMW loobub nendest tehnoloogilistest lahendustest ja keskendub endiselt kütuseelementidele, ütleme teile selle sarja teises artiklis.

Vesinik sisepõlemismootorites

Huvitav on märkida, et vesiniku füüsikaliste ja keemiliste omaduste tõttu on see palju süttivam kui bensiin. Praktikas tähendab see, et vesinikus põlemisprotsessi käivitamiseks kulub palju vähem algenergiat. Teisest küljest saavad vesinikumootorid hõlpsasti kasutada väga "halbu" segusid – seda saavutavad tänapäevased bensiinimootorid keerukate ja kallite tehnoloogiate abil.

Vesiniku-õhu segu osakeste vaheline soojus hajub vähem ja samal ajal on isesüttimistemperatuur palju kõrgem, nagu ka põlemisprotsesside kiirus võrreldes bensiiniga. Vesinikul on madal tihedus ja tugev difusioon (osakeste sattumise võimalus teise gaasi - antud juhul õhku).

Just isesüttimiseks vajalik madal aktivatsioonienergia on vesinikmootorite põlemise kontrollimisel üks suurimaid väljakutseid, sest segu võib kergesti iseeneslikult süttida kokkupuutel põlemiskambri kuumemate aladega ja takistuse tõttu, mis järgneb täiesti kontrollimatute protsesside ahelale. Selle riski vältimine on vesinikmootorite disainilahenduse üks suurimaid väljakutseid, kuid pole väga lihtne kõrvaldada tagajärgi, mis tulenevad asjaolust, et väga hajutatud põlemissegu liigub silindri seinte lähedal ja võib tungida ülimalt kitsastesse tühikutesse. näiteks mööda kinniseid ventiile ... Kõike seda tuleb nende mootorite projekteerimisel arvestada.

Kõrge isesüttimistemperatuur ja kõrge oktaaniarv (umbes 130) võimaldavad suurendada mootori survesuhet ja seega ka selle efektiivsust, kuid jällegi on kuumema osaga kokkupuutel vesiniku isesüttimise oht. silindris. Vesiniku suure difusioonivõime eeliseks on hõlpsasti õhuga segamise võimalus, mis paagi purunemise korral tagab kütuse kiire ja ohutu hajutamise.

Ideaalse põlemise õhu-vesiniku segu suhe on umbes 34:1 (bensiini puhul on see suhe 14,7:1). See tähendab, et esimesel juhul sama massi vesiniku ja bensiini kombineerimisel on vaja rohkem kui kaks korda rohkem õhku. Samas võtab vesiniku-õhu segu oluliselt rohkem ruumi, mis seletab, miks vesinikmootoritel on vähem võimsust. Puhtalt digitaalne illustratsioon vahekordadest ja mahtudest on üsna kõnekas – põlemisvalmis vesiniku tihedus on 56 korda väiksem kui bensiiniauru tihedus... Siiski tuleb märkida, et üldiselt võivad vesinikmootorid töötada õhusegudel. . vesinik vahekorras kuni 180:1 (ehk väga "halbade" segudega), mis omakorda tähendab, et mootor võib töötada ilma gaasita ja kasutada diiselmootorite põhimõtet. Olgu ka mainitud, et vesinik on vesiniku ja bensiini kui massilise energiaallika võrdluses vaieldamatu liider – kilogrammis vesinikku on ühe kilogrammi bensiini kohta pea kolm korda rohkem energiat.

Nagu bensiinimootorite puhul, saab veeldatud vesinikku süstida otse kollektorite ventiilide ette, kuid parim lahendus on sissepritse otse survetakti ajal – sel juhul võib võimsus ületada võrreldava bensiinimootori oma 25% võrra. Seda seetõttu, et kütus (vesinik) ei tõrju õhku välja nagu bensiini- või diiselmootori puhul, võimaldades põlemiskambril täituda ainult (tavalisest oluliselt rohkem) õhuga. Lisaks ei vaja vesinik erinevalt bensiinimootoritest struktuurset keeristamist, kuna ilma selle meetmeta vesinik hajub õhuga üsna hästi. Silindri eri osade erineva põlemiskiiruse tõttu on parem paigaldada kaks süüteküünalt ja vesinikmootorites ei sobi plaatina elektroodide kasutamine, kuna plaatina muutub katalüsaatoriks, mis põhjustab kütuse oksüdeerumist isegi madalatel temperatuuridel. .

Mazda variant

Jaapani ettevõte Mazda esitleb ka oma vesinikmootori versiooni sportautos RX-8 pöörleva ploki kujul. See pole üllatav, kuna Wankeli mootori konstruktsiooniomadused on äärmiselt sobivad vesiniku kasutamiseks kütusena.
Gaasi hoitakse kõrge rõhu all spetsiaalses paagis ja kütus süstitakse otse põlemiskambritesse. Tulenevalt asjaolust, et rootormootorite puhul on tsoonid, milles sissepritsimine ja põlemine toimub, ning sisselaskeosa temperatuur on madalam, väheneb probleem kontrollimatu süüte võimalusega. Wankeli mootor pakub ka piisavalt ruumi kahele pihustile, mis on kriitiline optimaalse vesinikukoguse sissepritsimiseks.

H2R

H2R on BMW inseneride ehitatud töötav superspordi prototüüp, mille jõuallikaks on 12-silindriline mootor, mille maksimaalne võimsus on 285 hj. vesinikuga töötamisel. Tänu neile kiirendab eksperimentaalmudel 0–100 km/h kuue sekundiga ja saavutab tippkiiruseks 300 km/h. H2R mootor põhineb 760i bensiinis kasutataval standardsel tipul ja selle arendamiseks kulus vaid kümme kuud .

Iseenesliku põlemise vältimiseks on Baieri spetsialistid välja töötanud spetsiaalse strateegia voolu- ja sissepritsetsüklite jaoks põlemiskambrisse, kasutades selleks mootori muudetava klapiajastussüsteemi pakutavaid võimalusi. Enne segu silindritesse sisenemist jahutatakse viimased õhuga ja süütamine toimub ainult ülemises surnud punktis - vesinikkütuse kõrge põlemiskiiruse tõttu pole süüte edasiliikumine vajalik.