Proovisõit BMW ja vesinik: teine ​​osa

"Vesi. BMW puhaste mootorite ainsaks lõpptooteks on naftakütuste asemel vedela vesiniku kasutamine ja see võimaldab kõigil nautida puhta südametunnistusega uusi tehnoloogiaid.

BMW viis

Need sõnad on tsitaat ühe Saksa ettevõtte mitme aasta tagusest reklaamikampaaniast. Pikka aega ei seadnud keegi kahtluse alla tõsiasja, et baierlased teavad väga hästi, mida nad mootoritehnoloogia osas teevad ja on selles valdkonnas üks vaieldamatuid liidreid maailmas. Samuti ei võiks arvata, et viimastel aastatel soliidset müügikasvu näidanud ettevõte viskab ebakindla tulevikuga paljulubavate tehnoloogiate vähetuntud reklaamidele tonni raha.

Samal ajal on aga tsiteeritud sõnad osa kampaaniast, mille eesmärk on propageerida Baieri autotootja lipulaeva üsna eksootilist 745-tunnist vesinikversiooni. Eksootiline, sest BMW hinnangul nõuab süsivesinikkütuste alternatiividele üleminek, mida autotööstus on algusest peale toitnud, muutmist kogu tootmistaristus. Viimane on vajalik, sest baierlased näevad paljutõotavat arenguteed mitte laialt reklaamitud kütuseelementides, vaid sisepõlemismootorite muutmises vesinikul töötama. BMW usub, et uuendamine on lahendatav probleem ja on juba teinud märkimisväärseid edusamme peamise probleemi lahendamisel, milleks on mootori töökindluse saavutamine ja selle kalduvuse kõrvaldamine kontrollimatute põlemisprotsesside jaoks, kasutades puhast vesinikku. Edu selles suunas on tingitud kompetentsist mootoriprotsesside elektroonilise juhtimise vallas ning võimalusest kasutada BMW patenteeritud paindlikke gaasijaotussüsteeme Valvetronic ja Vanos, ilma milleta oleks võimatu tagada "vesinikmootorite" normaalset tööd. . Esimesed sammud selles suunas pärinevad aga 1820. aastast, mil disainer William Cecil lõi vesinikkütusel töötava mootori, mis töötab nn vaakumprintsiibil – skeemi, mis erines oluliselt hiljem leiutatud sisemootoriga mootori omast. . 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 taas aastaid hiljem kosmosetööstus, kes avastas kiiresti, et vesinikul on inimkonnale teadaolevatest kütustest parim energia/massi suhe.

1998. aasta juulis lubas Euroopa Autotööstuse Assotsiatsioon (ACEA) Euroopa Liidul vähendada liidus äsja registreeritud sõidukite CO2008 heitkoguseid keskmiselt 2 grammi kilomeetri kohta 140 võrra. Praktikas tähendas see 25% heitkoguste vähenemist võrreldes 1995. aastaga ning uue laevastiku keskmine kütusekulu oli umbes 6,0 l / 100 km. Lähitulevikus eeldatakse lisameetmetega süsinikdioksiidi heitmete vähendamist 14. aastaks 2012% võrra. See muudab autoettevõtete ülesande äärmiselt keeruliseks ja BMW ekspertide sõnul saab selle lahendada kas madala süsinikusisaldusega kütuste kasutamisega või süsiniku täieliku väljajätmisega kütuse koostises. Selle teooria kohaselt ilmub vesinik autotööstusele kogu oma hiilguses.

Baieri ettevõttest sai esimene autotootja, kes tootis vesinikkütusega sõidukeid massiliselt. Uute arenduste eest vastutava BMW juhatuse liikme professor Burkhard Gescheli optimistlikud ja enesekindlad väited, et "ettevõte müüb vesinikuautosid enne praeguse 7. seeria aegumist", on tõeks saanud. Oma uusima versiooniga Hydrogen 7, seitsmes seeria, mis võeti kasutusele 2006. aastal, 12 hj 260-silindrilise mootoriga. see sõnum on juba reaalsuseks saanud. Kavatsus tundus üsna ambitsioonikas, kuid mitte põhjuseta. BMW on katsetanud vesinikul töötavate sisepõlemismootoritega alates 1978. aastast ja 11. mail 2000 näitas ainulaadselt selle alternatiivi võimalusi. Nädala eelmise põlvkonna muljetavaldav 15 750 hl sõidukipark, mis töötab kaheteistkümne silindrilise vesiniku mootoriga, läbis 170 000 km maratoni, tuues esile ettevõtte edu ja uue tehnoloogia lubaduse. Aastatel 2001 ja 2002 jätkasid mõned neist sõidukitest vesiniku idee toetuseks mitmesuguseid meeleavaldusi. Siis oli aeg järgmisel 7-seerial põhineval uusarendusel, kasutades kaasaegset 4,4-liitrist V-212 ja mis on võimeline maksimumkiiruseks 12 km / h, millele järgneb uusim areng XNUMX-silindrilise V-XNUMX-ga. Ettevõtte ametliku arvamuse kohaselt on põhjused, miks BMW valis selle tehnoloogia kütuseelementide asemel, nii ärilised kui ka psühholoogilised. Esiteks nõuab see meetod tootmistaristu muutumisel oluliselt vähem investeeringuid. Teiseks, kuna inimesed on vana hea sisepõlemismootoriga harjunud, meeldib see neile ja sellest on raske lahku minna. Ja kolmandaks, vahepeal selgus, et see tehnoloogia areneb kiiremini kui kütuseelementide tehnoloogia.

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

Selles etapis keskendusid Müncheni ettevõtte disainerid kütuse kaudsele sissepritsimisele ning segu kvaliteet sõltub mootori töörežiimist. Osalise koormusega režiimis töötab mootor diislikütusele sarnaselt lahjadel segudel – muudatus tehakse ainult sissepritsitava kütuse koguses. See on segu niinimetatud "kvaliteedikontroll", mille puhul mootor töötab liigse õhuga, kuid väikese koormuse tõttu on lämmastikuheite teke minimaalne. Kui on vaja märkimisväärset võimsust, hakkab mootor töötama nagu bensiinimootor, liikudes segu ja tavaliste (mitte lahjade) segude niinimetatud "kvantitatiivse kontrolli" juurde. Need muudatused on võimalikud ühelt poolt mootoris toimuvate protsesside elektroonilise juhtimise kiiruse ja teisest küljest tänu gaasijaotusjuhtimissüsteemide paindlikule toimimisele - "topelt" Vanos, mis töötab koos Valvetronic sisselaske kontrollsüsteem ilma gaasipedaalita. Tuleb meeles pidada, et BMW inseneride sõnul on selle arenduse tööskeem vaid vahepealne etapp tehnoloogia arengus ning tulevikus lähevad mootorid üle vesiniku otsepritsele silindritesse ja turbolaadurile. Nende tehnikate tulemuseks on parem sõiduki dünaamika kui võrreldaval bensiinimootoril ja sisepõlemismootori üldise efektiivsuse tõus üle 50%. Siin hoidusime teadlikult "kütuseelementide" teema puudutamisest, kuna seda küsimust on viimasel ajal üsna aktiivselt kasutatud. Samal ajal aga peame neid mainima BMW vesiniku tehnoloogia kontekstis, kuna Müncheni disainerid otsustasid kasutada just selliseid seadmeid autode rongisisese elektrivõrgu toiteks, välistades täielikult tavapärase aku. See käik võimaldab täiendavalt säästa kütust, 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, ning samuti toota. ja energiat tarbida, on võimalik täielikult optimeerida. Asjaolu, et veepumba, õlipumpade, pidurivõimendi ja juhtmega süsteemide toiteks saab nüüd toota ainult nii palju elektrit kui vaja, tähendab ka täiendavat kokkuhoidu. Kuid paralleelselt kõigi nende uuendustega ei läbinud kütuse sissepritsesüsteem (bensiin) praktiliselt kalleid disainimuudatusi. Vesinikutehnoloogia edendamiseks 2002. aasta juunis lõid BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN partnerlusprogrammi CleanEnergy, mis sai alguse veeldatud ja kokkusurutud vesinikuga tanklate arendamisest.

BMW on mitmete teiste ühisprojektide algataja, sealhulgas naftafirmadega, millest kõige aktiivsemad osalejad on Aral, BP, Shell, Total. Huvi selle paljutõotava valdkonna vastu kasvab hüppeliselt – ainuüksi EL toetab ainuüksi järgmise kümne aasta jooksul vesinikutehnoloogiate arendamise ja juurutamise rahastamiseks rahalisi vahendeid 2,8 miljardi euro ulatuses. Eraettevõtete investeeringute mahtu "vesiniku" arendamisse sel perioodil on raske ennustada, kuid on selge, et see ületab kordades mittetulundusühingutelt tehtud mahaarvamisi.

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 saab vesinikmootorites hõlpsasti kasutada väga lahjasid segusid – seda saavutavad tänapäevased bensiinimootorid keerukate ja kallite tehnoloogiate abil.

Vesiniku-õhu segu osakeste vaheline soojus hajub vähem ning samal ajal on isesüttimistemperatuur ja põlemisprotsesside kiirus palju kõrgemad kui bensiinil. Vesinikul on madal tihedus ja tugev difusioon (osakeste võimalus tungida teise gaasi - antud juhul õhku).

Isesüttimiseks vajalik madal aktivatsioonienergia on üks suuremaid väljakutseid vesinikmootorite põlemisprotsesside kontrollimisel, sest segu võib kergesti iseeneslikult süttida kokkupuutel põlemiskambri kuumemate aladega ning vastupanuvõimele täiesti kontrollimatute protsesside ahela järgimisele. Selle riski vältimine on üks suuremaid väljakutseid vesinikmootorite arendamisel, kuid pole lihtne kõrvaldada tagajärgi, mis tulenevad sellest, et väga hajus põlev segu liigub silindri seintele väga lähedale ja võib tungida ülikitsastesse vahedesse. nagu näiteks suletud klapid... Seda kõike tuleb nende mootorite projekteerimisel arvestada.

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

Ideaalne põlemiseks mõeldud õhu-vesiniku segu suhe on ligikaudu 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. Samal ajal võtab vesiniku-õhu segu oluliselt rohkem ruumi, mis seletab, miks vesiniku jõul töötavad mootorid on väiksema võimsusega. Puhtalt digitaalne illustratsioon vahekordadest ja mahtudest on üsna kõnekas - põlemisvalmis vesiniku tihedus on 56 korda väiksem kui bensiiniaurudel .... Samas tuleb tähele panna, et põhimõtteliselt võivad vesinikmootorid töötada ka õhu-vesiniku segudega kuni 180:1 (s.o väga "lahjad" segud), mis omakorda tähendab, et mootor on käitatav. ilma drosselklapita ja kasutada diiselmootorite põhimõtet. Samuti tuleb märkida, et vesinik on vesiniku ja bensiini kui energiaallikate võrdluses massiliselt vaieldamatu liider - kilogramm vesinikku on peaaegu kolm korda energiamahukam kui kilogramm bensiini.

Nagu bensiinimootorite puhul, saab veeldatud vesinikku süstida otse kollektorite klappide ette, kuid parim lahendus on sissepritse otse survetakti ajal – sellisel juhul võib võimsus ületada sarnase bensiinimootori oma 25%. Selle põhjuseks on asjaolu, et kütus (vesinik) ei tõrju õhku välja nagu bensiini- või diiselmootoris, võimaldades põlemiskambrit täita ainult õhul (tavalisest oluliselt rohkem). Samuti ei vaja vesinikmootorid erinevalt bensiinimootoritest struktuurset keeristamist, kuna vesinik hajub ilma selleta piisavalt hästi õhuga. Silindri eri osade erineva põlemiskiiruse tõttu on parem asetada kaks süüteküünalt ja vesinikmootorites on plaatina elektroodide kasutamine ebaotstarbekas, kuna plaatina muutub madalal temperatuuril kütuse oksüdeerumist põhjustavaks katalüsaatoriks.

H2R

H2R on töötav superspordi prototüüp, mille on ehitanud BMW insenerid ja mille jõuallikaks on 285-silindriline mootor, mis saavutab vesinikul töötades maksimaalse võimsuse 0 hj. Tänu neile kiirendab eksperimentaalmudel 100-300 km/h kuue sekundiga ja saavutab tippkiiruseks 2 km/h. H760R mootor põhineb bensiinimootoris XNUMXi kasutatud standardsel tippseadmel ja kulus vaid kümme kuud areneda. Spontaanse süttimise vältimiseks on Baieri spetsialistid välja töötanud spetsiaalse voolutsükli ja põlemiskambrisse sissepritsestrateegia, kasutades mootori muudetava klapiajastussüsteemide pakutavaid võimalusi. Enne segu silindritesse sisenemist jahutatakse viimaseid õhuga ja süütamine toimub ainult ülemises surnud punktis - vesinikkütuse kõrge põlemiskiiruse tõttu pole süüte edasiliikumine vajalik.

Järeldused

Puhas vesinikenergiale ülemineku finantsanalüüs pole veel eriti optimistlik. Kerggaasi tootmine, ladustamine, transportimine ja tarnimine on endiselt üsna energiamahukad protsessid ja inimarengu praeguses tehnoloogilises etapis ei saa selline skeem olla tõhus. See aga ei tähenda, et uuringuid ja lahenduste otsimist ei jätkata. Ettepanekud vesiniku tootmiseks veest päikesepaneelide elektrienergia abil ja selle mahutamiseks suurtesse mahutitesse kõlavad optimistlikult. Teiselt poolt kõlab Sahara kõrbes gaasifaasis elektri ja vesiniku tootmise protsess, torujuhtme kaudu Vahemerre transportimine, krüogeensete paakautode veeldamine ja transportimine, sadamates mahalaadimine ja lõpuks veoautoga transportimine praegu veidi naeruväärne ...

Huvitava idee esitas hiljuti Norra naftaettevõte Norsk Hydro, kes tegi ettepaneku Põhjamere tootmiskohtades toota maagaasist vesinikku ning süsinikmonooksiidi jääke hoiti ammendunud väljadel merepõhjas. Tõde asub kuskil keskel ja ainult aeg näitab, kuhu vesinikutööstuse areng läheb.

Mazda variant

Jaapani ettevõte Mazda näitab ka oma vesinikmootori versiooni - pöörleva sportauto RX-8 kujul. See pole üllatav, sest Wankeli mootori konstruktsiooniomadused on äärmiselt sobivad vesiniku kasutamiseks kütusena. Gaasi hoitakse kõrge rõhu all spetsiaalses paagis ja kütus süstitakse otse põlemiskambritesse. Tänu sellele, et rootormootorite puhul on sissepritse ja põlemise alad eraldatud ning imiosa temperatuur on madalam, väheneb oluliselt kontrollimatu süttimise võimaluse probleem. Wankeli mootor pakub ka piisavalt ruumi kahele pihustile, mis on äärmiselt oluline optimaalse vesinikukoguse sissepritse jaoks.