تست درایو BMW و هیدروژن: قسمت دوم

"اب. تنها محصول نهایی موتورهای پاک BMW استفاده از هیدروژن مایع به جای سوخت‌های نفتی و این امکان را می‌دهد که همه با وجدان راحت از فناوری‌های جدید لذت ببرند.

راه بی ام و

این سخنان نقل قولی از کمپین تبلیغاتی یک شرکت آلمانی در چند سال پیش است. برای مدت طولانی هیچ کس این واقعیت را زیر سوال نمی برد که باواریایی ها به خوبی می دانند که در مورد فناوری موتور چه می کنند و یکی از رهبران بلامنازع جهان در این زمینه هستند. همچنین تصور نمی‌شود که شرکتی که در سال‌های اخیر رشد فروش قابل‌توجهی را نشان داده است، پول زیادی را صرف تبلیغات کمتر شناخته‌شده برای فناوری‌های امیدوارکننده با آینده‌ای مبهم کند.

با این حال، در همان زمان، کلمات نقل شده بخشی از یک کمپین برای تبلیغ یک نسخه هیدروژنی نسبتاً عجیب و غریب 745 ساعته از پرچمدار خودروساز باواریایی است. عجیب و غریب، زیرا به گفته BMW، انتقال به جایگزین برای سوخت های هیدروکربنی، که صنعت خودرو از همان ابتدا تغذیه می کرد، نیاز به تغییر در کل زیرساخت تولید دارد. مورد دوم ضروری است زیرا باواریایی‌ها مسیر توسعه امیدوارکننده‌ای را نه در پیل‌های سوختی تبلیغاتی گسترده، بلکه در تبدیل موتورهای احتراق داخلی برای کارکردن با هیدروژن می‌بینند. ب ام و معتقد است که این ارتقا یک مشکل قابل حل است و در حال حاضر پیشرفت قابل توجهی در حل مشکل اصلی دستیابی به عملکرد قابل اعتماد موتور و از بین بردن تمایل آن به فرآیندهای احتراق کنترل نشده با استفاده از هیدروژن خالص داشته است. موفقیت در این مسیر به دلیل شایستگی در زمینه کنترل الکترونیکی فرآیندهای موتور و امکان استفاده از سیستم های توزیع گاز انعطاف پذیر Valvetronic و Vanos ثبت اختراع BMW است که بدون آن اطمینان از عملکرد طبیعی "موتورهای هیدروژنی" غیرممکن خواهد بود. . با این حال، اولین گام‌ها در این مسیر به سال 1820 برمی‌گردد، زمانی که طراح ویلیام سسیل یک موتور با سوخت هیدروژنی را ایجاد کرد که بر اساس اصطلاح "اصل خلاء" کار می‌کرد - طرحی بسیار متفاوت از موتور اختراع شده بعدی با موتور داخلی. . سوزش. در اولین توسعه خود از موتورهای احتراق داخلی 60 سال بعد، اتو پیشگام از گاز مصنوعی ذکر شده و مشتق شده از زغال سنگ با محتوای هیدروژن حدود 50٪ استفاده کرد. با این حال، با اختراع کاربراتور، استفاده از بنزین بسیار کاربردی تر و ایمن تر شده است و سوخت مایع جایگزین سایر جایگزین هایی شده است که تا کنون وجود داشته است. خواص هیدروژن به‌عنوان سوخت سال‌ها بعد توسط صنعت فضایی دوباره کشف شد، که به سرعت کشف کرد که هیدروژن بهترین نسبت انرژی/جرم را در بین هر سوختی که برای بشر شناخته شده است دارد.

در ژوئیه 1998 ، اتحادیه صنعت اتومبیل اروپا (ACEA) خود را به اتحادیه اروپا متعهد کرد که انتشار CO2008 را از خودروهای تازه ثبت شده در اتحادیه به طور متوسط ​​2 گرم در هر کیلومتر با 140 کاهش دهد. در عمل ، این به معنای کاهش 25 درصدی آلایندگی در مقایسه با 1995 بود و میانگین مصرف سوخت ناوگان جدید حدود 6,0 لیتر در 100 کیلومتر بود. در آینده نزدیک انتظار می رود با اقدامات اضافی میزان انتشار دی اکسید کربن تا سال 14 به میزان 2012٪ کاهش یابد. این کار شرکت های خودروساز را بسیار دشوار می کند و به گفته کارشناسان BMW ، یا با استفاده از سوخت های کم کربن و یا با حذف کامل کربن از ترکیب سوخت حل می شود. مطابق این نظریه ، هیدروژن با شکوه و جلال خود دوباره در عرصه خودرو ظاهر می شود.

این شرکت باواریایی اولین تولید کننده خودرو بود که وسایل نقلیه مجهز به هیدروژن را به تولید انبوه رساند. ادعاهای خوش بینانه و مطمئن پروفسور Burkhard Geschel ، عضو هیئت مدیره BMW مسئول تحولات جدید ، مبنی بر اینکه "این شرکت اتومبیل های هیدروژنی را قبل از انقضا Series سری 7 فعلی به فروش می رساند" به حقیقت پیوست. هیدروژن 7 ، سری هفتم ، با جدیدترین نسخه خود ، با موتور 2006 سیلندر 12 اسب بخاری ، در سال 260 معرفی شد. این پیام قبلاً به واقعیت تبدیل شده است. این قصد کاملا جاه طلبانه به نظر می رسید ، اما بدون دلیل. BMW از سال 1978 در حال آزمایش موتورهای احتراق داخلی است که با هیدروژن کار می کنند و در 11 مه 2000 نمایش منحصر به فردی از امکانات این گزینه جایگزین کرد. ناوگان چشمگیر 15 هزار و 750 اسب بخاری از نسل قبلی هفته ، مجهز به موتورهای دوازده سیلندر هیدروژنی ، ماراتن 170 هزار کیلومتری را به اتمام رساندند ، این موفقیت شرکت و نوید فناوری جدید را برجسته می کند. در سال 000 و 2001 ، برخی از این وسایل نقلیه در تظاهرات های مختلفی در حمایت از ایده هیدروژن شرکت کردند. نوبت به توسعه جدید مبتنی بر سری 2002 بعدی رسید ، با استفاده از یک پیشرانه 7 لیتری V-4,4 مدرن با حداکثر سرعت 212 کیلومتر در ساعت و به دنبال آن آخرین پیشرانه با 12 سیلندر V-XNUMX. طبق نظر رسمی این شرکت ، دلایلی که BMW این فناوری را به جای سلول های سوختی انتخاب کرده هم تجاری است و هم روانشناختی. اولاً ، در صورت تغییر زیر ساخت تولید ، این روش به سرمایه گذاری کمتری نیاز خواهد داشت. ثانیا ، چون مردم به موتور احتراق داخلی خوب قدیمی عادت کرده اند ، آن را دوست دارند و جدا شدن از آن کار سختی خواهد بود. و سوم ، در این بین ، معلوم شد که این فناوری در حال توسعه سریعتر از فناوری سلول سوختی است.

در خودروهای BMW، هیدروژن در یک ظرف برودتی فوق‌عایق ذخیره می‌شود، شبیه یک بطری قمقمه با تکنولوژی بالا که توسط گروه تبرید آلمانی Linde ساخته شده است. در دماهای پایین ذخیره سازی، سوخت در فاز مایع است و مانند سوخت معمولی وارد موتور می شود.

در این مرحله ، طراحان شرکت مونیخ بر تزریق سوخت غیر مستقیم تمرکز کردند و کیفیت مخلوط به حالت کارکرد موتور بستگی دارد. در حالت بار جزئی، موتور روی مخلوط های بدون چربی مشابه سوخت دیزل کار می کند - تغییر فقط در مقدار سوخت تزریق شده انجام می شود. این به اصطلاح "کنترل کیفیت" مخلوط است ، که در آن موتور با هوای اضافی کار می کند ، اما به دلیل بار کم ، تشکیل انتشار نیتروژن به حداقل می رسد. هنگامی که نیاز به قدرت قابل توجهی وجود دارد ، موتور مانند موتور بنزینی شروع به کار می کند و به اصطلاح "کنترل کمی" مخلوط و مخلوط های معمولی (نه بدون چربی) حرکت می کند. این تغییرات از یک طرف به دلیل سرعت کنترل الکترونیکی فرآیندها در موتور و از طرف دیگر به دلیل عملکرد انعطاف پذیر سیستم های کنترل توزیع گاز - Vanos "دو" که در ارتباط با سیستم کنترل مکش Valvetronic بدون دریچه گاز. باید در نظر داشت که به گفته مهندسان بی ام و ، طرح کار این توسعه تنها یک مرحله میانی در توسعه فناوری است و در آینده موتورها به تزریق مستقیم هیدروژن به سیلندر و توربوشارژ روی می آورند. انتظار می رود که این تکنیک ها باعث پویایی خودرو نسبت به موتور بنزینی قابل مقایسه و افزایش بازده کلی موتور احتراق داخلی بیش از 50 شود. در اینجا ما عمداً از لمس موضوع "سلول های سوختی" خودداری کردیم ، زیرا اخیراً از این موضوع به طور فعال استفاده شده است. با این حال ، در عین حال ، ما باید آنها را در زمینه فناوری هیدروژن بی ام و ذکر کنیم ، زیرا طراحان در مونیخ تصمیم گرفتند از چنین دستگاه هایی برای تغذیه سیستم الکتریکی روی خودرو در اتومبیل ها استفاده کنند و قدرت معمولی باتری را از بین ببرند. این حرکت باعث صرفه‌جویی بیشتر در سوخت می‌شود، زیرا موتور هیدروژنی مجبور نیست دینام را به حرکت درآورد، و سیستم الکتریکی آنبورد کاملاً مستقل و مستقل از مسیر حرکت می‌شود - می‌تواند حتی زمانی که موتور کار نمی‌کند برق تولید کند و همچنین تولید کند. و مصرف انرژی به بهینه سازی کامل کمک می کند. این واقعیت که در حال حاضر فقط به اندازه برق مورد نیاز می توان برای تغذیه پمپ آب ، پمپ های روغن ، تقویت کننده ترمز و سیستم های سیمی تولید کرد ، به صرفه جویی بیشتری منجر می شود. با این حال ، به موازات همه این نوآوری ها ، سیستم تزریق سوخت (بنزین) عملا تغییرات طراحی گران را متحمل نشد. به منظور ترویج فناوری هیدروژن در ژوئن 2002 ، گروه BMW ، آرال ، BVG ، DaimlerChrysler ، Ford ، GHW ، Linde ، Opel MAN برنامه مشارکت CleanEnergy را ایجاد کردند که با توسعه ایستگاه های پر کردن با هیدروژن مایع و فشرده آغاز شد.

ب ام و آغازگر تعدادی پروژه مشترک دیگر از جمله با شرکت های نفتی است که در میان آنها فعال ترین شرکت کنندگان آرال، بی پی، شل، توتال هستند. علاقه به این حوزه امیدوارکننده به طور تصاعدی در حال افزایش است - در ده سال آینده، اتحادیه اروپا به تنهایی کمک های مالی مستقیم به صندوق هایی برای تأمین مالی توسعه و اجرای فناوری های هیدروژن به مبلغ 2,8 میلیارد یورو ارائه خواهد کرد. پیش‌بینی حجم سرمایه‌گذاری‌های شرکت‌های خصوصی در توسعه «هیدروژن» در این مدت دشوار است، اما واضح است که چندین برابر از کسورات سازمان‌های غیرانتفاعی فراتر خواهد رفت.

هیدروژن در موتورهای احتراق داخلی

جالب است بدانید که به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی هیدروژن، بسیار قابل اشتعال تر از بنزین است. در عمل، این بدان معناست که انرژی اولیه بسیار کمتری برای شروع فرآیند احتراق در هیدروژن مورد نیاز است. از سوی دیگر، مخلوط های بسیار نازک را می توان به راحتی در موتورهای هیدروژنی استفاده کرد - چیزی که موتورهای بنزینی مدرن از طریق فناوری های پیچیده و گران قیمت به آن دست می یابند.

گرمای بین ذرات مخلوط هیدروژن-هوا کمتر پراکنده می شود و در عین حال دمای خود اشتعال و سرعت فرآیندهای احتراق بسیار بیشتر از بنزین است. هیدروژن چگالی کم و انتشار قوی دارد (امکان نفوذ ذرات به گاز دیگر - در این مورد، هوا).

انرژی فعال سازی کم مورد نیاز برای خود اشتعال یکی از بزرگترین چالش ها در کنترل فرآیندهای احتراق در موتورهای هیدروژنی است زیرا مخلوط به دلیل تماس با مناطق داغتر در محفظه احتراق و مقاومت در برابر پیروی از زنجیره ای از فرآیندهای کاملاً کنترل نشده می تواند به راحتی خود به خود مشتعل شود. اجتناب از این خطر یکی از بزرگترین چالش‌ها در توسعه موتورهای هیدروژنی است، اما از بین بردن عواقب این واقعیت که یک مخلوط سوزاننده بسیار پراکنده به دیواره‌های سیلندر نزدیک می‌شود و می‌تواند به شکاف‌های بسیار باریک نفوذ کند، آسان نیست. مثلا دریچه های بسته... در طراحی این موتورها باید همه اینها را در نظر گرفت.

دمای خود احتراق زیاد و تعداد اکتان زیاد (حدود 130) امکان افزایش نسبت فشرده سازی موتور و در نتیجه کارآیی آن را فراهم می کند ، اما باز هم خطر خودسوزی هیدروژن در اثر تماس با قسمت گرمتر وجود دارد. در استوانه. مزیت ظرفیت نفوذ بالای هیدروژن امکان اختلاط آسان با هوا است که در صورت خرابی مخزن ، پراکندگی سریع و ایمن سوخت را تضمین می کند.

نسبت ایده آل هوا و هیدروژن برای احتراق تقریباً 34:1 است (برای بنزین این نسبت 14,7:1 است). این بدان معناست که هنگام ترکیب جرم یکسان هیدروژن و بنزین در حالت اول، بیش از دو برابر بیشتر هوا مورد نیاز است. در عین حال، مخلوط هیدروژن و هوا فضای بیشتری را اشغال می کند، که توضیح می دهد که چرا موتورهای هیدروژنی قدرت کمتری دارند. یک تصویر کاملاً دیجیتالی از نسبت ها و حجم ها کاملاً گویا است - چگالی هیدروژن آماده برای احتراق 56 برابر کمتر از بخار بنزین است. با این حال، باید توجه داشت که اصولاً موتورهای هیدروژنی می‌توانند با مخلوط‌های هوا-هیدروژن تا 180:1 (یعنی مخلوط‌های بسیار "لاغر") نیز کار کنند، که به نوبه خود به این معنی است که موتور می‌تواند کار کند. بدون دریچه گاز و استفاده از اصل موتورهای دیزلی. همچنین باید توجه داشت که هیدروژن رهبر بلامنازع در مقایسه هیدروژن و بنزین به عنوان منابع انرژی از نظر جرم است - یک کیلوگرم هیدروژن تقریباً سه برابر بیشتر از یک کیلوگرم بنزین انرژی بر دارد.

همانند موتورهای بنزینی، هیدروژن مایع را می توان مستقیماً جلوتر از سوپاپ ها در منیفولدها تزریق کرد، اما بهترین راه حل تزریق مستقیم در هنگام فشار فشرده سازی است - در این مورد، قدرت می تواند تا 25٪ از یک موتور بنزینی مشابه بیشتر شود. این به این دلیل است که سوخت (هیدروژن) مانند موتورهای بنزینی یا دیزلی، هوا را جابجا نمی کند و به هوا اجازه می دهد تا محفظه احتراق را پر کند. همچنین، برخلاف موتورهای بنزینی، موتورهای هیدروژنی نیازی به چرخش ساختاری ندارند، زیرا هیدروژن بدون این اندازه به خوبی با هوا پخش می شود. به دلیل سرعت سوخت متفاوت در قسمت های مختلف سیلندر، بهتر است دو شمع قرار داده شود و در موتورهای هیدروژنی استفاده از الکترودهای پلاتین غیرعملی است، زیرا پلاتین به کاتالیزوری تبدیل می شود که منجر به اکسیداسیون سوخت در دماهای پایین می شود.

H2R

H2R یک نمونه اولیه سوپراسپرت است که توسط مهندسان BMW ساخته شده و از یک موتور دوازده سیلندر بهره می‌برد که با هیدروژن به حداکثر قدرت 285 اسب بخار می‌رسد. به لطف آنها، مدل آزمایشی شتاب 0 تا 100 کیلومتر در ساعت در 300 ثانیه و حداکثر سرعت 2 کیلومتر در ساعت می رسد.موتور H760R بر اساس واحد سطح بالای استاندارد مورد استفاده در بنزینی XNUMXi ساخته شده است و تنها XNUMX ساعت طول می کشد. ماه برای توسعه برای جلوگیری از احتراق خود به خودی، متخصصان باواریایی با استفاده از امکانات ارائه شده توسط سیستم های زمان بندی متغیر سوپاپ موتور، یک چرخه جریان و استراتژی تزریق ویژه به محفظه احتراق ایجاد کرده اند. قبل از اینکه مخلوط وارد سیلندرها شود ، دومی ها توسط هوا خنک می شوند و احتراق فقط در نقطه مرگ بالا انجام می شود - به دلیل سرعت احتراق بالا با سوخت هیدروژن ، نیازی به احتراق نیست.

یافته ها

تجزیه و تحلیل مالی انتقال به انرژی هیدروژن پاک هنوز خیلی خوش بینانه نیست. تولید ، ذخیره سازی ، حمل و نقل و تأمین گاز سبک هنوز کاملاً فرآیند های پر مصرف انرژی است و در مرحله فن آوری کنونی توسعه انسانی چنین طرحی نمی تواند مثر باشد. با این حال ، این بدان معنا نیست که تحقیقات و جستجوی راه حل ادامه نخواهد یافت. پیشنهادات ایجاد هیدروژن از آب با استفاده از الکتریسیته صفحات خورشیدی و ذخیره آن در مخازن بزرگ خوش بینانه به نظر می رسد. از طرف دیگر ، فرآیند تولید برق و هیدروژن در فاز گاز در صحرای صحرا ، انتقال آن به دریای مدیترانه از طریق خط لوله ، مایع سازی و انتقال آن توسط تانکرهای برودتی ، تخلیه آن در بنادر و سرانجام انتقال آن با کامیون در حال حاضر کمی مضحک به نظر می رسد ...

یک ایده جالب اخیرا توسط شرکت نفتی نروژ Norsk Hydro ارائه شده است ، که پیشنهاد تولید هیدروژن از گاز طبیعی در سایت های تولید در دریای شمال را می دهد و مونوکسید کربن باقیمانده در مزارع تخلیه شده در زیر بستر دریا ذخیره می شود. حقیقت جایی در وسط نهفته است و فقط زمان نشان خواهد داد که توسعه صنعت هیدروژن به کجا می رود.

نوع مزدا

شرکت ژاپنی مزدا نیز نسخه موتور هیدروژنی خود را - در قالب یک ماشین اسپرت واحد چرخشی RX-8 به نمایش می گذارد. این تعجب آور نیست، زیرا ویژگی های طراحی موتور Wankel برای استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت بسیار مناسب است. گاز تحت فشار بالا در یک مخزن مخصوص ذخیره می شود و سوخت مستقیماً به محفظه های احتراق تزریق می شود. با توجه به اینکه در موتورهای دوار، نواحی تزریق و احتراق از هم جدا بوده و دمای قسمت مکش کمتر است، مشکل احتمال اشتعال بی رویه به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. موتور Wankel همچنین فضای کافی برای دو انژکتور را ارائه می دهد که برای تزریق مقدار بهینه هیدروژن بسیار مهم است.