Koeajo BMW ja vety: osa kaksi

"Vesi. BMW:n puhtaiden moottoreiden ainoa lopputuote on käyttää nestemäistä vetyä öljypolttoaineiden sijaan ja antaa kaikille mahdollisuuden nauttia uusista teknologioista puhtaalla omallatunnolla."

BMW tapa

Nämä sanat ovat lainaus saksalaisen yrityksen mainoskampanjasta useita vuosia sitten. Pitkään aikaan kukaan ei kyseenalaistanut sitä tosiasiaa, että baijerilaiset tietävät erittäin hyvin, mitä he tekevät moottoritekniikan alalla ja ovat yksi kiistattomista maailman johtajista tällä alalla. Ei myöskään uskoisi, että viime vuosina vahvasti myynnin kasvua osoittanut yritys heittäisi paljon rahaa vähän tunnettuihin mainoksiin lupaavista teknologioista, joiden tulevaisuus on epävarma.

Samaan aikaan lainatut sanat ovat kuitenkin osa kampanjaa, jolla mainostetaan melko eksoottista 745 tunnin vetyversiota baijerilaisen autonvalmistajan lippulaivasta. Eksoottista, sillä BMW:n mukaan siirtyminen hiilivetypolttoaineiden vaihtoehtoihin, jota autoteollisuus on alusta asti ruokkinut, vaatii muutosta koko tuotantoinfrastruktuuriin. Jälkimmäinen on tarpeen, koska baijerilaiset eivät näe lupaavaa kehityspolkua laajalti mainostetuissa polttokennoissa, vaan polttomoottoreiden muuntamisessa vetykäyttöisiksi. BMW uskoo, että päivitys on ratkaistava ongelma, ja se on jo edistynyt merkittävästi pääongelman ratkaisemisessa: moottorin luotettavan suorituskyvyn saavuttaminen ja sen taipumus hallitsemattomiin palamisprosesseihin, joissa käytetään puhdasta vetyä. Menestys tähän suuntaan johtuu osaamisesta moottoriprosessien elektronisen ohjauksen alalla ja mahdollisuudesta käyttää BMW:n patentoimia joustavia kaasunjakelujärjestelmiä Valvetronic ja Vanos, joita ilman "vetymoottorien" normaalia toimintaa olisi mahdotonta varmistaa. . Ensimmäiset askeleet tähän suuntaan ovat kuitenkin peräisin 1820-luvulta, jolloin suunnittelija William Cecil loi vetykäyttöisen moottorin, joka toimii ns. "tyhjiöperiaatteella" - järjestelmä on hyvin erilainen kuin myöhemmin keksitty sisäinen moottori. . palaa. Ensimmäisessä polttomoottoreissaan 60 vuotta myöhemmin edelläkävijä Otto käytti jo mainittua ja hiiliperäistä synteettistä kaasua, jonka vetypitoisuus oli noin 50 %. Kaasuttimen keksimisen myötä bensiinin käytöstä on kuitenkin tullut paljon käytännöllisempää ja turvallisempaa, ja nestemäinen polttoaine on korvannut kaikki muut tähän asti olleet vaihtoehdot. Vedyn ominaisuudet polttoaineena löydettiin uudelleen monta vuotta myöhemmin avaruusteollisuudessa, joka havaitsi nopeasti, että vedyllä on paras energia/massa-suhde kaikista ihmiskunnan tuntemista polttoaineista.

Heinäkuussa 1998 Euroopan autoteollisuusyhdistys (ACEA) sitoutui Euroopan unioniin vähentämään vasta rekisteröityjen ajoneuvojen hiilidioksidipäästöjä unionissa keskimäärin 2008 grammalla kilometriä kohden 2: llä. Käytännössä tämä tarkoitti 140 prosentin päästövähennystä vuoteen 25 verrattuna, ja uuden laivaston keskimääräinen polttoaineenkulutus oli noin 1995 l / 6,0 km. Lähitulevaisuudessa lisätoimenpiteiden odotetaan vähentävän hiilidioksidipäästöjä 100% vuoteen 14 mennessä. Tämä tekee autoyritysten tehtävästä erittäin vaikeaa ja BMW-asiantuntijoiden mukaan se voidaan ratkaista joko käyttämällä vähähiilisiä polttoaineita tai poistamalla hiili kokonaan polttoainekoostumuksesta. Tämän teorian mukaan vety ilmestyy jälleen autoteollisuudelle kaikessa loistossaan.

Baijerilaisyrityksestä tuli ensimmäinen autovalmistaja, joka valmisti massatuotantoa vetykäyttöisillä ajoneuvoilla. BMW: n hallituksesta uudesta kehityksestä vastaavan professorin Burkhard Geschelin optimistiset ja luottavaiset väitteet, joiden mukaan "yritys myy vetyautoja ennen nykyisen 7-sarjan voimassaolon päättymistä", ovat totta. Viimeisimmällä versiollaan Hydrogen 7, seitsemäs sarja, esiteltiin vuonna 2006, 12 hevosvoiman 260-sylinterisellä moottorilla. tästä viestistä on jo tullut totta. Tarkoitus tuntui melko kunnianhimoiselta, mutta ei ilman syytä. BMW on kokeillut vetyä käyttäviä polttomoottoreita vuodesta 1978 lähtien, ja 11. toukokuuta 2000 esitti ainutlaatuisen esityksen tämän vaihtoehdon mahdollisuuksista. Vaikuttava 15 750 hl: n ajoneuvokanta viikon edellisestä sukupolvesta, kahdentoista sylinterin vetymoottoreilla, suoritti 170 000 km: n maratonin korostaen yrityksen menestystä ja uuden tekniikan lupauksia. Vuosina 2001 ja 2002 jotkut näistä ajoneuvoista jatkoivat osallistumistaan ​​erilaisiin mielenosoituksiin vetyidean tueksi. Sitten oli aika seuraavaan 7-sarjaan perustuvalle uudelle kehitykselle, jossa käytettiin modernia 4,4-litraista V-212: ta, jonka huippunopeus oli 12 km / h, ja sen jälkeen uusinta kehitystä XNUMX-sylinterisellä V-XNUMX: lla. Yhtiön virallisen lausunnon mukaan syyt siihen, miksi BMW valitsi tämän tekniikan polttokennojen sijaan, ovat sekä kaupallisia että psykologisia. Ensinnäkin tämä menetelmä vaatii huomattavasti vähemmän investointeja, jos tuotantoinfrastruktuuri muuttuu. Toiseksi, koska ihmiset ovat tottuneet vanhaan hyvään polttomoottoriin, he pitävät siitä ja siitä on vaikea erota. Ja kolmanneksi, tällä välin kävi ilmi, että tämä tekniikka kehittyy nopeammin kuin polttokennotekniikka.

BMW-autoissa vetyä varastoidaan supereristetyssä kryogeenisessä astiassa, eräänlaisena kuin saksalaisen Linden kehittämässä korkean teknologian termospullossa. Alhaisissa varastointilämpötiloissa polttoaine on nestefaasissa ja pääsee moottoriin tavallisen polttoaineen tavoin.

Tässä vaiheessa müncheniläisen yrityksen suunnittelijat keskittyivät epäsuoraan polttoaineen ruiskutukseen, ja seoksen laatu riippuu moottorin toimintatilasta. Osakuormitustilassa moottori käy dieselpolttoaineen kaltaisilla laihoilla seoksilla - muutos tehdään vain ruiskutetun polttoaineen määrässä. Tämä on seoksen ns. "Laadunvalvonta", jossa moottori käy ylimääräisellä ilmalla, mutta pienen kuormituksen vuoksi typpipäästöjen muodostuminen minimoidaan. Kun tarvitaan merkittävää tehoa, moottori alkaa toimia bensiinimoottorin tavoin siirtyen seoksen ja normaalien (ei vähärasvaisten) seosten ns. Nämä muutokset ovat mahdollisia toisaalta moottorin prosessien elektronisen ohjauksen nopeuden vuoksi ja toisaalta kaasunjakelun ohjausjärjestelmien - "kaksois" Vanos, joka toimii yhdessä Valvetronic-imuohjausjärjestelmä ilman kaasua. On pidettävä mielessä, että BMW: n insinöörien mukaan tämän kehityksen työohjelma on vain välivaihe tekniikan kehityksessä ja että tulevaisuudessa moottorit siirtyvät suoraan vedyn ruiskutukseen sylintereihin ja turboahtimeen. Näiden tekniikoiden odotetaan johtavan parempaan ajoneuvon dynamiikkaan kuin vastaava bensiinimoottori ja lisäävän polttomoottorin kokonaistehokkuutta yli 50%. Täällä pidätimme tarkoituksellisesti koskemasta "polttokennojen" aiheeseen, koska tätä asiaa on käytetty viime aikoina varsin aktiivisesti. Samaan aikaan meidän on kuitenkin mainittava ne BMW: n vetyteknologian yhteydessä, koska Münchenin suunnittelijat päättivät käyttää juuri tällaisia ​​laitteita autojen sähköverkon virtalähteeksi ja eliminoivat täysin tavanomaisen akkuvirran. Tämä liike mahdollistaa lisäsäästöjä polttoaineessa, koska vetymoottorin ei tarvitse ajaa vaihtovirtalaturia, ja ajoneuvon sähköjärjestelmästä tulee täysin autonominen ja riippumaton ajoreitistä - se voi tuottaa sähköä myös moottorin ollessa pois päältä sekä tuottaa ja kuluttaa energiaa soveltuu täydelliseen optimointiin. Se, että nyt voidaan tuottaa vain niin paljon sähköä kuin tarvitaan vesipumpun, öljypumppujen, jarrutehostimen ja langallisten järjestelmien käyttämiseen, tuo myös lisäsäästöjä. Kaikkien näiden innovaatioiden rinnalla polttoaineen ruiskutusjärjestelmä (bensiini) ei kuitenkaan käytännössä kokenut kalliita muutoksia. Edistääkseen vetyteknologiaa kesäkuussa 2002 BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN loivat CleanEnergy -kumppanuusohjelman, joka alkoi nesteytetyllä ja puristetulla vedyllä varustettujen huoltoasemien kehittämisestä.

BMW on aloitteentekijä useille muille yhteishankkeille, mukaan lukien öljy-yhtiöiden kanssa, joista aktiivisimpia osallistujia ovat Aral, BP, Shell, Total. Kiinnostus tätä lupaavaa alaa kohtaan kasvaa räjähdysmäisesti - seuraavien kymmenen vuoden aikana EU rahoittaa suoraan vetyteknologioiden kehittämisen ja käyttöönoton rahastoihin 2,8 miljardia euroa. Yksityisten yritysten investointien määrää "vedyn" kehittämiseen tänä aikana on vaikea ennustaa, mutta on selvää, että se ylittää moninkertaisesti voittoa tavoittelemattomilta järjestöiltä tehdyt vähennykset.

Vety polttomoottoreissa

On mielenkiintoista huomata, että vedyn fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien vuoksi se on paljon syttyvämpää kuin bensiini. Käytännössä tämä tarkoittaa, että polttoprosessin käynnistämiseen vedyssä tarvitaan paljon vähemmän alkuenergiaa. Toisaalta erittäin vähärasvaisia ​​seoksia voidaan helposti käyttää vetymoottoreissa - mikä nykyaikaisilla bensiinimoottoreilla saavutetaan monimutkaisilla ja kalliilla teknologioilla.

Vety-ilma-seoksen hiukkasten välinen lämpö hajoaa vähemmän, ja samalla itsesyttymislämpötila ja palamisnopeus ovat paljon korkeammat kuin bensiinillä. Vetyllä on alhainen tiheys ja voimakas diffuusio (mahdollisuus hiukkasten tunkeutumiseen toiseen kaasuun - tässä tapauksessa ilmaan).

Itsesyttymiseen vaadittava alhainen aktivointienergia on yksi suurimmista haasteista vetymoottorien palamisprosessien hallinnassa, koska seos voi helposti syttyä itsestään johtuen kosketuksesta polttokammion kuumempiin osiin ja vastustuskykyyn täysin hallitsemattomien prosessien ketjuun. Tämän riskin välttäminen on yksi vetymoottorien kehittämisen suurimmista haasteista, mutta ei ole helppoa eliminoida seurauksia siitä, että erittäin hajanainen palava seos kulkeutuu hyvin lähelle sylinterin seinämiä ja voi tunkeutua erittäin kapeiden rakojen läpi. kuten suljetut venttiilit, esimerkiksi... Kaikki tämä on otettava huomioon näitä moottoreita suunniteltaessa.

Korkea itsesyttymislämpötila ja korkea oktaaniluku (noin 130) mahdollistavat moottorin puristussuhteen ja siten sen hyötysuhteen kasvun, mutta taas on vaarana vedyn itsesyttyminen kosketuksesta kuumemman osan kanssa. sylinterissä. Vedyn korkean diffuusiokapasiteetin etuna on mahdollisuus helposti sekoittua ilmaan, mikä säiliön rikkoutuessa takaa polttoaineen nopean ja turvallisen leviämisen.

Ihanteellinen ilma-vety-seos palamiseen on noin 34:1 (bensiinillä tämä suhde on 14,7:1). Tämä tarkoittaa, että kun yhdistetään sama massa vetyä ja bensiiniä ensimmäisessä tapauksessa, tarvitaan yli kaksi kertaa enemmän ilmaa. Samalla vety-ilma-seos vie huomattavasti enemmän tilaa, mikä selittää, miksi vetykäyttöisissä moottoreissa on vähemmän tehoa. Puhtaasti digitaalinen esitys suhteista ja tilavuuksista on melko kaunopuheinen - palamisvalmiin vedyn tiheys on 56 kertaa pienempi kuin bensiinihöyryn .... On kuitenkin huomioitava, että vetymoottorit voivat periaatteessa toimia myös ilma-vety-seoksilla 180:1 asti (eli hyvin "laihailla" seoksilla), mikä puolestaan ​​tarkoittaa, että moottoria voidaan käyttää. ilman kaasuventtiiliä ja käytä dieselmoottoreiden periaatetta. On myös huomattava, että vety on kiistaton johtaja vedyn ja bensiinin vertailussa energialähteinä massan suhteen - kilo vetyä on lähes kolme kertaa energiaintensiivisempi kuin kilogramma bensiiniä.

Kuten bensiinimoottoreissa, nesteytettyä vetyä voidaan ruiskuttaa suoraan jakoputkien venttiilien eteen, mutta paras ratkaisu on ruiskutus suoraan puristustahdin aikana - tässä tapauksessa teho voi ylittää vastaavan bensiinimoottorin tehon 25%. Tämä johtuu siitä, että polttoaine (vety) ei syrjäytä ilmaa kuten bensiini- tai dieselmoottorissa, jolloin vain ilma (merkittävästi tavallista enemmän) voi täyttää palotilan. Toisin kuin bensiinimoottorit, vetymoottorit eivät myöskään tarvitse rakenteellista pyörrettä, koska vety hajoaa ilman kanssa riittävän hyvin ilman tätä toimenpidettä. Sylinterin eri osissa olevien erilaisten palamisnopeuksien vuoksi on parempi sijoittaa kaksi sytytystulppaa, ja vetymoottoreissa platinaelektrodien käyttö on epäkäytännöllistä, koska platinasta tulee katalysaattori, joka johtaa polttoaineen hapettumiseen matalissa lämpötiloissa.

H2R

H2R on toimiva supersport-prototyyppi, jonka ovat rakentaneet BMW:n insinöörit ja jonka voimanlähteenä on 285-sylinterinen moottori, jonka maksimiteho on 0 hv vetykäyttöisenä. Niiden ansiosta kokeellinen malli kiihtyy 100-300 km/h kuudessa sekunnissa ja saavuttaa huippunopeuden 2 km/h. H760R-moottori perustuu bensiinimoottorissa XNUMXi käytettyyn tavalliseen huippuyksikköön ja kesti vain kymmenen kuukautta kehittyä. Spontaanin palamisen estämiseksi baijerilaiset asiantuntijat ovat kehittäneet erityisen virtaussyklin ja ruiskutusstrategian palotilaan, hyödyntäen moottorin muuttuvien venttiilien ajoitusjärjestelmien tarjoamia mahdollisuuksia. Ennen kuin seos saapuu sylintereihin, jälkimmäiset jäähdytetään ilmalla, ja sytytys tapahtuu vain yläkuolopisteessä - vetypolttoaineen korkean palamisnopeuden vuoksi sytytystä ei tarvita.

Tulokset

Puhtaaseen vetyenergiaan siirtymisen taloudellinen analyysi ei ole vielä kovin optimistinen. Kevytkaasun tuotanto, varastointi, kuljetus ja toimitus ovat edelleen melko energiaintensiivisiä prosesseja, eikä ihmiskehityksen nykyisessä teknologisessa vaiheessa tällainen järjestelmä voi olla tehokas. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että tutkimusta ja ratkaisujen etsimistä ei jatketa. Ehdotukset vedyn tuottamiseksi vedestä aurinkopaneeleista saatavalla sähköllä ja sen varastoimiseksi suuriin säiliöihin ovat optimistisia. Toisaalta prosessi tuottaa sähköä ja vetyä kaasufaasissa Saharan aavikolla, kuljettaa se putkilinjalla Välimerelle, nesteyttää ja kuljettaa kryogeenisillä säiliöaluksilla, purkaa se satamissa ja lopulta kuljettaa kuorma-autolla ...

Norjalainen öljy-yhtiö Norsk Hydro esitti äskettäin mielenkiintoisen idean, joka ehdotti vedyn tuottamista maakaasusta Pohjanmeren tuotantolaitoksilla, ja jäännöshappooksidia varastoitiin köyhdytettyihin kenttiin merenpohjan alla. Totuus on jossain keskellä, ja vain aika näyttää, mihin vetyteollisuuden kehitys etenee.

Mazda-muunnos

Japanilainen yritys Mazda näyttää myös versionsa vetymoottorista - pyörivän urheiluauton RX-8 muodossa. Tämä ei ole yllättävää, koska Wankel-moottorin suunnitteluominaisuudet sopivat erittäin hyvin vedyn käyttöön polttoaineena. Kaasu varastoidaan korkeassa paineessa erityisessä säiliössä ja polttoaine ruiskutetaan suoraan polttokammioihin. Koska pyörivien moottoreiden tapauksessa ruiskutus- ja palamisalueet on erotettu toisistaan ​​ja imuosan lämpötila on alhaisempi, hallitsemattoman syttymisen mahdollisuus vähenee merkittävästi. Wankel-moottorissa on myös riittävästi tilaa kahdelle suuttimelle, mikä on erittäin tärkeää optimaalisen vetymäärän ruiskuttamiseksi.