BMW и водород: часть вторая

BMW и водород: часть вторая

«Вода. Единственный конечный продукт чистых двигателей BMWиспользование жидкого водорода вместо нефтяного топлива и предоставление каждому возможности пользоваться новыми технологиями с чистой совестью ».

Путь BMW

Эти слова — цитата из рекламной кампании немецкой компании несколько лет назад. В течение долгого времени никто не подвергал сомнению тот факт, что баварцы очень хорошо знают, что они делают, когда речь идет о моторных технологиях, и являются одними из бесспорных мировых лидеров в этой области. Также нельзя было подумать, что компания, которая в последние годы демонстрирует стабильный рост продаж, бросит кучу денег на малоизвестную рекламу перспективных технологий с неопределенным будущим.

В то же время, однако, процитированные слова являются частью кампании по продвижению довольно экзотической 745-часовой водородной версии флагмана баварского автопроизводителя. Экзотично, потому что, по мнению BMW, переход на альтернативы углеводородному топливу, которым автомобильная промышленность кормилась с самого начала, потребует изменения всей производственной инфраструктуры. Последнее необходимо потому, что баварцы видят перспективный путь развития не в широко рекламируемых топливных элементах, а в переводе двигателей внутреннего сгорания для работы на водороде. BMW считает, что рассматриваемая модернизация является решаемой проблемой, и уже добилась значительных успехов в решении основной проблемы — достижении надежных характеристик двигателя и устранении его склонности к неконтролируемым процессам сгорания с использованием чистого водорода. Успех в этом направлении обусловлен компетенцией в области электронного управления процессами двигателя и возможностью использования запатентованных BMW систем гибкого газораспределения Valvetronic и Vanos, без которых обеспечение нормальной работы «водородных двигателей» было бы невозможно. Однако первые шаги в этом направлении относятся к 1820 году, когда конструктор Уильям Сесил создал двигатель, работающий на водородном топливе, работающий по так называемому «принципу вакуума» — схема, сильно отличающаяся от схемы более позднего изобретенного двигателя с внутренним двигателем. жжение. В своей первой разработке двигателей внутреннего сгорания 60 лет спустя первопроходец Отто использовал уже упомянутый и полученный из угля синтетический газ с содержанием водорода около 50%. Однако с изобретением карбюратора использование бензина стало значительно более практичным и безопасным, а жидкое топливо заменило все другие альтернативы, существовавшие до сих пор. Свойства водорода как топлива были заново открыты много лет спустя космической промышленностью, которая быстро обнаружила, что водород имеет лучшее соотношение «энергия / масса» из всех видов топлива, известных человечеству.

В июле 1998 года Европейская ассоциация автомобильной промышленности (ACEA) взяла на себя обязательство перед Европейским союзом сократить выбросы CO2008 от новых зарегистрированных автомобилей в Союзе в среднем на 2 граммов на километр к 140 году. На практике это означало сокращение выбросов на 25% по сравнению с 1995 годом, а средний расход топлива нового парка составил около 6,0 л / 100 км. В ближайшее время ожидаются дополнительные меры по снижению выбросов углекислого газа на 14% к 2012 году. Это делает задачу для автомобильных компаний чрезвычайно сложной и, по мнению экспертов BMW, может быть решена либо за счет использования низкоуглеродного топлива, либо за счет полного исключения углерода из состава топлива. Согласно этой теории, водород снова появляется на автомобильной арене во всей красе.

Баварская компания стала первым производителем автомобилей, начавшим массовое производство автомобилей с водородным двигателем. Оптимистичные и уверенные заявления профессора Буркхарда Гешеля, члена совета директоров BMW, ответственного за новые разработки, о том, что «компания будет продавать водородные автомобили до истечения срока действия нынешней 7-й серии», сбылись. С его последней версией Hydrogen 7 седьмой серии, представленной в 2006 году, с 12-цилиндровым двигателем мощностью 260 л.с. это сообщение уже стало реальностью. Намерение казалось довольно амбициозным, но не без оснований. BMW экспериментирует с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде с 1978 года, а 11 мая 2000 года произвела уникальную демонстрацию возможностей этой альтернативы. Впечатляющая флотилия из 15 автомобилей 750 гл из предыдущего поколения «недели», использующих водородные двенадцатицилиндровые двигатели, преодолела марафон длиной 170 000 км, особенно ярко продемонстрировав успех компании и перспективы новой технологии. В 2001 и 2002 годах некоторые из этих автомобилей продолжали принимать участие в различных демонстрациях в поддержку идеи водорода. Затем пришло время новой разработки, основанной на следующей серии 7, с использованием современного 4,4-литрового восьмицилиндрового двигателя и способной развивать максимальную скорость 212 км / ч, за которой последовала последняя разработка с 12-цилиндровым шестицилиндровым двигателем. Согласно официальному мнению компании, причины, по которым BMW предпочла эту технологию топливным элементам, имеют как коммерческую, так и психологическую основу. Во-первых, этот метод потребует значительно меньше инвестиций в случае изменения производственной инфраструктуры. Во-вторых, потому что люди привыкли к старому доброму двигателю внутреннего сгорания, им он нравится и с ним будет сложно расстаться. И, в-третьих, тем временем оказалось, что эта технология развивается быстрее, чем технологии топливных элементов.

В автомобилях BMW водород хранится в криогенном сосуде с суперизоляцией — что-то вроде высокотехнологичного термоса, разработанного немецкой холодильной группой Linde. При низких температурах хранения топливо находится в жидкой фазе и поступает в двигатель, как обычное топливо.

На данном этапе конструкторы мюнхенской компании сделали упор на непрямой впрыск топлива, а качество смеси зависит от режима работы двигателя. В режиме частичной нагрузки двигатель работает на обедненных смесях аналогично дизельному топливу — изменение вносится только по количеству впрыскиваемого топлива. Это так называемая «регулировка качества» смеси, при которой двигатель работает с избытком воздуха, но из-за малой нагрузки образование выбросов азота сводится к минимуму. Когда возникает потребность в значительной мощности, двигатель начинает работать как бензиновый, переходя к так называемому «количественному регулированию» смеси и нормальным (не обедненным) смесям. Эти изменения возможны, с одной стороны, за счет скорости электронного управления процессами в двигателе, а с другой — за счет гибкой работы систем управления газораспределением — «двойных» Vanos, работающих совместно с системой управления впуском Valvetronic без дроссельной заслонки. При этом следует учитывать, что, по мнению инженеров BMW, рабочая схема этой разработки является лишь промежуточным этапом в развитии технологий и что в будущем двигатели перейдут на прямой впрыск водорода в цилиндры и турбонаддув. Ожидается, что применение этих методов приведет к лучшим динамическим характеристикам автомобиля, чем у сопоставимого бензинового двигателя, и к увеличению общего КПД двигателя внутреннего сгорания более чем на 50%. Здесь мы сознательно воздержались от касания темы «топливных элементов», так как в последнее время этот вопрос довольно активно используется. В то же время, однако, мы должны упомянуть их в контексте водородной технологии BMW, так как дизайнеры в Мюнхене решили использовать именно такие устройства для питания бортовой электросети в автомобилях, полностью исключив обычное питание от батарей. Этот шаг делает возможной дополнительную экономию топлива, так как водородный двигатель не должен приводить в действие генератор переменного тока, а бортовая электрическая система становится полностью автономной и независимой от приводного тракта — она ​​может вырабатывать электроэнергию, даже когда двигатель не работает, а также производить и потреблять энергия поддается полной оптимизации. Тот факт, что для питания водяного насоса, масляных насосов, усилителя тормозов и проводных систем теперь можно производить только столько электроэнергии, сколько необходимо, также приводит к дополнительной экономии. Однако параллельно со всеми этими нововведениями система впрыска топлива (бензиновая) практически не претерпела дорогостоящих конструктивных изменений. В целях продвижения водородных технологий в июне 2002 года компании BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, gué, GHW, Linde, OpelКомпания MAN создала партнерскую программу CleanEnergy, начавшую свою деятельность с разработки заправочных станций сжиженным и сжатым водородом. В них часть водорода производится на месте с помощью солнечной электроэнергии, а затем сжимается, а большие количества сжиженного водорода поступают со специальных производственных станций, а все пары из жидкой фазы автоматически переносятся в бензобак.

BMW является инициатором ряда других совместных проектов, в том числе с нефтяными компаниями, среди которых наиболее активными участниками являются Aral, BP, Shell, Total. Интерес к этой перспективной сфере растет в геометрической прогрессии — в ближайшие десять лет только Евросоюз обеспечит прямые финансовые поступления в фонды для финансирования разработки и внедрения водородных технологий в размере 2,8 млрд евро. Объем инвестиций частных компаний в развитие «водородного» в этот период сложно прогнозировать, но однозначно, что он многократно превысит отчисления от некоммерческих организаций.

Водород в двигателях внутреннего сгорания

Интересно отметить, что из-за физических и химических свойств водорода он намного более горюч, чем бензин. На практике это означает, что для инициирования процесса горения в водороде требуется гораздо меньше начальной энергии. С другой стороны, в водородных двигателях можно легко использовать очень «бедные» смеси — чего современные бензиновые двигатели достигают за счет сложных и дорогих технологий.

Тепло между частицами водородно-воздушной смеси меньше рассеивается, и в то же время температура самовоспламенения и скорость процессов сгорания значительно выше, чем у бензина. Водород имеет низкую плотность и сильную диффузионную способность (возможность проникновения частиц в другой газ — в данном случае в воздух).

Низкая энергия активации, необходимая для самовоспламенения, является одной из самых больших проблем при управлении процессами сгорания в водородных двигателях, потому что смесь может легко спонтанно воспламениться из-за контакта с более горячими участками в камере сгорания и сопротивления следование цепочке совершенно неуправляемых процессов. Избежать этого риска — одна из самых больших проблем при разработке водородных двигателей, но не так просто устранить последствия того факта, что сильно диффузно горящая смесь перемещается очень близко к стенкам цилиндров и может проникать в чрезвычайно узкие зазоры. такие как закрытые клапаны, например… Все это нужно учитывать при проектировании этих двигателей.

Высокая температура самовоспламенения и высокое октановое число (порядка 130) позволяют повысить степень сжатия двигателя и, следовательно, его эффективность, но опять же существует опасность самовоспламенения водорода от контакта с более горячей частью. в цилиндре. Преимуществом высокой диффузионной способности водорода является возможность легкого смешивания с воздухом, что в случае поломки бака гарантирует быстрое и безопасное рассеивание топлива.

Идеальная воздушно-водородная смесь для горения имеет соотношение примерно 34: 1 (для бензина это соотношение составляет 14,7: 1). Это означает, что при совмещении одинаковой массы водорода и бензина в первом случае потребуется более чем в два раза больше воздуха. В то же время водородно-воздушная смесь занимает значительно больше места, что объясняет, почему двигатели, работающие на водороде, имеют меньшую мощность. Чисто цифровая иллюстрация соотношений и объемов достаточно красноречива — плотность водорода, готового к сжиганию, в 56 раз меньше, чем у паров бензина…. Однако следует отметить, что в принципе водородные двигатели могут также работать со смесями воздух-водород в соотношении до 180: 1 (т.е. с очень «бедными» смесями), что, в свою очередь, означает, что двигатель может работать. без наличия дроссельной заслонки и использовать принцип работы дизельных двигателей. Следует также отметить, что водород является бесспорным лидером в сравнении водорода и бензина как источников энергии по массе — килограмм водорода почти в три раза более энергоемкий, чем килограмм бензина.

Как и в случае с бензиновыми двигателями, сжиженный водород можно впрыскивать непосредственно перед клапанами в коллекторах, но оптимальным решением является впрыскивание непосредственно во время такта сжатия — в этом случае мощность может превышать на 25% мощность аналогичного бензинового двигателя. Это связано с тем, что топливо (водород) не вытесняет воздух, как в бензиновом или дизельном двигателе, позволяя заполнять камеру сгорания только воздухом (значительно большим, чем обычно). Кроме того, в отличие от бензиновых двигателей, водородные двигатели не нуждаются в конструктивном завихрении, потому что водород достаточно хорошо диффундирует с воздухом без этой меры. Из-за разной скорости горения в разных частях цилиндра лучше разместить две свечи зажигания, а в водородных двигателях использование платиновых электродов нецелесообразно, поскольку платина становится катализатором, приводящим к окислению топлива при низких температурах.

H2R

H2R — это рабочий прототип суперспорта, созданный инженерами BMW и оснащенный двенадцатицилиндровым двигателем, который при работе на водороде достигает максимальной мощности 285 л.с. Благодаря им экспериментальная модель разгоняется за шесть секунд с 0 до 100 км / ч и достигает максимальной скорости 300 км / ч. Двигатель H2R основан на стандартном топовом агрегате, используемом в бензиновом 760i, и на его разработку ушло всего десять месяцев. Чтобы предотвратить самовозгорание, баварские специалисты разработали специальный цикл потока и стратегию впрыска в камеру сгорания, используя возможности, предоставляемые системами изменения фаз газораспределения двигателя. Перед поступлением смеси в цилиндры последние охлаждаются воздухом, а зажигание осуществляется только в верхней мертвой точке — из-за высокой скорости горения при водородном топливе «опережение» зажигания не требуется.

conclusions

Результаты финансового анализа перехода на чистую водородную энергию пока не очень оптимистичны. Производство, хранение, транспортировка и поставка легкого газа по-прежнему являются достаточно энергоемкими процессами, и на нынешнем технологическом этапе человеческого развития такая схема не может быть эффективной. Однако это не означает, что исследования и поиск решений не будут продолжены. Предложения по производству водорода из воды с помощью электричества от солнечных батарей и хранению его в больших резервуарах звучат оптимистично. С другой стороны, процесс производства электроэнергии и водорода в газовой фазе в пустыне Сахара, транспортировка его в Средиземное море по трубопроводу, сжижение и транспортировка его криогенными танкерами, разгрузка в портах и ​​конечная транспортировка грузовиком в настоящий момент звучит немного нелепо …

Интересная идея была недавно представлена ​​норвежской нефтяной компанией Norsk Hydro, которая предложила производить водород из природного газа на производственных площадках в Северном море, а остаточный оксид углерода хранился на истощенных месторождениях под морским дном. Истина находится где-то посередине, и только время покажет, куда пойдет развитие водородной промышленности.

Вариант Mazda

Японская компания Mazda также демонстрирует свою версию водородного двигателя — в виде роторного агрегата спорткара RX-8. Это неудивительно, потому что конструктивные особенности двигателя Ванкеля чрезвычайно подходят для использования водорода в качестве топлива. Газ хранится под высоким давлением в специальном баке, а топливо впрыскивается непосредственно в камеры сгорания. Благодаря тому, что в случае роторных двигателей области, в которых происходит впрыск и сгорание, разделены, а температура во всасывающей части ниже, проблема с возможностью неконтролируемого воспламенения значительно снижается. Двигатель Ванкеля также предлагает достаточно места для двух инжекторов, что чрезвычайно важно для впрыска оптимального количества водорода.

ARTICLES SIMILAIRES

LIRE AUSSI

Accueil » Essai routier » BMW et l'hydrogène: deuxième partie

Ajouter un commentaire