Test drive BMW dan hidrogen: bagian dua

"Air. Satu-satunya produk akhir dari mesin bersih BMW adalah menggunakan hidrogen cair sebagai pengganti bahan bakar minyak dan memungkinkan setiap orang untuk menikmati teknologi baru dengan hati nurani yang bersih."

Cara BMW

Kata-kata ini adalah kutipan dari kampanye iklan sebuah perusahaan Jerman beberapa tahun lalu. Untuk waktu yang lama tidak ada yang mempertanyakan fakta bahwa orang Bavaria tahu betul apa yang mereka lakukan dalam hal teknologi motor dan merupakan salah satu pemimpin dunia yang tak terbantahkan di bidang ini. Juga tidak akan disangka bahwa perusahaan yang telah menunjukkan pertumbuhan penjualan yang solid dalam beberapa tahun terakhir akan mengeluarkan banyak uang untuk iklan yang kurang dikenal untuk teknologi yang menjanjikan dengan masa depan yang tidak pasti.

Namun, pada saat yang sama, kata-kata yang dikutip adalah bagian dari kampanye untuk mempromosikan versi hidrogen 745 jam yang agak eksotis dari andalan pembuat mobil Bavaria itu. Eksotis, karena menurut BMW, peralihan ke bahan bakar alternatif hidrokarbon yang sejak awal sudah disuplai oleh industri otomotif akan membutuhkan perubahan di seluruh infrastruktur produksi. Yang terakhir diperlukan karena orang Bavaria melihat jalur pengembangan yang menjanjikan bukan pada sel bahan bakar yang diiklankan secara luas, tetapi dalam konversi mesin pembakaran internal untuk menggunakan hidrogen. BMW percaya bahwa peningkatan adalah masalah yang dapat dipecahkan dan telah membuat kemajuan yang signifikan dalam memecahkan masalah utama untuk mencapai performa mesin yang andal dan menghilangkan kecenderungannya untuk proses pembakaran yang tidak terkendali menggunakan hidrogen murni. Keberhasilan ke arah ini disebabkan oleh kompetensi di bidang kontrol elektronik proses mesin dan kemungkinan menggunakan sistem distribusi gas fleksibel yang dipatenkan BMW Valvetronic dan Vanos, yang tanpanya tidak mungkin memastikan pengoperasian normal "mesin hidrogen" . Namun, langkah pertama ke arah ini dimulai pada tahun 1820, ketika perancang William Cecil menciptakan mesin berbahan bakar hidrogen yang beroperasi dengan apa yang disebut "prinsip vakum" - skema yang sangat berbeda dari skema mesin yang ditemukan kemudian dengan mesin internal. . pembakaran. Dalam pengembangan pertamanya dari mesin pembakaran internal 60 tahun kemudian, perintis Otto menggunakan gas sintetis yang telah disebutkan dan berasal dari batu bara dengan kandungan hidrogen sekitar 50%. Namun dengan ditemukannya karburator, penggunaan bensin menjadi jauh lebih praktis dan aman, dan bahan bakar cair telah menggantikan semua alternatif lain yang ada hingga saat ini. Sifat-sifat hidrogen sebagai bahan bakar ditemukan kembali bertahun-tahun kemudian oleh industri luar angkasa, yang dengan cepat menemukan bahwa hidrogen memiliki rasio energi/massa terbaik dari semua bahan bakar yang dikenal umat manusia.

Pada Juli 1998, Asosiasi Industri Otomotif Eropa (ACEA) berkomitmen kepada Uni Eropa untuk mengurangi emisi CO2008 dari kendaraan yang baru terdaftar di Uni dengan rata-rata 2 gram per kilometer sebanyak 140. Dalam praktiknya, ini berarti pengurangan emisi sebesar 25% dibandingkan tahun 1995, dan konsumsi bahan bakar rata-rata armada baru adalah sekitar 6,0 l / 100 km. Dalam waktu dekat, langkah-langkah tambahan diharapkan dapat mengurangi emisi karbon dioksida hingga 14% pada tahun 2012. Hal ini membuat tugas perusahaan mobil menjadi sangat sulit dan, menurut para ahli BMW, dapat diselesaikan dengan menggunakan bahan bakar rendah karbon atau dengan menghilangkan karbon sepenuhnya dari komposisi bahan bakar. Menurut teori ini, hidrogen muncul kembali di arena otomotif dengan segala kemegahannya.

Perusahaan Bavaria menjadi produsen mobil pertama yang memproduksi kendaraan bertenaga hidrogen secara massal. Klaim optimis dan percaya diri dari Profesor Burkhard Geschel, anggota dewan BMW yang bertanggung jawab atas perkembangan baru, bahwa "perusahaan akan menjual mobil hidrogen sebelum berakhirnya Seri 7 saat ini" menjadi kenyataan. Dengan versi terbaru Hydrogen 7, seri ketujuh, diperkenalkan pada tahun 2006, dengan mesin 12 silinder 260 hp. pesan ini telah menjadi kenyataan. Niat itu sepertinya cukup ambisius, tapi bukannya tanpa alasan. BMW telah bereksperimen dengan mesin pembakaran internal yang menggunakan hidrogen sejak 1978, dan pada 11 Mei 2000 melakukan demonstrasi unik tentang kemungkinan alternatif ini. Armada kendaraan 15 hl yang mengesankan dari generasi sebelumnya minggu ini, yang didukung oleh mesin hidrogen dua belas silinder, menyelesaikan maraton 750 km, menyoroti keberhasilan perusahaan dan janji teknologi baru. Pada tahun 170 dan 000, beberapa kendaraan ini terus mengikuti berbagai demonstrasi untuk mendukung gagasan hidrogen. Kemudian tibalah waktunya untuk pengembangan baru, berdasarkan Seri 2001 berikutnya, menggunakan mesin V-2002 7 liter modern yang mampu mencapai kecepatan tertinggi 4,4 km / jam, diikuti oleh pengembangan terbaru dengan mesin V-212 12 silinder. Menurut opini resmi perusahaan, alasan mengapa BMW memilih teknologi ini daripada sel bahan bakar adalah alasan komersial dan psikologis. Pertama, metode ini akan membutuhkan investasi yang jauh lebih sedikit jika infrastruktur produksi berubah. Kedua, karena orang sudah terbiasa dengan mesin pembakaran dalam yang bagus, mereka menyukainya dan akan sulit untuk berpisah dengannya. Dan ketiga, sementara itu, ternyata teknologi ini berkembang lebih cepat dari pada teknologi fuel cell.

Di mobil BMW, hidrogen disimpan dalam bejana kriogenik super-terisolasi, seperti botol termos berteknologi tinggi yang dikembangkan oleh grup pendingin Jerman, Linde. Pada suhu penyimpanan rendah, bahan bakar berada dalam fase cair dan masuk ke mesin seperti bahan bakar biasa.

Pada tahap ini, para perancang perusahaan yang berbasis di Munich berfokus pada injeksi bahan bakar tidak langsung, dan kualitas campuran tergantung pada mode operasi mesin. Dalam mode beban sebagian, mesin bekerja dengan campuran ramping yang mirip dengan bahan bakar diesel - perubahan hanya dilakukan pada jumlah bahan bakar yang disuntikkan. Inilah yang disebut "kontrol kualitas" campuran, di mana mesin bekerja dengan udara berlebih, tetapi karena beban rendah, pembentukan emisi nitrogen diminimalkan. Ketika ada kebutuhan akan daya yang signifikan, mesin mulai bekerja seperti mesin bensin, beralih ke apa yang disebut "kontrol kuantitatif" campuran dan campuran normal (tidak ramping). Perubahan ini dimungkinkan, di satu sisi, karena kecepatan proses kontrol elektronik di mesin, dan di sisi lain, karena pengoperasian sistem kontrol distribusi gas yang fleksibel - Vanos "ganda", yang bekerja bersama dengan Sistem kontrol asupan Valvetronic tanpa throttle. Perlu diingat bahwa, menurut para insinyur BMW, skema kerja pengembangan ini hanyalah tahap menengah dalam pengembangan teknologi dan di masa depan mesin akan beralih ke injeksi hidrogen langsung ke silinder dan turbocharging. Teknik-teknik ini diharapkan menghasilkan dinamika kendaraan yang lebih baik daripada mesin bensin yang sebanding dan peningkatan efisiensi keseluruhan mesin pembakaran internal lebih dari 50%. Di sini kami sengaja menahan diri untuk tidak menyentuh topik "sel bahan bakar", karena masalah ini cukup aktif digunakan belakangan ini. Namun, pada saat yang sama, kita harus menyebutkannya dalam konteks teknologi hidrogen BMW, karena para perancang di Munich memutuskan untuk menggunakan perangkat semacam itu saja untuk memberi daya pada jaringan listrik terpasang di mobil, sepenuhnya menghilangkan daya baterai konvensional. Langkah ini memungkinkan penghematan bahan bakar tambahan, karena mesin hidrogen tidak harus menggerakkan alternator, dan sistem kelistrikan onboard menjadi sepenuhnya otonom dan tidak bergantung pada jalur penggerak - dapat menghasilkan listrik bahkan saat mesin tidak bekerja, serta menghasilkan dan mengkonsumsi energi cocok untuk optimalisasi penuh. Fakta bahwa hanya listrik sebanyak yang dibutuhkan sekarang dapat diproduksi untuk menyalakan pompa air, pompa oli, booster rem dan sistem kabel juga berarti penghematan tambahan. Namun seiring dengan semua inovasi tersebut, sistem injeksi bahan bakar (bensin) praktis tidak mengalami ubahan desain yang mahal. Untuk mempromosikan teknologi hidrogen pada bulan Juni 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN menciptakan program kemitraan CleanEnergy, yang dimulai dengan pengembangan stasiun pengisian dengan hidrogen cair dan terkompresi.

BMW adalah penggagas sejumlah proyek bersama lainnya, termasuk dengan perusahaan minyak, di antaranya yang paling aktif adalah Aral, BP, Shell, Total. Ketertarikan di bidang yang menjanjikan ini tumbuh secara eksponensial - dalam sepuluh tahun ke depan, UE sendiri akan memberikan kontribusi keuangan langsung ke dana untuk membiayai pengembangan dan penerapan teknologi hidrogen sebesar 2,8 miliar euro. Volume investasi oleh perusahaan swasta dalam pengembangan "hidrogen" selama periode ini sulit diprediksi, tetapi jelas akan berkali-kali melebihi pengurangan dari organisasi nirlaba.

Hidrogen di mesin pembakaran internal

Sangat menarik untuk dicatat bahwa karena sifat fisik dan kimia hidrogen, hidrogen jauh lebih mudah terbakar daripada bensin. Dalam praktiknya, ini berarti energi awal yang jauh lebih sedikit diperlukan untuk memulai proses pembakaran dalam hidrogen. Di sisi lain, campuran yang sangat kurus dapat dengan mudah digunakan dalam mesin hidrogen - sesuatu yang dicapai oleh mesin bensin modern melalui teknologi yang kompleks dan mahal.

Panas antara partikel campuran hidrogen-udara lebih sedikit hilang, dan pada saat yang sama, suhu penyalaan otomatis dan laju proses pembakaran jauh lebih tinggi daripada bensin. Hidrogen memiliki kerapatan rendah dan difusivitas yang kuat (kemungkinan partikel menembus gas lain - dalam hal ini udara).

Rendahnya energi aktivasi yang diperlukan untuk self-ignition merupakan salah satu tantangan terbesar dalam mengendalikan proses pembakaran pada mesin hidrogen karena campuran dapat dengan mudah terbakar secara spontan akibat kontak dengan area yang lebih panas di ruang bakar dan ketahanan untuk mengikuti rangkaian proses yang sama sekali tidak terkendali. Menghindari risiko ini adalah salah satu tantangan terbesar dalam mengembangkan mesin hidrogen, tetapi tidak mudah untuk menghilangkan konsekuensi dari fakta bahwa campuran pembakaran yang sangat menyebar bergerak sangat dekat dengan dinding silinder dan dapat menembus celah yang sangat sempit. seperti katup tertutup, misalnya... Semua ini harus diperhitungkan saat mendesain motor ini.

Temperatur penyulutan otomatis yang tinggi dan angka oktan yang tinggi (sekitar 130) meningkatkan rasio kompresi mesin dan, oleh karena itu, efisiensinya, tetapi sekali lagi ada bahaya penyulutan otomatis hidrogen dari kontak dengan bagian yang lebih panas. di dalam silinder. Keuntungan dari kapasitas difusi hidrogen yang tinggi adalah kemungkinan pencampuran yang mudah dengan udara, yang, jika terjadi kerusakan tangki, menjamin dispersi bahan bakar yang cepat dan aman.

Campuran udara-hidrogen yang ideal untuk pembakaran memiliki perbandingan sekitar 34:1 (untuk bensin perbandingan ini adalah 14,7:1). Ini berarti bahwa ketika menggabungkan massa hidrogen dan bensin yang sama dalam wadah pertama, diperlukan lebih dari dua kali lebih banyak udara. Pada saat yang sama, campuran hidrogen-udara membutuhkan lebih banyak ruang, yang menjelaskan mengapa mesin bertenaga hidrogen memiliki daya yang lebih kecil. Ilustrasi rasio dan volume murni digital cukup fasih - kepadatan hidrogen yang siap untuk pembakaran adalah 56 kali lebih kecil dari pada uap bensin .... Namun, perlu dicatat bahwa, pada prinsipnya, mesin hidrogen juga dapat beroperasi dengan campuran udara-hidrogen hingga 180:1 (yaitu campuran yang sangat "ramping"), yang pada gilirannya berarti mesin dapat dioperasikan. tanpa throttle valve dan menggunakan prinsip mesin diesel. Perlu juga dicatat bahwa hidrogen adalah pemimpin yang tak terbantahkan dalam perbandingan hidrogen dan bensin sebagai sumber energi dalam hal massa - satu kilogram hidrogen hampir tiga kali lebih intensif energi daripada satu kilogram bensin.

Seperti mesin bensin, hidrogen cair dapat disuntikkan langsung di depan katup di manifold, tetapi solusi terbaik adalah injeksi langsung selama langkah kompresi - dalam hal ini, tenaga dapat melebihi mesin bensin serupa sebesar 25%. Ini karena bahan bakar (hidrogen) tidak menggantikan udara seperti pada mesin bensin atau diesel, hanya memungkinkan udara (lebih banyak dari biasanya) untuk mengisi ruang bakar. Selain itu, tidak seperti mesin bensin, mesin hidrogen tidak memerlukan putaran struktural karena hidrogen berdifusi cukup baik dengan udara tanpa ukuran ini. Karena laju pembakaran yang berbeda di bagian silinder yang berbeda, lebih baik menempatkan dua busi, dan pada mesin hidrogen, penggunaan elektroda platina tidak praktis, karena platina menjadi katalis yang menyebabkan oksidasi bahan bakar pada suhu rendah.

H2R

H2R adalah prototipe supersport yang dibangun oleh para insinyur BMW dan ditenagai oleh mesin dua belas silinder yang mencapai output maksimum 285 hp saat ditenagai oleh hidrogen. Berkat mereka, model eksperimental berakselerasi dari 0 hingga 100 km / jam dalam enam detik dan mencapai kecepatan tertinggi 300 km / jam Mesin H2R didasarkan pada unit top-end standar yang digunakan pada bensin 760i dan hanya membutuhkan waktu sepuluh bulan untuk berkembang. Untuk mencegah pembakaran spontan, spesialis Bavaria telah mengembangkan siklus aliran khusus dan strategi injeksi ke dalam ruang bakar, menggunakan kemungkinan yang disediakan oleh sistem timing katup variabel mesin. Sebelum campuran memasuki silinder, yang terakhir didinginkan oleh udara, dan penyalaan dilakukan hanya di pusat mati atas - karena tingkat pembakaran yang tinggi dengan bahan bakar hidrogen, pengapian tidak diperlukan.

Temuan

Analisis finansial dari transisi ke energi hidrogen murni belum terlalu optimis. Produksi, penyimpanan, pengangkutan, dan pasokan gas ringan masih merupakan proses yang membutuhkan banyak energi, dan pada tahap teknologi perkembangan manusia saat ini, skema seperti itu tidak dapat efektif. Namun, ini tidak berarti bahwa penelitian dan pencarian solusi tidak akan dilanjutkan. Proposal untuk menghasilkan hidrogen dari air menggunakan listrik dari panel surya dan menyimpannya dalam tangki besar terdengar optimis. Di sisi lain, proses menghasilkan listrik dan hidrogen dalam fase gas di Gurun Sahara, mengangkutnya ke Laut Mediterania melalui pipa, mencairkan dan mengangkutnya dengan kapal tanker kriogenik, membongkar muatnya di pelabuhan dan akhirnya mengangkutnya dengan truk terdengar agak konyol saat ini ...

Sebuah ide menarik baru-baru ini dikemukakan oleh perusahaan minyak Norwegia Norsk Hydro, yang mengusulkan untuk memproduksi hidrogen dari gas alam di lokasi produksi di Laut Utara, dan sisa karbon monoksida disimpan di ladang minyak di bawah dasar laut. Kebenarannya terletak di tengah-tengah, dan hanya waktu yang akan memberi tahu kemana arah perkembangan industri hidrogen.

Varian Mazda

Perusahaan Jepang Mazda juga memamerkan versi mesin hidrogennya - berupa mobil sport unit putar RX-8. Hal ini tidak mengherankan, karena fitur desain mesin Wankel sangat cocok untuk menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar. Gas disimpan di bawah tekanan tinggi dalam tangki khusus, dan bahan bakar disuntikkan langsung ke ruang bakar. Karena fakta bahwa dalam kasus mesin rotari, area tempat injeksi dan pembakaran dipisahkan, dan suhu di bagian hisap lebih rendah, masalah kemungkinan penyalaan yang tidak terkendali berkurang secara signifikan. Mesin Wankel juga menawarkan ruang yang cukup untuk dua injektor, yang sangat penting untuk menginjeksi jumlah hidrogen yang optimal.