BMW og vetni: brunahreyfillinn

Verkefni fyrirtækisins hófust fyrir 40 árum með vetnisútgáfu 5 seríunnar

BMW hefur lengi trúað á rafmagnshreyfanleika. Í dag má líta á Tesla sem viðmið á þessu sviði, en fyrir tíu árum, þegar bandaríska fyrirtækið sýndi hugmyndina um sérsniðna álpalla, sem síðan varð að veruleika í formi Tesla Model S, var BMW virkur að vinna að Megacity. Ökutæki verkefni. 2013 er markaðssettur sem BMW i3. Þýski framúrstefnubíllinn notar ekki aðeins burðarvirki úr áli með innbyggðum rafhlöðum, heldur einnig yfirbyggingu úr kolefnisstyrktum fjölliðum. Hins vegar, það sem Tesla er óneitanlega á undan keppinautum sínum er óvenjuleg aðferðafræði hennar, sérstaklega á mælikvarða þess að þróa rafhlöður fyrir rafknúin farartæki - allt frá samskiptum við framleiðendur litíumjónafrumna til að byggja risastórar rafhlöðuverksmiðjur, þar á meðal þær sem nota ekki rafmagn. hreyfanleika.

En snúum okkur aftur að BMW því ólíkt Tesla og mörgum keppinautum þess trúir þýska fyrirtækið enn á hreyfanleika vetnis. Nýlega afhjúpaði teymi undir forystu varaforseta fyrirtækisins fyrir vetniseldsneytisfrumum, Dr. Jürgen Gouldner, I-Hydrogen Next efnarafalinn, sjálfknúna efnasamsetningu sem knúinn er af lághitaefnahvarfi. Á þessari stundu eru 10 ár liðin frá því að þróun efnarafala BMW kom á markað og 7 ár liðin frá samstarfi við Toyota um efnarafal. Hins vegar treystir BMW á vetni 40 ár aftur í tímann og er miklu meira "heitt hitastig".

Þetta er meira en aldarfjórðung af þróun fyrirtækisins þar sem vetni er notað sem eldsneyti fyrir brunahreyfla. Stóran hluta þess tímabils taldi fyrirtækið að vetnisknún brunavél væri nær neytandanum en efnarafala. Með um 60% nýtni og blöndu af rafmótor með yfir 90% nýtni er efnarafalavél mun skilvirkari en brunavél sem gengur fyrir vetni. Eins og við munum sjá í eftirfarandi línum, með beinni innspýtingu og túrbóhleðslu, munu minni vélar í dag henta afar vel til að afhenda vetni — að því tilskildu að rétt innspýting og brunastjórnunarkerfi séu til staðar. En þótt vetnisknúnar brunahreyflar séu venjulega mun ódýrari en efnarafalur ásamt litíumjónarafhlöðu, eru þær ekki lengur á dagskrá. Auk þess fara vandamálin varðandi hreyfanleika vetnis í báðum tilfellum langt út fyrir verksvið knúningskerfisins.

Og samt hvers vegna vetni?

Vetni er mikilvægur þáttur í leit mannkynsins að nota fleiri og fleiri aðra orkugjafa, svo sem brú, til að geyma orku frá sól, vindi, vatni og lífmassa með því að breyta því í efnaorku. Einfaldlega þýðir þetta að rafmagnið sem myndast við þessar náttúrulegu uppsprettur er ekki hægt að geyma í miklu magni heldur er hægt að nota það til að framleiða vetni með því að sundra vatni í súrefni og vetni.

Vissulega er líka hægt að vinna vetni úr óendurnýjanlegum kolvetnisgjöfum, en það hefur lengi verið óviðunandi þegar kemur að því að nýta það sem orkugjafa. Það er óneitanlega staðreynd að tæknileg vandamál framleiðslu, geymslu og flutnings vetnis eru leysanleg - í reynd, jafnvel nú, er mikið magn af þessu gasi framleitt og notað sem hráefni í efna- og jarðolíuiðnaði. Í þessum tilfellum er hinn mikli kostnaður við vetni hins vegar ekki banvænn, þar sem það „bráðnar“ með háum kostnaði við þær vörur sem það á þátt í.

Hins vegar er vandamálið við að nota létt gas sem orkugjafa og í miklu magni aðeins flóknara. Vísindamenn hafa lengi hrist höfuðið í leit að mögulegum stefnumótandi valkosti við eldsneytisolíu og aukning rafhreyfanleika og vetnis gæti verið í nánu samlífi. Kjarninn í þessu öllu er einföld en mjög mikilvæg staðreynd – vinnsla og notkun vetnis snýst um náttúrulega hringrás þess að sameina og brotna niður vatn … Ef mannkynið bætir og stækkar framleiðsluaðferðir með því að nota náttúrulegar uppsprettur eins og sólarorku, vind og vatn, vetni er hægt að framleiða og nota í ótakmörkuðu magni án þess að losa skaðlega útblástur.
framleiðslu

Meira en 70 milljónir tonna af hreinu vetni eru nú framleidd í heiminum. Helsta hráefnið til framleiðslu þess er jarðgas, sem unnið er í ferli sem kallast „umbætur“ (helmingur alls). Minni magn af vetni er framleitt með öðrum aðferðum, svo sem rafgreining klórsambanda, oxun að þunga olíu að hluta, kolgasgasun, pyrolysis kol til að framleiða kók og umbótum á bensíni. Um það bil helmingur vetnisframleiðslu heimsins er notaður til myndunar ammoníaks (sem er notað sem fóðurefni við framleiðslu áburðar), við olíuhreinsun og til nýmyndunar metanóls.

Þessi framleiðslukerfi íþyngir umhverfinu í mismiklum mæli og því miður býður ekkert þeirra upp á þýðingarmikinn valkost við núverandi orkustöðu – í fyrsta lagi vegna þess að þau nota óendurnýjanlega orkugjafa og í öðru lagi vegna þess að framleiðslan gefur frá sér óæskileg efni eins og koltvísýring. Efnilegasta aðferðin við framleiðslu vetnis í framtíðinni er áfram niðurbrot vatns með hjálp rafmagns, þekkt í grunnskóla. Hins vegar er eins og stendur aðeins hægt að loka hringrásinni fyrir hreina orku með því að nota náttúrulega og sérstaklega sólar- og vindorku til að framleiða rafmagnið sem þarf til að brjóta niður vatn. Að sögn Dr. Gouldner er nútímatækni "tengd" vind- og sólkerfum, þar á meðal litlar vetnisstöðvar, þar sem þær síðarnefndu eru framleiddar á staðnum, stórt nýtt skref í þessa átt.
Geymsla

Geyma má vetni í miklu magni bæði í lofttegund og fljótandi stigum. Stærstu slíku lónin, þar sem vetni er haldið á tiltölulega lágum þrýstingi, eru kölluð „gasmetrar“. Miðlungs og minni skriðdrekar eru aðlagaðir til að geyma vetni við 30 bar þrýsting, en minnstu sértankarnir (dýr tæki úr sérstöku samsettu stáli eða kolefni trefjum) viðhalda stöðugum þrýstingi 400 bar.
Vetni er einnig hægt að geyma í fljótandi fasa við -253°C á rúmmálseiningu sem inniheldur 1,78 sinnum meiri orku en þegar það er geymt við 700 bör – til að ná jafngildi orku í fljótandi vetni á rúmmálseiningu þarf að þjappa gasinu upp að 1250 bar. Vegna meiri orkunýtni kælda vetnis er BMW í samstarfi við þýska kælisamsteypuna Linde um fyrstu kerfin sín, sem hefur þróað háþróaða frystibúnað til að vökva og geyma vetni. Vísindamenn bjóða einnig upp á aðra, en minna gildandi í augnablikinu, valmöguleika til að geyma vetni - til dæmis geymslu undir þrýstingi í sérstöku málmmjöli, í formi málmhýdríða og fleira.

Vetnisflutninganet eru nú þegar til á svæðum með mikinn styrk efnaverksmiðja og olíuhreinsunarstöðvar. Almennt er aðferðin svipuð og við flutning á náttúrulegu gasi, en notkun þess síðarnefnda til vetnisþarfa er ekki alltaf möguleg. En jafnvel á síðustu öld loguðu mörg hús í evrópskum borgum með léttum gasleiðslum, sem inniheldur allt að 50% vetni og er notað sem eldsneyti fyrir fyrstu kyrrstæðu brunahreyfla. Núverandi tæknistig gerir nú þegar kleift að flytja flutning á fljótandi vetni um núverandi kryógenískum tankskipum líkt og notaðir eru við jarðgas.

BMW og brunahreyfillinn

„Vatn. Eina lokaafurðin af hreinum BMW vélum sem notar fljótandi vetni í stað jarðolíueldsneytis og gerir öllum kleift að njóta nýrrar tækni með góðri samvisku.“

Þessi orð eru tilvitnun í auglýsingaherferð fyrir þýskt fyrirtæki í byrjun 745. aldar. Það ætti að vera að kynna frekar framandi XNUMX klukkustunda vetnisútgáfu af flaggskip Bæjaralandsframleiðandans. Framandi, vegna þess að samkvæmt BMW mun breytingin á kolvetnis eldsneyti valkostum, sem bifreiðaiðnaðurinn hefur verið að nærast frá upphafi, kalla á breytingu á allri iðnaðarinnviði. Á þeim tíma fundu Bæjarar efnilegan þróunarleið, ekki í eldsneytisfrumunum sem víða voru auglýstar, heldur við flutning á brunahreyflum til að vinna með vetni. BMW telur að endurbætur sem eru til skoðunar sé leysanlegt mál og taki nú þegar verulegar framfarir í átt að því meginmarkmiði að tryggja áreiðanlegar afköst vélarinnar og útrýma tilhneigingu sinni til brennslu með hreinu vetni. Árangurinn í þessa átt er vegna hæfni á sviði rafrænnar stjórnunar vélaferla og getu til að nota hið einkaleyfi á BMW einkaleyfiskerfum til sveigjanlegrar gasdreifingar Valvetronic og Vanos, en án þess er ómögulegt að tryggja eðlilega notkun „vetnisvéla“.

Hins vegar eru fyrstu skrefin í þessa átt allt frá árinu 1820, þegar hönnuðurinn William Cecil bjó til vetnisknúna vél sem starfaði á svokallaðri „tæmireglu“ - kerfi allt annað en það sem síðar var fundið upp með innri vél. brennandi. Í fyrstu þróun sinni á brunahreyflum 60 árum síðar notaði frumkvöðullinn Otto hið áðurnefnda og úr kolum unnin gervigas með um 50% vetnisinnihaldi. Hins vegar, með uppfinningu karburarans, hefur bensínnotkun orðið mun hagnýtari og öruggari og fljótandi eldsneyti hefur komið í stað allra annarra kosta sem hafa verið til hingað til. Eiginleikar vetnis sem eldsneytis voru uppgötvaðir mörgum árum síðar af geimiðnaðinum, sem uppgötvaði fljótt að vetni hafði besta orku/massahlutfall allra eldsneytis sem mannkynið þekkir.

Í júlí 1998 skuldbundu Evrópusamtök bílaiðnaðarins (ACEA) sig til að draga úr losun CO2 á nýskráðum ökutækjum í sambandinu að meðaltali um 140 grömm á kílómetra árið 2008. Í reynd þýðir þetta 25% minnkun á losun miðað við 1995 og jafngildir meðal eldsneytisnotkun í nýja flotanum um 6,0 l / 100 km. Þetta gerir verkefni fyrir bílafyrirtæki ákaflega erfitt og að sögn sérfræðinga BMW er hægt að leysa annað hvort með því að nota lítið kolefniseldsneyti eða með því að fjarlægja kolefni alveg frá eldsneytissamsetningunni. Samkvæmt þessari kenningu birtist vetni í allri sinni dýrð á vettvangi bifreiða.
Bæjaralska fyrirtækið verður fyrsti bílaframleiðandinn sem byrjar fjöldaframleiðslu vetnisknúinna ökutækja. Upptaktar og öruggar fullyrðingar stjórnar BMW Burkhard Göschel, stjórnarmanns BMW sem ber ábyrgð á nýjum þróun, um að „fyrirtækið muni selja vetnisbíla áður en 7 serían rennur út,“ rætist. Með Hydrogen 7 var útgáfa af sjöundu seríunni kynnt árið 2006 og er með 12 strokka 260 hestafla vél. þessi skilaboð verða að veruleika.

Áætlunin virðist ansi metnaðarfull, en ekki að ástæðulausu. BMW hefur gert tilraunir með vetnisbrennsluhreyfla síðan 1978, með 5-seríu (E12), 1984 klukkustunda útgáfa af E 745 var kynnt árið 23 og 11. maí 2000 sýndi það fram á sérstöðu þessa valmöguleika. Glæsilegur floti 15 hestöfl. E 750 „vikunnar“ með 38 strokka vetnisknúnum vélum hljóp 12 km maraþon og undirstrikaði velgengni fyrirtækisins og loforð um nýja tækni. Árin 170 og 000 héldu sumar þessara farartækja áfram að taka þátt í ýmsum sýningum til að kynna vetnis hugmyndina. Þessu fylgt eftir ný þróun byggð á næstu 2001 seríu, með nútímalegri 2002 lítra V-7 vél og fær um 4,4 km / klst. Hámarkshraða og síðan nýjasta þróunin með 212 strokka V-12 vél.

Samkvæmt opinberu áliti fyrirtækisins eru ástæður þess að BMW valdi síðan þessa tækni fram yfir eldsneytisfrumur bæði viðskiptalegar og sálrænar. Í fyrsta lagi mun þessi aðferð þurfa verulega minni fjárfestingu ef breytingar verða á innviðum á innviðum. Í öðru lagi, vegna þess að fólk er vant við gömlu góðu brunahreyfilinn, þá elska þeir það og það verður erfitt að skilja við það. Og í þriðja lagi vegna þess að á sama tíma þróast þessi tækni hraðar en eldsneytisfrumutækni.

Í BMW bílum er vetni geymt í ofeinangruðu kryógeníláti, svona eins og hátækni hitabrúsa sem þýska kælisamsteypan Linde hefur þróað. Við lágt geymsluhitastig er eldsneytið í fljótandi fasa og fer inn í vélina sem venjulegt eldsneyti.

Hönnuðir Munchen-fyrirtækisins nota eldsneytisinnspýtingu í innsogsgreinum og gæði blöndunnar fara eftir því hvernig vélin er í gangi. Í hlutahleðslustillingu gengur vélin fyrir magrar blöndur sem líkjast dísilolíu - aðeins er breytt magni eldsneytis sem sprautað er inn. Þetta er svokallað „gæðaeftirlit“ á blöndunni, þar sem vélin gengur fyrir umframlofti, en vegna lágs álags er myndun köfnunarefnislosunar lágmarkuð. Þegar þörf er á verulegu afli fer vélin að virka eins og bensínvél og færist yfir í svokallaða "magnstýringu" á blöndunni og yfir í venjulegar (ekki magrar) blöndur. Þessar breytingar eru mögulegar annars vegar þökk sé hraða rafrænu ferlistýringarinnar í vélinni, og hins vegar þökk sé sveigjanlegri notkun gasdreifingarstýrikerfisins - „tvöfalda“ Vanos, sem starfar í tengslum með Valvetronic inntaksstýrikerfi án inngjafar. Hafa ber í huga að samkvæmt BMW verkfræðingum er vinnuáætlun þessarar þróunar aðeins millistig í þróun tækninnar og að í framtíðinni verða vélar að fara yfir í að beina vetnisinnsprautun í strokka og túrbó. Gert er ráð fyrir að beiting þessara aðferða muni leiða til aukins kraftmikils frammistöðu bílsins samanborið við svipaða bensínvél og til aukinnar heildarnýtni brunavélarinnar um meira en 50%.

Áhugaverð þróunarstaðreynd er sú að með nýjustu þróuninni í „vetni“ brunahreyflum eru hönnuðirnir í München að fara inn á sviði efnarafala. Þeir nota slík tæki til að knýja rafmagnsnetið um borð í bílum og útiloka algerlega hefðbundna rafhlöðu. Þökk sé þessu skrefi er aukinn eldsneytissparnaður mögulegur, þar sem vetnisvélin þarf ekki að knýja rafstrauminn, og rafkerfið um borð verður algjörlega sjálfstætt og óháð akstursleiðinni - það getur framleitt rafmagn jafnvel þegar vélin er ekki í gangi, og framleiðslu- og neysluorku er hægt að hagræða að fullu. Sú staðreynd að nú er hægt að framleiða eins mikið rafmagn og þarf til að knýja vatnsdæluna, olíudælur, bremsukerfa og raflagnakerfi skilar sér einnig í frekari sparnaði. Hins vegar, samhliða öllum þessum nýjungum, hefur eldsneytisinnsprautunarkerfið (bensín) nánast ekki gengið í gegnum neinar kostnaðarsamar hönnunarbreytingar.

Til að stuðla að vetnistækni í júní 2002 stofnaði BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN CleanEnergy samstarfsverkefnið, sem hóf starfsemi sína með þróun á LPG bensínstöðvum. og þjappað vetni. Í þeim er hluti vetnisins framleiddur á staðnum með sólarorku og síðan þjappað og mikið fljótandi magn kemur frá sérstökum framleiðslustöðvum og allar gufur úr vökvafasanum eru sjálfkrafa fluttar í gasgeyminn.
BMW hefur hafið fjölda annarra sameiginlegra verkefna, meðal annars með olíufyrirtækjum, þar á meðal virkustu þátttakendurnir eru Aral, BP, Shell, Total.
Hvers vegna BMW yfirgefur þessar tæknilausnir og einbeitir sér enn að eldsneytisfrumum, munum við segja þér í annarri grein í þessari röð.

Vetni í brunahreyflum

Athyglisvert er að vegna eðlis- og efnafræðilegra eiginleika vetnis er það mun eldfimara en bensín. Í reynd þýðir þetta að mun minni upphafsorka þarf til að koma brennsluferlinu af stað í vetni. Á hinn bóginn geta vetnisvélar auðveldlega notað mjög „slæmar“ blöndur - eitthvað sem nútíma bensínvélar ná með flókinni og dýrri tækni.

Hitinn milli agna vetnis-loftblöndunnar dreifist minna og á sama tíma er sjálfkveikjuhitastigið mun hærra, sem og hraði brennsluferla samanborið við bensín. Vetni hefur lágan þéttleika og sterka dreifingu (möguleikinn á að agnir komist inn í annað gas - í þessu tilfelli, loft).

Það er lág virkjunarorka sem þarf til sjálfkveikju sem er ein stærsta áskorunin við að stjórna bruna í vetnisvélum, því blandan getur auðveldlega kviknað af sjálfu sér vegna snertingar við heitari svæði í brunahólfinu og viðnám í kjölfar keðju fullkomlega stjórnlausra ferla. Að forðast þessa áhættu er ein stærsta áskorunin í hönnun vetnisvéla, en það er ekki auðvelt að útrýma afleiðingum þess að mjög dreifð brennslublöndan hreyfist mjög nálægt strokkaveggjunum og getur komist í mjög þröngar eyður. til dæmis með lokuðum lokum ... Allt þetta verður að hafa í huga þegar hannar þessa mótora.

Hátt sjálfskiptingarhitastig og hátt oktanafjöldi (um 130) gerir kleift að auka þjöppunarhlutfall vélarinnar og þar af leiðandi afköst hennar, en aftur er hættan á sjálfskiptingu vetnis við snertingu við heitari hlutinn. í strokknum. Kosturinn við mikla dreifingargetu vetnis er möguleikinn á því að blanda auðveldlega saman við loft, sem, ef tankur rofnar, tryggir fljótlega og örugga dreifingu eldsneytisins.

Hin fullkomna loft-vetnisblandan fyrir brennslu hefur hlutfallið um það bil 34:1 (fyrir bensín er þetta hlutfall 14,7:1). Þetta þýðir að þegar sama massa vetnis og bensíns er sameinað í fyrra tilvikinu þarf meira en tvöfalt meira loft. Á sama tíma tekur vetnis-loftblandan umtalsvert meira pláss sem skýrir hvers vegna vetnisvélar hafa minna afl. Eingöngu stafræn mynd af hlutföllum og rúmmáli er nokkuð mælsk - eðlismassi vetnis sem er tilbúið til bruna er 56 sinnum minni en eðlismassi bensíngufu ... Hins vegar skal tekið fram að almennt geta vetnisvélar starfað á loftblöndum . vetni í hlutföllum allt að 180:1 (þ.e.a.s. með mjög „slæmum“ blöndum), sem aftur þýðir að vélin getur keyrt án inngjafar og notað meginregluna um dísilvélar. Þess má líka geta að vetni er óumdeilanlega leiðandi í samanburði á vetni og bensíni sem massaorkugjafa - kíló af vetni hefur næstum þrisvar sinnum meiri orku á hvert kíló af bensíni.

Eins og með bensínvélar er hægt að sprauta fljótandi vetni beint á undan ventlum í dreifiskipunum, en besta lausnin er innspýting beint á meðan þjöppunarhringurinn stendur - í þessu tilviki getur aflið farið yfir sambærilega bensínvél um 25%. Þetta er vegna þess að eldsneytið (vetnið) hrindir ekki út lofti eins og með bensín- eða dísilvél, sem gerir brennsluhólfið kleift að fyllast aðeins af (talsvert meira en venjulega) lofti. Þar að auki, ólíkt bensínvélum, þarf vetni ekki að hringsnúast, þar sem vetni án þessarar mælingar dreifist nokkuð vel með lofti. Vegna mismunandi brennsluhraða í mismunandi hlutum strokksins er betra að setja tvö kerti og í vetnisvélum er notkun platínu rafskauta ekki hentug þar sem platína verður hvati sem leiðir til eldsneytisoxunar jafnvel við lágt hitastig. .

Mazda valkostur

Japanska fyrirtækið Mazda sýnir einnig sína útgáfu af vetnisvélinni, í formi snúningsblokkar í RX-8 sportbílnum. Þetta kemur ekki á óvart, þar sem hönnunareiginleikar Wankel vélarinnar henta mjög vel til að nota vetni sem eldsneyti.
Gasið er geymt undir miklum þrýstingi í sérstökum geymi og eldsneyti er sprautað beint í brunahólfin. Vegna þess að þegar um snúningsvélar er að ræða, eru svæðin þar sem innspýting og brennsla eiga sér stað aðskild, og hitastigið í inntakshlutanum er lægra, verulega dregur úr vandanum með möguleikanum á stjórnlausri íkveikju. Wankel vélin býður einnig upp á nóg pláss fyrir tvo sprautur sem skiptir sköpum við að sprauta ákjósanlegu magni af vetni.

H2R

H2R er vinnandi ofursport frumgerð smíðuð af BMW verkfræðingum og knúin af 12 strokka vél sem nær 285 hö hámarksafköstum. þegar unnið er með vetni. Þökk sé þeim flýtir tilraunagerðin úr 0 í 100 km/klst á sex sekúndum og nær hámarkshraða upp á 300 km/klst. H2R vélin er byggð á venjulegu toppi sem notaður er í 760i bensíni og tók aðeins tíu mánuði að þróa .

Til að koma í veg fyrir sjálfan bruna hafa sérfræðingarnir í Bæjaralandi þróað sérstaka stefnu fyrir flæðis- og innspýtingarlotur inn í brunahólfið, með því að nota þá möguleika sem breytilegt ventlatímakerfi vélarinnar býður upp á. Áður en blandan fer inn í strokkana eru þeir síðarnefndu kældir með lofti og kveikja fer aðeins fram í efsta dauðapunkti - vegna mikils brunahraða með vetniseldsneyti er ekki þörf á kveikjuframgangi.