BMW e idrogeno: motore a combustione interna

I progetti dell'azienda sono iniziati 40 anni fa con la versione a idrogeno della serie 5

BMW crede da tempo nella mobilità elettrica. Oggi Tesla può essere considerata il punto di riferimento in questo settore, ma dieci anni fa, quando l'azienda americana dimostrò il concetto di una piattaforma in alluminio personalizzata, poi realizzata sotto forma di Tesla Model S, BMW stava lavorando attivamente alla Megacity Progetto veicolo. 2013 è commercializzato come BMW i3. L'auto tedesca d'avanguardia utilizza non solo una struttura portante in alluminio con batterie integrate, ma anche una carrozzeria in polimeri rinforzati con carbonio. Tuttavia, ciò che Tesla è innegabilmente avanti rispetto ai suoi concorrenti è la sua metodologia eccezionale, in particolare sulla scala dello sviluppo di batterie per veicoli elettrici, dai rapporti con i produttori di celle agli ioni di litio alla costruzione di enormi fabbriche di batterie, comprese quelle con applicazioni non elettriche. mobilità.

Ma torniamo a BMW perché, a differenza di Tesla e di molti suoi concorrenti, l'azienda tedesca crede ancora nella mobilità dell'idrogeno. Di recente, un team guidato dal vicepresidente delle celle a combustibile a idrogeno della società, il dott. Jürgen Gouldner, ha presentato la cella a combustibile I-Hydrogen Next, un gruppo elettrogeno semovente alimentato da una reazione chimica a bassa temperatura. Questo momento segna il 10° anniversario del lancio dello sviluppo di veicoli a celle a combustibile di BMW e il 7° anniversario della collaborazione con Toyota sulle celle a combustibile. Tuttavia, la dipendenza della BMW dall'idrogeno risale a 40 anni fa ed è una "temperatura calda" molto più elevata.

Questo è più di un quarto di secolo di sviluppi da parte dell'azienda, in cui l'idrogeno viene utilizzato come carburante per i motori a combustione interna. Per gran parte di quel periodo, la società ha creduto che un motore a combustione interna alimentato a idrogeno fosse più vicino al consumatore rispetto a una cella a combustibile. Con un'efficienza di circa il 60% e una combinazione di un motore elettrico con un'efficienza superiore al 90%, un motore a celle a combustibile è molto più efficiente di un motore a combustione interna alimentato a idrogeno. Come vedremo nelle righe seguenti, con la loro iniezione diretta e il turbocompressore, i motori ridimensionati di oggi saranno estremamente adatti per fornire idrogeno, a condizione che siano presenti i sistemi di controllo della combustione e dell'iniezione adeguati. Ma mentre i motori a combustione interna alimentati a idrogeno sono in genere molto più economici di una cella a combustibile combinata con una batteria agli ioni di litio, non sono più all'ordine del giorno. Inoltre, i problemi della mobilità dell'idrogeno in entrambi i casi vanno ben oltre l'ambito del sistema di propulsione.

Eppure, perché l'idrogeno?

L'idrogeno è un elemento importante nel desiderio dell'umanità di utilizzare sempre più fonti energetiche alternative, come un ponte per accumulare energia dal sole, dal vento, dall'acqua e dalla biomassa convertendolo in energia chimica. In parole povere, ciò significa che l'elettricità prodotta da queste fonti naturali non può essere immagazzinata in grandi volumi, ma può essere utilizzata per produrre idrogeno mediante decomposizione dell'acqua in ossigeno e idrogeno.

Naturalmente, l'idrogeno può essere estratto anche da fonti di idrocarburi non rinnovabili, ma questo è stato a lungo inaccettabile quando si trattava di utilizzarlo come fonte di energia. È innegabile che i problemi tecnologici di produzione, stoccaggio e trasporto dell'idrogeno siano risolvibili: in pratica, anche adesso, enormi quantità di questo gas vengono prodotte e utilizzate come materie prime nell'industria chimica e petrolchimica. In questi casi, però, l'alto costo dell'idrogeno non è letale, poiché “fonde” all'alto costo dei prodotti in cui è coinvolto.

Tuttavia, il problema dell'utilizzo del gas leggero come fonte di energia e in grandi quantità è un po' più complicato. Da tempo gli scienziati scuotono la testa alla ricerca di una possibile alternativa strategica all'olio combustibile, e l'aumento della mobilità elettrica e dell'idrogeno potrebbero essere in stretta simbiosi. Al centro di tutto questo c'è un fatto semplice ma molto importante: l'estrazione e l'uso dell'idrogeno ruota attorno al ciclo naturale di combinazione e decomposizione dell'acqua... Se l'umanità migliora ed espande i metodi di produzione utilizzando fonti naturali come l'energia solare, il vento e l'acqua, l'idrogeno può essere prodotto e utilizzato in quantità illimitate senza emettere emissioni nocive.
produzione

Attualmente, nel mondo vengono prodotti oltre 70 milioni di tonnellate di idrogeno puro. La principale materia prima per la sua produzione è il gas naturale, che viene trasformato in un processo noto come "reforming" (metà del totale). Piccole quantità di idrogeno sono prodotte da altri processi, come l'elettrolisi dei composti del cloro, l'ossidazione parziale di olio pesante, la gassificazione del carbone, la pirolisi del carbone per la produzione di coke e il reforming della benzina. Circa la metà della produzione mondiale di idrogeno viene utilizzata per la sintesi di ammoniaca (che viene utilizzata come materia prima nella produzione di fertilizzanti), nella raffinazione del petrolio e nella sintesi del metanolo.

Questi schemi di produzione gravano sull'ambiente in misura diversa e, sfortunatamente, nessuno di essi offre un'alternativa significativa all'attuale status quo energetico, in primo luogo perché utilizzano fonti non rinnovabili e in secondo luogo perché la produzione emette sostanze indesiderate come l'anidride carbonica. Il metodo più promettente per la produzione di idrogeno in futuro rimane la decomposizione dell'acqua con l'ausilio dell'elettricità, conosciuta alle elementari. Tuttavia, la chiusura del ciclo dell'energia pulita è attualmente possibile solo utilizzando l'energia naturale e soprattutto solare ed eolica per generare l'elettricità necessaria per decomporre l'acqua. Secondo il dott. Gouldner, le moderne tecnologie "connesse" ai sistemi eolico e solare, comprese le piccole stazioni di idrogeno, dove quest'ultimo viene prodotto in loco, sono un nuovo grande passo in questa direzione.
luogo di stoccaggio

L'idrogeno può essere immagazzinato in grandi quantità sia in fase gassosa che liquida. I più grandi serbatoi di questo tipo, in cui l'idrogeno si trova a una pressione relativamente bassa, sono chiamati "contatori del gas". I serbatoi medi e piccoli sono progettati per immagazzinare idrogeno a una pressione di 30 bar, mentre i serbatoi speciali più piccoli (costosi dispositivi realizzati in acciaio speciale o materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio) mantengono una pressione costante di 400 bar.
L'idrogeno può anche essere immagazzinato in una fase liquida a -253°C per unità di volume contenente 1,78 volte più energia rispetto a quando immagazzinato a 700 bar - per ottenere la quantità equivalente di energia in idrogeno liquefatto per unità di volume, il gas deve essere compresso fino a 1250 bar. Grazie alla maggiore efficienza energetica dell'idrogeno refrigerato, BMW sta collaborando con il gruppo tedesco di refrigerazione Linde per i suoi primi sistemi, che ha sviluppato dispositivi criogenici all'avanguardia per liquefare e immagazzinare l'idrogeno. Gli scienziati offrono anche altre alternative, ma al momento meno applicabili, per lo stoccaggio dell'idrogeno, ad esempio lo stoccaggio sotto pressione in una speciale farina metallica, sotto forma di idruri metallici e altri.

Le reti di trasmissione dell'idrogeno esistono già in aree con un'alta concentrazione di impianti chimici e raffinerie di petrolio. In generale, la tecnica è simile a quella per il trasferimento di gas naturale, ma l'uso di quest'ultimo per i bisogni di idrogeno non è sempre possibile. Tuttavia, nel secolo scorso, molte case nelle città europee erano illuminate dal gas leggero della conduttura, che contiene fino al 50% di idrogeno e che viene utilizzato come combustibile per i primi motori a combustione interna stazionari. Il livello tecnologico di oggi consente già il trasporto transcontinentale di idrogeno liquefatto attraverso petroliere criogeniche esistenti, simili a quelle utilizzate per il gas naturale.

BMW e motore a combustione interna

"Acqua. L'unico prodotto finale di motori BMW puliti che utilizza idrogeno liquido invece del petrolio e consente a tutti di godere delle nuove tecnologie con la coscienza pulita.

Queste parole sono una citazione da una campagna pubblicitaria di una società tedesca all'inizio del 745 ° secolo. Dovrebbe promuovere una versione piuttosto esotica dell'idrogeno di XNUMX ore della casa automobilistica bavarese di punta. Esotico, perché, secondo BMW, il passaggio alle alternative ai carburanti a idrocarburi, che l'industria automobilistica ha alimentato fin dall'inizio, richiederà un cambiamento nell'intera infrastruttura industriale. A quel tempo, i bavaresi trovarono un promettente percorso di sviluppo non nelle celle a combustibile ampiamente pubblicizzate, ma nella conversione dei motori a combustione interna in idrogeno. BMW ritiene che il retrofit in questione sia un problema risolvibile e sta già facendo progressi significativi nel risolvere il compito principale di garantire prestazioni affidabili del motore ed eliminare la sua tendenza a processi di combustione incontrollati utilizzando idrogeno puro. Il successo in questa direzione è dovuto alla competenza nel campo del controllo elettronico dei processi del motore e alla capacità di utilizzare i sistemi brevettati BMW brevettati per la distribuzione flessibile del gas di Valvetronic e Vanos, senza i quali è impossibile garantire il normale funzionamento dei "motori a idrogeno".

I primi passi in questa direzione risalgono però al 1820, quando il progettista William Cecil creò un motore alimentato a idrogeno funzionante secondo il cosiddetto "principio del vuoto", uno schema completamente diverso da quello poi inventato con motore interno. bruciante. Nel suo primo sviluppo di motori a combustione interna 60 anni dopo, il pioniere Otto utilizzò il già citato gas sintetico derivato dal carbone con un contenuto di idrogeno di circa il 50%. Tuttavia, con l'invenzione del carburatore, l'uso della benzina è diventato molto più pratico e sicuro e il carburante liquido ha sostituito tutte le alternative fino ad oggi esistenti. Le proprietà dell'idrogeno come combustibile furono scoperte molti anni dopo dall'industria spaziale, che scoprì rapidamente che l'idrogeno aveva il miglior rapporto energia/massa di qualsiasi combustibile conosciuto dall'umanità.

Nel luglio 1998, l'Associazione europea dell'industria automobilistica (ACEA) si è impegnata a ridurre le emissioni di CO2 delle auto nuove immatricolate nell'Unione a una media di 140 grammi per chilometro entro il 2008. In pratica, ciò significa una riduzione del 25% delle emissioni rispetto al 1995 ed equivale a un consumo medio di carburante nella nuova flotta di circa 6,0 l / 100 km. Ciò rende estremamente difficile il compito delle case automobilistiche e, secondo gli esperti BMW, può essere risolto utilizzando un carburante a basse emissioni di carbonio o rimuovendo completamente il carbonio dalla composizione del carburante. Secondo questa teoria, l'idrogeno appare nella scena automobilistica in tutto il suo splendore.
La società bavarese sta diventando la prima casa automobilistica ad avviare la produzione in serie di auto a idrogeno. Dichiarazioni ottimistiche e fiduciose della BMW Burkhard Göschel, membro del consiglio di amministrazione della BMW responsabile dei nuovi sviluppi, che "la società venderà auto a idrogeno prima della scadenza della 7a serie", diventa realtà. Con la versione Hydrogen 7 della settima serie introdotta nel 2006, ha un motore a 12 cilindri da 260 CV. Questo messaggio sta diventando realtà.

L'intenzione sembra piuttosto ambiziosa, ma non senza ragione. La BMW ha sperimentato motori a combustione interna a idrogeno dal 1978, con la 5a serie (E12), la versione da 1984 ore della E 745 è stata introdotta nel 23 e l'11 maggio 2000 ha dimostrato le capacità uniche di questa alternativa. Una flotta impressionante di 15 CV La E 750 della "settimana" con motori a idrogeno a 38 cilindri ha corso una maratona di 12 km, dimostrando in modo particolarmente vivido il successo dell'azienda e le prospettive di nuove tecnologie. Nel 170 e 000, alcune di queste auto hanno continuato a partecipare a varie dimostrazioni per promuovere l'idea dell'idrogeno. Poi arriva un nuovo sviluppo, basato sulla prossima serie 2001, che utilizza un moderno motore a otto cilindri da 2002 litri e capace di una velocità massima di 7 km / h, seguito dall'ultimo sviluppo con un motore da sei litri a 4,4 cilindri.

Secondo l'opinione ufficiale dell'azienda, i motivi per cui BMW ha preferito questa tecnologia alle celle a combustibile hanno una base sia commerciale che psicologica. In primo luogo, questo metodo richiederà investimenti significativamente inferiori se le infrastrutture industriali cambiano. In secondo luogo, poiché le persone sono abituate al buon vecchio motore a combustione interna, lo adorano e sarà difficile separarsene. E in terzo luogo, perché allo stesso tempo questa tecnologia si sta sviluppando più velocemente della tecnologia delle celle a combustibile.

Nelle auto BMW, l'idrogeno è immagazzinato in un recipiente criogenico sovraisolato, una specie di bottiglia termica high-tech sviluppata dal gruppo di refrigerazione tedesco Linde. A basse temperature di stoccaggio, il carburante è in fase liquida ed entra nel motore come normale carburante.

I progettisti dell'azienda di Monaco utilizzano l'iniezione di carburante nei collettori di aspirazione e la qualità della miscela dipende dalla modalità di funzionamento del motore. In modalità a carico parziale, il motore funziona con miscele magre simili al diesel: cambia solo la quantità di carburante iniettato. Si tratta del cosiddetto “controllo di qualità” della miscela, in cui il motore gira con aria in eccesso, ma a causa del basso carico si riduce al minimo la formazione di emissioni di azoto. Quando c'è bisogno di una potenza importante, il motore inizia a funzionare come un motore a benzina, passando alla cosiddetta "regolazione quantitativa" della miscela e alle miscele normali (non magre). Questi cambiamenti sono possibili, da un lato, grazie alla velocità del controllo elettronico del processo nel motore, e dall'altro, grazie al funzionamento flessibile dei sistemi di controllo della distribuzione del gas - il "doppio" Vanos, che lavora in combinazione con il sistema di controllo dell'aspirazione Valvetronic senza acceleratore. Va tenuto presente che, secondo gli ingegneri BMW, lo schema di lavoro di questo sviluppo è solo una fase intermedia nello sviluppo della tecnologia e che in futuro i motori dovranno passare all'iniezione diretta di idrogeno nei cilindri e nel turbocompressore. Si prevede che l'applicazione di questi metodi porterà a un miglioramento delle prestazioni dinamiche della vettura rispetto a un motore a benzina simile e ad un aumento dell'efficienza complessiva del motore a combustione interna di oltre il 50%.

Un fatto di sviluppo interessante è che con gli ultimi sviluppi nei motori a combustione interna "a idrogeno", i progettisti di Monaco stanno entrando nel campo delle celle a combustibile. Usano tali dispositivi per alimentare la rete elettrica di bordo delle auto, eliminando completamente la batteria convenzionale. Grazie a questo passaggio, è possibile un ulteriore risparmio di carburante, poiché il motore a idrogeno non deve azionare l'alternatore e l'impianto elettrico di bordo diventa completamente autonomo e indipendente dal percorso di guida: può generare elettricità anche quando il motore non è in funzione, e la produzione e il consumo di energia possono essere completamente ottimizzati. Il fatto che ora sia possibile generare tutta l'elettricità necessaria per alimentare la pompa dell'acqua, le pompe dell'olio, il servofreno ei sistemi di cablaggio si traduce anche in ulteriori risparmi. Tuttavia, parallelamente a tutte queste innovazioni, il sistema di iniezione del carburante (benzina) non ha praticamente subito costose modifiche progettuali.

Al fine di promuovere le tecnologie dell'idrogeno nel giugno 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN hanno creato il programma di partnership CleanEnergy, che ha iniziato la sua attività con lo sviluppo di stazioni di rifornimento di GPL. e idrogeno compresso. In essi, parte dell'idrogeno viene prodotto in loco utilizzando l'elettricità solare, e quindi compresso, e grandi quantità liquefatte provengono da speciali stazioni di produzione e tutti i vapori della fase liquida vengono automaticamente trasferiti al giacimento del gas.
BMW ha avviato una serie di altri progetti comuni, anche con compagnie petrolifere, tra cui i partecipanti più attivi sono Aral, BP, Shell, Total.
Tuttavia, perché BMW rifiuta queste soluzioni tecnologiche e si concentra ancora sulle celle a combustibile, lo diremo in un altro articolo di questa serie.

Idrogeno nei motori a combustione interna

È interessante notare che, a causa delle proprietà fisiche e chimiche dell'idrogeno, è molto più infiammabile della benzina. In pratica, ciò significa che è necessaria molta meno energia iniziale per avviare il processo di combustione dell'idrogeno. D'altra parte, i motori a idrogeno possono facilmente utilizzare miscele molto "cattive", cosa che i moderni motori a benzina ottengono grazie a tecnologie complesse e costose.

Il calore tra le particelle della miscela idrogeno-aria è meno dissipato e, allo stesso tempo, la temperatura di autoaccensione è molto più alta, così come la velocità dei processi di combustione rispetto alla benzina. L'idrogeno ha una bassa densità e una forte diffusività (la possibilità che le particelle entrino in un altro gas, in questo caso l'aria).

È la bassa energia di attivazione necessaria per l'autoaccensione che è uno dei maggiori problemi nel controllo dei processi di combustione nei motori a idrogeno, perché la miscela può facilmente accendersi spontaneamente a causa del contatto con le aree più calde nella camera di combustione e della resistenza a seguito di una catena di processi completamente incontrollati. Evitare questo rischio è uno dei maggiori problemi nella progettazione dei motori a idrogeno, ma non è così facile eliminare le conseguenze del fatto che una miscela di combustione altamente dispersa si avvicina molto alle pareti del cilindro e può penetrare in spazi estremamente stretti. per esempio, lungo le valvole chiuse ... Tutto ciò deve essere preso in considerazione durante la progettazione di questi motori.

L'elevata temperatura di autoaccensione e un elevato numero di ottano (circa 130) possono aumentare il grado di compressione del motore e, di conseguenza, la sua efficienza, ma ancora una volta sussiste il pericolo di autoaccensione dell'idrogeno a contatto con la parte più calda. nel cilindro. Il vantaggio dell'elevata capacità di diffusione dell'idrogeno è la possibilità di una facile miscelazione con l'aria, che in caso di rottura di un serbatoio garantisce una dispersione rapida e sicura del carburante.

La miscela aria-idrogeno ideale per la combustione ha un rapporto di circa 34:1 (per la benzina questo rapporto è 14,7:1). Ciò significa che combinando la stessa massa di idrogeno e benzina nel primo caso, è necessaria più del doppio di aria. Allo stesso tempo, la miscela idrogeno-aria occupa molto più spazio, il che spiega perché i motori a idrogeno hanno meno potenza. Un'illustrazione puramente digitale di rapporti e volumi è piuttosto eloquente: la densità dell'idrogeno pronto per la combustione è 56 volte inferiore alla densità del vapore di benzina ... Tuttavia, va notato che, in generale, i motori a idrogeno possono funzionare con miscele d'aria . idrogeno in rapporti fino a 180:1 (cioè con miscele molto "cattive"), il che a sua volta significa che il motore può funzionare senza acceleratore e utilizzare il principio dei motori diesel. Va anche detto che l'idrogeno è il leader indiscusso nel confronto tra idrogeno e benzina come fonte di energia di massa: un chilogrammo di idrogeno ha quasi tre volte più energia per chilogrammo di benzina.

Come per i motori a benzina, l'idrogeno liquefatto può essere iniettato direttamente prima delle valvole nei collettori, ma la soluzione migliore è l'iniezione direttamente durante la fase di compressione: in questo caso la potenza può superare del 25% quella di un motore a benzina comparabile. Questo perché il carburante (idrogeno) non sposta l'aria come con un motore a benzina o diesel, consentendo alla camera di combustione di riempirsi solo con aria (molto più del solito). Inoltre, a differenza dei motori a benzina, l'idrogeno non necessita di vortici strutturali, poiché l'idrogeno senza questa misura si diffonde abbastanza bene con l'aria. A causa delle diverse velocità di combustione nelle diverse parti del cilindro, è meglio installare due candele e nei motori a idrogeno l'uso di elettrodi di platino non è adatto, poiché il platino diventa un catalizzatore che porta all'ossidazione del carburante anche a basse temperature .

Opzione Mazda

Anche la società giapponese Mazda mostra la sua versione del motore a idrogeno, sotto forma di un blocco rotante nell'auto sportiva RX-8. Ciò non sorprende, poiché le caratteristiche di progettazione del motore Wankel sono estremamente adatte all'utilizzo dell'idrogeno come carburante.
Il gas viene immagazzinato ad alta pressione in un serbatoio speciale e il carburante viene iniettato direttamente nelle camere di combustione. A causa del fatto che nel caso dei motori rotativi, le zone in cui avvengono l'iniezione e la combustione sono separate e la temperatura nella parte di ingresso è inferiore, il problema con la possibilità di accensione incontrollata è significativamente ridotto. Il motore Wankel offre anche ampio spazio per due iniettori, il che è cruciale per iniettare la quantità ottimale di idrogeno.

H2R

La H2R è un prototipo supersportivo funzionante realizzato dagli ingegneri BMW e spinto da un motore 12 cilindri che raggiunge una potenza massima di 285 CV. quando si lavora con l'idrogeno. Grazie a loro, il modello sperimentale accelera da 0 a 100 km/h in sei secondi e raggiunge una velocità massima di 300 km/h.Il motore H2R si basa sul top standard utilizzato nella 760i a benzina e ha impiegato solo dieci mesi per svilupparsi .

Per prevenire la combustione spontanea, gli specialisti bavaresi hanno sviluppato una strategia speciale per i cicli di flusso e iniezione nella camera di combustione, sfruttando le possibilità offerte dal sistema di fasatura variabile delle valvole del motore. Prima che la miscela entri nei cilindri, questi ultimi vengono raffreddati dall'aria e l'accensione avviene solo nel punto morto superiore - a causa dell'elevata velocità di combustione con l'idrogeno, non è necessario l'anticipo dell'accensione.