Test drive BMW e idrogeno: seconda parte
Test di guida

Test drive BMW e idrogeno: seconda parte

Test drive BMW e idrogeno: seconda parte

"Acqua. L'unico prodotto finale dei motori puliti di BMW è l'utilizzo di idrogeno liquido invece dei carburanti derivati ​​dal petrolio e consente a tutti di godere delle nuove tecnologie con la coscienza pulita".

Modo BMW

Queste parole sono una citazione da una campagna pubblicitaria di un'azienda tedesca diversi anni fa. Per molto tempo nessuno ha messo in dubbio il fatto che i bavaresi sappiano molto bene cosa stanno facendo quando si tratta di tecnologia dei motori e sono uno dei leader mondiali indiscussi in questo campo. Né si penserebbe che un'azienda che ha mostrato una solida crescita delle vendite negli ultimi anni butti un sacco di soldi in annunci poco conosciuti per tecnologie promettenti con un futuro incerto.

Allo stesso tempo, però, le parole citate fanno parte di una campagna per promuovere una versione a idrogeno da 745 ore piuttosto esotica dell'ammiraglia della casa automobilistica bavarese. Esotico, perché secondo BMW, il passaggio alle alternative agli idrocarburi, che l'industria automobilistica ha alimentato fin dall'inizio, richiederà un cambiamento dell'intera infrastruttura produttiva. Quest'ultimo è necessario perché i bavaresi vedono un percorso di sviluppo promettente non nelle celle a combustibile ampiamente pubblicizzate, ma nella conversione dei motori a combustione interna per funzionare a idrogeno. BMW ritiene che l'aggiornamento sia un problema risolvibile e ha già compiuto progressi significativi nella risoluzione del problema principale di ottenere prestazioni affidabili del motore ed eliminare la sua propensione a processi di combustione incontrollata utilizzando idrogeno puro. Il successo in questa direzione è dovuto alla competenza nel campo del controllo elettronico dei processi del motore e alla possibilità di utilizzare i sistemi flessibili di distribuzione del gas brevettati BMW Valvetronic e Vanos, senza i quali sarebbe impossibile garantire il normale funzionamento dei "motori a idrogeno" . Tuttavia, i primi passi in questa direzione risalgono al 1820, quando il progettista William Cecil creò un motore alimentato a idrogeno funzionante secondo il cosiddetto "principio del vuoto", uno schema molto diverso da quello del motore a motore interno inventato successivamente. . 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 riscoperte 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 con l'Unione europea a ridurre le emissioni di CO2008 dei veicoli di nuova immatricolazione nell'Unione in media di 2 grammi per chilometro per 140. In pratica, ciò ha significato una riduzione delle emissioni del 25% rispetto al 1995, e il consumo medio di carburante della nuova flotta è stato di circa 6,0 l / 100 km. Nel prossimo futuro, si prevede che ulteriori misure per ridurre le emissioni di anidride carbonica del 14% entro il 2012. Questo rende il compito delle case automobilistiche estremamente difficile e, secondo gli esperti BMW, può essere risolto utilizzando combustibili a basso tenore di carbonio o eliminando completamente il carbonio dalla composizione del carburante. Secondo questa teoria, l'idrogeno sta riapparendo nell'arena automobilistica in tutto il suo splendore.

L'azienda bavarese è diventata la prima casa automobilistica a produrre in serie veicoli alimentati a idrogeno. Le affermazioni ottimistiche e fiduciose del professor Burkhard Geschel, membro del consiglio di amministrazione di BMW responsabile dei nuovi sviluppi, secondo cui "la società venderà auto a idrogeno prima della scadenza dell'attuale Serie 7" si sono avverate. Con la sua ultima versione Hydrogen 7, la settima serie, introdotta nel 2006, con un motore a 12 cilindri da 260 CV. questo messaggio è già diventato realtà. L'intenzione sembrava abbastanza ambiziosa, ma non senza ragione. BMW ha sperimentato motori a combustione interna funzionanti a idrogeno dal 1978 e l'11 maggio 2000 ha dato una dimostrazione unica delle possibilità di questa alternativa. Un'impressionante flotta di 15 veicoli da 750 hl della precedente generazione della settimana, alimentati da motori a dodici cilindri a idrogeno, ha completato la maratona di 170 km, evidenziando il successo dell'azienda e la promessa di nuove tecnologie. Nel 000 e 2001, alcuni di questi veicoli hanno continuato a prendere parte a varie dimostrazioni a sostegno dell'idea dell'idrogeno. Poi è arrivato il momento di un nuovo sviluppo, basato sulla prossima Serie 2002, utilizzando un moderno motore V-7 da 4,4 litri in grado di raggiungere una velocità massima di 212 km / h, seguito dall'ultimo sviluppo con un 12 cilindri V-XNUMX. Secondo l'opinione ufficiale dell'azienda, i motivi per cui BMW ha scelto questa tecnologia rispetto alle celle a combustibile sono sia commerciali che psicologici. In primo luogo, questo metodo richiederà investimenti notevolmente inferiori se l'infrastruttura di produzione cambia. In secondo luogo, poiché le persone sono abituate al buon vecchio motore a combustione interna, gli piace e sarà difficile separarsene. E terzo, nel frattempo, è emerso che questa tecnologia si sta sviluppando più velocemente della tecnologia delle celle a combustibile.

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

In questa fase, i progettisti dell'azienda di Monaco si sono concentrati sull'iniezione indiretta di carburante 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 gasolio: la modifica viene effettuata solo nella quantità di carburante iniettata. Questo è il cosiddetto "controllo di qualità" della miscela, in cui il motore funziona con aria in eccesso, ma a causa del basso carico, la formazione di emissioni di azoto è ridotta al minimo. Quando c'è bisogno di una potenza significativa, il motore inizia a funzionare come un motore a benzina, passando al cosiddetto "controllo quantitativo" della miscela e delle miscele normali (non magre). Questi cambiamenti sono possibili, da un lato, grazie alla velocità del controllo elettronico dei processi nel motore e, dall'altro, grazie al funzionamento flessibile dei sistemi di controllo della distribuzione del gas - "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 passeranno all'iniezione diretta di idrogeno nei cilindri e alla sovralimentazione. Queste tecniche dovrebbero portare a una migliore dinamica del veicolo rispetto a un motore a benzina comparabile e un aumento dell'efficienza complessiva del motore a combustione interna di oltre il 50%. Qui abbiamo deliberatamente evitato di toccare il tema delle "celle a combustibile", poiché questo problema è stato utilizzato abbastanza attivamente di recente. Allo stesso tempo, però, dobbiamo menzionarli nell'ambito della tecnologia a idrogeno di BMW, poiché i progettisti di Monaco hanno deciso di utilizzare proprio tali dispositivi per alimentare la rete elettrica di bordo delle auto, eliminando completamente l'energia delle batterie convenzionali. Questa mossa consente 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, oltre a produrre e consumare energia si presta a una piena ottimizzazione. Il fatto che ora sia possibile produrre solo la quantità di elettricità necessaria per alimentare la pompa dell'acqua, le pompe dell'olio, il servofreno e i sistemi cablati 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 di progettazione. Per promuovere la tecnologia dell'idrogeno nel giugno 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN hanno creato il programma di partnership CleanEnergy, che è iniziato con lo sviluppo di stazioni di rifornimento con idrogeno liquefatto e compresso.

BMW è l'iniziatore di una serie di altri progetti congiunti, anche con compagnie petrolifere, tra cui i partecipanti più attivi sono Aral, BP, Shell, Total. L'interesse per questo settore promettente sta crescendo in modo esponenziale: nei prossimi dieci anni, l'UE da sola fornirà contributi finanziari diretti ai fondi per finanziare lo sviluppo e l'implementazione delle tecnologie dell'idrogeno per un importo di 2,8 miliardi di euro. Il volume degli investimenti da parte di società private nello sviluppo dell '"idrogeno" in questo periodo è difficile da prevedere, ma è chiaro che supererà molte volte le detrazioni delle organizzazioni no profit.

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, miscele molto magre possono essere facilmente utilizzate nei motori a idrogeno, 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 e la velocità dei processi di combustione sono molto più elevate di quella della benzina. L'idrogeno ha una bassa densità e una forte diffusività (la possibilità che le particelle penetrino in un altro gas, in questo caso l'aria).

La bassa energia di attivazione richiesta per l'autoaccensione è una delle maggiori sfide 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 della camera di combustione e della resistenza a seguire una catena di processi completamente incontrollati. Evitare questo rischio è una delle maggiori sfide nello sviluppo di motori a idrogeno, ma non è facile eliminare le conseguenze del fatto che una miscela di combustione altamente diffusa viaggia molto vicino alle pareti del cilindro e può penetrare in fessure estremamente strette. come le valvole chiuse, per esempio... Tutto questo deve essere tenuto in considerazione quando si progettano questi motori.

Un'elevata temperatura di autoaccensione e un elevato numero di ottani (circa 130) consentono un aumento del rapporto di compressione del motore e, quindi, della sua efficienza, ma anche in questo caso c'è il pericolo di autoaccensione dell'idrogeno al 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 avaria del serbatoio garantisce una rapida e sicura dispersione 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 alimentati 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 a quella del vapore di benzina .... Tuttavia, va notato che, in linea di principio, i motori a idrogeno possono funzionare anche con miscele aria-idrogeno fino a 180:1 (cioè miscele molto "magre"), il che a sua volta significa che il motore può essere azionato. senza valvola a farfalla e utilizzare il principio dei motori diesel. Va anche notato che l'idrogeno è il leader indiscusso nel confronto tra idrogeno e benzina come fonti di energia in termini di massa: un chilogrammo di idrogeno consuma quasi tre volte più energia di un 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 simile. Questo perché il carburante (idrogeno) non sposta l'aria come in un motore a benzina o diesel, consentendo solo all'aria (molto più del solito) di riempire la camera di combustione. Inoltre, a differenza dei motori a benzina, i motori a idrogeno non necessitano di vortici strutturali perché l'idrogeno si diffonde abbastanza bene con l'aria senza questa misura. A causa delle diverse velocità di combustione nelle diverse parti del cilindro, è meglio posizionare due candele e nei motori a idrogeno l'uso di elettrodi di platino non è pratico, poiché il platino diventa un catalizzatore che porta all'ossidazione del carburante a basse temperature.

H2R

La H2R è un prototipo supersportivo funzionante costruito dagli ingegneri BMW e alimentato da un motore a dodici cilindri che raggiunge una potenza massima di 285 CV se alimentato a 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 sull'unità di fascia alta standard utilizzata nella 760i a benzina e ha impiegato solo dieci mesi per svilupparsi. Per prevenire la combustione spontanea, gli specialisti bavaresi hanno sviluppato uno speciale ciclo di flusso e una strategia di iniezione nella camera di combustione, sfruttando le possibilità offerte dai sistemi 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 idrogeno, non è necessario l'anticipo dell'accensione.

risultati

L'analisi finanziaria della transizione verso l'energia pulita dell'idrogeno non è ancora molto ottimistica. La produzione, lo stoccaggio, il trasporto e la fornitura di gas leggero sono ancora processi ad alta intensità energetica e allo stadio tecnologico attuale dello sviluppo umano un tale schema non può essere efficace. Tuttavia, questo non significa che la ricerca e la ricerca di soluzioni non continueranno. Le proposte per generare idrogeno dall'acqua utilizzando l'elettricità dai pannelli solari e immagazzinarlo in grandi serbatoi suonano ottimistiche. D'altra parte, il processo di generazione di elettricità e idrogeno in fase gassosa nel deserto del Sahara, trasportandolo nel Mar Mediterraneo tramite gasdotto, liquefacendo e trasportandolo con petroliere criogeniche, scaricandolo nei porti e infine trasportandolo su camion suona un po 'ridicolo al momento ...

Un'idea interessante è stata recentemente presentata dalla compagnia petrolifera norvegese Norsk Hydro, che ha proposto di produrre idrogeno dal gas naturale nei siti di produzione nel Mare del Nord, e il monossido di carbonio residuo è stato immagazzinato in campi esauriti sotto il fondo del mare. La verità sta da qualche parte nel mezzo e solo il tempo dirà dove andrà lo sviluppo dell'industria dell'idrogeno.

Variante Mazda

Anche la società giapponese Mazda mostra la sua versione del motore a idrogeno, sotto forma di un'auto sportiva a unità rotante RX-8. Ciò non sorprende, perché 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. Grazie al fatto che nel caso dei motori rotativi le zone in cui avvengono l'iniezione e la combustione sono separate e la temperatura nella parte aspirante è più bassa, il problema della possibilità di accensione incontrollata è notevolmente ridotto. Il motore Wankel offre anche spazio sufficiente per due iniettori, che è estremamente importante per iniettare la quantità ottimale di idrogeno.

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