BMW のテストドライブと水素: パート XNUMX

"水。 BMW のクリーンエンジンの唯一の最終製品は、石油燃料の代わりに液体水素を使用し、誰もが明確な良心をもって新しい技術を享受できるようにすることです。」

BMWウェイ

これらの言葉は、数年前のドイツ企業の広告キャンペーンからの引用です。長い間、バイエルン州の人々が自動車技術に関して自分たちが何をしているかをよく知っており、この分野で議論の余地のない世界的リーダーの XNUMX つであるという事実に疑問を呈する人はいませんでした。また、近年堅調な売上成長を示している企業が、将来が不確実な有望な技術のあまり知られていない広告に大量のお金を投じるとは考えられません。

しかし同時に、引用された言葉は、バイエルンの自動車メーカーの旗艦のかなりエキゾチックな 745 時間の水素バージョンを宣伝するキャンペーンの一部です。 BMWによると、自動車業界が最初から供給してきた炭化水素燃料の代替品への移行には、生産インフラ全体の変更が必要になるため、エキゾチックです。バイエルン州の人々は、広く宣伝されている燃料電池ではなく、内燃機関を水素で動かすことに有望な開発経路を見ているため、後者が必要です。 BMW は、アップグレードは解決可能な問題であり、信頼性の高いエンジン性能を実現し、純粋な水素を使用して制御されていない燃焼プロセスの傾向を排除するという主な問題の解決において、すでに大きな進歩を遂げていると考えています。この方向での成功は、エンジンプロセスの電子制御の分野における能力と、BMW の特許取得済みの柔軟なガス分配システム Valvetronic および Vanos を使用する可能性によるものです。これがなければ、「水素エンジン」の正常な動作を保証することは不可能です。 . しかし、この方向への最初のステップは 1820 年にさかのぼります。この時、デザイナーのウィリアム・セシルは、いわゆる「真空原理」で動作する水素燃料エンジンを作成しました。 . 燃焼。 60 年後の彼の最初の内燃エンジンの開発で、パイオニアのオットーは、水素含有量が約 50% の、前述の石炭由来の合成ガスを使用しました。しかし、キャブレターの発明により、ガソリンの使用ははるかに実用的かつ安全になり、液体燃料はこれまで存在していた他のすべての代替手段に取って代わりました. 燃料としての水素の特性は、何年も後に宇宙産業によって再発見されました。宇宙産業は、水素が人類に知られているあらゆる燃料の中で最高のエネルギー/質量比を持っていることをすぐに発見しました.

1998年2008月、欧州自動車産業協会（ACEA）は、EUに新たに登録された車両からのCO2排出量を140キロメートルあたり平均25グラム、1995削減することを約束しました。実際には、これは6,0年と比較して排出量を100％削減することを意味し、新しい艦隊の平均燃料消費量は約14 l / 2012 kmでした。近い将来、追加の対策により、XNUMX年までに二酸化炭素排出量がXNUMX％削減されると予想されています。これは自動車会社の仕事を非常に困難にし、BMWの専門家によると、低炭素燃料を使用するか、燃料組成から炭素を完全に取り除くことによって解決できるとのことです。この理論によれば、水素はその栄光の中で自動車の舞台に再び現れています。

バイエルン州の会社は、水素自動車を量産した最初の自動車メーカーになりました。新しい開発を担当するBMWの取締役会メンバーであるBurkhard Geschel教授の「現在の7シリーズの期限が切れる前に水素自動車を販売する」という楽観的で自信に満ちた主張が実現しました。 7年に発売された第2006シリーズであるHydrogen 12の最新バージョンは、260 hp 1978シリンダーエンジンを搭載しています。このメッセージはすでに現実のものとなっています。その意図はかなり野心的なようでしたが、理由がないわけではありません。 BMWは11年以来、水素で稼働する内燃機関を実験しており、2000年15月750日にこの代替案の可能性を独自に実証しました。水素170気筒エンジンを搭載した前世代の000 2001 hl車の印象的な艦隊は、2002万kmのマラソンを完走し、会社の成功と新技術の可能性を際立たせました。 7年と4,4年、これらの車両の一部は、水素のアイデアをサポートするさまざまなデモンストレーションに参加し続けました。次に、最高速度212 km / hの最新の12リッターV-XNUMXエンジンを使用した次のXNUMXシリーズをベースにした新しい開発の時期が来ました。次に、XNUMX気筒V-XNUMXを搭載した最新の開発が続きます。同社の公式見解によると、BMWが燃料電池よりもこの技術を選択した理由は、商業的および心理的なものです。まず、この方法では、生産インフラストラクチャが変更された場合に必要な投資が大幅に少なくなります。第二に、人々は古き良き内燃機関に慣れているのでそれを好み、手放すのが難しいでしょう。そして第三に、その間に、この技術は燃料電池技術よりも速く開発されていることが判明しました。

BMW車では、ドイツの冷凍グループLindeが開発したハイテク魔法瓶のような超断熱極低温容器に水素が貯蔵されています。保管温度が低いと、燃料は液相になり、通常の燃料のようにエンジンに入ります。

この段階では、ミュンヘンに本拠を置く会社の設計者は間接燃料噴射に焦点を合わせており、混合気の品質はエンジンの動作モードに依存します。部分負荷モードでは、エンジンはディーゼル燃料と同様の希薄混合気で作動します - 変更は噴射される燃料の量のみで行われます。これは混合気のいわゆる「品質管理」であり、エンジンは過剰な空気で作動しますが、負荷が低いため、窒素放出の形成が最小限に抑えられます。大きな出力が必要になると、エンジンはガソリンエンジンのように作動し始め、混合気と通常の（希薄ではない）混合気のいわゆる「定量的制御」に移ります。これらの変更は、一方ではエンジン内のプロセスの電子制御の速度により、他方ではガス分配制御システムの柔軟な操作により可能になります-「ダブル」Vanosは、スロットルのないバルブトロニック吸気制御システム。 BMWのエンジニアによると、この開発の作業計画は技術開発の中間段階に過ぎず、将来的にはエンジンがシリンダーへの直接水素注入とターボチャージャーに切り替わることに留意する必要があります。これらの技術により、同等のガソリンエンジンよりも優れた車両ダイナミクスが得られ、内燃エンジンの全体的な効率が50％以上向上することが期待されます。最近、この問題が非常に活発に使用されているため、ここでは「燃料電池」のトピックに触れることを意図的に控えました。しかし同時に、ミュンヘンの設計者はこのようなデバイスを使用して自動車の車載電気ネットワークに電力を供給し、従来のバッテリー電源を完全に排除することを決定したため、BMWの水素技術の文脈でそれらに言及する必要があります。この動きにより、水素エンジンがオルタネーターを駆動する必要がなくなり、搭載された電気システムが完全に自律的になり、駆動経路から独立するため、さらなる燃料の節約が可能になります。エネルギーを消費することは、完全な最適化に役立ちます。ウォーターポンプ、オイルポンプ、ブレーキブースター、有線システムに電力を供給するために必要なだけの電力しか生成できないという事実も、さらなる節約につながります。しかし、これらすべての革新と並行して、燃料噴射システム（ガソリン）は実際には高価な設計変更を受けませんでした。 2002年XNUMX月に水素技術を促進するために、BMW Group、Aral、BVG、DaimlerChrysler、Ford、GHW、Linde、Opel MANは、液化および圧縮水素を充填するステーションの開発から始まったCleanEnergyパートナーシッププログラムを作成しました。

BMW は、石油会社を含む他の多くの共同プロジェクトの開始者であり、その中で最も積極的な参加者は Aral、BP、Shell、Total です。この有望な分野への関心は飛躍的に高まっており、今後 2,8 年間で、EU だけで XNUMX 億ユーロの水素技術の開発と実施に資金を提供するための資金に直接的な財政的貢献を提供する予定です。この時期の「水素」開発における民間企業の投資額は予測が難しいが、非営利団体からの控除額を何倍も上回ることは明らかだ。

内燃機関の水素

興味深いことに、水素の物理的および化学的特性により、ガソリンよりもはるかに可燃性が高くなります。実際には、これは、水素の燃焼プロセスを開始するために必要な初期エネルギーがはるかに少ないことを意味します。一方、非常に希薄な混合気は、水素エンジンで簡単に使用できます。これは、最新のガソリンエンジンが複雑で高価な技術によって実現するものです。

水素と空気の混合物の粒子間の熱はあまり放散されず、同時に、自己着火温度と燃焼プロセスの速度はガソリンのそれよりもはるかに高くなります。水素は密度が低く、拡散性が強い (粒子が別のガス (この場合は空気) に浸透する可能性がある)。

自己着火に必要な活性化エネルギーが低いことは、水素エンジンの燃焼プロセスを制御する際の最大の課題の XNUMX つです。これは、燃焼室内のより高温の領域との接触と、完全に制御されていない一連のプロセスに従うことへの抵抗により、混合気が容易に自然発火する可能性があるためです。このリスクを回避することは、水素エンジンの開発における最大の課題の XNUMX つですが、非常に拡散した燃焼混合物がシリンダー壁のすぐ近くを移動し、非常に狭い隙間に浸透する可能性があるという事実の結果を排除することは容易ではありません。たとえば、閉じたバルブなど... これらのモーターを設計するときは、これらすべてを考慮する必要があります。

自己発火温度が高く、オクタン価が高い（約130）と、エンジンの圧縮比を上げることができるため、エンジンの効率が向上しますが、高温部との接触による水素の自己発火の危険があります。シリンダー内。水素の高い拡散能力の利点は、空気と簡単に混合できることです。これにより、タンクが故障した場合に、燃料の迅速かつ安全な分散が保証されます。

燃焼に理想的な空気と水素の混合比は、約 34:1 です (ガソリンの場合、この比率は 14,7:1)。これは、最初のケースで同じ質量の水素とガソリンを組み合わせると、56 倍以上の空気が必要になることを意味します。同時に、水素と空気の混合物はかなり多くのスペースを占有します。これが、水素駆動エンジンの出力が低い理由を説明しています。比率と体積の純粋なデジタル図は非常に雄弁です - 燃焼の準備が整った水素の密度は、ガソリン蒸気の密度の 180 分の 1 です .... ただし、原則として、水素エンジンは XNUMX:XNUMX までの空気と水素の混合気 (つまり、非常に「希薄な」混合気) で作動することもできます。これは、エンジンを作動させることができることを意味します。スロットルバルブがなく、ディーゼルエンジンの原理を利用しています。また、エネルギー源としての水素とガソリンの質量の比較において、水素は議論の余地のないリーダーであることに注意する必要があります。

ガソリンエンジンと同様に、液化水素はマニホールド内のバルブの前に直接噴射できますが、最良の解決策は圧縮行程中に直接噴射することです。この場合、出力は同様のガソリンエンジンの出力を 25% 上回ることができます。これは、燃料 (水素) がガソリンやディーゼルエンジンのように空気を置換せず、空気だけ (通常よりも大幅に多い) が燃焼室を満たすためです。また、ガソリンエンジンとは異なり、水素エンジンは構造的な渦巻きを必要としません。これは、水素が空気と十分に拡散するためです。シリンダーのさまざまな部分で燃焼速度が異なるため、XNUMX つのスパークプラグを配置することをお勧めします。また、水素エンジンでは、白金が低温で燃料の酸化を引き起こす触媒になるため、白金電極の使用は実用的ではありません。

H2R

H2R は、BMW のエンジニアによって製造された実用的なスーパースポーツプロトタイプであり、水素を動力源とする場合に最大出力 285 馬力に達する 0 気筒エンジンを搭載しています。それらのおかげで, 実験モデルは 100 から 300 km/h まで 2 秒で加速し、760 km/h の最高速度に達します. HXNUMXR エンジンは、ガソリン XNUMXi で使用される標準のトップエンドユニットに基づいており、わずか XNUMX 時間しかかかりませんでした開発に数か月。自然発火を防ぐために、バイエルンの専門家は、エンジンの可変バルブタイミングシステムによって提供される可能性を利用して、特別なフローサイクルと燃焼室への噴射戦略を開発しました。混合物がシリンダーに入る前に、後者は空気によって冷却され、点火は上死点でのみ行われます-水素燃料による燃焼率が高いため、点火アドバンスは必要ありません。

所見

純粋な水素エネルギーへの移行に関する財務分析は、まだあまり楽観的ではありません。軽質ガスの生産、貯蔵、輸送、供給は依然として非常にエネルギー集約的なプロセスであり、人間開発の現在の技術段階では、そのようなスキームは効果的ではありません。ただし、これは調査と解決策の探索が継続されないことを意味するものではありません。ソーラーパネルの電気を使って水から水素を作り、それを大きなタンクに貯蔵するという提案は楽観的です。一方、サハラ砂漠の気相で電気と水素を生成し、パイプラインで地中海に輸送し、極低温タンカーで液化して輸送し、港で荷降ろしし、最終的にトラックで輸送するプロセスは、現時点では少しばかげているように聞こえます...

北海の生産現場で天然ガスから水素を生産することを提案したノルウェーの石油会社Norsk Hydroによって興味深いアイデアが最近発表され、残留一酸化炭素は海底の枯渇した畑に貯蔵されました。真実は真ん中のどこかにあり、水素産業の発展がどこに向かうのかを知るのは時がきている。

マツダバリアント

日本企業のマツダも、ロータリーユニットスポーツカーRX-8の形で、水素エンジンのバージョンを展示しています。ヴァンケルエンジンの設計上の特徴は、水素を燃料として使用するのに非常に適しているため、これは驚くべきことではありません。ガスは特別なタンクに高圧で貯蔵され、燃料は燃焼室に直接噴射されます。ロータリーエンジンの場合、噴射と燃焼が行われる領域が分離されており、吸入部分の温度が低いという事実により、制御されていない点火の可能性の問題が大幅に減少します。ヴァンケルエンジンは、最適な量の水素を噴射するために非常に重要な XNUMX つのインジェクター用の十分なスペースも提供します。