Bandomasis važiavimas BMW ir vandenilis: antra dalis

"Vanduo. Vienintelis galutinis BMW švarių variklių produktas yra skysto vandenilio naudojimas vietoj naftos degalų ir suteikiantis galimybę kiekvienam ramia sąžine mėgautis naujomis technologijomis.

BMW būdas

Šie žodžiai yra citata iš prieš kelerius metus vykdytos Vokietijos įmonės reklaminės kampanijos. Ilgą laiką niekas neabejojo ​​tuo, kad bavarai puikiai žino, ką daro, kai kalbama apie variklių technologijas, ir yra vieni neabejotinų šios srities lyderių pasaulyje. Taip pat nebūtų galima pagalvoti, kad įmonė, kuri pastaraisiais metais demonstravo solidų pardavimų augimą, išmes daug pinigų mažai žinomiems, perspektyvių technologijų, kurių ateitis neaiški, skelbimus.

Tačiau kartu cituojami žodžiai yra dalis kampanijos, kuria siekiama reklamuoti gana egzotišką Bavarijos automobilių gamintojo flagmano 745 valandų vandenilio versiją. Egzotika, nes, pasak BMW, perėjus prie angliavandenilių kuro alternatyvų, kuriomis automobilių pramonė maitinasi nuo pat pradžių, reikės keisti visą gamybos infrastruktūrą. Pastarasis būtinas, nes perspektyvų plėtros kelią bavarai mato ne plačiai reklamuojamuose kuro elementuose, o vidaus degimo variklių pakeitime dirbti vandeniliu. BMW mano, kad atnaujinimas yra išsprendžiama problema ir jau padarė didelę pažangą sprendžiant pagrindinę problemą – pasiekti patikimą variklio darbą ir pašalinti jo polinkį į nekontroliuojamus degimo procesus naudojant gryną vandenilį. Sėkmę šia kryptimi lėmė kompetencija variklio procesų elektroninio valdymo srityje bei galimybė panaudoti BMW patentuotas lanksčias dujų paskirstymo sistemas Valvetronic ir Vanos, be kurių būtų neįmanoma užtikrinti normalaus „vandenilio variklių“ veikimo. . Tačiau pirmieji žingsniai šia kryptimi datuojami 1820 m., kai dizaineris Williamas Cecilis sukūrė vandeniliu varomą variklį, veikiantį vadinamuoju „vakuuminiu principu“ – schema labai skiriasi nuo vėliau išrasto variklio su vidiniu varikliu. . deginimas. Pirmą kartą savo vidaus degimo variklių kūrime po 60 metų pradininkas Otto panaudojo jau minėtas ir iš anglies gautas sintetines dujas, kuriose vandenilio kiekis siekė apie 50%. Tačiau išradus karbiuratorių, benzino naudojimas tapo daug praktiškesnis ir saugesnis, o skystasis kuras pakeitė visas kitas iki šiol buvusias alternatyvas. Vandenilio, kaip kuro, savybes po daugelio metų iš naujo atrado kosmoso pramonė, kuri greitai išsiaiškino, kad vandenilis turi geriausią energijos ir masės santykį iš bet kurio žmonijai žinomo kuro.

1998 m. Liepos mėn. Europos automobilių pramonės asociacija (ACEA) įsipareigojo Europos Sąjungai sumažinti naujai Sąjungoje įregistruotų transporto priemonių išmetamą CO2008 kiekį vidutiniškai 2 gramais kilometre 140 kartų. Praktiškai tai reiškia, kad išmetamų teršalų kiekis sumažėjo 25%, palyginti su 1995 m., O vidutinės naujojo parko kuro sąnaudos buvo apie 6,0 l / 100 km. Netolimoje ateityje tikimasi, kad papildomos priemonės iki 14 m. Sumažins anglies dvideginio išmetimą 2012%. Tai labai apsunkina užduotį automobilių įmonėms ir, pasak BMW ekspertų, ją galima išspręsti arba naudojant mažai anglies išskiriantį kurą, arba visiškai pašalinant anglį iš kuro sudėties. Pagal šią teoriją vandenilis vėl atsiranda automobilių arenoje visoje savo šlovėje.

Bavarijos įmonė buvo pirmoji automobilių gamintoja, kuri masiškai gamino vandeniliu varomas transporto priemones. Už naujoves atsakingo BMW valdybos nario, profesoriaus Burkhardo Geschelio optimistiški ir pasitikintys teiginiai, kad „įmonė parduos vandenilinius automobilius nepasibaigus dabartinės 7 serijos galiojimo laikui“, išsipildė. Naujausia versija - septintosios serijos „Hydrogen 7“, pristatyta 2006 m., Su 12 AG 260 cilindrų varikliu. ši žinia jau tapo realybe. Tai atrodė gana ambicinga, tačiau ne be reikalo. BMW nuo 1978 m. Eksperimentuoja su vidaus degimo varikliais, naudojančiais vandenilį, ir 11 m. Gegužės 2000 d. Unikaliai pademonstravo šios alternatyvos galimybes. Įspūdingas ankstesnės savaitės kartos 15 750 hl transporto priemonių parkas, varomas dvylikos cilindrų vandenilio varikliais, įveikė 170 000 km maratoną, pabrėždamas įmonės sėkmę ir naujų technologijų pažadą. 2001 ir 2002 m. Kai kurios iš šių transporto priemonių toliau dalyvavo įvairiose demonstracijose, palaikančiose vandenilio idėją. Tada atėjo laikas naujai plėtrai, pagrįstai kita 7 serija, naudojant modernų 4,4 litro V-212 variklį, galintį pasiekti didžiausią greitį 12 km / h, o po to buvo atlikta naujausia versija su XNUMX cilindrų V-XNUMX. Remiantis oficialia bendrovės nuomone, priežastys, kodėl BMW pasirinko šią technologiją, o ne kuro elementus, yra ir komercinės, ir psichologinės. Pirma, šiam metodui prireiks žymiai mažiau investicijų, jei pasikeis gamybos infrastruktūra. Antra, kadangi žmonės yra įpratę prie seno gero vidaus degimo variklio, jie jiems patinka ir bus sunku su juo išsiskirti. Ir trečia, tuo tarpu paaiškėjo, kad ši technologija vystosi greičiau nei kuro elementų technologija.

BMW automobiliuose vandenilis laikomas itin izoliuotame kriogeniniame inde, panašiai kaip aukštųjų technologijų termosas, kurį sukūrė Vokietijos šaldymo grupė „Linde“. Esant žemai laikymo temperatūrai, degalai yra skystoje fazėje ir patenka į variklį kaip įprasti degalai.

Šiame etape Miuncheno kompanijos dizaineriai daugiausia dėmesio skyrė netiesioginiam degalų įpurškimui, o mišinio kokybė priklauso nuo variklio darbo režimo. Dalinės apkrovos režimu variklis dirba liesais mišiniais, panašiais į dyzelinį kurą – keičiamas tik įpurškiamo kuro kiekis. Tai vadinamoji mišinio „kokybės kontrolė“, kai variklis dirba su oro pertekliumi, tačiau dėl mažos apkrovos azoto išsiskyrimas yra sumažintas iki minimumo. Kai reikia didelės galios, variklis pradeda veikti kaip benzininis variklis, pereinant prie vadinamosios mišinio ir įprastų (ne liesų) mišinių „kiekybinės kontrolės“. Šie pokyčiai galimi, viena vertus, dėl elektroninio procesų valdymo variklyje greičio, kita vertus, dėl lankstaus dujų paskirstymo valdymo sistemų veikimo - „dvigubo“ Vanos, veikiančio kartu su Valvetronic įsiurbimo valdymo sistema be droselio. Reikėtų nepamiršti, kad, pasak BMW inžinierių, šios plėtros darbo schema yra tik tarpinis technologijų vystymosi etapas ir kad ateityje varikliai pereis prie tiesioginio vandenilio įpurškimo į cilindrus ir turbokompresoriaus. Tikimasi, kad šie metodai pagerins transporto priemonės dinamiką, palyginti su panašiu benzininiu varikliu, ir padidins bendrą vidaus degimo variklio efektyvumą daugiau nei 50%. Čia mes sąmoningai susilaikėme nuo prisilietimo prie „kuro elementų“ temos, nes pastaruoju metu ši problema buvo gana aktyviai naudojama. Tačiau tuo pat metu turime juos paminėti ir BMW vandenilio technologijos kontekste, nes Miuncheno dizaineriai nusprendė naudoti būtent tokius prietaisus, kad maitintų automobilių borto elektros tinklą, visiškai pašalindami įprastą akumuliatoriaus energiją. Šis žingsnis leidžia papildomai sutaupyti degalų, nes vandeniliniam varikliui nereikia varyti generatoriaus, o borto elektros sistema tampa visiškai autonomiška ir nepriklausoma nuo važiavimo kelio – ji gali generuoti elektrą net ir neveikiant varikliui, taip pat gaminti. ir sunaudoti energiją galima visiškai optimizuoti. Tai, kad dabar galima pagaminti tik tiek elektros energijos, kiek reikia vandens siurbliui, alyvos siurbliams, stabdžių stiprintuvui ir laidinėms sistemoms maitinti, taip pat leidžia sutaupyti. Tačiau lygiagrečiai su visomis šiomis naujovėmis degalų įpurškimo sistema (benzinas) praktiškai nepadarė brangių dizaino pakeitimų. Siekdami skatinti vandenilio technologijas 2002 m. Birželio mėn., „BMW Group“, „Aral“, BVG, „DaimlerChrysler“, „Ford“, „GHW“, „Linde“ ir „Opel MAN“ sukūrė „CleanEnergy“ partnerystės programą, kuri prasidėjo kuriant degalines su suskystintu ir suspaustu vandeniliu.

BMW yra daugelio kitų bendrų projektų iniciatorius, įskaitant su naftos kompanijomis, tarp kurių aktyviausi dalyviai yra Aral, BP, Shell, Total. Susidomėjimas šia perspektyvia sritimi auga eksponentiškai – per ateinančius dešimt metų vien ES vandenilio technologijų plėtrai ir diegimui finansuoti skirtus fondus skirs tiesioginių finansinių įnašų už 2,8 mlrd. Privačių įmonių investicijų į „vandenilio“ plėtrą apimtys šiuo laikotarpiu sunkiai prognozuojamos, tačiau akivaizdu, kad jos daug kartų viršys atskaitymus iš ne pelno organizacijų.

Vandenilis vidaus degimo varikliuose

Įdomu pastebėti, kad dėl vandenilio fizinių ir cheminių savybių jis yra daug degesnis nei benzinas. Praktiškai tai reiškia, kad norint pradėti degimo procesą vandenilyje, reikia daug mažiau pradinės energijos. Kita vertus, labai liesus mišinius galima nesunkiai naudoti vandenilio varikliuose – tai šiuolaikiniai benzininiai varikliai pasiekia pasitelkę sudėtingas ir brangias technologijas.

Šiluma tarp vandenilio-oro mišinio dalelių yra mažiau išsklaidoma, o tuo pačiu savaiminio užsidegimo temperatūra ir degimo procesų greitis yra daug didesnis nei benzino. Vandenilis turi mažą tankį ir stiprią difuziją (dalelės gali prasiskverbti į kitas dujas - šiuo atveju orą).

Savaiminiam užsidegimui reikalinga maža aktyvavimo energija yra vienas didžiausių iššūkių kontroliuojant degimo procesus vandenilio varikliuose, nes mišinys gali lengvai savaime užsidegti dėl kontakto su karštesnėmis degimo kameros vietomis ir atsparumo sekti visiškai nekontroliuojamų procesų grandinei. Šios rizikos išvengimas yra vienas didžiausių iššūkių kuriant vandenilinius variklius, tačiau nelengva pašalinti pasekmes dėl to, kad labai pasklidęs degantis mišinys nukeliauja labai arti cilindro sienelių ir gali prasiskverbti pro itin siaurus tarpus. tokie kaip uždari vožtuvai, pavyzdžiui... Į visa tai reikia atsižvelgti projektuojant šiuos variklius.

Aukšta savaiminio užsidegimo temperatūra ir didelis oktaninis skaičius (apie 130) leidžia padidinti variklio suspaudimo koeficientą ir dėl to jo efektyvumą, tačiau vėl kyla pavojus, kad vandenilis savaime užsidegs sąlytyje su karštesne dalimi. cilindre. Didelio vandenilio difuzijos pajėgumo privalumas yra galimybė lengvai sumaišyti su oru, o tai sugedus bakui garantuoja greitą ir saugų kuro išsisklaidymą.

Idealus oro ir vandenilio mišinys degimui yra maždaug 34:1 (benzinui šis santykis yra 14,7:1). Tai reiškia, kad pirmuoju atveju derinant tą pačią vandenilio ir benzino masę, reikia daugiau nei dvigubai daugiau oro. Tuo pačiu metu vandenilio ir oro mišinys užima žymiai daugiau vietos, o tai paaiškina, kodėl vandeniliu varomi varikliai turi mažesnę galią. Grynai skaitmeninė santykių ir tūrių iliustracija yra gana iškalbinga - degimui paruošto vandenilio tankis yra 56 kartus mažesnis nei benzino garų .... Tačiau reikia pastebėti, kad iš esmės vandeniliniai varikliai gali dirbti ir su oro-vandenilio mišiniais iki 180:1 (t.y. labai „liesais“ mišiniais), o tai savo ruožtu reiškia, kad variklis gali būti valdomas. be droselio vožtuvo ir naudoti dyzelinių variklių principą. Taip pat reikėtų pažymėti, kad vandenilis yra neabejotinas lyderis, lyginant vandenilį ir benziną kaip energijos šaltinius pagal masę – kilogramas vandenilio yra beveik tris kartus imlesnis energijai nei kilogramas benzino.

Kaip ir benzininiuose varikliuose, suskystintas vandenilis gali būti įpurškiamas tiesiai prieš kolektorių vožtuvus, tačiau geriausias sprendimas yra įpurškimas tiesiai per suspaudimo taktą – tokiu atveju panašaus benzininio variklio galia gali viršyti 25%. Taip yra todėl, kad degalai (vandenilis) neišstumia oro kaip benzininiame ar dyzeliniame variklyje, todėl į degimo kamerą patenka tik oro (žymiai daugiau nei įprastai). Be to, skirtingai nei benzininiams varikliams, vandeniliniams varikliams nereikia struktūrinio sūkurio, nes vandenilis pakankamai gerai difunduoja su oru be šios priemonės. Dėl skirtingo degimo greičio skirtingose ​​cilindro dalyse geriau įdėti dvi uždegimo žvakes, o vandenilio varikliuose platinos elektrodus naudoti nepraktiška, nes platina tampa katalizatoriumi, sukeliančiu degalų oksidaciją žemoje temperatūroje.

H2R

H2R yra veikiantis supersporto prototipas, sukurtas BMW inžinierių ir varomas dvylikos cilindrų variklio, kuris pasiekia maksimalią 285 AG galią varomas vandeniliu. Jų dėka eksperimentinis modelis nuo 0 iki 100 km/h įsibėgėja per šešias sekundes ir pasiekia maksimalų 300 km/h greitį.H2R variklis sukurtas remiantis standartiniu aukščiausios klasės agregatu, naudotu benzininiame 760i ir užtruko tik dešimt mėnesių vystytis. Siekdami išvengti savaiminio užsidegimo, Bavarijos specialistai sukūrė specialų srauto ciklą ir įpurškimo į degimo kamerą strategiją, pasinaudodami kintamų variklio vožtuvų paskirstymo sistemų teikiamomis galimybėmis. Prieš mišiniui patenkant į cilindrus, pastarieji aušinami oru, o uždegimas atliekamas tik viršutiniame negyvajame taške – dėl didelio degimo greičio naudojant vandenilio kurą uždegimo paankstinimas nereikalingas.

išvados

Finansinė perėjimo prie švarios vandenilio energijos analizė dar nėra labai optimistinė. Lengvųjų dujų gamyba, laikymas, gabenimas ir tiekimas vis dar yra gana energijai imlūs procesai, ir dabartiniame žmogaus vystymosi etape tokia schema negali būti veiksminga. Tačiau tai nereiškia, kad tyrimai ir sprendimų paieška nebus tęsiami. Pasiūlymai vandenilį iš vandens pagaminti naudojant saulės kolektorių elektrą ir laikyti jį didelėse talpyklose skamba optimistiškai. Kita vertus, šiuo metu šiek tiek juokingai skamba elektros ir vandenilio gamybos procesas Saharos dykumos dujų fazėje, jo transportavimas vamzdynais į Viduržemio jūrą, skystinimas ir transportavimas kriogeniniais tanklaiviais, iškrovimas uostuose ir galiausiai transportavimas sunkvežimiu

Įdomią idėją neseniai pateikė Norvegijos naftos kompanija „Norsk Hydro“, kuri pasiūlė gaminti vandenilį iš gamtinių dujų Šiaurės jūros gamybos vietose, o anglies monoksido likučiai buvo saugomi išeikvotuose laukuose po jūros dugnu. Tiesa slypi kažkur viduryje, ir tik laikas parodys, kur vyks vandenilio pramonės plėtra.

„Mazda“ variantas

Japonijos kompanija „Mazda“ taip pat demonstruoja savo vandenilinio variklio versiją – sukamąjį sportinį automobilį RX-8. Tai nenuostabu, nes Wankel variklio konstrukcijos ypatybės yra itin tinkamos naudoti vandenilį kaip kurą. Dujos laikomos aukštu slėgiu specialioje talpykloje, o kuras įpurškiamas tiesiai į degimo kameras. Dėl to, kad rotorinių variklių atveju yra atskirtos zonos, kuriose vyksta įpurškimas ir degimas, o temperatūra siurbimo dalyje yra žemesnė, nekontroliuojamo užsidegimo galimybės problema žymiai sumažėja. Wankel variklyje taip pat yra pakankamai vietos dviem purkštukams, o tai itin svarbu norint įpurkšti optimalų vandenilio kiekį.