Pandu uji BMW dan hidrogen: bahagian dua
"Air. Satu-satunya produk akhir enjin bersih BMW ialah menggunakan hidrogen cecair dan bukannya bahan api petroleum dan membolehkan semua orang menikmati teknologi baharu dengan hati nurani yang bersih."
Cara BMW
Kata-kata ini adalah petikan daripada kempen pengiklanan sebuah syarikat Jerman beberapa tahun lalu. Untuk masa yang lama tiada siapa yang mempersoalkan fakta bahawa orang Bavaria sangat tahu apa yang mereka lakukan dalam hal teknologi permotoran dan merupakan salah satu pemimpin dunia yang tidak dapat dipertikaikan dalam bidang ini. Juga tidak akan difikirkan bahawa syarikat yang telah menunjukkan pertumbuhan jualan yang kukuh dalam beberapa tahun kebelakangan ini akan membuang banyak wang pada iklan yang kurang dikenali untuk teknologi yang menjanjikan dengan masa depan yang tidak menentu.
Walau bagaimanapun, pada masa yang sama, kata-kata yang dipetik adalah sebahagian daripada kempen untuk mempromosikan versi hidrogen 745 jam yang agak eksotik bagi pengeluar kereta Bavaria itu. Eksotik, kerana menurut BMW, peralihan kepada alternatif kepada bahan api hidrokarbon, yang industri automotif telah memberi makan sejak awal, akan memerlukan perubahan dalam keseluruhan infrastruktur pengeluaran. Yang terakhir ini adalah perlu kerana orang Bavaria melihat laluan pembangunan yang menjanjikan bukan dalam sel bahan api yang diiklankan secara meluas, tetapi dalam penukaran enjin pembakaran dalaman untuk berjalan pada hidrogen. BMW percaya bahawa peningkatan itu adalah masalah yang boleh diselesaikan dan telah pun mencapai kemajuan yang ketara dalam menyelesaikan masalah utama mencapai prestasi enjin yang boleh dipercayai dan menghapuskan kecenderungannya untuk proses pembakaran yang tidak terkawal menggunakan hidrogen tulen. Kejayaan ke arah ini adalah disebabkan oleh kecekapan dalam bidang kawalan elektronik proses enjin dan kemungkinan menggunakan sistem pengedaran gas fleksibel berpaten BMW Valvetronic dan Vanos, tanpanya mustahil untuk memastikan operasi normal "enjin hidrogen" . Walau bagaimanapun, langkah pertama ke arah ini bermula pada tahun 1820, apabila pereka William Cecil mencipta enjin bahan api hidrogen yang beroperasi pada apa yang dipanggil "prinsip vakum" - skema yang sangat berbeza daripada enjin yang dicipta kemudian dengan enjin dalaman. . terbakar. Dalam pembangunan pertama enjin pembakaran dalaman 60 tahun kemudian, perintis Otto menggunakan gas sintetik yang telah disebutkan dan berasal dari arang batu dengan kandungan hidrogen kira-kira 50%. Walau bagaimanapun, dengan penciptaan karburetor, penggunaan petrol menjadi lebih praktikal dan selamat, dan bahan api cecair telah menggantikan semua alternatif lain yang wujud sehingga kini. Sifat-sifat hidrogen sebagai bahan api telah ditemui semula bertahun-tahun kemudian oleh industri angkasa lepas, yang dengan cepat mendapati bahawa hidrogen mempunyai nisbah tenaga/jisim terbaik daripada mana-mana bahan api yang diketahui oleh manusia.
Pada bulan Julai 1998, Persatuan Industri Automotif Eropah (ACEA) berkomitmen untuk Kesatuan Eropah untuk mengurangkan pelepasan CO2008 dari kenderaan yang baru didaftarkan di Kesatuan dengan purata 2 gram per kilometer sebanyak 140. Dalam praktiknya, ini berarti pengurangan pelepasan 25% dibandingkan dengan tahun 1995, dan penggunaan bahan bakar rata-rata armada baru sekitar 6,0 l / 100 km. Dalam masa terdekat, langkah tambahan diharapkan dapat mengurangkan pelepasan karbon dioksida sebanyak 14% pada tahun 2012. Ini menjadikan tugas bagi syarikat kereta menjadi sangat sukar dan, menurut pakar BMW, dapat diselesaikan sama ada dengan menggunakan bahan bakar rendah karbon atau dengan sepenuhnya menghilangkan karbon dari komposisi bahan bakar. Menurut teori ini, hidrogen muncul semula di arena automotif dalam semua kemuliaannya.
Syarikat Bavaria menjadi pengeluar kereta pertama yang menghasilkan kenderaan berkuasa hidrogen secara besar-besaran. Tuntutan optimis dan yakin Profesor Burkhard Geschel, ahli dewan BMW yang bertanggungjawab terhadap perkembangan baru, bahawa "syarikat itu akan menjual kereta hidrogen sebelum berakhirnya Siri 7 semasa" telah menjadi kenyataan. Dengan versi terbarunya Hydrogen 7, siri ketujuh, diperkenalkan pada tahun 2006, dengan mesin 12 silinder 260 hp. mesej ini sudah menjadi kenyataan. Niat itu nampaknya cukup bercita-cita tinggi, tetapi tidak tanpa sebab. BMW telah bereksperimen dengan enjin pembakaran dalaman yang menggunakan hidrogen sejak 1978, dan pada 11 Mei 2000 membuat demonstrasi unik mengenai kemungkinan alternatif ini. Armada yang mengagumkan dengan kenderaan 15 750 hl dari generasi sebelumnya dalam seminggu, dikuasakan oleh enjin dua belas silinder hidrogen, melengkapkan maraton sejauh 170 km, menyoroti kejayaan syarikat dan janji teknologi baru. Pada tahun 000 dan 2001, beberapa kenderaan ini terus mengambil bahagian dalam pelbagai demonstrasi untuk menyokong idea hidrogen. Maka sudah tiba masanya untuk pengembangan baru, berdasarkan Seri 2002 berikutnya, menggunakan enjin V-7 4,4 liter moden yang mampu dengan kelajuan tertinggi 212 km / jam, diikuti dengan pengembangan terbaru dengan V-12 XNUMX silinder. Menurut pendapat rasmi syarikat, alasan mengapa BMW memilih teknologi ini berbanding sel bahan bakar adalah komersial dan psikologi. Pertama, kaedah ini memerlukan pelaburan yang jauh lebih sedikit sekiranya infrastruktur pengeluaran berubah. Kedua, kerana orang sudah terbiasa dengan enjin pembakaran dalaman yang lama, mereka menyukainya dan sukar untuk berpisah dengannya. Dan ketiga, sementara itu, ternyata teknologi ini berkembang lebih cepat daripada teknologi sel bahan bakar.
Dalam kereta BMW, hidrogen disimpan dalam bekas kriogenik super-tertebat, seperti botol termos berteknologi tinggi yang dibangunkan oleh kumpulan penyejukan Jerman Linde. Pada suhu penyimpanan yang rendah, bahan api berada dalam fasa cecair dan memasuki enjin seperti bahan api biasa.
Pada tahap ini, pereka syarikat yang berpusat di Munich memfokuskan pada suntikan bahan bakar tidak langsung, dan kualiti campuran bergantung pada modus operasi mesin. Dalam mod beban sebahagian, enjin berjalan pada campuran tanpa lemak yang serupa dengan bahan api diesel - perubahan dibuat hanya dalam jumlah bahan api yang disuntik. Ini adalah apa yang disebut "kawalan kualiti" campuran, di mana mesin berjalan dengan udara berlebihan, tetapi kerana beban yang rendah, pembentukan pelepasan nitrogen diminimumkan. Apabila ada keperluan untuk kekuatan yang besar, mesin mulai berfungsi seperti mesin petrol, beralih ke apa yang disebut "kawalan kuantitatif" campuran dan campuran normal (tidak ramping). Perubahan ini mungkin, dalam satu tangan, disebabkan oleh kelajuan kawalan elektronik proses dalam enjin, dan sebaliknya, disebabkan oleh operasi fleksibel sistem kawalan pengedaran gas - Vanos "berganda", bekerja bersama-sama dengan Sistem kawalan pengambilan Valvetronik tanpa pendikit. Perlu diingat bahawa, menurut jurutera BMW, skema kerja pengembangan ini hanyalah tahap perantaraan dalam pengembangan teknologi dan pada masa depan enjin akan beralih ke suntikan hidrogen langsung ke silinder dan turbocharging. Teknik ini diharapkan dapat menghasilkan dinamika kenderaan yang lebih baik daripada mesin petrol yang setanding dan peningkatan kecekapan keseluruhan enjin pembakaran dalaman lebih dari 50%. Di sini kita sengaja tidak menyentuh topik "sel bahan bakar", kerana isu ini telah digunakan secara aktif sejak kebelakangan ini. Akan tetapi, pada masa yang sama, kita mesti menyebutnya dalam konteks teknologi hidrogen BMW, kerana para pereka di Munich memutuskan untuk menggunakan hanya alat tersebut untuk memberi kuasa kepada rangkaian elektrik on-board di dalam kereta, sepenuhnya menghilangkan kuasa bateri konvensional. Langkah ini membolehkan penjimatan bahan api tambahan, kerana enjin hidrogen tidak perlu memacu alternator, dan sistem elektrik onboard menjadi sepenuhnya autonomi dan bebas daripada laluan pemacu - ia boleh menjana elektrik walaupun enjin tidak berjalan, serta menghasilkan dan menggunakan tenaga meminjamkan dirinya kepada pengoptimuman penuh. Kenyataan bahawa hanya sebanyak tenaga yang diperlukan sekarang dapat dihasilkan untuk menghidupkan pam air, pam minyak, penggalak brek dan sistem berwayar juga membawa kepada penjimatan tambahan. Walau bagaimanapun, selari dengan semua inovasi ini, sistem suntikan bahan bakar (petrol) secara praktikal tidak mengalami perubahan reka bentuk yang mahal. Untuk mempromosikan teknologi hidrogen pada bulan Jun 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN membuat program perkongsian CleanEnergy, yang dimulakan dengan pengembangan stesen pengisian dengan hidrogen cair dan termampat.
BMW adalah pemula beberapa projek bersama lain, termasuk dengan syarikat minyak, antaranya peserta paling aktif ialah Aral, BP, Shell, Total. Minat dalam bidang yang menjanjikan ini berkembang dengan pesat - dalam tempoh sepuluh tahun akan datang, EU sahaja akan memberikan sumbangan kewangan terus kepada dana untuk membiayai pembangunan dan pelaksanaan teknologi hidrogen dalam jumlah 2,8 bilion euro. Jumlah pelaburan oleh syarikat swasta dalam pembangunan "hidrogen" dalam tempoh ini adalah sukar untuk diramalkan, tetapi jelas bahawa ia akan berkali-kali melebihi potongan daripada organisasi bukan untung.
Hidrogen dalam enjin pembakaran dalaman
Adalah menarik untuk diperhatikan bahawa, disebabkan oleh sifat fizikal dan kimia hidrogen, ia lebih mudah terbakar daripada petrol. Dalam amalan, ini bermakna bahawa lebih sedikit tenaga awal diperlukan untuk memulakan proses pembakaran dalam hidrogen. Sebaliknya, campuran yang sangat kurus boleh digunakan dengan mudah dalam enjin hidrogen - sesuatu yang dicapai oleh enjin petrol moden melalui teknologi yang kompleks dan mahal.
Haba antara zarah campuran hidrogen-udara adalah kurang terlesap, dan pada masa yang sama, suhu auto-pencucuhan dan kadar proses pembakaran adalah lebih tinggi daripada petrol. Hidrogen mempunyai ketumpatan rendah dan difusitiviti yang kuat (kemungkinan zarah menembusi ke gas lain - dalam kes ini, udara).
Tenaga pengaktifan rendah yang diperlukan untuk penyalaan sendiri adalah salah satu cabaran terbesar dalam mengawal proses pembakaran dalam enjin hidrogen kerana campuran boleh dengan mudah menyala secara spontan akibat sentuhan dengan kawasan yang lebih panas dalam kebuk pembakaran dan rintangan untuk mengikuti rantaian proses yang tidak terkawal sepenuhnya. Mengelakkan risiko ini adalah salah satu cabaran terbesar dalam membangunkan enjin hidrogen, tetapi tidak mudah untuk menghapuskan akibat fakta bahawa campuran pembakaran yang sangat meresap bergerak sangat dekat dengan dinding silinder dan boleh menembusi jurang yang sangat sempit. seperti injap tertutup, contohnya... Semua ini mesti diambil kira semasa mereka bentuk motor ini.
Suhu autoignition yang tinggi dan bilangan oktan tinggi (kira-kira 130) memungkinkan peningkatan nisbah mampatan mesin dan, oleh itu, kecekapannya, tetapi sekali lagi terdapat bahaya autoignition hidrogen daripada bersentuhan dengan bahagian yang lebih panas. di dalam silinder. Kelebihan kapasiti penyebaran hidrogen yang tinggi adalah kemungkinan pencampuran mudah dengan udara, yang sekiranya berlaku kerosakan tangki menjamin penyebaran bahan bakar dengan cepat dan selamat.
Campuran udara-hidrogen yang ideal untuk pembakaran mempunyai nisbah kira-kira 34:1 (untuk petrol nisbah ini ialah 14,7:1). Ini bermakna apabila menggabungkan jisim hidrogen dan petrol yang sama dalam kes pertama, lebih daripada dua kali lebih banyak udara diperlukan. Pada masa yang sama, campuran hidrogen-udara mengambil lebih banyak ruang, yang menjelaskan mengapa enjin berkuasa hidrogen mempunyai kuasa yang kurang. Ilustrasi nisbah dan isipadu digital semata-mata agak fasih - ketumpatan hidrogen sedia untuk pembakaran adalah 56 kali lebih rendah daripada wap petrol .... Walau bagaimanapun, perlu diingatkan bahawa, pada dasarnya, enjin hidrogen juga boleh beroperasi dengan campuran udara-hidrogen sehingga 180:1 (iaitu campuran yang sangat "lean"), yang seterusnya bermakna enjin boleh dikendalikan. tanpa injap pendikit dan menggunakan prinsip enjin diesel. Perlu juga diperhatikan bahawa hidrogen adalah peneraju yang tidak dipertikaikan dalam perbandingan hidrogen dan petrol sebagai sumber tenaga dari segi jisim - satu kilogram hidrogen hampir tiga kali lebih intensif tenaga daripada satu kilogram petrol.
Seperti enjin petrol, hidrogen cecair boleh disuntik terus di hadapan injap dalam manifold, tetapi penyelesaian terbaik ialah suntikan terus semasa lejang mampatan - dalam kes ini, kuasa boleh melebihi enjin petrol yang serupa sebanyak 25%. Ini kerana bahan api (hidrogen) tidak menyesarkan udara seperti dalam enjin petrol atau diesel, membenarkan hanya udara (lebih ketara daripada biasa) untuk mengisi kebuk pembakaran. Juga, tidak seperti enjin petrol, enjin hidrogen tidak memerlukan pusingan struktur kerana hidrogen meresap cukup baik dengan udara tanpa ukuran ini. Oleh kerana kadar pembakaran yang berbeza di bahagian silinder yang berlainan, adalah lebih baik untuk meletakkan dua palam pencucuh, dan dalam enjin hidrogen, penggunaan elektrod platinum adalah tidak praktikal, kerana platinum menjadi pemangkin yang membawa kepada pengoksidaan bahan api pada suhu rendah.
H2R
H2R ialah prototaip supersport berfungsi yang dibina oleh jurutera BMW dan dikuasakan oleh enjin dua belas silinder yang mencapai output maksimum 285 hp apabila dikuasakan oleh hidrogen. Terima kasih kepada mereka, model eksperimen memecut dari 0 hingga 100 km / j dalam enam saat dan mencapai kelajuan tertinggi 300 km / j. Enjin H2R didasarkan pada unit hujung atas standard yang digunakan dalam petrol 760i dan hanya mengambil masa sepuluh bulan untuk berkembang. Untuk mengelakkan pembakaran spontan, pakar Bavaria telah membangunkan kitaran aliran khas dan strategi suntikan ke dalam kebuk pembakaran, menggunakan kemungkinan yang disediakan oleh sistem pemasaan injap berubah-ubah enjin. Sebelum campuran memasuki silinder, yang terakhir disejukkan oleh udara, dan pencucuhan dilakukan hanya di pusat mati atas - disebabkan oleh kadar pembakaran yang tinggi dengan bahan api hidrogen, pendahuluan pencucuhan tidak diperlukan.
Penemuan
Analisis kewangan peralihan kepada tenaga hidrogen tulen belum terlalu optimis. Pengeluaran, penyimpanan, pengangkutan dan pembekalan gas ringan masih merupakan proses yang memerlukan banyak tenaga, dan pada tahap teknologi semasa pembangunan manusia skema seperti itu tidak dapat dilaksanakan. Walau bagaimanapun, ini tidak bermaksud bahawa penyelidikan dan pencarian penyelesaian tidak akan berterusan. Cadangan untuk menghasilkan hidrogen dari air menggunakan elektrik dari panel solar dan menyimpannya dalam tangki besar terdengar optimis. Sebaliknya, proses menjana elektrik dan hidrogen dalam fasa gas di Gurun Sahara, mengangkutnya ke Laut Mediterranean melalui saluran paip, mencairkan dan mengangkutnya dengan kapal tangki kriogenik, memunggahnya di pelabuhan dan akhirnya mengangkutnya dengan trak terdengar agak tidak masuk akal pada masa ini ...
Idea menarik baru-baru ini dikemukakan oleh syarikat minyak Norwegia Norsk Hydro, yang mencadangkan penghasilan hidrogen dari gas asli di lokasi pengeluaran di Laut Utara, dan sisa karbon monoksida disimpan di ladang yang habis di bawah dasar laut. Kebenaran terletak di suatu tempat di tengah-tengah, dan hanya masa yang akan memberitahu ke mana perkembangan industri hidrogen akan pergi.
Varian Mazda
Syarikat Jepun Mazda juga menunjukkan versi enjin hidrogennya - dalam bentuk kereta sport unit berputar RX-8. Ini tidak menghairankan, kerana ciri reka bentuk enjin Wankel sangat sesuai untuk menggunakan hidrogen sebagai bahan api. Gas disimpan di bawah tekanan tinggi dalam tangki khas, dan bahan api disuntik terus ke dalam kebuk pembakaran. Disebabkan fakta bahawa dalam kes enjin berputar, kawasan di mana suntikan dan pembakaran berlaku dipisahkan, dan suhu di bahagian sedutan lebih rendah, masalah kemungkinan pencucuhan yang tidak terkawal dikurangkan dengan ketara. Enjin Wankel juga menawarkan ruang yang cukup untuk dua penyuntik, yang sangat penting untuk menyuntik jumlah hidrogen yang optimum.
