BMW og hydrogen: forbrenningsmotoren

Selskapets prosjekter startet for 40 år siden med hydrogenversjonen av 5-serien

BMW har lenge trodd på elektrisk mobilitet. I dag kan Tesla betraktes som målestokken på dette området, men for ti år siden, da det amerikanske selskapet demonstrerte konseptet med en tilpasset aluminiumsplattform, som deretter ble realisert i form av Tesla Model S, jobbet BMW aktivt med Megacity Kjøretøyprosjekt. 2013 markedsføres som BMW i3. Den avantgardistiske tyske bilen bruker ikke bare en støttestruktur i aluminium med integrerte batterier, men også et karosseri laget av karbonforsterkede polymerer. Det Tesla imidlertid unektelig er foran sine konkurrenter, er dens eksepsjonelle metodikk, spesielt når det gjelder å utvikle batterier for elektriske kjøretøy – fra forhold til litiumioncelleprodusenter til å bygge enorme batterifabrikker, inkludert de med ikke-elektriske applikasjoner. mobilitet.

Men la oss komme tilbake til BMW fordi, i motsetning til Tesla og mange av konkurrentene, tror det tyske selskapet fortsatt på mobiliteten til hydrogen. Nylig avduket et team ledet av selskapets visepresident for Hydrogen Fuel Cells, Dr. Jürgen Gouldner, brenselcellen I-Hydrogen Next, et selvgående generatorsett drevet av en lavtemperatur kjemisk reaksjon. Dette øyeblikket markerer 10-årsjubileet for lanseringen av BMWs utvikling av brenselcellebiler og 7-årsjubileet for samarbeidet med Toyota om brenselceller. BMWs avhengighet av hydrogen går imidlertid 40 år tilbake og er en mye mer "varm temperatur".

Dette er mer enn et kvart århundre med utvikling av selskapet, der hydrogen brukes som drivstoff for forbrenningsmotorer. I store deler av den perioden trodde selskapet at en hydrogendrevet forbrenningsmotor var nærmere forbrukeren enn en brenselcelle. Med en virkningsgrad på ca. 60 % og en kombinasjon av en elektrisk motor med en virkningsgrad på over 90 %, er en brenselcellemotor mye mer effektiv enn en forbrenningsmotor som går på hydrogen. Som vi vil se i de følgende linjene, med direkte innsprøytning og turbolading, vil dagens reduserte motorer være ekstremt egnet for å levere hydrogen – forutsatt at de riktige injeksjons- og forbrenningskontrollsystemene er på plass. Men mens hydrogendrevne forbrenningsmotorer typisk er mye billigere enn en brenselcelle kombinert med et litiumionbatteri, er de ikke lenger på agendaen. I tillegg går problemene med hydrogenmobilitet i begge tilfeller langt utenfor rammen av fremdriftssystemet.

Og likevel hvorfor hydrogen?

Hydrogen er et viktig element i menneskehetens søken etter å bruke flere og flere alternative energikilder som en bro for å lagre energi fra sol, vind, vann og biomasse ved å konvertere den til kjemisk energi. Enkelt sagt betyr dette at elektrisiteten som genereres av disse naturlige kildene ikke kan lagres i store volumer, men kan brukes til å produsere hydrogen ved å spalte vann til oksygen og hydrogen.

Hydrogen kan selvsagt også utvinnes fra ikke-fornybare hydrokarbonkilder, men dette har lenge vært uakseptabelt når det gjelder å bruke det som energikilde. Det er et ubestridelig faktum at de teknologiske problemene med produksjon, lagring og transport av hydrogen er løsbare - i praksis, selv nå, produseres enorme mengder av denne gassen og brukes som råstoff i den kjemiske og petrokjemiske industrien. I disse tilfellene er imidlertid den høye kostnaden for hydrogen ikke dødelig, siden den "smelter" til den høye kostnaden for produktene den er involvert i.

Problemet med å bruke lett gass som energikilde og i store mengder er imidlertid litt mer komplisert. Forskere har ristet på hodet i lang tid på jakt etter et mulig strategisk alternativ til fyringsolje, og økningen i elektrisk mobilitet og hydrogen kan være i tett symbiose. I kjernen av alt dette er et enkelt, men svært viktig faktum – utvinning og bruk av hydrogen dreier seg om den naturlige syklusen av å kombinere og dekomponere vann … Hvis menneskeheten forbedrer og utvider produksjonsmetoder ved bruk av naturlige kilder som solenergi, vind og vann, hydrogen kan produseres og brukes i ubegrensede mengder uten å slippe ut skadelige utslipp.
produksjon

Mer enn 70 millioner tonn rent hydrogen produseres for tiden i verden. Hovedråvaren for produksjonen er naturgass, som behandles i en prosess kjent som "reforming" (halvparten av totalen). Mindre mengder hydrogen produseres ved andre prosesser, som elektrolyse av klorforbindelser, delvis oksidasjon av tungolje, kullgassifisering, pyrolyse av kull for å produsere koks og bensinreformering. Omtrent halvparten av verdens hydrogenproduksjon brukes til syntese av ammoniakk (som brukes som råstoff i produksjon av gjødsel), til oljeraffinering og til syntese av metanol.

Disse produksjonsordningene belaster miljøet i ulik grad, og dessverre gir ingen av dem et meningsfullt alternativ til dagens energistatus – for det første fordi de bruker ikke-fornybare kilder, og for det andre fordi produksjonen slipper ut uønskede stoffer som karbondioksid. Den mest lovende metoden for produksjon av hydrogen i fremtiden er fortsatt nedbryting av vann ved hjelp av elektrisitet, kjent i barneskolen. Men å lukke den rene energisyklusen er foreløpig bare mulig ved å bruke naturlig og spesielt sol- og vindenergi for å generere elektrisiteten som trengs for å bryte ned vann. Ifølge Dr. Gouldner er moderne teknologi "koblet" til vind- og solsystemer, inkludert små hydrogenstasjoner, hvor sistnevnte produseres på stedet, et stort nytt skritt i denne retningen.
Lagringsplass

Hydrogen kan lagres i store mengder i både gassformige og flytende faser. De største slike reservoarer, der hydrogen holdes ved et relativt lavt trykk, kalles "gassmålere". Medium og mindre tanker er tilpasset for å lagre hydrogen ved et trykk på 30 bar, mens de minste spesialtankene (dyre innretninger laget av spesielle stål- eller karbonfiberkomposittmaterialer) holder et konstant trykk på 400 bar.
Hydrogen kan også lagres i flytende fase ved -253°C per volumenhet som inneholder 1,78 ganger mer energi enn ved 700 bar – for å oppnå tilsvarende mengde energi i flytende hydrogen per volumenhet, må gassen komprimeres opp til 1250 bar. På grunn av den høyere energieffektiviteten til kjølt hydrogen, samarbeider BMW med det tyske kjølekonsernet Linde for sine første systemer, som har utviklet toppmoderne kryogene enheter for å gjøre hydrogen flytende og lagre. Forskere tilbyr også andre, men mindre anvendelige for øyeblikket, alternativer for lagring av hydrogen - for eksempel lagring under trykk i spesielt metallmel, i form av metallhydrider og andre.

Hydrogenoverføringsnett eksisterer allerede i områder med høy konsentrasjon av kjemiske anlegg og oljeraffinerier. Generelt er teknikken lik den for overføring av naturgass, men bruk av sistnevnte for behovene til hydrogen er ikke alltid mulig. Selv i forrige århundre ble imidlertid mange hus i europeiske byer opplyst av lysgass fra rørledningen, som inneholder opptil 50% hydrogen og som brukes som drivstoff for de første stasjonære forbrenningsmotorene. Det nåværende teknologinivået tillater allerede den transkontinentale transporten av flytende hydrogen gjennom eksisterende kryogene tankbiler, i likhet med de som brukes til naturgass.

BMW og forbrenningsmotoren

"Vann. Det eneste sluttproduktet av rene BMW-motorer som bruker flytende hydrogen i stedet for petroleumsdrivstoff og lar alle nyte ny teknologi med god samvittighet.»

Disse ordene er et sitat fra en reklamekampanje for et tysk selskap på begynnelsen av det 745. århundre. Det burde fremme den ganske eksotiske XNUMX-timers hydrogenversjonen av den bayerske bilprodusentens flaggskip. Eksotisk, fordi overgangen til hydrokarbondrivstoffalternativer, som bilindustrien har næret seg fra begynnelsen av, ifølge BMW vil kreve en endring i hele den industrielle infrastrukturen. På den tiden fant bayerne en lovende utviklingsvei ikke i de mye annonserte brenselcellene, men i konverteringen av forbrenningsmotorer til å arbeide med hydrogen. BMW mener ettermonteringen som er under overveielse er et løst problem og gjør allerede betydelige fremskritt mot den viktigste utfordringen med å sikre pålitelig motorytelse og eliminere tendensen til forbrenning ved bruk av rent hydrogen. Suksessen i denne retningen skyldes kompetansen innen elektronisk kontroll av motorprosesser og evnen til å bruke de patenterte BMW-patenterte systemene for fleksibel gassdistribusjon Valvetronic og Vanos, uten hvilken det er umulig å garantere normal drift av "hydrogenmotorer".

De første trinnene i denne retningen går imidlertid tilbake til 1820, da designeren William Cecil skapte en hydrogendrevet motor som opererer etter det såkalte "vakuumprinsippet" - et opplegg som er helt annerledes enn det som senere ble oppfunnet med en intern motor. brennende. I sin første utvikling av forbrenningsmotorer 60 år senere brukte pioneren Otto den allerede nevnte og kullavledede syntetiske gassen med et hydrogeninnhold på ca. 50 %. Men med oppfinnelsen av forgasseren har bruken av bensin blitt mye mer praktisk og tryggere, og flytende drivstoff har erstattet alle andre alternativer som har eksistert til nå. Egenskapene til hydrogen som drivstoff ble oppdaget mange år senere av romfartsindustrien, som raskt oppdaget at hydrogen hadde det beste energi/masseforholdet av ethvert drivstoff kjent for menneskeheten.

I juli 1998 forpliktet European Automobile Industry Association (ACEA) seg til å redusere CO2-utslipp for nyregistrerte kjøretøyer i Unionen til et gjennomsnitt på 140 gram per kilometer innen 2008. I praksis betyr dette en reduksjon på 25% i utslipp sammenlignet med 1995, og tilsvarer et gjennomsnittlig drivstofforbruk i den nye flåten på ca 6,0 l / 100 km. Dette gjør oppgaven for bilfirmaer ekstremt vanskelig og kan ifølge BMW-eksperter løses enten ved å bruke drivstoff med lite karbon eller ved å fjerne karbon helt fra drivstoffsammensetningen. I følge denne teorien dukker hydrogen opp i all sin prakt på bilindustrien.
Det bayerske selskapet blir den første bilprodusenten som begynner masseproduksjon av hydrogendrevne biler. De positive og selvsikre påstandene fra BMW-styret Burkhard Göschel, BMW-styremedlem som er ansvarlig for ny utvikling, om at "selskapet vil selge hydrogenbiler før 7-serien utløper," går i oppfyllelse. Med Hydrogen 7 ble en versjon av den syvende serien introdusert i 2006 og har en 12-sylindret 260 hk motor. denne meldingen blir virkelighet.

Intensjonen virker ganske ambisiøs, men med god grunn. BMW har eksperimentert med hydrogenforbrenningsmotorer siden 1978, med 5-serien (E12), ble 1984-timersversjonen av E 745 introdusert i 23, og 11. mai 2000 demonstrerte den de unike mulighetene til dette alternativet. En imponerende flåte på 15 750 hk. E 38 "of the week" med 12-sylindrede hydrogendrevne motorer løp en 170 km maraton, og fremhevet selskapets suksess og løftet om ny teknologi. I 000 og 2001 fortsatte noen av disse kjøretøyene å delta i forskjellige demonstrasjoner for å fremme hydrogenideen. Deretter kommer en ny utvikling basert på den neste 2002-serien, som bruker en moderne 7-liters V-4,4-motor og i stand til en toppfart på 212 km / t, etterfulgt av den siste utviklingen med en 12-sylindret V-XNUMX-motor.

I følge selskapets offisielle oppfatning var årsakene til at BMW da foretrakk denne teknologien fremfor brenselceller, både kommersielle og psykologiske. For det første vil denne metoden kreve betydelig mindre investering i tilfelle endringer i industriell infrastruktur. For det andre, fordi folk er vant til den gode gamle forbrenningsmotoren, elsker de den, og det vil være vanskelig å skille seg fra den. Og for det tredje, fordi samtidig utvikler denne teknologien seg raskere enn drivstoffcelle-teknologi.

I BMW-biler lagres hydrogen i et overisolert kryogent kar, på en måte som en høyteknologisk termosflaske utviklet av det tyske kjølekonsernet Linde. Ved lave lagringstemperaturer er drivstoffet i flytende fase og kommer inn i motoren som normalt drivstoff.

Designerne av München-selskapet bruker drivstoffinnsprøytning i inntaksmanifoldene, og kvaliteten på blandingen avhenger av motorens driftsmodus. I dellastmodus går motoren på magre blandinger som ligner på diesel - bare mengden drivstoff som injiseres endres. Dette er den såkalte "kvalitetskontrollen" av blandingen, der motoren kjører med overflødig luft, men på grunn av den lave belastningen minimeres dannelsen av nitrogenutslipp. Når det er behov for betydelig kraft, begynner motoren å fungere som en bensinmotor, og går over til den såkalte "kvantitative reguleringen" av blandingen og til normale (ikke magre) blandinger. Disse endringene er mulig på den ene siden takket være hastigheten til den elektroniske prosesskontrollen i motoren, og på den annen side takket være den fleksible driften av kontrollsystemene for gassdistribusjon - den "doble" Vanos, som fungerer sammen med Valvetronic inntakskontrollsystem uten gass. Det bør huskes at, ifølge BMW-ingeniører, er arbeidsskjemaet for denne utviklingen bare et mellomstadium i utviklingen av teknologi, og at motorer i fremtiden må gå over til direkte hydrogeninnsprøytning i sylindrene og turboladeren. Det forventes at bruken av disse metodene vil føre til en forbedring av den dynamiske ytelsen til bilen sammenlignet med en lignende bensinmotor og til en økning i den totale effektiviteten til forbrenningsmotoren med mer enn 50 %.

Et interessant utviklingsfaktum er at med den siste utviklingen innen "hydrogen" forbrenningsmotorer, går designerne i München inn på brenselceller. De bruker slike enheter for å drive det elektriske nettverket ombord i biler, og eliminerer det konvensjonelle batteriet fullstendig. Takket være dette trinnet er ytterligere drivstoffbesparelser mulig, siden hydrogenmotoren ikke trenger å drive dynamoen, og det elektriske systemet ombord blir helt autonomt og uavhengig av kjørebanen - det kan generere strøm selv når motoren ikke går, og produksjon og forbruk av energi kan optimaliseres fullt ut. Det faktum at så mye strøm som trengs for å drive vannpumpen, oljepumpene, bremseforsterkeren og ledningssystemer nå kan genereres, betyr også ytterligere besparelser. Parallelt med alle disse innovasjonene har imidlertid drivstoffinnsprøytningssystemet (bensin) praktisk talt ikke gjennomgått noen kostbare designendringer.

For å fremme hydrogenteknologier i juni 2002 opprettet BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN partnerskapsprogrammet CleanEnergy, som startet sin virksomhet med utvikling av LPG -tankstasjoner. og komprimert hydrogen. I dem produseres en del av hydrogenet på stedet ved hjelp av solenergi og komprimeres deretter, mens store flytende mengder kommer fra spesielle produksjonsstasjoner, og alle damper fra væskefasen overføres automatisk til gassreservoaret.
BMW har initiert en rekke andre fellesprosjekter, blant annet med oljeselskaper, blant dem de mest aktive deltakerne er Aral, BP, Shell, Total.
Men hvorfor BMW forlater disse teknologiske løsningene og fortsatt fokuserer på drivstoffceller, vil vi fortelle deg i en annen artikkel i denne serien.

Hydrogen i forbrenningsmotorer

Det er interessant å merke seg at på grunn av de fysiske og kjemiske egenskapene til hydrogen, er det mye mer brannfarlig enn bensin. I praksis betyr dette at det kreves mye mindre startenergi for å sette i gang forbrenningsprosessen i hydrogen. På den annen side kan hydrogenmotorer lett bruke svært «dårlige» blandinger – noe moderne bensinmotorer oppnår gjennom komplekse og kostbare teknologier.

Varmen mellom partiklene i hydrogen-luftblandingen spres mindre, og samtidig er selvantennelsestemperaturen mye høyere, og det samme er hastigheten på forbrenningsprosessene sammenlignet med bensin. Hydrogen har lav tetthet og sterk diffusivitet (muligheten for at partikler kommer inn i en annen gass - i dette tilfellet luft).

Det er den lave aktiveringsenergien som kreves for selvantennelse som er en av de største utfordringene med å kontrollere forbrenning i hydrogenmotorer, fordi blandingen lett kan antennes spontant på grunn av kontakt med varmere områder i forbrenningskammeret og motstand etter en kjede av helt ukontrollerte prosesser. Å unngå denne risikoen er en av de største utfordringene innen design av hydrogenmotorer, men det er ikke lett å eliminere konsekvensene av at den høyt spredte forbrenningsblandingen beveger seg veldig nær sylinderveggene og kan trenge inn i ekstremt smale hull. for eksempel langs lukkede ventiler ... Alt dette må tas i betraktning når du designer disse motorene.

En høy selvantennelsestemperatur og et høyt oktantall (ca. 130) tillater en økning i motorens kompresjonsforhold og dermed dens effektivitet, men igjen er det fare for selvantennelse av hydrogen ved kontakt med den varmere delen. i sylinderen. Fordelen med den høye diffusjonskapasiteten til hydrogen er muligheten for enkel blanding med luft, noe som i tilfelle tankstans garanterer rask og sikker spredning av drivstoffet.

Den ideelle luft-hydrogenblandingen for forbrenning har et forhold på omtrent 34:1 (for bensin er dette forholdet 14,7:1). Dette betyr at når man kombinerer samme masse hydrogen og bensin i det første tilfellet, kreves det mer enn dobbelt så mye luft. Samtidig tar hydrogen-luftblandingen betydelig mer plass, noe som forklarer hvorfor hydrogenmotorer har mindre effekt. En rent digital illustrasjon av forhold og volumer er ganske veltalende - tettheten av hydrogen klar for forbrenning er 56 ganger mindre enn tettheten til bensindamp ... Det skal imidlertid bemerkes at hydrogenmotorer generelt kan operere på luftblandinger . hydrogen i forhold opp til 180:1 (dvs. med veldig "dårlige" blandinger), som igjen gjør at motoren kan gå uten gass og bruke prinsippet til dieselmotorer. Det skal også nevnes at hydrogen er den ubestridte lederen i sammenligningen mellom hydrogen og bensin som masseenergikilde – et kilo hydrogen har nesten tre ganger mer energi per kilo bensin.

Som med bensinmotorer, kan flytende hydrogen injiseres rett foran ventilene i manifoldene, men den beste løsningen er injeksjon direkte under kompresjonsslaget - i dette tilfellet kan effekten overstige den til en sammenlignbar bensinmotor med 25 %. Dette er fordi drivstoffet (hydrogenet) ikke fortrenger luft som med en bensin- eller dieselmotor, slik at forbrenningskammeret fylles med kun (betydelig mer enn vanlig) luft. I tillegg, i motsetning til bensinmotorer, trenger ikke hydrogen strukturell virvling, siden hydrogen uten dette tiltaket diffunderer ganske bra med luft. På grunn av de forskjellige brennhastighetene i forskjellige deler av sylinderen, er det bedre å installere to tennplugger, og i hydrogenmotorer er bruken av platinaelektroder ikke egnet, siden platina blir en katalysator som fører til drivstoffoksidasjon selv ved lave temperaturer .

Mazda-variant

Det japanske selskapet Mazda viser også frem sin versjon av hydrogenmotoren, i form av en roterende blokk i sportsbilen RX-8. Dette er ikke overraskende, siden designfunksjonene til Wankel-motoren er ekstremt egnet for bruk av hydrogen som drivstoff.
Gassen lagres under høyt trykk i en spesiell tank, og drivstoffet injiseres direkte i forbrenningskamrene. På grunn av det faktum at når det gjelder rotasjonsmotorer, sonene der injeksjon og forbrenning foregår er separate, og temperaturen i inntaksdelen er lavere, reduseres problemet med muligheten for ukontrollert tenning betydelig. Wankel-motoren har også god plass til to injektorer, noe som er viktig for å injisere den optimale mengden hydrogen.

H2R

H2R er en fungerende supersport-prototype bygget av BMW-ingeniører og drevet av en 12-sylindret motor som når en maksimal effekt på 285 hk. når du arbeider med hydrogen. Takket være dem akselererer den eksperimentelle modellen fra 0 til 100 km/t på seks sekunder og når en toppfart på 300 km/t. H2R-motoren er basert på standardtoppen som brukes i 760i bensin og tok bare ti måneder å utvikle .

For å forhindre spontan forbrenning har de bayerske spesialistene utviklet en spesiell strategi for strømnings- og injeksjonssyklusene inn i forbrenningskammeret, ved å bruke mulighetene som tilbys av motorens variable ventiltimingssystem. Før blandingen kommer inn i sylindrene, blir sistnevnte avkjølt med luft, og tenning utføres bare ved øvre dødpunkt - på grunn av den høye forbrenningshastigheten med hydrogendrivstoff er det ikke nødvendig med tenningsfremgang.