BMW e hidrogênio: motor de combustão interna
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BMW e hidrogênio: motor de combustão interna

Os projetos da empresa começaram há 40 anos com a versão a hidrogênio da série 5

A BMW há muito acredita na mobilidade elétrica. Hoje, a Tesla pode ser considerada a referência nesta área, mas dez anos atrás, quando a empresa americana demonstrou o conceito de uma plataforma de alumínio personalizada, que foi então realizada na forma do Tesla Model S, a BMW estava trabalhando ativamente no Megacity Projeto de veículo. 2013 é comercializado como o BMW i3. O vanguardista carro alemão usa não apenas uma estrutura de suporte de alumínio com baterias integradas, mas também uma carroceria feita de polímeros reforçados com carbono. No entanto, o que a Tesla está inegavelmente à frente de seus concorrentes é sua metodologia excepcional, especialmente na escala de desenvolvimento de baterias para veículos elétricos – desde relacionamentos com fabricantes de células de íons de lítio até a construção de enormes fábricas de baterias, incluindo aquelas com aplicações não elétricas. mobilidade.

Mas voltemos à BMW porque, ao contrário da Tesla e de muitos dos seus concorrentes, a empresa alemã ainda acredita na mobilidade do hidrogénio. Recentemente, uma equipe liderada pelo vice-presidente de células de combustível de hidrogênio da empresa, Dr. Jürgen Gouldner, revelou a célula de combustível I-Hydrogen Next, um grupo gerador autopropelido alimentado por uma reação química de baixa temperatura. Este momento marca o 10º aniversário do lançamento do desenvolvimento do veículo com célula de combustível da BMW e o 7º aniversário da colaboração com a Toyota em células de combustível. No entanto, a dependência da BMW no hidrogênio remonta a 40 anos e é muito mais "temperatura quente".

São mais de um quarto de século de desenvolvimentos da empresa, em que o hidrogênio é utilizado como combustível para motores de combustão interna. Durante grande parte desse período, a empresa acreditou que um motor de combustão interna movido a hidrogênio estava mais próximo do consumidor do que uma célula de combustível. Com uma eficiência de cerca de 60% e uma combinação de um motor elétrico com uma eficiência superior a 90%, um motor de célula de combustível é muito mais eficiente do que um motor de combustão interna movido a hidrogênio. Como veremos nas linhas a seguir, com sua injeção direta e turboalimentação, os motores reduzidos de hoje serão extremamente adequados para fornecer hidrogênio - desde que os sistemas de controle de combustão e injeção adequados estejam em vigor. Mas, embora os motores de combustão interna movidos a hidrogênio sejam normalmente muito mais baratos do que uma célula de combustível combinada com uma bateria de íon-lítio, eles não estão mais na agenda. Além disso, os problemas de mobilidade do hidrogênio em ambos os casos vão muito além do escopo do sistema de propulsão.

E ainda, por que hidrogênio?

O hidrogênio é um elemento importante no desejo da humanidade de usar cada vez mais fontes de energia alternativas, como uma ponte para acumular energia do sol, vento, água e biomassa, convertendo-a em energia química. Simplificando, isso significa que a eletricidade produzida por essas fontes naturais não pode ser armazenada em grandes volumes, mas pode ser usada para produzir hidrogênio decompondo a água em oxigênio e hidrogênio.

Claro, o hidrogênio também pode ser extraído de fontes de hidrocarbonetos não renováveis, mas isso é inaceitável quando se trata de usá-lo como fonte de energia. É inegável que os problemas tecnológicos de produção, armazenamento e transporte do hidrogênio são solucionáveis ​​- na prática, ainda hoje, enormes quantidades desse gás são produzidas e utilizadas como matéria-prima nas indústrias química e petroquímica. Nesses casos, porém, o alto custo do hidrogênio não é letal, pois ele "derrete" ao alto custo dos produtos em que está envolvido.

No entanto, o problema de usar gás leve como fonte de energia e em grandes quantidades é um pouco mais complicado. Os cientistas vêm balançando a cabeça há muito tempo em busca de uma possível alternativa estratégica ao óleo combustível, e o aumento da mobilidade elétrica e do hidrogênio podem estar em estreita simbiose. No centro de tudo isso está um fato simples, mas muito importante – a extração e o uso do hidrogênio giram em torno do ciclo natural de combinação e decomposição da água… o hidrogênio pode ser produzido e usado em quantidades ilimitadas sem emitir emissões nocivas.
produção

Atualmente, mais de 70 milhões de toneladas de hidrogênio puro são produzidas no mundo. A principal matéria-prima para sua produção é o gás natural, que é processado em um processo conhecido como “reforma” (metade do total). Quantidades menores de hidrogênio são produzidas por outros processos, como eletrólise de compostos de cloro, oxidação parcial de óleo pesado, gaseificação de carvão, pirólise de carvão para produção de coque e reforma da gasolina. Cerca de metade da produção mundial de hidrogênio é usada para a síntese de amônia (usada como matéria-prima na produção de fertilizantes), no refino de petróleo e na síntese de metanol.

Esses esquemas de produção sobrecarregam o meio ambiente em graus variados e, infelizmente, nenhum deles oferece uma alternativa significativa ao atual status quo energético – primeiro porque usam fontes não renováveis ​​e, segundo, porque a produção emite substâncias indesejadas, como dióxido de carbono. O método mais promissor para a produção de hidrogênio no futuro continua sendo a decomposição da água com o auxílio da eletricidade, conhecida desde o ensino fundamental. No entanto, fechar o ciclo de energia limpa atualmente só é possível usando energia natural e, principalmente, solar e eólica para gerar a eletricidade necessária para decompor a água. Segundo o Dr. Gouldner, as tecnologias modernas "conectadas" aos sistemas eólico e solar, incluindo pequenas estações de hidrogênio, onde este último é produzido no local, são um grande novo passo nessa direção.
local de armazenagem

O hidrogênio pode ser armazenado em grandes quantidades nas fases gasosa e líquida. Os maiores reservatórios em que o hidrogênio está localizado a uma pressão relativamente baixa são chamados "medidores de gás". Tanques médios e menores são projetados para armazenar hidrogênio sob uma pressão de 30 bar, enquanto os menores tanques especiais (dispositivos caros feitos de materiais compósitos reforçados com aço ou fibra de carbono) mantêm uma pressão constante de 400 bar.
O hidrogênio também pode ser armazenado em fase líquida a -253°C por unidade de volume contendo 1,78 vezes mais energia do que quando armazenado a 700 bar – para atingir a quantidade equivalente de energia em hidrogênio liquefeito por unidade de volume, o gás deve ser comprimido até 1250 bar. Devido à maior eficiência energética do hidrogênio refrigerado, a BMW está em parceria com o grupo de refrigeração alemão Linde para seus primeiros sistemas, que desenvolveu dispositivos criogênicos de última geração para liquefazer e armazenar hidrogênio. Os cientistas também oferecem outras alternativas, mas menos aplicáveis ​​​​no momento, para armazenar hidrogênio - por exemplo, armazenamento sob pressão em farinha metálica especial, na forma de hidretos metálicos e outros.

Já existem redes de transmissão de hidrogênio em áreas com alta concentração de plantas químicas e refinarias de petróleo. Em geral, a técnica é semelhante à da transferência de gás natural, mas nem sempre é possível o uso deste último para as necessidades de hidrogênio. No entanto, no século passado, muitas casas nas cidades europeias eram iluminadas por gases leves de dutos, que contêm até 50% de hidrogênio e que são usados ​​como combustível para os primeiros motores estacionários de combustão interna. O nível de tecnologia atual já permite o transporte transcontinental de hidrogênio liquefeito através de navios criogênicos existentes, semelhantes aos usados ​​para o gás natural.

BMW e motor de combustão interna

"Água. O único produto final de motores BMW limpos que usa hidrogênio líquido em vez de combustível de petróleo e permite que todos desfrutem de novas tecnologias com a consciência tranquila”.

Estas palavras são uma citação de uma campanha publicitária de uma empresa alemã no início do século XXI. Ele deve promover uma versão bastante exótica de 745 horas de hidrogênio da principal montadora da Baviera. Exótica, porque, segundo a BMW, a transição para alternativas aos combustíveis de hidrocarbonetos, que a indústria automobilística vem alimentando desde o início, exigirá uma mudança em toda a infraestrutura industrial. Naquela época, os bávaros encontraram um caminho promissor de desenvolvimento não nas células de combustível amplamente divulgadas, mas na conversão de motores de combustão interna em hidrogênio. A BMW acredita que o retrofit em questão é um problema solucionável e já está fazendo um progresso significativo na solução do principal problema de garantir um desempenho confiável do motor e eliminar sua tendência a processos de combustão descontrolados usando hidrogênio puro. O sucesso nessa direção se deve à competência no campo do controle eletrônico de processos de motores e à capacidade de usar os sistemas patenteados da BMW para a distribuição flexível de gás da Valvetronic e Vanos, sem a qual é impossível garantir a operação normal dos "motores a hidrogênio".

No entanto, os primeiros passos nessa direção datam de 1820, quando o designer William Cecil criou um motor movido a hidrogênio operando no chamado "princípio do vácuo" - um esquema completamente diferente daquele inventado posteriormente com um motor interno. queimando. Em seu primeiro desenvolvimento de motores de combustão interna 60 anos depois, o pioneiro Otto usou o já mencionado gás sintético derivado do carvão com um teor de hidrogênio de cerca de 50%. Porém, com a invenção do carburador, o uso da gasolina tornou-se muito mais prático e seguro, e o combustível líquido substituiu todas as alternativas existentes até então. As propriedades do hidrogênio como combustível foram descobertas muitos anos depois pela indústria espacial, que rapidamente descobriu que o hidrogênio tinha a melhor relação energia/massa de qualquer combustível conhecido pela humanidade.

Em julho de 1998, a Associação Europeia da Indústria Automobilística (ACEA) comprometeu-se a reduzir as emissões de CO2 dos carros recém-matriculados na União para uma média de 140 gramas por quilômetro até 2008. Na prática, isso significa uma redução de 25% nas emissões em comparação a 1995 e é equivalente a um consumo médio de combustível na nova frota de cerca de 6,0 l / 100 km. Isso torna a tarefa das empresas automotivas extremamente difícil e, de acordo com especialistas da BMW, pode ser resolvida usando combustível de baixo carbono ou removendo completamente o carbono da composição do combustível. Segundo essa teoria, o hidrogênio aparece no cenário automotivo em toda a sua glória.
A empresa da Baviera está se tornando o primeiro fabricante de automóveis a iniciar a produção em massa de carros movidos a hidrogênio. As declarações otimistas e confiantes de BMW Burkhard Göschel, membro do conselho de administração da BMW responsável por novos desenvolvimentos, de que "a empresa venderá carros a hidrogênio antes do término da 7ª série", se tornam realidade. Com a versão Hydrogen 7 da sétima série lançada em 2006, possui um motor de 12 cilindros com 260 hp. Esta mensagem está se tornando realidade.

A intenção parece bastante ambiciosa, mas não sem razão. A BMW vem testando motores de combustão interna a hidrogênio desde 1978, com a 5ª série (E12), a versão de 1984 horas do E 745 foi introduzida em 23 e, em 11 de maio de 2000, demonstrou os recursos exclusivos dessa alternativa. Uma frota impressionante de 15 hp O E 750 da "semana" com motores de 38 cilindros movidos a hidrogênio correu uma maratona de 12 km, demonstrando de maneira particularmente vívida o sucesso da empresa e as perspectivas de novas tecnologias. Em 170 e 000, alguns desses carros continuaram participando de várias manifestações para promover a idéia de hidrogênio. Em seguida, vem um novo desenvolvimento, baseado nas próximas 2001 séries, usando um moderno motor de oito cilindros de 2002 litros e capaz de uma velocidade máxima de 7 km / h, seguido pelo mais recente desenvolvimento com um motor de seis cilindros de 4,4 cilindros.

Segundo a opinião oficial da empresa, as razões pelas quais a BMW preferia essa tecnologia às células de combustível têm tanto uma base comercial quanto uma base psicológica. Primeiro, esse método exigirá significativamente menos investimento se a infraestrutura industrial mudar. Em segundo lugar, porque as pessoas estão acostumadas com o bom e velho motor de combustão interna, elas adoram e será difícil participar. E terceiro, porque ao mesmo tempo essa tecnologia está se desenvolvendo mais rapidamente do que a tecnologia de células de combustível.

Nos carros da BMW, o hidrogênio é armazenado em um recipiente criogênico superisolado, como uma garrafa térmica de alta tecnologia desenvolvida pelo grupo alemão de refrigeração Linde. Em baixas temperaturas de armazenamento, o combustível está na fase líquida e entra no motor como combustível normal.

Os projetistas da empresa de Munique usam injeção de combustível nos coletores de admissão, e a qualidade da mistura depende do modo de operação do motor. No modo de carga parcial, o motor funciona com misturas pobres semelhantes ao diesel - apenas a quantidade de combustível injetado é alterada. É o chamado “controle de qualidade” da mistura, no qual o motor funciona com excesso de ar, mas devido à baixa carga, a formação de emissões de nitrogênio é minimizada. Quando há necessidade de potência significativa, o motor passa a funcionar como um motor a gasolina, passando para a chamada “regulação quantitativa” da mistura e para misturas normais (não pobres). Essas mudanças são possíveis, por um lado, graças à velocidade do controle eletrônico do processo no motor e, por outro lado, graças à operação flexível dos sistemas de controle de distribuição de gás - o “duplo” Vanos, trabalhando em conjunto com o sistema de controle de admissão Valvetronic sem acelerador. Deve-se ter em mente que, de acordo com os engenheiros da BMW, o esquema de trabalho deste desenvolvimento é apenas um estágio intermediário no desenvolvimento da tecnologia e que no futuro os motores terão que passar para a injeção direta de hidrogênio nos cilindros e no turbocompressor. Espera-se que a aplicação destes métodos conduza a uma melhoria do desempenho dinâmico do automóvel face a um motor a gasolina semelhante e a um aumento da eficiência global do motor de combustão interna em mais de 50%.

Um fato de desenvolvimento interessante é que, com os últimos desenvolvimentos em motores de combustão interna “hidrogênio”, os projetistas em Munique estão entrando no campo das células de combustível. Eles usam esses dispositivos para alimentar a rede elétrica de bordo dos carros, eliminando completamente a bateria convencional. Graças a esta etapa, são possíveis economias adicionais de combustível, uma vez que o motor a hidrogênio não precisa acionar o alternador e o sistema elétrico de bordo torna-se totalmente autônomo e independente do caminho de condução - pode gerar eletricidade mesmo quando o motor não está funcionando, e a produção e consumo de energia podem ser totalmente otimizados. O fato de poder gerar toda a eletricidade necessária para alimentar a bomba de água, as bombas de óleo, o servofreio e os sistemas de fiação também se traduz em mais economia. Porém, paralelamente a todas essas inovações, o sistema de injeção de combustível (gasolina) praticamente não sofreu alterações dispendiosas no projeto.

Com o objetivo de promover as tecnologias de hidrogênio em junho de 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN criou o programa de parceria CleanEnergy, que iniciou sua atividade com o desenvolvimento de postos de abastecimento de GLP. e hidrogênio comprimido. Neles, parte do hidrogênio é produzido no local a partir da eletricidade solar e depois comprimido, enquanto grandes quantidades liquefeitas vêm de estações especiais de produção, e todos os vapores da fase líquida são automaticamente transferidos para o reservatório de gás.
A BMW iniciou uma série de outros projetos conjuntos, inclusive com empresas de petróleo, entre os quais os participantes mais ativos são Aral, BP, Shell, Total.
No entanto, por que a BMW recusa essas soluções tecnológicas e ainda se concentra nas células de combustível, falaremos em outro artigo desta série.

Hidrogênio em motores de combustão interna

É interessante notar que devido às propriedades físicas e químicas do hidrogênio, ele é muito mais inflamável que a gasolina. Na prática, isso significa que muito menos energia inicial é necessária para iniciar o processo de combustão no hidrogênio. Por outro lado, os motores a hidrogênio podem facilmente usar misturas muito "ruins" - algo que os modernos motores a gasolina conseguem por meio de tecnologias complexas e caras.

O calor entre as partículas da mistura hidrogênio-ar é menos dissipado e, ao mesmo tempo, a temperatura de autoignição é muito maior, assim como a taxa de processos de combustão em comparação com a gasolina. O hidrogênio tem baixa densidade e forte difusividade (possibilidade de partículas entrarem em outro gás - neste caso, o ar).

É a baixa energia de ativação necessária para a auto-ignição que é um dos maiores problemas no controle de processos de combustão em motores a hidrogênio, porque a mistura pode facilmente inflamar espontaneamente devido ao contato com áreas mais quentes na câmara de combustão e resistência após uma cadeia de processos completamente descontrolados. Evitar esse risco é um dos maiores problemas no projeto de motores a hidrogênio, mas não é tão fácil eliminar as conseqüências do fato de que uma mistura de queima altamente dispersa se move muito perto das paredes do cilindro e pode penetrar em espaços extremamente estreitos. por exemplo, ao longo de válvulas fechadas ... Tudo isso deve ser levado em consideração ao projetar esses motores.

A alta temperatura de auto-ignição e um alto número de octanas (cerca de 130) podem aumentar o grau de compressão do motor e, portanto, sua eficiência, mas, novamente, existe o perigo de auto-ignição de hidrogênio em contato com a parte mais quente. no cilindro. A vantagem da alta capacidade de difusão do hidrogênio é a possibilidade de fácil mistura com o ar, o que, em caso de quebra do tanque, garante uma dispersão rápida e segura do combustível.

A mistura ar-hidrogênio ideal para combustão tem uma proporção de cerca de 34:1 (para a gasolina, essa proporção é de 14,7:1). Isso significa que, ao combinar a mesma massa de hidrogênio e gasolina no primeiro caso, é necessário mais do que o dobro de ar. Ao mesmo tempo, a mistura hidrogênio-ar ocupa muito mais espaço, o que explica por que os motores a hidrogênio têm menos potência. Uma ilustração puramente digital de proporções e volumes é bastante eloquente - a densidade do hidrogênio pronto para combustão é 56 vezes menor que a densidade do vapor da gasolina ... No entanto, deve-se notar que, em geral, os motores a hidrogênio podem operar com misturas de ar . hidrogênio em proporções de até 180:1 (ou seja, com misturas muito "ruins"), o que, por sua vez, significa que o motor pode funcionar sem acelerador e usar o princípio dos motores a diesel. Também deve ser mencionado que o hidrogênio é o líder indiscutível na comparação entre hidrogênio e gasolina como fonte de energia em massa - um quilo de hidrogênio tem quase três vezes mais energia por quilo de gasolina.

Assim como nos motores a gasolina, o hidrogênio liquefeito pode ser injetado diretamente à frente das válvulas nos coletores, mas a melhor solução é injetar diretamente durante o curso de compressão - nesse caso, a potência pode exceder a de um motor a gasolina comparável em 25%. Isso ocorre porque o combustível (hidrogênio) não desloca o ar como em um motor a gasolina ou diesel, permitindo que a câmara de combustão se encha apenas com ar (significativamente mais do que o normal). Além disso, ao contrário dos motores a gasolina, o hidrogênio não precisa de redemoinho estrutural, pois o hidrogênio sem essa medida se difunde muito bem com o ar. Devido às diferentes taxas de queima em diferentes partes do cilindro, é melhor instalar duas velas de ignição e, em motores a hidrogênio, o uso de eletrodos de platina não é adequado, pois a platina se torna um catalisador que leva à oxidação do combustível mesmo em baixas temperaturas .

Opção Mazda

A japonesa Mazda também mostra sua versão do motor a hidrogênio, em forma de bloco rotativo, no esportivo RX-8. Isso não é surpreendente, já que os recursos de design do motor Wankel são extremamente adequados para o uso de hidrogênio como combustível.
O gás é armazenado sob alta pressão em um tanque especial e o combustível é injetado diretamente nas câmaras de combustão. Devido ao fato de que, no caso de motores rotativos, as zonas nas quais a injeção e a combustão ocorrem são separadas e a temperatura na parte da entrada é mais baixa, o problema com a possibilidade de ignição descontrolada é reduzido significativamente. O motor Wankel também oferece amplo espaço para dois injetores, o que é crucial para a injeção da quantidade ideal de hidrogênio.

H2R

O H2R é um protótipo funcional superesportivo construído por engenheiros da BMW e alimentado por um motor de 12 cilindros que atinge uma potência máxima de 285 cv. ao trabalhar com hidrogênio. Graças a eles, o modelo experimental acelera de 0 a 100 km/h em seis segundos e atinge a velocidade máxima de 300 km/h. O motor H2R é baseado no padrão top usado no 760i a gasolina e levou apenas dez meses para ser desenvolvido .


Para evitar a combustão espontânea, os especialistas bávaros desenvolveram uma estratégia especial para os ciclos de fluxo e injeção na câmara de combustão, usando as possibilidades oferecidas pelo sistema de distribuição variável de válvulas do motor. Antes da mistura entrar nos cilindros, estes são resfriados a ar, e a ignição é realizada apenas no ponto morto superior - devido à alta taxa de combustão com combustível hidrogênio, o avanço da ignição não é necessário.

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