BMW och väte: förbränningsmotorn

Företagets projekt började för 40 år sedan med väteversionen av 5-serien

BMW har länge trott på elektrisk mobilitet. Idag kan Tesla anses vara riktmärket på detta område, men för tio år sedan, när det amerikanska företaget demonstrerade konceptet med en anpassad aluminiumplattform, som sedan realiserades i form av Tesla Model S, arbetade BMW aktivt med Megacity Fordonsprojekt. 2013 marknadsförs som BMW i3. Den tyska avantgardebilen använder inte bara en stödstruktur av aluminium med integrerade batterier, utan också en kaross gjord av kolförstärkta polymerer. Men det som Tesla onekligen ligger före sina konkurrenter är dess exceptionella metodik, särskilt när det gäller att utveckla batterier för elfordon – från relationer med litiumjoncellstillverkare till att bygga enorma batterifabriker, inklusive de med icke-elektriska applikationer. rörlighet.

Men låt oss återgå till BMW eftersom det tyska företaget, till skillnad från Tesla och många av dess konkurrenter, fortfarande tror på vätgas rörlighet. Nyligen presenterade ett team under ledning av företagets vice VD för Hydrogen Fuel Cells, Dr Jürgen Gouldner, bränslecellen I-Hydrogen Next, en självgående generator som drivs av en kemisk reaktion vid låg temperatur. Detta ögonblick markerar 10-årsdagen av lanseringen av BMW:s utveckling av bränslecellsfordon och 7-årsdagen av samarbetet med Toyota om bränsleceller. Men BMW:s beroende av väte går tillbaka 40 år och är en mycket mer "het temperatur".

Detta är mer än ett kvarts sekel av utveckling av företaget, där väte används som bränsle för förbränningsmotorer. Under en stor del av den perioden trodde företaget att en vätgasdriven förbränningsmotor var närmare konsumenten än en bränslecell. Med en verkningsgrad på cirka 60 % och en kombination av en elmotor med en verkningsgrad på över 90 % är en bränslecellsmotor mycket effektivare än en förbränningsmotor som går på vätgas. Som vi kommer att se i följande rader, med sin direktinsprutning och turboladdning, kommer dagens neddimensionerade motorer att vara extremt lämpade för att leverera vätgas - förutsatt att rätt insprutnings- och förbränningskontrollsystem finns på plats. Men medan vätgasdrivna förbränningsmotorer vanligtvis är mycket billigare än en bränslecell i kombination med ett litiumjonbatteri, är de inte längre på agendan. Dessutom går problemen med vätgasrörlighet i båda fallen långt utanför framdrivningssystemets ram.

Och ändå varför väte?

Väte är ett viktigt element i mänsklighetens strävan att använda fler och fler alternativa energikällor, till exempel en bro för att lagra energi från solen, vinden, vattnet och biomassan genom att omvandla den till kemisk energi. Enkelt uttryckt betyder detta att el som genereras av dessa naturliga källor inte kan lagras i stora volymer utan kan användas för att producera väte genom att sönderdela vatten till syre och väte.

Naturligtvis kan väte även utvinnas från icke förnybara kolvätekällor, men det har länge varit oacceptabelt när det gäller att använda det som energikälla. Det är ett obestridligt faktum att de tekniska problemen med produktion, lagring och transport av väte är lösbara - i praktiken, även nu, produceras enorma mängder av denna gas och används som råmaterial i den kemiska och petrokemiska industrin. I dessa fall är dock den höga kostnaden för väte inte dödlig, eftersom den "smälter" till den höga kostnaden för de produkter som det är involverat i.

Problemet med att använda lätt gas som energikälla och i stora mängder är dock lite mer komplicerat. Forskare har länge skakat på huvudet i jakten på ett möjligt strategiskt alternativ till eldningsolja, och ökningen av elektrisk rörlighet och väte kan vara i nära symbios. Kärnan i allt detta är ett enkelt men mycket viktigt faktum – utvinning och användning av väte kretsar kring det naturliga kretsloppet av att kombinera och sönderfalla vatten … Om mänskligheten förbättrar och utökar produktionsmetoderna med hjälp av naturliga källor som solenergi, vind och vatten, väte kan produceras och användas i obegränsade mängder utan att släppa ut skadliga utsläpp.
produktion

Mer än 70 miljoner ton rent väte produceras för närvarande i världen. Det huvudsakliga råmaterialet för dess produktion är naturgas, som bearbetas i en process som kallas "reformering" (hälften av det totala). Mindre mängder väte produceras genom andra processer, såsom elektrolys av klorföreningar, partiell oxidation av tung olja, kolförgasning, pyrolys av kol för att producera koks och reformering av bensin. Cirka hälften av världens väteproduktion används för syntes av ammoniak (som används som råmaterial för produktion av gödselmedel), i oljeraffinering och för syntes av metanol.

Dessa produktionssystem belastar miljön i olika grad och tyvärr erbjuder ingen av dem ett meningsfullt alternativ till det nuvarande energiläget – dels för att de använder icke-förnybara källor, dels för att produktionen släpper ut oönskade ämnen som koldioxid. Den mest lovande metoden för framställning av väte i framtiden är fortfarande nedbrytningen av vatten med hjälp av el, känt i grundskolan. Men att stänga kretsloppet för ren energi är för närvarande endast möjligt genom att använda naturlig och särskilt sol- och vindenergi för att generera den el som behövs för att bryta ner vatten. Enligt Dr Gouldner är modern teknik "ansluten" till vind- och solsystem, inklusive små vätgasstationer, där de senare produceras på plats, ett stort nytt steg i denna riktning.
Förvaringsplats

Väte kan lagras i stora mängder i både gasformiga och flytande faser. De största sådana behållare, i vilka väte hålls vid ett relativt lågt tryck, kallas "gasmätare". Medel och mindre tankar är anpassade för att lagra väte vid ett tryck på 30 bar, medan de minsta specialtankarna (dyra anordningar tillverkade av speciella stål- eller kolfiberkompositmaterial) upprätthåller ett konstant tryck på 400 bar.
Vätgas kan även lagras i flytande fas vid -253°C per volymenhet innehållande 1,78 gånger mer energi än vid 700 bar – för att uppnå motsvarande mängd energi i flytande väte per volymenhet måste gasen komprimeras upp till 1250 bar. På grund av den högre energieffektiviteten hos kylt väte, samarbetar BMW med den tyska kylgruppen Linde för sina första system, som har utvecklat toppmoderna kryogena enheter för att kondensera och lagra väte. Forskare erbjuder också andra, men mindre användbara för tillfället, alternativ för lagring av väte - till exempel lagring under tryck i speciellt metallmjöl, i form av metallhydrider och andra.

Väteöverföringsnät finns redan i områden med en hög koncentration av kemiska anläggningar och oljeraffinaderier. I allmänhet liknar tekniken den för överföring av naturgas, men användningen av den senare för vätgasbehov är inte alltid möjlig. Men även under förra århundradet tändes många hus i europeiska städer med lätt gasledning som innehåller upp till 50% väte och som används som bränsle för de första stationära förbränningsmotorerna. Den nuvarande teknologinivån tillåter redan transkontinentalt transport av flytande väte genom befintliga kryogena tankfartyg, liknande de som används för naturgas.

BMW och förbränningsmotorn

"Vatten. Den enda slutprodukten av rena BMW-motorer som använder flytande väte istället för petroleumbränsle och låter alla njuta av ny teknik med gott samvete.”

Dessa ord är ett citat från en reklamkampanj för ett tyskt företag i början av 745-talet. Det borde främja den ganska exotiska XNUMX timmars väteversionen av den bayerska biltillverkarens flaggskepp. Exotiskt, eftersom övergången till kolvätebränslealternativ som bilindustrin har matat från början enligt BMW kommer att kräva en förändring av hela den industriella infrastrukturen. Vid den tiden fann bayern en lovande utvecklingsväg inte i de allmänt annonserade bränslecellerna, men i överföringen av förbränningsmotorer för att arbeta med väte. BMW anser att eftermontering som beaktas är en lösbar fråga och gör redan betydande framsteg mot den viktigaste utmaningen att säkerställa tillförlitlig motorprestanda och eliminera dess tendens till förbränning med rent väte. Framgången i denna riktning beror på kompetensen inom elektronisk styrning av motorprocesser och förmågan att använda de patenterade BMW-patenterade Valvetronic- och Vanos-systemen för flexibel gasdistribution, utan vilken det är omöjligt att garantera normal drift av "vätmotorer".

De första stegen i denna riktning går dock tillbaka till 1820, då designern William Cecil skapade en vätgasdriven motor som fungerade enligt den så kallade "vakuumprincipen" - ett schema helt annorlunda än det som senare uppfanns med en intern motor. brinnande. I sin första utveckling av förbränningsmotorer 60 år senare använde pionjären Otto den redan nämnda och kolframställda syntetiska gasen med en vätehalt på cirka 50 %. Men med uppfinningen av förgasaren har användningen av bensin blivit mycket mer praktisk och säkrare, och flytande bränsle har ersatt alla andra alternativ som har funnits fram till nu. Egenskaperna hos väte som bränsle upptäcktes många år senare av rymdindustrin, som snabbt upptäckte att väte hade det bästa energi/massaförhållandet av något bränsle som mänskligheten känner till.

I juli 1998 åtog sig European Association of the Automobile Industry (ACEA) att minska koldioxidutsläppen för nyregistrerade fordon i unionen till i genomsnitt 2 gram per kilometer senast 140. I praktiken innebär detta en minskning av utsläppen med 2008% jämfört med 25 och motsvarar en genomsnittlig bränsleförbrukning i den nya flottan på cirka 1995 l / 6,0 km. Detta gör uppdraget för bilföretag extremt svårt och enligt BMW-experter kan det lösas antingen genom att använda bränsle med låga koldioxidutsläpp eller genom att helt ta bort kol från bränslekompositionen. Enligt denna teori verkar väte i all sin härlighet på bilscenen.
Det bayerska företaget blir den första biltillverkaren som påbörjar massproduktion av vätendrivna fordon. BMW: s styrelse Burkhard Göschel, BMW-styrelseledamot som ansvarar för nyutvecklingen, att de "positiva och säkra fordringarna" på att företaget kommer att sälja vätebilar innan 7-serien löper ut. Med Hydrogen 7 introducerades en version av den sjunde serien 2006 och har en 12-cylindrig 260 hk motor. detta budskap blir verklighet.

Avsikten verkar ganska ambitiös, men med goda skäl. BMW har experimenterat med vätgasförbränningsmotorer sedan 1978, med 5-serien (E12), den 1984-timmarsversionen av E 745 introducerades 23, och den 11 maj 2000 visade den det unika förmågan hos detta alternativ. En imponerande flotta på 15 750 hk. Veckans E 38 "med 12-cylindriga vätestyrda motorer sprang ett maraton på 170 000 km, vilket lyfte fram företagets framgång och löfte om ny teknik. År 2001 och 2002 fortsatte några av dessa fordon att delta i olika demonstrationer för att främja väteidén. Detta följs av en ny utveckling baserad på nästa 7-serie med en modern 4,4-liters V-212-motor som har en topphastighet på 12 km / h, följt av den senaste utvecklingen med en XNUMX-cylindrig V-XNUMX-motor.

Enligt företagets officiella yttrande är orsakerna till att BMW sedan valde denna teknik framför bränsleceller både kommersiella och psykologiska. För det första kommer den här metoden att kräva betydligt mindre investeringar vid förändringar av industriell infrastruktur. För det andra, eftersom människor är vana vid den gamla gamla förbränningsmotorn, älskar de den och det kommer att vara svårt att avbryta den. Och för det tredje eftersom denna teknik samtidigt utvecklas snabbare än bränslecellstekniken.

I BMW-bilar lagras vätgas i ett överisolerat kryogenkärl, ungefär som en högteknologisk termosflaska utvecklad av den tyska kylkoncernen Linde. Vid låga lagringstemperaturer är bränslet i flytande fas och kommer in i motorn som normalt bränsle.

Designerna av München-företaget använder bränsleinsprutning i insugningsgrenrören, och kvaliteten på blandningen beror på motorns driftläge. I dellastläge går motorn på magra blandningar som liknar diesel - endast mängden bränsle som sprutas in ändras. Detta är den så kallade "kvalitetskontrollen" av blandningen, där motorn körs med överskottsluft, men på grund av den låga belastningen minimeras bildningen av kväveutsläpp. När det finns ett behov av betydande kraft börjar motorn att fungera som en bensinmotor och går över till den så kallade "kvantitativa regleringen" av blandningen och till normala (inte magra) blandningar. Dessa förändringar är möjliga, å ena sidan, tack vare hastigheten på den elektroniska processtyrningen i motorn, och å andra sidan, tack vare den flexibla driften av gasdistributionskontrollsystemen - den "dubbla" Vanos, som arbetar tillsammans med Valvetronic insugskontrollsystem utan gasreglage. Man bör komma ihåg att, enligt BMW-ingenjörer, är arbetsschemat för denna utveckling endast ett mellanstadium i utvecklingen av teknik och att motorer i framtiden måste gå över till direkt väteinsprutning i cylindrarna och turboladdaren. Det förväntas att tillämpningen av dessa metoder kommer att leda till en förbättring av bilens dynamiska prestanda jämfört med en liknande bensinmotor och till en ökning av den totala verkningsgraden för förbränningsmotorn med mer än 50 %.

Ett intressant utvecklingsfaktum är att med den senaste utvecklingen inom "väte" förbränningsmotorer, går designers i München in på området för bränsleceller. De använder sådana enheter för att driva det elektriska nätverket ombord i bilar, vilket helt eliminerar det konventionella batteriet. Tack vare detta steg är ytterligare bränslebesparingar möjliga, eftersom vätgasmotorn inte behöver driva generatorn, och det elektriska systemet ombord blir helt autonomt och oberoende av körbanan - det kan generera elektricitet även när motorn inte är igång, och produktions- och förbrukningsenergi kan optimeras helt. Det faktum att så mycket el som behövs för att driva vattenpumpen, oljepumparna, bromsförstärkaren och ledningssystemen nu kan genereras innebär också ytterligare besparingar. Men parallellt med alla dessa innovationer har bränsleinsprutningssystemet (bensin) praktiskt taget inte genomgått några kostsamma designförändringar.

För att främja väte -teknik i juni 2002 skapade BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN partnerskapsprogrammet CleanEnergy, som inledde sin verksamhet med utveckling av tankstationer med flytande gas. och komprimerat väte. I dem produceras en del av vätet på plats med solenergi och komprimeras sedan, medan stora flytande mängder kommer från speciella produktionsstationer och alla ångor från vätskefasen överförs automatiskt till gasbehållaren.
BMW har initierat ett antal andra gemensamma projekt, bland annat med oljebolag, bland vilka de mest aktiva deltagarna är Aral, BP, Shell, Total.
Men varför BMW överger dessa tekniska lösningar och fortfarande fokuserar på bränsleceller, berättar vi i en annan artikel i denna serie.

Väte i förbränningsmotorer

Det är intressant att notera att på grund av de fysiska och kemiska egenskaperna hos väte är det mycket mer brandfarligt än bensin. I praktiken innebär det att mycket mindre initial energi krävs för att sätta igång förbränningsprocessen i väte. Å andra sidan kan vätgasmotorer lätt använda mycket "dåliga" blandningar – något som moderna bensinmotorer uppnår genom komplexa och dyra tekniker.

Värmen mellan partiklarna i väte-luftblandningen försvinner mindre och samtidigt är självantändningstemperaturen mycket högre, liksom hastigheten för förbränningsprocesser jämfört med bensin. Väte har en låg densitet och en stark diffusivitet (möjligheten att partiklar kommer in i en annan gas - i det här fallet luft).

Det är den låga aktiveringsenergin som krävs för självantändning som är en av de största utmaningarna för att kontrollera förbränning i vätgasmotorer, eftersom blandningen lätt spontant kan antändas på grund av kontakt med hetare områden i förbränningskammaren och motstånd efter en kedja av helt okontrollerade processer. Att undvika denna risk är en av de största utmaningarna i vätgasmotordesignen, men det är inte lätt att eliminera konsekvenserna av det faktum att den mycket spridda förbränningsblandningen rör sig mycket nära cylinderväggarna och kan tränga in i extremt smala luckor. till exempel längs stängda ventiler ... Allt detta måste beaktas vid utformning av dessa motorer.

Den höga autoignitionstemperaturen och det höga oktantalet (cirka 130) möjliggör en ökning av kompressionsförhållandet hos motorn och därför dess effektivitet, men återigen finns det en fara för autoignition av väte vid kontakt med den varmare delen. i cylindern. Fördelen med vätgasens höga diffusionskapacitet är möjligheten att enkelt blandas med luft, vilket i händelse av en tanknedbrytning garanterar snabb och säker spridning av bränslet.

Den ideala luft-väteblandningen för förbränning har ett förhållande på cirka 34:1 (för bensin är detta förhållande 14,7:1). Detta innebär att när man kombinerar samma massa väte och bensin i det första fallet krävs mer än dubbelt så mycket luft. Samtidigt tar väte-luftblandningen upp betydligt mer plats, vilket förklarar varför vätgasmotorer har mindre effekt. En rent digital illustration av förhållanden och volymer är ganska vältalig - densiteten av väte redo för förbränning är 56 gånger mindre än densiteten för bensinånga ... Det bör dock noteras att vätgasmotorer i allmänhet kan arbeta på luftblandningar . väte i förhållanden upp till 180:1 (d.v.s. med mycket "dåliga" blandningar), vilket i sin tur gör att motorn kan gå utan gasreglage och använda principen för dieselmotorer. Det bör också nämnas att väte är den obestridda ledaren i jämförelsen mellan väte och bensin som massenergikälla – ett kilo väte har nästan tre gånger mer energi per kilo bensin.

Liksom med bensinmotorer kan flytande väte injiceras direkt framför ventilerna i grenrören, men den bästa lösningen är insprutning direkt under kompressionstakten - i det här fallet kan effekten överstiga den hos en jämförbar bensinmotor med 25 %. Detta beror på att bränslet (vätet) inte tränger undan luft som med en bensin- eller dieselmotor, vilket gör att förbränningskammaren bara fylls med (betydligt mer än vanligt) luft. Dessutom, till skillnad från bensinmotorer, behöver väte inte strukturell virvling, eftersom väte utan denna åtgärd diffunderar ganska bra med luft. På grund av de olika förbränningshastigheterna i olika delar av cylindern är det bättre att installera två tändstift, och i vätgasmotorer är användningen av platinaelektroder inte lämplig, eftersom platina blir en katalysator som leder till bränsleoxidation även vid låga temperaturer .

Mazda-alternativ

Det japanska företaget Mazda visar också upp sin version av vätgasmotorn, i form av ett roterande block i sportbilen RX-8. Detta är inte förvånande, eftersom designegenskaperna hos Wankel-motorn är extremt lämpliga för att använda väte som bränsle.
Gasen lagras under högt tryck i en speciell tank och bränslet injiceras direkt i förbränningskamrarna. På grund av det faktum att i fallet med roterande motorer, zonerna där injektion och förbränning sker är separata, och temperaturen i insugningsdelen är lägre, reduceras problemet med möjligheten till okontrollerad tändning avsevärt. Wankel-motorn erbjuder också gott om utrymme för två injektorer, vilket är avgörande för att injicera den optimala mängden väte.

H2R

H2R är en fungerande supersportprototyp byggd av BMW-ingenjörer och drivs av en 12-cylindrig motor som når en maximal effekt på 285 hk. när man arbetar med väte. Tack vare dem accelererar den experimentella modellen från 0 till 100 km/h på sex sekunder och når en topphastighet på 300 km/h. H2R-motorn är baserad på standardtopp som används i 760i bensin och tog bara tio månader att utveckla .

För att förhindra spontan förbränning har de bayerska specialisterna utvecklat en speciell strategi för flödes- och insprutningscyklerna in i förbränningskammaren, med hjälp av de möjligheter som motorns variabla ventiltidssystem erbjuder. Innan blandningen kommer in i cylindrarna, kyls de senare med luft, och tändning utförs endast vid övre dödpunkten - på grund av den höga förbränningshastigheten med vätebränsle krävs inte tändningsförskott.