Provkör BMW och vätgas: del två

"Vatten. Den enda slutprodukten av BMW:s rena motorer är att använda flytande väte istället för petroleumbränslen och att göra det möjligt för alla att njuta av ny teknik med gott samvete."

BMW sätt

Dessa ord är ett citat från en reklamkampanj av ett tyskt företag för flera år sedan. Det var länge ingen som ifrågasatte det faktum att bayern mycket väl vet vad de gör när det kommer till motorteknik och är en av de obestridda världsledande på detta område. Man skulle inte heller tro att ett företag som har visat solid försäljningstillväxt de senaste åren skulle kasta massor av pengar på föga kända annonser för lovande teknologier med en osäker framtid.

Men samtidigt är de citerade orden en del av en kampanj för att främja en ganska exotisk 745-timmars vätgasversion av den bayerska biltillverkarens flaggskepp. Exotiskt, för enligt BMW kommer övergången till alternativ till kolvätebränslen, som bilindustrin har matat från första början, att kräva en förändring av hela produktionsinfrastrukturen. Det senare är nödvändigt eftersom bayern ser en lovande utvecklingsväg inte i de allmänt annonserade bränslecellerna, utan i omvandlingen av förbränningsmotorer till att drivas på vätgas. BMW anser att uppgraderingen är ett lösbart problem och har redan gjort betydande framsteg när det gäller att lösa huvudproblemet med att uppnå tillförlitlig motorprestanda och eliminera dess benägenhet för okontrollerade förbränningsprocesser med rent väte. Framgång i denna riktning beror på kompetensen inom området för elektronisk styrning av motorprocesser och möjligheten att använda BMW patenterade flexibla gasdistributionssystem Valvetronic och Vanos, utan vilka det skulle vara omöjligt att säkerställa normal drift av "vätemotorer" . De första stegen i denna riktning går dock tillbaka till 1820, då konstruktören William Cecil skapade en vätgasdriven motor som fungerade enligt den så kallade "vakuumprincipen" - ett schema som skiljer sig mycket från det för den senare uppfunna motorn 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. Vätgas egenskaper som bränsle återupptäcktes 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 lovade European Automobile Industry Association (ACEA) Europeiska unionen att minska CO2008-utsläppen från nyregistrerade fordon i unionen med i genomsnitt 2 gram per kilometer med 140. I praktiken innebar detta en minskning av utsläppen med 25% jämfört med 1995, och den nya flottans genomsnittliga bränsleförbrukning var cirka 6,0 l / 100 km. Inom en snar framtid förväntas ytterligare åtgärder minska koldioxidutsläppen med 14% till 2012. Detta gör uppgiften för bilföretag extremt svår och kan enligt BMW-experter lösas antingen genom att använda koldioxidsnålt bränsle eller genom att helt eliminera kol från bränslekompositionen. Enligt denna teori återkommer väte på fordonsarenan i all sin härlighet.

Det bayerska företaget blev den första biltillverkaren som massproducerade vätgasdrivna fordon. De optimistiska och självsäkra påståendena från professor Burkhard Geschel, BMW-styrelseledamot med ansvar för ny utveckling, att "företaget kommer att sälja vätgasbilar innan utgången av den nuvarande 7-serien" har gått i uppfyllelse. Med sin senaste version Hydrogen 7, den sjunde serien, som introducerades 2006, med en 12 hk 260-cylindrig motor. detta meddelande har redan blivit verklighet. Avsikten verkade ganska ambitiös, men inte utan anledning. BMW har experimenterat med förbränningsmotorer som körs på väte sedan 1978 och den 11 maj 2000 utförde en unik demonstration av möjligheterna med detta alternativ. En imponerande flotta på 15 750 hl fordon från förra veckans generation, som drivs av vätgas tolvcylindriga motorer, slutförde maraton på 170 000 km, vilket framhöll företagets framgång och löftet om ny teknik. Under 2001 och 2002 fortsatte några av dessa fordon att delta i olika demonstrationer till stöd för vätgasidén. Då var det dags för en ny utveckling baserad på nästa 7-serie, med en modern 4,4-liters V-212 och kapabel till en toppfart på 12 km / h, följt av den senaste utvecklingen med en XNUMX-cylindrig V-XNUMX. Enligt företagets officiella åsikt är skälen till att BMW valde denna teknik framför bränsleceller både kommersiella och psykologiska. För det första kommer denna metod att kräva betydligt mindre investeringar om produktionsinfrastrukturen ändras. För det andra, eftersom människor är vana vid den gamla goda förbränningsmotorn, gillar de det och det blir svårt att skilja sig från den. Och för det tredje visade det sig att denna teknik utvecklas snabbare än bränslecellsteknik.

I BMW-bilar lagras väte i ett superisolerat 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 vanligt bränsle.

I detta skede fokuserade konstruktörerna på det Münchenbaserade företaget på indirekt bränsleinsprutning, och blandningens kvalitet beror på motorns driftsätt. I dellastläge körs motorn på magra blandningar som liknar dieselbränsle - ändringen görs endast i mängden bränsle som sprutas in. Detta är den så kallade "kvalitetskontrollen" av blandningen, där motorn går med överflödig luft, men på grund av den låga belastningen minimeras bildandet av kväveutsläpp. När det finns behov av betydande effekt börjar motorn fungera som en bensinmotor och går vidare till den så kallade "kvantitativa kontrollen" av blandningen och normala (inte magra) blandningar. Dessa förändringar är möjliga, å ena sidan, på grund av hastigheten för elektronisk styrning av processer i motorn, och å andra sidan, på grund av den flexibla driften av kontrollsystem för gasdistribution - "dubbel" Vanos, som arbetar i samband med Valvetronic insugskontrollsystem utan gasreglage. Man bör komma ihåg att enligt BMW -ingenjörer är denna utvecklings arbetsschema bara ett mellanstadium i teknikutvecklingen och att motorer i framtiden kommer att byta till direkt väteinsprutning till cylindrar och turboladdning. Dessa tekniker förväntas resultera i bättre fordonsdynamik än en jämförbar bensinmotor och en ökning av förbränningsmotorns totala effektivitet med mer än 50%. Här avstod vi medvetet från att beröra ämnet "bränsleceller", eftersom denna fråga har använts ganska aktivt den senaste tiden. Samtidigt måste vi dock nämna dem i samband med BMW: s väte-teknik, eftersom konstruktörerna i München bestämde sig för att använda just sådana enheter för att driva det inbyggda elnätet i bilar, vilket helt eliminerar konventionell batterikraft. Detta drag möjliggör ytterligare bränslebesparingar, 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, samt producera och konsumera energi lämpar sig för full optimering. Det faktum att bara så mycket el som behövs nu kan produceras för att driva vattenpumpen, oljepumparna, bromsförstärkaren och trådbundna system leder också till ytterligare besparingar. Men parallellt med alla dessa innovationer genomgick bränsleinsprutningssystemet (bensin) praktiskt taget inte dyra konstruktionsändringar. För att främja väte teknik i juni 2002 skapade BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN partnerskapsprogrammet CleanEnergy, som började med utvecklingen av tankstationer med flytande och komprimerat väte.

BMW är initiativtagare till ett antal andra gemensamma projekt, bland annat med oljebolag, bland vilka de mest aktiva deltagarna är Aral, BP, Shell, Total. Intresset för detta lovande område växer exponentiellt - under de kommande tio åren kommer EU enbart att ge direkta ekonomiska bidrag till fonder för att finansiera utvecklingen och implementeringen av vätgasteknik till ett belopp av 2,8 miljarder euro. Volymen av investeringar från privata företag i utvecklingen av "väte" under denna period är svår att förutse, men det är klart att det många gånger kommer att överstiga avdragen från ideella organisationer.

Väte i förbränningsmotorer

Det är intressant att notera att det på grund av vätgas fysikaliska och kemiska egenskaper är 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 mycket magra blandningar lätt användas i vätgasmotorer – något som moderna bensinmotorer uppnår genom komplexa och dyra tekniker.

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

Den låga aktiveringsenergin som krävs för självantändning är en av de största utmaningarna för att kontrollera förbränningsprocesser i vätgasmotorer eftersom blandningen lätt kan självantända på grund av kontakt med hetare områden i förbränningskammaren och motstånd mot att följa en kedja av helt okontrollerade processer. Att undvika denna risk är en av de största utmaningarna i att utveckla vätgasmotorer, men det är inte lätt att eliminera konsekvenserna av att en mycket diffus brinnande blandning går mycket nära cylinderväggarna och kan tränga igenom extremt smala luckor. stängda ventiler, till exempel... Allt detta måste beaktas vid konstruktion av dessa motorer.

En hög självantändningstemperatur och ett högt oktantal (cirka 130) möjliggör en ökning av motorns kompressionsförhållande och därmed dess effektivitet, men återigen finns det en risk för självantändning av väte vid kontakt med den hetare delen. i cylindern. Fördelen med den höga spridningskapaciteten hos väte är möjligheten till enkel blandning med luft, vilket i händelse av tankstörning 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 vätgasdrivna motorer har mindre effekt. En rent digital illustration av förhållanden och volymer är ganska vältalig - densiteten för väte redo för förbränning är 56 gånger mindre än den för bensinånga .... Det bör dock noteras att vätgasmotorer i princip även kan arbeta med luft-väteblandningar upp till 180:1 (d.v.s. mycket "magra" blandningar), vilket i sin tur gör att motorn kan köras. utan gasspjäll och använd principen för dieselmotorer. Det bör också noteras att väte är den obestridda ledaren i jämförelsen av väte och bensin som energikällor i form av massa - ett kilo väte är nästan tre gånger mer energikrävande än ett 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 en liknande bensinmotor med 25 %. Detta beror på att bränslet (väte) inte tränger undan luft som i en bensin- eller dieselmotor, utan tillåter endast luft (betydligt mer än vanligt) att fylla förbränningskammaren. Dessutom, till skillnad från bensinmotorer, behöver vätgasmotorer inte strukturell virvling eftersom väte diffunderar tillräckligt bra med luft utan denna åtgärd. På grund av de olika förbränningshastigheterna i olika delar av cylindern är det bättre att placera två tändstift, och i vätgasmotorer är användningen av platinaelektroder opraktisk, eftersom platina blir en katalysator som leder till bränsleoxidation vid låga temperaturer.

H2R

H2R är en fungerande supersportprototyp byggd av BMW-ingenjörer och drivs av en tolvcylindrig motor som når en maximal effekt på 285 hk när den drivs av vätgas. 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 standardmodellen som används i bensin 760i och tog bara tio månader att utvecklas. För att förhindra spontan förbränning har de bayerska specialisterna utvecklat en speciell flödescykel och insprutningsstrategi i förbränningskammaren, med hjälp av de möjligheter som erbjuds av motorns variabla ventiltidssystem. Innan blandningen kommer in i cylindrarna kyls de senare med luft, och tändning utförs endast i det övre dödläget - på grund av den höga förbränningshastigheten med vätebränsle krävs inte tändningsförskott.

Resultat

Den ekonomiska analysen av övergången till ren vätenergi är ännu inte så optimistisk. Produktion, lagring, transport och leverans av lättgas är fortfarande ganska energikrävande processer, och i det nuvarande tekniska stadiet av mänsklig utveckling kan ett sådant system inte vara effektivt. Detta betyder dock inte att forskningen och sökandet efter lösningar inte kommer att fortsätta. Förslag att göra väte från vatten med hjälp av solpaneler och lagra det i stora tankar låter optimistiskt. Å andra sidan, processen med att generera el och väte i gasfasen i Saharaöknen, transportera den till Medelhavet med rörledning, flytande och transportera den med kryogena tankfartyg, lossa den i hamnar och äntligen transportera den med lastbil låter för närvarande lite löjligt ...

En intressant idé presenterades nyligen av det norska oljebolaget Norsk Hydro, som föreslog att producera vätgas från naturgas vid produktionsanläggningar i Nordsjön, och den återstående kolmonoxiden lagrades i utarmade fält under havsbotten. Sanningen ligger någonstans i mitten, och det är bara tiden som vet vätgasindustrins utveckling.

Mazda-variant

Det japanska företaget Mazda visar också sin version av vätgasmotorn - i form av en roterande sportbil RX-8. Detta är inte förvånande, eftersom designfunktionerna hos Wankel-motorn är extremt lämpliga för att använda väte som bränsle. Gasen lagras under högt tryck i en speciell tank och bränslet sprutas direkt in i förbränningskamrarna. På grund av det faktum att när det gäller roterande motorer är områdena där insprutning och förbränning sker separerade, och temperaturen i sugdelen är lägre, minskar problemet med möjligheten till okontrollerad antändning avsevärt. Wankelmotorn erbjuder också tillräckligt med utrymme för två insprutare, vilket är extremt viktigt för att injicera den optimala mängden väte.