BMW a vodík: spaľovací motor

Projekty spoločnosti sa začali pred 40 rokmi vodíkovou verziou radu 5

BMW už dlho verí v elektrickú mobilitu. Dnes možno Teslu považovať za meradlo v tejto oblasti, no pred desiatimi rokmi, keď americká spoločnosť demonštrovala koncept prispôsobenej hliníkovej platformy, ktorá bola následne realizovaná v podobe Tesla Model S, BMW aktívne pracovalo na Megacity Projekt vozidla. 2013 sa predáva ako BMW i3. Avantgardný nemecký automobil využíva nielen hliníkovú nosnú konštrukciu s integrovanými batériami, ale aj karosériu vyrobenú z uhlíkom vystužených polymérov. Čo však Tesla pred svojimi konkurentmi nepopierateľne predbieha, je jej výnimočná metodika, najmä v rozsahu vývoja batérií pre elektrické vozidlá – od vzťahov s výrobcami lítium-iónových článkov až po budovanie obrovských tovární na batérie, vrátane tých s neelektrickými aplikáciami. mobilitu.

Vráťme sa však k BMW, pretože na rozdiel od Tesly a mnohých jej konkurentov nemecká spoločnosť stále verí v mobilitu vodíka. Nedávno tím vedený viceprezidentom spoločnosti pre vodíkové palivové články, Dr. Jürgenom Gouldnerom, predstavil palivový článok I-Hydrogen Next, samohybný agregát poháňaný chemickou reakciou pri nízkej teplote. V tento moment si pripomíname 10. výročie spustenia vývoja vozidiel BMW s palivovými článkami a 7. výročie spolupráce s Toyotou na palivových článkoch. Spoliehanie sa BMW na vodík však siaha 40 rokov dozadu a je oveľa „horúcej“.

Ide o viac ako štvrťstoročie vývoja spoločnosti, v ktorej sa vodík používa ako palivo pre spaľovacie motory. Väčšinu tohto obdobia spoločnosť verila, že spaľovací motor poháňaný vodíkom je bližšie k spotrebiteľovi ako palivový článok. S účinnosťou okolo 60 % a kombináciou elektromotora s účinnosťou viac ako 90 % je motor s palivovými článkami oveľa efektívnejší ako spaľovací motor na vodík. Ako uvidíme v nasledujúcich riadkoch, s ich priamym vstrekovaním a preplňovaním turbodúchadlom budú dnešné zmenšené motory mimoriadne vhodné na dodávanie vodíka – za predpokladu, že sú správne systémy riadenia vstrekovania a spaľovania. No hoci sú spaľovacie motory na vodíkový pohon zvyčajne oveľa lacnejšie ako palivový článok v kombinácii s lítium-iónovou batériou, už nie sú na programe dňa. Navyše problémy vodíkovej mobility v oboch prípadoch ďaleko presahujú rámec pohonného systému.

A napriek tomu prečo vodík?

Vodík je dôležitým prvkom v úsilí ľudstva využívať čoraz viac alternatívnych zdrojov energie, ako je most, na ukladanie energie zo slnka, vetra, vody a biomasy jej premenou na chemickú energiu. Zjednodušene to znamená, že elektrina vyrobená z týchto prírodných zdrojov sa nemôže skladovať vo veľkých objemoch, ale je možné ju použiť na výrobu vodíka rozkladom vody na kyslík a vodík.

Samozrejme, vodík sa dá extrahovať aj z neobnoviteľných zdrojov uhľovodíkov, ale to bolo dlho neprijateľné, pokiaľ ide o jeho využitie ako zdroja energie. Je nepopierateľným faktom, že technologické problémy výroby, skladovania a prepravy vodíka sú riešiteľné – v praxi sa aj v súčasnosti vyrába obrovské množstvo tohto plynu a využíva sa ako surovina v chemickom a petrochemickom priemysle. V týchto prípadoch však vysoká cena vodíka nie je smrteľná, pretože sa „topí“ pri vysokých nákladoch na produkty, na ktorých sa podieľa.

Problém využitia svietiplynu ako zdroja energie a vo veľkých množstvách je však o niečo komplikovanejší. Vedci už dlhší čas krútia hlavami pri hľadaní možnej strategickej alternatívy vykurovacieho oleja a nárast elektrickej mobility a vodíka môže byť v tesnej symbióze. Jadrom toho všetkého je jednoduchý, ale veľmi dôležitý fakt – ťažba a využitie vodíka sa točí okolo prirodzeného cyklu spájania a rozkladu vody... Ak ľudstvo zlepší a rozšíri výrobné metódy využívajúce prírodné zdroje ako slnečná energia, vietor a voda, vodík možno vyrábať a používať v neobmedzenom množstve bez emisií škodlivých emisií.
výroba

Vo svete sa v súčasnosti vyrába viac ako 70 miliónov ton čistého vodíka. Hlavnou surovinou na jeho výrobu je zemný plyn, ktorý sa spracúva v procese známom ako „reforma“ (polovica z celkového množstva). Menšie množstvo vodíka sa vyrába inými procesmi, ako je elektrolýza zlúčenín chlóru, čiastočná oxidácia ťažkého oleja, splyňovanie uhlia, pyrolýza uhlia na výrobu koksu a reformovanie benzínu. Asi polovica svetovej produkcie vodíka sa používa na syntézu amoniaku (ktorý sa používa ako surovina pri výrobe hnojív), na rafináciu oleja a na syntézu metanolu.

Tieto výrobné schémy v rôznej miere zaťažujú životné prostredie a, žiaľ, žiadna z nich neponúka zmysluplnú alternatívu k súčasnému energetickému status quo – po prvé preto, že využívajú neobnoviteľné zdroje, a po druhé, pretože pri výrobe sa uvoľňujú nežiaduce látky, ako je oxid uhličitý. Najperspektívnejšou metódou výroby vodíka v budúcnosti zostáva rozklad vody pomocou elektriny, známy už na základnej škole. Uzavretie cyklu čistej energie je však v súčasnosti možné len využitím prírodnej a najmä slnečnej a veternej energie na výrobu elektriny potrebnej na rozklad vody. Veľkým novým krokom v tomto smere sú podľa doktora Gouldnera moderné technológie „napojené“ na veterné a solárne systémy, vrátane malých vodíkových staníc, kde sa ten druhý vyrába priamo na mieste.
Miesto skladovania

Vodík sa môže skladovať vo veľkých množstvách v plynnej aj kvapalnej fáze. Najväčšie také zásobníky, v ktorých je vodík udržiavaný na relatívne nízkom tlaku, sa nazývajú „plynomery“. Stredné a menšie nádrže sú prispôsobené na skladovanie vodíka pri tlaku 30 bar, zatiaľ čo najmenšie špeciálne nádrže (drahé zariadenia vyrobené zo špeciálnej ocele alebo kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien) udržujú konštantný tlak 400 bar.
Vodík možno skladovať aj v kvapalnej fáze pri teplote -253 °C na jednotku objemu, ktorá obsahuje 1,78-krát viac energie ako pri skladovaní pri tlaku 700 barov – na dosiahnutie ekvivalentného množstva energie v skvapalnenom vodíku na jednotku objemu je potrebné stlačiť plyn na 1250 barov. Kvôli vyššej energetickej účinnosti chladeného vodíka spolupracuje BMW na svojich prvých systémoch s nemeckou chladiarenskou skupinou Linde, ktorá vyvinula najmodernejšie kryogénne zariadenia na skvapalňovanie a skladovanie vodíka. Vedci ponúkajú aj iné, ale v súčasnosti menej použiteľné alternatívy skladovania vodíka – napríklad skladovanie pod tlakom v špeciálnej kovovej múke, vo forme hydridov kovov a iné.

Vodíkové prenosové siete už existujú v oblastiach s vysokou koncentráciou chemických závodov a ropných rafinérií. Všeobecne je táto metóda podobná technike prenosu zemného plynu, ale jeho použitie pre potreby vodíka nie je vždy možné. Avšak ešte v minulom storočí bolo veľa domov v európskych mestách osvetlených plynovým ľahkým plynom, ktorý obsahuje až 50% vodíka a ktorý sa používa ako palivo pre prvé stacionárne spaľovacie motory. Súčasná úroveň technológie už umožňuje transkontinentálnu prepravu skvapalneného vodíka cez existujúce kryogénne tankery podobné tým, ktoré sa používajú na zemný plyn.

BMW a spaľovací motor

„Vodu. Jediný konečný produkt čistých motorov BMW, ktorý namiesto ropného paliva používa kvapalný vodík a umožňuje každému užívať si nové technológie s čistým svedomím.“

Tieto slová sú citátom z reklamnej kampane pre nemeckú spoločnosť na začiatku 745. storočia. Malo by ísť o propagáciu pomerne exotickej XNUMX-hodinovej vodíkovej verzie vlajkovej lode bavorskej automobilky. Exotické, pretože podľa BMW si prechod na alternatívy uhľovodíkových palív, ktorým sa automobilový priemysel napája od začiatku, bude vyžadovať zmena celej priemyselnej infraštruktúry. V tom čase našli Bavori sľubnú cestu rozvoja nie v široko inzerovaných palivových článkoch, ale v prestavbe spaľovacích motorov na prácu s vodíkom. Spoločnosť BMW verí, že uvažovaná dodatočná inštalácia je riešiteľná záležitosť a už teraz dosahuje výrazný pokrok smerom k hlavnej výzve zabezpečenia spoľahlivého výkonu motora a eliminácie jeho tendencie k nebežnému spaľovaniu pomocou čistého vodíka. Za úspechom v tomto smere stojí kompetencia v oblasti elektronického riadenia procesov motora a schopnosť využívať patentované systémy BMW na flexibilnú distribúciu plynu Valvetronic a Vanos, bez ktorých nie je možné zaručiť normálnu prevádzku „vodíkových motorov“.

Prvé kroky týmto smerom však siahajú až do roku 1820, keď konštruktér William Cecil vytvoril motor poháňaný vodíkom fungujúci na takzvanom „princípe vákua“ – schéme úplne odlišnej od tej, ktorá bola neskôr vynájdená s vnútorným motorom. pálenie. Pri svojom prvom vývoji spaľovacích motorov o 60 rokov neskôr priekopník Otto použil už spomínaný a z uhlia odvodený syntetický plyn s obsahom vodíka asi 50 %. S vynálezom karburátora sa však používanie benzínu stalo oveľa praktickejším a bezpečnejším a kvapalné palivo nahradilo všetky ostatné alternatívy, ktoré doteraz existovali. Vlastnosti vodíka ako paliva boli objavené o mnoho rokov neskôr vesmírnym priemyslom, ktorý rýchlo zistil, že vodík má najlepší pomer energie/hmotnosti zo všetkých palív, aké ľudstvo pozná.

V júli 1998 sa Európska asociácia automobilového priemyslu (ACEA) zaviazala znížiť emisie CO2 pre novoregistrované vozidlá v Únii do roku 140 v priemere na 2008 gramov na kilometer. V praxi to znamená zníženie emisií o 25% v porovnaní s rokom 1995 a zodpovedá priemernej spotrebe paliva v novom vozovom parku okolo 6,0 l / 100 km. To robí automobilkám mimoriadne ťažkú ​​úlohu a podľa odborníkov BMW sa dá vyriešiť buď použitím nízkouhlíkových palív, alebo úplným odstránením uhlíka zo zloženia paliva. Podľa tejto teórie sa vodík na automobilovej scéne objavuje v celej svojej kráse.
Bavorská spoločnosť sa stáva prvou automobilkou, ktorá začala masovú výrobu vozidiel na vodíkový pohon. Pozitívne a sebavedomé tvrdenia predstavenstva BMW Burkharda Göschela, člena predstavenstva BMW zodpovedného za nový vývoj, že „spoločnosť bude predávať autá na vodík pred skončením platnosti série 7“, sa plnia. S produktom Hydrogen 7 bola v roku 2006 predstavená verzia siedmej série, ktorá má 12-valcový motor s výkonom 260 koní. táto správa sa stáva skutočnosťou.

Zámer sa zdá byť dosť ambiciózny, ale má to dobrý dôvod. Spoločnosť BMW experimentuje s vodíkovými spaľovacími motormi od roku 1978, pričom v roku 5 bola predstavená 12-hodinová verzia E 1984 so sériou 745 (E23) a 11. mája 2000 predviedla jedinečné schopnosti tejto alternatívy. Impozantná flotila s 15 750 hp. E 38 „týždňa“ s 12-valcovými vodíkovými motormi zabehla maratón na 170 000 km, čo zvýraznilo úspech spoločnosti a prísľub novej technológie. V rokoch 2001 a 2002 sa niektoré z týchto vozidiel naďalej zúčastňovali rôznych demonštrácií na podporu myšlienky vodíka. Potom prichádza nový vývoj založený na budúcej sérii 7, ktorý využíva moderný motor V-4,4 s objemom 212 litra a dosahuje maximálnu rýchlosť 12 km / h, nasledovaný najnovším vývojom s XNUMX-valcovým motorom V-XNUMX.

Podľa oficiálneho stanoviska spoločnosti boli dôvody, prečo BMW potom uprednostnilo túto technológiu pred palivovými článkami, obchodné aj psychologické. Po prvé, táto metóda si bude vyžadovať podstatne menšie investície v prípade zmien priemyselnej infraštruktúry. Po druhé, pretože ľudia sú zvyknutí na starý dobrý spaľovací motor, majú ho radi a bude ťažké sa s ním rozlúčiť. A do tretice, pretože súčasne sa táto technológia vyvíja rýchlejšie ako technológia palivových článkov.

V autách BMW sa vodík skladuje v príliš izolovanej kryogénnej nádobe, niečo ako high-tech termoska vyvinutá nemeckou chladiarenskou skupinou Linde. Pri nízkych teplotách skladovania je palivo v kvapalnej fáze a vstupuje do motora ako normálne palivo.

Konštruktéri mníchovskej firmy používajú vstrekovanie paliva do sacích potrubí a kvalita zmesi závisí od režimu prevádzky motora. V režime čiastočného zaťaženia motor beží na chudobné zmesi podobne ako nafta – mení sa len množstvo vstrekovaného paliva. Ide o takzvanú „kontrolu kvality“ zmesi, pri ktorej motor beží s prebytočným vzduchom, no vďaka nízkej záťaži je minimalizovaná tvorba emisií dusíka. Pri potrebe výrazného výkonu motor začne pracovať ako benzínový motor, prejde na takzvanú „kvantitatívnu reguláciu“ zmesi a na normálne (nie chudé) zmesi. Tieto zmeny sú možné na jednej strane vďaka rýchlosti elektronického riadenia procesov v motore a na druhej strane vďaka flexibilnej prevádzke riadiacich systémov distribúcie plynu - „dvojitého“ Vanosu, pracujúceho v spojení so systémom riadenia sania Valvetronic bez škrtiacej klapky. Treba mať na pamäti, že podľa inžinierov BMW je pracovná schéma tohto vývoja len medzistupňom vo vývoji techniky a že v budúcnosti budú musieť motory prejsť na priame vstrekovanie vodíka do valcov a turbodúchadla. Očakáva sa, že aplikácia týchto metód povedie k zlepšeniu dynamického výkonu automobilu v porovnaní s podobným benzínovým motorom a k zvýšeniu celkovej účinnosti spaľovacieho motora o viac ako 50 %.

Zaujímavým vývojovým faktom je, že s najnovším vývojom „vodíkových“ spaľovacích motorov vstupujú konštruktéri v Mníchove do oblasti palivových článkov. Používajú takéto zariadenia na napájanie palubnej elektrickej siete v autách, čím úplne vylúčia klasickú batériu. Vďaka tomuto kroku je možná dodatočná úspora paliva, keďže vodíkový motor nemusí poháňať alternátor a palubný elektrický systém sa stáva úplne autonómnym a nezávislým od dráhy pohonu – dokáže vyrábať elektrinu, aj keď motor nebeží, a výroba a spotreba energie môže byť plne optimalizovaná. Skutočnosť, že teraz možno vyrobiť toľko elektriny, koľko je potrebné na napájanie vodného čerpadla, olejových čerpadiel, posilňovača bŕzd a elektroinštalácie, sa premieta do ďalších úspor. Paralelne so všetkými týmito inováciami však systém vstrekovania paliva (benzín) prakticky neprešiel žiadnymi nákladnými konštrukčnými zmenami.

S cieľom propagovať vodíkové technológie v júni 2002 vytvorili BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN partnerský program CleanEnergy, ktorý začal svoju činnosť s vývojom čerpacích staníc na skvapalnený plyn. a stlačený vodík. V nich sa časť vodíka vyrába na mieste pomocou slnečnej elektriny a potom sa lisuje, zatiaľ čo veľké skvapalnené množstvá pochádzajú zo špeciálnych výrobných staníc a všetky pary z kvapalnej fázy sa automaticky prenášajú do plynového zásobníka.
BMW iniciovalo množstvo ďalších spoločných projektov, a to aj s ropnými spoločnosťami, medzi ktoré sú najaktívnejšími účastníkmi Aral, BP, Shell, Total.
Prečo však BMW upúšťa od týchto technologických riešení a stále sa zameriava na palivové články, to vám prezradíme v ďalšom článku tejto série.

Vodík v spaľovacích motoroch

Je zaujímavé, že vďaka fyzikálnym a chemickým vlastnostiam vodíka je oveľa horľavejší ako benzín. V praxi to znamená, že na spustenie spaľovacieho procesu vo vodíku je potrebné oveľa menej počiatočnej energie. Na druhej strane vodíkové motory môžu ľahko využívať veľmi „zlé“ zmesi – niečo, čo moderné benzínové motory dosahujú prostredníctvom zložitých a drahých technológií.

Teplo medzi časticami zmesi vodík-vzduch sa menej rozptýli a zároveň je oveľa vyššia teplota samovznietenia, ako aj rýchlosť spaľovacích procesov v porovnaní s benzínom. Vodík má nízku hustotu a silnú difuzivitu (možnosť vstupu častíc do iného plynu – v tomto prípade do vzduchu).

Práve nízka aktivačná energia potrebná na samovznietenie je jednou z najväčších výziev pri riadení spaľovania vo vodíkových motoroch, pretože zmes sa môže ľahko spontánne vznietiť v dôsledku kontaktu s horúcimi oblasťami v spaľovacej komore a odporu po reťazci úplne nekontrolovaných procesov. Zabránenie tomuto riziku je jednou z najväčších výziev pri konštrukcii vodíkových motorov, ale nie je ľahké eliminovať dôsledky skutočnosti, že vysoko dispergovaná spaľovacia zmes sa pohybuje veľmi blízko pri stenách valca a môže prenikať do extrémne úzkych medzier. napríklad pozdĺž uzavretých ventilov ... Toto všetko je potrebné zohľadniť pri navrhovaní týchto motorov.

Vysoká teplota samovznietenia a vysoké oktánové číslo (asi 130) umožňujú zvýšenie kompresného pomeru motora, a tým aj jeho účinnosť, ale opäť existuje nebezpečenstvo samovznietenia vodíka pri kontakte s horúcejšou časťou. vo valci. Výhodou vysokej difúznej kapacity vodíka je možnosť ľahkého zmiešania so vzduchom, čo v prípade poruchy nádrže zaručuje rýchle a bezpečné rozptýlenie paliva.

Ideálna zmes vzduch-vodík na spaľovanie má pomer cca 34:1 (pre benzín je tento pomer 14,7:1). To znamená, že pri kombinácii rovnakej hmotnosti vodíka a benzínu v prvom prípade je potrebné viac ako dvojnásobok vzduchu. Zmes vodíka a vzduchu zároveň zaberá podstatne viac miesta, čo vysvetľuje, prečo majú vodíkové motory menší výkon. Čisto digitálne znázornenie pomerov a objemov je celkom výrečné – hustota vodíka pripraveného na spaľovanie je 56-krát menšia ako hustota benzínových pár... Treba si však uvedomiť, že vo všeobecnosti môžu vodíkové motory pracovať na zmesi vzduchu . vodík v pomeroch až 180:1 (t.j. pri veľmi „zlých“ zmesiach), čo zase znamená, že motor môže bežať bez plynu a využívať princíp naftových motorov. Treba tiež spomenúť, že vodík je nesporným lídrom v porovnaní medzi vodíkom a benzínom ako masovým zdrojom energie – kilogram vodíka má takmer trikrát viac energie na kilogram benzínu.

Rovnako ako u benzínových motorov, aj tu je možné vstrekovať skvapalnený vodík priamo pred ventilmi v potrubí, ale najlepším riešením je vstrekovanie priamo počas kompresného zdvihu – v tomto prípade môže výkon prevýšiť výkon porovnateľného benzínového motora o 25 %. Palivo (vodík) totiž nevytláča vzduch ako pri benzínovom alebo naftovom motore, vďaka čomu sa spaľovacia komora naplní iba (výrazne viac ako zvyčajne) vzduchom. Okrem toho, na rozdiel od benzínových motorov, vodík nepotrebuje štrukturálne vírenie, pretože vodík bez tohto opatrenia celkom dobre difunduje vzduchom. Kvôli rôznym rýchlostiam horenia v rôznych častiach valca je lepšie inštalovať dve zapaľovacie sviečky a vo vodíkových motoroch nie je vhodné použitie platinových elektród, pretože platina sa stáva katalyzátorom, ktorý vedie k oxidácii paliva aj pri nízkych teplotách. .

Možnosť Mazda

Svoju verziu vodíkového motora predvádza aj japonská spoločnosť Mazda, a to v podobe rotačného bloku v športovom aute RX-8. To nie je prekvapujúce, pretože konštrukčné vlastnosti Wankelovho motora sú mimoriadne vhodné na použitie vodíka ako paliva.
Plyn sa skladuje pod vysokým tlakom v špeciálnej nádrži a palivo sa vstrekuje priamo do spaľovacích komôr. Vďaka tomu, že v prípade rotačných motorov sú zóny, v ktorých prebieha vstrekovanie a spaľovanie, oddelené a teplota v sacej časti nižšia, je výrazne znížený problém s možnosťou nekontrolovaného zapaľovania. Wankelov motor ponúka tiež dostatok priestoru pre dva vstrekovače, čo je rozhodujúce pre vstrekovanie optimálneho množstva vodíka.

H2R

H2R je funkčný prototyp superšportu postavený inžiniermi BMW a poháňaný 12-valcovým motorom, ktorý dosahuje maximálny výkon 285 koní. pri práci s vodíkom. Vďaka nim experimentálny model zrýchli z 0 na 100 km/h za šesť sekúnd a dosiahne maximálnu rýchlosť 300 km/h Motor H2R vychádza zo štandardnej špičky používanej v benzíne 760i a jeho vývoj trval iba desať mesiacov. .

Aby sa zabránilo samovznieteniu, bavorskí špecialisti vyvinuli špeciálnu stratégiu pre cykly prúdenia a vstrekovania do spaľovacej komory, využívajúc možnosti, ktoré poskytuje systém variabilného časovania ventilov motora. Predtým, ako zmes vstúpi do valcov, sú tieto ochladené vzduchom a zapaľovanie sa vykonáva iba v hornej úvrati - kvôli vysokej rýchlosti spaľovania vodíkového paliva nie je potrebný predstih zapaľovania.