BMW и водород: двигател с вътрешно горене

Проектите на компанията започнаха преди 40 години с водородната версия на серията 5

BMW отдавна вярва в електрическата мобилност. Днес Tesla може да се счита за еталон в тази област, но преди десет години, когато американската компания демонстрира концепцията за персонализирана алуминиева платформа, която след това беше реализирана под формата на Tesla Model S, BMW работеше активно върху Megacity Проект на превозно средство. 2013 г. се предлага на пазара като BMW i3. Авангардният немски автомобил използва не само алуминиева носеща конструкция с вградени батерии, но и каросерия, изработена от карбонови полимери. Въпреки това, това, което Tesla безспорно изпреварва своите конкуренти, е нейната изключителна методология, особено в мащаба на разработване на батерии за електрически превозни средства – от взаимоотношения с производители на литиево-йонни клетки до изграждане на огромни фабрики за батерии, включително такива с неелектрически приложения. мобилност.

Но да се върнем на BMW, защото за разлика от Tesla и много от нейните конкуренти, немската компания все още вярва в мобилността на водорода. Наскоро екип, ръководен от вицепрезидента на компанията за водородни горивни клетки, д-р Юрген Гулднер, представи горивната клетка I-Hydrogen Next, самозадвижващ се генератор, задвижван от нискотемпературна химическа реакция. Този момент отбелязва 10-ата годишнина от стартирането на разработката на автомобили с горивни клетки на BMW и 7-ата годишнина от сътрудничеството с Toyota в областта на горивните клетки. Разчитането на BMW на водород обаче датира от 40 години назад и е много по-висока температура.

Това са повече от четвърт век разработки на компанията, в които водородът се използва като гориво за двигатели с вътрешно горене. През по-голямата част от този период компанията вярваше, че двигател с вътрешно горене, задвижван с водород, е по-близо до потребителя, отколкото горивна клетка. С ефективност от около 60% и комбинация от електродвигател с ефективност над 90%, двигател с горивни клетки е много по-ефективен от двигател с вътрешно горене, работещ с водород. Както ще видим в следващите редове, с тяхното директно впръскване и турбокомпресор, днешните намалени двигатели ще бъдат изключително подходящи за доставяне на водород - при условие, че са налице правилните системи за впръскване и контрол на горенето. Но докато двигателите с вътрешно горене, захранвани с водород, обикновено са много по-евтини от горивна клетка, комбинирана с литиево-йонна батерия, те вече не са на дневен ред. В допълнение, проблемите на мобилността на водорода и в двата случая далеч надхвърлят обхвата на задвижващата система.

И все пак защо водород?

Водородът е важен елемент в стремежа на човечеството да използва все повече и повече алтернативни енергийни източници като мост за съхраняване на енергия от слънцето, вятъра, водата и биомасата, като я превръща в химическа енергия. С прости думи, това означава, че електричеството, генерирано от тези естествени източници, не може да се съхранява в големи обеми, но може да се използва за производство на водород чрез разлагане на водата на кислород и водород.

Разбира се, водородът може да бъде извлечен и от невъзобновяеми въглеводородни източници, но това отдавна е неприемливо, когато става въпрос за използването му като източник на енергия. Безспорен факт е, че технологичните проблеми с производството, съхранението и транспортирането на водород са разрешими – на практика дори и сега се произвеждат огромни количества от този газ и се използват като суровина в химическата и нефтохимическата промишленост. В тези случаи обаче високата цена на водорода не е смъртоносна, тъй като той се "топи" от високата цена на продуктите, в които участва.

Малко по-сложен обаче е проблемът с използването на лек газ като източник на енергия и то в големи количества. Учените отдавна си блъскат главите в търсене на възможна стратегическа алтернатива на мазута и увеличаването на електрическата мобилност и водорода може да са в тясна симбиоза. В основата на всичко това е един прост, но много важен факт – извличането и използването на водород се върти около естествения цикъл на комбиниране и разграждане на водата... Ако човечеството подобри и разшири производствените методи, използвайки природни източници като слънчева енергия, вятър и вода, водородът може да се произвежда и използва в неограничени количества, без да отделя вредни емисии.
производство

В момента в света се произвеждат над 70 милиона тона чист водород. Основната суровина за производството му е природният газ, който се преработва в процес, известен като "реформинг" (половината от общия брой). По-малки количества водород се получават от други процеси, като електролиза на хлорни съединения, частично окисляване на тежкия нефт, газификация на въглища, пиролиза на въглища за получаване на кокс и реформинг на бензин. Около половината от световното производство на водород се използва за синтез на амоняк (който се използва като суровина при производството на торове), за рафиниране на нефт и за синтез на метанол.

Тези производствени схеми натоварват околната среда в различна степен и, за съжаление, нито една от тях не предлага смислена алтернатива на сегашното енергийно статукво – първо, защото използват невъзобновяеми източници, и второ, защото производството отделя нежелани вещества като въглероден диоксид. Най-обещаващият метод за производство на водород в бъдеще остава разграждането на водата с помощта на електричество, познато в началното училище. Затварянето на цикъла на чиста енергия обаче в момента е възможно само чрез използване на естествена и особено слънчева и вятърна енергия за генериране на електричеството, необходимо за разграждането на водата. Според д-р Гулднър съвременните технологии, „свързани“ с вятърни и слънчеви системи, включително малки водородни станции, където последните се произвеждат на място, са голяма нова стъпка в тази посока.
Място за съхранение

Водородът може да се съхранява в големи количества както в газообразна, така и в течна фаза. Най-големите такива резервоари, които съдържат водород при относително ниско налягане, се наричат ​​"газомери". Средните и по-малките резервоари са пригодени да съхраняват водород при налягане от 30 бара, докато най-малките специални резервоари (скъпи устройства, изработени от специални композити, подсилени със стомана или въглеродни влакна) поддържат постоянно налягане от 400 бара.
Водородът може също да се съхранява в течна фаза при -253°C на единица обем, съдържаща 1,78 пъти повече енергия, отколкото когато се съхранява при 700 бара – за да се постигне еквивалентното количество енергия във втечнен водород на единица обем, газът трябва да бъде компресиран до 1250 бара. Поради по-високата енергийна ефективност на охладения водород, BMW си партнира с германската хладилна група Linde за своите първи системи, които са разработили най-съвременни криогенни устройства за втечняване и съхранение на водород. Учените предлагат и други, но по-малко приложими към момента алтернативи за съхранение на водород – например съхранение под налягане в специално метално брашно, под формата на метални хидриди и други.

Мрежите за пренос на водород вече съществуват в райони с висока концентрация на химически заводи и петролни рафинерии. Като цяло техниката е подобна на тази за пренос на природен газ, но използването на последния за нуждите на водорода не винаги е възможно. Въпреки това, дори през миналия век, много къщи в европейските градове са били осветени от газопровода с лек газ, който съдържа до 50% водород и който се използва като гориво за първите стационарни двигатели с вътрешно горене. Настоящото ниво на технологиите вече позволява трансконтинентален транспорт на втечнен водород през съществуващи криогенни танкери, подобни на тези, използвани за природен газ.

BMW и двигателя с вътрешно горене

„Вода. Единственият краен продукт от чисти двигатели на BMW, който използва течен водород вместо петролно гориво и позволява на всеки да се наслаждава на новите технологии с чиста съвест.“

Тези думи са цитат от рекламна кампания за немска компания в началото на 745 век. Той трябва да популяризира доста екзотичната XNUMX-часова водородна версия на флагмана на баварския автомобилен производител. Екзотично, тъй като според BMW преходът към алтернативи на въглеводородно гориво, с който автомобилната индустрия се захранва от самото начало, ще изисква промяна в цялата индустриална инфраструктура. По това време баварците намериха обещаващ път за развитие не в широко рекламираните горивни клетки, а в превръщането на двигателите с вътрешно горене в работа с водород. BMW смята, че разглежданата модернизация е разрешим проблем и вече отбелязва значителен напредък към ключовото предизвикателство да гарантира надеждна работа на двигателя и да елиминира тенденцията му към избягване на изгаряне с чист водород. Успехът в тази насока се дължи на компетентността в областта на електронното управление на двигателните процеси и възможността да се използват патентованите патентовани системи BMW за гъвкаво разпределение на газа Valvetronic и Vanos, без които е невъзможно да се гарантира нормалната работа на "водородните двигатели".

Въпреки това, първите стъпки в тази посока датират от 1820 г., когато дизайнерът Уилям Сесил създава двигател с водородно гориво, работещ на така наречения "вакуумен принцип" - схема, напълно различна от изобретената по-късно с вътрешен двигател. парене. В първата си разработка на двигатели с вътрешно горене 60 години по-късно пионерът Ото използва вече споменатия и получен от въглища синтетичен газ със съдържание на водород около 50%. С изобретяването на карбуратора обаче използването на бензин стана много по-практично и по-безопасно, а течното гориво измести всички останали алтернативи, съществували досега. Свойствата на водорода като гориво бяха открити много години по-късно от космическата индустрия, която бързо откри, че водородът има най-доброто съотношение енергия/маса от всяко гориво, известно на човечеството.

През юли 1998 г. Европейската асоциация на автомобилната индустрия (ACEA) се ангажира да намали емисиите на CO2 за новорегистрирани превозни средства в Съюза до средно 140 грама на километър до 2008 г. На практика това означава 25% намаление на емисиите в сравнение с 1995 г. и е еквивалентно на среден разход на гориво в новия автопарк от около 6,0 л / 100 км. Това прави задачата за автомобилните компании изключително трудна и според експерти на BMW може да бъде решена или чрез използване на нисковъглеродни горива, или чрез пълно отстраняване на въглерода от горивния състав. Според тази теория водородът се появява в целия си блясък на автомобилната сцена.
Баварската компания става първият производител на автомобили, който започва масово производство на превозни средства, задвижвани с водород. Оптимизираните и уверени твърдения на борда на директорите на BMW Буркхард Гьошел, член на борда на BMW, отговорен за новите разработки, че „компанията ще продава автомобили с водород преди изтичането на 7-та серия“, се сбъдват. С Hydrogen 7, версия на седмата серия е представена през 2006 г. и има 12-цилиндров двигател с мощност 260 к.с. това послание става реалност.

Намерението изглежда доста амбициозно, но с основателна причина. BMW експериментира с двигатели с водородно гориво от 1978 г., с 5-серията (E12), 1984-часовата версия на E 745 е представена през 23 г. и на 11 май 2000 г. демонстрира уникалните възможности на тази алтернатива. Впечатляващ флот от 15 750 к.с. E 38 "на седмицата" с 12-цилиндрови двигатели, задвижвани с водород, измина 170 000 км маратон, подчертавайки успеха на компанията и обещанието за нова технология. През 2001 и 2002 г. някои от тези превозни средства продължиха да участват в различни демонстрации за популяризиране на идеята за водорода. След това идва нова разработка, базирана на следващата серия 7, използваща съвременен 4,4-литров V-212 двигател и с максимална скорост от 12 км / ч, последвана от последната разработка с XNUMX-цилиндров V-XNUMX двигател.

Според официалното мнение на компанията, причините, поради които BMW след това са избрали тази технология вместо горивни клетки, са както търговски, така и психологически. Първо, този метод ще изисква значително по-малко инвестиции в случай на промени в индустриалната инфраструктура. На второ място, тъй като хората са свикнали с добрия стар двигател с вътрешно горене, те го обичат и ще бъде трудно да се разделят с него. И трето, тъй като в същото време тази технология се развива по-бързо от технологията на горивните клетки.

В автомобилите BMW водородът се съхранява в прекалено изолиран криогенен съд, нещо като високотехнологична термос, разработена от немската хладилна група Linde. При ниски температури на съхранение горивото е в течна фаза и постъпва в двигателя като нормално гориво.

Конструкторите на мюнхенската компания използват впръскване на гориво във всмукателните колектори, като качеството на сместа зависи от режима на работа на двигателя. В режим на частично натоварване двигателят работи на бедни смеси подобно на дизела - променя се само количеството впръскано гориво. Това е така нареченият "контрол на качеството" на сместа, при който двигателят работи с излишък на въздух, но поради ниското натоварване образуването на азотни емисии е сведено до минимум. Когато има нужда от значителна мощност, двигателят започва да работи като бензинов двигател, преминавайки към така нареченото "количествено регулиране" на сместа и към нормални (не бедни) смеси. Тези промени са възможни, от една страна, благодарение на скоростта на електронното управление на процесите в двигателя, а от друга страна, благодарение на гъвкавата работа на системите за управление на газоразпределението - „двойните“ Vanos, работещи заедно със системата за контрол на всмукването Valvetronic без газ. Трябва да се има предвид, че според инженерите на BMW работната схема на тази разработка е само междинен етап от развитието на технологиите и че в бъдеще двигателите ще трябва да преминат към директно впръскване на водород в цилиндрите и турбокомпресора. Очаква се прилагането на тези методи да доведе до подобряване на динамичните характеристики на автомобила в сравнение с подобен бензинов двигател и до повишаване на общата ефективност на двигателя с вътрешно горене с повече от 50%.

Интересен факт е, че с най-новите разработки на "водородни" двигатели с вътрешно горене, дизайнерите в Мюнхен навлизат в областта на горивните клетки. Те използват такива устройства за захранване на бордовата електрическа мрежа в автомобилите, като напълно елиминират конвенционалната батерия. Благодарение на тази стъпка са възможни допълнителни икономии на гориво, тъй като водородният двигател не трябва да задвижва алтернатора, а бордовата електрическа система става напълно автономна и независима от пътя на задвижване - тя може да генерира електричество дори когато двигателят не работи, и производството и потреблението на енергия могат да бъдат напълно оптимизирани. Фактът, че сега може да се генерира толкова електричество, колкото е необходимо за захранване на водната помпа, маслените помпи, усилвателя на спирачките и окабеляването, също се превръща в допълнителни спестявания. Въпреки това, успоредно с всички тези нововъведения, системата за впръскване на гориво (бензин) практически не е претърпяла никакви скъпи промени в дизайна.

За да популяризира водородните технологии през юни 2002 г., BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN създаде партньорската програма CleanEnergy, която започна своята дейност с развитието на бензиностанции с втечнен газ. и сгъстен водород. В тях част от водорода се произвежда на място с помощта на слънчево електричество и след това се компресира, докато големи втечнени количества идват от специални производствени станции, а всички пари от течната фаза автоматично се прехвърлят в резервоара за газ.
BMW инициира редица други съвместни проекти, включително с петролни компании, сред които най-активните участници са Aral, BP, Shell, Total.
Защо обаче BMW се отказва от тези технологични решения и все още се фокусира върху горивните клетки, ще ви разкажем в друга статия от тази поредица.

Водород в двигателите с вътрешно горене

Интересно е да се отбележи, че поради физичните и химичните свойства на водорода, той е много по-запалим от бензина. На практика това означава, че е необходима много по-малко първоначална енергия за започване на процеса на горене във водорода. От друга страна, водородните двигатели могат лесно да използват много "лоши" смеси - нещо, което съвременните бензинови двигатели постигат чрез сложни и скъпи технологии.

Топлината между частиците на водородно-въздушната смес се разсейва по-малко, като в същото време температурата на самозапалване е много по-висока, както и скоростта на горивните процеси в сравнение с бензина. Водородът има ниска плътност и силна дифузивност (възможността частици да навлязат в друг газ - в този случай въздух).

Именно енергията с ниско активиране, необходима за самозапалване, е едно от най-големите предизвикателства при управлението на горенето във водородни двигатели, тъй като сместа може лесно да се възпламени спонтанно поради контакт с по-горещи зони в горивната камера и съпротивление след верига от напълно неконтролирани процеси. Избягването на този риск е едно от най-големите предизвикателства при проектирането на водородни двигатели, но не е лесно да се премахнат последиците от факта, че силно диспергираната горивна смес се придвижва много близо до стените на цилиндъра и може да проникне в изключително тесни пролуки. например по протежение на затворени клапани ... Всичко това трябва да се има предвид при проектирането на тези двигатели.

Високата температура на самозапалване и високото октаново число (около 130) позволяват увеличаване на степента на компресия на двигателя и следователно неговата ефективност, но отново има опасност от самозапалване на водорода при контакт с по-горещата част. в цилиндъра. Предимството на високата дифузионна способност на водорода е възможността за лесно смесване с въздух, което в случай на повреда на резервоара гарантира бързо и безопасно разпръскване на горивото.

Идеалната смес въздух-водород за горене има съотношение около 34:1 (за бензин това съотношение е 14,7:1). Това означава, че при комбиниране на същата маса водород и бензин в първия случай е необходим повече от два пъти повече въздух. В същото време водородно-въздушната смес заема значително повече място, което обяснява защо водородните двигатели имат по-малка мощност. Една чисто цифрова илюстрация на съотношенията и обемите е доста красноречива - плътността на готовия за изгаряне водород е 56 пъти по-малка от плътността на бензиновите пари... Все пак трябва да се отбележи, че като цяло водородните двигатели могат да работят с въздушни смеси . водород в съотношения до 180:1 (т.е. с много "лоши" смеси), което от своя страна означава, че двигателят може да работи без газ и да работи на принципа на дизеловите двигатели. Трябва също така да се отбележи, че водородът е безспорен лидер в сравнението между водород и бензин като масов енергиен източник - килограм водород има почти три пъти повече енергия за килограм бензин.

Както при бензиновите двигатели, втечненият водород може да се впръсква директно пред клапаните в колекторите, но най-доброто решение е впръскването директно по време на такта на сгъстяване - в този случай мощността може да надвиши тази на сравним бензинов двигател с 25%. Това е така, защото горивото (водород) не измества въздуха, както при бензинов или дизелов двигател, което позволява на горивната камера да се напълни само (значително повече от обикновено) въздух. Освен това, за разлика от бензиновите двигатели, водородът не се нуждае от структурно завихряне, тъй като водородът без тази мярка дифундира доста добре с въздуха. Поради различните скорости на горене в различните части на цилиндъра е по-добре да инсталирате две свещи, а във водородните двигатели използването на платинени електроди не е подходящо, тъй като платината се превръща в катализатор, който води до окисляване на горивото дори при ниски температури .

Вариант на Mazda

Японската компания Mazda също показва своята версия на водородния двигател под формата на въртящ се блок в спортния автомобил RX-8. Това не е изненадващо, тъй като конструктивните характеристики на двигателя Wankel са изключително подходящи за използване на водород като гориво.
Газът се съхранява под високо налягане в специален резервоар и горивото се впръсква директно в горивните камери. Поради факта, че при роторните двигатели зоните, в които се извършва впръскването и изгарянето, са отделни, а температурата във всмукателната част е по-ниска, проблемът с възможността за неконтролирано запалване значително намалява. Двигателят на Ванкел предлага също достатъчно място за два инжектора, което е от решаващо значение за инжектирането на оптималното количество водород.

H2R

H2R е работещ суперспортен прототип, създаден от инженери на BMW и задвижван от 12-цилиндров двигател, който достига максимална мощност от 285 к.с. при работа с водород. Благодарение на тях експерименталният модел ускорява от 0 до 100 км / ч за шест секунди и достига максимална скорост от 300 км / ч. Двигателят H2R е базиран на стандартния топ, използван в бензиновия 760i, и отне само десет месеца за разработка .

За да предотвратят спонтанно запалване, баварските специалисти са разработили специална стратегия за циклите на потока и впръскването в горивната камера, използвайки възможностите, предоставени от системата за променливо газоразпределение на двигателя. Преди сместа да влезе в цилиндрите, последните се охлаждат с въздух и запалването се извършва само в горната мъртва точка - поради високата скорост на горене с водородно гориво не е необходимо изпреварване на запалването.