Тест драйв BMW и водород: част втора

„Вода. Единственият краен продукт на чистите двигатели на BMW е използването на течен водород вместо петролни горива и позволява на всеки да се наслаждава на новите технологии с чиста съвест."

BMW начин

Тези думи са цитат от рекламна кампания на немска компания преди няколко години. Дълго време никой не поставя под съмнение факта, че баварците много добре знаят какво правят, когато става дума за моторни технологии и са един от безспорните световни лидери в тази област. Нито би могло да се помисли, че компания, която показва солиден ръст на продажбите през последните години, ще хвърли много пари за малко известни реклами за обещаващи технологии с несигурно бъдеще.

В същото време обаче цитираните думи са част от кампания за популяризиране на доста екзотична 745-часова водородна версия на флагмана на баварския производител. Екзотично, защото според BMW преходът към алтернативи на въглеводородните горива, които автомобилната индустрия захранва от самото начало, ще изисква промяна в цялата производствена инфраструктура. Последното се налага, защото баварците виждат перспективен път за развитие не в широко рекламираните горивни клетки, а в преустройството на двигателите с вътрешно горене за работа с водород. BMW вярва, че надстройката е разрешим проблем и вече е постигнала значителен напредък в решаването на основния проблем за постигане на надеждна работа на двигателя и елиминиране на неговата склонност към неконтролирани горивни процеси с помощта на чист водород. Успехът в тази насока се дължи на компетентността в областта на електронното управление на двигателните процеси и възможността за използване на патентованите от BMW гъвкави газоразпределителни системи Valvetronic и Vanos, без които би било невъзможно да се осигури нормалната работа на "водородните двигатели" . Първите стъпки в тази насока обаче датират от 1820 г., когато дизайнерът Уилям Сесил създава двигател с водородно гориво, работещ на така наречения "вакуумен принцип" - схема, много различна от тази на изобретения по-късно двигател 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 преоткрити много години по-късно от космическата индустрия, която бързо откри, че водородът има най-доброто съотношение енергия/маса от всяко гориво, познато на човечеството.

През юли 1998 г. Европейската асоциация на автомобилната индустрия (ACEA) се ангажира с Европейския съюз да намали емисиите на CO2008 от новорегистрирани превозни средства в Съюза със средно 2 грама на километър със 140. На практика това означаваше 25% намаление на емисиите в сравнение с 1995 г., а средният разход на гориво на новия флот беше около 6,0 л / 100 км. В близко бъдеще се очакват допълнителни мерки за намаляване на емисиите на въглероден диоксид с 14% до 2012 г. 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 напълно елиминиране на въглерода от горивния състав. Според тази теория водородът отново се появява на автомобилната арена в целия си блясък.

Баварската компания стана първият производител на автомобили, който масово произвежда превозни средства, задвижвани с водород. Оптимистичните и уверени твърдения на професор Буркхард Гешел, член на борда на BMW, отговорен за новите разработки, че "компанията ще продава автомобили с водород преди изтичането на сегашната серия 7" се сбъднаха. С последната си версия Hydrogen 7, седмата серия, представена през 2006 г., с 12-цилиндров двигател с 260 к.с. това съобщение вече се превърна в реалност. Намерението изглеждаше доста амбициозно, но не без основание. BMW експериментира с двигатели с вътрешно горене, работещи на водород от 1978 г. и на 11 май 2000 г. направи уникална демонстрация на възможностите на тази алтернатива. Впечатляващ парк от 15 750 хл превозни средства от предишното поколение на седмицата, задвижвани от водородни дванадесетцилиндрови двигатели, завърши 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 в подкрепа на идеята за водорода. Тогава дойде време за нова разработка, базирана на следващата серия 7, използваща съвременен 4,4-литров V-212 двигател с максимална скорост от 12 км / ч, последван от последната разработка с XNUMX-цилиндров V-XNUMX. Според официалното мнение на компанията, причините, поради които BMW избра тази технология пред горивните клетки, са както търговски, така и психологически. Първо, този метод ще изисква значително по-малко инвестиции, ако производствената инфраструктура се промени. Второ, тъй като хората са свикнали с добрия стар двигател с вътрешно горене, те го харесват и ще бъде трудно да се разделят с него. И трето, междувременно се оказа, че тази технология се развива по-бързо от технологията на горивните клетки.

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

На този етап дизайнерите на мюнхенската компания се фокусираха върху непрякото впръскване на гориво, а качеството на сместа зависи от режима на работа на двигателя. В режим на частично натоварване двигателят работи на бедни смеси подобно на дизеловото гориво - промяната се прави само в количеството впръскано гориво. Това е така нареченият „контрол на качеството“ на сместа, при който двигателят работи с излишен 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 наречения "количествен контрол" на сместа и нормални (не постни) смеси. Тези промени са възможни, от една страна, поради скоростта на електронното управление на процесите в двигателя, а от друга страна, поради гъвкавата работа на системите за управление на газоразпределението - „двойни“ Vanos, работещи заедно с Valvetronic система за контрол на всмукването без газ. Трябва да се има предвид, че според инженерите на BMW работната схема на тази разработка е само междинен етап в развитието на технологиите и че в бъдеще двигателите ще преминат към директно впръскване на водород в цилиндри и турбокомпресор. Очаква се тези техники да доведат до по -добра динамика на превозното средство от сравним бензинов двигател и увеличаване на общата ефективност на двигателя с вътрешно горене с повече от 50%. Тук умишлено се въздържахме да засегнем темата „горивни клетки“, тъй като напоследък този въпрос се използва доста активно. В същото време обаче трябва да ги споменем в контекста на водородната технология на BMW, тъй като дизайнерите в Мюнхен решиха да използват точно такива устройства за захранване на бордовата електрическа мрежа в автомобилите, като напълно премахнат конвенционалното захранване от батерията. Този ход позволява 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, както и да произвежда и консумират енергия се поддава на пълна оптимизация. Фактът, че сега може да се произвежда само толкова електроенергия, колкото е необходимо за захранване на водната помпа, маслените помпи, усилвателя на спирачките и кабелните системи, също се превръща в допълнителни икономии. Успоредно с всички тези нововъведения системата за впръскване на гориво (бензин) практически не претърпя скъпи промени в дизайна. За да популяризират водородните технологии през юни 2002 г., BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN създадоха партньорската програма CleanEnergy, която започна с разработването на бензиностанции с втечнен и сгъстен водород.

BMW е инициатор на редица други съвместни проекти, включително с петролни компании, сред които най-активни участници са Aral, BP, Shell, Total. Интересът към тази обещаваща област расте експоненциално - през следващите десет години само ЕС ще предостави директни финансови вноски във фондовете за финансиране на разработването и внедряването на водородни технологии в размер на 2,8 милиарда евро. Обемът на инвестициите на частни компании в разработването на "водород" през този период е трудно да се предвиди, но е ясно, че многократно ще надхвърли отчисленията от нестопански организации.

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, много бедни смеси могат лесно да се използват във водородни двигатели - 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 и скоростта на горивните процеси са много по-високи от тези на бензина. Водородът има ниска плътност и силна дифузивност (възможността за проникване на частици в друг газ - в този случай въздух).

Ниската енергия на активиране, необходима за самозапалване, е едно от най-големите предизвикателства при контролирането на горивните процеси във водородните двигатели, тъй като сместа може лесно да се запали спонтанно поради контакт с по-горещи зони в горивната камера и устойчивост на следване на верига от напълно неконтролирани процеси. Избягването на този риск е едно от най-големите предизвикателства при разработването на водородни двигатели, но не е лесно да се елиминират последствията от факта, че силно дифузна горяща смес се движи много близо до стените на цилиндъра и може да проникне през изключително тесни процепи. като затворени вентили, например... Всичко това трябва да се вземе 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 от 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 приблизително 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 двигателите, задвижвани с водород, 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 тази на бензиновите пари.... Все пак трябва да се отбележи, че по принцип водородните двигатели могат да работят и със смеси въздух-водород до 180:1 (т.е. много "бедни" смеси), което от своя страна означава, че двигателят може да работи. без дроселова клапа и използват принципа на дизеловите двигатели. Трябва също да се отбележи, че водородът е безспорен лидер в сравнението на водорода и бензина като енергийни източници по отношение на масата - килограм водород е почти три пъти по-енергоемък от 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 надвишава тази на подобен бензинов двигател с 25%. Това е така, защото горивото (водород) не измества въздуха, както при бензинов или дизелов двигател, позволявайки само на въздух (значително повече от обикновено) да запълни горивната камера. Освен това, за разлика от бензиновите двигатели, водородните двигатели не се нуждаят от структурно завихряне, тъй като водородът дифундира достатъчно добре с въздуха и без тази мярка. Поради различните скорости на горене в различните части на цилиндъра е по-добре да поставите две свещи, а във водородните двигатели използването на платинени електроди е непрактично, тъй като платината се превръща в катализатор, водещ до окисляване на горивото при ниски температури.

H2R

H2R е работещ суперспортен прототип, създаден от инженери на BMW и задвижван от дванадесетцилиндров двигател, който достига максимална мощност от 285 к.с., когато се захранва от 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 агрегат от най-висок клас, използван в бензиновия 760i и отне само десет месеца за развитие. За да предотвратят спонтанно запалване, баварските специалисти са разработили специален цикъл на потока и стратегия за впръскване в горивната камера, използвайки възможностите, предоставени от системите 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.

Данни

Финансовият анализ на прехода към чиста водородна енергия все още не е много оптимистичен. Производството, съхранението, транспортирането и доставката на лек газ все още са доста енергоемки процеси и на сегашния технологичен етап от човешкото развитие подобна схема не може да бъде ефективна. Това обаче не означава, че изследванията и търсенето на решения няма да продължат. Предложенията за производство на водород от вода с помощта на електричество от слънчеви панели и съхраняването му в големи резервоари звучат оптимистично. От друга страна, процесът на генериране на електричество и водород в газовата фаза в пустинята Сахара, транспортирането му до Средиземно море по тръбопровод, втечняване и транспортиране с криогенни танкери, разтоварването му в пристанищата и накрая транспортирането му с камион звучи малко нелепо в момента ...

Интересна идея беше представена наскоро от норвежката петролна компания Norsk Hydro, която предложи да се произвежда водород от природен газ в производствените обекти в Северно море, а остатъчният въглероден окис се съхранява в изтощени полета под морското дъно. Истината се крие някъде по средата и само времето ще покаже къде ще продължи развитието на водородната индустрия.

Вариант на Mazda

Японската компания Mazda също показва своя версия на водородния двигател - под формата на ротационен агрегат спортен 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, а горивото се впръсква директно в горивните камери. Поради факта, че при ротационните двигатели зоните, в които се осъществява впръскването и горенето са разделени, а температурата в смукателната част е по-ниска, проблемът с възможността за неконтролирано запалване значително намалява. Wankel двигателят предлага и достатъчно място за два инжектора, което е изключително важно за впръскване на оптимално количество водород.