BMW en waterstof: die binnebrandenjin

Die maatskappy se projekte het 40 jaar gelede met die waterstofweergawe van die 5-reeks begin

BMW glo lankal in elektriese mobiliteit. Vandag kan Tesla as die maatstaf op hierdie gebied beskou word, maar tien jaar gelede, toe die Amerikaanse maatskappy die konsep van 'n pasgemaakte aluminiumplatform gedemonstreer het, wat toe in die vorm van die Tesla Model S gerealiseer is, het BMW aktief aan die Megacity gewerk Voertuig projek. 2013 word as die BMW i3 bemark. Die avant-garde Duitse motor gebruik nie net 'n aluminium ondersteuningstruktuur met geïntegreerde batterye nie, maar ook 'n bakwerk gemaak van koolstofversterkte polimere. Wat Tesla egter onteenseglik voor sy mededingers is, is sy uitsonderlike metodologie, veral op die skaal van die ontwikkeling van batterye vir elektriese voertuie – van verhoudings met litium-ioonselvervaardigers tot die bou van groot batteryfabrieke, insluitend dié met nie-elektriese toepassings. mobiliteit.

Maar kom ons keer terug na BMW, want anders as Tesla en baie van sy mededingers, glo die Duitse maatskappy steeds in die mobiliteit van waterstof. Onlangs het 'n span onder leiding van die maatskappy se vise-president van waterstofbrandstofselle, dr. Jürgen Gouldner, die I-Hydrogen Next brandstofsel onthul, 'n selfaangedrewe genset wat deur 'n lae-temperatuur chemiese reaksie aangedryf word. Hierdie oomblik is die 10de herdenking van die bekendstelling van BMW se brandstofselvoertuigontwikkeling en die 7de herdenking van die samewerking met Toyota oor brandstofselle. BMW se afhanklikheid van waterstof gaan egter 40 jaar terug en is 'n baie meer "warm temperatuur".

Dit is meer as 'n kwarteeu van ontwikkelings deur die maatskappy, waarin waterstof as brandstof vir binnebrandenjins gebruik word. Vir 'n groot deel van daardie tydperk het die maatskappy geglo dat 'n waterstofaangedrewe binnebrandenjin nader aan die verbruiker was as 'n brandstofsel. Met 'n doeltreffendheid van sowat 60% en 'n kombinasie van 'n elektriese motor met 'n doeltreffendheid van meer as 90%, is 'n brandstofsel-enjin baie doeltreffender as 'n binnebrandenjin wat op waterstof werk. Soos ons in die volgende reëls sal sien, met hul direkte inspuiting en turbo-aanvulling, sal vandag se verkleinde enjins uiters geskik wees om waterstof te lewer—mits die behoorlike inspuit- en verbrandingsbeheerstelsels in plek is. Maar hoewel waterstofaangedrewe binnebrandenjins tipies baie goedkoper is as ’n brandstofsel gekombineer met ’n litiumioonbattery, is hulle nie meer op die agenda nie. Daarbenewens strek die probleme van waterstofmobiliteit in beide gevalle veel buite die bestek van die aandrywingstelsel.

En tog hoekom waterstof?

Waterstof is 'n belangrike element in die mensdom se strewe om meer en meer alternatiewe energiebronne soos 'n brug te gebruik om energie van die son, wind, water en biomassa op te slaan deur dit in chemiese energie om te skakel. In eenvoudige terme beteken dit dat die elektrisiteit wat deur hierdie natuurlike bronne opgewek word, nie in groot hoeveelhede gestoor kan word nie, maar wel gebruik kan word om waterstof te produseer deur water in suurstof en waterstof te ontbind.

Waterstof kan natuurlik ook uit nie-hernubare koolwaterstofbronne onttrek word, maar dit is lankal onaanvaarbaar wanneer dit kom by die gebruik daarvan as energiebron. Dit is 'n onmiskenbare feit dat die tegnologiese probleme van produksie, berging en vervoer van waterstof oplosbaar is - in die praktyk, selfs nou, word groot hoeveelhede van hierdie gas geproduseer en as grondstowwe in die chemiese en petrochemiese industrieë gebruik. In hierdie gevalle is die hoë koste van waterstof egter nie dodelik nie, aangesien dit "smelt" teen die hoë koste van die produkte waarby dit betrokke is.

Die probleem om ligte gas as 'n energiebron en in groot hoeveelhede te gebruik, is egter 'n bietjie meer ingewikkeld. Wetenskaplikes skud al lank hul koppe op soek na 'n moontlike strategiese alternatief vir brandstofolie, en die toename in elektriese mobiliteit en waterstof kan in noue simbiose wees. Die kern van dit alles is 'n eenvoudige maar baie belangrike feit – die onttrekking en gebruik van waterstof wentel om die natuurlike siklus van kombineer en ontbind water … As die mensdom produksiemetodes verbeter en uitbrei deur natuurlike bronne soos sonenergie, wind en water, waterstof kan in onbeperkte hoeveelhede geproduseer en gebruik word sonder om skadelike emissies vry te stel.
produksie

Tans produseer die wêreld meer as 70 miljoen ton suiwer waterstof. Die belangrikste grondstof vir die produksie daarvan is natuurlike gas, wat verwerk word in 'n proses wat bekend staan ​​as 'hervorming' (die helfte van die totaal). Kleiner hoeveelhede waterstof word geproduseer deur ander prosesse soos elektrolise van chloorverbindings, gedeeltelike oksidasie van swaar olie, steenkoolvergassing, pirolise van steenkool om coke te produseer en hervorming van petrol. Ongeveer die helfte van die wêreldwye waterstofproduksie word gebruik vir die sintese van ammoniak (wat as voedingsstof vir die vervaardiging van kunsmis gebruik word), vir olieraffinering en vir die sintese van metanol.

Hierdie produksieskemas belas die omgewing in verskillende mate en ongelukkig bied nie een van hulle 'n sinvolle alternatief vir die huidige energiestatus quo nie – eerstens omdat hulle nie-hernubare bronne gebruik, en tweedens omdat produksie ongewenste stowwe soos koolstofdioksied vrystel. Die mees belowende metode vir die vervaardiging van waterstof in die toekoms bly die ontbinding van water met behulp van elektrisiteit, bekend op laerskool. Die sluiting van die skoon energie-siklus is egter tans slegs moontlik deur natuurlike en veral son- en windenergie te gebruik om die elektrisiteit op te wek wat nodig is om water te ontbind. Volgens dr. Gouldner is moderne tegnologieë wat aan wind- en sonkragstelsels "gekoppel" is, insluitend klein waterstofstasies, waar laasgenoemde op die terrein vervaardig word, 'n groot nuwe stap in hierdie rigting.
Stoorplek

Waterstof kan in groot hoeveelhede in beide gasvormige en vloeibare fases gestoor word. Die grootste sulke reservoirs, waarin waterstof teen 'n relatiewe lae druk gehou word, word 'gasmeters' genoem. Medium en kleiner tenks is geskik vir die berging van waterstof by 'n druk van 30 bar, terwyl die kleinste spesiale tenks (duur toestelle van spesiale staal- of koolstofveselversterkte komposiete) 'n konstante druk van 400 bar handhaaf.
Waterstof kan ook in 'n vloeibare fase by -253°C per volume-eenheid gestoor word wat 1,78 keer meer energie bevat as wanneer dit by 700 bar gestoor word – om die ekwivalente hoeveelheid energie in vloeibare waterstof per volume-eenheid te bereik, moet die gas saamgepers word tot t.o.v. 1250 bar. As gevolg van die hoër energiedoeltreffendheid van verkoelde waterstof, werk BMW saam met die Duitse verkoelingsgroep Linde vir sy eerste stelsels, wat die nuutste kryogeniese toestelle ontwikkel het om waterstof te vloeibaar te maak en te berg. Wetenskaplikes bied ook ander, maar minder toepaslike op die oomblik, alternatiewe vir die berging van waterstof – byvoorbeeld berging onder druk in spesiale metaalmeel, in die vorm van metaalhidriede, en ander.

Waterstofoordragnetwerke bestaan ​​reeds in gebiede met 'n hoë konsentrasie chemiese aanlegte en raffinaderye. Oor die algemeen is die tegniek soortgelyk aan dié vir die oordrag van natuurlike gas, maar die gebruik van laasgenoemde vir die behoeftes van waterstof is nie altyd moontlik nie. Selfs in die vorige eeu is baie huise in Europese stede verlig deur pypleiding-liggas, wat tot 50% waterstof bevat en wat gebruik word as brandstof vir die eerste stilstaande binnebrandenjins. Die huidige vlak van tegnologie laat reeds transkontinentale vervoer van vloeibare waterstof deur bestaande kriogenvragmotors toe, soortgelyk aan dié wat vir natuurlike gas gebruik word.

BMW en binnebrandenjin

"Water. Die enigste eindproduk van skoon BMW-enjins wat vloeibare waterstof in plaas van petroleumbrandstof gebruik en almal in staat stel om nuwe tegnologieë met ’n skoon gewete te geniet.”

Hierdie woorde is 'n aanhaling uit 'n advertensieveldtog vir 'n Duitse maatskappy aan die begin van die 745ste eeu. Dit behoort die nogal eksotiese XNUMX-uur-waterstofweergawe van die Beierse motorvervaardiger se vlagskip te bevorder. Eksoties, omdat die oorgang na koolwaterstofbrandstof-alternatiewe, wat die motorbedryf van die begin af aanvoer, volgens BMW, 'n verandering in die hele industriële infrastruktuur benodig. In daardie tyd het die Beiere 'n belowende ontwikkelingsweg gevind in die brandstofselle wat wyd geadverteer is, maar in die oordrag van binnebrandenjins om met waterstof te werk. BMW is van mening dat die herontwikkeling in oorweging 'n oplosbare probleem is en dat dit reeds beduidende vordering maak met die hoofdoelwit om betroubare enjinverrigting te verseker en die geneigdheid tot onbeheerde verbranding met suiwer waterstof uit te skakel. Sukses in hierdie rigting is te danke aan die bekwaamheid op die gebied van elektroniese beheer van enjinprosesse en die vermoë om die gepatenteerde BMW-gepatenteerde stelsels te gebruik vir buigsame gasverspreiding Valvetronic en Vanos, waarsonder dit onmoontlik is om die normale werking van waterstofenjins te waarborg. ".

Die eerste stappe in hierdie rigting dateer egter terug na 1820, toe ontwerper William Cecil 'n waterstofaangedrewe enjin geskep het wat volgens die sogenaamde "vakuumbeginsel" werk - 'n skema heeltemal anders as dié wat later met 'n interne enjin uitgevind is. brand. In sy eerste ontwikkeling van binnebrandenjins 60 jaar later het die baanbreker Otto die reeds genoemde en steenkool-afgeleide sintetiese gas met 'n waterstofinhoud van sowat 50% gebruik. Met die uitvinding van die vergasser het die gebruik van petrol egter baie meer prakties en veiliger geword, en vloeibare brandstof het alle ander alternatiewe vervang wat tot nou toe bestaan ​​het. Die eienskappe van waterstof as brandstof is baie jare later deur die ruimtebedryf ontdek, wat vinnig ontdek het dat waterstof die beste energie/massa-verhouding het van enige brandstof wat aan die mensdom bekend is.

In Julie 1998 het die European Automobile Industry Association (ACEA) hulself daartoe verbind om die CO2-uitstoot vir pas geregistreerde voertuie in die Unie teen 140 tot gemiddeld 2008 gram per kilometer te verminder. In die praktyk beteken dit 'n vermindering van 25% in emissies in vergelyking met 1995 en dit is gelykstaande aan 'n gemiddelde brandstofverbruik in die nuwe vloot van ongeveer 6,0 l / 100 km. Dit maak die taak vir motorondernemings uiters moeilik en kan volgens BMW-kundiges opgelos word deur brandstof met lae koolstofdioksied of deur koolstof heeltemal uit die brandstofsamestelling te verwyder. Volgens hierdie teorie verskyn waterstof in al sy glorie op die motortoneel.
Die Beierse maatskappy word die eerste motorvervaardiger wat met die produksie van waterstof-aangedrewe voertuie begin. Die optimistiese en selfversekerde eise van Burkhard Göschel, raadslid van BMW, verantwoordelik vir nuwe ontwikkelinge, dat 'die maatskappy waterstofmotors sal verkoop voordat die 7-reeks verstryk', word inderdaad bewaarheid. Met Hydrogen 7 is 'n weergawe van die sewende reeks in 2006 bekendgestel en het 'n 12-silinder 260 pk-enjin. hierdie boodskap word werklikheid.

Die bedoeling lyk nogal ambisieus, maar met goeie rede. BMW eksperimenteer sedert 1978 met waterstofverbrandingsenjins, met die 5-reeks (E12), is die 1984-uur-weergawe van die E 745 in 23 bekendgestel, en op 11 Mei 2000 het dit die unieke vermoëns van hierdie alternatief getoon. 'N Indrukwekkende vloot van 15 750 pk. Die E 38 "van die week" met 12-silinder waterstofaangedrewe enjins het 'n marathon van 170 000 km gehardloop, wat die sukses van die maatskappy en die belofte van nuwe tegnologie beklemtoon. In 2001 en 2002 het sommige van hierdie voertuie steeds aan verskillende demonstrasies deelgeneem om die waterstofidee te bevorder. Dit word gevolg deur 'n nuwe ontwikkeling gebaseer op die volgende 7-reeks, met behulp van 'n moderne 4,4-liter V-212-enjin en 'n topsnelheid van 12 km / h, gevolg deur die nuutste ontwikkeling met 'n XNUMX-silinder V-XNUMX-enjin .

Volgens die amptelike mening van die maatskappy is die redes waarom BMW toe vir hierdie tegnologie bo brandstofselle gekies het, kommersieel en sielkundig. Ten eerste sal hierdie metode aansienlik minder investering benodig in geval van 'n verandering in die industriële infrastruktuur. Tweedens, omdat mense gewoond is aan die goeie ou binnebrandenjin, hou hulle daarvan, en dit sal moeilik wees om daarvan af te skei. En derdens, want terselfdertyd ontwikkel hierdie tegnologie vinniger as brandstofseltegnologie.

In BMW-motors word waterstof in 'n oorgeïsoleerde kryogeniese houer gestoor, soort van 'n hoë-tegnologie termosfles wat deur die Duitse verkoelingsgroep Linde ontwikkel is. By lae bergingstemperature is die brandstof in die vloeistoffase en gaan die enjin as gewone brandstof binne.

Die ontwerpers van die Munich-maatskappy gebruik brandstofinspuiting in die inlaatspruitstukke, en die kwaliteit van die mengsel hang af van die enjinbedryfsmodus. In gedeeltelike vragmodus loop die enjin op maer mengsels soortgelyk aan diesel – net die hoeveelheid brandstof wat ingespuit word, word verander. Dit is die sogenaamde “gehaltebeheer” van die mengsel, waarin die enjin met oortollige lug loop, maar weens die lae vrag word die vorming van stikstofvrystellings tot die minimum beperk. Wanneer daar 'n behoefte aan aansienlike krag is, begin die enjin soos 'n petrolenjin werk en beweeg na die sogenaamde "kwantitatiewe regulering" van die mengsel en na normale (nie maer nie) mengsels. Hierdie veranderinge is moontlik, aan die een kant, danksy die spoed van die elektroniese prosesbeheer in die enjin, en aan die ander kant, danksy die buigsame werking van die gasverspreidingsbeheerstelsels - die "dubbele" Vanos, wat saamwerk met die Valvetronic-inlaatbeheerstelsel sonder versneller. Daar moet in gedagte gehou word dat, volgens BMW-ingenieurs, die werkskema van hierdie ontwikkeling slegs 'n tussenstadium in die ontwikkeling van tegnologie is en dat enjins in die toekoms sal moet beweeg na direkte waterstofinspuiting in die silinders en turboaanjaer. Daar word verwag dat die toepassing van hierdie metodes sal lei tot 'n verbetering in die dinamiese werkverrigting van die motor in vergelyking met 'n soortgelyke petrolenjin en tot 'n toename in die algehele doeltreffendheid van die binnebrandenjin met meer as 50%.

'n Interessante ontwikkelingsfeit is dat met die jongste ontwikkelings in "waterstof" binnebrandenjins, die ontwerpers in München die veld van brandstofselle betree. Hulle gebruik sulke toestelle om die elektriese netwerk aan boord in motors aan te dryf, wat die konvensionele battery heeltemal uitskakel. Danksy hierdie stap is bykomende brandstofbesparings moontlik, aangesien die waterstofenjin nie die alternator hoef aan te dryf nie, en die elektriese stelsel aan boord word heeltemal outonoom en onafhanklik van die rypad - dit kan elektrisiteit opwek selfs wanneer die enjin nie loop nie, en produksie en verbruik energie kan ten volle geoptimaliseer word. Die feit dat soveel elektrisiteit as wat nodig is om die waterpomp, oliepompe, remversterker en bedradingstelsels aan te dryf, nou opgewek kan word, vertaal ook in verdere besparings. Tesame met al hierdie innovasies het die brandstofinspuitingstelsel (petrol) egter feitlik geen duur ontwerpveranderings ondergaan nie.

Om waterstoftegnologieë in Junie 2002 te bevorder, het BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN die CleanEnergy -vennootskapprogram geskep, wat sy aktiwiteite begin het met die ontwikkeling van vulstasies met vloeibare gas. en saamgeperste waterstof. Daarin word 'n deel van die waterstof op die perseel geproduseer met behulp van sonkrag en dan saamgepers, terwyl groot vloeibare hoeveelhede uit spesiale produksiestasies kom, en alle dampe uit die vloeistoffase outomaties na die gasreservoir oorgedra word.
BMW het 'n aantal ander gesamentlike projekte begin, onder meer met oliemaatskappye, waaronder die mees aktiewe deelnemers Aral, BP, Shell en Total.
Waarom BMW egter van hierdie tegnologiese oplossings afstand doen en steeds fokus op brandstofselle, sal ons u in 'n ander artikel in hierdie reeks vertel.

Waterstof in binnebrandenjins

Dit is interessant om daarop te let dat dit as gevolg van die fisiese en chemiese eienskappe van waterstof baie meer vlambaar is as petrol. In die praktyk beteken dit dat baie minder aanvanklike energie nodig is om die verbrandingsproses in waterstof te begin. Aan die ander kant kan waterstofenjins maklik baie “slegte” mengsels gebruik – iets wat moderne petrolenjins deur komplekse en duur tegnologieë bereik.

Die hitte tussen die deeltjies van die waterstof-lugmengsel word minder versprei, en terselfdertyd is die selfontstekingstemperatuur baie hoër, asook die tempo van verbrandingsprosesse in vergelyking met petrol. Waterstof het 'n lae digtheid en 'n sterk diffusiwiteit (die moontlikheid dat deeltjies 'n ander gas binnedring - in hierdie geval, lug).

Dit is die lae aktiveringsenergie wat nodig is vir selfontsteking wat een van die grootste uitdagings is om verbranding in waterstofenjins te beheer, omdat die mengsel maklik spontaan kan ontbrand as gevolg van kontak met warmer gebiede in die verbrandingskamer en weerstand na 'n ketting van heeltemal onbeheerde prosesse. Die vermyding van hierdie risiko is een van die grootste uitdagings in die ontwerp van waterstofenjins, maar dit is nie maklik om die gevolge daarvan uit die weg te ruim dat die sterk verspreide verbrandingsmengsel baie naby die silinderwande beweeg en deur baie nou gapings kan dring nie. byvoorbeeld langs geslote kleppe ... Dit alles moet in ag geneem word by die ontwerp van hierdie motors.

'N Hoë outo-ontstekingstemperatuur en 'n hoë oktaangetal (ongeveer 130) laat 'n toename in die kompressieverhouding van die enjin toe en dus die doeltreffendheid daarvan, maar weer bestaan ​​die gevaar van spontane ontbranding van waterstof by kontak met die warmer onderdeel. in die silinder. Die voordeel van die hoë verspreidingskapasiteit van waterstof is die moontlikheid van gemaklike menging met lug, wat in die geval van 'n tenk ineenstort, die vinnige en veilige verspreiding van die brandstof waarborg.

Die ideale lug-waterstofmengsel vir verbranding het 'n verhouding van ongeveer 34:1 (vir petrol is hierdie verhouding 14,7:1). Dit beteken dat wanneer dieselfde massa waterstof en petrol in die eerste geval gekombineer word, meer as twee keer soveel lug benodig word. Terselfdertyd neem die waterstof-lugmengsel aansienlik meer spasie op, wat verklaar waarom waterstofenjins minder krag het. 'n Suiwer digitale illustrasie van verhoudings en volumes is nogal veelseggend - die digtheid van waterstof wat gereed is vir verbranding is 56 keer minder as die digtheid van petroldamp ... Daar moet egter op gelet word dat waterstofenjins oor die algemeen op lugmengsels kan werk . waterstof in verhoudings tot 180:1 (d.w.s. met baie "slegte" mengsels), wat weer beteken dat die enjin sonder 'n versneller kan loop en die beginsel van dieselenjins kan gebruik. Dit moet ook genoem word dat waterstof die onbetwiste leier is in die vergelyking tussen waterstof en petrol as 'n massa-energiebron - 'n kilogram waterstof het amper drie keer meer energie per kilogram petrol.

Soos met petrolenjins, kan vloeibare waterstof direk voor die kleppe in die spruitstukke ingespuit word, maar die beste oplossing is inspuiting direk tydens die kompressieslag – in hierdie geval kan die drywing dié van 'n vergelykbare petrolenjin met 25% oorskry. Dit is omdat die brandstof (waterstof) nie lug verplaas soos met 'n petrol- of dieselenjin nie, wat die verbrandingskamer toelaat om slegs met (aansienlik meer as gewoonlik) lug te vul. Daarbenewens het waterstof, anders as petrolenjins, nie strukturele werveling nodig nie, aangesien waterstof sonder hierdie maatreël redelik goed met lug diffundeer. As gevolg van die verskillende brandtempo's in verskillende dele van die silinder, is dit beter om twee vonkproppe te installeer, en in waterstofenjins is die gebruik van platinumelektrodes nie geskik nie, aangesien platinum 'n katalisator word wat selfs by lae temperature tot brandstofoksidasie lei. .

Mazda opsie

Die Japannese maatskappy Mazda spog ook met sy weergawe van die waterstofenjin, in die vorm van ’n draaiblok in die RX-8-sportmotor. Dit is nie verbasend nie, aangesien die ontwerpkenmerke van die Wankel-enjin uiters geskik is vir die gebruik van waterstof as brandstof.
Die gas word onder hoë druk in 'n spesiale tenk geberg en die brandstof word direk in die verbrandingskamers ingespuit. As gevolg van die feit dat in die geval van roterende enjins die sones waarin inspuiting en verbranding plaasvind, apart is en die temperatuur in die inlaatgedeelte laer is, word die probleem met die moontlikheid van onbeheerde ontsteking aansienlik verminder. Die Wankel-enjin bied ook genoeg ruimte vir twee inspuiters, wat noodsaaklik is vir die inspuiting van die optimale hoeveelheid waterstof.

H2R

Die H2R is 'n werkende supersport-prototipe wat deur BMW-ingenieurs gebou is en aangedryf word deur 'n 12-silinder-enjin wat 'n maksimum uitset van 285 pk bereik. wanneer met waterstof gewerk word. Danksy hulle versnel die eksperimentele model van 0 tot 100 km / h in ses sekondes en bereik 'n topspoed van 300 km / h. Die H2R-enjin is gebaseer op die standaard top wat in die 760i petrol gebruik word en het slegs tien maande geneem om te ontwikkel .

Om spontane ontbranding te voorkom, het die Beierse spesialiste 'n spesiale strategie ontwikkel vir die vloei- en inspuitsiklusse in die verbrandingskamer, met behulp van die moontlikhede wat die enjin se veranderlike kleptydstelsel bied. Voordat die mengsel die silinders binnedring, word laasgenoemde deur die lug afgekoel, en ontsteking word slegs by die boonste dooie punt uitgevoer - as gevolg van die hoë verbrandingstempo met waterstofbrandstof, is ontstekingvoorskot nie nodig nie.