Toetsry BMW en waterstof: deel twee

"Water. Die enigste eindproduk van BMW se skoon enjins is die gebruik van vloeibare waterstof in plaas van petroleumbrandstowwe en dit stel almal in staat om nuwe tegnologieë met 'n skoon gewete te geniet."

BMW manier

Hierdie woorde is 'n aanhaling uit 'n advertensieveldtog van 'n Duitse maatskappy etlike jare gelede. Vir lank het niemand die feit bevraagteken dat die Beiere baie goed weet wat hulle doen as dit by motortegnologie kom en een van die onbetwiste wêreldleiers op hierdie gebied is nie. Daar sou ook nie gedink word dat 'n maatskappy wat die afgelope jare stewige verkopegroei getoon het, 'n klomp geld sou gooi op min bekende advertensies vir belowende tegnologieë met 'n onsekere toekoms nie.

Terselfdertyd is die aangehaalde woorde egter deel van ’n veldtog om ’n taamlik eksotiese 745-uur-waterstofweergawe van die Beierse motorvervaardiger se vlagskip te bevorder. Eksoties, want volgens BMW sal die oorgang na alternatiewe vir koolwaterstofbrandstowwe, wat die motorbedryf van die begin af voer, 'n verandering in die hele produksie-infrastruktuur verg. Laasgenoemde is nodig omdat die Beiere 'n belowende ontwikkelingspad sien nie in die wyd geadverteerde brandstofselle nie, maar in die omskakeling van binnebrandenjins om op waterstof te loop. BMW glo dat die opgradering 'n oplosbare probleem is en het reeds aansienlike vordering gemaak met die oplossing van die hoofprobleem om betroubare enjinverrigting te behaal en sy geneigdheid tot onbeheerde verbrandingsprosesse met suiwer waterstof uit te skakel. Sukses in hierdie rigting is te danke aan die bevoegdheid op die gebied van elektroniese beheer van enjinprosesse en die moontlikheid om die BMW gepatenteerde buigsame gasverspreidingstelsels Valvetronic en Vanos te gebruik, waarsonder dit onmoontlik sou wees om die normale werking van "waterstofenjins" te verseker. . Die eerste stappe in hierdie rigting dateer egter terug na 1820, toe die ontwerper William Cecil 'n waterstofaangedrewe enjin geskep het wat volgens die sogenaamde "vakuumbeginsel" werk - 'n skema wat baie verskil van dié van die later uitgevindte enjin met 'n interne enjin . 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 herontdek, 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) aan die Europese Unie toegesê om die CO2008-uitstoot van pas geregistreerde voertuie in die Unie met gemiddeld 2 gram per kilometer met 140 te verminder. In die praktyk het dit 'n vermindering van 25% in die uitstoot beteken in vergelyking met 1995, en die gemiddelde brandstofverbruik van die nuwe vloot was ongeveer 6,0 l / 100 km. In die nabye toekoms word verwag dat bykomende maatreëls die uitstoot van koolstofdioksied teen 14 met 2012% sal verminder. 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 weer in die motorarena.

Die Beierse maatskappy het die eerste motorvervaardiger geword wat voertuie met waterstof aangedryf het. Die optimistiese en selfversekerde bewerings van professor Burkhard Geschel, bestuurslid van BMW wat verantwoordelik is vir nuwe ontwikkelings, dat 'die maatskappy waterstofmotors sal verkoop voordat die huidige 7-reeks verstryk', is bewaarheid. Met sy nuutste weergawe Hydrogen 7, die sewende reeks, wat in 2006 bekendgestel is, met 'n 12 pk 260-silinder enjin. hierdie boodskap het reeds 'n werklikheid geword. Die bedoeling was redelik ambisieus, maar nie sonder rede nie. BMW eksperimenteer sedert 1978 met binnebrandenjins wat op waterstof werk en het op 11 Mei 2000 'n unieke demonstrasie van die moontlikhede van hierdie alternatief gedoen. 'N Indrukwekkende vloot van 15 750 hl voertuie van die vorige generasie van die week, aangedryf deur twaalf-silinder-enjins, het die marathon van 170 000 km voltooi, wat die sukses van die maatskappy en die belofte van nuwe tegnologie beklemtoon. In 2001 en 2002 het sommige van hierdie voertuie steeds aan verskeie demonstrasies deelgeneem ter ondersteuning van die waterstofidee. Toe was dit tyd vir 'n nuwe ontwikkeling gebaseer op die volgende 7-reeks, met 'n moderne 4,4-liter V-212 en 'n topsnelheid van 12 km / h, gevolg deur die nuutste ontwikkeling met 'n XNUMX-silinder V-XNUMX. Volgens die amptelike mening van die maatskappy is die redes waarom BMW hierdie tegnologie bo brandstofselle gekies het, kommersieel en sielkundig. Ten eerste sal hierdie metode aansienlik minder investering verg as die produksie-infrastruktuur verander. Tweedens, omdat mense gewoond is aan die goeie ou verbrandingsmotor, hou hulle daarvan en sal dit moeilik wees om daarvan af te skei. En derdens het dit intussen geblyk dat hierdie tegnologie vinniger ontwikkel as brandstofseltegnologie.

In BMW-motors word waterstof in 'n super-geïsoleerde 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 soos gewone brandstof die enjin binne.

In hierdie stadium het die ontwerpers van die München -onderneming gefokus op indirekte brandstofinspuiting, en die kwaliteit van die mengsel hang af van die werking van die enjin. In deelvragmodus werk die enjin op maer mengsels soortgelyk aan dieselbrandstof - die verandering word slegs aangebring in die hoeveelheid brandstof wat ingespuit word. Dit is die sogenaamde "kwaliteitsbeheer" van die mengsel, waarin die enjin met oortollige lug loop, maar as gevolg van die lae vrag word die vorming van stikstofvrystellings tot die minimum beperk. As daar groot krag nodig is, begin die enjin werk soos 'n petrolenjin en gaan na die sogenaamde "kwantitatiewe beheer" van die mengsel en normale (nie maer) mengsels nie. Hierdie veranderinge is moontlik, aan die een kant, as gevolg van die spoed van elektroniese beheer van prosesse in die enjin, en aan die ander kant, as gevolg van die buigsame werking van gas verspreiding beheer stelsels - "dubbel" 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 tussenfase in die ontwikkeling van tegnologie is en dat enjins in die toekoms sal oorgaan na direkte waterstofinspuiting in silinders en turbo. Hierdie tegnieke sal na verwagting beter voertuigdinamika tot gevolg hê as 'n vergelykbare petrolenjin en 'n toename in die algehele doeltreffendheid van die binnebrandenjin met meer as 50%. Hier het ons doelbewus ons daarvan weerhou om die onderwerp "brandstofselle" aan te raak, aangesien hierdie kwessie onlangs aktief gebruik is. Terselfdertyd moet ons dit egter noem in die konteks van BMW se waterstoftegnologie, aangesien die ontwerpers in München besluit het om net sulke toestelle te gebruik om die elektriese netwerk aan boord in motors aan te dryf, en konvensionele batterykrag heeltemal uit te skakel. Hierdie skuif laat bykomende brandstofbesparings toe, aangesien die waterstofenjin nie die alternator hoef aan te dryf nie, en die elektriese stelsel aan boord word heeltemal outonoom en onafhanklik van die dryfpad - dit kan elektrisiteit opwek selfs wanneer die enjin nie loop nie, asook produseer en verbruik energie leen hom tot volle optimalisering. Die feit dat slegs soveel elektrisiteit as wat nodig is vir die waterpomp, oliepompe, remversterker en bedrade stelsels nou geproduseer kan word, lei ook tot ekstra besparings. Parallel met al hierdie innovasies, het die brandstofinspuitingstelsel (petrol) egter prakties nie duur ontwerpveranderinge 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 begin het met die ontwikkeling van vulstasies met vloeibare en saamgeperste waterstof.

BMW is die inisieerder van 'n aantal ander gesamentlike projekte, insluitend met oliemaatskappye, waaronder die aktiefste deelnemers Aral, BP, Shell, Total is. Belangstelling in hierdie belowende gebied groei eksponensieel - in die volgende tien jaar sal die EU alleen regstreekse finansiële bydraes aan fondse verskaf om die ontwikkeling en implementering van waterstoftegnologieë in die bedrag van 2,8 miljard euro te finansier. Die volume beleggings deur private maatskappye in die ontwikkeling van "waterstof" gedurende hierdie tydperk is moeilik om te voorspel, maar dit is duidelik dat dit baie keer die aftrekkings van nie-winsgewende organisasies sal oorskry.

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 baie maer mengsels maklik in waterstofenjins gebruik word – 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 en die tempo van verbrandingsprosesse baie hoër as dié van petrol. Waterstof het 'n lae digtheid en 'n sterk diffusiwiteit (die moontlikheid dat deeltjies in 'n ander gas binnedring - in hierdie geval, lug).

Die lae aktiveringsenergie wat benodig word vir selfontbranding is een van die grootste uitdagings in die beheer van verbrandingsprosesse in waterstofenjins omdat die mengsel maklik spontaan kan ontbrand as gevolg van kontak met warmer areas in die verbrandingskamer en weerstand om 'n ketting van heeltemal onbeheerde prosesse te volg. Om hierdie risiko te vermy is een van die grootste uitdagings in die ontwikkeling van waterstofenjins, maar dit is nie maklik om die gevolge uit te skakel van die feit dat 'n hoogs diffuse brandende mengsel baie naby aan die silinderwande beweeg en uiters nou gapings kan binnedring nie. soos byvoorbeeld geslote kleppe... Dit alles moet in ag geneem word wanneer hierdie motors ontwerp word.

'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 is daar 'n gevaar vir die outontsteking van waterstof as gevolg van kontak met die warmer onderdeel. in die silinder. Die voordeel van die hoë diffusievermoë van waterstof is die moontlikheid om maklik met lug te meng, wat in die geval van 'n tenkstorting vinnige en veilige verspreiding van die brandstof verseker.

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 in beslag, wat verklaar hoekom waterstofaangedrewe enjins 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 dié van petroldamp .... Daar moet egter op gelet word dat waterstofenjins in beginsel ook met lug-waterstofmengsels tot 180:1 kan werk (d.i. baie "maer" mengsels), wat weer beteken dat die enjin aangedryf kan word. sonder 'n smoorklep en gebruik die beginsel van dieselenjins. Daar moet ook op gelet word dat waterstof die onbetwiste leier is in die vergelyking van waterstof en petrol as energiebronne in terme van massa – ’n kilogram waterstof is amper drie keer meer energie-intensief as ’n 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 soortgelyke petrolenjin met 25% oorskry. Dit is omdat die brandstof (waterstof) nie lug verplaas soos in 'n petrol- of dieselenjin nie, wat slegs lug (aansienlik meer as gewoonlik) toelaat om die verbrandingskamer te vul. Anders as petrolenjins het waterstofenjins ook nie strukturele werveling nodig nie, want waterstof diffundeer goed genoeg met lug sonder hierdie maatreël. As gevolg van die verskillende brandtempo's in verskillende dele van die silinder, is dit beter om twee vonkproppe te plaas, en in waterstofenjins is die gebruik van platinumelektrodes onprakties, aangesien platinum 'n katalisator word wat lei tot brandstofoksidasie by lae temperature.

H2R

Die H2R is 'n werkende supersport-prototipe wat deur BMW-ingenieurs gebou is en aangedryf word deur 'n twaalfsilinder-enjin wat 'n maksimum uitset van 285 pk bereik wanneer dit deur waterstof aangedryf 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-end eenheid wat in die petrol 760i gebruik word en het slegs tien geneem. maande om te ontwikkel. Om spontane ontbranding te voorkom, het die Beierse spesialiste 'n spesiale vloeisiklus en inspuitingstrategie in die verbrandingskamer ontwikkel, met behulp van die moontlikhede wat deur veranderlike kleptydstelsels van die enjin verskaf word. 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.

Bevindinge

Die finansiële ontleding van die oorgang na suiwer waterstofenergie is nog nie baie optimisties nie. Die produksie, opberging, vervoer en verskaffing van liggas is steeds redelik energie-intensiewe prosesse, en op die huidige tegnologiese stadium van menslike ontwikkeling kan so 'n skema nie effektief wees nie. Dit beteken egter nie dat navorsing en die soeke na oplossings nie sal voortgaan nie. Voorstelle om waterstof uit water op te wek met behulp van sonpanele en in groot tenks op te slaan, klink optimisties. Aan die ander kant is die proses om elektrisiteit en waterstof in die gasfase in die Sahara-woestyn op te wek, dit per pypleiding na die Middellandse See te vervoer, vloeibaar te maak en met kriogenvragmotors te vervoer, dit in hawens af te laai en uiteindelik per vragmotor te vervoer, dit klink tans 'n bietjie belaglik ...

'N Interessante idee is onlangs aangebied deur die Noorse oliemaatskappy Norsk Hydro, wat voorgestel het om waterstof uit natuurlike gas op produksiepersele in die Noordsee te produseer, en die oorblywende koolstofmonoksied is in uitgeputte velde onder die seebodem gestoor. Die waarheid lê êrens in die middel, en net die tyd sal leer waarheen die ontwikkeling van die waterstofbedryf sal gaan.

Mazda-variant

Die Japannese maatskappy Mazda wys ook sy weergawe van die waterstofenjin – in die vorm van ’n roterende eenheid-sportmotor RX-8. Dit is nie verbasend nie, want die ontwerpkenmerke van die Wankel-enjin is uiters geskik om waterstof as brandstof te gebruik. Die gas word onder hoë druk in 'n spesiale tenk gestoor, en die brandstof word direk in die verbrandingskamers ingespuit. As gevolg van die feit dat in die geval van roterende enjins die gebiede waarin inspuiting en verbranding plaasvind geskei is, en die temperatuur in die suigdeel laer is, word die probleem van die moontlikheid van onbeheerde ontsteking aansienlik verminder. Die Wankel-enjin bied ook genoeg spasie vir twee inspuiters, wat uiters belangrik is om die optimale hoeveelheid waterstof in te spuit.