БМВ і водень: двигун внутрішнього згоряння

Проекти компанії почалися 40 років тому з водневої версії 5 серії

BMW давно вірить у електричну мобільність. Сьогодні Tesla можна вважати еталоном у цій галузі, але десять років тому, коли американська компанія продемонструвала концепцію індивідуальної алюмінієвої платформи, яку потім було реалізовано у формі Tesla Model S, BMW активно працювала над проектом Megacity Vehicle. 2013 року продається на ринку як BMW i3. В авангардному німецькому автомобілі використовується не тільки алюмінієва опорна конструкція із вбудованими батареями, а й корпус із вуглецево-армованих полімерів. Проте, що Tesla, безсумнівно, випереджає своїх конкурентів, це виняткова методологія, особливо у масштабах розробки акумуляторів для електромобілів – від відносин із виробниками літій-іонних елементів до будівництва величезних заводів із виробництва акумуляторів, зокрема з неелектричними застосуваннями. мобільність.

Але давайте повернемося до BMW, тому що, на відміну від Tesla та багатьох її конкурентів, німецька компанія, як і раніше, вірить у мобільність водню. Нещодавно команда на чолі з віце-президентом компанії з водневих паливних елементів доктором Юргеном Гулднером представила модель I-Hydrogen Next на паливних елементах – генераторну електричну машину для власного двигуна, засновану на низькотемпературній хімічній реакції. Цей момент знаменує 10-ту річницю презентації з початку розробки автомобілів на паливних елементах BMW та 7-у річницю початку співпраці з Toyota у галузі паливних елементів. Тим не менш, залежність BMW від водню налічує 40 років і є набагато «вищою температурою».

Це понад чверть століття розробок компанії, у яких водень використовується як паливо для двигунів внутрішнього згоряння. Протягом більшої частини цього періоду компанія вважала, що двигун внутрішнього згоряння, що працює на водні, був ближчим до споживача, ніж паливний елемент. При ККД близько 60% та комбінації електродвигуна з ККД більше 90% двигун з паливним елементом працює набагато ефективніше, ніж двигун внутрішнього згоряння, що працює на водні. Як ми побачимо в наступних рядках, з їх безпосереднім упорскуванням та турбонаддувом, сучасні двигуни зі зменшеним розміром будуть надзвичайно підходящими для подачі водню – за умови створення відповідних систем для упорскування та управління процесами згоряння. Але хоча двигуни внутрішнього згоряння, що працюють на водні, зазвичай набагато дешевше, ніж паливний елемент у поєднанні з літій-іонним акумулятором, вони більше не стоять на порядку денному. Крім того, проблеми рухливості водню в обох випадках виходять далеко за межі рухової установки.

І все ж, чому водень?

Водень є важливим елементом в прагненні людства використовувати все більше і більше альтернативних джерел енергії, таких як міст для накопичення енергії від сонця, вітру, води і біомаси шляхом перетворення її в хімічну енергію. Простіше кажучи, це означає, що електроенергія, вироблена цими природними джерелами, не може зберігатися в великих обсягах, але може використовуватися для виробництва водню шляхом розкладання води на кисень і водень.

Звичайно, водень також може бути вилучений з невідновлюваних джерел вуглеводнів, але це давно неприпустимо, коли йдеться про використання його як джерело енергії. Незаперечний той факт, що технологічні проблеми видобутку, зберігання та транспортування водню можна вирішити – на практиці навіть зараз величезні кількості цього газу виробляються та використовуються як сировина у хімічній та нафтохімічній промисловості. У цих випадках, однак, висока вартість водню не смертельна, оскільки він «тане» за високої вартості продуктів, у синтезі яких він бере участь.

Проте проблема використання легкого газу як джерело енергії та у великих кількостях трохи складніша. Вчені довго хитали головами у пошуках можливої ​​стратегічної альтернативи нафтовому паливу, і збільшення електричної мобільності та водню може бути у тісному симбіозі. В основі всього цього лежить простий, але дуже важливий факт – вилучення та використання водню обертається навколо природного циклу об'єднання та розкладання води… Якщо людство вдосконалює та розширює методи виробництва з використанням природних джерел, таких як сонячна енергія, вітер та вода, водень можна буде виробляти та використовувати у необмежених кількостях, не виділяючи шкідливих викидів.
виробництво

В даний час в світі виробляється більше 70 мільйонів тонн чистого водню. Основною сировиною для його виробництва є природний газ, який переробляється в процесі, відомому як «риформинг» (половина від загального обсягу). Менші кількості водню виробляються іншими процесами, такими як електроліз сполук хлору, часткове окислення важкої нафти, газифікація вугілля, піроліз вугілля для виробництва коксу і риформінг бензину. Приблизно половина світового виробництва водню використовується для синтезу аміаку (який використовується в якості сировини при виробництві добрив), в нафтопереробці і в синтезі метанолу.

Ці виробничі схеми різною мірою обтяжують довкілля, і, на жаль, жодна з них не пропонує значущої альтернативи існуючому енергетичному статусу-кво – по-перше, тому що вони використовують невідновлювані джерела, а по-друге, тому що виробництво виділяє небажані. речовини, такі як діоксид вуглецю. Найбільш перспективним методом виробництва водню в майбутньому залишається розкладання води за допомогою електрики, відоме у початковій школі. Тим не менш, замикання циклу чистої енергії в даний час можливе тільки при використанні природної та особливо сонячної та вітрової енергії для виробництва електрики, необхідної для розкладання води. За словами доктора Гулднера, сучасні технології, «підключені» до вітряних та сонячних систем, включаючи невеликі водневі станції, де останні виробляються на місці, є новим великим кроком у цьому напрямку.
Місце зберігання

Водень може зберігатися в великих кількостях як в газоподібному, так і в рідкій фазах. Найбільші такі резервуари, в яких водень перебуває при відносно низькому тиску, називаються «газовими лічильниками». Резервуари середнього розміру і меншого розміру пристосовані для зберігання водню під тиском 30 бар, в той час як найменші спеціальні резервуари (дорогі пристрої, виготовлені зі спеціальної сталі або композиційних матеріалів, армованих вуглецевим волокном) підтримують постійний тиск 400 бар.
Водень також може зберігатися в рідкій фазі з температурою -253 °С на одиницю об'єму, що містить в 1,78 рази більше енергії, ніж при зберіганні при тиску 700 бар – для досягнення еквівалентної кількості енергії у зрідженому водні в Обсязі одиниці, газ має бути стиснутий до 1250 бар. У зв'язку з більш високою енергоефективністю охолодженого водню BMW співпрацює з німецькою холодильною групою Linde для її перших систем, які розробили сучасні кріогенні пристрої для зрідження та зберігання водню. Вчені також пропонують інші, але менш застосовні на даний момент альтернативи для зберігання водню – наприклад, зберігання під тиском у спеціальному металевому борошні, у формі гідридів металів та інші.

Мережі передачі водню вже існують в районах з високою концентрацією хімічних заводів і нафтопереробних заводів. В цілому, методика аналогічна такій для передачі природного газу, але використання останнього для потреб водню не завжди можливо. Однак ще в минулому столітті багато будинків в європейських містах були висвітлені трубопровідним легким газом, який містить до 50% водню і який використовується в якості палива для перших стаціонарних двигунів внутрішнього згоряння. Сьогоднішній рівень технологій вже дозволяє трансконтинентальну транспортування зрідженого водню через існуючі криогенні танкери, аналогічні тим, які використовуються для природного газу.

BMW і двигун внутрішнього згоряння

“Вода. Єдиний кінцевий продукт чистих двигунів BMW, які використовують рідкий водень замість нафтового палива та дозволяють кожному із чистою совістю насолоджуватися новими технологіями».

Ці слова є цитатою з рекламної кампанії німецької компанії початку XXI століття. Він повинен просувати досить екзотичну 745-годинну водневу версію флагмана баварського автовиробника. Екзотика, тому що, на думку BMW, перехід до альтернатив вуглеводневому паливу, яким автоіндустрія харчувалася з самого початку, зажадає зміни всієї промислової інфраструктури. У той час баварці знайшли багатообіцяючий шлях розвитку не в широко рекламованих паливних елементах, а в перекладі двигунів внутрішнього згоряння на роботу з воднем. BMW вважає, що розглядається дооснащення є цілком вирішуваною проблемою, і вже домагається значного прогресу у вирішенні основного завдання забезпечення надійних робочих характеристик двигуна і усунення його схильності до неконтрольованих процесів згоряння з використанням чистого водню. Успіх в цьому напрямку обумовлений компетенцією в області електронного управління процесами двигуна і можливістю використовувати запатентовані BMW запатентовані системи для гнучкого розподілу газу Valvetronic і Vanos, без яких неможливо гарантувати нормальну роботу «водневих двигунів».

Тим не менш, перші кроки в цьому напрямку відносяться до 1820 року, коли дизайнер Вільям Сесіл створив двигун з водневим паливом, що працює за так званим «вакуумним принципом» – схема, зовсім відмінна від тієї, що була винайдена пізніше із внутрішнім двигуном. горіння. У своїй першій розробці двигунів внутрішнього згоряння через 60 років піонер Отто використовував вже згаданий і отриманий з вугілля синтетичний газ із вмістом водню близько 50%. Однак з винаходом карбюратора використання бензину стало значно практичнішим та безпечнішим, а рідке паливо замінило всі інші альтернативи, які існували досі. Властивості водню як палива були відкриті через багато років космічною промисловістю, яка швидко виявила, що водень має найкраще співвідношення «енергія/маса» з усіх видів палива, відомих людству.

У липні 1998 року Європейська асоціація автомобільної промисловості (ACEA) взяла на себе зобов'язання скоротити викиди CO2 для нових зареєстрованих автомобілів в Союзі до в середньому 140 грам на кілометр до 2008 року. На практиці це означає скорочення викидів на 25% в порівнянні з 1995 роком і еквівалентно середній витраті палива в новому автопарку близько 6,0 л / 100 км. Це робить задачу для автомобільних компаній надзвичайно складною і, на думку експертів BMW, може бути вирішена або за допомогою низьковуглецевого палива, або шляхом повного видалення вуглецю зі складу палива. Відповідно до цієї теорії, водень з'являється на автомобільній сцені у всій красі.
Баварська компанія стає першим виробником автомобілів, що мають намір почати масове виробництво автомобілів з водневим двигуном. Оптимістичні і впевнені заяви BMW Burkhard Göschel, члена ради директорів BMW, відповідального за нові розробки, про те, що «компанія буде продавати водневі автомобілі до закінчення терміну дії 7-й серії», дійсно збуваються. , З Hydrogen 7 версія сьомої серії представлена ​​в 2006 році і має 12-циліндровий двигун потужністю 260 к.с. це повідомлення стає реальністю.

Намір здається досить амбітним, але не без причини. BMW експериментує з водневими двигунами внутрішнього згоряння з 1978 року, з 5-ю серією (E12), в 1984 році була представлена ​​745-годинна версія E 23, і 11 травня 2000 року його продемонструвала унікальні можливості цієї альтернативи. , Значний парк з 15 750 к.с. автомобілів E 38 «тижня» з 12-циліндровими двигунами, що працюють на водні, пробіг марафон довжиною 170 000 км, особливо яскраво продемонструвавши успіх компанії і перспективи нової технології. У 2001 і 2002 роках деякі з цих автомобілів продовжували брати участь в різних демонстраціях, щоб просувати ідею водню. Потім йде нова розробка, заснована на наступних 7 серіях, що використовує сучасний 4,4-літровий восьмициліндровий двигун і здатний розвивати максимальну швидкість 212 км / год, за якою слідує остання розробка з 12-циліндровим шестилітровим двигуном.

Згідно з офіційним думку компанії, причини, за якими BMW тоді вважала за краще цю технологію паливних елементів, мають як комерційну, так і психологічну основу. По-перше, цей метод потребує значно менших інвестицій в разі зміни промислової інфраструктури. По-друге, тому що люди звикли до старого доброго двигуну внутрішнього згоряння, вони люблять його, і з ним буде важко розлучитися. І, по-третє, тому що в той же час ця технологія розвивається швидше, ніж технологія паливних елементів.

У автомобілях BMW водень зберігається в кріогенній посудині з надізоляцією - на кшталт високотехнологічного термоса, розробленого німецькою холодильною групою Linde. При низьких температурах зберігання паливо знаходиться у рідкій фазі і надходить у двигун як звичайне паливо.

Конструктори мюнхенської компанії використовують упорскування палива у впускних колекторах, а якість суміші залежить від режиму роботи двигуна. У режимі часткового навантаження двигун працює на бідних сумішах, аналогічних дизельному, - зміна проводиться тільки щодо кількості палива, що впорскується. Це так зване "регулювання якості" суміші, при якій двигун працює з надлишком повітря, але через низьке навантаження утворення викидів азоту зводиться до мінімуму. Коли виникає потреба у значній потужності, двигун починає працювати як бензиновий двигун, переходячи до так званого «кількісного регулювання» суміші та до нормальних (не збіднених) сумішей. Ці зміни можливі, з одного боку, завдяки швидкості електронного керування процесом у двигуні, а з іншого – завдяки гнучкій роботі систем керування газорозподілом – «подвійного» Vanos, що працює спільно із системою керування впуском Valvetronic без дросельної заслінки. Слід мати на увазі, що, на думку інженерів BMW, робоча схема цього розвитку є лише проміжним етапом у розвитку технології і що в майбутньому двигуни повинні будуть перейти до прямого упорскування водню в циліндри та турбокомпресору. Очікується, що застосування цих методів призведе до поліпшення динамічних характеристик автомобіля в порівнянні з аналогічним бензиновим двигуном і збільшення загальної ефективності двигуна внутрішнього згоряння більш ніж на 50%.

Цікавий факт від розробки, що з останніми розробками водневих двигунів внутрішнього згоряння дизайнери в Мюнхені входять в область паливних елементів. Вони використовують такі пристрої для живлення бортової мережі в автомобілях, повністю виключаючи звичайну батарею. Завдяки цьому кроку можлива додаткова економія палива, оскільки водневий двигун не повинен рухати генератор змінного струму, а бортова електрична система стає повністю автономною і незалежною від приводного тракту – вона може генерувати електрику, навіть коли двигун не працює, а виробництво та споживання енергія піддається повній оптимізації. Той факт, що тепер може бути виготовлено стільки електрики, скільки необхідно для живлення водяного насоса, масляних насосів, підсилювача гальм та провідних систем, також призводить до додаткової економії. Однак паралельно з усіма цими нововведеннями система упорскування палива (бензин) практично не зазнала будь-яких дорогих конструктивних змін.

З метою просування водневих технологій в червні 2002 року компанії BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN створили партнерську програму «CleanEnergy», яка розпочала свою діяльність з розробки автозаправних станцій зі зрідженим газом. і стислий водень. У них частина водню виробляється на місці за допомогою сонячної електрики, а потім стискається, а великі зріджені кількості надходять зі спеціальних виробничих станцій, і всі пари з рідкої фази автоматично переносяться в газовий резервуар.
BMW ініціювала ряд інших спільних проектів, в тому числі з нафтовими компаніями, серед яких найбільш активними учасниками є Aral, BP, Shell, Total.
Однак, чому BMW відмовляється від цих технологічних рішень і все ще фокусується на паливних елементах, ми розповімо вам в іншій статті цієї серії.

Водень в двигунах внутрішнього згоряння

Цікаво відзначити, що через фізичні та хімічні властивості водню він набагато вогнебезпечніший, ніж бензин. Насправді це означає, що з ініціювання процесу згоряння у водні потрібно набагато менше початкової енергії. З іншого боку, водневі двигуни можуть легко використовувати дуже "погані" суміші - те, що сучасні бензинові двигуни досягають за рахунок складних та дорогих технологій.

Тепло між частинками воднево-повітряної суміші розсіюється менше, і в той же час температура самозаймання значно вища, як швидкість процесів згоряння в порівнянні з бензином. Водень має низьку щільність і сильну дифузійну здатність (можливість попадання частинок в інший газ - в даному випадку в повітря).

Саме низька енергія активації, необхідна для самозаймання, є однією з найбільших проблем при управлінні процесами згоряння в водневих двигунах, тому що суміш може легко мимовільно запалитися через контакт з більш гарячими областями в камері згоряння і опору слідуючи ланцюжку абсолютно неконтрольованих процесів. Уникнення цього ризику є однією з найбільших проблем в конструкції водневих двигунів, але не так просто усунути наслідки того факту, що сильно розсіяна палаюча суміш переміщається дуже близько до стінок циліндра і може проникати в надзвичайно вузькі зазори. наприклад, уздовж закритих клапанів ... Все це необхідно враховувати при проектуванні цих двигунів.

Висока температура самозаймання і високе октанове число (порядку 130) дозволяють підвищити ступінь стиснення двигуна і, отже, його ефективність, але знову-таки існує небезпека самозаймання водню при контакті з більш гарячої частиною. в циліндрі. Перевагою високоїдифузійного здатності водню є можливість легкого змішування з повітрям, що в разі поломки бака гарантує швидке і безпечне розсіювання палива.

Ідеальна суміш повітря-водень для горіння має співвідношення близько 34:1 (для бензину це співвідношення становить 14,7:1). Це означає, що при об'єднанні однакової маси водню і бензину в першому випадку потрібно більше ніж удвічі більше повітря. Водночас воднево-повітряна суміш займає значно більше місця, що пояснює, чому водневі двигуни мають меншу потужність. Чисто цифрова ілюстрація співвідношень та обсягів досить промовиста – щільність готового до спалювання водню в 56 разів менша за щільність парів бензину… Проте слід зазначити, що загалом водневі двигуни можуть працювати на повітряних сумішах. водень у співвідношенні до 180:1 (тобто з дуже «поганими» сумішами), що у свою чергу означає, що двигун може працювати без дросельної заслінки та використовувати принцип роботи дизельних двигунів. Слід також згадати, що водень є безперечним лідером у порівнянні між воднем та бензином як масовими джерелами енергії – кілограм водню має майже втричі більше енергії на кілограм бензину.

Як і в бензинових двигунах, зріджений водень можна впорскувати безпосередньо перед клапанами в колекторах, але оптимальним рішенням є впорскування безпосередньо під час такту стиснення - у цьому випадку потужність може перевищувати на 25% потужність порівнянного бензинового двигуна. Це з тим, що паливо (водень) не витісняє повітря, як із бензиновим чи дизельним двигуном, що дозволяє камері згоряння заповнюватися лише (значно більше, ніж зазвичай) повітрям. Крім того, на відміну від бензинових двигунів, водень не потребує конструктивного завихрення, оскільки водень без цього досить добре дифундує з повітрям. Через різні швидкості горіння в різних частинах циліндра краще встановити дві свічки запалювання, а у водневих двигунах використання платинових електродів не підходить, оскільки платина стає каталізатором, який призводить до окислення палива навіть при низьких температурах.

Варіант Mazda

Японська компанія Mazda також демонструє свою версію водневого двигуна у вигляді роторного блоку спортивного автомобіля RX-8. Це не дивно, оскільки конструктивні особливості двигуна Ванкеля надзвичайно підходять для використання водню як паливо.
Газ зберігається під високим тиском в спеціальному резервуарі, а паливо впорскується безпосередньо в камери згоряння. У зв'язку з тим, що в разі роторних двигунів зони, в яких відбувається вприскування і згоряння, є роздільними, а температура у впускний частини нижче, проблема з можливістю неконтрольованого займання значно зменшується. Двигун Ванкеля також пропонує досить місця для двох інжекторів, що вкрай важливо для вприскування оптимальної кількості водню.

H2R

H2R – це працюючий суперспортивний прототип, створений інженерами BMW та оснащений 12-циліндровим двигуном, який досягає максимальної потужності 285 к.с. під час роботи з воднем. Завдяки їм експериментальна модель розганяється за шість секунд з 0 до 100 км/год і досягає максимальної швидкості 300 км/год. Двигун H2R заснований на стандартній верхній частині, що використовується в бензині 760i, і на його розробку пішло лише десять місяців.

Щоб запобігти самозайманню, баварські фахівці розробили спеціальну стратегію циклів потоку та впорскування в камеру згоряння, використовуючи можливості, що надаються системою зміни фаз газорозподілу двигуна. Перед тим, як суміш надходить у циліндри, останні охолоджуються повітрям, і запалення здійснюється лише у верхній мертвій точці – через високу швидкість горіння з водневим паливом «випередження» займання не потрібно.