Тест драйв BMW та водень: частина друга

“Вода. Єдиний кінцевий продукт чистих двигунів BMW – використання рідкого водню замість нафтового палива та надання кожному можливості користуватися новими технологіями з чистою совістю».

шлях BMW

Ці слова – цитата із рекламної кампанії німецької компанії кілька років тому. Протягом тривалого часу ніхто не ставив під сумнів той факт, що баварці дуже добре знають, що вони роблять, коли йдеться про моторні технології, і є одними з безперечних світових лідерів у цій галузі. Також не можна було подумати, що компанія, яка останніми роками демонструє стабільне зростання продажів, кине купу грошей на маловідому рекламу перспективних технологій із невизначеним майбутнім.

Водночас процитовані слова є частиною кампанії з просування досить екзотичної 745-годинної водневої версії флагмана баварського автовиробника. Екзотично, тому що, на думку BMW, перехід на альтернативи вуглеводневому паливу, яким автомобільна промисловість харчувалася від початку, вимагатиме зміни всієї виробничої інфраструктури. Останнє необхідно тому, що баварці бачать перспективний шлях розвитку над широко рекламованих паливних елементах, а перекладі двигунів внутрішнього згоряння до роботи на водні. BMW вважає, що розглянута модернізація є вирішуваною проблемою, і вже досягла значних успіхів у вирішенні основної проблеми – досягненні надійних характеристик двигуна та усунення його схильності до неконтрольованих процесів згоряння з використанням чистого водню. Успіх у цьому напрямі обумовлений компетенцією в галузі електронного управління процесами двигуна та можливістю використання запатентованих BMW систем гнучкого газорозподілу Valvetronic та Vanos, без яких забезпечення нормальної роботи водневих двигунів було б неможливим. Однак перші кроки в цьому напрямку відносяться до 1820 року, коли конструктор Вільям Сесіл створив двигун, що працює на водневому паливі, що працює за так званим «принципом вакууму» – схема, що сильно відрізняється від схеми пізнішого винайденого двигуна з внутрішнім двигуном. печіння. У своїй першій розробці двигунів внутрішнього згоряння через 60 років першопрохідник Отто використовував вже згаданий і отриманий з вугілля синтетичний газ із вмістом водню близько 50%. Однак з винаходом карбюратора використання бензину стало значно практичнішим і безпечнішим, а рідке паливо замінило всі інші альтернативи, що існували досі. Властивості водню як палива були заново 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 перед Європейським союзом скоротити викиди CO2008 від нових зареєстрованих автомобілів в Союзі в середньому на 2 грамів на кілометр до 140 році. На практиці це означало скорочення викидів на 25% в порівнянні з 1995 роком, а середня витрата палива нового парку склав близько 6,0 л / 100 км. Найближчим часом очікуються додаткові заходи щодо зниження викидів вуглекислого газу на 14% до 2012 року. Це робить задачу для автомобільних компаній надзвичайно складною і, на думку експертів BMW, може бути вирішена або за рахунок використання низьковуглецевого палива, або за рахунок повного виключення вуглецю зі складу палива. Відповідно до цієї теорії, водень знову з'являється на автомобільній арені у всій красі.

Баварська компанія стала першим виробником автомобілів, почали масове виробництво автомобілів з водневим двигуном. Оптимістичні і впевнені заяви професора Буркхарда Гешель, члена ради директорів BMW, відповідального за нові розробки, про те, що «компанія буде продавати водневі автомобілі до закінчення терміну дії нинішньої 7-й серії», збулися. З його останньою версією Hydrogen 7 сьомої серії, представленої в 2006 році, з 12-циліндровим двигуном потужністю 260 к.с. це повідомлення вже стало реальністю. Намір здавалося досить амбітним, але не без підстав. BMW експериментує з двигунами внутрішнього згоряння, що працюють на водні з 1978 року, а 11 травня 2000 року виробила унікальну демонстрацію можливостей цієї альтернативи. Вражаюча флотилія з 15 автомобілів 750 гл з попереднього покоління «тижня», що використовують водневі дванадцятициліндровим двигуни, подолала 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 на підтримку ідеї водню. Потім прийшов час нової розробки, заснованої на наступній серії 7, з використанням сучасного 4,4-літрового восьмициліндрового двигуна і здатної розвивати максимальну швидкість 212 км / год, за якою послідувала остання розробка з 12-циліндровим шестициліндровим двигуном. Згідно з офіційним думку компанії, причини, за якими BMW вважала за краще цю технологію паливних елементів, мають як комерційну, так і психологічну основу. По-перше, цей метод потребує значно менше інвестицій в разі зміни виробничої інфраструктури. По-друге, тому що люди звикли до старого доброго двигуну внутрішнього згоряння, їм він подобається і з ним буде складно розлучитися. І, по-третє, тим часом виявилося, що ця технологія розвивається швидше, ніж технології паливних елементів.

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

На даному етапі конструктори мюнхенської компанії зробили упор на непрямий уприскування палива, а якість суміші залежить від режиму роботи двигуна. У режимі часткового навантаження двигун працює на збіднених сумішах аналогічно дизельному паливу - зміна вноситься тільки за кількістю палива, що впорскується. Це так звана «регулювання якості» суміші, при якій двигун працює з надлишком повітря, але через малу навантаження освіту викидів азоту зводиться до мінімуму. Коли виникає потреба в значній потужності, двигун починає працювати як бензиновий, переходячи до так званого «кількісного регулювання» суміші і нормальним (НЕ збідненим) сумішей. Ці зміни можливі, з одного боку, за рахунок швидкості електронного керування процесами у двигуні, а з іншого – за рахунок гнучкої роботи систем керування газорозподілом – «подвійних» Vanos, які працюють спільно з системою керування впуском Valvetronic без дросельної заслінки. При цьому слід враховувати, що, на думку інженерів BMW, робоча схема цієї розробки є лише проміжним етапом у розвитку технологій і що в майбутньому двигуни перейдуть на прямий впорскування водню в циліндри і турбонаддув. Очікується, що застосування цих методів призведе до кращих динамічних характеристик автомобіля, ніж у порівнянного бензинового двигуна, і до збільшення загального ККД двигуна внутрішнього згоряння більш ніж на 50%. Тут ми свідомо утрималися від торкання теми «паливних елементів», так як останнім часом це питання досить активно використовується. У той же час, однак, ми повинні згадати їх у контексті водневої технології BMW, так як дизайнери в Мюнхені вирішили використовувати саме такі пристрої для живлення бортової електромережі в автомобілях, повністю виключивши звичайне харчування від батарей. Цей крок уможливлює додаткову економію палива, оскільки водневий двигун не повинен приводити в дію генератор змінного струму, а бортова електрична система стає повністю автономною та незалежною від приводного тракту – вона може виробляти електроенергію, навіть коли двигун не працює, а також виробляти та споживати енергія піддається повній оптимізації. Той факт, що для харчування водяного насоса, масляних насосів, підсилювача гальм і дротових систем тепер можна робити тільки стільки електроенергії, скільки необхідно, також призводить до додаткової економії. Однак паралельно з усіма цими нововведеннями система уприскування палива (бензинова) практично не зазнала дорогих конструктивних змін. З метою просування водневих технологій в червні 2002 року компанії BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, OpelКомпанія MAN створила партнерську програму CleanEnergy, почала свою діяльність з розробки заправних станцій скрапленим та стиснутим воднем.

BMW є ініціатором інших спільних проектів, у тому числі з нафтовими компаніями, серед яких найбільш активними учасниками є Aral, BP, Shell, Total. Інтерес до цієї перспективної сфери зростає у геометричній прогресії – у найближчі десять років лише Євросоюз забезпечить прямі фінансові надходження до фондів для фінансування розробки та впровадження водневих технологій у розмірі 2,8 млрд євро. Обсяг інвестицій приватних компаній у розвиток «водневого» у період важко прогнозувати, але однозначно, що він багаторазово перевищить відрахування від некомерційних організацій.

Водень в двигунах внутрішнього згоряння

Цікаво відзначити, що через фізичні та хімічні властивості водню він набагато горючіший, ніж бензин. Насправді це означає, що з ініціювання процесу горіння у водні потрібно набагато менше початкової енергії. З іншого боку, у водневих двигунах можна легко використовувати дуже "бідні" суміші - чого сучасні бензинові двигуни досягають за рахунок складних та дорогих технологій.

Тепло між частинками воднево-повітряної суміші менше розсіюється, і в той же час температура самозаймання та швидкість процесів згоряння значно вища, ніж у бензину. Водень має низьку щільність і сильну дифузійну здатність (можливість проникнення частинок в інший газ – у разі повітря).

Низька енергія активації, необхідна для самозаймання, є однією з найбільших проблем при керуванні процесами згоряння у водневих двигунах, тому що суміш може легко спонтанно спалахнути через контакт з більш гарячими ділянками в камері згоряння і опору слідування ланцюжку абсолютно некерованих процесів. Уникнути цього ризику - одна з найбільших проблем при розробці водневих двигунів, але не так просто усунути наслідки того факту, що суміш, що сильно дифузно горить, переміщається дуже близько до стінок циліндрів і може проникати в надзвичайно вузькі зазори. такі як закриті клапани, наприклад… Все це потрібно враховувати під час проектування цих двигунів.

Висока температура самозаймання і високе октанове число (порядку 130) дозволяють підвищити ступінь стиснення двигуна і, отже, його ефективність, але знову ж таки існує небезпека самозаймання водню від контакту 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 повітряно-воднева суміш для горіння має співвідношення приблизно 34:1 (для бензину це співвідношення становить 14,7:1). Це означає, що при суміщенні однакової маси водню і бензину в першому випадку буде потрібно більш ніж удвічі більше повітря. Водночас воднево-повітряна суміш займає значно більше місця, що пояснює, чому двигуни, що працюють на водні, мають меншу потужність. Чисто цифрова ілюстрація співвідношень і обсягів досить промовиста – щільність водню, готового до спалювання, у 56 разів менша, ніж у парів бензину. Однак слід зазначити, що в принципі водневі двигуни можуть також працювати зі сумішами повітря-водень у співвідношенні до 180:1 (тобто з дуже «бідними» сумішами), що, у свою чергу, означає, що двигун може працювати. без наявності дросельної заслінки та використовувати принцип роботи дизельних двигунів. Слід також зазначити, що водень є безперечним лідером порівняно з воднем і бензином як джерелом енергії за масою – кілограм водню майже втричі енергоємніший, ніж кілограм бензину.

Як і у випадку з бензиновими двигунами, 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 аналогічного бензинового двигуна. Це з тим, що паливо (водень) не витісняє повітря, як у бензиновому чи дизельному двигуні, дозволяючи заповнювати камеру згоряння лише повітрям (значно більшим, ніж зазвичай). Крім того, на відміну від бензинових двигунів, водневі двигуни не потребують конструктивного завихрення, тому що водень досить добре дифундує з повітрям без цієї міри. Через різну швидкість горіння в різних частинах циліндра краще розмістити дві свічки запалювання, а у водневих двигунах використання платинових електродів недоцільно, оскільки платина стає каталізатором, що призводить до окислення палива при низьких температурах.

H2R

H2R – це робочий прототип суперспорту, створений інженерами BMW та оснащений дванадцятициліндровим двигуном, який при роботі на водні досягає максимальної потужності 285 к.с. 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 стандартному топовому агрегаті, що використовується в бензиновому 760i, і на його розробку пішло лише десять місяців. Щоб запобігти самозайманню, баварські фахівці розробили спеціальний цикл потоку та стратегію впорскування в камеру згоряння, використовуючи можливості, що надаються системами зміни фаз газорозподілу двигуна. Перед надходженням суміші в циліндри останні охолоджуються повітрям, а запалення здійснюється тільки у верхній мертвій точці - через високу швидкість горіння при водневому паливі "випередження" запалення не потрібно.

Висновки

Результати фінансового аналізу переходу на чисту водневу енергію поки не дуже оптимістичні. Виробництво, зберігання, транспортування та постачання легкого газу як і раніше є досить енергоємними процесами, і на нинішньому технологічному етапі людського розвитку така схема не може бути ефективною. Однак це не означає, що дослідження і пошук рішень не будуть продовжені. Пропозиції по виробництву водню з води за допомогою електрики від сонячних батарей і зберігання його в великих резервуарах звучать оптимістично. З іншого боку, процес виробництва електроенергії і водню в газовій фазі в пустелі Сахара, транспортування його в Середземне море по трубопроводу, скраплення і транспортування його кріогенними танкерами, розвантаження в портах і кінцева транспортування вантажівкою зараз звучить трохи безглуздо ...

Цікава ідея була недавно представлена ​​норвезькою нафтовою компанією Norsk Hydro, яка запропонувала проводити водень з природного газу на виробничих майданчиках в Північному морі, а залишковий оксид вуглецю зберігався на виснажених родовищах під морським дном. Істина знаходиться десь посередині, і тільки час покаже, куди піде розвиток водневої промисловості.

Варіант Mazda

Японська компанія Mazda також демонструє свою версію водневого двигуна у вигляді роторного агрегату спорткара RX-8. Це не дивно, тому що конструктивні особливості двигуна Ванкеля надзвичайно підходять для використання водню як паливо. Газ зберігається під високим тиском у спеціальному баку, а паливо впорскується безпосередньо в камери згоряння. Завдяки тому, що у разі роторних двигунів області, в яких відбувається впорскування та згоряння, розділені, а температура у всмоктувальній частині нижча, проблема з можливістю неконтрольованого займання значно знижується. Двигун Ванкеля також пропонує достатньо місця для двох інжекторів, що надзвичайно важливо для впорскування оптимальної кількості водню.