BMW a vodík: spalovací motor

Projekty společnosti začaly před 40 lety s vodíkovou verzí řady 5

BMW již dlouho věří v elektrickou mobilitu. Dnes lze Teslu považovat za měřítko v této oblasti, ale před deseti lety, kdy americká společnost demonstrovala koncept upravené hliníkové platformy, která byla následně realizována v podobě Tesly Model S, BMW aktivně pracovalo na Megacity Projekt vozidla. 2013 se prodává jako BMW i3. Avantgardní německý vůz využívá nejen hliníkovou nosnou konstrukci s integrovanými bateriemi, ale také karoserii z uhlíkem vyztužených polymerů. Co však Tesla před svými konkurenty nepopiratelně předčí, je její výjimečná metodika, zejména v měřítku vývoje baterií pro elektromobily – od vztahů s výrobci lithium-iontových článků až po budování obrovských továren na baterie, včetně těch s neelektrickými aplikacemi. mobilita.

Ale vraťme se k BMW, protože na rozdíl od Tesly a mnoha jejích konkurentů německá společnost stále věří v mobilitu vodíku. Nedávno tým vedený viceprezidentem společnosti pro vodíkové palivové články, Dr. Jürgenem Gouldnerem, představil palivový článek I-Hydrogen Next, samohybný generátor poháněný nízkoteplotní chemickou reakcí. Tento okamžik připomíná 10. výročí zahájení vývoje vozidel BMW s palivovými články a 7. výročí spolupráce s Toyotou na palivových článcích. Nicméně spoléhání BMW na vodík sahá 40 let zpět a je mnohem „žhavější“.

Jde o více než čtvrtstoletí vývoje společnosti, ve které se vodík používá jako palivo pro spalovací motory. Po většinu tohoto období se společnost domnívala, že spalovací motor na vodíkový pohon je spotřebiteli blíže než palivový článek. S účinností kolem 60 % a kombinací elektromotoru s účinností více než 90 % je motor s palivovými články mnohem účinnější než spalovací motor na vodík. Jak uvidíme na následujících řádcích, se svým přímým vstřikováním a přeplňováním turbodmychadlem budou dnešní downsizované motory mimořádně vhodné pro dodávku vodíku – za předpokladu, že budou nasazeny správné systémy vstřikování a řízení spalování. Ale zatímco vodíkem poháněné spalovací motory jsou obvykle mnohem levnější než palivový článek v kombinaci s lithium-iontovou baterií, už nejsou na pořadu dne. Problémy vodíkové mobility navíc v obou případech daleko přesahují rámec pohonného systému.

A přesto proč vodík?

Vodík je důležitým prvkem ve snaze lidstva využívat stále více alternativních zdrojů energie, jako je most k ukládání energie ze slunce, větru, vody a biomasy její přeměnou na chemickou energii. Jednoduše řečeno to znamená, že elektřina vyrobená z těchto přírodních zdrojů nemůže být skladována ve velkých objemech, ale může být použita k výrobě vodíku rozložením vody na kyslík a vodík.

Vodík lze samozřejmě extrahovat i z neobnovitelných zdrojů uhlovodíků, ale to bylo dlouho nepřijatelné, pokud jde o jeho využití jako zdroje energie. Je nezpochybnitelným faktem, že technologické problémy výroby, skladování a přepravy vodíku jsou řešitelné - v praxi se i v současnosti vyrábí obrovské množství tohoto plynu a využívá se jako surovina v chemickém a petrochemickém průmyslu. V těchto případech však vysoká cena vodíku není smrtelná, protože se „taví“ při vysokých nákladech na produkty, do kterých je zapojen.

Problém využití světelného plynu jako zdroje energie a ve velkém množství je však o něco složitější. Vědci nad hledáním možné strategické alternativy topného oleje kroutili hlavami už delší dobu a nárůst elektrické mobility a vodíku může být v těsné symbióze. Jádrem toho všeho je jednoduchý, ale velmi důležitý fakt – těžba a využití vodíku se točí kolem přirozeného cyklu slučování a rozkladu vody… Pokud lidstvo zdokonalí a rozšíří výrobní metody využívající přírodní zdroje, jako je sluneční energie, vítr a voda, vodík lze vyrábět a používat v neomezeném množství bez emisí škodlivých emisí.
výroba

Ve světě se v současné době vyrábí více než 70 milionů tun čistého vodíku. Hlavní surovinou pro jeho výrobu je zemní plyn, který se zpracovává v procesu známém jako „reformování“ (polovina z celkového počtu). Menší množství vodíku se vyrábí jinými procesy, jako je elektrolýza sloučenin chloru, částečná oxidace těžkého oleje, zplyňování uhlí, pyrolýza uhlí na výrobu koksu a reformování benzínu. Asi polovina světové produkce vodíku se používá k syntéze amoniaku (který se používá jako surovina při výrobě hnojiv), k rafinaci oleje a syntéze methanolu.

Tato výrobní schémata různou měrou zatěžují životní prostředí a bohužel žádný z nich nenabízí smysluplnou alternativu k současnému energetickému status quo – jednak proto, že využívají neobnovitelné zdroje, a jednak proto, že výroba uvolňuje nežádoucí látky, jako je oxid uhličitý. Nejperspektivnější metodou výroby vodíku do budoucna zůstává rozklad vody pomocí elektřiny, známý na základní škole. Uzavření cyklu čisté energie je však v současnosti možné pouze využitím přírodní a zejména sluneční a větrné energie k výrobě elektřiny potřebné k rozkladu vody. Velkým novým krokem v tomto směru jsou podle doktora Gouldnera moderní technologie „napojené“ na větrné a solární systémy, včetně malých vodíkových stanic, kde se druhý vyrábí přímo na místě.
Místo skladování

Vodík lze skladovat ve velkém množství v plynné i kapalné fázi. Největší takové nádrže, ve kterých je vodík udržován na relativně nízkém tlaku, se nazývají „plynoměry“. Střední a menší nádrže jsou uzpůsobeny pro skladování vodíku při tlaku 30 bar, zatímco nejmenší speciální nádrže (drahá zařízení vyrobená ze speciální oceli nebo kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny) udržují konstantní tlak 400 bar.
Vodík lze také skladovat v kapalné fázi při teplotě -253 °C na jednotku objemu obsahující 1,78krát více energie než při skladování při tlaku 700 bar – k dosažení ekvivalentního množství energie ve zkapalněném vodíku na jednotku objemu je třeba plyn stlačit na 1250 bar. Kvůli vyšší energetické účinnosti chlazeného vodíku spolupracuje BMW na svých prvních systémech s německou chladicí skupinou Linde, která vyvinula nejmodernější kryogenní zařízení pro zkapalňování a skladování vodíku. Vědci nabízejí i další, ale v tuto chvíli méně použitelné alternativy pro skladování vodíku - například skladování pod tlakem ve speciální kovové moučce, ve formě hydridů kovů a další.

Vodíkové přenosové sítě již existují v oblastech s vysokou koncentrací chemických závodů a ropných rafinérií. Obecně platí, že technika je podobná technice pro přepravu zemního plynu, ale její použití pro potřeby vodíku není vždy možné. I v minulém století však bylo mnoho domů v evropských městech osvětleno plynovým lehkým plynem, který obsahuje až 50% vodíku a který se používá jako palivo pro první stacionární spalovací motory. Současná úroveň technologie již umožňuje transkontinentální přepravu zkapalněného vodíku prostřednictvím stávajících kryogenních tankerů podobných těm, které se používají pro zemní plyn.

BMW a spalovací motor

"Voda. Jediný konečný produkt čistých motorů BMW, který místo ropného paliva používá kapalný vodík a umožňuje každému užívat si nové technologie s čistým svědomím.“

Tato slova jsou citátem z reklamní kampaně pro německou společnost na počátku 745. století. Mělo by se jednat o propagaci poněkud exotické XNUMXhodinové vodíkové verze vlajkové lodi bavorské automobilky. Exotické, protože podle BMW bude přechod na alternativy k uhlovodíkovým palivům, kterými se automobilový průmysl živí od samého začátku, vyžadovat změnu celé průmyslové infrastruktury. V té době našli Bavori slibnou cestu vývoje ne v široce inzerovaných palivových článcích, ale v přeměně spalovacích motorů na práci s vodíkem. BMW věří, že uvažovaná modernizace je řešitelným problémem a již nyní významně pokročila směrem ke klíčové výzvě, kterou je zajištění spolehlivého výkonu motoru a eliminace jeho tendence spalovat pomocí čistého vodíku. Úspěch v tomto směru je způsoben kompetencí v oblasti elektronického řízení motorových procesů a schopností využívat patentované systémy Valvetronic a Vanos patentované společností BMW pro flexibilní distribuci plynu, bez nichž není možné zaručit normální provoz „vodíkových motorů“.

První kroky tímto směrem však sahají až do roku 1820, kdy konstruktér William Cecil vytvořil motor na vodíkový pohon fungující na takzvaném „podtlakovém principu“ – schématu zcela odlišném od toho, které bylo později vynalezeno s vnitřním motorem. hořící. Při svém prvním vývoji spalovacích motorů o 60 let později použil průkopník Otto již zmíněný a z uhlí odvozený syntetický plyn s obsahem vodíku asi 50 %. S vynálezem karburátoru se však používání benzinu stalo mnohem praktičtějším a bezpečnějším a kapalné palivo nahradilo všechny ostatní alternativy, které dosud existovaly. Vlastnosti vodíku jako paliva byly objeveny o mnoho let později vesmírným průmyslem, který rychle zjistil, že vodík má nejlepší poměr energie/hmotnost ze všech paliv, které lidstvo zná.

V červenci 1998 se Evropská asociace automobilového průmyslu (ACEA) zavázala snížit emise CO2 u nově registrovaných vozidel v Unii do roku 140 v průměru na 2008 gramů na kilometr. V praxi to znamená 25% snížení emisí ve srovnání s rokem 1995 a odpovídá průměrné spotřebě paliva v novém vozovém parku přibližně 6,0 l / 100 km. Z tohoto důvodu je pro automobilové společnosti úkol extrémně obtížný a podle odborníků z BMW jej lze vyřešit buď použitím nízkouhlíkových paliv, nebo úplným odstraněním uhlíku ze složení paliva. Podle této teorie se vodík na automobilové scéně objevuje v celé své kráse.
Bavorská společnost se stala prvním výrobcem automobilů, který zahájil masovou výrobu vozidel na vodíkový pohon. Pozitivní a sebevědomá tvrzení představenstva BMW Burkharda Göschela, člena představenstva BMW odpovědného za nový vývoj, že „společnost bude prodávat vodíkové vozy před vypršením platnosti řady 7“, se naplní. U modelu Hydrogen 7 byla v roce 2006 představena verze sedmé řady s 12válcovým motorem o výkonu 260 k. tato zpráva se stává realitou.

Záměr se zdá být docela ambiciózní, ale z dobrého důvodu. BMW experimentuje se spalovacími motory na vodík již od roku 1978; u řady 5 (E12) byla 1984hodinová verze E 745 představena v roce 23 a 11. května 2000 předvedla jedinečné schopnosti této alternativy. Působivá flotila 15 750 hp. E 38 „týdne“ s 12válcovými vodíkovými motory odjel maraton na 170 000 km a zdůraznil úspěch společnosti a příslib nové technologie. V letech 2001 a 2002 se některá z těchto vozidel nadále účastnila různých demonstrací na podporu myšlenky týkající se vodíku. Poté přichází nový vývoj založený na příští řadě 7, který využívá moderní motor V-4,4 o objemu 212 litru a je schopen dosáhnout maximální rychlosti 12 km / h, následovaný nejnovějším vývojem s XNUMXválcovým motorem V-XNUMX.

Podle oficiálního stanoviska společnosti byly důvody, proč BMW poté upřednostňovalo tuto technologii před palivovými články, komerční i psychologické. Zaprvé bude tato metoda vyžadovat výrazně menší investice v případě změn průmyslové infrastruktury. Zadruhé, protože lidé jsou zvyklí na starý dobrý spalovací motor, milují ho a bude těžké se s ním rozloučit. A za třetí, protože současně se tato technologie vyvíjí rychleji než technologie palivových článků.

V automobilech BMW je vodík skladován v přeizolované kryogenní nádobě, něco jako high-tech termoska vyvinutá německou chladicí skupinou Linde. Při nízkých skladovacích teplotách je palivo v kapalné fázi a vstupuje do motoru jako normální palivo.

Konstruktéři mnichovské firmy používají vstřikování paliva do sacích potrubí a kvalita směsi závisí na provozním režimu motoru. V režimu částečného zatížení motor běží na chudé směsi podobně jako nafta – mění se pouze množství vstřikovaného paliva. Jedná se o tzv. „kontrolu kvality“ směsi, při které motor běží s přebytkem vzduchu, ale díky nízkému zatížení je minimalizována tvorba emisí dusíku. Při potřebě výrazného výkonu začne motor pracovat jako benzinový motor, přejde na tzv. „kvantitativní regulaci“ směsi a na normální (nikoli chudé) směsi. Tyto změny jsou možné na jedné straně díky rychlosti elektronického řízení procesu v motoru a na druhé straně díky flexibilnímu provozu řídicích systémů distribuce plynu - „dvojitého“ Vanosu, pracujícího ve spojení se systémem řízení sání Valvetronic bez škrticí klapky. Je třeba si uvědomit, že podle inženýrů BMW je pracovní schéma tohoto vývoje pouze mezistupněm ve vývoji techniky a že v budoucnu budou muset motory přejít na přímé vstřikování vodíku do válců a turbodmychadla. Očekává se, že aplikace těchto metod povede ke zlepšení dynamického výkonu vozu ve srovnání s podobným benzinovým motorem a ke zvýšení celkové účinnosti spalovacího motoru o více než 50 %.

Zajímavým vývojovým faktem je, že s nejnovějším vývojem „vodíkových“ spalovacích motorů vstupují konstruktéři v Mnichově do oblasti palivových článků. Používají taková zařízení k napájení palubní elektrické sítě v autech, přičemž zcela eliminují klasickou baterii. Díky tomuto kroku jsou možné další úspory paliva, protože vodíkový motor nemusí pohánět alternátor a palubní elektrický systém se stává zcela autonomním a nezávislým na dráze pohonu – dokáže vyrábět elektřinu, i když motor neběží, a výroba a spotřeba energie může být plně optimalizována. Skutečnost, že nyní lze vyrobit tolik elektřiny, kolik je potřeba pro pohon vodního čerpadla, olejových čerpadel, posilovače brzd a elektroinstalace, se promítá do dalších úspor. Souběžně se všemi těmito inovacemi však systém vstřikování paliva (benzinu) prakticky neprošel žádnými nákladnými konstrukčními změnami.

Za účelem propagace vodíkových technologií v červnu 2002 vytvořily BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN partnerský program CleanEnergy, který zahájil svoji činnost vývojem čerpacích stanic LPG. a stlačený vodík. V nich se část vodíku vyrábí na místě pomocí solární elektřiny a poté se stlačuje a velké zkapalněné množství pochází ze speciálních výrobních stanic a všechny páry z kapalné fáze se automaticky přenášejí do zásobníku plynu.
BMW zahájilo řadu dalších společných projektů, mimo jiné s ropnými společnostmi, mezi nimiž jsou nejaktivnějšími účastníky Aral, BP, Shell, Total.
Proč však BMW upouští od těchto technologických řešení a stále se zaměřuje na palivové články, to vám řekneme v jiném článku této série.

Vodík ve spalovacích motorech

Zajímavostí je, že díky fyzikálním a chemickým vlastnostem vodíku je mnohem hořlavější než benzín. V praxi to znamená, že k zahájení procesu spalování vodíku je potřeba mnohem méně počáteční energie. Na druhou stranu vodíkové motory mohou snadno využívat velmi „špatné“ směsi – čehož moderní benzinové motory dosahují pomocí složitých a drahých technologií.

Teplo mezi částicemi směsi vodíku a vzduchu se méně rozptýlí a zároveň je mnohem vyšší teplota samovznícení, stejně jako rychlost spalovacích procesů ve srovnání s benzínem. Vodík má nízkou hustotu a silnou difuzivitu (možnost vstupu částic do jiného plynu – v tomto případě do vzduchu).

Jedná se o nízkou aktivační energii potřebnou pro samovznícení, která je jednou z největších výzev při řízení spalování ve vodíkových motorech, protože směs se může snadno spontánně vznítit v důsledku kontaktu s teplejšími oblastmi ve spalovací komoře a odporu po řetězci zcela nekontrolovaných procesů. Vyhýbání se tomuto riziku je jednou z největších výzev v konstrukci vodíkových motorů, ale není snadné eliminovat důsledky skutečnosti, že vysoce rozptýlená spalovací směs se pohybuje velmi blízko ke stěnám válce a může pronikat do extrémně úzkých mezer. například podél uzavřených ventilů ... To vše je třeba vzít v úvahu při konstrukci těchto motorů.

Vysoká teplota samovznícení a vysoké oktanové číslo (asi 130) umožňují zvýšení kompresního poměru motoru, a tím i jeho účinnost, ale opět hrozí nebezpečí samovznícení vodíku při kontaktu s teplejší částí. ve válci. Výhodou vysoké difúzní kapacity vodíku je možnost snadného smíchání se vzduchem, což v případě rozbití nádrže zaručuje rychlé a bezpečné rozptýlení paliva.

Ideální směs vzduch-vodík pro spalování má poměr cca 34:1 (u benzínu je tento poměr 14,7:1). To znamená, že při kombinaci stejné hmotnosti vodíku a benzínu v prvním případě je potřeba více než dvojnásobek vzduchu. Směs vodíku a vzduchu přitom zabírá podstatně více místa, což vysvětluje, proč mají vodíkové motory menší výkon. Čistě digitální znázornění poměrů a objemů je poměrně výmluvné - hustota vodíku připraveného ke spalování je 56krát menší než hustota benzínových par... Je však třeba poznamenat, že obecně vodíkové motory mohou pracovat na směsi vzduchu . vodíku v poměrech až 180:1 (tedy s velmi "špatnými" směsmi), což zase znamená, že motor může běžet bez plynu a využívat principu dieselových motorů. Je třeba také zmínit, že vodík je nezpochybnitelným lídrem ve srovnání vodíku a benzínu jako hromadného zdroje energie - kilogram vodíku má téměř třikrát více energie na kilogram benzínu.

Stejně jako u benzínových motorů lze zkapalněný vodík vstřikovat přímo před ventily v potrubí, ale nejlepším řešením je vstřikování přímo během kompresního zdvihu – v tomto případě může výkon převýšit výkon srovnatelného benzínového motoru o 25 %. Palivo (vodík) totiž nevytlačuje vzduch jako u benzinového nebo naftového motoru a umožňuje naplnění spalovací komory pouze (výrazně více než obvykle) vzduchem. Kromě toho, na rozdíl od benzínových motorů, vodík nepotřebuje strukturální víření, protože vodík bez tohoto opatření docela dobře difunduje vzduchem. Vzhledem k různým rychlostem hoření v různých částech válce je lepší instalovat dvě zapalovací svíčky a u vodíkových motorů není použití platinových elektrod vhodné, protože platina se stává katalyzátorem, který vede k oxidaci paliva i při nízkých teplotách .

Možnost Mazda

Svou verzi vodíkového motoru v podobě rotačního bloku ve sporťáku RX-8 předvádí i japonská společnost Mazda. To není překvapivé, protože konstrukční vlastnosti Wankelova motoru jsou mimořádně vhodné pro použití vodíku jako paliva.
Plyn je skladován pod vysokým tlakem ve speciální nádrži a palivo je vstřikováno přímo do spalovacích komor. Vzhledem k tomu, že v případě rotačních motorů jsou zóny, ve kterých dochází ke vstřikování a spalování, oddělené a teplota v sací části nižší, je problém s možností nekontrolovaného zapalování významně snížen. Wankelův motor také nabízí dostatek prostoru pro dva vstřikovače, což je zásadní pro vstřikování optimálního množství vodíku.

H2R

H2R je funkční prototyp supersportu postavený inženýry BMW a poháněný 12válcovým motorem, který dosahuje maximálního výkonu 285 koní. při práci s vodíkem. Díky nim experimentální model zrychlí z 0 na 100 km/h za šest sekund a dosáhne maximální rychlosti 300 km/h. Motor H2R vychází ze standardního vrcholu používaného u benzínu 760i a jeho vývoj trval pouhých deset měsíců .

Aby se zabránilo samovznícení, vyvinuli bavorští specialisté speciální strategii pro cykly proudění a vstřikování do spalovacího prostoru, využívající možnosti, které poskytuje systém variabilního časování ventilů motoru. Před vstupem směsi do válců jsou tyto chlazeny vzduchem a zapalování se provádí pouze v horní úvrati - kvůli vysoké rychlosti spalování vodíkového paliva není vyžadován předstih zážehu.