Testa brauciens BMW un ūdeņradis: otrā daļa

"Ūdens. Vienīgais BMW tīro dzinēju galaprodukts ir šķidrā ūdeņraža izmantošana naftas degvielas vietā un ļauj ikvienam ar tīru sirdsapziņu baudīt jaunas tehnoloģijas.

BMW veids

Šie vārdi ir citāts no Vācijas uzņēmuma reklāmas kampaņas pirms vairākiem gadiem. Ilgu laiku neviens neapšaubīja faktu, ka bavārieši ļoti labi zina, ko viņi dara attiecībā uz motortehnoloģiju, un ir vieni no neapšaubāmiem pasaules līderiem šajā jomā. Tāpat nebūtu jādomā, ka uzņēmums, kas pēdējos gados ir uzrādījis stabilu pārdošanas apjomu pieaugumu, izmetīs tonnu naudas mazpazīstamām reklāmām par daudzsološām tehnoloģijām ar neskaidru nākotni.

Taču tajā pašā laikā citētie vārdi ir daļa no kampaņas, kuras mērķis ir popularizēt diezgan eksotisku Bavārijas autoražotāja flagmaņa 745 stundu ūdeņraža versiju. Eksotiski, jo, pēc BMW domām, pārejai uz ogļūdeņražu degvielu alternatīvām, ko autorūpniecība baro jau no paša sākuma, būs jāmaina visa ražošanas infrastruktūra. Pēdējais ir nepieciešams, jo bavārieši perspektīvu attīstības ceļu saskata nevis plaši reklamētajās degvielas šūnās, bet gan iekšdedzes dzinēju pārveidē, lai tie darbotos ar ūdeņradi. BMW uzskata, ka jauninājums ir atrisināma problēma, un tas jau ir panācis ievērojamu progresu, risinot galveno problēmu, lai panāktu uzticamu dzinēja veiktspēju un novērstu tā tieksmi uz nekontrolētiem sadegšanas procesiem, izmantojot tīru ūdeņradi. Panākumus šajā virzienā nodrošina kompetence dzinēju procesu elektroniskās vadības jomā un iespēja izmantot BMW patentētās elastīgās gāzes sadales sistēmas Valvetronic un Vanos, bez kurām nebūtu iespējams nodrošināt normālu "ūdeņraža dzinēju" darbību. . Tomēr pirmie soļi šajā virzienā ir datēti ar 1820. gadu, kad dizainers Viljams Sesils izveidoja ar ūdeņradi darbināmu dzinēju, kas darbojas pēc tā sauktā "vakuuma principa" - shēma, kas ļoti atšķiras no vēlāk izgudrotā dzinēja ar iekšējo dzinēju. . degšana. Savā pirmajā iekšdedzes dzinēju izstrādē 60 gadus vēlāk pionieris Otto izmantoja jau minēto un no oglēm iegūto sintētisko gāzi ar ūdeņraža saturu aptuveni 50%. Taču līdz ar karburatora izgudrojumu benzīna izmantošana ir kļuvusi daudz praktiskāka un drošāka, un šķidrā degviela ir aizstājusi visas pārējās līdz šim pastāvošās alternatīvas. Ūdeņraža kā degvielas īpašības daudzus gadus vēlāk atklāja kosmosa industrija, kas ātri atklāja, ka ūdeņradim ir vislabākā enerģijas/masas attiecība no jebkuras cilvēcei zināmās degvielas.

1998. gada jūlijā Eiropas Automobiļu rūpniecības asociācija (ACEA) apņēmās Eiropas Savienībai samazināt CO2008 emisijas no nesen reģistrētiem transportlīdzekļiem Savienībā par vidēji par 2 gramiem uz kilometru par 140. Praksē tas nozīmēja emisiju samazinājumu par 25% salīdzinājumā ar 1995. gadu, un jaunās flotes vidējais degvielas patēriņš bija aptuveni 6,0 l / 100 km. Tuvākajā nākotnē sagaidāms, ka līdz 14. gadam papildu pasākumi oglekļa dioksīda emisijas samazinās par 2012%. Tas padara automobiļu uzņēmumu uzdevumu ārkārtīgi sarežģītu, un, pēc BMW ekspertu domām, to var atrisināt, vai nu izmantojot mazoglekļa degvielu, vai arī pilnībā izslēdzot oglekli no degvielas sastāva. Saskaņā ar šo teoriju ūdeņradis visā tās krāšņumā atkal parādās automobiļu arēnā.

Bavārijas uzņēmums kļuva par pirmo automašīnu ražotāju, kas sērijveidā ražoja ar ūdeņradi darbināmus transportlīdzekļus. Par jaunajiem notikumiem atbildīgā BMW valdes locekļa profesora Burkharda Gešela optimistiskie un pārliecinātie apgalvojumi, ka "uzņēmums pārdos ūdeņraža automobiļus pirms pašreizējās 7. sērijas termiņa beigām", ir piepildījušies. Ar jaunāko versiju Hydrogen 7, septīto sēriju, kas tika ieviesta 2006. gadā, ar 12 ZS 260 cilindru motoru. šī ziņa jau ir kļuvusi par realitāti. Šis nodoms šķita diezgan vērienīgs, taču ne bez pamata. Kopš 1978. gada BMW eksperimentē ar iekšdedzes motoriem, kas darbojas ar ūdeņradi, un 11. gada 2000. maijā unikāli demonstrēja šīs alternatīvas iespējas. Iespaidīgais 15 750 hl transportlīdzekļu parks no iepriekšējās nedēļas paaudzes, ko darbināja divpadsmit cilindru ūdeņraža dzinēji, veica 170 000 km maratonu, uzsverot uzņēmuma panākumus un jauno tehnoloģiju solījumus. 2001. un 2002. gadā daži no šiem transportlīdzekļiem turpināja piedalīties dažādās demonstrācijās, atbalstot ūdeņraža ideju. Tad pienāca laiks jaunai attīstībai, kuras pamatā ir nākamā 7. sērija, izmantojot modernu 4,4 litru V-212 un maksimālo ātrumu 12 km / h, kam seko jaunākā attīstība ar XNUMX cilindru V-XNUMX. Saskaņā ar uzņēmuma oficiālo atzinumu iemesli, kāpēc BMW izvēlējās šo tehnoloģiju, nevis degvielas šūnas, ir gan komerciāli, gan psiholoģiski. Pirmkārt, šī metode prasīs ievērojami mazāk ieguldījumu, ja mainīsies ražošanas infrastruktūra. Otrkārt, tāpēc, ka cilvēki ir pieraduši pie vecā labā iekšdedzes dzinēja, viņiem tas patīk, un no tā būs grūti šķirties. Un, treškārt, tikmēr izrādījās, ka šī tehnoloģija attīstās ātrāk nekā kurināmā elementu tehnoloģija.

BMW automašīnās ūdeņradis tiek uzglabāts īpaši izolētā kriogēnajā traukā, līdzīgi kā Vācijas saldēšanas koncerna Linde izstrādātā augsto tehnoloģiju termosa pudelē. Zemā uzglabāšanas temperatūrā degviela atrodas šķidrā fāzē un ieplūst dzinējā kā parasta degviela.

Šajā posmā Minhenes uzņēmuma dizaineri koncentrējās uz netiešu degvielas iesmidzināšanu, un maisījuma kvalitāte ir atkarīga no motora darbības režīma. Daļējas slodzes režīmā dzinējs darbojas ar liesiem maisījumiem līdzīgi kā dīzeļdegvielai – izmaiņas tiek veiktas tikai iesmidzinātās degvielas daudzumā. Šī ir tā saucamā maisījuma "kvalitātes kontrole", kurā motors darbojas ar lieko gaisu, bet zemās slodzes dēļ slāpekļa izmešu veidošanās tiek samazināta līdz minimumam. Kad ir nepieciešama ievērojama jauda, ​​dzinējs sāk darboties kā benzīna dzinējs, pārejot uz tā saukto maisījuma un parasto (nevis lieso) maisījumu "kvantitatīvo kontroli". Šīs izmaiņas ir iespējamas, no vienas puses, pateicoties dzinēja procesu elektroniskās vadības ātrumam un, no otras puses, pateicoties elastīgai gāzes sadales vadības sistēmu darbībai - “dubultajai” Vanos, kas darbojas kopā ar Valvetronic ieplūdes kontroles sistēma bez droseles. Jāpatur prātā, ka, pēc BMW inženieru domām, šīs attīstības darba shēma ir tikai starpposms tehnoloģiju attīstībā un ka nākotnē dzinēji pāriet uz tiešu ūdeņraža iesmidzināšanu cilindros un turbokompresoru. Paredzams, ka šīs metodes radīs labāku transportlīdzekļa dinamiku nekā salīdzināms benzīna dzinējs un iekšdedzes dzinēja kopējā efektivitāte palielināsies par vairāk nekā 50%. Šeit mēs apzināti atturējāmies pieskarties tēmai "degvielas elementi", jo nesen šis jautājums tika diezgan aktīvi izmantots. Tomēr tajā pašā laikā tie ir jāpiemin BMW ūdeņraža tehnoloģijas kontekstā, jo Minhenes dizaineri nolēma izmantot tieši šādas ierīces, lai darbinātu automašīnu borta elektrisko sistēmu, pilnībā izslēdzot parasto akumulatora enerģiju. Šis gājiens ļauj papildus ietaupīt degvielu, jo ūdeņraža dzinējam nav jābrauc ar ģeneratoru, un borta elektrosistēma kļūst pilnīgi autonoma un neatkarīga no piedziņas ceļa – tā var ražot elektroenerģiju pat tad, kad dzinējs nedarbojas, kā arī ražot un patērēt enerģiju ļauj pilnībā optimizēt. Tas, ka ūdens sūkņa, eļļas sūkņu, bremžu pastiprinātāja un vadu sistēmu darbināšanai tagad var ražot tikai tik daudz elektroenerģijas, cik nepieciešams. Tomēr paralēli visiem šiem jauninājumiem degvielas iesmidzināšanas sistēma (benzīns) praktiski nav piedzīvojusi dārgas konstrukcijas izmaiņas. Lai veicinātu ūdeņraža tehnoloģijas 2002. gada jūnijā, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN izveidoja CleanEnergy partnerības programmu, kas sākās ar degvielas uzpildes staciju attīstību ar sašķidrinātu un saspiestu ūdeņradi.

BMW ir iniciators virknei citu kopīgu projektu, tostarp ar naftas kompānijām, kuru vidū aktīvākie dalībnieki ir Aral, BP, Shell, Total. Interese par šo perspektīvo jomu pieaug eksponenciāli - nākamajos desmit gados ES vien sniegs tiešas finanšu iemaksas fondos ūdeņraža tehnoloģiju izstrādes un ieviešanas finansēšanai 2,8 miljardu eiro apmērā. Privāto uzņēmumu investīciju apjoms "ūdeņraža" attīstībā šajā periodā ir grūti prognozējams, taču skaidrs, ka tas daudzkārt pārsniegs bezpeļņas organizāciju atskaitījumus.

Ūdeņradis iekšdedzes motoros

Interesanti atzīmēt, ka ūdeņraža fizikālo un ķīmisko īpašību dēļ tas ir daudz vieglāk uzliesmojošs nekā benzīns. Praksē tas nozīmē, ka ir nepieciešams daudz mazāk sākotnējās enerģijas, lai uzsāktu sadegšanas procesu ūdeņražā. No otras puses, ļoti liesus maisījumus var viegli izmantot ūdeņraža dzinējos - ko mūsdienu benzīna dzinēji panāk, izmantojot sarežģītas un dārgas tehnoloģijas.

Siltums starp ūdeņraža-gaisa maisījuma daļiņām ir mazāk izkliedēts, un tajā pašā laikā pašaizdegšanās temperatūra un sadegšanas procesu ātrums ir daudz augstāks nekā benzīnam. Ūdeņradim ir zems blīvums un spēcīga difūzija (daļiņām ir iespēja iekļūt citā gāzē - šajā gadījumā gaisā).

Zemā aktivācijas enerģija, kas nepieciešama pašaizdegšanās procesam, ir viens no lielākajiem izaicinājumiem, kontrolējot sadegšanas procesus ūdeņraža dzinējos, jo maisījums var viegli spontāni aizdegties, saskaroties ar karstākām vietām sadegšanas kamerā un pretestību sekot līdzi pilnīgi nekontrolētu procesu ķēdei. Izvairīšanās no šī riska ir viens no lielākajiem izaicinājumiem ūdeņraža dzinēju izstrādē, taču nav viegli novērst sekas, ko rada tas, ka ļoti difūzs degošs maisījums pārvietojas ļoti tuvu cilindra sienām un var iekļūt ārkārtīgi šaurās spraugās. tādi kā slēgti vārsti, piemēram... Tas viss ir jāņem vērā, projektējot šos motorus.

Augsta pašaizdegšanās temperatūra un augsts oktāna skaitlis (apmēram 130) ļauj palielināt motora saspiešanas pakāpi un līdz ar to arī efektivitāti, taču atkal pastāv ūdeņraža pašaizdegšanās risks, saskaroties ar karstāko daļu. cilindrā. Ūdeņraža augstās difūzijas spējas priekšrocība ir iespēja viegli sajaukt ar gaisu, kas tvertnes sadalīšanās gadījumā garantē ātru un drošu degvielas izkliedi.

Ideālajam gaisa un ūdeņraža maisījumam degšanai ir attiecība aptuveni 34:1 (benzīnam šī attiecība ir 14,7:1). Tas nozīmē, ka, apvienojot vienādu ūdeņraža un benzīna masu pirmajā gadījumā, ir nepieciešams vairāk nekā divas reizes vairāk gaisa. Tajā pašā laikā ūdeņraža-gaisa maisījums aizņem ievērojami vairāk vietas, kas izskaidro, kāpēc ar ūdeņradi darbināmiem dzinējiem ir mazāka jauda. Tīri digitāla attiecību un tilpumu ilustrācija ir diezgan daiļrunīga - sadegšanai gatavā ūdeņraža blīvums ir 56 reizes mazāks nekā benzīna tvaikiem .... Taču jāņem vērā, ka principā ūdeņraža dzinēji var darboties arī ar gaisa-ūdeņraža maisījumiem līdz 180:1 (t.i. ļoti "liesiem" maisījumiem), kas savukārt nozīmē, ka dzinēju var darbināt. bez droseļvārsta un izmantot dīzeļdzinēju principu. Tāpat jāatzīmē, ka ūdeņradis ir neapšaubāms līderis ūdeņraža un benzīna kā enerģijas avotu salīdzināšanā pēc masas - kilograms ūdeņraža ir gandrīz trīs reizes energoietilpīgāks nekā kilograms benzīna.

Tāpat kā ar benzīna dzinējiem, sašķidrināto ūdeņradi var iesmidzināt tieši pirms vārstiem kolektoros, bet labākais risinājums ir iesmidzināšana tieši kompresijas gājiena laikā – šajā gadījumā jauda var pārsniegt līdzīga benzīna dzinēja jaudu par 25%. Tas ir tāpēc, ka degviela (ūdeņradis) neizspiež gaisu kā benzīna vai dīzeļdzinējā, ļaujot tikai gaisam (ievērojami vairāk nekā parasti) piepildīt sadegšanas kameru. Turklāt atšķirībā no benzīna dzinējiem ūdeņraža dzinējiem nav nepieciešama strukturāla virpuļošana, jo ūdeņradis pietiekami labi izkliedējas ar gaisu bez šī pasākuma. Tā kā dažādās cilindra daļās ir atšķirīgs degšanas ātrums, labāk ir ievietot divas aizdedzes sveces, un ūdeņraža dzinējos platīna elektrodu izmantošana ir nepraktiska, jo platīns kļūst par katalizatoru, kas noved pie degvielas oksidācijas zemā temperatūrā.

H2R

H2R ir funkcionējošs supersporta prototips, ko uzbūvējuši BMW inženieri, un to darbina divpadsmit cilindru dzinējs, kura maksimālā jauda sasniedz 285 ZS, ja to darbina ar ūdeņradi. Pateicoties tiem, eksperimentālais modelis no 0 līdz 100 km/h paātrinās sešās sekundēs un sasniedz maksimālo ātrumu 300 km/h. H2R dzinēja pamatā ir standarta augstākās klases agregāts, ko izmanto benzīna 760i, un tam vajadzēja tikai desmit. mēneši, lai attīstītos. Lai novērstu spontānu aizdegšanos, Bavārijas speciālisti ir izstrādājuši īpašu plūsmas ciklu un iesmidzināšanas stratēģiju sadegšanas kamerā, izmantojot dzinēja mainīgo vārstu laika sistēmu sniegtās iespējas. Pirms maisījuma iekļūšanas cilindros pēdējos atdzesē ar gaisu, un aizdedzi veic tikai augšējā nāves punktā - augstā sadegšanas ātruma dēļ ar ūdeņraža degvielu aizdedzes pagriešana nav nepieciešama.

Atzinumi

Pārejas uz tīru ūdeņraža enerģiju finanšu analīze vēl nav pārāk optimistiska. Vieglās gāzes ražošana, uzglabāšana, transportēšana un piegāde joprojām ir diezgan energoietilpīgi procesi, un pašreizējā cilvēka attīstības tehnoloģiskajā posmā šāda shēma nevar būt efektīva. Tomēr tas nenozīmē, ka pētījumi un risinājumu meklēšana netiks turpināti. Priekšlikumi par ūdeņraža iegūšanu no ūdens, izmantojot saules paneļu elektrību, un to uzglabāšana lielās tvertnēs izklausās optimistiski. No otras puses, šobrīd elektrības un ūdeņraža ražošanas process Sahāras tuksnesī, gāzes transportēšana uz Vidusjūru, sašķidrināšana un transportēšana ar kriogēniem tankkuģiem, izkraušana ostās un visbeidzot transportēšana ar kravas automašīnu šobrīd izklausās nedaudz smieklīgi ...

Interesantu ideju nesen prezentēja Norvēģijas naftas kompānija Norsk Hydro, kas ierosināja ūdeņradi no dabasgāzes ražot Ziemeļjūras ražošanas vietās, un atlikušais oglekļa monoksīds tika uzglabāts noplicinātajos laukos zem jūras dibena. Patiesība atrodas kaut kur pa vidu, un tikai laiks rādīs, kur virzīsies ūdeņraža nozares attīstība.

Mazda variants

Japānas kompānija Mazda demonstrē arī savu ūdeņraža dzinēja versiju - rotācijas agregāta sporta auto RX-8 formā. Tas nav pārsteidzoši, jo Wankel dzinēja konstrukcijas īpašības ir ārkārtīgi piemērotas ūdeņraža izmantošanai kā degviela. Gāze tiek uzglabāta zem augsta spiediena speciālā tvertnē, un degviela tiek iesmidzināta tieši sadegšanas kamerās. Sakarā ar to, ka rotācijas dzinēju gadījumā zonas, kurās notiek iesmidzināšana un sadegšana, ir atdalītas, un temperatūra sūkšanas daļā ir zemāka, ievērojami samazinās nekontrolētas aizdegšanās iespējamības problēma. Wankel dzinējs piedāvā arī pietiekami daudz vietas diviem inžektoriem, kas ir ārkārtīgi svarīgi, lai iesmidzinātu optimālu ūdeņraža daudzumu.