BMW lan hidrogen: mesin pembakaran internal

Proyek perusahaan diwiwiti 40 taun kepungkur kanthi versi hidrogen saka 5 seri

BMW wis suwe percaya karo mobilitas listrik. Saiki, Tesla bisa dianggep minangka pathokan ing wilayah iki, nanging sepuluh taun kepungkur, nalika perusahaan Amerika nduduhake konsep platform aluminium sing disesuaikan, sing banjur diwujudake ing bentuk Tesla Model S, BMW aktif nggarap Megacity. Proyek kendaraan. 2013 dipasarake minangka BMW i3. Mobil Jerman avant-garde ora mung nggunakake struktur dhukungan aluminium kanthi baterei terpadu, nanging uga awak digawe saka polimer sing dikuatake karbon. Nanging, apa Tesla ora bisa dipungkiri luwih dhisik tinimbang para pesaing yaiku metodologi sing luar biasa, utamane babagan skala ngembangake baterei kanggo kendaraan listrik - saka hubungan karo produsen sel lithium-ion nganti mbangun pabrik baterei sing gedhe, kalebu sing duwe aplikasi non-listrik. mobilitas.

Nanging ayo bali menyang BMW amarga, ora kaya Tesla lan akeh saingan, perusahaan Jerman isih percaya karo mobilitas hidrogen. Bubar iki, tim sing dipimpin Wakil Presiden Hidrogen Sel Bahan Bakar, Dr. Jürgen Gouldner, mbukak sel bahan bakar I-Hydrogen Next, genset sing digerakake dhewe sing didhukung dening reaksi kimia suhu rendah. Wayahe iki minangka ulang tahun kaping 10 peluncuran pengembangan kendaraan sel bahan bakar BMW lan ulang tahun kaping 7 kolaborasi karo Toyota babagan sel bahan bakar. Nanging, katergantungan BMW ing hidrogen wiwit 40 taun kepungkur lan dadi "suhu panas".

Iki luwih saka seprapat abad pangembangan perusahaan, ing ngendi hidrogen digunakake minangka bahan bakar kanggo mesin pembakaran internal. Kanggo akeh wektu kasebut, perusahaan percaya yen mesin pembakaran internal sing nganggo hidrogen luwih cedhak karo konsumen tinimbang sel bahan bakar. Kanthi efisiensi kira-kira 60% lan kombinasi motor listrik kanthi efisiensi luwih saka 90%, mesin sel bahan bakar luwih efisien tinimbang mesin pembakaran internal sing nganggo hidrogen. Kaya sing bakal kita deleng ing baris ing ngisor iki, kanthi injeksi langsung lan turbocharging, mesin sing dikurangi saiki bakal cocog banget kanggo ngirim hidrogen - yen ana sistem kontrol injeksi lan pembakaran sing tepat. Nanging nalika mesin pembakaran internal hidrogen biasane luwih murah tinimbang sel bahan bakar sing digabungake karo baterei lithium-ion, nanging ora ana maneh ing agenda. Kajaba iku, masalah mobilitas hidrogen ing loro kasus kasebut ngluwihi ruang lingkup sistem propulsi.

Nanging kenapa hidrogen?

Hidrogen minangka elemen penting ing upaya manungsa kanggo nggunakake sumber energi alternatif sing luwih akeh, kayata jembatan kanggo nyimpen energi saka srengenge, angin, banyu lan biomassa kanthi ngowahi dadi energi kimia. Ing istilah sing gampang, iki tegese listrik sing diasilake saka sumber alam kasebut ora bisa disimpen kanthi volume akeh, nanging bisa digunakake kanggo ngasilake hidrogen kanthi bosok banyu dadi oksigen lan hidrogen.

Mesthine, hidrogen uga bisa diekstrak saka sumber hidrokarbon sing ora bisa dianyari, nanging iki wis suwe ora bisa ditampa nalika digunakake minangka sumber energi. Kasunyatan sing ora bisa dipungkiri manawa masalah teknologi produksi, panyimpenan lan transportasi hidrogen bisa larut - ing praktik, sanajan saiki, akeh gas iki diprodhuksi lan digunakake minangka bahan mentah ing industri kimia lan petrokimia. Nanging, ing kasus kasebut, biaya hidrogen sing dhuwur ora nyebabake pati, amarga "lebur" kanthi biaya dhuwur saka produk sing ana.

Nanging, masalah nggunakake gas entheng minangka sumber energi lan ing jumlah gedhe rada rumit. Para ilmuwan wis suwe goyang-goyang kanggo nggoleki alternatif strategis kanggo bahan bakar minyak, lan paningkatan mobilitas listrik lan hidrogen bisa uga ana ing simbiosis sing cedhak. Ing jantung kabeh iki kasunyatan prasaja nanging penting banget - extraction lan nggunakake hidrogen revolves watara siklus alam nggabungke lan decomposing banyu ... Yen manungsa nambah lan ngembangaken cara produksi nggunakake sumber alam kayata solar energi, angin lan banyu, hidrogen bisa diprodhuksi lan digunakake ing jumlah tanpa wates tanpa ngetokake emisi sing mbebayani.
produksi

Luwih saka 70 yuta ton hidrogen murni saiki diproduksi ing jagad iki. Bahan baku utama kanggo produksi yaiku gas alam, sing diolah ing proses sing dikenal kanthi "reformasi" (setengah saka total). Jumlah hidrogen sing luwih sithik diprodhuksi dening proses liyane, kayata elektrolisis senyawa klorin, oksidasi parsial minyak berat, gasifikasi batubara, pirolisis batubara kanggo ngasilake coke, lan reformasi bensin. Udakara setengah saka produksi hidrogen ing donya digunakake kanggo sintesis amonia (sing digunakake minangka bahan baku ing produksi pupuk), kanggo nyaring minyak lan ing sintesis metanol.

Skema produksi iki mbebani lingkungan kanthi derajat sing beda-beda lan, sayangé, ora ana sing menehi alternatif sing migunani kanggo status energi saiki - pisanan amarga nggunakake sumber sing ora bisa dianyari, lan nomer loro amarga produksi ngetokake zat sing ora dikarepake kayata karbon dioksida. Cara sing paling njanjeni kanggo produksi hidrogen ing mangsa ngarep yaiku dekomposisi banyu kanthi bantuan listrik, sing dikenal ing sekolah dasar. Nanging, nutup siklus energi resik saiki mung bisa nggunakake energi alam lan utamané solar lan angin kanggo generate listrik sing dibutuhake kanggo decompose banyu. Miturut Dr. Gouldner, teknologi modern "nyambung" menyang sistem angin lan tata surya, kalebu stasiun hidrogen cilik, ing ngendi sing terakhir diprodhuksi ing situs, minangka langkah anyar sing gedhe ing arah iki.
Lokasi panyimpenan

Hidrogen bisa disimpen kanthi jumlah gedhe ing fase gas lan cair. Wadhuk sing paling gedhe kaya ngono, ing endi hidrogen tetep tekanan sing murah, diarani "meteran gas". Tangki medium lan cilik diadaptasi kanggo nyimpen hidrogen kanthi tekanan 30 bar, dene tank khusus paling cilik (piranti larang digawe saka bahan komposit serat karbon utawa khusus) njaga tekanan 400 bar.
Hidrogen uga bisa disimpen ing fase cair ing -253 ° C saben volume unit sing ngemot 1,78 kaping luwih energi tinimbang nalika disimpen ing 700 bar - kanggo entuk jumlah energi sing padha karo hidrogen cair saben volume unit, gas kasebut kudu dikompres nganti 1250 bar. Amarga efisiensi energi hidrogen dingin sing luwih dhuwur, BMW kerja sama karo grup pendingin Jerman Linde kanggo sistem pertama, sing wis ngembangake piranti cryogenic paling canggih kanggo ngencerake lan nyimpen hidrogen. Para ilmuwan uga nawakake alternatif liyane, nanging kurang ditrapake saiki, kanggo nyimpen hidrogen - contone, panyimpenan ing tekanan ing glepung logam khusus, ing bentuk hidrida logam, lan liya-liyane.

Jaringan transmisi hidrogen wis ana ing wilayah sing konsentrasi akeh tanduran kimia lan kilang minyak. Umumé, teknik kasebut padha karo transmisi gas alam, nanging panggunaan sing terakhir kanggo kabutuhan hidrogen ora mesthi bisa ditindakake. Nanging, sanajan ing abad kepungkur, akeh omah ing kutha-kutha Eropa dinyalakan karo gas ringan pipa, sing isine nganti 50% hidrogen lan digunakake minangka bahan bakar kanggo mesin pembakaran internal stasioner pertama. Tingkat teknologi saiki wis ngidini transportasi transcontinental hidrogen cair liwat tanker cryogenogenik sing ana, padha karo sing digunakake kanggo gas alam.

BMW lan mesin pembakaran internal

“Banyu. Siji-sijine produk pungkasan saka mesin BMW sing resik sing nggunakake hidrogen cair tinimbang bahan bakar minyak bumi lan ngidini saben wong bisa nikmati teknologi anyar kanthi ati nurani sing resik.

Tembung-tembung kasebut minangka kutipan saka kampanye pariwara kanggo perusahaan Jerman ing wiwitan abad kaping 745. Sampeyan kudu promosi versi hidrogen XNUMX jam sing mandhuwur ing unggulan pabrik otomotif Bavaria. Eksotis, amarga, miturut BMW, transisi menyang alternatif bahan bakar hidrokarbon sing dipangan industri otomotif wiwit wiwitan mula bakal mbutuhake pangowahan ing kabeh prasarana industri. Nalika semana, wong-wong Bavaria nemokake dalan pangembangan sing janjeni ora ing sel bahan bakar sing diiklanake kanthi akeh, nanging ing transfer mesin pembakaran internal supaya bisa digunakake karo hidrogen. BMW yakin retrofit sing ditrapake minangka masalah sing bisa ditanggulangi lan wis nggawe kemajuan sing penting tumrap tantangan utama kanggo njamin kinerja mesin sing dipercaya lan ngilangi kecenderungan pembakaran sing nggunakake hidrogen murni. Sukses ing arah iki amarga kompetensi ing bidang kontrol elektronik pangolahan mesin lan kemampuan nggunakake sistem paten BMW paten kanggo distribusi gas fleksibel Valvetronic lan Vanos, yen ora bisa njamin operasi normal "mesin hidrogen".

Nanging, langkah pisanan ing arah iki tanggal bali menyang 1820, nalika desainer William Cecil nggawe mesin hidrogen-bahan bakar operasi ing apa sing disebut "prinsip vakum" - rencana temen beda saka sing mengko nemokke karo mesin internal. kobong. Ing pangembangan mesin pembakaran internal pisanane 60 taun sabanjure, pionir Otto nggunakake gas sintetik sing wis kasebut lan asale saka batu bara kanthi kandungan hidrogen udakara 50%. Nanging, kanthi panemuan karburator, panggunaan bensin dadi luwih praktis lan luwih aman, lan bahan bakar cair wis ngganti kabeh alternatif liyane sing wis ana nganti saiki. Sifat-sifat hidrogen minangka bahan bakar ditemokake pirang-pirang taun sabanjure dening industri antariksa, sing kanthi cepet nemokake yen hidrogen nduweni rasio energi/massa sing paling apik tinimbang bahan bakar sing dikenal manungsa.

Ing wulan Juli 1998, Asosiasi Industri Otomotif Eropa (ACEA) berkomitmen nyuda emisi CO2 kanggo kendaraan sing nembe didaftar ing Uni kanthi rata-rata 140 gram per kilometer ing taun 2008. Ing prakteke, iki tegese pangurang 25% emisi dibandhingake taun 1995 lan padha karo konsumsi bahan bakar rata-rata ing armada anyar udakara 6,0 l / 100 km. Iki ndadekake tugas perusahaan mobil angel banget lan, miturut ahli BMW, bisa ditanggulangi kanthi nggunakake bahan bakar karbon rendah utawa kanthi ngilangi karbon saka komposisi bahan bakar. Miturut teori iki, hidrogen muncul ing kabeh kamulyan ing adegan otomotif.
Perusahaan Bavaria dadi pabrikan mobil pertama sing miwiti produksi akeh kendaraan bertenaga hidrogen. Klaim optimis lan percaya diri saka Direksi BMW Burkhard Göschel, anggota dewan BMW sing tanggung jawab kanggo pangembangan anyar, manawa "perusahaan bakal adol mobil hidrogen sadurunge 7 Seri kadaluarso," kayektenan. Kanthi Hidrogen 7, versi seri kaping pitu diluncurake ing taun 2006 lan duwe mesin 12-silinder 260 hp. pesen iki dadi kasunyatan.

Tujuane kayane cukup ambisius, nanging ana sebab sing apik. BMW wis nyoba karo mesin pembakaran hidrogen wiwit taun 1978, kanthi seri 5 (E12), versi E1984 jam 745 23 dilebokake ing taun 11, lan tanggal 2000 Mei 15, nuduhake kapabilitas unik saka alternatif iki. Armada sing nyengsemake 750 hp. E 38 "seminggu" kanthi mesin bertenaga hidrogen 12 silinder nglakokake maraton 170 km, nyoroti sukses perusahaan lan janjine teknologi anyar. Ing taun 000 lan 2001, sawetara kendaraan kasebut terus melu macem-macem demonstrasi kanggo promosi ide hidrogen. Banjur teka pangembangan anyar adhedhasar 2002 Series sabanjure, nggunakake mesin V-7 modern 4,4 lan kecepatan paling dhuwur 212 km / jam, diikuti karo pangembangan paling anyar kanthi mesin 12-silinder V-XNUMX.

Miturut pendapat resmi perusahaan, alasan kenapa BMW milih teknologi iki tinimbang sel bahan bakar yaiku komersial lan psikologis. Kaping pisanan, metode iki mbutuhake investasi sing kurang sithik yen ana prekara infrastruktur sing owah. Kapindho, amarga wong wis biasa karo mesin pembakaran internal lawas sing apik, dheweke seneng banget lan angel banget bisa dipisahake. Lan kaping telune, amarga ing wektu sing padha, teknologi iki berkembang luwih cepet tinimbang teknologi sel bahan bakar.

Ing mobil BMW, hidrogen disimpen ing wadhah kriogenik sing over-insulated, kaya botol termos teknologi dhuwur sing dikembangake dening grup kulkas Jerman Linde. Ing suhu panyimpenan sing kurang, bahan bakar ana ing fase cair lan mlebu mesin minangka bahan bakar normal.

Perancang perusahaan Munich nggunakake injeksi bahan bakar ing intake manifold, lan kualitas campuran gumantung ing mode operasi engine. Ing mode mbukak sebagean, engine mlaku ing campuran mimpin padha diesel - mung jumlah bahan bakar nyuntikaken diganti. Iki minangka "kontrol kualitas" campuran, ing endi mesin mlaku kanthi hawa sing berlebihan, nanging amarga beban sing kurang, pambentukan emisi nitrogen diminimalisir. Nalika ana perlu kanggo daya pinunjul, engine wiwit bisa digunakake kaya mesin bensin, obah kanggo dadi-disebut "regulasi kuantitatif" saka dicampur lan kanggo campuran normal (ora mimpin). Owah-owahan kasebut bisa uga, ing tangan siji, amarga kacepetan kontrol proses elektronik ing mesin, lan ing tangan liyane, amarga operasi fleksibel sistem kontrol distribusi gas - "dobel" Vanos, makarya bebarengan. karo sistem kontrol intake Valvetronic tanpa throttle. Sampeyan kudu eling yen, miturut insinyur BMW, rencana kerja pembangunan iki mung minangka tahap penengah ing pangembangan teknologi lan ing mangsa ngarep mesin kudu pindhah menyang injeksi hidrogen langsung menyang silinder lan turbocharger. Dikarepake yen aplikasi metode kasebut bakal ningkatake kinerja dinamis mobil dibandhingake karo mesin bensin sing padha lan nambah efisiensi sakabèhé mesin pembakaran internal luwih saka 50%.

Kasunyatan pangembangan sing menarik yaiku kanthi perkembangan paling anyar ing mesin pembakaran internal "hidrogen", para perancang ing Munich mlebu ing bidang sel bahan bakar. Dheweke nggunakake piranti kasebut kanggo nguwasani jaringan listrik ing papan ing mobil, ngilangi baterei konvensional. Thanks kanggo langkah iki, sampeyan bisa ngirit bahan bakar tambahan, amarga mesin hidrogen ora kudu nyopir alternator, lan sistem listrik onboard dadi otonom lan bebas saka jalur drive - bisa ngasilake listrik sanajan mesin ora mlaku. lan energi produksi lan konsumsi bisa dioptimalake kanthi lengkap. Kasunyatan manawa akeh listrik sing dibutuhake kanggo nguwasani pompa banyu, pompa minyak, booster rem lan sistem kabel saiki bisa diasilake uga bisa dadi tabungan luwih akeh. Nanging, ing podo karo karo kabeh inovasi iki, sistem injeksi bahan bakar (bensin) wis meh ora ngalami owah-owahan desain larang regane.

Kanggo promosi teknologi hidrogen ing wulan Juni 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN nggawe program kemitraan CleanEnergy, sing miwiti kegiyatan karo pangembangan stasiun pengisian LPG. lan hidrogen kompresi. Ing bagean kasebut, bagean hidrogen diproduksi ing situs kanthi nggunakake listrik tenaga surya, lan banjur dikompres, lan jumlah cair liat saka stasiun produksi khusus, lan kabeh uap saka fase cair kanthi otomatis ditransfer menyang wadhah gas.
BMW wis miwiti sawetara proyek gabungan liyane, kalebu karo perusahaan minyak, ing antarane para peserta sing paling aktif yaiku Aral, BP, Shell, Total.
Nanging, kenapa BMW ninggali solusi teknologi kasebut lan isih fokus ing sel bahan bakar, bakal dakcritakake ing artikel liyane ing seri iki.

Hidrogen ing mesin pembakaran internal

Iku menarik kanggo dicathet menawa amarga sifat fisik lan kimia hidrogen, luwih gampang kobong tinimbang bensin. Ing laku, iki tegese kurang energi awal dibutuhake kanggo miwiti proses pangobongan ing hidrogen. Ing tangan liyane, mesin hidrogen bisa gampang nggunakake banget "ala" campuran - soko sing mesin bensin modern entuk liwat teknologi Komplek lan larang.

Panas ing antarane partikel campuran hidrogen-udhara kurang disipasi, lan ing wektu sing padha, suhu nyala otomatis luwih dhuwur, kayadene tingkat proses pembakaran dibandhingake bensin. Hidrogen nduweni Kapadhetan kurang lan diffusivity kuwat (kamungkinan partikel ngetik gas liyane - ing kasus iki, online).

Iki minangka energi aktivasi sithik sing dibutuhake kanggo pengapian diri minangka salah sawijining tantangan paling gedhe kanggo ngontrol pembakaran ing mesin hidrogen, amarga campuran kasebut bisa kanthi gampang spontan amarga ana kontak karo area sing luwih panas ing ruangan pembakaran lan resistensi sawise proses sing ora dikontrol kabeh. Nyingkiri risiko iki minangka salah sawijining tantangan paling gedhe ing desain mesin hidrogen, nanging ora gampang ngilangi konsekuensi kasunyatan manawa campuran pembakaran sing kasebar banget cedhak karo tembok silinder lan bisa nembus kesenjangan sing sempit banget. contone, ing katup katutup ... Kabeh iki kudu dipikirake nalika ngrancang motor kasebut.

Suhu otomatisasi dhuwur lan nomer oktan dhuwur (udakara 130) ngidini paningkatan rasio kompresi mesin lan, mula efisiensi, nanging ana maneh bahaya autoignition hidrogen nalika kontak karo bagean sing luwih panas. ing silinder. Kauntungan saka kapasitas penyebaran hidrogen sing dhuwur yaiku kemungkinan gampang nyampur karo udara, sing yen ana kerusakan tangki njamin dispersi bahan bakar sing cepet lan aman.

Campuran udara-hidrogen sing cocog kanggo pembakaran nduweni rasio kira-kira 34:1 (kanggo bensin rasio iki yaiku 14,7:1). Iki tegese nalika nggabungake massa hidrogen lan bensin sing padha ing kasus sing sepisanan, luwih saka kaping pindho luwih akeh hawa sing dibutuhake. Ing wektu sing padha, campuran hidrogen-hawa njupuk luwih akeh papan, sing nerangake sebabe mesin hidrogen duwe daya kurang. A ilustrasi murni digital rasio lan volume cukup fasih - Kapadhetan hidrogen siap kanggo pembakaran 56 kaping kurang saka Kapadhetan uap bensin ... Nanging, iku kudu nyatet sing, ing umum, mesin hidrogen bisa operate ing campuran online. . hidrogen ing rasio nganti 180:1 (i.e. karo banget "ala" campuran), kang siji tegese engine bisa mlaku tanpa throttle lan nggunakake prinsip mesin diesel. Sampeyan uga kudu disebutake yen hidrogen minangka pamimpin sing ora bisa dibantah ing perbandingan antara hidrogen lan bensin minangka sumber energi massa - kilogram hidrogen wis meh kaping telu luwih energi saben kilogram bensin.

Kaya mesin bensin, hidrogen cair bisa disuntikake langsung ing ngarep katup ing manifolds, nanging solusi sing paling apik yaiku injeksi langsung sajrone stroke kompresi - ing kasus iki, daya bisa ngluwihi mesin bensin sing padha karo 25%. Iki amarga bahan bakar (hidrogen) ora ngganti hawa kaya mesin bensin utawa diesel, saéngga ruang bakar mung diisi hawa (luwih akeh tinimbang biasane). Kajaba iku, ora kaya mesin bensin, hidrogen ora mbutuhake swirling struktural, amarga hidrogen tanpa ukuran iki nyebar kanthi apik karo hawa. Amarga tingkat kobong sing beda ing macem-macem bagian silinder, luwih becik nginstal rong busi, lan ing mesin hidrogen, panggunaan elektroda platinum ora cocog, amarga platinum dadi katalis sing ndadékaké oksidasi bahan bakar sanajan ing suhu sing kurang. .

Pilihan Mazda

Perusahaan Jepang Mazda uga nuduhake versi mesin hidrogen, ing wangun blok rotary ing mobil sport RX-8. Iki ora ngagetne, amarga fitur desain saka engine Wankel banget cocok kanggo nggunakake hidrogen minangka bahan bakar.
Gas disimpen ing tekanan dhuwur ing tank khusus lan bahan bakar disuntikake langsung menyang kamar pembakaran. Amarga kasunyatan manawa ing mesin mesin puteran, zona ing endi injeksi lan pembakaran kapisah, lan suhu ing bagean asupan luwih murah, mula ana kemungkinan kemungkinan pengapian sing ora bisa dikendhaleni suda banget. Mesin Wankel uga nawakake akeh ruangan kanggo rong suntik, sing penting nyuntikake hidrogen sing optimal.

H2R

H2R minangka prototipe supersport sing digunakake dening insinyur BMW lan didhukung dening mesin 12 silinder sing bisa ngasilake maksimal 285 hp. nalika nggarap hidrogen. Thanks kanggo wong-wong mau, model eksperimen akselerasi saka 0 nganti 100 km / jam sajrone nem detik lan tekan kecepatan paling dhuwur 300 km / jam. Mesin H2R adhedhasar standar ndhuwur sing digunakake ing bensin 760i lan mung butuh sepuluh sasi kanggo ngembangake. .

Kanggo nyegah pembakaran spontan, spesialis Bavarian wis ngembangake strategi khusus kanggo siklus aliran lan injeksi menyang kamar pembakaran, nggunakake kemungkinan sing diwenehake dening sistem wektu katup variabel mesin. Sadurunge dicampur menyang silinder, sing terakhir digawe adhem dening udhara, lan kontak digawa metu mung ing ndhuwur mati tengah - amarga tingkat pangobongan dhuwur karo bahan bakar hidrogen, ignition advance ora dibutuhake.