BMW και υδρογόνο: ο κινητήρας εσωτερικής καύσης

Τα έργα της εταιρείας ξεκίνησαν πριν από 40 χρόνια με την έκδοση υδρογόνου της σειράς 5

Η BMW πίστευε από καιρό στην ηλεκτρική κινητικότητα. Σήμερα, η Tesla μπορεί να θεωρηθεί το σημείο αναφοράς σε αυτόν τον τομέα, αλλά πριν από δέκα χρόνια, όταν η αμερικανική εταιρεία παρουσίασε την ιδέα μιας προσαρμοσμένης πλατφόρμας αλουμινίου, η οποία στη συνέχεια υλοποιήθηκε με τη μορφή του Tesla Model S, η BMW εργαζόταν ενεργά στο Megacity Έργο οχήματος. Το 2013 κυκλοφορεί ως BMW i3. Το πρωτοποριακό γερμανικό αυτοκίνητο χρησιμοποιεί όχι μόνο μια δομή στήριξης αλουμινίου με ενσωματωμένες μπαταρίες, αλλά και ένα σώμα από πολυμερή ενισχυμένα με άνθρακα. Ωστόσο, αυτό που η Tesla είναι αναμφισβήτητα μπροστά από τους ανταγωνιστές της είναι η εξαιρετική της μεθοδολογία, ειδικά στην κλίμακα ανάπτυξης μπαταριών για ηλεκτρικά οχήματα – από τις σχέσεις με τους κατασκευαστές κυψελών ιόντων λιθίου έως την κατασκευή τεράστιων εργοστασίων μπαταριών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων με μη ηλεκτρικές εφαρμογές. κινητικότητα.

Ας επιστρέψουμε όμως στην BMW γιατί, σε αντίθεση με την Tesla και πολλούς από τους ανταγωνιστές της, η γερμανική εταιρεία εξακολουθεί να πιστεύει στην κινητικότητα του υδρογόνου. Πρόσφατα, μια ομάδα με επικεφαλής τον Αντιπρόεδρο Κυψελών Καυσίμου Υδρογόνου της εταιρείας, Δρ. Jürgen Gouldner, αποκάλυψε την κυψέλη καυσίμου I-Hydrogen Next, μια αυτοκινούμενη γεννήτρια που τροφοδοτείται από μια χημική αντίδραση χαμηλής θερμοκρασίας. Αυτή η στιγμή σηματοδοτεί τη 10η επέτειο από την έναρξη της ανάπτυξης οχημάτων κυψελών καυσίμου της BMW και την 7η επέτειο από τη συνεργασία με την Toyota στον τομέα των κυψελών καυσίμου. Ωστόσο, η εξάρτηση της BMW από το υδρογόνο πηγαίνει 40 χρόνια πίσω και είναι μια πολύ πιο «καυτή θερμοκρασία».

Πρόκειται για πάνω από ένα τέταρτο του αιώνα εξελίξεων από την εταιρεία, στις οποίες το υδρογόνο χρησιμοποιείται ως καύσιμο για κινητήρες εσωτερικής καύσης. Για μεγάλο μέρος αυτής της περιόδου, η εταιρεία πίστευε ότι ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης με υδρογόνο ήταν πιο κοντά στον καταναλωτή παρά μια κυψέλη καυσίμου. Με απόδοση περίπου 60% και συνδυασμό ηλεκτροκινητήρα με απόδοση μεγαλύτερη από 90%, ένας κινητήρας κυψελών καυσίμου είναι πολύ πιο αποδοτικός από έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης που λειτουργεί με υδρογόνο. Όπως θα δούμε στις ακόλουθες γραμμές, με τον άμεσο ψεκασμό και τον υπερσυμπιεστή τους, οι σημερινοί κινητήρες μειωμένου μεγέθους θα είναι εξαιρετικά κατάλληλοι για την παροχή υδρογόνου — υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχουν τα κατάλληλα συστήματα ελέγχου ψεκασμού και καύσης. Όμως, ενώ οι κινητήρες εσωτερικής καύσης που κινούνται με υδρογόνο είναι συνήθως πολύ φθηνότεροι από μια κυψέλη καυσίμου σε συνδυασμό με μια μπαταρία ιόντων λιθίου, δεν βρίσκονται πλέον στην ημερήσια διάταξη. Επιπλέον, τα προβλήματα της κινητικότητας του υδρογόνου και στις δύο περιπτώσεις ξεπερνούν κατά πολύ το πεδίο εφαρμογής του συστήματος πρόωσης.

Και όμως γιατί το υδρογόνο;

Το υδρογόνο είναι ένα ουσιαστικό στοιχείο στην προσπάθεια της ανθρωπότητας να χρησιμοποιεί όλο και περισσότερες εναλλακτικές πηγές ενέργειας, όπως μια γέφυρα για την αποθήκευση ενέργειας από τον ήλιο, τον άνεμο, το νερό και τη βιομάζα, μετατρέποντάς την σε χημική ενέργεια. Με απλά λόγια, αυτό σημαίνει ότι η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από αυτές τις φυσικές πηγές δεν μπορεί να αποθηκευτεί σε μεγάλους όγκους, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου αποσυνθέτοντας νερό σε οξυγόνο και υδρογόνο.

Φυσικά, το υδρογόνο μπορεί επίσης να εξαχθεί από μη ανανεώσιμες πηγές υδρογονανθράκων, αλλά αυτό ήταν από καιρό απαράδεκτο όταν πρόκειται για τη χρήση του ως πηγή ενέργειας. Είναι αναμφισβήτητο γεγονός ότι τα τεχνολογικά προβλήματα παραγωγής, αποθήκευσης και μεταφοράς υδρογόνου είναι επιλύσιμα - στην πράξη, ακόμη και τώρα, τεράστιες ποσότητες αυτού του αερίου παράγονται και χρησιμοποιούνται ως πρώτες ύλες στη χημική και πετροχημική βιομηχανία. Σε αυτές τις περιπτώσεις όμως το υψηλό κόστος του υδρογόνου δεν είναι θανατηφόρο, αφού «λιώνει» στο υψηλό κόστος των προϊόντων στα οποία εμπλέκεται.

Ωστόσο, το πρόβλημα της χρήσης ελαφρού αερίου ως πηγή ενέργειας και σε μεγάλες ποσότητες είναι λίγο πιο περίπλοκο. Οι επιστήμονες κουνούσαν το κεφάλι τους εδώ και πολύ καιρό αναζητώντας μια πιθανή στρατηγική εναλλακτική λύση για το μαζούτ και η αύξηση της ηλεκτρικής κινητικότητας και του υδρογόνου μπορεί να βρίσκεται σε στενή συμβίωση. Στην καρδιά όλων αυτών είναι ένα απλό αλλά πολύ σημαντικό γεγονός – η εξόρυξη και η χρήση του υδρογόνου περιστρέφεται γύρω από τον φυσικό κύκλο συνδυασμού και αποσύνθεσης του νερού… Εάν η ανθρωπότητα βελτιώσει και επεκτείνει τις μεθόδους παραγωγής χρησιμοποιώντας φυσικές πηγές όπως η ηλιακή ενέργεια, ο άνεμος και το νερό, Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί και να χρησιμοποιηθεί σε απεριόριστες ποσότητες χωρίς να εκπέμπονται επιβλαβείς εκπομπές.
παραγωγή

Περισσότεροι από 70 εκατομμύρια τόνοι καθαρού υδρογόνου παράγονται σήμερα στον κόσμο. Η κύρια πρώτη ύλη για την παραγωγή του είναι το φυσικό αέριο, το οποίο υποβάλλεται σε επεξεργασία με τη διαδικασία γνωστή ως "αναμόρφωση" (το ήμισυ του συνόλου). Μικρότερες ποσότητες υδρογόνου παράγονται με άλλες διεργασίες όπως η ηλεκτρόλυση ενώσεων χλωρίου, μερική οξείδωση βαρέος ελαίου, αεριοποίηση άνθρακα, πυρόλυση άνθρακα για την παραγωγή οπτάνθρακα και αναμόρφωση της βενζίνης. Περίπου το ήμισυ της παγκόσμιας παραγωγής υδρογόνου χρησιμοποιείται για τη σύνθεση της αμμωνίας (η οποία χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για την παραγωγή λιπασμάτων), για διύλιση πετρελαίου και για τη σύνθεση μεθανόλης.

Αυτά τα συστήματα παραγωγής επιβαρύνουν το περιβάλλον σε διάφορους βαθμούς και, δυστυχώς, κανένα από αυτά δεν προσφέρει ουσιαστική εναλλακτική λύση στο σημερινό ενεργειακό status quo – πρώτον επειδή χρησιμοποιούν μη ανανεώσιμες πηγές και δεύτερον επειδή η παραγωγή εκπέμπει ανεπιθύμητες ουσίες όπως το διοξείδιο του άνθρακα. Η πιο πολλά υποσχόμενη μέθοδος για την παραγωγή υδρογόνου στο μέλλον παραμένει η αποσύνθεση του νερού με τη βοήθεια του ηλεκτρισμού, γνωστή στο δημοτικό σχολείο. Ωστόσο, το κλείσιμο του κύκλου της καθαρής ενέργειας είναι επί του παρόντος δυνατό μόνο με τη χρήση φυσικής και ιδιαίτερα ηλιακής και αιολικής ενέργειας για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για την αποσύνθεση του νερού. Σύμφωνα με τον Δρ Γκούλντνερ, οι σύγχρονες τεχνολογίες «συνδεδεμένες» με αιολικά και ηλιακά συστήματα, συμπεριλαμβανομένων μικρών σταθμών υδρογόνου, όπου οι τελευταίοι παράγονται επί τόπου, είναι ένα μεγάλο νέο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση.
Θέση αποθήκευσης

Το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί σε μεγάλες ποσότητες τόσο σε αέρια όσο και σε υγρή φάση. Οι μεγαλύτερες δεξαμενές, στις οποίες το υδρογόνο διατηρείται σε σχετικά χαμηλή πίεση, ονομάζονται «μετρητές αερίου». Οι μεσαίες και μικρότερες δεξαμενές είναι προσαρμοσμένες για αποθήκευση υδρογόνου σε πίεση 30 bar, ενώ οι μικρότερες ειδικές δεξαμενές (ακριβές συσκευές κατασκευασμένες από ειδικά υλικά από ενισχυμένο με χάλυβα ή ανθρακονήματα) διατηρούν σταθερή πίεση 400 bar.
Το υδρογόνο μπορεί επίσης να αποθηκευτεί σε υγρή φάση στους -253°C ανά μονάδα όγκου που περιέχει 1,78 φορές περισσότερη ενέργεια από ό,τι όταν αποθηκεύεται στα 700 bar - για να επιτευχθεί η ισοδύναμη ποσότητα ενέργειας σε υγροποιημένο υδρογόνο ανά μονάδα όγκου, το αέριο πρέπει να συμπιεστεί μέχρι 1250 bar. Λόγω της υψηλότερης ενεργειακής απόδοσης του ψυχρού υδρογόνου, η BMW συνεργάζεται με τη γερμανική ομάδα ψύξης Linde για τα πρώτα της συστήματα, η οποία έχει αναπτύξει κρυογονικές συσκευές τελευταίας τεχνολογίας για την υγροποίηση και αποθήκευση υδρογόνου. Οι επιστήμονες προσφέρουν επίσης άλλες, αλλά λιγότερο εφαρμόσιμες προς το παρόν, εναλλακτικές λύσεις για την αποθήκευση υδρογόνου - για παράδειγμα, αποθήκευση υπό πίεση σε ειδικό μεταλλικό αλεύρι, με τη μορφή υδριδίων μετάλλων και άλλα.

Τα δίκτυα μεταφοράς υδρογόνου υπάρχουν ήδη σε περιοχές με υψηλή συγκέντρωση χημικών εγκαταστάσεων και διυλιστηρίων πετρελαίου. Γενικά, η τεχνική είναι παρόμοια με αυτήν για τη μεταφορά φυσικού αερίου, αλλά η χρήση του τελευταίου για τις ανάγκες υδρογόνου δεν είναι πάντα δυνατή. Ωστόσο, ακόμη και τον περασμένο αιώνα, πολλά σπίτια σε ευρωπαϊκές πόλεις φωτίστηκαν με ελαφρύ αέριο αγωγού, το οποίο περιέχει έως και 50% υδρογόνο και το οποίο χρησιμοποιείται ως καύσιμο για τους πρώτους σταθερούς κινητήρες εσωτερικής καύσης. Το τρέχον επίπεδο τεχνολογίας επιτρέπει ήδη τη διηπειρωτική μεταφορά υγροποιημένου υδρογόνου μέσω υπαρχόντων κρυογονικών δεξαμενόπλοιων, παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται για το φυσικό αέριο.

BMW και ο κινητήρας εσωτερικής καύσης

"Νερό. Το μόνο τελικό προϊόν καθαρών κινητήρων BMW που χρησιμοποιεί υγρό υδρογόνο αντί για καύσιμο πετρελαίου και επιτρέπει σε όλους να απολαμβάνουν τις νέες τεχνολογίες με καθαρή συνείδηση».

Αυτές οι λέξεις είναι ένα απόσπασμα από μια διαφημιστική εκστρατεία για μια γερμανική εταιρεία στις αρχές του 745ου αιώνα. Θα πρέπει να προωθεί την μάλλον εξωτική έκδοση υδρογόνου XNUMX ωρών της ναυαρχίδας της βαυαρικής αυτοκινητοβιομηχανίας. Εξωτικά, επειδή, σύμφωνα με τη BMW, η μετάβαση σε εναλλακτικές λύσεις καυσίμων υδρογονανθράκων που τροφοδοτεί η αυτοκινητοβιομηχανία από την αρχή θα απαιτήσει αλλαγή σε ολόκληρη τη βιομηχανική υποδομή. Εκείνη την εποχή, οι Βαυαρικοί βρήκαν μια πολλά υποσχόμενη πορεία ανάπτυξης όχι στα ευρέως διαφημιζόμενα κελιά καυσίμου, αλλά στη μεταφορά κινητήρων εσωτερικής καύσης για εργασία με υδρογόνο. Η BMW πιστεύει ότι το υπό εξέταση εξοπλισμό είναι ένα επίλυτο ζήτημα και έχει ήδη σημειώσει σημαντική πρόοδο προς τη βασική πρόκληση της εξασφάλισης αξιόπιστης απόδοσης του κινητήρα και της εξάλειψης της τάσης της για διαφυγή καύσης χρησιμοποιώντας καθαρό υδρογόνο. Η επιτυχία σε αυτήν την κατεύθυνση οφείλεται στην ικανότητα στον τομέα του ηλεκτρονικού ελέγχου των διαδικασιών του κινητήρα και στην ικανότητα χρήσης των κατοχυρωμένων με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας BMW συστημάτων Valvetronic και Vanos για ευέλικτη διανομή αερίου, χωρίς την οποία είναι αδύνατο να εγγυηθεί την κανονική λειτουργία των «κινητήρων υδρογόνου».

Ωστόσο, τα πρώτα βήματα προς αυτή την κατεύθυνση χρονολογούνται από το 1820, όταν ο σχεδιαστής William Cecil δημιούργησε έναν κινητήρα υδρογόνου που λειτουργεί με τη λεγόμενη "αρχή του κενού" - ένα σχέδιο εντελώς διαφορετικό από αυτό που εφευρέθηκε αργότερα με έναν εσωτερικό κινητήρα. καύση. Στην πρώτη του ανάπτυξη κινητήρων εσωτερικής καύσης 60 χρόνια αργότερα, ο πρωτοπόρος Otto χρησιμοποίησε το ήδη αναφερθέν και προερχόμενο από άνθρακα συνθετικό αέριο με περιεκτικότητα σε υδρογόνο περίπου 50%. Ωστόσο, με την εφεύρεση του καρμπυρατέρ, η χρήση της βενζίνης έγινε πολύ πιο πρακτική και ασφαλής και το υγρό καύσιμο έχει αντικαταστήσει όλες τις άλλες εναλλακτικές που υπήρχαν μέχρι τώρα. Οι ιδιότητες του υδρογόνου ως καυσίμου ανακαλύφθηκαν πολλά χρόνια αργότερα από τη διαστημική βιομηχανία, η οποία γρήγορα ανακάλυψε ότι το υδρογόνο είχε την καλύτερη αναλογία ενέργειας/μάζας από οποιοδήποτε καύσιμο γνωστό στην ανθρωπότητα.

Τον Ιούλιο του 1998, η Ευρωπαϊκή Ένωση Αυτοκινητοβιομηχανίας (ACEA) δεσμεύτηκε να μειώσει τις εκπομπές CO2 για τα νέα οχήματα στην Ένωση σε 140 γραμμάρια ανά χιλιόμετρο κατά μέσο όρο έως το 2008. Στην πράξη, αυτό σημαίνει μείωση των εκπομπών κατά 25% σε σύγκριση με το 1995 και ισοδυναμεί με μια μέση κατανάλωση καυσίμου στο νέο στόλο περίπου 6,0 l / 100 km. Αυτό καθιστά το έργο για τις εταιρείες αυτοκινήτων εξαιρετικά δύσκολο και, σύμφωνα με τους ειδικούς της BMW, μπορεί να επιλυθεί είτε με τη χρήση καυσίμων χαμηλών εκπομπών άνθρακα είτε με την πλήρη απομάκρυνση του άνθρακα από τη σύνθεση καυσίμου. Σύμφωνα με αυτήν τη θεωρία, το υδρογόνο εμφανίζεται σε όλο του το μεγαλείο στην αυτοκινητοβιομηχανία.
Η βαυαρική εταιρεία γίνεται ο πρώτος κατασκευαστής αυτοκινήτων που ξεκίνησε τη μαζική παραγωγή υδρογονοκίνητων οχημάτων. Οι αισιόδοξοι και σίγουροι ισχυρισμοί του Διοικητικού Συμβουλίου της BMW, Burkhard Göschel, μέλους του διοικητικού συμβουλίου της BMW που είναι υπεύθυνος για νέες εξελίξεις, ότι «η εταιρεία θα πουλήσει αυτοκίνητα υδρογόνου πριν από τη λήξη της Σειράς 7», γίνεται πραγματικότητα. Με το Hydrogen 7, μια έκδοση της έβδομης σειράς κυκλοφόρησε το 2006 και διαθέτει 12κύλινδρο κινητήρα 260 ίππων. αυτό το μήνυμα γίνεται πραγματικότητα.

Η πρόθεση φαίνεται αρκετά φιλόδοξη, αλλά για καλό λόγο. Η BMW πειραματίζεται με κινητήρες καύσης υδρογόνου από το 1978, με τις 5 σειρές (E12), η έκδοση 1984 ωρών του E 745 κυκλοφόρησε το 23 και στις 11 Μαΐου 2000, απέδειξε τις μοναδικές δυνατότητες αυτής της εναλλακτικής. Εντυπωσιακός στόλος 15 ίππων. Το E 750 "της εβδομάδας" με 38κύλινδρους κινητήρες υδρογόνου έτρεξε έναν μαραθώνιο 12 χλμ., Τονίζοντας την επιτυχία της εταιρείας και την υπόσχεση της νέας τεχνολογίας. Το 170 και το 000, ορισμένα από αυτά τα οχήματα συνέχισαν να συμμετέχουν σε διάφορες διαδηλώσεις για την προώθηση της ιδέας του υδρογόνου. Στη συνέχεια, έρχεται μια νέα εξέλιξη που βασίζεται στην επόμενη Σειρά 2001, χρησιμοποιώντας έναν σύγχρονο κινητήρα V-2002 7 λίτρων και ικανός για τελική ταχύτητα 4,4 km / h, ακολουθούμενος από την τελευταία εξέλιξη με έναν 212-κύλινδρο V-12 κινητήρα.

Σύμφωνα με την επίσημη γνώμη της εταιρείας, οι λόγοι για τους οποίους η BMW επέλεξε τότε αυτή την τεχνολογία έναντι των κυψελών καυσίμου είναι εμπορικοί και ψυχολογικοί. Πρώτον, αυτή η μέθοδος θα απαιτήσει σημαντικά λιγότερες επενδύσεις σε περίπτωση αλλαγών βιομηχανικής υποδομής. Δεύτερον, επειδή οι άνθρωποι είναι συνηθισμένοι στον παλιό καλό κινητήρα εσωτερικής καύσης, τον λατρεύουν και θα είναι δύσκολο να χωριστούν με αυτόν. Και τρίτον, επειδή την ίδια στιγμή, αυτή η τεχνολογία αναπτύσσεται ταχύτερα από την τεχνολογία κυψελών καυσίμου.

Στα αυτοκίνητα BMW, το υδρογόνο αποθηκεύεται σε ένα υπερμονωμένο κρυογονικό δοχείο, σαν ένα μπουκάλι θερμός υψηλής τεχνολογίας που αναπτύχθηκε από τον γερμανικό όμιλο ψύξης Linde. Σε χαμηλές θερμοκρασίες αποθήκευσης, το καύσιμο βρίσκεται στην υγρή φάση και εισέρχεται στον κινητήρα ως κανονικό καύσιμο.

Οι σχεδιαστές της εταιρείας του Μονάχου χρησιμοποιούν έγχυση καυσίμου στις πολλαπλές εισαγωγής και η ποιότητα του μείγματος εξαρτάται από τον τρόπο λειτουργίας του κινητήρα. Στη λειτουργία μερικού φορτίου, ο κινητήρας λειτουργεί με άπαχα μείγματα παρόμοια με το ντίζελ - αλλάζει μόνο η ποσότητα του καυσίμου που ψεκάζεται. Αυτός είναι ο λεγόμενος «έλεγχος ποιότητας» του μείγματος, στον οποίο ο κινητήρας λειτουργεί με περίσσεια αέρα, αλλά λόγω του χαμηλού φορτίου ελαχιστοποιείται ο σχηματισμός εκπομπών αζώτου. Όταν υπάρχει ανάγκη για σημαντική ισχύ, ο κινητήρας αρχίζει να λειτουργεί σαν βενζινοκινητήρας, προχωρώντας στη λεγόμενη «ποσοτική ρύθμιση» του μείγματος και σε κανονικά (όχι άπαχα) μείγματα. Αυτές οι αλλαγές είναι δυνατές, αφενός, χάρη στην ταχύτητα του ηλεκτρονικού ελέγχου διεργασιών στον κινητήρα και, αφετέρου, χάρη στην ευέλικτη λειτουργία των συστημάτων ελέγχου διανομής αερίου - το «διπλό» Vanos, που λειτουργεί σε συνδυασμό με το σύστημα ελέγχου εισαγωγής Valvetronic χωρίς γκάζι. Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι, σύμφωνα με τους μηχανικούς της BMW, το σχήμα εργασίας αυτής της εξέλιξης είναι μόνο ένα ενδιάμεσο στάδιο στην εξέλιξη της τεχνολογίας και ότι στο μέλλον οι κινητήρες θα πρέπει να κινηθούν προς την άμεση έγχυση υδρογόνου στους κυλίνδρους και τον υπερσυμπιεστή. Αναμένεται ότι η εφαρμογή αυτών των μεθόδων θα οδηγήσει σε βελτίωση της δυναμικής απόδοσης του αυτοκινήτου σε σύγκριση με παρόμοιο κινητήρα βενζίνης και σε αύξηση της συνολικής απόδοσης του κινητήρα εσωτερικής καύσης κατά περισσότερο από 50%.

Ένα ενδιαφέρον γεγονός εξέλιξης είναι ότι με τις τελευταίες εξελίξεις στους κινητήρες εσωτερικής καύσης «υδρογόνου», οι σχεδιαστές στο Μόναχο εισέρχονται στον τομέα των κυψελών καυσίμου. Χρησιμοποιούν τέτοιες συσκευές για να τροφοδοτούν το ενσωματωμένο ηλεκτρικό δίκτυο στα αυτοκίνητα, εξαλείφοντας εντελώς τη συμβατική μπαταρία. Χάρη σε αυτό το βήμα, είναι δυνατή η πρόσθετη εξοικονόμηση καυσίμου, καθώς ο κινητήρας υδρογόνου δεν χρειάζεται να οδηγεί τον εναλλάκτη και το ενσωματωμένο ηλεκτρικό σύστημα γίνεται εντελώς αυτόνομο και ανεξάρτητο από τη διαδρομή κίνησης - μπορεί να παράγει ηλεκτρισμό ακόμα και όταν ο κινητήρας δεν λειτουργεί. και η παραγωγή και η κατανάλωση ενέργειας μπορούν να βελτιστοποιηθούν πλήρως. Το γεγονός ότι μπορεί πλέον να παραχθεί όση ηλεκτρική ενέργεια χρειάζεται για την τροφοδοσία της αντλίας νερού, των αντλιών λαδιού, του ενισχυτή φρένων και των συστημάτων καλωδίωσης μεταφράζεται επίσης σε περαιτέρω εξοικονόμηση. Ωστόσο, παράλληλα με όλες αυτές τις καινοτομίες, το σύστημα ψεκασμού καυσίμου (βενζίνη) πρακτικά δεν έχει υποστεί δαπανηρές σχεδιαστικές αλλαγές.

Προκειμένου να προωθηθούν οι τεχνολογίες υδρογόνου τον Ιούνιο του 2002, το BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN δημιούργησαν το πρόγραμμα συνεργασίας CleanEnergy, το οποίο ξεκίνησε τη δραστηριότητά του με την ανάπτυξη σταθμών ανεφοδιασμού υγραερίου. και συμπιεσμένο υδρογόνο. Σε αυτά, μέρος του υδρογόνου παράγεται επί τόπου με χρήση ηλιακής ηλεκτρικής ενέργειας, και στη συνέχεια συμπιέζεται, και μεγάλες υγροποιημένες ποσότητες προέρχονται από ειδικούς σταθμούς παραγωγής και όλοι οι ατμοί από την υγρή φάση μεταφέρονται αυτόματα στη δεξαμενή αερίου.
Η BMW έχει ξεκινήσει μια σειρά από άλλα κοινά έργα, μεταξύ άλλων με εταιρείες πετρελαίου, μεταξύ των οποίων οι πιο ενεργοί συμμετέχοντες είναι οι Aral, BP, Shell, Total.
Ωστόσο, γιατί η BMW εγκαταλείπει αυτές τις τεχνολογικές λύσεις και εξακολουθεί να εστιάζει σε κυψέλες καυσίμου, θα σας πούμε σε ένα άλλο άρθρο αυτής της σειράς.

Υδρογόνο σε κινητήρες εσωτερικής καύσης

Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι λόγω των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του υδρογόνου, είναι πολύ πιο εύφλεκτο από τη βενζίνη. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι απαιτείται πολύ λιγότερη αρχική ενέργεια για την έναρξη της διαδικασίας καύσης στο υδρογόνο. Από την άλλη, οι κινητήρες υδρογόνου μπορούν εύκολα να χρησιμοποιήσουν πολύ «κακά» μείγματα – κάτι που επιτυγχάνουν οι σύγχρονοι βενζινοκινητήρες μέσω πολύπλοκων και ακριβών τεχνολογιών.

Η θερμότητα μεταξύ των σωματιδίων του μίγματος υδρογόνου-αέρα είναι λιγότερο διασκορπισμένη και ταυτόχρονα, η θερμοκρασία αυτοανάφλεξης είναι πολύ υψηλότερη, όπως και ο ρυθμός των διαδικασιών καύσης σε σύγκριση με τη βενζίνη. Το υδρογόνο έχει χαμηλή πυκνότητα και ισχυρή διαχυτικότητα (η πιθανότητα εισόδου σωματιδίων σε άλλο αέριο - σε αυτήν την περίπτωση, αέρα).

Είναι η χαμηλή ενέργεια ενεργοποίησης που απαιτείται για την αυτοανάφλεξη που είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στον έλεγχο της καύσης σε κινητήρες υδρογόνου, επειδή το μείγμα μπορεί εύκολα να αναφλεγεί λόγω επαφής με θερμότερες περιοχές στο θάλαμο καύσης και αντίσταση μετά από μια αλυσίδα εντελώς ανεξέλεγκτων διαδικασιών. Η αποφυγή αυτού του κινδύνου είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στη σχεδίαση κινητήρα υδρογόνου, αλλά δεν είναι εύκολο να εξαλειφθούν οι συνέπειες του γεγονότος ότι το εξαιρετικά διεσπαρμένο μείγμα καύσης κινείται πολύ κοντά στα τοιχώματα του κυλίνδρου και μπορεί να διεισδύσει σε εξαιρετικά στενά κενά. για παράδειγμα κατά μήκος κλειστών βαλβίδων ... Όλα αυτά πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό αυτών των κινητήρων.

Η υψηλή θερμοκρασία αυτόματου ανάφλεξης και ο υψηλός αριθμός οκτανίων (περίπου 130) επιτρέπουν αύξηση του λόγου συμπίεσης του κινητήρα και, συνεπώς, της απόδοσής του, αλλά και πάλι υπάρχει κίνδυνος αυτοανάφλεξης του υδρογόνου σε επαφή με το θερμότερο μέρος. στον κύλινδρο. Το πλεονέκτημα της υψηλής ικανότητας διάχυσης του υδρογόνου είναι η δυνατότητα εύκολης ανάμιξης με αέρα, η οποία σε περίπτωση βλάβης του ρεζερβουάρ εγγυάται γρήγορη και ασφαλή διασπορά του καυσίμου.

Το ιδανικό μείγμα αέρα-υδρογόνου για καύση έχει αναλογία περίπου 34:1 (για τη βενζίνη αυτή η αναλογία είναι 14,7:1). Αυτό σημαίνει ότι όταν συνδυάζεται η ίδια μάζα υδρογόνου και βενζίνης στην πρώτη περίπτωση, απαιτείται περισσότερος από διπλάσιος αέρας. Ταυτόχρονα, το μείγμα υδρογόνου-αέρα καταλαμβάνει πολύ περισσότερο χώρο, γεγονός που εξηγεί γιατί οι κινητήρες υδρογόνου έχουν λιγότερη ισχύ. Μια καθαρά ψηφιακή απεικόνιση αναλογιών και όγκων είναι αρκετά εύγλωττη - η πυκνότητα του έτοιμου για καύση υδρογόνου είναι 56 φορές μικρότερη από την πυκνότητα των ατμών βενζίνης... Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι, γενικά, οι κινητήρες υδρογόνου μπορούν να λειτουργούν με μείγματα αέρα . υδρογόνο σε αναλογίες έως 180:1 (δηλαδή με πολύ «κακά» μείγματα), που με τη σειρά του σημαίνει ότι ο κινητήρας μπορεί να λειτουργεί χωρίς γκάζι και να χρησιμοποιεί την αρχή των κινητήρων ντίζελ. Θα πρέπει επίσης να αναφερθεί ότι το υδρογόνο είναι ο αδιαμφισβήτητος ηγέτης στη σύγκριση μεταξύ υδρογόνου και βενζίνης ως πηγή ενέργειας μάζας - ένα κιλό υδρογόνου έχει σχεδόν τρεις φορές περισσότερη ενέργεια ανά κιλό βενζίνης.

Όπως και με τους βενζινοκινητήρες, το υγροποιημένο υδρογόνο μπορεί να εγχυθεί απευθείας μπροστά από τις βαλβίδες στις πολλαπλές, αλλά η καλύτερη λύση είναι ο απευθείας έγχυση κατά τη διάρκεια της διαδρομής συμπίεσης - σε αυτήν την περίπτωση, η ισχύς μπορεί να υπερβεί εκείνη ενός συγκρίσιμου βενζινοκινητήρα κατά 25%. Αυτό συμβαίνει επειδή το καύσιμο (υδρογόνο) δεν εκτοπίζει τον αέρα όπως συμβαίνει με έναν κινητήρα βενζίνης ή ντίζελ, επιτρέποντας στον θάλαμο καύσης να γεμίσει μόνο με (σημαντικά περισσότερο από το συνηθισμένο) αέρα. Επιπλέον, σε αντίθεση με τους βενζινοκινητήρες, το υδρογόνο δεν χρειάζεται δομικό στροβιλισμό, αφού το υδρογόνο χωρίς αυτό το μέτρο διαχέεται αρκετά καλά με τον αέρα. Λόγω των διαφορετικών ρυθμών καύσης σε διαφορετικά μέρη του κυλίνδρου, είναι καλύτερο να εγκαταστήσετε δύο μπουζί και σε κινητήρες υδρογόνου, η χρήση ηλεκτροδίων πλατίνας δεν είναι κατάλληλη, καθώς η πλατίνα γίνεται καταλύτης που οδηγεί σε οξείδωση του καυσίμου ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες .

Παραλλαγή Mazda

Η ιαπωνική εταιρεία Mazda επιδεικνύει επίσης την έκδοση του κινητήρα υδρογόνου, με τη μορφή περιστροφικού μπλοκ στο σπορ αυτοκίνητο RX-8. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, καθώς τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του κινητήρα Wankel είναι εξαιρετικά κατάλληλα για τη χρήση υδρογόνου ως καυσίμου.
Το αέριο αποθηκεύεται υπό υψηλή πίεση σε ειδική δεξαμενή και το καύσιμο εγχέεται απευθείας στους θαλάμους καύσης. Λόγω του γεγονότος ότι στην περίπτωση περιστροφικών κινητήρων, οι ζώνες στις οποίες πραγματοποιείται έγχυση και καύση είναι ξεχωριστές και η θερμοκρασία στο τμήμα εισαγωγής είναι χαμηλότερη, το πρόβλημα με την πιθανότητα ανεξέλεγκτης ανάφλεξης μειώνεται σημαντικά. Ο κινητήρας Wankel προσφέρει επίσης άφθονο χώρο για δύο εγχυτήρες, κάτι που είναι κρίσιμο για την έγχυση της βέλτιστης ποσότητας υδρογόνου.

H2R

Το H2R είναι ένα λειτουργικό πρωτότυπο supersport κατασκευασμένο από μηχανικούς της BMW και τροφοδοτείται από έναν 12-κύλινδρο κινητήρα που φτάνει τη μέγιστη ισχύ των 285 ίππων. όταν εργάζεστε με υδρογόνο. Χάρη σε αυτά, το πειραματικό μοντέλο επιταχύνει από τα 0 στα 100 χλμ./ώρα σε έξι δευτερόλεπτα και φτάνει σε τελική ταχύτητα 300 χλμ./ώρα Ο κινητήρας H2R βασίζεται στην τυπική κορυφή που χρησιμοποιείται στη βενζίνη 760i και χρειάστηκε μόνο δέκα μήνες για να αναπτυχθεί .

Για την πρόληψη της αυθόρμητης καύσης, οι Βαυαροί ειδικοί έχουν αναπτύξει μια ειδική στρατηγική για τους κύκλους ροής και έγχυσης στον θάλαμο καύσης, χρησιμοποιώντας τις δυνατότητες που παρέχει το σύστημα μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων του κινητήρα. Πριν το μείγμα εισέλθει στους κυλίνδρους, οι τελευταίοι ψύχονται με αέρα και η ανάφλεξη πραγματοποιείται μόνο στο άνω νεκρό σημείο - λόγω του υψηλού ρυθμού καύσης με καύσιμο υδρογόνο, δεν απαιτείται προώθηση ανάφλεξης.