BMW test sürüşü ve hidrojen: ikinci bölüm

"Su. BMW'nin temiz motorlarının tek nihai ürünü, petrol yakıtları yerine sıvı hidrojen kullanmak ve herkesin yeni teknolojilerden gönül rahatlığıyla yararlanmasını sağlamak."

BMW yolu

Bu sözler, birkaç yıl önce bir Alman şirketinin reklam kampanyasından alıntıdır. Bavyeralıların motor teknolojisi söz konusu olduğunda ne yaptıklarını çok iyi bildiklerini ve bu alanda tartışmasız dünya liderlerinden biri olduklarını uzun süre kimse sorgulamadı. Son yıllarda sağlam satış büyümesi sergileyen bir şirketin, geleceği belirsiz gelecek vaat eden teknolojiler için az bilinen reklamlara bir ton para yatırması da düşünülemez.

Ancak aynı zamanda alıntılanan sözler, Bavyeralı otomobil üreticisinin amiral gemisinin oldukça egzotik 745 saatlik hidrojen versiyonunu tanıtma kampanyasının bir parçası. Egzotik, çünkü BMW'ye göre otomotiv endüstrisinin en başından beri beslediği hidrokarbon yakıtlara alternatiflere geçiş, tüm üretim altyapısında değişiklik gerektirecek. İkincisi gereklidir çünkü Bavyeralılar, yaygın olarak reklamı yapılan yakıt hücrelerinde değil, içten yanmalı motorların hidrojenle çalışacak şekilde dönüştürülmesinde umut verici bir gelişme yolu görüyorlar. BMW, güncellemenin çözülebilir bir sorun olduğuna inanıyor ve güvenilir motor performansı elde etme ve saf hidrojen kullanarak kontrolsüz yanma süreçleri eğilimini ortadan kaldırma ana sorununu çözmede şimdiden önemli ilerleme kaydetti. Bu yöndeki başarı, motor işlemlerinin elektronik kontrolü alanındaki yeterlilik ve "hidrojen motorlarının" normal çalışmasını sağlamanın imkansız olacağı BMW patentli esnek gaz dağıtım sistemleri Valvetronic ve Vanos'u kullanma olasılığından kaynaklanmaktadır. . Bununla birlikte, bu yöndeki ilk adımlar, tasarımcı William Cecil'in sözde "vakum prensibi" ile çalışan hidrojen yakıtlı bir motor yarattığı 1820 yılına kadar uzanıyor - bu, daha sonra icat edilen dahili bir motora sahip motordan çok farklı bir şema. . yanma Öncü Otto, 60 yıl sonra içten yanmalı motorların ilk geliştirmesinde, daha önce bahsedilen ve hidrojen içeriği yaklaşık %50 olan kömürden türetilen sentetik gazı kullandı. Ancak karbüratörün icadı ile benzin kullanımı çok daha pratik ve güvenli hale gelmiş ve şimdiye kadar var olan diğer tüm alternatiflerin yerini sıvı yakıt almıştır. Bir yakıt olarak hidrojenin özellikleri, hidrojenin insanlık tarafından bilinen herhangi bir yakıt arasında en iyi enerji/kütle oranına sahip olduğunu çabucak keşfeden uzay endüstrisi tarafından yıllar sonra yeniden keşfedildi.

Temmuz 1998'de, Avrupa Otomotiv Endüstrisi Birliği (ACEA), Birlik'te yeni kayıtlı araçlardan kaynaklanan CO2008 emisyonlarını kilometre başına ortalama 2 gram 140 azaltma taahhüdü verdi. Pratikte bu, 25'e kıyasla emisyonlarda% 1995 azalma anlamına geliyordu ve yeni filonun ortalama yakıt tüketimi yaklaşık 6,0 l / 100 km idi. Yakın gelecekte, ek önlemlerin karbondioksit emisyonlarını 14 yılına kadar% 2012 azaltması bekleniyor. Bu, otomobil şirketleri için görevi son derece zorlaştırıyor ve BMW uzmanlarına göre, düşük karbonlu yakıtlar kullanılarak veya yakıt bileşiminden karbonu tamamen ortadan kaldırarak çözülebilir. Bu teoriye göre, hidrojen tüm ihtişamıyla otomotiv arenasında yeniden ortaya çıkıyor.

Bavyera şirketi, hidrojenle çalışan araçları seri olarak üreten ilk otomobil üreticisi oldu. Yeni gelişmelerden sorumlu BMW yönetim kurulu üyesi Profesör Burkhard Geschel'in iyimser ve kendinden emin iddiaları, "şirketin mevcut 7 Serisi sona ermeden önce hidrojen arabaları satacağı" şeklindeki iddiaları gerçek oldu. En son versiyonu olan yedinci seri olan Hydrogen 7, 2006 yılında 12 hp 260 silindirli bir motorla piyasaya sürüldü. bu mesaj çoktan gerçek oldu. Niyet oldukça iddialı görünüyordu, ama sebepsiz değil. BMW, 1978'den beri hidrojenle çalışan içten yanmalı motorlar üzerinde deneyler yapıyor ve 11 Mayıs 2000'de bu alternatifin olanaklarının benzersiz bir gösterimini yaptı. Hidrojen on iki silindirli motorlarla çalışan, haftanın önceki nesline ait 15 hl araçlık etkileyici bir filo, şirketin başarısını ve yeni teknoloji vaadini vurgulayarak 750 km'lik maratonu tamamladı. 170 ve 000'de, bu araçlardan bazıları hidrojen fikrini desteklemek için çeşitli gösterilere katılmaya devam etti. Ardından, 2001 km / s azami hıza sahip 2002 litrelik modern bir V-7 motoru kullanan ve ardından 4,4 silindirli V-212 ile en son geliştirmeyi kullanan, sonraki 12 Serisine dayanan yeni bir geliştirme zamanı gelmişti. Şirketin resmi görüşüne göre, BMW'nin yakıt pilleri yerine bu teknolojiyi seçmesinin nedenleri hem ticari hem de psikolojiktir. İlk olarak, bu yöntem, üretim altyapısı değişirse önemli ölçüde daha az yatırım gerektirecektir. İkincisi, insanlar eski güzel içten yanmalı motora alıştıkları için bundan hoşlanıyorlar ve ondan ayrılmak zor olacak. Üçüncüsü, bu arada, bu teknolojinin yakıt hücresi teknolojisinden daha hızlı geliştiği ortaya çıktı.

BMW otomobillerinde hidrojen, Alman soğutma grubu Linde tarafından geliştirilen yüksek teknolojili bir termos şişesi gibi, süper yalıtımlı bir kriyojenik kapta depolanır. Düşük depolama sıcaklıklarında, yakıt sıvı fazdadır ve normal yakıt gibi motora girer.

Bu aşamada, Münih şirketinin tasarımcıları dolaylı yakıt enjeksiyonuna odaklandı ve karışımın kalitesi motorun çalışma moduna bağlı. Kısmi yük modunda motor, dizel yakıta benzer zayıf karışımlarla çalışır - değişiklik yalnızca püskürtülen yakıt miktarında yapılır. Bu, motorun fazla hava ile çalıştığı, ancak düşük yük nedeniyle nitrojen emisyonlarının oluşumunun en aza indirildiği karışımın "kalite kontrolü" olarak adlandırılır. Önemli bir güce ihtiyaç duyulduğunda, motor, karışımın ve normal (zayıf olmayan) karışımların sözde "kantitatif kontrolüne" geçerek benzinli bir motor gibi çalışmaya başlar. Bu değişiklikler, bir yandan motordaki süreçlerin elektronik kontrolünün hızı nedeniyle ve diğer yandan gaz dağıtım kontrol sistemlerinin - "çift" Vanos ile birlikte çalışan esnek çalışması nedeniyle mümkündür. Gaz kelebeği olmayan Valvetronic giriş kontrol sistemi. BMW mühendislerine göre, bu geliştirmenin çalışma şemasının teknolojinin geliştirilmesinde yalnızca bir ara aşama olduğu ve gelecekte motorların silindirlere doğrudan hidrojen enjeksiyonu ve turbo şarja geçeceği akılda tutulmalıdır. Bu tekniklerin, karşılaştırılabilir bir benzinli motordan daha iyi araç dinamiği ile sonuçlanması ve içten yanmalı motorun genel verimliliğinde %50'den fazla bir artışla sonuçlanması beklenmektedir. Son zamanlarda bu konu oldukça aktif olarak kullanıldığından, burada "yakıt pilleri" konusuna değinmekten kasten kaçındık. Bununla birlikte, aynı zamanda, Münih'teki tasarımcılar, geleneksel pil gücünü tamamen ortadan kaldırarak, otomobillerdeki yerleşik elektrik ağına güç sağlamak için tam da bu tür cihazları kullanmaya karar verdiğinden, BMW'nin hidrojen teknolojisi bağlamında bunlardan bahsetmeliyiz. Bu hareket, hidrojen motorunun alternatörü çalıştırması gerekmediğinden ve yerleşik elektrik sistemi tamamen otonom ve sürüş yolundan bağımsız hale geldiğinden ek yakıt tasarrufu sağlar - motor çalışmadığında bile elektrik üretmenin yanı sıra elektrik üretebilir. ve enerji tüketmek tam optimizasyona uygundur. Su pompasına, yağ pompalarına, fren güçlendiricisine ve kablolu sistemlere güç sağlamak için artık yalnızca gerektiği kadar elektrik üretilebilmesi, ek tasarruf anlamına da geliyor. Ancak, tüm bu yeniliklere paralel olarak, yakıt enjeksiyon sistemi (benzin) pratik olarak pahalı tasarım değişikliklerine uğramadı. Haziran 2002'de hidrojen teknolojilerini teşvik etmek için BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN, sıvılaştırılmış ve sıkıştırılmış hidrojenle dolum istasyonlarının geliştirilmesiyle başlayan CleanEnergy ortaklık programını oluşturdu.

BMW, aralarında en aktif katılımcıların Aral, BP, Shell, Total olduğu petrol şirketleri de dahil olmak üzere bir dizi başka ortak projenin başlatıcısıdır. Gelecek vaat eden bu alana ilgi katlanarak artıyor - önümüzdeki on yıl içinde yalnızca AB, hidrojen teknolojilerinin geliştirilmesini ve uygulanmasını finanse etmek için fonlara 2,8 milyar Euro tutarında doğrudan mali katkı sağlayacak. Bu dönemde özel şirketlerin "hidrojen" geliştirmeye yönelik yatırımlarının hacmini tahmin etmek zor, ancak bunun kar amacı gütmeyen kuruluşlardan yapılan kesintileri kat kat aşacağı açık.

İçten yanmalı motorlarda hidrojen

Hidrojenin fiziksel ve kimyasal özelliklerinden dolayı benzinden çok daha yanıcı olduğunu not etmek ilginçtir. Uygulamada bu, hidrojende yanma sürecini başlatmak için çok daha az başlangıç enerjisi gerektiği anlamına gelir. Öte yandan, çok yalın karışımlar hidrojen motorlarında kolayca kullanılabilir - modern benzinli motorların karmaşık ve pahalı teknolojilerle elde ettiği bir şey.

Hidrojen-hava karışımının tanecikleri arasındaki ısı daha az dağılır ve aynı zamanda kendiliğinden tutuşma sıcaklığı ve yanma işlemlerinin hızı benzine göre çok daha yüksektir. Hidrojenin düşük bir yoğunluğu ve güçlü bir yayılımı vardır (parçacıkların başka bir gaza - bu durumda havaya - girme olasılığı).

Kendiliğinden tutuşma için gerekli olan düşük aktivasyon enerjisi, hidrojen motorlarında yanma süreçlerini kontrol etmedeki en büyük zorluklardan biridir çünkü karışım, yanma odasındaki daha sıcak alanlarla temas etmesi ve tamamen kontrolsüz bir süreçler zincirini takip etmeye karşı direnci nedeniyle kolayca kendiliğinden tutuşabilir. Bu riskten kaçınmak, hidrojen motorlarını geliştirmedeki en büyük zorluklardan biridir, ancak oldukça dağınık yanan bir karışımın silindir duvarlarına çok yakın hareket etmesi ve son derece dar boşluklardan geçebilmesi gerçeğinin sonuçlarını ortadan kaldırmak kolay değildir. örneğin kapalı vanalar gibi... Bu motorlar tasarlanırken tüm bunlar dikkate alınmalıdır.

Yüksek bir kendiliğinden tutuşma sıcaklığı ve yüksek bir oktan sayısı (yaklaşık 130), motorun sıkıştırma oranında ve dolayısıyla verimliliğinde bir artışa izin verir, ancak yine, daha sıcak kısım ile temastan hidrojenin kendiliğinden tutuşması tehlikesi vardır. silindirde. Hidrojenin yüksek difüzyon kapasitesinin avantajı, bir tank arızası durumunda yakıtın hızlı ve güvenli bir şekilde dağılmasını garanti eden hava ile kolay karıştırma olasılığıdır.

Yanma için ideal hava-hidrojen karışımının oranı yaklaşık 34:1'dir (benzin için bu oran 14,7:1'dir). Bu, ilk durumda aynı kütledeki hidrojen ve benzini birleştirirken, iki kattan fazla havanın gerekli olduğu anlamına gelir. Aynı zamanda, hidrojen-hava karışımı önemli ölçüde daha fazla yer kaplıyor, bu da hidrojenle çalışan motorların neden daha az güce sahip olduğunu açıklıyor. Oranların ve hacimlerin tamamen dijital bir gösterimi oldukça anlamlıdır - yanmaya hazır hidrojenin yoğunluğu, benzin buharından 56 kat daha azdır .... Bununla birlikte, prensip olarak, hidrojen motorlarının 180:1'e kadar hava-hidrojen karışımlarıyla da çalışabileceğine dikkat edilmelidir (yani, çok "zayıf" karışımlar), bu da motorun çalıştırılabileceği anlamına gelir. bir gaz kelebeği valfi olmadan ve dizel motorların çalışma prensibini kullanın. Ayrıca, kütle açısından enerji kaynakları olarak hidrojen ve benzinin karşılaştırılmasında hidrojenin tartışmasız lider olduğuna dikkat edilmelidir - bir kilogram hidrojen, bir kilogram benzinden neredeyse üç kat daha fazla enerji yoğundur.

Benzinli motorlarda olduğu gibi sıvılaştırılmış hidrojen, manifoldlardaki valflerin hemen önüne enjekte edilebilir, ancak en iyi çözüm doğrudan sıkıştırma stroku sırasında enjeksiyondur - bu durumda, güç benzer bir benzinli motorun gücünü %25 aşabilir. Bunun nedeni, yakıtın (hidrojenin) benzinli veya dizel motordaki gibi havayı değiştirmemesi ve yanma odasını yalnızca havanın (normalden önemli ölçüde daha fazla) doldurmasına izin vermesidir. Ayrıca, benzinli motorların aksine, hidrojen motorları yapısal dönmeye ihtiyaç duymaz çünkü hidrojen bu önlem olmadan hava ile yeterince iyi yayılır. Silindirin farklı bölümlerindeki farklı yanma hızları nedeniyle, iki buji yerleştirmek daha iyidir ve hidrojen motorlarında, platin elektrotların kullanılması pratik değildir, çünkü platin, düşük sıcaklıklarda yakıt oksidasyonuna yol açan bir katalizör haline gelir.

H2R

H2R, BMW mühendisleri tarafından üretilen ve hidrojenle çalıştırıldığında maksimum 285 bg güce ulaşan on iki silindirli bir motorla çalışan bir süper spor prototipidir. Bunlar sayesinde, deneysel model 0'dan 100 km/s hıza altı saniyede ulaşıyor ve 300 km/s azami hıza ulaşıyor. geliştirmek için aylar. Kendiliğinden yanmayı önlemek için Bavyeralı uzmanlar, motorun değişken valf zamanlama sistemlerinin sağladığı olanakları kullanarak yanma odasına özel bir akış döngüsü ve enjeksiyon stratejisi geliştirdiler. Karışım silindirlere girmeden önce, ikincisi hava ile soğutulur ve ateşleme yalnızca üst ölü noktada gerçekleştirilir - hidrojen yakıtı ile yüksek yanma oranı nedeniyle ateşleme avansı gerekli değildir.

Bulgular

Saf hidrojen enerjisine geçişin mali analizi henüz çok iyimser değil. Hafif gazın üretimi, depolanması, taşınması ve tedariki hala oldukça enerji yoğun süreçlerdir ve insani gelişmenin şu anki teknolojik aşamasında böyle bir plan etkili olamaz. Ancak bu, araştırmanın ve çözüm arayışlarının devam etmeyeceği anlamına gelmez. Güneş panellerinden elektrik kullanarak sudan hidrojen üretme ve büyük tanklarda depolama önerileri iyimser görünüyor. Öte yandan Sahra Çölü'nde gaz fazında elektrik ve hidrojen üretilmesi, boru hattıyla Akdeniz'e taşınması, sıvılaştırılıp kriyojenik tankerlerle taşınması, limanlara boşaltılması ve nihayet kamyonla taşınması süreci şu anda biraz saçma geliyor ...

Kısa süre önce, Kuzey Denizi'ndeki üretim tesislerinde doğal gazdan hidrojen üretmeyi öneren Norveçli petrol şirketi Norsk Hydro tarafından ilginç bir fikir ortaya atıldı ve artık karbon monoksit, deniz yatağının altındaki tükenmiş tarlalarda depolandı. Gerçek ortada bir yerde yatıyor ve hidrojen endüstrisinin gelişiminin nereye gideceğini sadece zaman gösterecek.

Mazda varyantı

Japon şirketi Mazda da hidrojen motorunun versiyonunu gösteriyor - döner üniteli bir spor araba RX-8 şeklinde. Bu şaşırtıcı değil çünkü Wankel motorunun tasarım özellikleri hidrojeni yakıt olarak kullanmak için son derece uygun. Gaz, özel bir tankta yüksek basınç altında depolanır ve yakıt doğrudan yanma odalarına enjekte edilir. Döner motorlarda enjeksiyon ve yanmanın gerçekleştiği bölgelerin ayrılması ve emme kısmındaki sıcaklığın daha düşük olması nedeniyle kontrolsüz ateşleme olasılığı sorunu önemli ölçüde azalmaktadır. Wankel motoru ayrıca, optimum miktarda hidrojen enjekte etmek için son derece önemli olan iki enjektör için yeterli alan sunar.