Вход

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

0 продукта | 0 лв.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 20% отстъпка.

auto motor und sport Bulgaria logo

BMW и водородът: Част втора

07.01.2007 20:21
Туит

“Вода. Единственият краен продукт на чистите двигатели на BMW, използващи течен водород вместо нефтени горива и позволяващи на всеки да се наслади на новите технологии с напълно чиста съвест.”

Пътят на BMW

Тези думи са цитат от една рекламна кампания на германската фирма отпреди няколко години. Отдавна никой не подлага на съмнение факта, че баварците знаят много добре какво правят, когато става въпрос за двигателни технологии и са сред безпорните световни лидери в тази област. Едва ли някой би помислил също, че компанията, отчитаща непрекъснат ръст на продажбите през последните години, би хвърлила куп пари за реклами с неясен ефект, отнасящи се за перспектвни технологи с неопределено бъдеще...

В същото време обаче, цитираните думи са част от кампания която следваше да популяризира доста екзотичната водородна версия 745 h на флагмана на баварския автомобилостроител. Екзотична, защото според BMW преходът към алтернативи на въглеводородните горива, с които автомобилостроенето е закърмено от самата си поява, ще изисква промяна на цялата индустриална инфраструктура. Последната се налага, защото баварците намират перспективен път на развитие не в широко рекламираните горивни клетки, а в преоборудването на двигателите с вътрешно горене за работа със водород. BMW считат, че въпросното преоборудване е решим проблем и вече бележат сериозен напредък в справянето с главното предизвикателство – постигането на надеждна работа на двигателя и елиминирането на склонността му към неконтролирани горивни процеси при използване на чист водород. Успехите в тази насока се дължат на компетентността в електронния контрол на процесите в двигателя и възможността за използване на патентованите от BMW системи за гъвкава промяна на газоразпределението Valvetronic и Vanos, без които гарантирането на нормална работа на „водородните двигатели” би било невъзможно. Първите стъпки в тази насока обаче датират още от 1820 година, когато конструкторът Уилям Сесил създава задвижван с водородно гориво двигател, работещ по т. нар. “вакуумен принцип” – схема, доста по-различна от тази на изобретения по-късно двигател с вътрешно горене. В първите си разработки на двигатели с вътрешно горене 60 години по-късно, пионерът Ото използва за гориво вече споменатия и получен от въглища синтетичен газ с около 50% водородно съдържание. С изобретяването на карбуратора обаче, употребата на бензин става значително по-практична и сигурна и течното гориво измества всички други съчествували до момента алтернативи. Качествата на водорода като гориво са преоткрити много години след това от космическата индустрия, която бързо открива, че водородът притежава най-доброто съотношение „енергия/маса” от всички познати на човечеството горива. 

През юли 1998 година „Асоциацията на европейската автомобилна индустрия” (ACEA) пое ангажимент пред Европейския съюз в срок до 2008 година да намали емисите на СО2  при новорегистрираните в страните от съюза автомобили средно до 140 грама на километър. На практика това означаваше намаление на емисиите със 25% в сравнение с тези през 1995 година и се равнява на постигане на среден разход на гориво на новия автомобилен парк от около 6,0 л/100 км. Скоро се очаква и приемането на допълнителни мерки за намаляване на емисиите от въглероден двуокис с 14% в периода до 2012 година. С това задачата пред автомобилните компании става извънредно сложна и според експертите на BMW би могла да бъде разрешена или с използване на горива с намалено въглеродно съдържание, или с пълното елиминиране на въглерода от състава на горивата. По силата на тази теория водородът отново излиза на автомобилната сцена в пълния си блясък.

Баварската компания бе първият автомобилен производител, имащ намерение да започне серийно производство на автомобили, задвижвани с водород. Изпълнените с оптимизъм и самоувереност твърдения на отговорния за новите разработки член на борда на директорите на BMW проф. Буркхард Гьошел, че „компанията ще предложи на пазара водородни автомобили още преди да е изтекъл срока на производство на текущата 7-ма серия” станаха факт. С последената си версия Hydrogen 7 на седма серия представена през 2006 година и разполагаща с 12 цилиндров двигател мощност от 260 к.с. това послание вече е реалност.  Намерението изглеждаше доста амбициозно, но съвсем не бе лишено от основания. BMW извършват експерименти за задвижване на ДВГ с водород още от 1978 година, а на 11 май 2000 година направиха уникална демонстрация на способностите на тази алтернатива. Впечатляващата флотилия от 15 автомобила 750 hL от предишното поколение на „седмицата” с използващи водород дванайсетцилиндрови мотори измина маратон с дължина 170 000 км, показвайки по особено ярък начин успехите на фирмата и перспективите пред новата технология. През 2001 и 2002 година част от тези автомобили продължиха да участват в различни демонстрации с цел прокламиране на водородната идея. После дойде време и за новата разработка, базирана на следващата 7-ма серия, използваща модерния 4,4-литров осемцилиндров двигател и способна да развие максимална скорост от 212 км/ч, последвана от последната разработка с 12-цилиндров шестлитров мотор. Според официалното становище на компанията, причините, поради които BMW са предпочетели тази технология пред горивните клетки имат както комерсиални, така и психологически основи. На първо място този способ би изисквал значително по-малко инвестиции при една евентуална промяна на индустриалната инфраструктура. Второ, защото хората са свикнали с добрия стар двигател с вътрешно горене, обичат го и трудно ще се разделят с него. И трето, защото междувременно се оказа, че тази технология напредва с по-бързи темпове от тези на горивните клетки.

В автомобилите на BMW водородът се съхранява в криогенен съд със суперизолация – нещо като високотехнологичен термос, разработен от германския хладилен концерн Linde. При ниската температура на съхранение горивото се намира в течна фаза и постъпва в двигателя като конвенционалните горива.

На този етап конструкторите на мюнхенската фирма са се спрели на индиректното впръскване на горивото, като качеството на сместа зависи от режима на работа на двигателя. В режим на частично натоварване двигателят работи с бедни смеси  подобно на дизеловите - извършва се промяна само по отношение на количеството на впръскнато гориво. Става въпрос за т. нар. „качествено регулиране” на смесобразуването, при което двигателят работи с излишък на въздух, но поради малкото натоварване образуването на азотни емисии е сведено до минимум. Когато възникне нужда от значителна мощност, двигателят започва да работи като бензинов мотор, преминавайки към т. нар. „количествено регулиране” на смесообразуването и към нормални (необеднени) смеси. Тези промени стават възможни от една страна благодарение на бързодействието на електронното управление на процесите в мотора, а от друга вследствие на гъвкавото действие на системите за контрол на газоразпределението -  „двоен” Vanos, работещ съвместно със системата Valvetronic за управление на всмукването без дроселова клапа. Трябва да се има предвид, че според инженерите от BMW работната схема на тази разработка е само междинен етап от еволюцията на технологията и че в бъдеще двигателите ще преминат към директно впръскване на водород в цилиндрите и турбокомпресорно пълнене. Очаква се прилагането на тези техники да доведе до по-добри динамични показатели на автомобила от тези при сравним бензинов мотор и до повишаване на общия коефициент на полезно действие на двигателя с вътрешно горене от над 50%. Тук умишлено се въздържахме от засягане на темата „горивни клетки” тъй като този въпрос е доста експлоатиран напоследък. В същото време обаче сме длъжни да ги споменем в контекста на казаното за водородните технологии на BMW, тъй като конструкторите в Мюнхен са решили да използват именно такива устройства за захранване на бордовата електрическа мрежа в автомобилите, елиминирайки изцяло конвенционлното захранване с батерии. Благодарение на тази стъпка става възможна допълнитена икономия на гориво, тъй като задвижваният с водород двигател не трябва да задвижва алтернатор, а бордовата електросистема става напълно автономна и независима от задвижващия тракт - тя може да генерира електричество дори при неработещ двигател, а производството и консумацията на енергията се поддава на пълна оптимизация. До допълнителни икономии води и обстоятелството, че за електрозахранването на водната помпа, маслените помпи, сервоусилвателя на спирачната уредба и системите „by-wire” вече може да се произвежда само толкова електроенергия, колкото е необходимо. Паралелно с всички тези нововъведения обаче, системата за впръскване на гориво (бензин) не е претърпяла почти никакви скъпи конструктивни изменения. С цел пропагандиране на водородните технологии, през юни 2002 година компаните BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN създадоха програмата за партньорство „CleanEnergy”, която стартира своята дейност с разработката на станции за зареждане с втеченен и сгъстен водород. При тях част от водорода се произвежда на място с помощта на слънчева електронергия след което се компресира, а по-големите втеченени количества постъпват от специални станции за производство, като всички изпарения от течната фаза автоматично се прехвърлят към газовия резервор.

BMW е инициатор и на редица други съвместни проекти включително и на такива с петролни компании, сред които най-дейните участнци са Aral, BP, Shell, Total. Интересът към тази перспективна област нараства главоломно - в следващияте десет години само Европейският съюз ще осигури директни финансови постъпления във фондовете за финансиране на разработките и реализацията на водородни техниологии в размер на 2,8 милирда евро. Обемът на инвестициите на частните компании във „водородни” разработки в този период трудно може да се прогнозира, но е сигурно, че ще надхвърли многократно отчисленията от некомерсиалните организации.

Водородът в ДВГ

Интересно е да се отбележи, че поради физическите и химически свойства на водорода, той е много по-лесно възпламеним от бензина. На практика това означава, че за да се инициира процес на горене при водорода е необходимо влагането на много по-малка първоначална енергия. От друга страна във водородните двигатели с лекота могат да се използват и много „бедни” смеси – нещо, което при съвременните бензинови двигатели се постига с цената на сложни и скъпи технологии.

Топлината между частиците на водородо-въздушната смес се разсейва по-слабо, а едновременно с това при него температурата на самовъзпламеняване е значително по-висока, както е по-висока и скоростта  на горивните процеси в сравнение с тези при бензина. Водородът има малка плътност и силна дифузионна способност (възможност за проникване на частиците в друг газ - в този случай във въздуха).

Именно малката активираща енергия, необходима за самовъзпламеняване е един от най-големите проблеми по отношение на контрола на горивните процеси при двигателите, използващи  водород, защото сместа лесно може да се запали самоволно вследствие от контакта до по-горещи зони в горивната камерата и да повлече след себе си верига от напълно неконтролируеми процеси. Избягването на този риск е едно от най-големите предизвикателства при конструирането на  водородните двигатели, но не по-лесно е да се елиминират следствията от факта, че силно дифузната горящата смес се движи изключително близо до цилиндровите стени и може да  проникне през извънредно тесни процепи като покрай притворените клапани например... Всичко това задължително се отчита при проектирането на тези двигатели.

Високата температура на самозапалване и високото октаново число (от порядъка на 130) дават възможност степента на сгъстяване на двигателя, а оттам и неговата ефктивност да се увеличи, но при това отново се появява опасността от самозапалване на водорода от допира до по-силно загрята част в цилиндъра. Предимство на високата дифузионна способност на водорода е възможността за лесно смесване с въздуха, което пък при пробив на резервоара гарантира бързо и безопасно разсейване на горивото.

Идеалната по отношение на горенето смес въздух-водород е със съотношение от около 34:1 (при бензина тази пропорция е 14,7:1). Това означава, че при съединяването на една и съща маса водород и бензин, в първия случай ще необходим над два пъти повече въздух. В същото време водородо-въздушната смес заема значително по-голямо пространство което обяснява защо двигателите, работещи с водород имат по-малка мощност. Чисто цифровата илюстрация на съотношенията и обемите е достатъчно красноречива - плътността на готовия за изгаряне водород е 56 пъти по-малка от тази на бензиновите пари....  Трябва да отбележим обаче, че по принцип водородните двигатели могат да работят и със смеси въздух-водород в съотношение до 180:1 (т. е. с много „бедни” смеси), което на свой ред означава, че моторът би могъл да функционира без наличието на дроселова клапа и да ползва приниципа на работа на дизеловите мотори. Трябва задължително да се спомене също така, че водородът е безспорен лидер в сравнението между водорода и бензина като енргийни източници на база маса - килограм водород има почти три пъти по-високо енергийно съдържание от килограм  бензин.

Както и при бензиновите двигатели, втечненият водород може да се впръсква и непосредствено пред клапаните в колекторните тръби, но оптималното решение е впръскването да става директно по време на такта сгъстяване - в този случай мощността може да надвиши с 25% тази на сравним бензинов двигател. Това се дължи на факта, че горивото (водородът) не измества въздуха както при бензиновия или дизеловия двигател, позволявайки горивната камера да е изпълнена само със (значително по-голямо от обичайното количество) въздух. Освен това за разлика от бензиновите двигатели, при водородния не е необходимо конструктивно да се организира завихряне, защото водородът дифузира достатъчно добре с въздуха и без тази мярка. Поради различните скорости на горене в отделните участъци на цилиндъра е по-добре да се поставят две свещи, като при водородните двигатели използването на платинени електроди не е уместно, защото платината се превръща в катализатор който води да окисляване на горивото още при ниски температури.

H2R

H2R е действащ суперспортен прототип, създаден от инженерите на BMW и оборудван с дванайсетцилиндров мотор, който при работа с водород достига максимална мощност от 285 к. с. Благодарение на тях експерименталният модел се ускорява за шест секунди от 0 до 100 км/ч и достига максимална скорост от 300 км/ч. Моторът на H2R е базиран на серийния топагрегат, използван в бензиновия 760i, а за разработката са били необходими едва десет месеца. За да продотвратят спонтанното самозапалване, баварските специалисти са разработили специален цикъл за движение на потоците и стратегия за впръскване в горивната камера, използвайки възможностите, предоставени от системите за променливо газоразпределние на двигателя. Преди сместа да навлезе в цилиндрите последните се охлаждат с въздух, а запалването се извършва чак в горна мъртва точка - поради високата скорост на горене, при водородното гориво „авансът” на запалването не е необходим.

Изводите

Резултатите от финасовите анлизи за преминаването към чисто водородна енергетика засега не са особено оптимистични. Производството, съхранението, транспортът и доставката на лекия газ все още са доста енергоемки процеси и на настоящия технологичен етап на развитие на човечеството подобна схема не би могло да бъде ефективна. Това обаче не означава, че изследванията и търсенето на решения няма да продължат. Оптимистично звучат непример продложенията за производство на водород от вода с електроенергия от слънчеви клетки и съхранението му в големи резервоари. От друга страна обаче процесът на производство на ток и водород в газова фаза в пустинята Сахара, транспортирането му до Средиземно море по тръбопроводи, втечняването и пренасянето с криогенни танкери, разтоварването в пристанища и заключителния превоз с камиони в момента звучи малко нелепо...

Наскоро интересна идея представи норвежката петролна компания Norsk Hydro, която предложи водородът да се произвежда от природния газ още на станциите за добив в Северно Море, а остатъчният въглероден окис да се съхранява в опразнените находища под морското дъно. Истината е някъде по средата и в края на краищата само времето ще покаже накъде ще тръгне развитието на водородната индустрия

Вариантът на Mazda

Японската компания Mazda също демонстрира своя версия на водороден двигател - при това под формата на роторния агрегат на спортния автомобил RX-8. В това няма нищо чудно, защото конструктивните особености на ванкеловия двигател се оказват изключително подходящи за употреба на водорода като гориво. Газът се съхранява под високо налягане в специален резервоар, а горивото се впръсква директно в горивните камери. Поради това, че при роторните двигатели зоните, в които се извършва впръскването и изгарянето са отделни и темепература във всмукателната част е по-ниска, проблемът с възможността за неконтролирано запалване значително се намалява. Ванкеловият двигател предлага и достатъчно място за поставяне на два инжектора, което е изключително важно за впръскване на оптималното количество водород.

 

Коментари
comments powered by Disqus