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 10% 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 10% 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 10% 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 10% 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 10% отстъпка.

auto motor und sport Bulgaria logo

BMW и водородът: двигателят с вътрешно горене

20.05.2020 00:24
BMW и водородът: двигателят с вътрешно горене

Проектите на компанията започват преди 40 години с водородни версии на Сериите 5 и 7

BMW отдавна вярва в електрическата мобилност. Днес за еталон в тази област може и да се смята Tesla, но преди десет години, когато американската компания показваше концепцията за индивидуална алуминиева платформа, която след това се материализира под формата на Tesla Model S, BMW работеше активно по проекта Megacity Vehicle, който от 2013 се предлага на пазара като BMW i3. Авангардният германски автомобил не само използва алуминиева носеща конструкция с интегрирани батерии, но и каросерия от усилени с въглеродни нишки полимери. Това в което Tesla обаче безспорно изпревари конкурентите си е изключителната методичност и най-вече в мащабите на развитието на батериите за електромобили – от връзките с производителите на литиево-йонни клетки до изграждането на огромни заводи за производство на акумулаторни батерии включително такива с приложение извън електрическата мобилност.

Но да се върнем на BMW, защото за разлика от Tesla, а и от много свои конкуренти германската компания продължава да вярва и във водородната мобилност. Наскоро ръководеният от вицепрезидента на компанията с ресор водородни горивни клетки д-р Юрген Гулднер екип представи модела I-Hydrogen Next задвижван от горивна клетка – на практика електрически автомобил произвеждащ сам енергията за задвижването си на базата на нискотемпературна химическа реакция. Този момент бележи 10 годишнина от представянето от началото на разработките на автомобили с горивни клетки на BMW и 7 години от началото на сътрудничеството с Toyota в областта на горивните клетки. Пристрастеността на BMW към водорода обаче датира от преди 40 години и е доста по-„високотемпературна“.

Става дума за продължилата повече от четвърт век развойна работа на компанията, в която водородът е използван в качеството му на гориво за двигателите с вътрешно горене. Пред по-голямата част от този период компанията смята че захранваният с водород двигател с вътрешно горене е по-близък до потребителските нагласи отколкото горивната клетка. С коефициента си на полезно действие от около 60 процента и съчетанието с електромотор с КПД надвишаващ 90 процента задвижването с горивна клетка има много по-висока ефективност от това на двигател с вътрешно горене захранван с водород. Както ще видим на следващите редове, със своето директно впръскване и турбопълнене модерните даунсайзинг двигатели биха били изключително подходящи за захранване с водород – стига да бъдат създадени подходящи системи за впръскване и контрол на горивните процеси. Но, макар, принципно двигателят с вътрешно горене захранван с водород да е доста по-евтин от горивна клетка комбинирана с литиево-йонна батерия, той вече не стои на дневен ред. Освен това проблемите на водородната мобилност и в двата случая стоят далеч отвъд начина на задвижване.

BMW и двигателят с вътрешно горене

“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.”

Тези думи са цитат от една рекламна кампания на германската фирма от началото на 21 век. Тогава тя следва 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. Тогава баварците виждат 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 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 съществували 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) поема ангажимент пред Европейския съюз в срок до 2008 година да намали емисиите на СО2  при новорегистрираните в страните от съюза автомобили средно до 140 грама на километър. На практика това означава 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. 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.

Така, баварската компания става 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” наистина стават факт. С версията Hydrogen 7 на седма серия представена през 2006 година и разполагаща с 12 цилиндров двигател мощност от 260 к.с. това послание става реалност.  

Намерението изглежда доста амбициозно, но съвсем не е лишено от основания. BMW извършват експерименти за задвижване на ДВГ с водород още от 1978 година, с версия на Серия 5 (E12), през 1984 година са представени версиите 745 h на поколението E 23, а на 11 май 2000 година прави уникална демонстрация на способностите на тази алтернатива. Впечатляващата флотилия от 15 автомобила 750 hL от поколението E 38 на „седмицата” с използващи водород дванайсетцилиндрови мотори изминава 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 продължават да участват в различни демонстрации с цел прокламиране на водородната идея. После идва 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 тогава са предпочитали 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.

Конструкторите на мюнхенската фирма използват впръскване на горивото във всмукателните колектори, 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 впръскано 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 трябва да 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%.

Интересен факт от разработката, че именно с последните разработки на „водородни“ ДВГ  конструкторите в Мюнхен влизат в зоната на горивните клетки. Те използват такива устройства за захранване на бордовата електрическа мрежа в автомобилите, елиминирайки изцяло конвенционалното захранване с батерии. Благодарение на тази стъпка става възможна допълнителна 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 компаниите BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN създават програмата за партньорство „CleanEnergy”, която стартира своята дейност с разработката на станции за зареждане с втечнен и сгъстен водород. При тях част от водорода се произвежда на място с помощта на слънчева електроенергия след което се компресира, а по-големите втечнени количества постъпват от специални станции за производство, като всички изпарения от течната фаза автоматично се прехвърлят към газовия резервоар. BMW става инициатор и на редица други съвместни проекти включително и на такива с петролни компании, сред които най-дейните участници са Aral, BP, Shell, Total.

Проблемите при захранването с водород е широк и отвъд самото задвижване, а защо BMW се отказва от тези технологични решения в полза на горивните клетки ще ви разкажем в следващия материал от тази поредица.

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 ефективност 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 е 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 принципа на работа на дизеловите мотори. Трябва задължително да се спомене също така, че водородът е безспорен лидер в сравнението между водорода и бензина като енергийни 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.

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 уи темепература във всмукателната част е по-ниска, проблемът с възможността за некотролирано 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.

H2R

H2R е 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 предотвратят спонтанното самозапалване, баварските специалисти разработват 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.

Текст: Георги Колев

Коментари
comments powered by Disqus