Тэст драйв BMW і вадарод: частка другая

“Вада. Адзіны канчатковы прадукт чыстых рухавікоў BMWвыкарыстанне вадкага вадароду замест нафтавага паліва і прадастаўленне кожнаму магчымасці карыстацца новымі тэхналогіямі з чыстым сумленнем ».

Шлях BMW

Гэтыя словы - цытата з рэкламнай кампаніі нямецкай кампаніі некалькі гадоў таму. На працягу доўгага часу ніхто не падвяргаў сумневу той факт, што баварцы вельмі добрае ведаюць, што яны робяць, калі гаворка ідзе пра маторныя тэхналогіі, і з'яўляюцца аднымі з бясспрэчных сусветных лідэраў у гэтай галіне. Таксама нельга было падумаць, што кампанія, якая ў апошнія гады дэманструе стабільны рост продажаў, кіне кучу грошай на малавядомую рэкламу перспектыўных тэхналогій з нявызначанай будучыняй.

У той жа час, аднак, працытаваныя словы з'яўляюцца часткай кампаніі па прасоўванні даволі экзатычнай 745-гадзіннай вадароднай версіі флагмана баварскага аўтавытворцы. Экзатычна, таму што, па меркаванні BMW, пераход на альтэрнатывы вуглевадароднаму паліву, якім аўтамабільная прамысловасць кармілася з самага пачатку, запатрабуе змены ўсёй вытворчай інфраструктуры. Апошняе неабходна таму, што баварцы бачаць перспектыўны шлях развіцця не ў шырока рэкламуемых паліўных элементах, а ў перакладзе рухавікоў унутранага згарання для працы на вадародзе. BMW лічыць, што разгляданая мадэрнізацыя з'яўляецца развязальнай праблемай, і ўжо дамаглася значных поспехаў у рашэнні асноўнай праблемы дасягненні надзейных характарыстык рухавіка і ўхіленні яго схільнасці да некантралюемых працэсаў згарання з выкарыстаннем чыстага вадароду. Поспех у гэтым кірунку абумоўлены кампетэнцыяй у вобласці электроннага кіравання працэсамі рухавіка і магчымасцю выкарыстання запатэнтаваных BMW сістэм гнуткага газаразмеркавання Valvetronic і Vanos, без якіх забеспячэнне звычайнай працы вадародных рухавікоў было бы немагчыма. Аднак першыя крокі ў гэтым кірунку ставяцца да 1820 году, калі канструктар Уільям Сесіл стварыў рухавік, які працуе на вадародным паліве, які працуе па так званым прынцыпе вакууму схема, моцна адрозная ад схемы пазнейшага вынайдзенага рухавіка з унутраным рухавіком. паленне. У сваёй першай распрацоўцы рухавікоў унутранага згарання праз 60 гадоў першапраходзец Ота выкарыстаў ужо згаданы і атрыманы з вугалю сінтэтычны газ з утрыманнем вадароду каля 50%. Аднак з вынаходствам карбюратара выкарыстанне бензіну стала значна больш практычным і бяспечным, а вадкае паліва замяніла ўсе іншыя альтэрнатывы, якія існавалі да гэтага часу. Уласцівасці вадароду як паліва былі зноўку адкрыты праз шмат гадоў праз касмічнай прамысловасцю, якая хутка выявіла, што вадарод мае лепшае суадносіны «энергія / маса» з усіх відаў паліва, вядомых чалавецтву.

У ліпені 1998 года Еўрапейская асацыяцыя аўтамабільнай прамысловасці (ACEA) узяла на сябе абавязацельства перад Еўрапейскім саюзам скараціць выкіды CO2008 ад новых зарэгістраваных аўтамабіляў у Саюзе ў сярэднім на 2 грамаў на кіламетр да 140 года. На практыцы гэта азначала скарачэнне выкідаў на 25% у параўнанні з 1995 годам, а сярэдні выдатак паліва новага парка склаў каля 6,0 л/100 км. У бліжэйшы час чакаюцца дадатковыя меры па зніжэнні выкідаў вуглякіслага газу на 14 працэнтаў да 2012 года. Гэта робіць задачу для аўтамабільных кампаній надзвычай складанай і, на думку экспертаў BMW, можа быць вырашана або за кошт выкарыстання нізкавугляроднага паліва, або за кошт поўнага выключэння вугляроду са складу паліва. Згодна з гэтай тэорыяй, вадарод зноў з'яўляецца на аўтамабільнай арэне ва ўсёй красе.

Баварская кампанія стала першым вытворцам аўтамабіляў, якія распачалі масавую вытворчасць аўтамабіляў з вадародным рухавіком. Аптымістычныя і ўпэўненыя заявы прафесара Буркхарда Гешэля, чальца рады дырэктараў BMW, адказнага за новыя распрацоўкі, аб тым, што кампанія будзе прадаваць вадародныя аўтамабілі да заканчэння тэрміна дзеяння цяперашняй 7-й серыі , спраўдзіліся. З яго апошняй версіяй Hydrogen 7 сёмы серыі, прадстаўленай у 2006 году, з 12-цыліндравым рухавіком магутнасцю 260 л.з. гэтае паведамленне ўжо стала рэальнасцю. Намер здаваўся даволі амбіцыйным, але не без падстаў. BMW эксперыментуе з рухавікамі ўнутранага згарання, якія працуюць на вадародзе з 1978 года, а 11 мая 2000 года зрабіла унікальную дэманстрацыю магчымасцяў гэтай альтэрнатывы. Уражлівая флатылія з 15 аўтамабіляў 750 гл з папярэдняга пакалення тыдня », якія выкарыстоўваюць вадародныя дванаццаціцыліндравыя рухавікі, пераадолела марафон даўжынёй 170 000 км, асабліва ярка прадэманстраваўшы поспех кампаніі і перспектывы новай тэхналогіі. У 2001 і 2002 гадах некаторыя з гэтых аўтамабіляў працягвалі прымаць удзел у розных дэманстрацыях у падтрымку ідэі вадароду. Затым прыйшоў час новай распрацоўкі, заснаванай на наступнай серыі 7, з выкарыстаннем сучаснага 4,4-літровага васьміцыліндровага рухавіка і здольнай развіваць максімальную хуткасць 212 км/г, за якой рушыла ўслед апошняя распрацоўка з 12-цыліндравым шасціцыліндравым рухавіком. Паводле афіцыйнага меркавання кампаніі, чыннікі, па якіх BMW упадабала гэтую тэхналогію паліўным элементам, маюць як камерцыйную, так і псіхалагічную аснову. Па-першае, гэты метад запатрабуе значна менш інвестыцый у выпадку змены вытворчай інфраструктуры. Па-другое, таму што людзі абвыклі да старога добрага рухавіка ўнутранага згарання, ім ён падабаецца і з ім будзе складана растацца. І, па-трэцяе, тым часам аказалася, што гэтая тэхналогія развіваецца хутчэй, чым тэхналогіі паліўных элементаў.

У аўтамабілях BMW вадарод захоўваецца ў крыягеннай пасудзіне з суперізаляцыяй нешта накшталт высокатэхналагічнага тэрмаса, распрацаванага нямецкай халадзільнай групай Linde. Пры нізкіх тэмпературах захоўвання паліва знаходзіцца ў вадкай фазе і паступае ў рухавік, як звычайнае паліва.

На дадзеным этапе канструктары мюнхенскай кампаніі зрабілі ўпор на непрамы ўпырск паліва, а якасць сумесі залежыць ад рэжыму працы рухавіка. У рэжыме частковай нагрузкі рухавік працуе на збедненых сумесях аналагічна дызельнаму паліву – змена ўносіцца толькі па колькасці ўпырскваемага паліва. Гэта так званае «рэгуляванне якасці» сумесі, пры якой рухавік працуе з лішкам паветра, але з-за малой нагрузкі адукацыя выкідаў азоту зводзіцца да мінімуму. Калі ўзнікае запатрабаванне ў значнай магутнасці, рухавік пачынае працаваць як бензінавы, пераходзячы да так званага «колькаснага рэгулявання» сумесі і звычайным (не збедненым) сумесям. Гэтыя змены магчымыя, з аднаго боку, за кошт хуткасці электроннага кіравання працэсамі ў рухавіку, а з іншай за кошт гнуткай працы сістэм кіравання газаразмеркаваннем падвойных Vanos, якія працуюць сумесна з сістэмай кіравання ўпускам Valvetronic без дросельнай засланкі. Пры гэтым варта ўлічваць, што, па меркаванні інжынераў BMW, працоўная схема гэтай распрацоўкі з'яўляецца толькі прамежкавым этапам у развіцці тэхналогій і што ў будучыні рухавікі пяройдуць на прамое ўпырск вадароду ў цыліндры і турбанаддувам. Чакаецца, што ўжыванне гэтых метадаў прывядзе да лепшых дынамічных характарыстык аўтамабіля, чым у супастаўнага бензінавага рухавіка, і да павелічэння агульнага ККД рухавіка ўнутранага згарання больш за на 50%. Тут мы свядома ўстрымаліся ад дотыку тэмы "паліўных элементаў", бо ў апошні час гэтае пытанне даволі актыўна выкарыстоўваецца. У той жа час, аднак, мы павінны згадаць іх у кантэксце вадароднай тэхналогіі BMW, бо дызайнеры ў Мюнхене вырашылі выкарыстоўваць менавіта такія прылады для харчавання бартавой электрасеткі ў аўтамабілях, цалкам выключыўшы звычайнае харчаванне ад батарэй. Гэты крок робіць магчымай дадатковую эканомію паліва, бо вадародны рухавік не павінен прыводзіць у дзеянне генератар пераменнага току, а бартавая электрычная сістэма становіцца цалкам аўтаномнай і незалежнай ад прываднага гасцінца - яна можа выпрацоўваць электраэнергію, нават калі рухавік не працуе, а таксама вырабляць і спажываць энергія паддаецца поўнай аптымізацыі. Той факт, што для сілкавання вадзяной помпы, алейных помпаў, узмацняльніка тармазоў і правадных сістэм зараз можна вырабляць толькі гэтулькі электраэнергіі, колькі неабходна, таксама прыводзіць да дадатковай эканоміі. Аднак паралельна з усімі гэтымі новаўвядзеннямі сістэма ўпырску паліва (бензінавая) практычна не зведала дарагіх канструктыўных змен. У мэтах пасоўвання вадародных тэхналогій у чэрвені 2002 гады кампаніі BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel Кампанія MAN стварыла партнёрскую праграму CleanEnergy, распачатую сваю дзейнасць з распрацоўкі заправачных станцый звадкаваным і сціснутым вадародам.

BMW з'яўляецца ініцыятарам шэрагу іншых сумесных праектаў, у тым ліку з нафтавымі кампаніямі, сярод якіх найболей актыўнымі ўдзельнікамі з'яўляюцца Aral, BP, Shell, Total. Цікавасць да гэтай перспектыўнай сферы расце ў геаметрычнай прагрэсіі - у бліжэйшыя дзесяць гадоў толькі Еўрасаюз забяспечыць прамыя фінансавыя паступленні ў фонды для фінансавання распрацоўкі і ўкаранення вадародных тэхналогій у памеры 2,8 млрд еўра. Аб'ём інвестыцый прыватных кампаній у развіццё "вадароднага" у гэты перыяд складана прагназаваць, але адназначна, што ён шматкроць перавысіць адлічэнні ад некамерцыйных арганізацый.

Вадарод у рухавіках унутранага згарання

Цікава адзначыць, што з-за фізічных і хімічных уласцівасцяў вадароду ён нашмат больш гаручы, чым бензін. На практыку гэта азначае, што для ініцыявання працэсу гарэння ў вадародзе патрабуецца значна менш пачатковай энергіі. З іншага боку, у вадародных рухавіках можна лёгка выкарыстоўваць вельмі бедныя сумесі чаго сучасныя бензінавыя рухавікі дасягаюць за рахунак складаных і дарагіх тэхналогій.

Цяпло паміж часціцамі вадародна-паветранай сумесі менш рассейваецца, і ў той жа час тэмпература самазагарання і хуткасць працэсаў згарання значна вышэй, чым у бензіну. Вадарод мае нізкую шчыльнасць і моцную дыфузійную здольнасць (магчымасць пранікнення часціц у іншы газ - у дадзеным выпадку ў паветра).

Нізкая энергія актывацыі, неабходная для самазагарання, з'яўляецца адной з самых вялікіх праблем пры кіраванні працэсамі згарання ў вадародных рухавіках, таму што сумесь можа лёгка спантанна ўзгарэцца з-за кантакту з больш гарачымі ўчасткамі ў камеры згарання і супраціву прытрымліванне ланцужку зусім некіравальных працэсаў. Пазбегнуць гэтай рызыкі - адна з самых вялікіх праблем пры распрацоўцы вадародных рухавікоў, але не так проста ўхіліць наступствы таго факту, што моцна дыфузна падпаленая сумесь перамяшчаецца вельмі блізка да сценак цыліндраў і можа пранікаць у надзвычай вузкія зазоры. такія як зачыненыя клапаны, напрыклад… Усё гэта трэба ўлічваць пры праектаванні гэтых рухавікоў.

Высокая тэмпература самазагарання і высокі актанавы лік (парадку 130) дазваляюць павысіць ступень сціску рухавіка і, такім чынам, яго эфектыўнасць, але зноў жа існуе небяспека самазагарання вадароду ад кантакту з больш гарачай часткай. у цыліндры. Перавагай высокай дыфузійнай здольнасці вадароду з'яўляецца магчымасць лёгкага змешвання з паветрам, што ў выпадку паломкі бака гарантуе хуткае і бяспечнае рассейванне паліва.

Ідэальная паветрана-вадародная сумесь для гарэння мае суадносіны прыкладна 34: 1 (для бензіну гэтыя суадносіны складае 14,7: 1). Гэта азначае, што пры сумяшчэнні аднолькавай масы вадароду і бензіну ў першым выпадку запатрабуецца больш за ў два разу больш паветра. У той жа час вадародна-паветраная сумесь займае значна больш месцы, што тлумачыць, чаму рухавікі, якія працуюць на вадародзе, маюць меншую магутнасць. Чыста лічбавая ілюстрацыя суадносін і аб'ёмаў досыць красамоўная - шчыльнасць вадароду, гатовага да спальвання, у 56 разоў менш, чым у пар бензіну…. Аднак варта адзначыць, што ў прынцыпе вадародныя рухавікі могуць таксама працаваць са сумесямі паветра-вадарод у суадносінах да 180: 1 (г.зн. з вельмі "беднымі" сумесямі), што, у сваю чаргу, азначае, што рухавік можа працаваць. без наяўнасці дросельнай засланкі і выкарыстоўваць прынцып працы дызельных рухавікоў. Варта таксама адзначыць, што вадарод з'яўляецца бясспрэчным лідэрам у параўнанні вадароду і бензіну як крыніц энергіі па масе - кілаграм вадароду амаль у тры разы больш энергаёмісты, чым кілаграм бензіну.

Як і ў выпадку з бензінавымі рухавікамі, звадкаваны вадарод можна ўпырскваць непасрэдна перад клапанамі ў калектарах, але аптымальным рашэннем з'яўляецца ўпырскванне непасрэдна падчас такту сціску – у гэтым выпадку магутнасць можа перавышаць на 25% магутнасць аналагічнага бензінавага рухавіка. Гэта злучана з тым, што паліва (вадарод) не выцясняе паветра, як у бензінавым ці дызельным рухавіку, дазваляючы запаўняць камеру згарання толькі паветрам (значна вялікім, чым звычайна). Акрамя таго, у адрозненне ад бензінавых рухавікоў, вадародныя рухавікі не маюць патрэбы ў канструктыўным завіхрэнні, таму што вадарод дастаткова добра дыфузіюе з паветрам без гэтай меры. З-за рознай хуткасці гарэння ў розных частках цыліндру лепш размясціць дзве свечкі запальвання, а ў вадародных рухавіках выкарыстанне плацінавых электродаў немэтазгодна, паколькі плаціна становіцца каталізатарам, якія прыводзяць да акіслення паліва пры нізкіх тэмпературах.

H2R

H2R гэта працоўны прататып суперспорта, створаны інжынерамі BMW і абсталяваны дванаццаціцыліндравым рухавіком, які пры працы на вадародзе дасягае максімальнай магутнасці 285 л.з. Дзякуючы ім эксперыментальная мадэль разганяецца за шэсць секунд з 0 да 100 км/г і дасягае максімальнай хуткасці 300 км/г. Рухавік H2R заснаваны на стандартным топавым агрэгаце, які выкарыстоўваецца ў бензінавым 760i, і на яго распрацоўку сышло ўсяго дзесяць месяцаў. Каб прадухіліць самазагаранне, баварскія спецыялісты распрацавалі спецыяльны цыкл патоку і стратэгію ўпырску ў камеру згарання, выкарыстоўваючы магчымасці, якія прадстаўляюцца сістэмамі змены фаз газаразмеркавання рухавіка. Перад паступленнем сумесі ў цыліндры апошнія астуджаюцца паветрам, а запальванне ажыццяўляецца толькі ў верхняй мёртвай кропцы - з-за высокай хуткасці гарэння пры вадародным паліве "апярэджанне" запальванні не патрабуецца.

Высновы

Вынікі фінансавага аналізу пераходу на чыстую вадародную энергію пакуль не вельмі аптымістычныя. Вытворчасць, захоўванне, транспарціроўка і пастаўка лёгкага газу па-ранейшаму з'яўляюцца дастаткова энергаёмістымі працэсамі, і на цяперашнім тэхналагічным этапе чалавечага развіцця такая схема не можа быць эфектыўнай. Аднак гэта не азначае, што даследаванні і пошук рашэнняў не будуць працягнуты. Прапановы па вытворчасці вадароду з вады з дапамогай электрычнасці ад сонечных батарэй і захоўванні яго ў вялікіх рэзервуарах гучаць аптымістычна. З іншага боку, працэс вытворчасці электраэнергіі і вадароду ў газавай фазе ў пустыні Сахара, транспарціроўка яго ў Міжземнае мора па трубаправодзе, звадкаванне і транспарціроўка яго крыягеннымі танкерамі, разгрузка ў партах і канчатковая транспарціроўка грузавіком у сапраўдны момант гучыць крыху недарэчна …

Цікавая ідэя была нядаўна прадстаўлена нарвежскай нафтавай кампаніяй Norsk Hydro, якая прапанавала вырабляць вадарод з прыроднага газу на вытворчых пляцоўках у Паўночным моры, а рэшткавы аксід вугляроду захоўваўся на знясіленых радовішчах пад марскім дном. Ісціна знаходзіцца недзе пасярэдзіне, і толькі час пакажа, куды пойдзе развіццё вадароднай прамысловасці.

Варыянт Mazda

Японская кампанія Mazda таксама дэманструе сваю версію вадароднага рухавіка - у выглядзе ротарнага агрэгата спорткара RX-8. Гэта нядзіўна, таму што канструктыўныя асаблівасці рухавіка Ванкеля надзвычай падыходзяць для выкарыстання вадароду ў якасці паліва. Газ захоўваецца пад высокім ціскам у спецыяльным баку, а паліва ўпырскваецца непасрэдна ў камеры згарання. Дзякуючы таму, што ў выпадку ротарных рухавікоў вобласці, у якіх адбываецца ўпырск і згаранне, падзеленыя, а тэмпература ва якая ўсмоктвае часткі ніжэй, праблема з магчымасцю некантралюемага ўзгарання значна змяншаецца. Рухавік Ванкеля таксама прапануе дастаткова месца для двух інжэктараў, што надзвычай важна для ўпырску аптымальнай колькасці вадароду.