BMW è l'idrogenu: u mutore à combustione interna

I prughjetti di a cumpagnia anu iniziatu 40 anni fà cù a versione à idrogenu di a serie 5

BMW hà longu cridutu in a mobilità elettrica. Oghje, Tesla pò esse cunsideratu u puntu di riferimentu in questu spaziu, ma deci anni fà, quandu a cumpagnia americana hà dimustratu u cuncettu di una piattaforma d'aluminiu persunalizata, chì hè stata realizata in a forma di Tesla Model S, BMW hà travagliatu attivamente nantu à a Megacity. Prughjettu di vittura. 2013 hè cummercializatu cum'è BMW i3. A vittura tedesca d'avant-garde usa micca solu una struttura di supportu d'aluminiu cù batterie integrate, ma ancu un corpu fattu di polimeri rinfurzati di carbonu. Tuttavia, ciò chì Tesla hè innegabilmente davanti à i so cuncurrenti hè a so metodulugia eccezziunale, soprattuttu à a scala di u sviluppu di batterie per i veiculi elettrici - da relazioni cù i pruduttori di cellule di lithium-ion à custruisce enormi fabbriche di batterie, cumprese quelli cù applicazioni non-elettriche. mobilità.

Ma tornemu à BMW perchè, à u cuntrariu di Tesla è parechji di i so cuncurrenti, a cumpagnia tedesca crede sempre in a mobilità di l'idrogenu. Ricertamenti, una squadra guidata da u Vicepresidentu di l'Idrogenu Fuel Cells di a cumpagnia, u Dr Jürgen Gouldner, hà presentatu a pila di carburante I-Hydrogen Next, un genset autopropulsatu alimentatu da una reazione chimica à bassa temperatura. Stu mumentu marca u 10th anniversariu di u lanciu di u sviluppu di i veiculi di a pila di carburante di BMW è u 7th anniversariu di a cullaburazione cù Toyota nantu à e pila di carburante. In ogni casu, a fiducia di BMW in l'idrogenu hè di 40 anni è hè una "temperatura calda" assai più.

Questu hè più di un quartu di seculu di sviluppi da a cumpagnia, in quale l'idrogenu hè utilizatu com'è carburante per i motori di combustion interna. Per a maiò parte di quellu periodu, a cumpagnia hà cridutu chì un mutore di combustione interna alimentatu da l'idrogenu era più vicinu à u cunsumadore cà una pila di carburante. Cù una efficienza di circa 60% è una cumminazione di un mutore elettricu cù una efficienza di più di 90%, un mutore di pila di carburante hè assai più efficau di un mutore di combustione interna chì funziona à l'idrogenu. Cumu vedemu in e seguenti linee, cù a so iniezione diretta è a so turbocharge, i motori ridutti d'oghje seranu estremamente adattati per furnisce l'idrogenu - basta chì i sistemi di cuntrollu di iniezione è di combustione adattati sò in u locu. Ma mentre i motori di combustione interna alimentati da l'idrogenu sò tipicamente assai più prezzu di una pila di carburante cumminata cù una batteria di lithium-ion, ùn sò più in l'agenda. Inoltre, i prublemi di a mobilità di l'idrogenu in i dui casi vanu assai più di u scopu di u sistema di propulsione.

È ancu perchè l'idrogenu?

L'idrogenu hè un elementu impurtante in a ricerca di l'umanità per aduprà sempre più fonti d'energia alternative cum'è un ponte per immagazzinà l'energia da u sole, da u ventu, da l'acqua è da a biomasa trasformandula in energia chimica. In termini simplici, questu significa chì l'elettricità generata da queste fonti naturali ùn pò micca esse almacenata in grandi volumi, ma pò esse aduprata per pruduce l'idrogenu scumponendu l'acqua in ossigenu è idrogenu.

Di sicuru, l'idrogenu pò ancu esse estratti da fonti d'idrocarburi non rinnuvevuli, ma questu hè statu longu inaccettabile quandu si tratta di usà cum'è fonte d'energia. Hè un fattu innegabile chì i prublemi tecnologichi di a produzzione, u almacenamentu è u trasportu di l'idrogenu sò solu solu - in pratica, ancu avà, quantità enormi di stu gasu sò prudutte è utilizzate cum'è materie prime in l'industrii chimichi è petrochimici. In questi casi, però, l'altu costu di l'idrogenu ùn hè micca letale, postu chì "fonde" à u costu altu di i prudutti in quale hè implicatu.

In ogni casu, u prublema di usà u gasu ligeru cum'è una fonte d'energia è in grande quantità hè un pocu più cumplicatu. I scientisti anu scuzzulatu a testa per un bellu pezzu in cerca di una pussibuli alternativa strategica à u fuel oil, è l'aumentu di a mobilità elettrica è l'idrogenu pò esse in simbiosi stretta. In u core di tuttu questu hè un fattu simplice ma assai impurtante - l'estrazione è l'usu di l'idrogenu giranu intornu à u ciculu naturale di cumminzioni è di descomposizione di l'acqua ... Se l'umanità migliurà è espansione i metudi di produzzione cù e fonti naturali cum'è l'energia solare, u ventu è l'acqua, l'idrogenu pò esse pruduciutu è aduprate in quantità illimitate senza emette emissioni dannusu.
pruduzzione

Più di 70 milioni di tunnellate di idrogenu puru sò attualmente produtti in u mondu. A materia prima principale per a so pruduzzione hè u gas naturale, chì hè trasfurmatu in un prucessu chjamatu "riforma" (a mità di u tutale). Quantità più chjuche di idrogenu sò prodotte da altri prucessi, cume l'elettrolisi di i cumposti di cloru, l'ossidazione parziale di l'oliu pesante, a gasificazione di u carbone, a pirolisi di u carbone per pruduce u coke è a riforma di l'essenza Circa a metà di a produzzione d'idrogenu in u mondu hè aduprata per a sintesi di ammoniaca (chì hè aduprata cum'è materia prima per a produzzione di fertilizzanti), per a raffinazione di l'oliu è per a sintesi di metanolu.

Questi schemi di pruduzzione caricanu l'ambiente à varii gradi è, sfurtunatamenti, nimu ùn offre una alternativa significativa à u statu quo energeticu attuale - prima perchè usanu fonti non rinnuvevuli, è secondu perchè a produzzione emette sustanzi indesiderati cum'è diossidu di carbonu. U metudu più promettente per a produzzione di l'idrogenu in u futuru resta a descomposizione di l'acqua cù l'aiutu di l'electricità, cunnisciuta in a scola elementaria. Tuttavia, chjude u ciculu di l'energia pulita hè attualmente pussibule solu cù l'usu di l'energia naturale è soprattuttu solare è eolica per generà l'electricità necessaria per decompone l'acqua. Sicondu u duttore Gouldner, i tecnulugii muderni "cunnessi" à i sistemi di u ventu è di u sulari, cumprese picculi stazioni di l'idrogenu, induve l'ultimi sò pruduciuti in situ, sò un grande passu novu in questa direzzione.
Situazione di almacenamiento

L'idrogenu pò esse conservatu in grande quantità sia in fase gassosa sia in fase liquida. I più grandi serbatoi, in cui l'idrogenu hè tenutu à una pressione relativamente bassa, sò chjamati "contatori di gas". Cisterne medie è più chjuche sò adattate per immagazzinà l'idrogenu à una pressione di 30 bar, mentre i cisterne speciali più chjuche (dispositivi costosi fatti di acciai speciali o materiali compositi in fibra di carbonu) mantenenu una pressione costante di 400 bar.
L'idrogenu pò ancu esse almacenatu in una fase liquida à -253 ° C per unità di volume chì cuntene 1,78 volte più energia chì quandu hè almacenatu à 700 bar - per ottene l'equivalente quantità di energia in l'idrogenu liquefied per unità di volume, u gasu deve esse cumpressu finu à 1250 bar. A causa di l'efficienza energetica più alta di l'idrogenu refrigeratu, BMW hè in partenariatu cù u gruppu di refrigerazione tedesca Linde per i so primi sistemi, chì hà sviluppatu i dispositi criogenichi di punta per liquefy è almacenà l'idrogenu. I scientisti offrenu ancu altre alternative, ma menu appiecabili à u mumentu, per almacenà l'idrogenu - per esempiu, almacenamentu sottu pressione in farina metallica speciale, in forma d'idruri metallichi, è altri.

E rete di trasmissione di l'idrogenu esistenu dighjà in e zone cun alta concentrazione di piante chimiche è raffinerie di petroliu. In generale, a tecnica hè simile à quella per a trasmissione di gas naturale, ma l'usu di quest'ultimu per i bisogni di l'idrogenu ùn hè micca sempre pussibule. Tuttavia, ancu in u seculu scorsu, parechje case in e città europee sò state illuminate da gasu leggeru in pipeline, chì cuntene finu à u 50% di idrogenu è chì hè adupratu cum'è carburante per i primi mutori staziunali di combustione interna. U livellu attuale di a tecnulugia permette dighjà u trasportu transcontinentale di l'idrogenu liquefatu per mezu di petroliere criogeniche esistenti, simile à quelle aduprate per u gas naturale.

BMW è u mutore di combustione interna

"L'acqua. L'unicu pruduttu finale di i motori BMW puliti chì usa l'idrogenu liquidu invece di carburante di pitroliu è permette à tutti di gode di e tecnulugia novi cù una cuscenza sana ".

Queste parolle sò una citazione da una campagna publicitaria per una sucietà tedesca à u principiu di u 745u seculu. Duverebbe prumove a versione piuttostu esotica di XNUMX ore d'idrogenu di u flagship di l'automobile bavarese. Esoticu, perchè, secondu BMW, a transizione à l'alternative di carburanti idrocarburi, chì l'industria automobilistica si alimenta da u principiu, richiederà un cambiamentu in tutta l'infrastruttura industriale. À quellu tempu, i Bavariani anu truvatu un percorsu di sviluppu prometitore micca in e pile à combustibile largamente annunziate, ma in a cunversione di i motori à combustione interna per travaglià cù l'idrogenu. BMW crede chì a ristrutturazione in esame hè un prublema risolvibile è hà dighjà fattu un prugressu significativu versu a sfida principale di assicurà prestazioni affidabili di u mutore è eliminendu a so tendenza à a combustione fugitiva cù l'idrogenu puru. U successu in sta direzzione hè duvutu à a cumpetenza in u campu di u cuntrollu elettronicu di i prucessi di u mutore è a capacità di aduprà i sistemi brevettati BMW brevettati per a distribuzione flessibile di gas Valvetronic è Vanos, senza i quali hè impussibile garantisce u normale funziunamentu di i "motori à idrogenu".

In ogni casu, i primi passi in questa direzzione datanu di u 1820, quandu u designer William Cecil hà creatu un mutore alimentatu da l'idrogenu chì opera nantu à u "principiu di vacuum" - un schema completamente sfarente da quellu chì hà inventatu dopu cù un mutore internu. brusgiate. In u so primu sviluppu di i motori di combustione interna 60 anni dopu, u pioniere Otto hà utilizatu u gasu sinteticu digià citatu è derivati ​​​​di carbone cù un cuntenutu di l'idrogenu di circa 50%. In ogni casu, cù l'invenzione di u carburatore, l'usu di gasoline hè diventatu assai più praticu è più sicuru, è u carburante liquidu hà rimpiazzatu tutte l'altri alternattivi chì esistenu finu à avà. I pruprietà di l'idrogenu cum'è carburante sò stati scuperti parechji anni dopu da l'industria spaziale, chì hà scupertu rapidamente chì l'idrogenu avia u megliu rapportu energia / massa di qualsiasi carburante cunnisciutu da l'umanità.

In lugliu 1998, l'Associazione Europea di l'Industria Automobilistica (ACEA) s'impegna à riduce l'emissioni di CO2 per i veiculi novi registrati in l'Unione à una media di 140 grammi per chilometru per u 2008. In pratica, questu significa una riduzione di 25% di emissioni paragunatu à u 1995 è hè equivalente à un consumu mediu di carburante in a nova flotta di circa 6,0 l / 100 km. Questu rende u compitu per e cumpagnie di vittura estremamente difficiule è, secondu l'esperti BMW, pò esse risoltu sia aduprendu carburanti à bassu carbonu sia eliminendu cumpletamente u carbonu da a cumpusizione di carburante. Sicondu sta teoria, l'idrogenu apparisce in tutta a so gloria in a scena automobilistica.
A sucietà bavarese diventa u primu fabbricante di vitture à cumincià a pruduzzione in massa di veiculi à idrogenu. E rivendicazioni optimiste è sicure di u Cunsigliu d'Amministrazione di BMW Burkhard Göschel, Membru di u Cunsigliu di BMW incaricatu di i novi sviluppi, chì "a cumpagnia venderà vitture à idrogenu prima chì a Serie 7 scade", si face realtà. Cù Hydrogen 7, una versione di a settima serie hè stata introdotta in u 2006 è hà un mutore di 12 cilindri da 260 CV. stu missaghju diventa realità.

L'intenzione pare abbastanza ambiziosa, ma per una bona ragione. BMW prova cù i motori à combustione di idrogenu dapoi u 1978, cù a serie 5 (E12), a versione di 1984 ore di l'E 745 hè stata introdotta in u 23, è l'11 di maghju di u 2000, hà dimustratu e capacità uniche di sta alternativa. Una flotta impressiunante di 15 750 cv. L'E 38 "di a settimana" cù mutori à 12 cilindri à idrogenu hà fattu una maratona di 170 km, mettendu in risaltu u successu di a cumpagnia è a prumessa di nova tecnulugia. In 000 è 2001, alcuni di sti veiculi anu continuatu à participà à diverse manifestazioni per prumove l'idea di l'idrogenu. Dopu vene un novu sviluppu basatu annantu à a prossima Serie 2002, aduprendu un mudernu mutore V-7 da 4,4 litri è capace di una velocità massima di 212 km / h, seguitatu da l'ultimu sviluppu cun un mutore V-12 à XNUMX cilindri.

Sicondu l'opinione ufficiale di a sucietà, i motivi per i quali BMW allora anu preferitu sta tecnulugia à e pile à combustibile eranu à tempu cummerciali è psiculogichi. Prima, stu metudu richiederà significativamente menu investimenti in casu di cambiamenti in l'infrastruttura industriale. Dopu, perchè e persone sò abituate à u vechju mutore di combustione interna, li piaci assai è serà difficiule di parte cun ellu. È u terzu, perchè in listessu tempu, sta tecnulugia si sviluppa più veloce di a tecnulugia di e pile à combustibile.

In i vitture BMW, l'idrogenu hè almacenatu in un vasu criogenicu sopra-insulatu, cum'è una buttiglia di termos d'alta tecnulugia sviluppata da u gruppu di refrigerazione tedesca Linde. À a bassa temperatura di almacenamiento, u carburante hè in a fase liquida è entra in u mutore cum'è carburante normale.

I diseggiani di a cumpagnia di Munich utilizanu l'iniezione di carburante in i manifolds d'admission, è a qualità di a mistura dipende da u modu di funziunamentu di u mutore. In u modu di carica parziale, u mutore funziona nantu à mischie magre simili à u diesel - solu a quantità di carburante injected hè cambiata. Questu hè u chjamatu "cuntrollu di qualità" di a mistura, in quale u mutore viaghja cù l'excedente di l'aire, ma per via di a bassa carica, a furmazione di emissioni di nitrogenu hè minimizzata. Quandu ci hè bisognu di una putenza significativa, u mutore cumencia à travaglià cum'è un mutore di gasoline, passendu à a chjamata "regulazione quantitativa" di a mistura è à mischii normali (micca magre). Questi cambiamenti sò pussibuli, da una banda, grazia à a vitezza di u cuntrollu di u prucessu elettronicu in u mutore, è da l'altra banda, grazia à l'operazione flexible di i sistemi di cuntrollu di distribuzione di gas - u "doppiu" Vanos, travagliendu in cunjunzione. cù u sistema di cuntrollu di ingressu Valvetronic senza throttle. Ci hè da esse cunsideratu chì, sicondu l'ingegneri BMW, u schema di travagliu di stu sviluppu hè solu una tappa intermedia in u sviluppu di a tecnulugia è chì in u futuru i mutori duveranu passà per l'iniezione diretta di l'idrogenu in i cilindri è u turbocompressore. Hè previstu chì l'appiecazione di sti metudi hà da purtà à una migliione di u funziunamentu dinamicu di a vittura paragunatu à un mutore di benzina simili è à un aumentu di l'efficienza generale di u mutore di combustione interna di più di 50%.

Un fattu interessante di u sviluppu hè chì cù l'ultimi sviluppi in i motori di combustione interna "idrogenu", i diseggiani in Munich entranu in u campu di e pila di carburante. Adupranu tali dispusitivi per alimentà a rete elettrica di bordu in vitture, eliminendu cumplettamente a bateria convenzionale. Grazie à questu passu, un risparmiu di carburante supplementu hè pussibule, postu chì u mutore di l'idrogenu ùn hà micca bisognu di guidà l'alternatore, è u sistema elettricu di bordu diventa completamente autonomu è indipendente da u percorsu di u drive - pò generà elettricità ancu quandu u mutore ùn hè micca in funziunamentu. è a pruduzzione è u cunsumu di l'energia pò esse cumplettamente ottimizzati. U fattu chì a quantità di elettricità necessaria per alimentà a pompa d'acqua, e pompe d'oliu, i sistemi di frenu è i sistemi di cablaggio ponu avà esse generatu ancu in più risparmi. In ogni modu, in parallelu cù tutte queste innovazioni, u sistema d'iniezione di carburante (gasoline) ùn hà praticamenti micca sottumessu à cambiamenti di designu costuali.

Per prumove e tecnulugie di l'idrogenu in u ghjugnu 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN anu creatu u prugramma di partenariatu CleanEnergy, chì hà iniziatu a so attività cù u sviluppu di stazioni di rifornimentu di GPL. è l'idrogenu cumpressu. In elli, una parte di l'idrogenu hè produttu in situ aduprendu l'elettricità solare, è poi cumpressu, è grandi quantità liquefate venenu da stazioni speciali di produzione, è tutti i vapori da a fase liquida sò automaticamente trasferiti in u serbatu di gas.
BMW hà iniziatu una serie di altri prughjetti cumuni, ancu cù cumpagnie petrolifere, trà i quali i participanti più attivi sò Aral, BP, Shell, Total.
Tuttavia, perchè BMW abbandona queste soluzioni tecnologiche è si concentra sempre nantu à e pile à combustibile, vi diceremu in un altru articulu di sta serie.

Idrogenu in i motori à combustione interna

Hè interessante di nutà chì, per via di e proprietà fisiche è chimiche di l'idrogenu, hè assai più inflammable chì a benzina. In pratica, questu significa chì assai menu energia iniziale hè necessariu per inizià u prucessu di combustione in l'idrogenu. Per d 'altra banda, i mutori di l'idrogenu ponu facilmente usà mischii assai "mali" - qualcosa chì i mutori di benzina muderni ghjunghjenu attraversu tecnulugia cumplessu è caru.

U calore trà e particeddi di a mistura di l'idrogenu-aria hè menu dissipatu, è à u stessu tempu, a temperatura di l'auto-ignition hè assai più altu, cum'è u ritmu di i prucessi di combustione paragunatu à a benzina. L'idrogenu hà una bassa densità è una forte diffusività (a pussibilità di particeddi chì entranu in un altru gasu - in questu casu, l'aria).

Hè a bassa energia di attivazione necessaria per l'autoaccensione chì hè una di e più grandi sfide in u cuntrollu di a combustione in i motori di idrogenu, perchè u mischju pò facilmente spuntaneamente accendere à causa di u cuntattu cù e zone più calde in a camera di combustione è a resistenza dopu una catena di prucessi cumpletamente incontrollati. Evità stu risicu hè unu di i più grandi sfidi in a cuncezzione di i motori à idrogenu, ma ùn hè micca faciule eliminà e cunsequenze di u fattu chì u mischju di combustione altamente dispersu si move assai vicinu à i muri di u cilindru è pò penetrà in spazi estremamente stretti. per esempiu longu à valvule chjose ... Tuttu què deve esse cunsideratu quandu si cuncepisce questi mutori.

Una temperatura d'autoignizione alta è un numeru ottanu elevatu (circa 130) permettenu un aumentu di u raportu di compressione di u mutore è, dunque, a so efficienza, ma dinò ci hè un periculu di autoignizione di l'idrogenu à u cuntattu cù a parte più calda. in u cilindru. U vantaghju di l'alta capacità di diffusione di l'idrogenu hè a pussibilità di mischjà faciule cù l'aria, chì in casu di panna di un serbatu garantisce una dispersione rapida è sicura di u carburante.

A mistura ideale di l'aire-idrogenu per a combustione hà un rapportu di circa 34: 1 (per gasoline sta ratio hè 14,7: 1). Questu significa chì quandu si combina a stessa massa di l'idrogenu è a gasoline in u primu casu, hè necessariu più di duie volte l'aria. À u listessu tempu, a mistura di l'idrogenu-aria occupa assai più spaziu, chì spiega perchè i mutori di l'idrogenu anu menu putenza. Una illustrazione puramente digitale di rapporti è volumi hè abbastanza eloquente - a densità di l'idrogenu pronta per a combustione hè 56 volte menu di a densità di vapore di gasoline ... Tuttavia, deve esse nutatu chì, in generale, i mutori di l'idrogenu ponu operare nantu à mischi d'aria. . l'idrogenu in proporzioni finu à 180: 1 (vale à dì cù mischii assai "mali"), chì à u turnu significa chì u mutore pò eseguisce senza un throttle è aduprà u principiu di i motori diesel. Hè ancu esse citatu chì l'idrogenu hè u capu indiscutibile in a paraguni trà l'idrogenu è a benzina cum'è una fonte di energia di massa - un kilogramu d'idrogenu hà quasi trè volte più energia per kilogramu di gasoline.

Cum'è cù i motori di gasoline, l'idrogenu liquefied pò esse injected direttamente davanti à e valvule in i manifolds, ma a megliu suluzione hè l'iniezione direttamente durante u colpu di compressione - in questu casu, a putenza pò superà quella di un mutore di gasoline comparable da 25%. Questu hè chì u carburante (idrogenu) ùn spusta micca l'aria cum'è cù un mutore di gasoline o diesel, chì permette à a camara di combustione per riempie solu (significativamente più di l'abitudine). Inoltre, à u cuntrariu di i motori di benzina, l'idrogenu ùn hà micca bisognu di turbulenza strutturale, postu chì l'idrogenu senza sta misura diffonde bè cù l'aria. A causa di e diverse tassi di brusgiatura in diverse parti di u cilindru, hè megliu installà duie spark plugs, è in i motori di l'idrogenu, l'usu di l'elettrodi di platinu ùn hè micca adattatu, postu chì u platinu diventa un catalizzatore chì porta à l'ossidazione di carburante ancu à bassa temperatura. .

Opzione Mazda

A cumpagnia giapponese Mazda mostra ancu a so versione di u mutore di l'idrogenu, in a forma di un bloccu rotativu in a vittura sportiva RX-8. Questu ùn hè micca surprisante, postu chì e caratteristiche di u disignu di u mutore Wankel sò assai adattati per utilizà l'idrogenu cum'è carburante.
U gasu hè immagazzinatu sottu alta pressione in un tank speciale è u carburante hè iniettatu direttamente in e camere di combustione. A causa di u fattu chì in u casu di i motori rotanti, e zone in cui l'iniezione è a combustione si producenu sò separate, è a temperatura in a parte di entrata hè più bassa, u prublema cù a possibilità di accensione incontrollata hè significativamente riduttu. U mutore Wankel offre ancu una larga stanza per dui iniettori, chì hè criticu per iniettà a quantità ottimale di idrogenu.

H2R

L'H2R hè un prototipu supersportu di travagliu custruitu da ingegneri BMW è alimentatu da un mutore di 12 cilindri chì righjunghji una pruduzzione massima di 285 hp. quandu travaglia cù l'idrogenu. Grazie à elli, u mudellu sperimentale accelera da 0 à 100 km / h in sei seconde è righjunghji una velocità massima di 300 km / h. U mutore H2R hè basatu annantu à a cima standard utilizata in a benzina 760i è hà pigliatu solu dece mesi per sviluppà. .

Per prevene a combustione spontanea, i specialisti bavaresi anu sviluppatu una strategia speciale per i cicli di flussu è iniezione in a camera di combustione, utilizendu e pussibulità furnite da u sistema di timing di valvula variabile di u mutore. Prima chì a mistura entre in i cilindri, l'ultimi sò rinfriscati da l'aria, è l'ignizione hè realizata solu in u centru mortu superiore - per via di l'altu ritmu di combustione cù carburante di l'idrogenu, l'ignizione ùn hè micca necessariu.