Lái thử BMW và hydro: phần hai

"Nước. Sản phẩm cuối cùng duy nhất của động cơ sạch của BMW là sử dụng hydro lỏng thay vì nhiên liệu dầu mỏ và cho phép mọi người tận hưởng công nghệ mới với lương tâm trong sáng."

BMW cách

Những lời này là một trích dẫn từ một chiến dịch quảng cáo của một công ty Đức vài năm trước. Trong một thời gian dài, không ai đặt câu hỏi rằng người Bavaria biết rất rõ họ đang làm gì khi nói đến công nghệ động cơ và là một trong những nhà lãnh đạo thế giới không thể tranh cãi trong lĩnh vực này. Người ta cũng không nghĩ rằng một công ty đã cho thấy sự tăng trưởng doanh số bán hàng vững chắc trong những năm gần đây lại ném rất nhiều tiền vào những quảng cáo ít được biết đến cho những công nghệ đầy hứa hẹn với một tương lai không chắc chắn.

Tuy nhiên, đồng thời, những từ được trích dẫn là một phần của chiến dịch quảng bá phiên bản chạy bằng hydro 745 giờ khá kỳ lạ của chiếc xe hàng đầu của nhà sản xuất ô tô xứ Bavaria. Kỳ lạ, bởi vì theo BMW, việc chuyển đổi sang các lựa chọn thay thế nhiên liệu hydrocacbon, thứ mà ngành công nghiệp ô tô đã nuôi dưỡng ngay từ đầu, sẽ đòi hỏi sự thay đổi trong toàn bộ cơ sở hạ tầng sản xuất. Điều thứ hai là cần thiết vì người Bavaria nhìn thấy một con đường phát triển đầy hứa hẹn không phải ở pin nhiên liệu được quảng cáo rộng rãi, mà là chuyển đổi động cơ đốt trong sang chạy bằng hydro. BMW tin rằng việc nâng cấp là một vấn đề có thể giải quyết được và đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc giải quyết vấn đề chính là đạt được hiệu suất động cơ đáng tin cậy và loại bỏ xu hướng đốt cháy không kiểm soát bằng hydro tinh khiết. Thành công theo hướng này là nhờ năng lực trong lĩnh vực điều khiển điện tử các quy trình động cơ và khả năng sử dụng hệ thống phân phối khí linh hoạt đã được cấp bằng sáng chế của BMW, Valvetronic và Vanos, nếu không có hệ thống này thì không thể đảm bảo hoạt động bình thường của "động cơ hydro". . Tuy nhiên, những bước đầu tiên theo hướng này bắt đầu từ năm 1820, khi nhà thiết kế William Cecil tạo ra một động cơ chạy bằng nhiên liệu hydro hoạt động theo cái gọi là "nguyên lý chân không" - một sơ đồ rất khác so với sơ đồ của động cơ được phát minh sau này với động cơ bên trong. . đốt cháy. Trong sự phát triển đầu tiên của động cơ đốt trong 60 năm sau, nhà tiên phong Otto đã sử dụng khí tổng hợp có nguồn gốc từ than đá đã được đề cập với hàm lượng hydro khoảng 50%. Tuy nhiên, với việc phát minh ra bộ chế hòa khí, việc sử dụng xăng đã trở nên thiết thực và an toàn hơn rất nhiều, và nhiên liệu lỏng đã thay thế tất cả các lựa chọn thay thế khác tồn tại cho đến nay. Nhiều năm sau, các đặc tính của hydro với tư cách là nhiên liệu đã được ngành công nghiệp vũ trụ khám phá lại, ngành này nhanh chóng phát hiện ra rằng hydro có tỷ lệ năng lượng/khối lượng tốt nhất so với bất kỳ loại nhiên liệu nào mà nhân loại biết đến.

Vào tháng 1998 năm 2008, Hiệp hội Công nghiệp Ô tô Châu Âu (ACEA) đã cam kết với Liên minh Châu Âu để giảm lượng khí thải CO2 từ các phương tiện mới đăng ký trong Liên minh xuống mức trung bình 140 gam / km. Trên thực tế, điều này có nghĩa là giảm 25% lượng khí thải so với năm 1995 và mức tiêu thụ nhiên liệu trung bình của đội xe mới là khoảng 6,0 l / 100 km. Trong tương lai gần, các biện pháp bổ sung dự kiến ​​sẽ giảm 14% lượng khí thải carbon dioxide vào năm 2012. Điều này khiến nhiệm vụ đối với các công ty xe hơi trở nên vô cùng khó khăn và theo các chuyên gia BMW, có thể được giải quyết bằng cách sử dụng nhiên liệu carbon thấp hoặc bằng cách loại bỏ hoàn toàn carbon khỏi thành phần nhiên liệu. Theo lý thuyết này, hydro đang xuất hiện trở lại trong lĩnh vực ô tô với tất cả vinh quang của nó.

Công ty Bavaria trở thành nhà sản xuất xe hơi đầu tiên sản xuất hàng loạt phương tiện chạy bằng hydro. Tuyên bố lạc quan và tự tin của Giáo sư Burkhard Geschel, thành viên hội đồng quản trị BMW chịu trách nhiệm về những phát triển mới, rằng "công ty sẽ bán xe chạy hydro trước khi hết hạn sử dụng của 7 Series hiện tại" đã trở thành sự thật. Với phiên bản mới nhất Hydrogen 7, dòng thứ bảy, được giới thiệu vào năm 2006, với động cơ 12 xi-lanh 260 mã lực. thông điệp này đã trở thành hiện thực. Ý định có vẻ khá tham vọng, nhưng không phải không có lý do. BMW đã thử nghiệm động cơ đốt trong chạy bằng hydro từ năm 1978 và vào ngày 11 tháng 2000 năm 15 đã thực hiện một cuộc trình diễn độc đáo về khả năng của phương pháp thay thế này. Một đội xe ấn tượng gồm 750 chiếc 170 hl từ thế hệ trước của tuần này, chạy bằng động cơ 000 xi-lanh hydro, đã hoàn thành cuộc đua marathon 2001 km, đánh dấu thành công của công ty và hứa hẹn về công nghệ mới. Năm 2002 và 7, một số loại xe này tiếp tục tham gia các cuộc biểu tình khác nhau để ủng hộ ý tưởng hydro. Sau đó, đã đến lúc phát triển mới dựa trên 4,4 Series tiếp theo, sử dụng động cơ V-212 12 lít hiện đại và có khả năng đạt tốc độ tối đa XNUMX km / h, tiếp theo là phát triển mới nhất với động cơ V-XNUMX XNUMX xi-lanh. Theo ý kiến ​​chính thức của công ty, lý do tại sao BMW chọn công nghệ này thay vì pin nhiên liệu là cả thương mại và tâm lý. Thứ nhất, phương pháp này sẽ đòi hỏi đầu tư ít hơn đáng kể nếu cơ sở hạ tầng sản xuất thay đổi. Thứ hai, do người dân đã quen với động cơ đốt trong cũ tốt, họ thích và sẽ khó chia tay nó. Và thứ ba, trong khi đó, hóa ra công nghệ này đang phát triển nhanh hơn công nghệ pin nhiên liệu.

Trong ô tô BMW, hydro được lưu trữ trong một bình siêu lạnh cách nhiệt, giống như một bình giữ nhiệt công nghệ cao do tập đoàn điện lạnh Linde của Đức phát triển. Ở nhiệt độ bảo quản thấp, nhiên liệu ở pha lỏng và đi vào động cơ như nhiên liệu thông thường.

Ở giai đoạn này, các nhà thiết kế của công ty Munich tập trung vào việc phun nhiên liệu gián tiếp, và chất lượng của hỗn hợp phụ thuộc vào chế độ vận hành của động cơ. Ở chế độ tải một phần, động cơ chạy bằng hỗn hợp nạc tương tự như nhiên liệu diesel - sự thay đổi chỉ được thực hiện ở lượng nhiên liệu được phun. Đây là cái gọi là "kiểm tra chất lượng" của hỗn hợp, trong đó động cơ chạy với không khí dư thừa, nhưng do tải trọng thấp, sự hình thành khí thải nitơ được giảm thiểu. Khi cần một công suất đáng kể, động cơ bắt đầu hoạt động giống như động cơ xăng, chuyển sang cái gọi là "kiểm soát định lượng" hỗn hợp và hỗn hợp bình thường (không nạc). Một mặt, những thay đổi này có thể xảy ra do tốc độ điều khiển điện tử của các quá trình trong động cơ, mặt khác do hoạt động linh hoạt của hệ thống điều khiển phân phối khí - Vanos “kép”, hoạt động cùng với Hệ thống kiểm soát lượng Valvetronic không cần bướm ga. Cần lưu ý rằng, theo các kỹ sư BMW, sơ đồ hoạt động của sự phát triển này chỉ là một giai đoạn trung gian trong quá trình phát triển công nghệ và trong tương lai động cơ sẽ chuyển sang chế độ phun hydro trực tiếp vào xi-lanh và tăng áp. Những kỹ thuật này được kỳ vọng sẽ tạo ra động lực xe tốt hơn so với động cơ xăng tương đương và tăng hiệu suất tổng thể của động cơ đốt trong lên hơn 50%. Ở đây chúng tôi cố ý không đề cập đến chủ đề "pin nhiên liệu", vì gần đây vấn đề này đã được sử dụng khá tích cực. Tuy nhiên, đồng thời, chúng ta phải đề cập đến chúng trong bối cảnh công nghệ hydro của BMW, khi các nhà thiết kế ở Munich quyết định chỉ sử dụng các thiết bị như vậy để cung cấp năng lượng cho mạng điện trên xe ô tô, loại bỏ hoàn toàn năng lượng pin thông thường. Động thái này cho phép tiết kiệm nhiên liệu bổ sung, vì động cơ hydro không phải chạy máy phát điện và hệ thống điện trên tàu trở nên hoàn toàn tự động và không phụ thuộc vào đường truyền động - nó có thể tạo ra điện ngay cả khi động cơ không chạy, cũng như sản xuất và tiêu thụ năng lượng cho phép tối ưu hóa hoàn toàn. Thực tế là hiện nay chỉ có thể sản xuất nhiều điện năng cần thiết để cung cấp năng lượng cho máy bơm nước, máy bơm dầu, bộ trợ lực phanh và hệ thống có dây cũng đồng nghĩa với việc tiết kiệm thêm. Tuy nhiên, song song với tất cả những đổi mới này, hệ thống phun nhiên liệu (xăng) thực tế không trải qua những thay đổi thiết kế tốn kém. Để thúc đẩy công nghệ hydro vào tháng 2002 năm XNUMX, Tập đoàn BMW, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN đã tạo ra chương trình hợp tác CleanEnergy, bắt đầu với việc phát triển các trạm nạp hydro hóa lỏng và nén.

BMW là người khởi xướng một số dự án chung khác, bao gồm cả với các công ty dầu mỏ, trong đó Aral, BP, Shell, Total là những người tham gia tích cực nhất. Sự quan tâm đến lĩnh vực đầy hứa hẹn này đang tăng lên theo cấp số nhân - trong mười năm tới, chỉ riêng EU sẽ đóng góp tài chính trực tiếp cho các quỹ tài trợ cho việc phát triển và triển khai các công nghệ hydro với số tiền 2,8 tỷ euro. Khối lượng đầu tư của các công ty tư nhân vào việc phát triển "hydro" trong giai đoạn này rất khó dự đoán, nhưng rõ ràng là nó sẽ nhiều lần vượt quá khoản khấu trừ từ các tổ chức phi lợi nhuận.

Hydro trong động cơ đốt trong

Điều thú vị là do tính chất vật lý và hóa học của hydro, nó dễ cháy hơn nhiều so với xăng. Trong thực tế, điều này có nghĩa là cần ít năng lượng ban đầu hơn nhiều để bắt đầu quá trình đốt cháy hydro. Mặt khác, các hỗn hợp rất nạc có thể dễ dàng sử dụng trong động cơ hydro - điều mà động cơ xăng hiện đại đạt được thông qua các công nghệ phức tạp và đắt tiền.

Nhiệt giữa các hạt của hỗn hợp hydro-không khí ít bị tiêu tán hơn, đồng thời, nhiệt độ tự bốc cháy và tốc độ của quá trình đốt cháy cao hơn nhiều so với xăng. Hydro có mật độ thấp và khả năng khuếch tán mạnh (khả năng các hạt xâm nhập vào một loại khí khác - trong trường hợp này là không khí).

Năng lượng kích hoạt thấp cần thiết để tự đánh lửa là một trong những thách thức lớn nhất trong việc kiểm soát quá trình đốt cháy trong động cơ hydro vì hỗn hợp có thể dễ dàng tự bốc cháy do tiếp xúc với các khu vực nóng hơn trong buồng đốt và khả năng chống lại một chuỗi các quá trình hoàn toàn không được kiểm soát. Tránh rủi ro này là một trong những thách thức lớn nhất trong việc phát triển động cơ hydro, nhưng không dễ loại bỏ hậu quả của việc hỗn hợp cháy có độ khuếch tán cao di chuyển rất gần thành xi lanh và có thể xuyên qua những khoảng trống cực kỳ hẹp. chẳng hạn như van đóng chẳng hạn... Tất cả điều này phải được tính đến khi thiết kế các động cơ này.

Nhiệt độ tự cháy cao và trị số octan cao (khoảng 130) cho phép tăng tỷ số nén của động cơ và do đó, tăng hiệu suất của nó, nhưng một lần nữa có nguy cơ hydro tự động tiếp xúc với bộ phận nóng hơn. trong hình trụ. Ưu điểm của khả năng khuếch tán cao của hydro là khả năng hòa trộn dễ dàng với không khí, điều này trong trường hợp bể chứa có thể xảy ra sự cố, đảm bảo nhiên liệu phân tán nhanh chóng và an toàn.

Hỗn hợp không khí-hydro lý tưởng để đốt cháy có tỷ lệ xấp xỉ 34:1 (đối với xăng tỷ lệ này là 14,7:1). Điều này có nghĩa là khi kết hợp cùng một khối lượng hydro và xăng trong trường hợp đầu tiên, lượng không khí cần nhiều hơn gấp đôi. Đồng thời, hỗn hợp hydro-không khí chiếm nhiều không gian hơn đáng kể, điều này giải thích tại sao động cơ chạy bằng hydro có ít năng lượng hơn. Một minh họa hoàn toàn bằng kỹ thuật số về tỷ lệ và thể tích khá hùng hồn - mật độ hydro sẵn sàng cho quá trình đốt cháy thấp hơn 56 lần so với hơi xăng .... Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, về nguyên tắc, động cơ hydro cũng có thể hoạt động với hỗn hợp không khí-hydro lên tới 180:1 (tức là hỗn hợp rất "nạc"), điều này có nghĩa là động cơ có thể hoạt động được. không có sự hiện diện của van tiết lưu và sử dụng nguyên lý hoạt động của động cơ diesel. Cũng cần lưu ý rằng hydro là chất dẫn đầu không thể tranh cãi khi so sánh hydro và xăng với tư cách là nguồn năng lượng về khối lượng - một kg hydro tiêu tốn nhiều năng lượng hơn gần ba lần so với một kg xăng.

Đối với động cơ xăng, hydro hóa lỏng có thể được phun trực tiếp trước các van trong ống góp, nhưng giải pháp tốt nhất là phun trực tiếp trong kỳ nén - trong trường hợp này, công suất có thể vượt quá 25% so với động cơ xăng tương tự. Điều này là do nhiên liệu (hydro) không thay thế không khí như trong động cơ xăng hoặc diesel, chỉ cho phép không khí (nhiều hơn bình thường) để lấp đầy buồng đốt. Ngoài ra, không giống như động cơ xăng, động cơ hydro không cần cấu trúc xoáy vì hydro khuếch tán đủ tốt với không khí mà không cần biện pháp này. Do tốc độ đốt cháy khác nhau ở các phần khác nhau của xi lanh, tốt hơn là đặt hai bugi và trong động cơ hydro, việc sử dụng điện cực bạch kim là không thực tế, vì bạch kim trở thành chất xúc tác dẫn đến quá trình oxy hóa nhiên liệu ở nhiệt độ thấp.

H2R

H2R là một nguyên mẫu siêu xe thể thao đang hoạt động được chế tạo bởi các kỹ sư BMW và được trang bị động cơ mười hai xi-lanh đạt công suất tối đa 285 mã lực khi chạy bằng hydro. Nhờ chúng, mô hình thử nghiệm tăng tốc từ 0 lên 100 km / h trong sáu giây và đạt tốc độ tối đa 300 km / h Động cơ H2R dựa trên động cơ đầu cuối tiêu chuẩn được sử dụng trong 760i chạy xăng và chỉ mất mười tháng để phát triển. Để ngăn chặn quá trình đốt cháy tự phát, các chuyên gia Bavarian đã phát triển một chu trình dòng chảy đặc biệt và chiến lược phun nhiên liệu vào buồng đốt, sử dụng các khả năng do hệ thống điều phối van biến thiên của động cơ mang lại. Trước khi hỗn hợp đi vào xi lanh, hỗn hợp sau được làm mát bằng không khí và quá trình đánh lửa chỉ được thực hiện ở điểm chết trên - do tốc độ đốt cháy cao của nhiên liệu hydro nên không cần đánh lửa trước.

Những phát hiện

Phân tích tài chính của việc chuyển đổi sang năng lượng hydro tinh khiết vẫn chưa được lạc quan cho lắm. Quá trình sản xuất, lưu trữ, vận chuyển và cung cấp khí nhẹ vẫn là những quá trình tiêu tốn khá nhiều năng lượng, và ở giai đoạn phát triển công nghệ hiện nay của con người, một phương án như vậy không thể hiệu quả. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là nghiên cứu và tìm kiếm các giải pháp sẽ không được tiếp tục. Đề xuất tạo ra hydro từ nước bằng cách sử dụng điện từ các tấm pin mặt trời và lưu trữ nó trong các bể lớn nghe có vẻ lạc quan. Mặt khác, quá trình tạo ra điện và hydro trong pha khí ở sa mạc Sahara, vận chuyển đến Biển Địa Trung Hải bằng đường ống, hóa lỏng và vận chuyển bằng tàu chở dầu đông lạnh, dỡ hàng tại các cảng và cuối cùng vận chuyển bằng xe tải nghe có vẻ hơi nực cười vào lúc này ...

Một ý tưởng thú vị gần đây đã được trình bày bởi công ty dầu mỏ Na Uy Norsk Hydro, đề xuất sản xuất hydro từ khí tự nhiên tại các địa điểm sản xuất ở Biển Bắc, và carbon monoxide còn lại được lưu trữ trong các mỏ cạn kiệt dưới đáy biển. Sự thật nằm ở đâu đó, và chỉ có thời gian mới trả lời được sự phát triển của ngành công nghiệp hydro sẽ đi đến đâu.

Biến thể Mazda

Công ty Nhật Bản Mazda cũng đang trưng bày phiên bản động cơ hydro của mình - dưới dạng một chiếc xe thể thao RX-8 có bộ phận quay. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên, vì đặc điểm thiết kế của động cơ Wankel cực kỳ phù hợp với việc sử dụng hydro làm nhiên liệu. Khí được lưu trữ dưới áp suất cao trong một bình chứa đặc biệt và nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt. Do trong trường hợp động cơ quay, các khu vực diễn ra quá trình phun và đốt cháy được tách biệt, đồng thời nhiệt độ ở phần hút thấp hơn nên vấn đề về khả năng đánh lửa không kiểm soát được giảm đáng kể. Động cơ Wankel cũng cung cấp đủ không gian cho hai kim phun, điều cực kỳ quan trọng để bơm lượng hydro tối ưu.