BMW e o hidróxeno: o motor de combustión interna

Os proxectos da compañía comezaron hai 40 anos coa versión de hidróxeno da serie 5

BMW creu durante moito tempo na mobilidade eléctrica. Hoxe, Tesla pódese considerar o referente nesta área, pero hai dez anos, cando a compañía estadounidense demostrou o concepto dunha plataforma de aluminio personalizada, que logo se realizou baixo a forma do Tesla Model S, BMW estaba a traballar activamente na Megacity. Proxecto de vehículos. 2013 comercialízase como o BMW i3. O coche alemán de vangarda non só utiliza unha estrutura de soporte de aluminio con baterías integradas, senón tamén unha carrocería feita de polímeros reforzados con carbono. Non obstante, o que Tesla está innegablemente por diante dos seus competidores é a súa metodoloxía excepcional, especialmente na escala do desenvolvemento de baterías para vehículos eléctricos, desde as relacións con fabricantes de células de ión-litio ata a construción de enormes fábricas de baterías, incluíndo aquelas con aplicacións non eléctricas. mobilidade.

Pero volvamos a BMW porque, a diferenza de Tesla e moitos dos seus competidores, a compañía alemá segue crendo na mobilidade do hidróxeno. Recentemente, un equipo dirixido polo vicepresidente de pilas de combustible de hidróxeno da compañía, o doutor Jürgen Gouldner, presentou a pila de combustible I-Hydrogen Next, un grupo electróxeno autopropulsado impulsado por unha reacción química a baixa temperatura. Neste momento cúmprense o décimo aniversario do lanzamento do desenvolvemento de vehículos de pila de combustible de BMW e o sétimo aniversario da colaboración con Toyota en materia de pilas de combustible. Non obstante, a dependencia de BMW do hidróxeno remóntase a 10 anos e é unha temperatura moito máis quente.

Trátase de máis dun cuarto de século de desenvolvementos da empresa, nos que se utiliza o hidróxeno como combustible para motores de combustión interna. Durante gran parte dese período, a compañía creu que un motor de combustión interna alimentado por hidróxeno estaba máis preto do consumidor que unha pila de combustible. Cunha eficiencia de preto do 60% e unha combinación dun motor eléctrico cunha eficiencia superior ao 90%, un motor de pila de combustible é moito máis eficiente que un motor de combustión interna que funciona con hidróxeno. Como veremos nas seguintes liñas, coa súa inxección directa e turbocompresor, os motores reducidos actuais serán moi axeitados para entregar hidróxeno, sempre que se dispoñan dos sistemas de control de inxección e combustión adecuados. Pero aínda que os motores de combustión interna alimentados por hidróxeno adoitan ser moito máis baratos que unha pila de combustible combinada cunha batería de ión-litio, xa non están na axenda. Ademais, os problemas de mobilidade do hidróxeno en ambos casos van moito máis alá do alcance do sistema de propulsión.

E aínda por que o hidróxeno?

O hidróxeno é un elemento esencial na procura da humanidade de empregar cada vez máis fontes de enerxía alternativas, como unha ponte para almacenar a enerxía do sol, o vento, a auga e a biomasa converténdoa en enerxía química. En termos sinxelos, isto significa que a electricidade xerada por estas fontes naturais non se pode almacenar en grandes volumes, senón que se pode usar para producir hidróxeno descompoñendo auga en osíxeno e hidróxeno.

Por suposto, o hidróxeno tamén se pode extraer de fontes de hidrocarburos non renovables, pero hai tempo que é inaceptable cando se trata de utilizalo como fonte de enerxía. É un feito innegable que os problemas tecnolóxicos de produción, almacenamento e transporte de hidróxeno son solucionables - na práctica, aínda agora, grandes cantidades deste gas prodúcense e utilízanse como materias primas nas industrias química e petroquímica. Nestes casos, porén, o elevado custo do hidróxeno non é letal, xa que se “derrete” polo elevado custo dos produtos nos que está implicado.

Non obstante, o problema do uso do gas lixeiro como fonte de enerxía e en grandes cantidades é un pouco máis complicado. Os científicos levan moito tempo movendo a cabeza na procura dunha posible alternativa estratéxica ao fuel, e o aumento da mobilidade eléctrica e do hidróxeno pode estar en estreita simbiose. No fondo de todo isto hai un feito sinxelo pero moi importante: a extracción e o uso do hidróxeno xira arredor do ciclo natural de combinación e descomposición da auga... Se a humanidade mellora e amplía os métodos de produción utilizando fontes naturais como a enerxía solar, o vento e a auga, pódese producir e utilizar hidróxeno en cantidades ilimitadas sen emitir emisións nocivas.
produción

Actualmente prodúcense máis de 70 millóns de toneladas de hidróxeno puro no mundo. A principal materia prima para a súa produción é o gas natural, que se procesa nun proceso coñecido como "reformar" (a metade do total). Outros procesos producen cantidades menores de hidróxeno, como a electrólise de compostos de cloro, a oxidación parcial do petróleo pesado, a gasificación do carbón, a pirólise do carbón para producir coque e a reforma da gasolina. Aproximadamente a metade da produción mundial de hidróxeno úsase para a síntese de amoníaco (que se usa como materia prima na produción de fertilizantes), na refinación de petróleo e na síntese de metanol.

Estes esquemas de produción cargan o medio ambiente en diferentes graos e, por desgraza, ningún deles ofrece unha alternativa significativa ao actual status quo enerxético, en primeiro lugar porque utilizan fontes non renovables e, en segundo lugar, porque a produción emite substancias non desexadas como o dióxido de carbono. O método máis prometedor para a produción de hidróxeno no futuro segue sendo a descomposición da auga coa axuda da electricidade, coñecida na escola primaria. Non obstante, o peche do ciclo das enerxías limpas só é posible na actualidade mediante o uso da enerxía natural e especialmente solar e eólica para xerar a electricidade necesaria para descompoñer a auga. Segundo o doutor Gouldner, as tecnoloxías modernas "conectadas" aos sistemas eólicos e solares, incluíndo pequenas estacións de hidróxeno, onde estas últimas se producen in situ, son un gran novo paso nesta dirección.
Situación de almacenamento

O hidróxeno pode almacenarse en grandes cantidades tanto en fase gasosa como en fase líquida. Os maiores depósitos deste tipo, que conteñen hidróxeno a unha presión relativamente baixa, chámanse "contadores de gas". Os tanques medianos e pequenos son axeitados para almacenar hidróxeno a unha presión de 30 bar, mentres que os tanques especiais máis pequenos (dispositivos caros feitos de aceiro especial ou compostos reforzados con fibra de carbono) manteñen unha presión constante de 400 bar.
O hidróxeno tamén se pode almacenar nunha fase líquida a -253 °C por unidade de volume que contén 1,78 veces máis enerxía que cando se almacena a 700 bar; para conseguir a cantidade equivalente de enerxía en hidróxeno licuado por unidade de volume, o gas debe comprimirse ata 1250 bar. Debido á maior eficiencia enerxética do hidróxeno arrefriado, BMW está asociado co grupo alemán de refrixeración Linde para os seus primeiros sistemas, que desenvolveu dispositivos crioxénicos de última xeración para licuar e almacenar o hidróxeno. Os científicos tamén ofrecen outras alternativas, pero menos aplicables no momento, para almacenar hidróxeno, por exemplo, almacenamento a presión en fariña metálica especial, en forma de hidruros metálicos, etc.

Xa existen redes de transmisión de hidróxeno en zonas con alta concentración de plantas químicas e refinerías de petróleo. En xeral, a técnica é semellante á da transmisión de gas natural, pero non sempre é posible o uso deste para as necesidades de hidróxeno. Non obstante, incluso no século pasado, moitas casas das cidades europeas foron iluminadas por gas lixeiro por gasoduto, que contén ata un 50% de hidróxeno e que se usa como combustible para os primeiros motores de combustión interna estacionarios. O nivel actual de tecnoloxía xa permite o transporte transcontinental de hidróxeno licuado a través de petroleiros crioxénicos existentes, similares aos usados ​​para o gas natural.

BMW e o motor de combustión interna

"Auga. O único produto final dos motores limpos de BMW que usa hidróxeno líquido en lugar de combustible de petróleo e que permite a todos gozar das novas tecnoloxías coa conciencia tranquila”.

Estas palabras son unha cita dunha campaña publicitaria para unha empresa alemá a principios do século XXI. Debería promover a versión bastante exótica de hidróxeno de 745 horas do buque insignia do fabricante bávaro. Exótico, porque, segundo BMW, a transición cara a alternativas de combustible de hidrocarburos, coa que a industria automobilística se alimentou desde o principio, requirirá un cambio en toda a infraestrutura industrial. Naquel momento, os bávaros atoparon un camiño de desenvolvemento prometedor non nas células de combustible moi anunciadas, senón na conversión de motores de combustión interna para traballar con hidróxeno. BMW cre que a reforma en consideración é un problema solucionable e xa está a avanzar significativamente cara ao desafío clave de garantir un rendemento fiable do motor e eliminar a súa tendencia á combustión sen fuga usando hidróxeno puro. O éxito nesta dirección débese á competencia no campo do control electrónico dos procesos do motor e á capacidade de usar os sistemas patentados BMW patentados para a distribución flexible de gas Valvetronic e Vanos, sen os cales é imposible garantir o funcionamento normal dos "motores de hidróxeno".

Non obstante, os primeiros pasos nesta dirección remóntanse a 1820, cando o deseñador William Cecil creou un motor alimentado con hidróxeno que funcionaba co chamado "principio do baleiro", un esquema completamente diferente ao que máis tarde se inventou cun motor interno. ardendo. No seu primeiro desenvolvemento de motores de combustión interna 60 anos despois, o pioneiro Otto utilizou o xa mencionado gas sintético derivado do carbón cun contido de hidróxeno de preto do 50%. Porén, coa invención do carburador, o uso da gasolina fíxose moito máis práctico e seguro, e o combustible líquido substituíu a todas as outras alternativas que existían ata agora. As propiedades do hidróxeno como combustible foron descubertas moitos anos despois pola industria espacial, que rapidamente descubriu que o hidróxeno tiña a mellor relación enerxía/masa de calquera combustible coñecido pola humanidade.

En xullo de 1998, a Asociación Europea da Industria do Automóbil (ACEA) comprometeuse a reducir as emisións de CO2 dos vehículos recentemente matriculados na Unión a unha media de 140 gramos por quilómetro no 2008. Na práctica, isto significa unha redución do 25% das emisións en comparación con 1995 e equivale a un consumo medio de combustible na nova flota duns 6,0 l / 100 km. Isto fai que a tarefa das empresas de automóbiles sexa extremadamente difícil e, segundo os expertos de BMW, pódese resolver empregando combustibles baixos en carbono ou eliminando completamente o carbono da composición do combustible. Segundo esta teoría, o hidróxeno aparece en toda a súa gloria na escena do automóbil.
A compañía bávara convértese no primeiro fabricante de automóbiles en comezar a produción en masa de vehículos propulsados ​​por hidróxeno. As afirmacións optimistas e confiadas do consello de administración de BMW, Burkhard Göschel, membro do consello de BMW responsable dos novos desenvolvementos, de que "a compañía venderá coches de hidróxeno antes de que expire a serie 7" faise realidade. Con Hydrogen 7, unha versión da sétima serie presentouse no 2006 e ten un motor de 12 cilindros de 260 CV. esta mensaxe faise realidade.

A intención parece bastante ambiciosa, pero por unha boa razón. BMW experimenta con motores de combustión de hidróxeno dende 1978, coa serie 5 (E12), a versión de 1984 horas do E 745 presentouse en 23 e o 11 de maio de 2000 demostrou as capacidades únicas desta alternativa. Unha impresionante frota de 15 CV. O E 750 "da semana" con motores de 38 cilindros con hidróxeno realizou un maratón de 12 km, destacando o éxito da compañía e a promesa de nova tecnoloxía. En 170 e 000, algúns destes vehículos continuaron participando en varias demostracións para promover a idea do hidróxeno. Logo virá un novo desenvolvemento baseado na próxima serie 2001, que utilizará un moderno motor V-2002 de 7 litros e cunha velocidade máxima de 4,4 km / h, seguido do último desenvolvemento cun motor V-212 de 12 cilindros.

Segundo a opinión oficial da compañía, as razóns polas que BMW preferiu entón esta tecnoloxía ás pilas de combustible foron comerciais e psicolóxicas. En primeiro lugar, este método requirirá un investimento significativamente menor no caso de cambios na infraestrutura industrial. En segundo lugar, porque a xente está acostumada ao bo motor de combustión interna, encántalle e será difícil separarse del. E en terceiro lugar, porque ao mesmo tempo esta tecnoloxía está a desenvolverse máis rápido que a tecnoloxía das pilas de combustible.

Nos coches BMW, o hidróxeno almacénase nun recipiente crioxénico sobre-illado, como unha botella termo de alta tecnoloxía desenvolvida polo grupo de refrixeración alemán Linde. A baixas temperaturas de almacenamento, o combustible está en fase líquida e entra no motor como combustible normal.

Os deseñadores da empresa de Múnic usan a inxección de combustible nos colectores de admisión e a calidade da mestura depende do modo de funcionamento do motor. No modo de carga parcial, o motor funciona con mesturas magras similares ao diésel; só se cambia a cantidade de combustible inxectado. Este é o chamado "control de calidade" da mestura, no que o motor funciona con exceso de aire, pero debido á baixa carga, a formación de emisións de nitróxeno é minimizada. Cando hai unha necesidade de potencia significativa, o motor comeza a funcionar como un motor de gasolina, pasando á chamada "regulación cuantitativa" da mestura e a mesturas normais (non magras). Estes cambios son posibles, por unha banda, grazas á velocidade do control electrónico do proceso no motor e, por outra banda, grazas ao funcionamento flexible dos sistemas de control de distribución de gas: o "dobre" Vanos, que traballa en conxunto. co sistema de control de admisión Valvetronic sen acelerador. Hai que ter en conta que, segundo os enxeñeiros de BMW, o esquema de traballo deste desenvolvemento é só unha etapa intermedia no desenvolvemento da tecnoloxía e que nun futuro os motores terán que pasar á inxección directa de hidróxeno nos cilindros e turbocompresor. Espérase que a aplicación destes métodos supoña unha mellora do rendemento dinámico do coche en comparación cun motor de gasolina similar e un aumento da eficiencia global do motor de combustión interna en máis dun 50%.

Un dato de desenvolvemento interesante é que cos últimos desenvolvementos en motores de combustión interna de "hidróxeno", os deseñadores de Múnic están entrando no campo das pilas de combustible. Utilizan estes dispositivos para alimentar a rede eléctrica a bordo dos coches, eliminando por completo a batería convencional. Grazas a este paso, é posible un aforro adicional de combustible, xa que o motor de hidróxeno non ten que conducir o alternador e o sistema eléctrico a bordo vólvese completamente autónomo e independente da ruta de condución: pode xerar electricidade mesmo cando o motor non está en marcha, e a enerxía de produción e consumo pódese optimizar totalmente. O feito de que agora se poida xerar tanta electricidade como sexa necesaria para alimentar a bomba de auga, as bombas de aceite, o servofreo e os sistemas de cableado tamén se traduce nun aforro adicional. Non obstante, paralelamente a todas estas innovacións, o sistema de inxección de combustible (gasolina) practicamente non sufriu ningún cambio de deseño custoso.

Co fin de promover as tecnoloxías do hidróxeno en xuño de 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN crearon o programa de colaboración CleanEnergy, que comezou a súa actividade co desenvolvemento de estacións de servizo de GLP. e hidróxeno comprimido. Neles, parte do hidróxeno prodúcese no lugar mediante electricidade solar e despois comprímese e as grandes cantidades licuadas proceden de estacións especiais de produción e todos os vapores da fase líquida transfírense automaticamente ao depósito de gas.
BMW iniciou outros proxectos conxuntos, incluíndo empresas petroleiras, entre as que participan máis activamente Aral, BP, Shell, Total.
Non obstante, por que BMW abandona estas solucións tecnolóxicas e aínda se centra nas pilas de combustible, contarémosllo noutro artigo desta serie.

Hidróxeno nos motores de combustión interna

É interesante notar que debido ás propiedades físicas e químicas do hidróxeno, é moito máis inflamable que a gasolina. Na práctica, isto significa que se require moita menos enerxía inicial para iniciar o proceso de combustión en hidróxeno. Por outra banda, os motores de hidróxeno poden usar facilmente mesturas moi "malas", algo que os modernos motores de gasolina conseguen mediante tecnoloxías complexas e caras.

A calor entre as partículas da mestura de hidróxeno e aire é menos disipada e, ao mesmo tempo, a temperatura de autoignición é moito maior, así como a taxa de procesos de combustión en comparación coa gasolina. O hidróxeno ten unha baixa densidade e unha forte difusividade (a posibilidade de que as partículas entren noutro gas, neste caso, o aire).

É a baixa enerxía de activación necesaria para a autoignición o que supón un dos maiores desafíos no control da combustión nos motores de hidróxeno, porque a mestura pode inflamarse facilmente de forma espontánea debido ao contacto con zonas máis quentes da cámara de combustión e á resistencia que segue unha cadea de procesos completamente incontrolados. Evitar este risco é un dos maiores retos no deseño de motores de hidróxeno, pero non é doado eliminar as consecuencias do feito de que a mestura de combustión moi dispersa se move moi preto das paredes do cilindro e pode penetrar en ocos moi estreitos. por exemplo ao longo de válvulas pechadas ... Todo isto hai que telo en conta ao deseñar estes motores.

Unha alta temperatura de autoignición e un alto número de octanos (aproximadamente 130) permiten un aumento da relación de compresión do motor e, polo tanto, da súa eficiencia, pero de novo hai perigo de autoignición de hidróxeno ao entrar en contacto coa parte máis quente. no cilindro. A vantaxe da alta capacidade de difusión do hidróxeno é a posibilidade de mesturar facilmente co aire, que no caso de avaría no tanque garante unha dispersión rápida e segura do combustible.

A mestura ideal de aire e hidróxeno para a combustión ten unha relación de aproximadamente 34:1 (para a gasolina esta proporción é de 14,7:1). Isto significa que ao combinar a mesma masa de hidróxeno e gasolina no primeiro caso, é necesario máis do dobre de aire. Ao mesmo tempo, a mestura de hidróxeno e aire ocupa moito máis espazo, o que explica que os motores de hidróxeno teñan menos potencia. Unha ilustración puramente dixital de relacións e volumes é bastante elocuente: a densidade do hidróxeno listo para a combustión é 56 veces menor que a densidade do vapor de gasolina ... Non obstante, hai que ter en conta que, en xeral, os motores de hidróxeno poden funcionar con mesturas de aire. . hidróxeno en proporcións de ata 180:1 (é dicir, con mesturas moi "malas"), o que á súa vez significa que o motor pode funcionar sen acelerador e utilizar o principio dos motores diésel. Tamén hai que mencionar que o hidróxeno é o líder indiscutible na comparación entre o hidróxeno e a gasolina como fonte de enerxía masiva: un quilo de hidróxeno ten case tres veces máis enerxía por quilo de gasolina.

Do mesmo xeito que cos motores de gasolina, o hidróxeno licuado pódese inxectar directamente por diante das válvulas dos colectores, pero a mellor solución é a inxección directamente durante a carreira de compresión; neste caso, a potencia pode superar nun 25% a dun motor de gasolina comparable. Isto débese a que o combustible (hidróxeno) non despraza o aire como ocorre cun motor de gasolina ou diésel, o que permite que a cámara de combustión se enche só con aire (significativamente máis do habitual). Ademais, a diferenza dos motores de gasolina, o hidróxeno non precisa de remolinos estruturais, xa que o hidróxeno sen esta medida difunde bastante ben co aire. Debido ás diferentes velocidades de combustión nas diferentes partes do cilindro, é mellor instalar dúas bujías e, nos motores de hidróxeno, o uso de electrodos de platino non é adecuado, xa que o platino convértese nun catalizador que leva á oxidación do combustible mesmo a baixas temperaturas. .

Variante Mazda

A empresa xaponesa Mazda tamén mostra a súa versión do motor de hidróxeno, en forma de bloque rotativo no deportivo RX-8. Isto non é sorprendente, xa que as características de deseño do motor Wankel son moi adecuadas para usar hidróxeno como combustible.
O gas almacénase a alta presión nun tanque especial e o combustible inxéctase directamente nas cámaras de combustión. Debido a que no caso dos motores rotativos, as zonas nas que se producen a inxección e a combustión están separadas e a temperatura na parte de admisión é menor, o problema coa posibilidade de ignición incontrolada redúcese significativamente. O motor Wankel tamén ofrece amplo espazo para dous inxectores, o cal é fundamental para inxectar a cantidade óptima de hidróxeno.

H2R

O H2R é un prototipo de superdeportivo en funcionamento construído por enxeñeiros de BMW e impulsado por un motor de 12 cilindros que alcanza unha potencia máxima de 285 CV. cando se traballa con hidróxeno. Grazas a eles, o modelo experimental acelera de 0 a 100 km/h en seis segundos e alcanza unha velocidade máxima de 300 km/h.O motor H2R baséase na parte superior estándar utilizada no 760i de gasolina e só tardou dez meses en desenvolverse. .

Para evitar a combustión espontánea, os especialistas bávaros desenvolveron unha estratexia especial para os ciclos de fluxo e inxección na cámara de combustión, utilizando as posibilidades que ofrece o sistema de distribución variable das válvulas do motor. Antes de que a mestura entre nos cilindros, estes últimos arrefríanse por aire e a ignición realízase só no punto morto superior; debido á alta taxa de combustión con combustible de hidróxeno, non se precisa un avance de ignición.