Proba BMW e hidróxeno: segunda parte

"Auga. O único produto final dos motores limpos de BMW é usar hidróxeno líquido en lugar de combustibles de petróleo e permitir que todos gocen das novas tecnoloxías coa conciencia tranquila".

Xeito BMW

Estas palabras son unha cita dunha campaña publicitaria dunha empresa alemá hai varios anos. Durante moito tempo ninguén cuestionou que os bávaros saben moi ben o que fan en materia de tecnoloxía do motor e son un dos líderes mundiais indiscutibles neste campo. Tampouco se pensaría que unha empresa que mostrou un sólido crecemento de vendas nos últimos anos botaría un montón de cartos en anuncios pouco coñecidos de tecnoloxías prometedoras cun futuro incerto.

Ao mesmo tempo, con todo, as palabras citadas forman parte dunha campaña para promover unha versión bastante exótica de hidróxeno de 745 horas do buque insignia do fabricante de automóbiles bávaro. Exótico, porque segundo BMW, a transición a alternativas aos combustibles hidrocarburos, que a industria da automoción vén alimentando dende o primeiro momento, requirirá un cambio en toda a infraestrutura de produción. Isto último é necesario porque os bávaros ven un camiño de desenvolvemento prometedor non nas pilas de combustible moi anunciadas, senón na conversión de motores de combustión interna para funcionar con hidróxeno. BMW cre que a actualización é un problema solucionable e xa logrou avances significativos na resolución do principal problema de conseguir un rendemento fiable do motor e eliminar a súa propensión a procesos de combustión incontrolados utilizando hidróxeno puro. O éxito nesta dirección débese á competencia no campo do control electrónico dos procesos do motor e á posibilidade de utilizar os sistemas de distribución de gas flexibles patentados por BMW Valvetronic e Vanos, sen os cales sería 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 moi diferente ao do motor inventado posteriormente 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 redescubertas 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 coa Unión Europea a reducir as emisións de CO2008 dos vehículos recentemente matriculados na Unión nun promedio de 2 gramos por quilómetro en 140. Na práctica, isto supuxo unha redución do 25% das emisións en comparación con 1995 e o consumo medio de combustible da nova flota foi de aproximadamente 6,0 l / 100 km. Nun futuro próximo, espérase que se adopten medidas adicionais para reducir as emisións de dióxido de carbono nun 14% para 2012. Isto fai que a tarefa das compañías 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 reaparece no campo da automoción en toda a súa gloria.

A compañía bávara converteuse no primeiro fabricante de automóbiles en producir en serie vehículos propulsados ​​por hidróxeno. As afirmacións optimistas e confiadas do profesor Burkhard Geschel, membro do consello de BMW responsable dos novos desenvolvementos, de que "a compañía venderá coches de hidróxeno antes do vencemento da serie 7 actual" fixéronse realidade. Coa súa última versión Hydrogen 7, a sétima serie, presentada no 2006, cun motor de 12 cilindros de 260 CV. esta mensaxe xa se fixo realidade. A intención parecía bastante ambiciosa, pero non sen razón. BMW leva experimentando con motores de combustión interna funcionando con hidróxeno desde 1978 e o 11 de maio de 2000 realizou unha demostración única das posibilidades desta alternativa. Unha impresionante frota de 15 vehículos de 750 hl da xeración anterior da semana, impulsada por motores de doce cilindros de hidróxeno, completou o maratón de 170 km, destacando o éxito da compañía e a promesa de nova tecnoloxía. En 000 e 2001, algúns destes vehículos seguiron participando en varias manifestacións en apoio da idea do hidróxeno. Despois chegou o momento dun novo desenvolvemento baseado na próxima serie 2002, usando un moderno V-7 de 4,4 litros e capaz dunha velocidade máxima de 212 km / h, seguido do último desenvolvemento cun V-12 de XNUMX cilindros. Segundo a opinión oficial da compañía, as razóns polas que BMW escolleu esta tecnoloxía fronte ás pilas de combustible son comerciais e psicolóxicas. En primeiro lugar, este método requirirá un investimento significativamente menor se cambia a infraestrutura de produción. En segundo lugar, porque a xente está acostumada ao bo motor de combustión interna, gústalle e será difícil separarse del. E o terceiro, mentres tanto, resultou que esta tecnoloxía está a desenvolverse máis rápido que a tecnoloxía das pilas de combustible.

Nos coches BMW, o hidróxeno almacénase nun recipiente crioxénico súper 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.

Nesta fase, os deseñadores da compañía con sede en Múnic concentráronse na inxección indirecta de combustible e a calidade da mestura depende do modo de funcionamento do motor. No modo de carga parcial, o motor funciona con mesturas pobres semellantes ao diésel; o cambio realízase só na 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, minimízase a formación de emisións de nitróxeno. Cando se necesita unha potencia significativa, o motor comeza a funcionar como un motor de gasolina, pasando ao chamado "control cuantitativo" da mestura e ás mesturas normais (non delgadas). Estes cambios son posibles, por unha banda, debido á velocidade do control electrónico dos procesos no motor e, por outra banda, debido ao funcionamento flexible dos sistemas de control de distribución de gas - Vanos "dobres", traballando en conxunto co Sistema de control de admisión Valvetronic sen acelerador. Cómpre 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 no futuro os motores cambiarán á inxección directa de hidróxeno en cilindros e a turboalimentación. Espérase que estas técnicas produzan unha mellor dinámica do vehículo que un motor de gasolina comparable e un aumento da eficiencia global do motor de combustión interna en máis dun 50%. Aquí deliberadamente abstivémonos de tocar o tema das "pilas de combustible", xa que este tema foi empregado bastante activamente ultimamente. Ao mesmo tempo, non obstante, debemos mencionalos no contexto da tecnoloxía de hidróxeno de BMW, xa que os deseñadores de Múnic decidiron usar só estes dispositivos para alimentar a rede eléctrica de bordo dos automóbiles, eliminando completamente a batería convencional. Este movemento permite 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, así como producir e consumir enerxía préstase a unha optimización total. O feito de que agora só se poida producir tanta electricidade como necesaria para alimentar a bomba de auga, as bombas de aceite, o reforzador de freos e os sistemas cableados tamén se traduce nun aforro adicional. Non obstante, en paralelo a todas estas innovacións, o sistema de inxección de combustible (gasolina) practicamente non sufriu custosos cambios de deseño. Co fin de promover as tecnoloxías do hidróxeno en xuño de 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde e Opel MAN crearon o programa de colaboración CleanEnergy, que comezou co desenvolvemento de estacións de servizo con hidróxeno licuado e comprimido.

BMW é o iniciador doutros proxectos conxuntos, incluso con compañías petroleiras, entre as que os participantes máis activos son Aral, BP, Shell, Total. O interese por esta prometedora área crece exponencialmente: nos próximos dez anos, só a UE achegará achegas financeiras directas aos fondos para financiar o desenvolvemento e implantación de tecnoloxías de hidróxeno por un importe de 2,8 millóns de euros. O volume de investimentos das empresas privadas no desenvolvemento do “hidróxeno” durante este período é difícil de prever, pero está claro que superará moitas veces as deducións das organizacións sen ánimo de lucro.

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 necesita moita menos enerxía inicial para iniciar o proceso de combustión en hidróxeno. Por outra banda, as mesturas moi pobres pódense usar facilmente nos motores de hidróxeno, 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 e a velocidade dos procesos de combustión son moito máis altas que a da gasolina. O hidróxeno ten unha densidade baixa e unha forte difusividade (a posibilidade de que as partículas penetren noutro gas, neste caso, o aire).

A baixa enerxía de activación necesaria para a autoignición é un dos maiores retos no control dos procesos de combustión nos motores de hidróxeno porque a mestura pode arder facilmente de forma espontánea debido ao contacto con zonas máis quentes da cámara de combustión e á resistencia a seguir unha cadea de procesos totalmente incontrolados. Evitar este risco é un dos maiores retos no desenvolvemento de motores de hidróxeno, pero non é doado eliminar as consecuencias do feito de que unha mestura de combustión altamente difusa viaxa moi preto das paredes dos cilindros e pode penetrar en ocos extremadamente estreitos. como válvulas pechadas, por exemplo... Todo isto hai que telo en conta á hora de deseñar estes motores.

Unha alta temperatura de autoignición e un alto número de octanos (uns 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 por 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 alimentados por 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 do vapor de gasolina... Non obstante, hai que ter en conta que, en principio, os motores de hidróxeno tamén poden funcionar con mesturas de aire e hidróxeno ata 180:1 (é dicir, mesturas moi "pobres"), o que á súa vez significa que o motor pode funcionar. sen válvula de aceleración e utilizar o principio dos motores diésel. Tamén hai que ter en conta que o hidróxeno é o líder indiscutible na comparación de hidróxeno e gasolina como fontes de enerxía en termos de masa: un quilo de hidróxeno é case tres veces máis enerxético que un 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 similar. Isto débese a que o combustible (hidróxeno) non despraza o aire como nun motor de gasolina ou diésel, permitindo que só o aire (significativamente máis do habitual) enche a cámara de combustión. Ademais, a diferenza dos motores de gasolina, os motores de hidróxeno non precisan de remolinos estruturais porque o hidróxeno difunde o suficientemente ben co aire sen esta medida. Debido ás diferentes velocidades de combustión nas diferentes partes do cilindro, é mellor colocar dúas bujías e, nos motores de hidróxeno, o uso de electrodos de platino non é práctico, xa que o platino convértese nun catalizador que conduce á oxidación do combustible a baixas temperaturas.

H2R

O H2R é un prototipo de superdeportivo en funcionamento construído por enxeñeiros de BMW e impulsado por un motor de doce cilindros que alcanza unha potencia máxima de 285 CV cando funciona 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 unidade estándar de gama alta utilizada no 760i de gasolina e só levou dez. meses para desenvolverse. Para evitar a combustión espontánea, os especialistas bávaros desenvolveron un ciclo de fluxo especial e unha estratexia de inxección na cámara de combustión, utilizando as posibilidades que ofrecen os sistemas de sincronización 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.

Descubrimentos

A análise financeira da transición á enerxía pura de hidróxeno aínda non é moi optimista. A produción, almacenamento, transporte e subministración de gas lixeiro seguen sendo procesos moi intensivos en enerxía e na etapa tecnolóxica actual do desenvolvemento humano tal esquema non pode ser efectivo. Non obstante, isto non significa que a investigación e a busca de solucións non continúen. Parecen optimistas as propostas para xerar hidróxeno a partir da auga mediante electricidade de paneis solares e almacenalo en grandes tanques. Por outra banda, o proceso de xeración de electricidade e hidróxeno na fase gaseosa no deserto do Sahara, transportalo ao mar Mediterráneo por gasoduto, licualo e transportalo por petroleiros crioxénicos, descargalo nos portos e finalmente transportalo en camión soa un pouco ridículo neste momento ...

Recentemente presentou unha interesante idea a petroleira norueguesa Norsk Hydro, que propuxo producir hidróxeno a partir de gas natural nos sitios de produción do mar do Norte e o monóxido de carbono residual almacenouse en campos esgotados baixo o fondo mariño. A verdade está nalgún lugar do medio e só o tempo dirá cara a onde irá o desenvolvemento da industria do hidróxeno.

Variante Mazda

A empresa xaponesa Mazda tamén está a amosar a súa versión do motor de hidróxeno - en forma de unidade rotativa de coche deportivo RX-8. Isto non é sorprendente, porque 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 produce a inxección e a combustión están separadas, e a temperatura na parte de aspiración é menor, o problema da posibilidade de ignición incontrolada redúcese significativamente. O motor Wankel tamén ofrece espazo suficiente para dous inxectores, o que é moi importante para inxectar a cantidade óptima de hidróxeno.