宝马与氢：内燃发动机

该公司的项目始于40年前的5系列氢版本

长期以来，宝马一直坚信电动汽车。 今天，特斯拉可以被视为该领域的标杆，但十年前，当这家美国公司展示了定制铝制平台的概念，并随后以特斯拉 Model S 的形式实现时，宝马正在积极致力于 Megacity整车项目。 2013 年作为 BMW i3 销售。 这款前卫的德系车不仅采用集成电池的铝制支撑结构，还采用碳增强聚合物制成的车身。 然而，无可否认，特斯拉领先于其竞争对手的是其卓越的方法论，尤其是在电动汽车电池开发规模方面——从与锂离子电池制造商的关系到建立大型电池工厂，包括那些具有非电力应用的电池工厂。 机动性。

但让我们回到宝马，因为与特斯拉及其许多竞争对手不同，这家德国公司仍然相信氢能的流动性。 最近，由该公司氢燃料电池副总裁 Jürgen Gouldner 博士领导的团队推出了 I-Hydrogen Next 燃料电池，这是一种由低温化学反应提供动力的自行式发电机组。 这一刻标志着宝马启动燃料电池汽车研发10周年，以及与丰田在燃料电池方面的合作7周年。 然而，宝马对氢气的依赖可以追溯到 40 年前，而且是一个“高温”得多的时期。

这是该公司超过四分之一个世纪的发展成果，其中氢气被用作内燃机的燃料。 在那段时间的大部分时间里，该公司认为氢动力内燃机比燃料电池更接近消费者。 燃料电池发动机的效率约为 60%，再加上效率超过 90% 的电动机，其效率远高于以氢为燃料的内燃机。 正如我们将在以下几行中看到的那样，通过直喷和涡轮增压，如今的小型发动机将非常适合输送氢气——前提是适当的喷射和燃烧控制系统到位。 但是，虽然氢动力内燃机通常比燃料电池与锂离子电池相结合要便宜得多，但它们已不在议程上。 此外，这两种情况下的氢流动性问题都远远超出了推进系统的范围。

然而，为什么要氢呢？

氢是人类使用越来越多的替代能源（例如，通过将其转化为化学能来积累来自太阳，风，水和生物质的能量的桥梁）的重要元素。 简而言之，这意味着这些自然资源产生的电能不能大量存储，而是可以通过将水分解为氧气和氢气来产生氢气。

当然，氢气也可以从不可再生的碳氢化合物来源中提取，但在将其用作能源方面，这长期以来一直是不可接受的。 不可否认的事实是，氢的生产、储存和运输的技术问题是可以解决的——在实践中，即使是现在，也有大量的这种气体被生产并用作化学和石化工业的原料。 然而，在这些情况下，氢气的高成本并不是致命的，因为它以其所涉及的产品的高成本“融化”。

但是，大量使用轻质气体作为能源的问题要复杂一些。 长期以来，科学家们一直在摇头寻找一种可能的燃料油战略替代品，而电动汽车和氢气的增加可能是密切共生的。 所有这一切的核心是一个简单但非常重要的事实——氢的提取和使用围绕着结合和分解水的自然循环……如果人类改进和扩大使用太阳能、风和水等自然资源的生产方法，氢可以无限量地生产和使用，而不会排放有害排放物。
生产

目前，世界上生产了超过70万吨的纯氢气。 生产天然气的主要原料是天然气，天然气以一种称为“重整”的过程进行加工（占总数的一半）。 其他方法产生的氢气较少，例如氯化合物的电解，重油的部分氧化，煤气化，用于焦炭生产的煤的热解和汽油重整。 世界上约有一半的氢气产量用于合成氨（用作肥料生产的原料），炼油和甲醇合成。

这些生产计划对环境造成了不同程度的负担，不幸的是，它们都没有为当前的能源现状提供有意义的替代方案——首先是因为它们使用不可再生资源，其次是因为生产会排放二氧化碳等有害物质。 未来最有前途的制氢方法仍然是小学时就知道的借助电力分解水。 然而，目前只有通过使用自然能源，尤其是太阳能和风能来产生分解水所需的电力，才能关闭清洁能源循环。 根据古尔德纳博士的说法，现代技术“连接”到风能和太阳能系统，包括小型加氢站，后者是在现场生产的，是朝着这个方向迈出的一大步。
储存场所

氢气可以气相和液相大量存储。 氢气处于相对较低压力的最大储层称为“煤气表”。 中型和小型储罐设计用于在30 bar的压力下存储氢气，而最小的特殊储罐（由特种钢或碳纤维增强的复合材料制成的昂贵设备）可保持400 bar的恒定压力。
氢气也可以在 -253°C/单位体积的液相中储存，所含的能量是在 1,78 巴时储存时的 700 倍——要在液化氢气中达到等量的单位体积能量，必须将气体压缩至1250 巴。 由于冷冻氢的能源效率更高，宝马正在与德国制冷集团林德合作开发其首个系统，该系统开发了最先进的低温设备来液化和储存氢。 科学家们还提供了其他但目前不太适用的氢储存替代方案——例如，在特殊金属粉中以金属氢化物的形式在压力下储存，等等。

在化工厂和炼油厂集中的地区已经存在氢传输网络。 通常，该技术与天然气的传输技术相似，但并非总是需要使用后者以满足氢气需求。 但是，在上个世纪初，欧洲城市的许多房屋都被管道中的轻型气体点燃，该气体含有高达50％的氢气，并被用作第一台固定式内燃机的燃料。 当今的技术水平已经允许液化氢通过现有的低温油轮进行洲际运输，类似于天然气。

宝马与内燃机

“水。 清洁 BMW 发动机的唯一最终产品，使用液态氢代替石油燃料，让每个人都能问心无愧地享受新技术。”

这些话是745世纪初德国一家公司的广告活动中的一句话。 它应该推广旗舰巴伐利亚汽车制造商的颇具异国情调的XNUMX小时氢动力版本。 异国情调，因为据宝马称，汽车行业从一开始就向烃燃料替代品过渡，将需要改变整个工业基础设施。 当时，巴伐利亚人发现了一条有前途的发展道路，而不是在广为宣传的燃料电池中，而是在内燃发动机向氢的转化中。 宝马认为，上述改造是一个可解决的问题，并且在解决主要问题上已经取得了重大进展，该主要问题是确保可靠的发动机性能并消除其使用纯氢进行不受控燃烧的趋势。 在此方向上的成功归功于发动机工艺电子控制领域的能力，以及使用获得专利的BMW专利系统进行Valvetronic和Vanos的灵活气体分配的能力，否则就无法保证“氢气发动机”的正常运行。

然而，朝着这个方向迈出的第一步可以追溯到 1820 年，当时设计师 William Cecil 发明了一种氢燃料发动机，该发动机根据所谓的“真空原理”运行——该方案与后来发明的内燃机完全不同。 燃烧。 60 年后，先驱奥托在首次开发内燃机时使用了已经提到的煤制合成气，其氢含量约为 50%。 然而，随着化油器的发明，汽油的使用变得更加实用和安全，液体燃料取代了迄今为止存在的所有其他替代品。 许多年后，航天工业发现了氢作为燃料的特性，并迅速发现氢具有人类已知燃料中最佳的能量/质量比。

1998年2月，欧洲汽车工业协会（ACEA）承诺到140年将联盟中新注册汽车的二氧化碳排放量平均每公里减少2008克。 实际上，这意味着与25年相比，排放量减少了1995％，相当于新车队的平均油耗约为6,0升/ 100公里。 这使汽车公司的工作极为困难，据宝马专家称，可以使用低碳燃料或从燃料组合物中完全去除碳来解决。 根据这一理论，氢以其所有的荣耀出现在汽车领域。
巴伐利亚公司正在成为首家开始大规模生产氢动力汽车的汽车制造商。 负责新进展的宝马董事会成员宝马·伯克哈德·戈舍尔（Burg BurkhardGöschel）的乐观和自信的声明确实实现了“公司将在第7批产品到期之前出售氢能汽车”。 随着7年推出的第七系列的Hydrogen 2006版本，它具有12 hp的260缸发动机。 这个信息正在成为现实。

这个意图似乎很雄心勃勃，但并非没有道理。 自1978年以来，宝马一直在试验氢内燃发动机。随着第5系（E12）的出现，1984年推出了745小时版本的E 23，并于11年2000月15日展示了这种替代产品的独特功能。 令人印象深刻的750 hp机队 配备38缸氢动力发动机的“本周” E 12跑了170公里的马拉松，这生动地证明了公司的成功以及新技术的前景。 在000年和2001年，其中一些汽车继续参加各种示范活动，以推广氢的概念。 然后，在接下来的2002系列的基础上，进行了一项新开发，使用现代7升八缸发动机，最高时速为4,4 km / h，随后是212缸六升发动机的最新开发。

根据该公司的官方意见，宝马之所以选择这种技术代替燃料电池的原因具有商业和心理基础。 首先，如果工业基础设施发生变化，这种方法将需要更少的投资。 其次，因为人们已经习惯了老式的老式内燃机，所以他们喜欢它，并且很难与之分开。 第三，因为与此同时，该技术的发展要快于燃料电池技术。

在 BMW 汽车中，氢气储存在一个过度绝缘的低温容器中，有点像德国制冷集团林德开发的高科技保温瓶。 在低储存温度下，燃料呈液相并作为普通燃料进入发动机。

慕尼黑公司的设计者在进气歧管中使用燃油喷射，混合气的质量取决于发动机的工作模式。 在部分负载模式下，发动机以类似于柴油的稀薄混合气运行 - 仅喷射的燃油量发生变化。 这就是所谓的混合物“质量控制”，其中发动机在空气过量的情况下运行，但由于负荷低，氮排放物的形成被最小化。 当需要大量动力时，发动机开始像汽油发动机一样工作，转向所谓的混合物“定量调节”和正常（非稀薄）混合物。 这些变化之所以成为可能，一方面要归功于发动机中电子过程控制的速度，另一方面要归功于气体分配控制系统的灵活操作——“双”Vanos，协同工作配备无节气门的 Valvetronic 进气控制系统。 应该记住的是，根据宝马工程师的说法，这项开发的工作方案只是技术发展的中间阶段，未来发动机将不得不转向将氢气直接注入气缸和涡轮增压器。 预计与类似的汽油发动机相比，这些方法的应用将导致汽车的动态性能得到改善，内燃机的整体效率将提高 50% 以上。

一个有趣的发展事实是，随着“氢”内燃机的最新发展，慕尼黑的设计师们正在进入燃料电池领域。 他们使用此类设备为汽车的车载电网供电，从而完全淘汰了传统电池。 由于这一步，可以进一步节省燃料，因为氢发动机不必驱动交流发电机，并且车载电气系统变得完全自主且独立于驱动路径 - 即使在发动机未运行时它也可以发电，生产和消耗能源得到充分优化。 事实上，现在可以产生为水泵、油泵、制动助力器和布线系统提供动力所需的电力，这也意味着进一步的节省。 然而，与所有这些创新同时进行的是，燃油喷射系统（汽油）几乎没有进行任何代价高昂的设计更改。

2002 年 XNUMX 月，为了推广氢能技术，宝马集团、Aral、BVG、戴姆勒克莱斯勒、福特、GHW、林德、欧宝、MAN 建立了 CleanEnergy 合作计划，该计划以开发液化石油气加气站开始。 和压缩氢气。 其中，部分氢气是利用太阳能在现场生产，然后压缩，大量液化的氢气来自特殊的生产站，所有来自液相的蒸汽自动转移到气藏。
宝马还启动了许多其他联合项目，包括与石油公司的联合项目，其中最活跃的参与者是Aral，BP，壳牌，道达尔。
但是，为什么宝马拒绝这些技术解决方案而仍然专注于燃料电池，我们将在本系列的另一篇文章中告诉您。

内燃机中的氢气

有趣的是，由于氢气的物理和化学特性，它比汽油更易燃。 实际上，这意味着启动氢气燃烧过程所需的初始能量要少得多。 另一方面，氢发动机很容易使用非常“糟糕”的混合气——这是现代汽油发动机通过复杂而昂贵的技术实现的。

氢气-空气混合物颗粒之间的热量散失较少，与此同时，自燃温度高得多，与汽油相比，燃烧过程的速率也是如此。 氢具有低密度和强扩散性（粒子进入另一种气体的可能性——在这种情况下是空气）。

自燃所需的低活化能是控制氢发动机燃烧过程中的最大问题之一，因为混合物由于与燃烧室中较热的区域接触以及一系列完全不受控制的过程中的阻力而易于自燃。 避免这种风险是氢发动机设计中的最大问题之一，但是要消除因高度分散的燃烧混合物非常靠近汽缸壁并能渗透到极窄的间隙这一事实而造成的后果并非易事。 例如，沿着关闭的阀门...设计这些发动机时必须考虑所有这些因素。

自燃的高温和高的辛烷值（大约130）可以增加发动机的压缩程度，从而提高其效率，但又有与较热部分接触的氢自燃的危险。 在气缸中。 氢具有高扩散能力的优点是可以与空气轻松混合，如果油箱破裂，可以保证燃料快速安全地分散。

用于燃烧的理想空气-氢气混合物的比例约为 34:1（对于汽油，该比例为 14,7:1）。 这意味着，在第一种情况下，将相同质量的氢气和汽油组合在一起时，需要的空气量是原来的两倍多。 同时，氢气-空气混合物占据的空间要大得多，这也解释了为什么氢发动机的功率较低。 比例和体积的纯数字说明非常雄辩 - 准备燃烧的氢气密度比汽油蒸气密度低 56 倍......但是，应该注意的是，一般来说，氢气发动机可以在空气混合物上运行. 氢气比例高达 180:1（即非常“糟糕”的混合物），这反过来意味着发动机可以在没有节气门的情况下运行并使用柴油发动机的原理。 还应该提到的是，在氢气和汽油作为大众能源的比较中，氢气是无可争议的领导者——一公斤氢气的能量几乎是每公斤汽油的三倍。

与汽油发动机一样，液化氢可以直接在歧管中的阀门之前喷射，但最好的解决方案是在压缩冲程中直接喷射——在这种情况下，功率可以比同类汽油发动机高 25%。 这是因为燃料（氢气）不会像汽油或柴油发动机那样取代空气，从而使燃烧室仅充满（比平时多得多的）空气。 此外，与汽油发动机不同，氢气不需要结构涡流，因为没有这种措施的氢气可以很好地与空气扩散。 由于气缸不同部位的燃烧率不同，最好安装两个火花塞，而在氢发动机中，不适合使用铂金电极，因为铂金成为一种催化剂，即使在低温下也会导致燃料氧化.

马自达选项

日本马自达公司也在 RX-8 跑车中以旋转块的形式展示了其氢发动机版本。 这并不奇怪，因为汪克尔发动机的设计特点非常适合使用氢作为燃料。
气体在高压下存储在特殊的储罐中，燃料直接注入燃烧室。 由于在旋转发动机的情况下，发生喷射和燃烧的区域是分开的，并且入口部分中的温度较低，因此大大减少了点火失控的可能性。 Wankel发动机还为两个喷射器提供了足够的空间，这对于喷射最佳量的氢气至关重要。

H2R

H2R 是一款由 BMW 工程师打造的超级跑车原型，搭载 12 缸发动机，最大输出功率可达 285 马力。 在使用氢气时。 多亏了他们，实验模型在 0 秒内从 100 加速到 300 公里/小时，最高时速达到 2 公里/小时。H760R 发动机基于 XNUMXi 汽油中使用的标准顶部，仅用了十个月的时间开发.

为防止自燃，巴伐利亚专家利用发动机可变气门正时系统提供的可能性，为进入燃烧室的流动和喷射循环开发了一种特殊策略。 在混合物进入气缸之前，气缸被空气冷却，点火仅在上止点进行——由于氢燃料的高燃烧率，不需要提前点火。