试驾宝马和氢：第二部分
“水。 BMW 清洁发动机的唯一最终产品是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。”
宝马方式
这些话是几年前一家德国公司的广告活动中的一句话。 很长一段时间以来，没有人质疑巴伐利亚人非常了解他们在电机技术方面所做的事情，并且是该领域无可争议的世界领导者之一。 人们也不会认为一家近年来销售稳健增长的公司会投入大量资金来投放鲜为人知的广告，宣传前途未卜、前途未卜的技术。
然而，与此同时，引用的话是宣传巴伐利亚汽车制造商旗舰的相当奇特的 745 小时氢气版本的活动的一部分。 异国情调，因为根据宝马的说法，向汽车行业从一开始就提供的碳氢化合物燃料替代品的过渡将需要改变整个生产基础设施。 后者是必要的，因为巴伐利亚人看到了一条有前途的发展道路，而不是广泛宣传的燃料电池，而是将内燃机转换为使用氢气运行。 宝马认为升级是一个可以解决的问题，并且已经在解决实现可靠的发动机性能和消除使用纯氢气进行不受控制的燃烧过程的倾向等主要问题方面取得了重大进展。 在这个方向上的成功归功于发动机过程电子控制领域的能力以及使用 BMW 专利的灵活气体分配系统 Valvetronic 和 Vanos 的可能性，没有它们就不可能确保“氢发动机”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带有内部发动机的发动机的方案截然不同. 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，航天工业重新发现了氢作为燃料的特性，航天工业很快发现氢具有人类已知燃料中最佳的能量/质量比。
1998年2008月，欧洲汽车工业协会（ACEA）向欧盟承诺，将联盟中新注册车辆的二氧化碳平均排放量每公里2克减少140克。 实际上，与25年相比，这意味着排放量减少了1995％，新车队的平均油耗约为6,0升/ 100公里。 在不久的将来，预计到14年将采取更多措施将二氧化碳排放量减少2012％。 这使汽车公司的工作极为困难，而且根据宝马专家的说法，可以通过使用低碳燃料或从燃料成分中完全消除碳来解决。 根据这个理论，氢在所有领域都重新出现在汽车领域。
巴伐利亚公司成为首家大规模生产氢动力汽车的汽车制造商。 负责新发展的宝马董事会成员伯克哈德•盖舍尔教授乐观而自信地宣称：“公司将在当前的7系汽车到期前出售氢动力汽车”。 凭借其最新版本，第七系列Hydrogen 7，于2006年推出，配备了12 hp的260缸发动机。 这个信息已经成为现实。 这个意图似乎很雄心勃勃，但并非没有道理。 宝马自1978年以来一直在试验使用氢气运行的内燃机，并于11年2000月15日进行了独特的演示，证明了这种替代方法的可能性。 上周的上一代令人印象深刻的750 hl车队使用氢十二缸发动机完成了170 km的马拉松比赛，凸显了公司的成功和对新技术的希望。 在000年和2001年，其中一些车辆继续参加各种示范活动，以支持氢概念。 然后是时候进行基于下一个2002系列的新开发了，它使用现代的7升V-4,4发动机，最高时速为212 km / h，随后是12缸V-XNUMX的最新开发。 根据该公司的官方意见，宝马之所以选择此技术而不是燃料电池，是出于商业和心理原因。 首先，如果生产基础设施发生变化，此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，并且很难分开。 第三，与此同时，事实证明，该技术的发展速度比燃料电池技术快。
在 BMW 汽车中，氢气储存在一个超级绝热的低温容器中，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，燃料呈液相并像普通燃料一样进入发动机。
现阶段，这家慕尼黑公司的设计人员专注于间接燃油喷射，混合气的质量取决于发动机的运行模式。 在部分负载模式下，发动机使用类似于柴油燃料的稀混合气运行 - 仅喷射的燃料量发生变化。 这就是所谓的混合物“质量控制”，其中发动机在空气过剩的情况下运行，但由于低负荷，氮排放的形成被最小化。 当需要大量功率时，发动机开始像汽油发动机一样工作，转向对混合气和正常（非稀）混合气进行所谓的“定量控制”。 这些变化是可能的，一方面，由于发动机过程的电子控制速度，另一方面，由于气体分配控制系统的灵活操作 - “双”Vanos，与不带节气门的 Valvetronic 进气控制系统。 需要注意的是，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一个中间阶段，未来发动机将转向直接氢气喷射气缸和涡轮增压。 预计这些技术将带来比同类汽油发动机更好的车辆动力学性能，并使内燃机的整体效率提高 50% 以上。 在这里我们特意避免触及“燃料电池”这个话题，因为这个问题最近被非常积极地使用。 然而，与此同时，我们必须在宝马氢技术的背景下提及它们，因为慕尼黑的设计师决定仅使用此类设备为汽车的车载电网供电，完全消除了传统的电池供电。 此举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，并产生消耗能量有助于全面优化。 现在只能生产所需的电力来为水泵、油泵、制动助力器和有线系统供电，这一事实也转化为额外的节省。 然而，与所有这些创新并行的是，燃油喷射系统（汽油）实际上并没有进行昂贵的设计更改。 为了在 2002 年 XNUMX 月推广氢技术，宝马集团、Aral、BVG、戴姆勒克莱斯勒、福特、GHW、林德、欧宝曼创建了 CleanEnergy 合作计划，该计划始于开发液化和压缩氢加气站。
宝马是许多其他联合项目的发起者，包括与石油公司的合作，其中最积极的参与者是 Aral、BP、壳牌和道达尔。 对这一前景广阔的领域的兴趣呈指数级增长——在未来十年内，仅欧盟就将直接向基金提供 2,8 亿欧元的财政捐助，以资助氢技术的开发和实施。 私人公司在此期间开发“氢”的投资额难以预测，但显然会超过非营利组织扣除数倍。
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，非常稀薄的混合物可以很容易地用于氢发动机——这是现代汽油发动机通过复杂而昂贵的技术实现的。
氢气混合物颗粒间的热量散发较少，同时自燃温度和燃烧过程的速率也远高于汽油。 氢具有低密度和强扩散性（粒子渗透到另一种气体中的可能性 - 在这种情况下为空气）。
自燃所需的低活化能是控制氢发动机燃烧过程的最大挑战之一，因为混合物由于与燃烧室中较热的区域接触并且无法遵循一系列完全不受控制的过程而很容易自燃。 避免这种风险是开发氢发动机的最大挑战之一，但要消除高度扩散的燃烧混合物非常靠近气缸壁并且可以穿透极其狭窄的间隙这一事实的后果并不容易。 例如关闭的阀门……在设计这些电机时必须考虑到所有这些。
较高的自燃温度和较高的辛烷值（约130）可提高发动机的压缩比，从而提高其效率，但又存在因与较热的零件接触而使氢气自燃的危险。 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，如果发生油箱破裂，可以确保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动力发动机的功率较低。 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低 56 倍...... 然而，应该指出的是，原则上，氢气发动机也可以在高达 180:1 的空气-氢气混合物（即非常“稀薄”的混合物）下运行，这反过来意味着发动机可以运行。 不带节气门，利用柴油机的原理。 还应该指出的是，就质量而言，氢气是氢气和汽油作为能源的比较中无可争议的领导者——一公斤氢气的能源强度几乎是一公斤汽油的三倍。
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出 25%。 这是因为燃料（氢气）不像汽油或柴油发动机那样取代空气，只允许空气（比平时多得多）填充燃烧室。 此外，与汽油发动机不同，氢发动机不需要结构涡流，因为氢在没有这种措施的情况下可以很好地扩散到空气中。 由于气缸不同部位的燃烧率不同，最好放置两个火花塞，而在氢发动机中，使用铂金电极是不切实际的，因为铂金会成为催化剂，导致燃料在低温下氧化。
H2R
H2R 是一款由 BMW 工程师制造的超级运动原型车，由 285 缸发动机提供动力，当由氢提供动力时，最大输出功率可达 0 马力。 多亏了他们，实验模型在 100 秒内从 300 加速到 2 公里/小时，最高时速达到 760 公里/小时。HXNUMXR 发动机基于汽油 XNUMXi 中使用的标准高端装置，仅用了 XNUMX 分钟几个月来发展。 为了防止自燃，巴伐利亚专家开发了一种特殊的流动循环和燃烧室喷射策略，利用发动机可变气门正时系统提供的可能性。 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。
发现
清洁氢能源过渡的财务分析还不是很乐观。 轻气的生产，储存，运输和供应仍然是相当耗能的过程，并且在人类发展的当前技术阶段，这种方案是无效的。 但是，这并不意味着研究和寻找解决方案将不会继续。 关于利用太阳能电池板的电能从水中制氢并将其存储在大型储罐中的提议听起来是乐观的。 另一方面，在撒哈拉沙漠中以气相发电和氢气，通过管道将其运输到地中海，通过低温油轮将其液化和运输，在港口卸货并最终通过卡车运输的过程听起来有些荒谬...
挪威石油公司Norsk Hydro最近提出了一个有趣的想法，该提议提议在北海的生产场所使用天然气生产氢气，而残留的一氧化碳则存储在海床下的枯竭油田中。 真相在中间的某个地方，只有时间才能证明氢工业的发展将走向何方。
马自达变种
日本公司马自达也展示了其氢发动机版本——以旋转装置跑车 RX-8 的形式。 这并不奇怪，因为汪克尔发动机的设计特点极其适合使用氢作为燃料。 气体在高压下储存在一个特殊的罐中，而燃料直接喷入燃烧室。 由于在旋转式发动机的情况下，喷射和燃烧发生的区域是分开的，并且吸入部分的温度较低，因此大大减少了不受控制的点火可能性的问题。 Wankel 发动机还为两个喷射器提供了足够的空间，这对于喷射最佳氢气量极为重要。
