寶馬與氫：內燃發動機

該公司的項目始於 40 年前的 5 系列氫動力版本

寶馬長期以來一直堅信電動汽車的發展。 今天，特斯拉可以被認為是這一領域的標杆，但十年前，當這家美國公司展示定制鋁製平台的概念並以特斯拉 Model S 的形式實現時，寶馬正在積極致力於巨型城市車輛項目。 2013 年上市的車型為 BMW i3。 這款前衛的德國汽車不僅採用了帶有集成電池的鋁製支撐結構，而且還採用了碳增強聚合物製成的車身。 然而，無可否認，特斯拉領先於競爭對手的是其獨特的方法論，特別是在電動汽車電池開發規模方面——從與鋰離子電池製造商的關係到建設大型電池工廠，包括那些非電力應用的電池工廠。 流動性。

但讓我們回到寶馬，因為與特斯拉及其許多競爭對手不同，這家德國公司仍然相信氫的流動性。 最近，由該公司氫燃料電池副總裁 Jürgen Gouldner 博士領導的團隊推出了 I-Hydrogen Next 燃料電池，這是一種由低溫化學反應驅動的自走式發電機組。 這一刻標誌著寶馬燃料電池汽車開發啟動10週年，也是與豐田在燃料電池領域合作7週年。 然而，寶馬對氫的依賴可以追溯到40年前，而且是一個更加“炎熱的溫度”。

這是該公司超過四分之一個世紀的發展成果，其中氫氣被用作內燃機的燃料。 在那段時期的大部分時間裡，該公司認為氫動力內燃機比燃料電池更接​​近消費者。 燃料電池發動機的效率約為60%，與效率超過90%的電動機相結合，比使用氫氣運行的內燃機效率要高得多。 正如我們將在下面幾行中看到的，憑藉直接噴射和渦輪增壓，當今的小型發動機將非常適合輸送氫氣，前提是適當的噴射和燃燒控制系統到位。 但是，雖然氫動力內燃機通常比燃料電池與鋰離子電池組合便宜得多，但它們已不再提上議程。 此外，這兩種情況下的氫流動性問題都遠遠超出了推進系統的範圍。

然而，為什麼是氫呢？

氫是人類尋求使用越來越多替代能源的重要元素，例如通過將來自太陽、風、水和生物質的能量轉化為化學能來儲存能量的橋樑。 簡而言之，這意味著這些自然資源產生的電力無法大量儲存，但可以通過將水分解為氧氣和氫氣來生產氫氣。

當然，氫也可以從不可再生的碳氫化合物來源中提取，但在將其用作能源時，這長期以來一直是不可接受的。 不可否認的事實是，氫氣的生產、儲存和運輸的技術問題是可以解決的——實際上，即使是現在，仍然在生產大量的氫氣，並將其用作化學和石化工業的原材料。 然而，在這些情況下，氫的高成本並不是致命的，因為它以所涉及的產品的高成本“熔化”。

然而，大量使用輕質氣體作為能源的問題有點複雜。 長期以來，科學家們一直在搖頭尋找燃料油的可能戰略替代品，而電動汽車和氫的增加可能是密切共生的。 這一切的核心是一個簡單但非常重要的事實——氫的提取和使用圍繞著水的結合和分解的自然循環展開……如果人類利用太陽能、風能和水等自然資源改進和擴大生產方法，氫就可以無限量地生產和使用，而不會排放有害排放物。
生產

目前，全球純氫產量超過70萬噸。 其生產的主要原材料是天然氣，其加工過程被稱為“重整”（佔總量的一半）。 少量的氫氣是通過其他過程產生的，例如氯化合物的電解、重油的部分氧化、煤氣化、煤熱解生產焦炭和汽油重整。 世界上大約一半的氫氣產量用於氨合成（用作化肥生產的原料）、煉油和甲醇合成。

這些生產方案給環境帶來了不同程度的負擔，不幸的是，它們都沒有為當前的能源現狀提供有意義的替代方案——首先是因為它們使用不可再生能源，其次是因為生產會排放二氧化碳等不需要的物質。 未來最有前途的製氫方法仍然是藉助電力分解水，這在小學中就已經知道了。 然而，目前只有利用自然能源，特別是太陽能和風能來產生分解水所需的電力，才能實現清潔能源循環。 古爾德納博士表示，與風能和太陽能係統“連接”的現代技術，包括在現場生產後者的小型加氫站，是朝著這個方向邁出的一大步。
存儲位置

氫氣可以以氣相和液相大量儲存。 最大的此類儲罐被稱為“氣表”，其中氫氣處於相對較低的壓力。 中型和小型儲罐設計用於在 30 bar 的壓力下儲存氫氣，而最小的特種儲罐（由特種鋼或碳纖維增強複合材料製成的昂貴裝置）可保持 400 bar 的恆定壓力。
氫氣還可以在每單位體積 -253°C 的條件下以液相形式儲存，其能量比在 1,78 bar 下儲存時多 700 倍——要達到每單位體積液化氫的同等能量，必須將氣體壓縮至 1250 bar。 由於冷凍氫氣具有更高的能源效率，寶馬正在與德國製冷集團林德合作開發其首個系統，該系統開發了最先進的低溫裝置來液化和儲存氫氣。 科學家們還提供了其他但目前不太適用的儲存氫的替代方案，例如，在壓力下以金屬氫化物的形式儲存在特殊金屬粉中，等等。

氫傳輸網絡已經存在於化工廠和煉油廠高度集中的地區。 一般來說，該方法與天然氣傳輸的方法類似，但利用後者來滿足氫氣需求並不總是可能的。 然而，即使在上個世紀，歐洲城市的許多房屋也採用管道輕氣體照明，其中含有高達 50% 的氫氣，用作第一批固定式內燃機的燃料。 目前的技術水平已經允許通過現有的低溫油輪跨大陸運輸液化氫，類似於用於天然氣的運輸。

寶馬和內燃機

“水。 清潔寶馬發動機的唯一最終產品，使用液氫代替石油燃料，讓每個人都能問心無愧地享受新技術。”

這句話是摘自745世紀初一家德國公司的廣告活動。 它應該推廣巴伐利亞汽車製造商旗艦產品的一款相當奇特的 XNUMX 小時氫版本。 寶馬錶示，之所以具有異國情調，是因為汽車工業從一開始就推動向碳氫燃料替代品的過渡，這將需要改變整個工業基礎設施。 當時，巴伐利亞人發現了一條有希望的發展道路，不是在廣為宣傳的燃料電池中，而是在將內燃機轉換為使用氫的情況下。 寶馬相信這次改造是一個可以解決的問題，並且已經在實現可靠的發動機性能和消除其不受控制的純氫燃燒傾向的核心挑戰方面取得了重大進展。 這個方向的成功得益於在發動機過程電子控制領域的能力以及能夠使用寶馬專利系統Valvetronic和Vanos進行氣體靈活分配，沒有這些系統就不可能保證“氫發動機”的正常運行。

然而，朝這個方向邁出的第一步可以追溯到 1820 年，當時設計師威廉·塞西爾 (William Cecil) 創造了一種基於所謂“真空原理”運行的氫燃料發動機，該方案與後來發明的內燃機完全不同。 燃燒。 60 年後，先驅者奧託在首次開發內燃機時，使用了前面提到的氫含量約為 50% 的煤衍生合成氣。 然而，隨著化油器的發明，汽油的使用變得更加實用和安全，液體燃料已經取代了迄今為止存在的所有其他替代品。 許多年後，航天工業發現了氫作為燃料的特性，很快發現氫具有人類已知的任何燃料中最好的能量/質量比。

1998年2月，歐洲汽車工業協會（ACEA）承諾到140年將歐盟新註冊汽車的二氧化碳排放量平均每公里減少2008克。 實際上，這意味著與 25 年相比，排放量減少了 1995%，相當於新車隊的平均油耗約為 6,0 升/100 公里。 這使得這項任務對於汽車公司來說極其困難，據寶馬專家稱，可以通過低碳燃料或完全去除燃料成分中的碳來解決。 根據這一理論，氫在汽車領域呈現出其輝煌的一面。
這家巴伐利亞公司成為第一家開始大規模生產氫動力汽車的汽車製造商。 負責新開發的寶馬董事會成員布克哈德·戈舍爾(Burkhard Göschel)樂觀而自信地宣稱，“公司將在7係到期之前銷售氫動力汽車”，這確實正在成為現實。 Hydrogen 7 是第七個系列版本，於 2006 年推出，配備 12 馬力 260 缸發動機。 這個消息成為現實。

這個意圖似乎相當雄心勃勃，但並非沒有理由。 自 1978 年以來，寶馬一直在試驗氫內燃機，推出了 5 系 (E12)，1984 年推出了 745 小時版本的 E 23，並於 11 年 2000 月 15 日展示了這種替代方案的獨特功能。 , 令人印象深刻的 750 馬力機隊配備 38 缸氫動力發動機的本週 E 12 賽車完成了 170 公里的馬拉鬆比賽，展示了該公司的成功，尤其是新技術的前景。 000年和2001年，其中一些車輛繼續參加各種示範活動，以推廣氫的理念。 然後是基於下一代2002系列的新開發，使用現代7升八缸發動機，最高時速可達4,4公里/小時，隨後是最新開發的212缸六升發動機。

根據該公司的官方意見，寶馬當時選擇這項技術而不是燃料電池的原因既有商業基礎，也有心理基礎。 首先，如果工業基礎設施發生變化，這種方法所需的投資將大大減少。 其次，因為人們已經習慣了老式的內燃機，他們喜歡它，並且很難割捨它。 第三，因為同時該技術的發展速度比燃料電池技術更快。

在寶馬汽車中，氫氣儲存在過度隔熱的低溫容器中，有點像德國製冷集團林德開發的高科技保溫瓶。 在較低的儲存溫度下，燃料處於液相並作為普通燃料進入發動機。

慕尼黑公司的設計者在進氣歧管中採用燃油噴射，混合物的質量取決於發動機的工作模式。 在部分負載模式下，發動機使用類似於柴油的稀混合物運行 - 僅改變噴射的燃油量。 這就是所謂的混合物的“質量控制”，其中發動機在過量空氣下運行，但由於低負荷，氮排放的形成被最小化。 當需要大量動力時，發動機開始像汽油發動機一樣工作，轉向所謂的混合物“定量調節”和正常（非稀）混合物。 這些變化之所以成為可能，一方面要歸功於發動機中電子過程控制的速度，另一方面要歸功於氣體分配控制系統的靈活操作——“雙”Vanos，與無節流閥的 Valvetronic 進氣控制系統配合工作。 應該記住的是，根據寶馬工程師的說法，這項開發的工作方案只是技術開發的中間階段，未來的發動機將不得不轉向將氫氣直接噴射到氣缸和渦輪增壓器中。 預計這些方法的應用將導致汽車的動力性能與同類汽油發動機相比得到改善，並使內燃機的整體效率提高50%以上。

一個有趣的發展事實是，隨著“氫”內燃機的最新發展，慕尼黑的設計師正在進入燃料電池領域。 他們使用此類設備為汽車的車載電網供電，完全消除了傳統電池。 由於這一步驟，可以進一步節省燃料，因為氫發動機不必驅動交流發電機，並且車載電氣系統變得完全自主且獨立於驅動路徑——即使在發動機不運行時也可以發電，並且可以完全優化能源生產和消耗。 事實上，現在可以產生水泵、油泵、制動助力器和接線系統所需的電力，這也意味著進一步節省。 然而，與所有這些創新並行的是，燃油噴射系統（汽油）實際上沒有經歷任何昂貴的設計變更。

為了推廣氫技術，2002年XNUMX月，寶馬集團、Aral、BVG、戴姆勒克萊斯勒、福特、GHW、林德、歐寶、MAN創建了清潔能源合作夥伴計劃，該計劃從液化氣加氣站的開發開始。 和壓縮氫氣。 其中，部分氫氣是利用太陽能在現場生產然後壓縮的，而大量液化的氫氣則來自特殊的生產站，並且所有來自液相的蒸氣都會自動轉移到儲氣罐中。
寶馬還啟動了許多其他聯合項目，包括與石油公司的合作，其中最積極的參與者是Aral、BP、殼牌、道達爾。
然而，為什麼寶馬放棄這些技術解決方案，仍然專注於燃料電池，我們將在本系列的另一篇文章中告訴您。

內燃機中的氫氣

有趣的是，由於氫的物理和化學特性，它比汽油更易燃。 實際上，這意味著啟動氫氣燃燒過程所需的初始能量要少得多。 另一方面，氫發動機很容易使用非常“糟糕”的混合物——這是現代汽油發動機通過複雜而昂貴的技術實現的。

與汽油相比，氫-空氣混合物顆粒之間的熱量耗散較少，同時自燃溫度和燃燒過程的速率要高得多。 氫氣具有低密度和強擴散性（顆粒進入另一種氣體的可能性 - 在本例中為空氣）。

自燃所需的低活化能是控制氫發動機燃燒過程的最大挑戰之一，因為由於與燃燒室中較熱區域的接觸以及一系列完全不受控制的過程產生的阻力，混合物很容易自燃。 避免這種風險是氫發動機設計中最大的挑戰之一，但要處理高度分散的燃燒混合物非常靠近氣缸壁並且可以穿透極其狹窄的間隙這一事實的後果並不容易。 例如，沿著關閉的閥門……在設計這些電機時必須考慮所有這些。

高自燃溫度和高辛烷值（大約 130）可以提高發動機的壓縮比，從而提高其效率，但當與較熱的部件接觸時，同樣存在氫氣自燃的危險。 在氣缸中。 氫氣的高擴散性的優點是它可以很容易地與空氣混合，在儲罐發生故障時可以保證燃料快速安全地擴散。

用於燃燒的理想空氣-氫氣混合物的比例約為 34:1（對於汽油，該比例為 14,7:1）。 這意味著在第一種情況下將相同質量的氫氣和汽油混合時，需要兩倍以上的空氣。 與此同時，氫-空氣混合物佔據了更多的空間，這解釋了為什麼氫發動機的功率較低。 比率和體積的純數字說明非常雄辯 - 準備燃燒的氫氣密度比汽油蒸氣密度小 56 倍……但是，應該指出的是，一般來說，氫發動機可以在空氣混合物上運行。 氫氣的比例高達 180:1（即非常“糟糕”的混合物），這又意味著發動機可以在沒有油門的情況下運行並使用柴油發動機的原理。 還應該提到的是，在氫和汽油作為大眾能源的比較中，氫是無可爭議的領先者——一千克氫的能量幾乎是每千克汽油的三倍。

與汽油發動機一樣，液化氫可以直接噴射到歧管中的閥門之前，但最好的解決方案是在壓縮衝程期間直接噴射——在這種情況下，功率可以超過同類汽油發動機25%。 這是因為燃料（氫氣）不會像汽油或柴油發動機那樣取代空氣，從而使燃燒室僅充滿（比平常多得多的）空氣。 此外，與汽油發動機不同，氫氣不需要結構渦流，因為沒有這種措施的氫氣可以很好地與空氣擴散。 由於氣缸不同部位的燃燒速度不同，最好安裝兩個火花塞，而在氫發動機中，不適合使用鉑電極，因為鉑會成為催化劑，即使在低溫下也會導致燃料氧化。

馬自達變體

日本馬自達公司也在 RX-8 跑車中以旋轉缸體的形式展示了其氫發動機版本。 這並不奇怪，因為汪克爾發動機的設計特點非常適合使用氫氣作為燃料。
氣體在高壓下儲存在特殊的儲罐中，燃料直接注入燃燒室。 由於在旋轉發動機的情況下，噴射和燃燒發生的區域是分開的，並且入口部分的溫度較低，因此大大減少了失控點火可能性的問題。 汪克爾發動機還為兩個噴射器提供了足夠的空間，這對於噴射最佳量的氫氣至關重要。

H2R

H2R 是一款由 BMW 工程師打造的超級運動原型車，搭載 12 缸發動機，最大輸出功率可達 285 馬力。 使用氫氣時。 得益於他們，實驗車型從 0 加速到 100 公里/小時僅需 300 秒，最高時速達到 2 公里/小時。H760R 發動機基於 XNUMXi 汽油機使用的標準頂級發動機，僅用了十個月就開發完成。

為了防止自燃，巴伐利亞專家利用發動機可變氣門正時系統提供的可能性，開發了一種特殊的燃燒室流動和噴射循環策略。 在混合物進入氣缸之前，氣缸被空氣冷卻，點火僅在上止點進行——由於氫燃料的燃燒率高，不需要提前點火。