寶馬試駕和氫能：第二部分

“水。寶馬清潔發動機的唯一最終產品是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。”

寶馬之道

這句話是幾年前一家德國公司的廣告活動中的一句話。很長一段時間以來，沒有人質疑這樣一個事實：巴伐利亞人非常了解他們在電機技術方面所做的事情，並且是該領域無可爭議的世界領導者之一。人們也不會認為，一家近年來表現出穩健銷售增長的公司會在鮮為人知的廣告上投入大量資金，宣傳前景不明朗的技術。

然而，與此同時，所引用的文字是該巴伐利亞汽車製造商旗艦產品的宣傳活動的一部分，該活動旨在推廣一種頗為奇特的 745 小時氫版本。之所以具有異國情調，是因為根據寶馬的說法，汽車行業從一開始就一直在向碳氫燃料的替代品過渡，這將需要改變整個生產基礎設施。後者是必要的，因為巴伐利亞人看到的有希望的發展道路不是廣泛宣傳的燃料電池，而是將內燃機轉變為使用氫氣運行。寶馬認為，升級是一個可以解決的問題，並且在解決實現可靠的發動機性能和消除使用純氫的不受控制的燃燒過程的傾向方面已經取得了重大進展。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使用寶馬專利的靈活氣體分配系統Valvetronic和Vanos的可能性，沒有這些系統就不可能確保“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 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發動機的方案非常不同。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。多年後，氫作為燃料的特性被航天工業重新發現，航天工業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2008月，歐洲汽車工業協會（ACEA）向歐盟承諾，將歐盟新註冊車輛的CO2排放量減少140克，平均每公里減少25克。實際上，這意味著與 1995 年相比，排放量減少了 6,0%，新車隊的平均油耗約為 100 公升/14 公里。預計在不久的將來還會採取更多措施，到 2012 年將二氧化碳排放量減少 XNUMX%。這使得這項任務對於汽車公司來說極其困難，寶馬專家表示，可以透過使用低碳燃料或完全消除燃料中的碳來解決。根據這個理論，氫再次以它的輝煌出現在汽車領域。

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 Burkhard Heschel 教授樂觀而自信的說法「公司將在當前 7 系列到期之前銷售氫動力汽車」已經成為現實。其最新版本 Hydrogen 7 是第七個系列，於 2006 年推出，配備 12 缸發動機，功率為 260 匹馬力。這個消息已經成為現實。這個意圖看起來相當雄心勃勃，但並非沒有理由。自 1978 年以來，BMW一直在試驗氫動力內燃機，並於 11 年 2000 月 15 日對此替代方案的功能進行了獨特的演示。本週，一支由 750 輛上一代汽車組成的令人印象深刻的車隊，使用十二缸氫發動機，完成了 170 公里的馬拉鬆比賽，特別展示了該公司的成功和新技術的前景。 000年和2001年，其中一些汽車繼續參與各種支持氫能事業的示威活動。然後是時候基於下一代 2002 系列進行新開發，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 缸六缸發動機。根據該公司的官方意見，BMW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，如果生產基礎設施發生變化，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離開它。第三，同時，事實證明該技術的發展速度比燃料電池技術更快。

在寶馬汽車中，氫氣儲存在超級隔熱的低溫容器中，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，燃料呈液態並像普通燃料一樣進入發動機。

現階段，慕尼黑公司的設計者專注於間接燃油噴射，混合的品質取決於引擎的運作模式。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，引擎開始像汽油引擎一樣運行，轉向所謂的混合物和正常（非稀）混合物的「定量控制」。這些變化之所以成為可能，一方面是由於發動機中電子控製過程的速度，另一方面是由於氣體分配控制系統的靈活操作——“雙”Vanos，與不帶節氣門的 Valvetronic 進氣控制系統。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，未來的引擎將改用氫直接噴射到氣缸和渦輪增壓。這些技術的應用預計將帶來比同類汽油引擎更好的車輛動態性能，並將整體內燃機效率提高 50% 以上。在這裡我們故意不觸及「燃料電池」這個話題，因為這個問題最近被非常活躍地使用。然而，同時，我們必須在寶馬氫技術的背景下提及它們，因為慕尼黑的設計師決定僅使用此類設備為汽車的車載電氣系統供電，從而完全消除傳統的電池電源。這一舉措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它也可以發電，並生產並消耗能源有助於全面優化。事實上，現在只能產生所需的電力來為水泵、油泵、煞車增壓器和佈線系統提供動力，這也帶來了額外的節省。然而，與所有這些創新同時進行的是，燃油噴射系統（汽油）幾乎沒有進行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，該計劃以液化和壓縮氫加氣站的開發開始活動。

寶馬是許多其他聯合項目的發起者，其中包括與石油公司的聯合項目，其中最積極的參與者是Aral、BP、殼牌、道達爾。人們對這一前景廣闊的領域的興趣正在呈指數級增長——在未來十年中，僅歐盟就將向基金提供直接財政捐助，以資助氫技術的開發和實施，金額達2,8億歐元。這一時期私人企業在“氫”開發上的投資額很難預測，但很明顯會超過非營利組織的扣除額很多倍。

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，非常稀薄的混合物可以很容易地用於氫發動機——這是現代汽油發動機通過複雜而昂貴的技術實現的。

氫-空氣混合物顆粒之間的熱量散失較少，同時自燃溫度和燃燒過程的速率比汽油高得多。氫氣具有低密度和強擴散性（顆粒滲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接觸並且難以遵循一系列完全不受控制的過程，混合物很容易自燃。避免這種風險是開發氫發動機的最大挑戰之一，但要消除高度擴散的燃燒混合物非常靠近氣缸壁並可以穿透極其狹窄的間隙這一事實的後果並不容易。例如關閉閥門……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（約 130）使引擎能夠提高壓縮比，從而提高效率，但同樣存在氫氣與較熱部件接觸而自燃的危險。在氣缸中。氫氣高擴散性的優點是能夠輕鬆與空氣混合，在儲槽發生故障時可以確保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，這解釋了為什麼氫動力發動機的功率較小。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低 56 倍...... 然而，應該指出的是，原則上，氫發動機也可以在高達 180:1 的空氣-氫氣混合物（即非常“稀”的混合物）下運行，這又意味著發動機可以運行。沒有節流閥，利用柴油機的原理。還應該指出的是，在氫和汽油作為能源的質量比較中，氫是無可爭議的領先者——一千克氫的能源密集度幾乎是一千克汽油的三倍。

與汽油發動機一樣，液化氫可以直接在歧管中的閥門前面噴射，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，只允許空氣（比平常多得多）填充燃燒室。此外，與汽油發動機不同，氫發動機不需要結構渦流，因為無需這種措施氫就可以很好地與空氣擴散。由於氣缸不同部位的燃燒速率不同，最好放置兩個火花塞，並且在氫發動機中，使用鉑電極是不切實際的，因為鉑在低溫下會成為導致燃料氧化的催化劑。

H2R

H2R 是一款由 BMW 工程師打造的超級運動原型車，由 285 缸發動機提供動力，在使用氫氣驅動時，最大輸出功率可達 0 馬力。得益於他們，實驗模型在 100 秒內從 300 加速到 2 公里/小時，最高時速達到 760 公里/小時。HXNUMXR 發動機基於汽油 XNUMXi 中使用的標準高端裝置，僅用了 XNUMX 秒。幾個月來開發。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，開發了一種特殊的流動循環和燃燒室噴射策略。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。

發現

向清潔氫能源轉型的財務分析結果還不是很樂觀。輕質氣體的生產、儲存、運輸和供應仍然是相當耗能的過程，在人類發展目前的技術階段，這樣的方案還無法發揮作用。然而，這並不意味著研究和解決方案不會繼續下去。利用太陽能電池板產生的電力從水中生產氫氣並將其儲存在大型儲罐中的提議聽起來很樂觀。另一方面，在撒哈拉沙漠氣相生產電力和氫氣，通過管道輸送到地中海，液化並用低溫油輪運輸，在港口卸貨，最後用卡車運輸的過程聽起來很簡單。暫時有點可笑…

挪威石油公司 Norsk Hydro 最近提出了一個有趣的想法，該公司提議在北海的生產地點用天然氣生產氫氣，並將殘留的一氧化碳儲存在海底枯竭的油田中。真相介於兩者之間，只有時間告訴我們氫工業將走向何方。

馬自達變體

日本馬自達公司也展示了其氫發動機版本 - 以轉子單元跑車 RX-8 的形式。這並不奇怪，因為汪克爾發動機的設計特點極其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。由於在旋轉式發動機的情況下，噴射和燃燒發生的區域是分開的，並且吸氣部分的溫度較低，因此顯著減少了不受控點火的可能性的問題。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極其重要。