BMW i l’hidrogen: el motor de combustió interna

Els projectes de la companyia van començar fa 40 anys amb la versió d’hidrogen de la sèrie 5

BMW fa temps que creu en la mobilitat elèctrica. Avui, Tesla es pot considerar el referent en aquesta àrea, però fa deu anys, quan l'empresa nord-americana va demostrar el concepte d'una plataforma d'alumini personalitzada, que després es va realitzar en forma de Tesla Model S, BMW estava treballant activament en la Megacity. Projecte de vehicles. 2013 es comercialitza com el BMW i3. El cotxe alemany d'avantguarda no només utilitza una estructura de suport d'alumini amb bateries integrades, sinó també una carrosseria feta de polímers reforçats amb carboni. Tanmateix, el que Tesla està innegablement per davant dels seus competidors és la seva metodologia excepcional, especialment en l'escala de desenvolupament de bateries per a vehicles elèctrics, des de les relacions amb fabricants de cèl·lules d'ions de liti fins a la construcció de grans fàbriques de bateries, incloses aquelles amb aplicacions no elèctriques. mobilitat.

Però tornem a BMW perquè, a diferència de Tesla i molts dels seus competidors, l'empresa alemanya encara creu en la mobilitat de l'hidrogen. Recentment, un equip liderat pel vicepresident de Piles de Combustible d'Hidrogen de la companyia, el Dr. Jürgen Gouldner, va presentar la pila de combustible I-Hydrogen Next, un grup electrògen autopropulsat alimentat per una reacció química a baixa temperatura. Aquest moment marca el 10è aniversari del llançament del desenvolupament de vehicles de pila de combustible de BMW i el 7è aniversari de la col·laboració amb Toyota en piles de combustible. Tanmateix, la dependència de BMW de l'hidrogen es remunta a 40 anys i és una temperatura molt més calenta.

Es tracta de més d'un quart de segle de desenvolupaments de l'empresa, en què l'hidrogen s'utilitza com a combustible per als motors de combustió interna. Durant gran part d'aquest període, la companyia va creure que un motor de combustió interna alimentat amb hidrogen estava més a prop del consumidor que una pila de combustible. Amb una eficiència d'aproximadament un 60% i una combinació d'un motor elèctric amb una eficiència de més del 90%, un motor de pila de combustible és molt més eficient que un motor de combustió interna que funciona amb hidrogen. Com veurem a les línies següents, amb la seva injecció directa i turboalimentació, els motors reduïts actuals seran extremadament adequats per subministrar hidrogen, sempre que hi hagi els sistemes de control d'injecció i combustió adequats. Però tot i que els motors de combustió interna alimentats amb hidrogen solen ser molt més barats que una pila de combustible combinada amb una bateria d'ions de liti, ja no estan a l'agenda. A més, els problemes de mobilitat de l'hidrogen en ambdós casos van molt més enllà de l'abast del sistema de propulsió.

I, tanmateix, per què l’hidrogen?

L’hidrogen és un element important en la recerca de la humanitat per utilitzar cada vegada més fonts d’energia alternatives, com ara un pont per emmagatzemar energia del sol, el vent, l’aigua i la biomassa convertint-la en energia química. En termes senzills, això significa que l’electricitat generada per aquestes fonts naturals no es pot emmagatzemar en grans volums, sinó que es pot utilitzar per produir hidrogen descomposant l’aigua en oxigen i hidrogen.

Per descomptat, l'hidrogen també es pot extreure de fonts d'hidrocarburs no renovables, però això fa temps que és inacceptable quan es tracta d'utilitzar-lo com a font d'energia. És un fet innegable que els problemes tecnològics de producció, emmagatzematge i transport d'hidrogen són resolubles: a la pràctica, fins i tot ara, es produeixen grans quantitats d'aquest gas i s'utilitzen com a matèries primeres a les indústries química i petroquímica. En aquests casos, però, l'elevat cost de l'hidrogen no és letal, ja que "es fon" per l'elevat cost dels productes en què està implicat.

Tanmateix, el problema d'utilitzar gas lleuger com a font d'energia i en grans quantitats és una mica més complicat. Els científics fa temps que sacsegen el cap a la recerca d'una possible alternativa estratègica al fuel, i l'augment de la mobilitat elèctrica i l'hidrogen poden estar en estreta simbiosi. Al cor de tot això hi ha un fet senzill però molt important: l'extracció i l'ús de l'hidrogen gira al voltant del cicle natural de combinació i descomposició de l'aigua... Si la humanitat millora i amplia els mètodes de producció utilitzant fonts naturals com l'energia solar, el vent i l'aigua, L'hidrogen es pot produir i utilitzar en quantitats il·limitades sense emetre emissions nocives.
producció

Actualment es produeixen més de 70 milions de tones d’hidrogen pur al món. La principal matèria primera per a la seva producció és el gas natural, que es processa en un procés conegut com a "reforma" (la meitat del total). Es produeixen quantitats menors d’hidrogen per altres processos com l’electròlisi de compostos de clor, l’oxidació parcial del petroli pesat, la gasificació del carbó, la piròlisi del carbó per produir coc i la reforma de la gasolina. Aproximadament la meitat de la producció mundial d'hidrogen s'utilitza per a la síntesi d'amoníac (que s'utilitza com a matèria primera en la producció de fertilitzants), per a la refinació de petroli i per a la síntesi de metanol.

Aquests esquemes de producció carreguen el medi ambient en diferents graus i, malauradament, cap d'ells ofereix una alternativa significativa a l'estat quo energètic actual, en primer lloc perquè utilitzen fonts no renovables i, en segon lloc, perquè la producció emet substàncies no desitjades com el diòxid de carboni. El mètode més prometedor per a la producció d'hidrogen en el futur segueix sent la descomposició de l'aigua amb l'ajuda de l'electricitat, conegut a l'escola primària. No obstant això, actualment tancar el cicle de l'energia neta només és possible utilitzant l'energia natural i sobretot solar i eòlica per generar l'electricitat necessària per descompondre l'aigua. Segons el Dr. Gouldner, les tecnologies modernes "connectades" als sistemes eòlics i solars, incloses les petites estacions d'hidrogen on aquestes últimes es produeixen in situ, són un gran nou pas en aquesta direcció.
Ubicació d'emmagatzematge

L’hidrogen es pot emmagatzemar en grans quantitats, tant en fase gasosa com en fase líquida. Els dipòsits més grans d’aquest tipus, en què l’hidrogen es manté a una pressió relativament baixa, s’anomenen “comptadors de gasos”. Els tancs mitjans i petits estan adaptats per emmagatzemar l’hidrogen a una pressió de 30 bar, mentre que els tancs especials més petits (dispositius cars fabricats amb compostos especials d’acer o fibra de carboni) mantenen una pressió constant de 400 bar.
L'hidrogen també es pot emmagatzemar en una fase líquida a -253 °C per unitat de volum que conté 1,78 vegades més energia que quan s'emmagatzema a 700 bar; per aconseguir la quantitat equivalent d'energia en hidrogen liquat per unitat de volum, el gas s'ha de comprimir fins a 1250 bar. A causa de la major eficiència energètica de l'hidrogen refrigerat, BMW s'ha associat amb el grup alemany de refrigeració Linde per als seus primers sistemes, que ha desenvolupat dispositius criogènics d'última generació per liquar i emmagatzemar hidrogen. Els científics també ofereixen altres alternatives, però menys aplicables en aquest moment, per emmagatzemar l'hidrogen, per exemple, emmagatzemar a pressió en farina metàl·lica especial, en forma d'hidrurs metàl·lics, entre d'altres.

Les xarxes de transmissió d’hidrogen ja existeixen en zones amb una alta concentració de plantes químiques i refineries de petroli. En general, la tècnica és similar a la de la transmissió de gas natural, però no sempre és possible l’ús d’aquest per a les necessitats d’hidrogen. Tanmateix, fins i tot al segle passat, moltes cases de les ciutats europees van ser il·luminades per gasos lleugers que contenien fins a un 50% d’hidrogen i que s’utilitza com a combustible per als primers motors estacionaris de combustió interna. El nivell actual de tecnologia ja permet el transport transcontinental d’hidrogen liquat a través de camions cisterna existents, similars als que s’utilitzen per al gas natural.

BMW i el motor de combustió interna

"Aigua. L'únic producte final de motors BMW nets que utilitza hidrogen líquid en lloc de combustible de petroli i permet a tothom gaudir de les noves tecnologies amb la consciència tranquil·la".

Aquestes paraules són una cita d’una campanya publicitària per a una empresa alemanya a principis del segle XXI. Hauria de promoure la versió d’hidrogen de 745 hores, bastant exòtica, del vaixell insígnia de l’automòbil bavarès. Exòtic, perquè, segons BMW, la transició cap a alternatives de combustible d’hidrocarburs amb què la indústria automobilística s’està alimentant des del principi requerirà un canvi en tota la infraestructura industrial. En aquella època, els bavaresos van trobar un camí prometedor de desenvolupament no en les piles de combustible àmpliament anunciades, sinó en la transferència de motors de combustió interna per treballar amb hidrogen. BMW creu que la reforma que s'està considerant és un problema solucionable i ja està avançant significativament cap al repte clau de garantir un rendiment fiable del motor i eliminar la seva tendència a la combustió fugitiva mitjançant hidrogen pur. L’èxit en aquesta direcció es deu a la competència en el camp del control electrònic dels processos del motor i a la capacitat d’utilitzar els sistemes patentats de Valvetronic i Vanos patentats per BMW per a la distribució flexible de gasos, sense els quals és impossible garantir el funcionament normal dels "motors d’hidrogen".

No obstant això, els primers passos en aquesta direcció es remunten a l'any 1820, quan el dissenyador William Cecil va crear un motor alimentat amb hidrogen que funcionava amb l'anomenat "principi del buit", un esquema completament diferent del que més tard es va inventar amb un motor intern. cremant. En el seu primer desenvolupament de motors de combustió interna 60 anys després, el pioner Otto va utilitzar el ja esmentat gas sintètic derivat del carbó amb un contingut d'hidrogen d'aproximadament el 50%. Tanmateix, amb la invenció del carburador, l'ús de la gasolina s'ha tornat molt més pràctic i segur, i el combustible líquid ha substituït totes les altres alternatives que hi havia fins ara. Les propietats de l'hidrogen com a combustible van ser descobertes molts anys més tard per la indústria espacial, que ràpidament va descobrir que l'hidrogen tenia la millor relació energia/massa de qualsevol combustible conegut per la humanitat.

El juliol de 1998, l'Associació Europea de la Indústria de l'Automoció (ACEA) es va comprometre a reduir les emissions de CO2 dels vehicles de nova matriculació a la Unió fins a una mitjana de 140 grams per quilòmetre el 2008. A la pràctica, això significa una reducció del 25% de les emissions en comparació amb el 1995 i equival a un consum mitjà de combustible a la nova flota d’uns 6,0 l / 100 km. Això fa que la tasca de les empreses automobilístiques sigui extremadament difícil i, segons els experts de BMW, es pot resoldre utilitzant combustibles baixos en carboni o eliminant completament el carboni de la composició del combustible. Segons aquesta teoria, l’hidrogen apareix en tota la seva glòria a l’escena de l’automòbil.
L’empresa bavaresa es converteix en el primer fabricant de vehicles que comença la producció massiva de vehicles propulsats per hidrogen. Les afirmacions optimistes i confiades del consell d’administració de BMW, Burkhard Göschel, membre del consell de BMW responsable dels nous desenvolupaments, segons les quals “l’empresa vendrà vehicles d’hidrogen abans que caduqui la Sèrie 7” es compleixen. Amb Hydrogen 7, el 2006 es va introduir una versió de la setena sèrie que compta amb un motor de 12 cilindres de 260 CV. aquest missatge es fa realitat.

La intenció sembla bastant ambiciosa, però per una bona raó. BMW ha estat experimentant amb motors de combustió d’hidrogen des del 1978, amb la sèrie 5 (E12), la versió de 1984 hores de l’E 745 es va introduir el 23 i l’11 de maig del 2000 va demostrar les capacitats úniques d’aquesta alternativa. Una impressionant flota de 15 CV. L'E 750 "de la setmana" amb motors de 38 cilindres accionats per hidrogen va fer una marató de 12 km, destacant l'èxit de la companyia i la promesa de nova tecnologia. El 170 i el 000, alguns d’aquests vehicles van continuar participant en diverses demostracions per promoure la idea de l’hidrogen. Després ve un nou desenvolupament basat en la propera Sèrie 2001, que utilitza un modern motor V-2002 de 7 litres i capaç d’aconseguir una velocitat màxima de 4,4 km / h, seguit del darrer desenvolupament amb un motor V-212 de 12 cilindres.

Segons l'opinió oficial de la companyia, els motius pels quals BMW va preferir aquesta tecnologia a les piles de combustible són tant comercials com psicològics. En primer lloc, aquest mètode requerirà una inversió significativament menor en cas de canvis en la infraestructura industrial. En segon lloc, com que la gent està acostumada al bon vell motor de combustió, els encanta i serà difícil separar-se’n. I en tercer lloc, perquè, al mateix temps, aquesta tecnologia es desenvolupa més ràpidament que la tecnologia de les piles de combustible.

Als cotxes BMW, l'hidrogen s'emmagatzema en un recipient criogènic sobreaïllat, com una ampolla termo d'alta tecnologia desenvolupada pel grup de refrigeració alemany Linde. A baixes temperatures d'emmagatzematge, el combustible es troba en fase líquida i entra al motor com a combustible normal.

Els dissenyadors de l'empresa de Munic utilitzen la injecció de combustible als col·lectors d'admissió i la qualitat de la barreja depèn del mode de funcionament del motor. En mode de càrrega parcial, el motor funciona amb mescles magres similars al dièsel: només es canvia la quantitat de combustible injectat. Aquest és l'anomenat "control de qualitat" de la mescla, en què el motor funciona amb un excés d'aire, però a causa de la baixa càrrega, es minimitza la formació d'emissions de nitrogen. Quan es necessita una potència important, el motor comença a funcionar com un motor de gasolina, passant a l'anomenada "regulació quantitativa" de la mescla i a mescles normals (no magres). Aquests canvis són possibles, d'una banda, gràcies a la velocitat del control electrònic del procés del motor i, d'altra banda, gràcies al funcionament flexible dels sistemes de control de distribució de gas: el "doble" Vanos, que treballa conjuntament. amb el sistema de control d'admissió Valvetronic sense accelerador. Cal tenir en compte que, segons els enginyers de BMW, l'esquema de treball d'aquest desenvolupament és només una etapa intermèdia en el desenvolupament de la tecnologia i que en el futur els motors hauran de passar a la injecció directa d'hidrogen als cilindres i al turbocompressor. S'espera que l'aplicació d'aquests mètodes condueixi a una millora en el rendiment dinàmic del cotxe en comparació amb un motor de gasolina similar i a un augment de l'eficiència global del motor de combustió interna en més d'un 50%.

Un fet interessant del desenvolupament és que amb els últims desenvolupaments en motors de combustió interna "d'hidrogen", els dissenyadors de Munic estan entrant al camp de les piles de combustible. Utilitzen aquests dispositius per alimentar la xarxa elèctrica a bord dels cotxes, eliminant completament la bateria convencional. Gràcies a aquest pas, és possible estalviar combustible addicional, ja que el motor d'hidrogen no ha de conduir l'alternador i el sistema elèctric a bord esdevé completament autònom i independent de la trajectòria de conducció: pot generar electricitat fins i tot quan el motor no està en marxa, i la producció i el consum d'energia es poden optimitzar totalment. El fet que ara es pugui generar tanta electricitat com sigui necessària per alimentar la bomba d'aigua, les bombes d'oli, el reforç de frens i els sistemes de cablejat també es tradueix en més estalvis. No obstant això, paral·lelament a totes aquestes innovacions, el sistema d'injecció de combustible (gasolina) pràcticament no ha sofert cap canvi de disseny costós.

Per tal de promoure les tecnologies de l’hidrogen el juny del 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN van crear el programa d’associació CleanEnergy, que va iniciar la seva activitat amb el desenvolupament d’estacions d’ompliment de GLP. i hidrogen comprimit. En ells, una part de l’hidrogen es produeix a l’obra mitjançant electricitat solar, i després es comprimeix, i les grans quantitats liquades provenen d’estacions de producció especials i tots els vapors de la fase líquida es transfereixen automàticament al dipòsit de gas.
BMW ha iniciat diversos altres projectes conjunts, incloses empreses petrolieres, entre les quals hi ha els participants més actius Aral, BP, Shell, Total.
Tanmateix, per què BMW abandona aquestes solucions tecnològiques i encara se centra en les piles de combustible, us ho explicarem en un altre article d'aquesta sèrie.

Hidrogen en motors de combustió interna

És interessant assenyalar que a causa de les propietats físiques i químiques de l'hidrogen, és molt més inflamable que la gasolina. A la pràctica, això significa que es necessita molta menys energia inicial per iniciar el procés de combustió en hidrogen. D'altra banda, els motors d'hidrogen poden utilitzar fàcilment mescles molt "dolentes", cosa que els moderns motors de gasolina aconsegueixen mitjançant tecnologies complexes i cares.

La calor entre les partícules de la mescla d'hidrogen-aire es dissipa menys i, al mateix temps, la temperatura d'autoignició és molt més alta, així com la velocitat dels processos de combustió en comparació amb la gasolina. L'hidrogen té una baixa densitat i una forta difusivitat (la possibilitat que les partícules entrin en un altre gas, en aquest cas, l'aire).

La baixa energia d’activació necessària per a l’autocombustió és un dels majors desafiaments en el control de la combustió en motors d’hidrogen, perquè la barreja es pot inflamar espontàniament a causa del contacte amb zones més càlides de la cambra de combustió i la resistència després d’una cadena de processos completament incontrolats. Evitar aquest risc és un dels majors reptes en el disseny de motors d’hidrogen, però no és fàcil eliminar les conseqüències del fet que la mescla de combustió molt dispersa es mou molt a prop de les parets del cilindre i pot penetrar buits molt estrets. per exemple al llarg de vàlvules tancades ... Tot això s’ha de tenir en compte a l’hora de dissenyar aquests motors.

L’elevada temperatura d’autoignició i l’elevat nombre d’octans (uns 130) permeten augmentar la relació de compressió del motor i, per tant, la seva eficiència, però també hi ha el perill d’autoignició d’hidrogen en contacte amb la part més calenta. al cilindre. L’avantatge de l’alta capacitat de difusió de l’hidrogen és la possibilitat de barrejar fàcilment amb l’aire, que en cas d’avaria del tanc garanteix una dispersió ràpida i segura del combustible.

La mescla ideal d'aire-hidrogen per a la combustió té una proporció d'aproximadament 34:1 (per a la gasolina aquesta relació és de 14,7:1). Això vol dir que quan es combina la mateixa massa d'hidrogen i gasolina en el primer cas, es necessita més del doble d'aire. Al mateix temps, la barreja d'hidrogen-aire ocupa molt més espai, la qual cosa explica per què els motors d'hidrogen tenen menys potència. Una il·lustració purament digital de proporcions i volums és bastant eloqüent: la densitat de l'hidrogen preparat per a la combustió és 56 vegades menor que la densitat del vapor de gasolina ... No obstant això, cal tenir en compte que, en general, els motors d'hidrogen poden funcionar amb mescles d'aire. . hidrogen en proporcions de fins a 180:1 (és a dir, amb mescles molt "dolentes"), que al seu torn significa que el motor pot funcionar sense accelerador i utilitzar el principi dels motors dièsel. També cal esmentar que l'hidrogen és el líder indiscutible en la comparació entre l'hidrogen i la gasolina com a font d'energia massiva: un quilo d'hidrogen té gairebé tres vegades més energia per quilo de gasolina.

Igual que amb els motors de gasolina, l'hidrogen liquat es pot injectar directament abans de les vàlvules dels col·lectors, però la millor solució és la injecció directament durant la carrera de compressió; en aquest cas, la potència pot superar la d'un motor de gasolina comparable en un 25%. Això es deu al fet que el combustible (hidrogen) no desplaça l'aire com passa amb un motor de gasolina o dièsel, permetent que la cambra de combustió s'ompli només d'aire (significativament més de l'habitual). A més, a diferència dels motors de gasolina, l'hidrogen no necessita remolí estructural, ja que l'hidrogen sense aquesta mesura es difon força bé amb l'aire. A causa de les diferents velocitats de combustió en diferents parts del cilindre, és millor instal·lar dues bugies, i en els motors d'hidrogen, l'ús d'elèctrodes de platí no és adequat, ja que el platí es converteix en un catalitzador que condueix a l'oxidació del combustible fins i tot a baixes temperatures. .

Opció Mazda

L'empresa japonesa Mazda també mostra la seva versió del motor d'hidrogen, en forma de bloc rotatiu al cotxe esportiu RX-8. Això no és sorprenent, ja que les característiques de disseny del motor Wankel són extremadament adequades per utilitzar hidrogen com a combustible.
El gas s’emmagatzema a alta pressió en un dipòsit especial i el combustible s’injecta directament a les cambres de combustió. A causa del fet que en el cas dels motors rotatius, les zones en què es produeix la injecció i la combustió són separades i la temperatura de la part d’admissió és menor, el problema de la possibilitat d’encesa incontrolada es redueix significativament. El motor Wankel també ofereix un ampli espai per a dos injectors, cosa fonamental per injectar la quantitat òptima d’hidrogen.

H2R

L'H2R és un prototip de superesport en funcionament construït per enginyers de BMW i impulsat per un motor de 12 cilindres que arriba a una potència màxima de 285 CV. quan es treballa amb hidrogen. Gràcies a ells, el model experimental accelera de 0 a 100 km/h en sis segons i arriba a una velocitat màxima de 300 km/h.El motor H2R es basa en la part superior estàndard que s'utilitza a la gasolina 760i i només va trigar deu mesos a desenvolupar-se. .

Per evitar la combustió espontània, els especialistes bavaresos han desenvolupat una estratègia especial per als cicles de flux i injecció a la cambra de combustió, utilitzant les possibilitats que ofereix el sistema de sincronització variable de vàlvules del motor. Abans que la barreja entri als cilindres, aquests últims es refreden per aire i l'encesa només es realitza al punt mort superior; a causa de l'elevada velocitat de combustió amb combustible d'hidrogen, no cal avançar en l'encesa.