BMWと水素：内燃エンジン

同社のプロジェクトは40年前に5シリーズの水素バージョンで始まりました

BMW は長い間、電動モビリティを信じてきました。 今日、テスラはこの分野のベンチマークと見なすことができますが、2013 年前、アメリカの会社がカスタマイズされたアルミニウム プラットフォームのコンセプトを実証し、それがテスラ モデル S の形で実現されたとき、BMW はメガシティに積極的に取り組んでいました。車両プロジェクト。 3年はBMW iXNUMXとして販売されています。 前衛的なドイツ車は、バッテリーが組み込まれたアルミニウム製の支持構造だけでなく、カーボン強化ポリマー製のボディも使用しています。 しかし、テスラが競合他社よりも明らかに優れているのは、リチウムイオン電池メーカーとの関係から、電気以外のアプリケーションを含む巨大なバッテリー工場の建設に至るまで、特に電気自動車用のバッテリー開発の規模において、その例外的な方法論です。 可動性。

しかし、テスラや多くの競合他社とは異なり、ドイツの会社は依然として水素のモビリティを信じているため、BMW に戻りましょう。 最近、同社の水素燃料電池担当バイスプレジデントである Jürgen Gouldner 博士が率いるチームは、I-Hydrogen Next 燃料電池を発表しました。これは、低温の化学反応を動力源とする自走式発電機です。 BMWの燃料電池車開発開始から10周年、トヨタとの燃料電池提携から7周年を迎えます。 ただし、BMW の水素への依存は 40 年前にさかのぼり、はるかに高温になっています。

これは、水素を内燃機関の燃料として使用する同社の四半世紀以上にわたる開発です。 その期間のほとんどの間、同社は水素駆動の内燃エンジンが燃料電池よりも消費者に近いと信じていました。 約 60% の効率と 90% 以上の効率を持つ電気モーターの組み合わせにより、燃料電池エンジンは、水素で動作する内燃エンジンよりもはるかに効率的です。 次の行でわかるように、直接噴射とターボチャージャーを備えた今日のダウンサイジング エンジンは、適切な噴射と燃焼制御システムが配置されていれば、水素の供給に非常に適しています。 しかし、水素を動力源とする内燃機関は通常、燃料電池とリチウムイオン電池を組み合わせたものよりもはるかに安価ですが、もはや議題にはなりません。 さらに、どちらの場合も水素移動の問題は、推進システムの範囲をはるかに超えています。

そして、なぜ水素なのか？

水素は、太陽、風、水、バイオマスからのエネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵する橋など、より多くの代替エネルギー源を使用するという人類の探求において不可欠な要素です。 簡単に言えば、これらの自然源によって生成された電力を大量に貯蔵することはできませんが、水を酸素と水素に分解して水素を生成するために使用できることを意味します。

もちろん、再生不可能な炭化水素源から水素を抽出することもできますが、これはエネルギー源としての使用に関しては長い間受け入れられませんでした。 水素の生産、貯蔵、輸送の技術的問題が解決可能であることは否定できない事実です。実際には、現在でも大量のこのガスが生産され、化学および石油化学産業の原料として使用されています。 ただし、これらの場合、水素が関与する製品の高コストで「溶ける」ため、水素の高コストは致命的ではありません。

しかし、軽ガスをエネルギー源として大量に使用するという問題は、もう少し複雑です。 科学者たちは長い間、燃料油に代わる戦略的な選択肢を求めて首を横に振ってきましたが、電気モビリティの増加と水素は密接に共生している可能性があります。 これらすべての核心にあるのは、単純ですが非常に重要な事実です。水素の抽出と使用は、水を結合して分解する自然なサイクルを中心に展開しています。もし人類が、太陽エネルギー、風、水などの自然源を使用した生産方法を改善し、拡大すれば、水素は、有害な排出物を排出することなく無制限に生成および使用できます。
生産

現在、世界で70万トンを超える純水素が生産されています。 生産の主な原料は天然ガスで、「改質」と呼ばれるプロセスで処理されます（全体の半分）。 塩素化合物の電気分解、重油の部分酸化、石炭のガス化、コークスを生成するための石炭の熱分解、ガソリンの改質など、他のプロセスによって生成される水素の量は少なくなります。 世界の水素生産の約半分は、アンモニア（肥料の生産における原料として使用される）の合成、石油精製、およびメタノールの合成に使用されています。

これらの生産スキームは、さまざまな程度で環境に負担をかけます。残念ながら、現在のエネルギーの現状に代わる有意義な代替手段を提供するものはありません. 将来的に水素を製造するための最も有望な方法は、小学校で知られている電気の助けを借りて水を分解することです. しかし、現在、クリーン エネルギー サイクルを閉じるには、水を分解するのに必要な電力を生成するために、自然エネルギー、特に太陽エネルギーと風力エネルギーを使用する必要があります。 Gouldner 博士によると、後者が現場で生成される小さな水素ステーションを含む、風力および太陽光システムに「接続された」最新の技術は、この方向への大きな新しい一歩です。
ストレージの場所

水素は気相と液相の両方で大量に貯蔵できます。 水素が比較的低圧に保たれている最大のそのような貯蔵所は、「ガスメーター」と呼ばれます。 中小のタンクは30バールの圧力で水素を貯蔵するようになっていますが、最小の特殊タンク（特殊鋼または炭素繊維強化複合材料で作られた高価なデバイス）は400バールの一定圧力を維持します。
水素は、単位体積あたり -253°C の液相で貯蔵することもでき、1,78 bar で貯蔵した場合よりも 700 倍のエネルギーを含みます。単位体積あたりの液化水素で同等のエネルギー量を達成するには、気体を最大まで圧縮する必要があります。 1250 バー。 冷却水素のエネルギー効率が高いため、BMW はドイツの冷凍グループ Linde と提携して最初のシステムを開発しました。Linde は、水素を液化して貯蔵する最先端の極低温装置を開発しました。 科学者は、水素を貯蔵するための代替手段として、現時点ではあまり適用されないが、他の方法も提案している。

水素輸送ネットワークは、化学プラントや製油所が集中している地域にすでに存在しています。 一般に、この手法は天然ガスの透過と似ていますが、水素の必要性のために後者を使用できるとは限りません。 しかし、前世紀でさえ、ヨーロッパの都市の多くの家はパイプラインの軽いガスに照らされていました。それは最大50％の水素を含み、最初の固定式内燃機関の燃料として使用されています。 現在のレベルの技術では、天然ガスに使用されているものと同様に、既存の極低温タンカーを介した液化水素の大陸横断輸送がすでに可能です。

BMWと内燃エンジン

"水。 石油燃料の代わりに液体水素を使用するクリーンな BMW エンジンの唯一の最終製品であり、誰もが明確な良心をもって新しいテクノロジーを楽しむことができます。」

これらの言葉は、745世紀初頭のドイツ企業の広告キャンペーンからの引用です。 それはバイエルンの自動車メーカーの旗艦のかなりエキゾチックなXNUMX時間の水素バージョンを促進するべきである。 エキゾチックなのは、BMWによると、自動車業界が当初から力を入れてきた代替炭化水素燃料への移行には、産業インフラ全体の変更が必要になるためです。 当時、バイエルンは、広く宣伝されている燃料電池ではなく、水素で動作するように内燃機関を移動することで、有望な開発経路を見つけました。 BMWでは、検討中の改造は解決可能な問題であると考えており、信頼性の高いエンジン性能を確保し、純水素を使用して暴走燃焼する傾向をなくすという重要な課題に向けて、すでに大きな進歩を遂げています。 この方向で成功したのは、エンジンプロセスの電子制御の分野における能力と、特許を取得したBMW特許のバルブトロニックシステムとバノスシステムを柔軟なガス分配に使用できるためです。これがないと、「水素エンジン」の正常な動作を保証できません。

しかし、この方向への最初のステップは 1820 年にさかのぼります。この時、デザイナーのウィリアム セシルは、いわゆる「真空原理」で動作する水素燃料エンジンを作成しました。 燃焼。 60 年後の彼の最初の内燃エンジンの開発で、パイオニアのオットーは、水素含有量が約 50% の、前述の石炭由来の合成ガスを使用しました。 しかし、キャブレターの発明により、ガソリンの使用ははるかに実用的かつ安全になり、液体燃料はこれまで存在していた他のすべての代替手段に取って代わりました. 燃料としての水素の特性は、何年も後に宇宙産業によって発見されました。宇宙産業は、水素が人類に知られているあらゆる燃料の中で最高のエネルギー/質量比を持っていることをすぐに発見しました.

1998年2月、欧州自動車工業会（ACEA）は、EUで新しく登録された車両のCO140排出量を2008年までに25キロメートルあたり平均1995グラムに削減することを約束しました。 実際には、これは6,0年と比較して排出量が100％削減されることを意味し、約XNUMX l / XNUMX kmの新しいフリートでの平均燃料消費量に相当します。 これは自動車会社の仕事を非常に難しくし、BMWの専門家によると、低炭素燃料を使用するか、燃料組成から炭素を完全に除去することによって解決できます。 この理論によれば、水素は自動車のシーンでその栄光のすべてに現れます。
バイエルン州の会社は、水素自動車の量産を開始した最初の自動車メーカーになります。 BMWの新開発を担当する取締役会メンバーであるBurkhardGöschelの楽観的で自信に満ちた主張は、「同社は7シリーズの期限が切れる前に水素自動車を販売する」というものです。 Hydrogen 7では、2006年に第12シリーズのバージョンが発表され、260気筒XNUMX hpエンジンを搭載しています。 このメッセージが現実になります。

その意図はかなり野心的なようですが、それには正当な理由があります。 BMWは1978年から水素燃焼エンジンの実験を行っており、5シリーズ（E12）を搭載しています。E1984の745時間バージョンは23年に導入され、11年2000月15日にこの代替の独自の機能を実証しました。 。750 hpの印象的な艦隊。 38気筒の水素駆動エンジンを搭載した「今週の」E 12は、170万kmのマラソンを走り、同社の成功と新技術の可能性を際立たせました。 000年と2001年、これらの車両の一部は、水素のアイデアを促進するためのさまざまなデモに参加し続けました。 次に、最新の2002リッターV-7エンジンを使用し、最高速度が4,4 km / hの次期212シリーズに基づく新開発が続き、その後に12気筒V-XNUMXエンジンを搭載した最新の開発が続きます。

同社の公式見解によると、BMWが燃料電池よりもこの技術を採用した理由は、商業的および心理的なものです。 まず、この方法では、産業インフラストラクチャが変更された場合に必要な投資が大幅に少なくなります。 第二に、人々は古き良き内燃エンジンに慣れているので、それを愛し、手放すのは難しいでしょう。 第XNUMXに、同時に、この技術は燃料電池技術よりも速く開発されています。

BMW車では、水素は、ドイツの冷凍グループLindeが開発したハイテク魔法瓶のような、過度に断熱された極低温容器に貯蔵されています. 保管温度が低いと、燃料は液相になり、通常の燃料としてエンジンに入ります。

ミュンヘン社の設計者はインテークマニホールドで燃料噴射を使用しており、混合気の品質はエンジンの動作モードによって異なります。 部分負荷モードでは、エンジンはディーゼルと同様に希薄な混合気で作動します - 噴射される燃料の量のみが変更されます。 これは、混合気のいわゆる「品質管理」であり、エンジンは過剰な空気で作動しますが、負荷が低いため、窒素排出の形成が最小限に抑えられます。 大きな出力が必要になると、エンジンはガソリン エンジンのように作動し始め、混合気のいわゆる「定量的調整」と通常の (希薄ではない) 混合気へと移行します。 これらの変更は、一方ではエンジン内の電子プロセス制御の速度のおかげで可能であり、他方ではガス分配制御システムの柔軟な操作のおかげで可能です-「ダブル」バノスは連携して動作しますスロットルのないバルブトロニック吸気制御システムを使用。 BMWのエンジニアによると、この開発の作業スキームは技術開発の中間段階に過ぎず、将来的にはエンジンがシリンダーとターボチャージャーに水素を直接注入するように移行する必要があることに注意してください。 これらの方法を適用すると、同様のガソリンエンジンと比較して自動車の動的性能が向上し、内燃エンジンの全体的な効率が 50% 以上向上することが期待されています。

興味深い開発事実は、「水素」内燃エンジンの最新の開発により、ミュンヘンの設計者が燃料電池の分野に参入していることです。 このようなデバイスを使用して、自動車の車載電気ネットワークに電力を供給し、従来のバッテリーを完全に排除します。 このステップのおかげで、水素エンジンがオルタネーターを駆動する必要がなくなり、搭載された電気システムが完全に自律的になり、駆動経路から独立するため、燃料をさらに節約できます。エンジンが作動していないときでも発電できます。エネルギーの生産と消費を完全に最適化できます。 ウォーター ポンプ、オイル ポンプ、ブレーキ ブースター、および配線システムに電力を供給するために必要なだけの電力を生成できるという事実も、さらなる節約につながります。 ただし、これらすべての革新と並行して、燃料噴射システム（ガソリン）は、実質的に費用のかかる設計変更を受けていません。

2002年XNUMX月に水素技術を促進するために、BMWグループ、アラル、BVG、ダイムラークライスラー、フォード、GHW、リンデ、オペル、MANは、LPGガソリンスタンドの開発から活動を開始したCleanEnergyパートナーシッププログラムを作成しました。 圧縮水素。 それらの中で、水素の一部は太陽光発電を使用して現場で生産されてから圧縮されますが、大量の液化は特別な生産ステーションから来て、液相からのすべての蒸気は自動的にガス貯蔵所に移されます。
BMWは、石油会社との共同プロジェクトをはじめ、Aral、BP、Shell、Totalなどの多くのプロジェクトに参加しています。
しかし、BMWがこれらの技術的ソリューションを断念し、依然として燃料電池に焦点を合わせている理由は、このシリーズの別の記事でお知らせします。

内燃機関の水素

水素の物理的および化学的特性により、ガソリンよりもはるかに可燃性が高いことに注目するのは興味深いことです。 実際には、これは、水素の燃焼プロセスを開始するために必要な初期エネルギーがはるかに少ないことを意味します。 一方、水素エンジンは非常に「悪い」混合物を簡単に使用できます。これは、現代のガソリンエンジンが複雑で高価な技術によって達成するものです.

水素と空気の混合物の粒子間の熱の放散が少なく、同時に、ガソリンと比較して燃焼プロセスの速度と同様に、自己着火温度がはるかに高くなります。 水素は密度が低く、拡散性が強い (粒子が別のガス (この場合は空気) に入る可能性がある)。

水素エンジンの燃焼を制御する上で最大の課題のXNUMXつは、自己点火に必要な低い活性化エネルギーです。これは、完全に制御されていない一連のプロセスに続く燃焼室の高温領域との接触と抵抗により、混合物が自然発火しやすいためです。 このリスクを回避することは、水素エンジンの設計における最大の課題のXNUMXつですが、高度に分散した燃焼混合物がシリンダー壁の非常に近くに移動し、非常に狭い隙間に侵入できるという事実の結果を排除することは容易ではありません。 たとえば、閉じたバルブに沿って...これらのモーターを設計するときは、これらすべてを考慮する必要があります。

高い自己発火温度と高いオクタン価（約130）により、エンジンの圧縮比を上げることができるため、エンジンの効率が向上しますが、高温部と接触すると、水素が自然発火する危険があります。 シリンダー内。 水素の高い拡散能力の利点は、空気と簡単に混合できることです。これにより、タンクが故障した場合に、燃料の迅速かつ安全な分散が保証されます。

燃焼に理想的な空気と水素の混合比は、約 34:1 です (ガソリンの場合、この比率は 14,7:1)。 これは、最初のケースで同じ質量の水素とガソリンを組み合わせると、56 倍以上の空気が必要になることを意味します。 同時に、水素と空気の混合気はかなり多くのスペースを占有します。これが、水素エンジンの出力が低い理由を説明しています。 比率と体積の純粋なデジタル図は非常に雄弁です-燃焼の準備が整った水素の密度は、ガソリン蒸気の密度の180分の1です...ただし、一般に、水素エンジンは混合気で動作できることに注意してください. 水素を最大 XNUMX:XNUMX の比率で (つまり、非常に「悪い」混合気で)、エンジンがスロットルなしで作動し、ディーゼル エンジンの原理を使用できることを意味します。 また、大量エネルギー源としての水素とガソリンの比較では、水素が議論の余地のないリーダーであることにも言及する必要があります.XNUMXキログラムの水素は、XNUMXキログラムのガソリンあたりほぼXNUMX倍のエネルギーを持っています.

ガソリンエンジンと同様に、液化水素はマニホールドのバルブの前に直接噴射できますが、最良の解決策は圧縮行程中に直接噴射することです。この場合、出力は同等のガソリンエンジンの出力を 25% 上回ることができます。 これは、燃料 (水素) がガソリンやディーゼル エンジンのように空気を置換せず、燃焼室が (通常よりも大幅に) 空気だけで満たされるためです。 さらに、ガソリン エンジンとは異なり、水素は構造的な渦巻きを必要としません。 シリンダーのさまざまな部分で燃焼速度が異なるため、XNUMXつのスパークプラグを取り付けることをお勧めします.水素エンジンでは、白金電極の使用は適切ではありません.白金は低温でも燃料の酸化を引き起こす触媒になるためです. .

マツダバリアント

日本企業のマツダも、RX-8 スポーツカーの回転ブロックの形で水素エンジンのバージョンを披露しています。 ヴァンケル エンジンの設計上の特徴は、水素を燃料として使用するのに非常に適しているため、これは驚くべきことではありません。
ガスは高圧下で特殊なタンクに貯蔵され、燃料は燃焼室に直接噴射されます。 ロータリーエンジンの場合、噴射と燃焼が発生するゾーンが分かれており、吸気部の温度が低いため、制御されない点火の可能性に関する問題が大幅に軽減されます。 バンケルエンジンは、XNUMXつのインジェクターのための十分なスペースも提供します。これは、最適な量の水素を注入するために重要です。

H2R

H2R は、BMW のエンジニアによって製造された実用的なスーパースポーツ プロトタイプであり、最大出力 12 馬力に達する 285 気筒エンジンを搭載しています。 水素を扱うとき。 彼らのおかげで、実験モデルは 0 秒で 100 から 300 km/h まで加速し、2 km/h の最高速度に達します. H760R エンジンは、XNUMXi ガソリンで使用される標準トップをベースにしており、開発にわずか XNUMX か月かかりました. .

自然発火を防ぐために、バイエルンの専門家は、エンジンの可変バルブ タイミング システムによって提供される可能性を利用して、燃焼室への流れと噴射サイクルの特別な戦略を開発しました。 混合物がシリンダーに入る前に、後者は空気によって冷却され、点火は上死点でのみ実行されます-水素燃料による燃焼率が高いため、点火アドバンスは必要ありません。