BMW와 수소: 내연기관

이 회사의 프로젝트는 40년 전 5 시리즈의 수소 버전으로 시작되었습니다.

BMW는 오랫동안 전기 모빌리티를 믿어왔습니다. 오늘날 Tesla는 이 분야의 벤치마크라고 할 수 있지만, 2013년 전 미국 회사가 맞춤형 알루미늄 플랫폼의 개념을 시연한 후 Tesla Model S의 형태로 실현되었을 때 BMW는 Megacity에 적극적으로 참여했습니다. 차량 프로젝트. 3은 BMW iXNUMX로 판매됩니다. 아방가르드 독일 자동차는 배터리가 통합된 알루미늄 지지 구조뿐만 아니라 탄소 강화 폴리머로 만든 차체도 사용합니다. 그러나 Tesla가 경쟁사보다 확실히 앞서 있는 것은 특히 리튬 이온 셀 제조업체와의 관계에서 비전기 응용 분야를 포함하여 대규모 배터리 공장 건설에 이르기까지 전기 자동차용 배터리 개발 규모에서 탁월한 방법론입니다. 유동성.

그러나 Tesla 및 많은 경쟁사와 달리 독일 회사는 여전히 수소의 이동성을 믿기 때문에 BMW로 돌아가 보겠습니다. 최근 회사의 수소 연료 전지 담당 부사장인 Jürgen Gouldner 박사가 이끄는 팀은 저온 화학 반응으로 구동되는 자체 추진 발전기인 I-Hydrogen Next 연료 전지를 공개했습니다. 이 순간은 BMW의 연료 전지 차량 개발 출시 10주년이자 연료 전지에 대한 Toyota와의 협력 7주년을 기념합니다. 그러나 수소에 대한 BMW의 의존은 40년 전으로 거슬러 올라가며 훨씬 더 "뜨거운 온도"입니다.

이것은 수소가 내연 기관의 연료로 사용되는 회사의 60년 이상의 발전입니다. 그 기간 동안 회사는 수소로 구동되는 내연 기관이 연료 전지보다 소비자에게 더 가깝다고 믿었습니다. 약 90%의 효율과 XNUMX% 이상의 효율을 가진 전기 모터의 조합으로 연료 전지 엔진은 수소로 작동하는 내연 기관보다 훨씬 효율적입니다. 다음 라인에서 볼 수 있듯이 직접 분사 및 터보차징이 있는 오늘날의 소형 엔진은 적절한 분사 및 연소 제어 시스템이 있는 경우 수소를 공급하는 데 매우 적합할 것입니다. 그러나 수소 동력 내연 기관은 일반적으로 리튬 이온 배터리와 결합된 연료 전지보다 훨씬 저렴하지만 더 이상 의제에 포함되지 않습니다. 또한 두 경우 모두 수소 이동성의 문제는 추진 시스템의 범위를 훨씬 뛰어 넘습니다.

그런데 왜 수소일까요?

수소는 태양, 바람, 물 및 바이오매스로부터 에너지를 화학 에너지로 변환하여 에너지를 저장하는 다리와 같은 점점 더 많은 대체 에너지원을 사용하려는 인류의 탐구에서 중요한 요소입니다. 간단히 말해서, 이러한 천연 자원에서 생산된 전기는 대량으로 저장할 수 없지만 물을 산소와 수소로 분해하여 수소를 생산하는 데 사용할 수 있습니다.

물론 재생 불가능한 탄화수소 소스에서도 수소를 추출할 수 있지만, 이는 에너지원으로 사용하는 데 있어 오랫동안 용납되지 않았습니다. 수소의 생산, 저장 및 운송의 기술적 문제가 해결 가능하다는 것은 부인할 수 없는 사실입니다. 실제로 지금도 엄청난 양의 이 가스가 생산되어 화학 및 석유 화학 산업의 원료로 사용됩니다. 그러나 이러한 경우 수소의 높은 비용은 관련 제품의 높은 비용으로 "녹기" 때문에 치명적이지 않습니다.

그러나 가벼운 가스를 에너지원으로 대량으로 사용하는 문제는 좀 더 복잡하다. 과학자들은 연료유에 대한 가능한 전략적 대안을 찾기 위해 오랫동안 머리를 흔들었고, 전기 이동성과 수소의 증가는 긴밀한 공생 관계에 있을 수 있습니다. 이 모든 것의 중심에는 간단하지만 매우 중요한 사실이 있습니다. 수소의 추출과 사용은 물을 결합하고 분해하는 자연 순환을 중심으로 이루어집니다. 인류가 태양 에너지, 바람 및 물과 같은 천연 자원을 사용하여 생산 방법을 개선하고 확장한다면, 유해한 배출물을 배출하지 않고 수소를 무제한으로 생산하고 사용할 수 있습니다.
생산

현재 전 세계는 70천만 톤 이상의 순수 수소를 생산하고 있습니다. 생산을 위한 주요 원료는 천연 가스이며 "개질"(전체의 절반)으로 알려진 공정에서 처리됩니다. 소량의 수소는 염소 화합물의 전기분해, 중유의 부분 산화, 석탄 가스화, 코크스 생산을 위한 석탄 열분해, 가솔린 개질과 같은 다른 공정에 의해 생성됩니다. 전 세계 수소 생산량의 약 절반이 암모니아 합성(비료 생산의 원료로 사용됨), 정유 및 메탄올 합성에 사용됩니다.

이러한 생산 계획은 다양한 정도로 환경에 부담을 주지만 불행히도 현재 에너지 상태에 대한 의미 있는 대안을 제공하지 못합니다. 첫째는 재생 불가능한 자원을 사용하고 둘째는 생산 과정에서 이산화탄소와 같은 원치 않는 물질이 배출되기 때문입니다. 미래에 수소를 생산하는 가장 유망한 방법은 초등학교에서 알려진 전기의 도움으로 물을 분해하는 것입니다. 그러나 청정 에너지 사이클을 종료하는 것은 현재 자연 에너지, 특히 태양 에너지와 풍력 에너지를 사용하여 물을 분해하는 데 필요한 전기를 생성해야만 가능합니다. Gouldner 박사에 따르면, 현장에서 생산되는 소규모 수소 스테이션을 포함하여 풍력 및 태양광 시스템에 "연결된" 현대 기술은 이 방향에서 큰 새 단계입니다.
보관 장소

수소는 기체 상태와 액체 상태 모두에서 대량으로 저장될 수 있습니다. 수소가 비교적 낮은 압력에 있는 가장 큰 저장소를 "가스 계량기"라고 합니다. 중형 및 소형 탱크는 30bar에서 수소를 저장하도록 설계되었으며 가장 작은 특수 탱크(특수강 또는 탄소 섬유 강화 복합 재료로 만든 고가의 장치)는 400bar의 일정한 압력을 유지하도록 설계되었습니다.
수소는 단위 부피당 -253°C에서 액상으로 저장될 수 있으며 1,78bar에서 저장될 때보다 700배 더 많은 에너지를 포함합니다. 1250바. 냉각수소의 높은 에너지 효율로 인해 BMW는 수소를 액화하고 저장하는 최첨단 극저온 장치를 개발한 최초의 시스템을 위해 독일 냉동 그룹 Linde와 제휴하고 있습니다. 과학자들은 또한 수소를 저장하기 위한 다른 대안을 제공하지만 현재로서는 덜 적용 가능합니다.

수소 전송 네트워크는 화학 공장과 정유 공장이 밀집된 지역에 이미 존재합니다. 일반적으로 방법론은 천연 가스의 전송과 유사하지만 수소 수요에 대한 후자의 사용이 항상 가능한 것은 아닙니다. 그러나 지난 세기에도 유럽 도시의 많은 주택은 최대 50%의 수소를 포함하고 최초의 고정식 내연 기관의 연료로 사용되는 파이프라인 경질 가스로 조명을 받았습니다. 현재 기술 수준은 이미 천연 가스에 사용되는 것과 유사한 기존 극저온 탱커를 통해 액화 수소의 대륙 횡단 운송을 허용합니다.

BMW와 내연기관

"물. 석유 연료 대신 액화수소를 사용하고 누구나 깨끗한 양심으로 신기술을 즐길 수 있는 청정 BMW 엔진의 유일한 최종 제품입니다.”

이 말은 745세기 초 독일 회사의 광고 캠페인에서 인용한 것입니다. 바이에른 자동차 제조업체의 플래그십의 다소 이국적인 XNUMX시간 수소 버전을 홍보하기로 되어 있습니다. BMW에 따르면 자동차 산업이 처음부터 연료를 공급해 온 탄화수소 연료의 대안으로 전환하려면 전체 산업 인프라의 변화가 필요하기 때문입니다. 그 당시 바이에른 사람들은 널리 알려진 연료 전지가 아니라 수소와 함께 작동하는 내연 기관의 변환에서 유망한 개발 경로를 찾았습니다. BMW는 이 개조가 해결 가능한 문제라고 믿으며 신뢰할 수 있는 엔진 성능을 제공하고 제어되지 않는 순수 수소 연소 경향을 제거하는 핵심 과제를 향해 이미 상당한 진전을 이루고 있습니다. 이 방향의 성공은 엔진 프로세스의 전자 제어 분야의 역량과 "수소 엔진"의 정상적인 작동을 보장하는 것이 불가능한 Gas Valvetronic 및 Vanos의 유연한 분배를 위해 BMW의 특허 시스템을 사용할 수 있는 능력 때문입니다.

그러나이 방향의 첫 번째 단계는 디자이너 William Cecil이 소위 "진공 원리"로 작동하는 수소 연료 엔진을 만든 1820 년으로 거슬러 올라갑니다. 이는 나중에 내부 엔진으로 발명 된 것과는 완전히 다른 방식입니다. 타고 있는. 60년 후 내연 기관의 첫 번째 개발에서 선구자 Otto는 이미 언급한 수소 함량이 약 50%인 석탄에서 추출한 합성 가스를 사용했습니다. 그러나 기화기의 발명으로 휘발유의 사용은 훨씬 더 실용적이고 안전해졌으며 액체 연료는 지금까지 존재했던 모든 대안을 대체했습니다. 연료로서의 수소의 특성은 수년 후 우주 산업에 의해 발견되었으며, 수소가 인류에게 알려진 모든 연료 중 최고의 에너지/질량 비율을 가지고 있음을 빠르게 발견했습니다.

1998년 2월, 유럽 자동차 산업 협회(ACEA)는 140년까지 EU에 새로 등록된 자동차의 CO2008 배출량을 킬로미터당 평균 25g으로 줄이겠다고 약속했습니다. 실제로 이것은 1995년에 비해 배출량이 6,0% 감소했음을 의미하며 약 100l/XNUMXkm의 새 차량의 평균 연료 소비량과 동일합니다. 이로 인해 자동차 회사의 작업이 매우 어려워지고 BMW 전문가에 따르면 저탄소 연료를 사용하거나 연료 구성에서 탄소를 완전히 제거하여 해결할 수 있습니다. 이 이론에 따르면 수소는 자동차 분야에서 그 모든 영광을 드러냅니다.
Bavarian 회사는 수소 동력 차량의 대량 생산을 시작한 최초의 자동차 제조업체가 되었습니다. "7시리즈가 만료되기 전에 회사가 수소차를 판매할 것"이라는 BMW의 새로운 개발을 담당하는 이사회 멤버인 BMW Burkhard Göschel의 낙관적이고 자신 있는 주장이 실제로 실현되고 있습니다. Hydrogen 7과 함께 2006번째 시리즈 버전은 12년에 도입되었으며 260hp XNUMX기통 엔진을 탑재하고 있습니다. 이 메시지는 현실이 됩니다.

그 의도는 다소 야심차게 보이지만 이유가 없는 것은 아닙니다. BMW는 1978년부터 5 시리즈(E12)와 함께 수소 내연 기관을 실험해 왔으며 1984년에는 E 745의 23시간 버전이 도입되었고 11년 2000월 15일에는 이 대안의 고유한 기능을 시연했습니다. , 750마력의 인상적인 함대 38기통 수소 엔진을 장착한 금주의 E 12 차량은 170km 마라톤을 달리며 회사의 성공과 특히 신기술의 약속을 보여주었습니다. 000년과 2001년에 이러한 차량 중 일부는 수소 아이디어를 홍보하기 위해 다양한 시연에 계속 참여했습니다. 그런 다음 최신 2002리터 7기통 엔진을 사용하고 4,4km/h의 최고 속도를 낼 수 있는 다음 212 시리즈를 기반으로 한 새로운 개발이 이어지고 12기통 XNUMX리터 엔진으로 최신 개발이 이어집니다.

회사의 공식 의견에 따르면 BMW가 연료 전지보다 이 기술을 선호한 이유는 상업적인 근거와 심리적인 근거가 모두 있습니다. 첫째, 이 방법은 산업 인프라가 변경되면 훨씬 적은 투자가 필요합니다. 둘째, 사람들은 좋은 오래된 내연 기관에 익숙하기 때문에 그것을 좋아하고 헤어지기 어려울 것입니다. 셋째, 동시에 이 기술은 연료 전지 기술보다 빠르게 발전하고 있기 때문입니다.

BMW 자동차에서 수소는 독일 냉동 그룹 Linde가 개발한 하이테크 보온병과 같은 과절연 극저온 용기에 저장됩니다. 낮은 저장 온도에서 연료는 액체 상태이며 일반 연료로 엔진에 들어갑니다.

뮌헨 회사의 설계자는 흡기 매니폴드에서 연료 분사를 사용하며 혼합물의 품질은 엔진 작동 모드에 따라 다릅니다. 부분 부하 모드에서 엔진은 디젤과 유사한 희박 혼합물에서 작동하며 분사되는 연료의 양만 변경됩니다. 이것은 엔진이 과도한 공기로 작동하지만 낮은 부하로 인해 질소 배출 형성이 최소화되는 혼합물의 소위 "품질 관리"입니다. 상당한 출력이 필요할 때 엔진은 가솔린 엔진처럼 작동하기 시작하여 혼합물의 소위 "정량적 조절"과 일반(희박하지 않은) 혼합물로 이동합니다. 한편으로는 엔진의 전자 공정 제어 속도 덕분에, 다른 한편으로는 가스 분배 제어 시스템의 유연한 작동 덕분에 이러한 변경이 가능합니다. 스로틀이 없는 Valvetronic 흡기 제어 시스템으로. BMW 엔지니어에 따르면 이 개발 작업 계획은 기술 개발의 중간 단계일 뿐이며 미래에는 엔진이 실린더와 터보차저에 직접 수소를 주입하는 방식으로 전환해야 한다는 점을 염두에 두어야 합니다. 이러한 공법을 적용하면 유사 가솔린 엔진에 비해 자동차의 동적 성능이 향상되고 내연기관의 전체 효율이 50% 이상 증가할 것으로 기대된다.

흥미로운 개발 사실은 "수소" 내연 기관의 최신 개발로 뮌헨의 설계자들이 연료 전지 분야에 진출하고 있다는 것입니다. 그들은 이러한 장치를 사용하여 자동차의 온보드 전기 네트워크에 전원을 공급하여 기존 배터리를 완전히 제거합니다. 이 단계 덕분에 수소 엔진이 교류 발전기를 구동할 필요가 없고 온보드 전기 시스템이 구동 경로와 완전히 자율적으로 독립되어 엔진이 작동하지 않는 경우에도 전기를 생성할 수 있으므로 추가적인 연료 절감이 가능합니다. 생산 및 소비 에너지를 완전히 최적화할 수 있습니다. 워터 펌프, 오일 펌프, 브레이크 부스터 및 배선 시스템에 전력을 공급하는 데 필요한 만큼의 전기를 생성할 수 있다는 사실은 이제 추가 절감으로 이어집니다. 그러나 이러한 모든 혁신과 병행하여 연료 분사 시스템(가솔린)은 비용이 많이 드는 설계 변경을 거의 거치지 않았습니다.

수소 기술을 홍보하기 위해 2002년 XNUMX월 BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN은 액화 가스 충전소 개발 활동을 시작한 CleanEnergy 파트너십 프로그램을 만들었습니다. 및 압축 수소. 여기에서 수소의 일부는 태양열 전기를 사용하여 현장에서 생산된 다음 압축되는 반면 대량의 액화 수량은 특수 생산 스테이션에서 나오며 액체 상태의 모든 증기는 자동으로 가스 저장소로 전송됩니다.
BMW는 Aral, BP, Shell, Total이 가장 적극적인 참여자인 정유 회사를 포함하여 여러 가지 다른 공동 프로젝트를 시작했습니다.
그러나 BMW가 이러한 기술 솔루션을 포기하고 여전히 연료 전지에 집중하는 이유는 이 시리즈의 다른 기사에서 알려드리겠습니다.

내연 기관의 수소

흥미로운 점은 수소의 물리적, 화학적 특성으로 인해 휘발유보다 훨씬 더 가연성이 높다는 것입니다. 실제로 이는 수소에서 연소 과정을 시작하는 데 훨씬 적은 초기 에너지가 필요함을 의미합니다. 반면에 수소 엔진은 현대 가솔린 엔진이 복잡하고 값비싼 기술을 통해 달성하는 매우 "나쁜" 혼합물을 쉽게 사용할 수 있습니다.

수소-공기 혼합물의 입자 사이의 열은 덜 소실되며 동시에 가솔린에 비해 연소 과정의 속도와 마찬가지로 자동 점화 온도가 훨씬 더 높습니다. 수소는 밀도가 낮고 확산성이 강합니다(입자가 다른 가스(이 경우 공기)에 들어갈 가능성).

자체 점화에 필요한 낮은 활성화 에너지는 수소 엔진에서 연소 공정을 제어하는 ​​데 있어 가장 큰 문제 중 하나입니다. 혼합물이 연소실의 더 뜨거운 영역과의 접촉과 완전히 제어되지 않는 일련의 공정에 따른 저항으로 인해 쉽게 자발적으로 점화될 수 있기 때문입니다. 이러한 위험을 피하는 것은 수소 엔진 설계에서 가장 큰 과제 중 하나이지만 고도로 분산된 연소 혼합물이 실린더 벽에 매우 가깝게 이동하고 매우 좁은 틈을 관통할 수 있다는 사실의 결과를 처리하는 것은 쉽지 않습니다. 예를 들어 닫힌 밸브를 따라... 이러한 모터를 설계할 때 이 모든 것을 고려해야 합니다.

높은 자동 점화 온도와 높은 옥탄가(약 130)는 엔진의 압축비를 증가시켜 효율을 높이지만 더 뜨거운 부품과 접촉할 때 수소 자동 점화의 위험이 있습니다. 실린더에서. 수소의 높은 확산성 장점은 공기와 쉽게 혼합될 수 있어 탱크 고장 시 연료의 빠르고 안전한 분산을 보장한다는 것입니다.

연소를 위한 이상적인 공기-수소 혼합물의 비율은 약 34:1입니다(가솔린의 경우 이 비율은 14,7:1). 이것은 첫 번째 경우에 같은 질량의 수소와 휘발유를 결합할 때 두 배 이상의 공기가 필요하다는 것을 의미합니다. 동시에 수소-공기 혼합물은 훨씬 더 많은 공간을 차지하므로 수소 엔진의 출력이 적은 이유를 설명합니다. 비율과 부피에 대한 순전히 디지털 그림은 매우 설득력이 있습니다. 연소 준비가 된 수소의 밀도는 휘발유 증기의 밀도보다 56 배 적습니다 ... 그러나 일반적으로 수소 엔진은 공기 혼합물에서 작동 할 수 있습니다. . 최대 180:1 비율의 수소(즉, 매우 "나쁜" 혼합물 사용), 이는 엔진이 스로틀 없이 작동할 수 있고 디젤 엔진의 원리를 사용할 수 있음을 의미합니다. 또한 수소는 대량 에너지원으로서 수소와 휘발유를 비교할 때 확실한 리더라는 점을 언급해야 합니다. 수소 XNUMXkg은 휘발유 XNUMXkg당 거의 XNUMX배 더 많은 에너지를 가지고 있습니다.

가솔린 엔진과 마찬가지로 액화 수소는 매니폴드의 밸브 바로 앞에 분사할 수 있지만 가장 좋은 솔루션은 압축 행정 중에 직접 분사하는 것입니다. 이 경우 동력은 유사한 가솔린 엔진의 출력을 25% 초과할 수 있습니다. 이것은 연료(수소)가 휘발유나 디젤 엔진처럼 공기를 대체하지 않기 때문에 연소실이 (평소보다 훨씬 더 많은) 공기로만 채워질 수 있기 때문입니다. 또한 가솔린 엔진과 달리 수소는 구조적 소용돌이가 필요하지 않습니다. 이 조치가 없는 수소는 공기와 함께 매우 잘 확산되기 때문입니다. 실린더의 다른 부분에서 연소 속도가 다르기 때문에 두 개의 점화 플러그를 설치하는 것이 좋으며 수소 엔진에서는 백금이 낮은 온도에서도 연료 산화를 유발하는 촉매가 되기 때문에 백금 전극 사용이 적합하지 않습니다. .

마쓰다 변종

일본 회사 Mazda도 RX-8 스포츠카의 로터리 블록 형태로 수소 엔진 버전을 선보이고 있습니다. Wankel 엔진의 설계 특성이 수소를 연료로 사용하는 데 매우 적합하기 때문에 이것은 놀라운 일이 아닙니다.
가스는 특수 탱크에 고압으로 저장되고 연료는 연소실에 직접 분사됩니다. 로터리 엔진의 경우 분사와 연소가 일어나는 영역이 분리되어 있고 입구 부분의 온도가 낮기 때문에 제어되지 않은 점화 가능성의 문제가 크게 줄어 듭니다. Wankel 엔진은 또한 최적의 수소 양을 주입하는 데 필수적인 두 개의 인젝터를 위한 충분한 공간을 제공합니다.

H2R

H2R은 BMW 엔지니어가 제작하고 최대 출력 12마력에 도달하는 285기통 엔진으로 구동되는 작동하는 슈퍼스포츠 프로토타입입니다. 수소와 함께 일할 때. 덕분에 실험 모델은 0초 만에 100에서 300km/h까지 가속하고 최고 속도 2km/h에 도달합니다. .

자연 발화를 방지하기 위해 바이에른 전문가들은 엔진의 가변 밸브 타이밍 시스템이 제공하는 가능성을 사용하여 연소실로의 흐름 및 분사 주기에 대한 특별한 전략을 개발했습니다. 혼합물이 실린더에 들어가기 전에 후자는 공기로 냉각되고 점화는 상사 점에서만 수행됩니다. 수소 연료의 높은 연소율로 인해 점화 진행이 필요하지 않습니다.