BMW 테스트 드라이브 및 수소: XNUMX부

"물. BMW의 청정 엔진의 유일한 최종 제품은 석유 연료 대신 액체 수소를 사용하고 모든 사람이 깨끗한 양심으로 신기술을 즐길 수 있도록 하는 것입니다."

BMW 방식

이 단어는 몇 년 전 독일 회사의 광고 캠페인에서 인용한 것입니다. 오랫동안 아무도 바이에른 사람들이 모터 기술과 관련하여 무엇을 하고 있는지 잘 알고 있으며 이 분야에서 의심할 여지가 없는 세계적 리더 중 하나라는 사실에 의문을 제기하지 않았습니다. 또한 최근 몇 년간 견고한 매출 성장을 보인 회사가 미래가 불확실한 유망한 기술에 대한 잘 알려지지 않은 광고에 막대한 돈을 투자할 것이라고 생각하지 않을 것입니다.

그러나 동시에 인용된 단어는 다소 이국적인 745시간 수소 버전의 바이에른 자동차 제조업체 플래그십을 홍보하기 위한 캠페인의 일부입니다. 이국적인 것은 BMW에 따르면 자동차 산업이 처음부터 공급해 온 탄화수소 연료의 대안으로 전환하려면 전체 생산 인프라의 변화가 필요하기 때문입니다. 후자는 바이에른 사람들이 널리 광고되는 연료 전지가 아니라 수소로 작동하는 내연 기관의 전환에서 유망한 개발 경로를 보기 때문에 필요합니다. BMW는 업그레이드가 해결 가능한 문제라고 믿으며 신뢰할 수 있는 엔진 성능을 달성하고 순수 수소를 사용하여 제어되지 않는 연소 프로세스에 대한 성향을 제거하는 주요 문제를 해결하는 데 이미 상당한 진전을 이루었습니다. 이 방향의 성공은 엔진 프로세스의 전자 제어 분야의 역량과 BMW 특허의 유연한 가스 분배 시스템 Valvetronic 및 Vanos를 사용할 수 있기 때문에 "수소 엔진"의 정상적인 작동을 보장하는 것이 불가능합니다. . 그러나이 방향의 첫 번째 단계는 디자이너 William Cecil이 소위 "진공 원리"로 작동하는 수소 연료 엔진을 만든 1820 년으로 거슬러 올라갑니다. 이는 내부 엔진이있는 나중에 발명 된 엔진과는 매우 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 재발견되었으며, 수소가 인류에게 알려진 모든 연료 중 최고의 에너지/질량 비율을 가지고 있음을 빠르게 발견했습니다.

1998 년 2008 월, 유럽 자동차 산업 협회 (ACEA)는 유럽 연합에 새로 등록 된 차량에서 발생하는 CO2 배출량을 킬로미터 당 평균 140g 씩 25 배 줄이겠다는 약속을했습니다. 실제로 이것은 1995 년에 비해 배출량을 6,0 % 줄였으며, 새로운 함대의 평균 연료 소비량은 약 100 l / 14km였습니다. 가까운 장래에 2012 년까지 이산화탄소 배출량을 XNUMX %까지 줄일 수있는 추가 조치가있을 것으로 예상됩니다. 이것은 자동차 회사의 작업을 극도로 어렵게 만들고 BMW 전문가들에 따르면 저탄소 연료를 사용하거나 연료 구성에서 탄소를 완전히 제거함으로써 해결할 수 있습니다. 이 이론에 따르면 수소는 자동차 분야에서 모든 영광을 누리고 있습니다.

바이에른 회사는 수소 동력 차량을 대량 생산 한 최초의 자동차 제조업체가되었습니다. BMW의 새로운 개발을 담당하고있는 Burkhard Geschel 교수의 낙관적이고 자신감있는 주장은 "회사는 현재 7 시리즈가 만료되기 전에 수소 자동차를 판매 할 것"이라는 주장이 실현되었습니다. 최신 버전 인 Hydrogen 7, 2006 번째 시리즈는 12 년에 출시되었으며 260 마력의 1978 기통 엔진이 장착되었습니다. 이 메시지는 이미 현실이되었습니다. 그 의도는 상당히 야심적인 것처럼 보였지만 이유가없는 것은 아닙니다. BMW는 11 년부터 수소로 작동하는 내연 기관을 실험 해 왔으며 2000 년 15 월 750 일이 대안의 가능성에 대한 독특한 시연을 수행했습니다. 수소 170 기통 엔진으로 구동되는 이번주의 이전 세대의 000hl 차량 2001 대의 인상적인 차량이 2002km 마라톤을 완주하며 회사의 성공과 신기술에 대한 약속을 강조했습니다. 7 년과 4,4 년에 이러한 차량 중 일부는 수소 아이디어를 지원하는 다양한 시연에 계속 참여했습니다. 그런 다음 최고 속도 212km / h의 최신 12 리터 V-XNUMX을 사용한 다음 XNUMX 시리즈를 기반으로 한 새로운 개발에 이어 XNUMX 기통 V-XNUMX으로 최신 개발이 이어졌습니다. 회사의 공식 의견에 따르면 BMW가 연료 전지 대신이 기술을 선택한 이유는 상업적이고 심리적입니다. 첫째,이 방법은 생산 인프라가 변경 될 경우 훨씬 적은 투자가 필요합니다. 둘째, 사람들은 좋은 오래된 내연 기관에 익숙해 져서 좋아하고 헤어지기가 어려울 것입니다. 셋째, 그동안이 기술이 연료 전지 기술보다 빠르게 발전하고 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

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

이 단계에서 뮌헨에 기반을 둔 회사의 설계자는 간접 연료 분사에 중점을 두었으며 혼합물의 품질은 엔진의 작동 모드에 따라 다릅니다. 부분 부하 모드에서 엔진은 디젤 연료와 유사한 희박 혼합물로 작동합니다. 변경은 분사되는 연료의 양에서만 이루어집니다. 이것은 엔진이 과도한 공기로 작동하지만 낮은 부하로 인해 질소 배출의 형성이 최소화되는 혼합물의 소위 "품질 관리"입니다. 상당한 동력이 필요할 때 엔진은 가솔린 엔진처럼 작동하기 시작하여 혼합물 및 일반(희박하지 않은) 혼합물의 소위 "정량적 제어"로 이동합니다. 이러한 변화는 한편으로는 엔진 프로세스의 전자 제어 속도로 인해 가능하고 다른 한편으로는 가스 분배 제어 시스템의 유연한 작동으로 인해 가능합니다. 스로틀이 없는 밸브트로닉 흡기 제어 시스템. BMW 엔지니어에 따르면 이 개발의 작업 계획은 기술 개발의 중간 단계일 뿐이며 미래에는 엔진이 실린더 및 터보차저에 직접 수소 분사로 전환될 것이라는 점을 염두에 두어야 합니다. 이러한 기술은 유사한 가솔린 엔진보다 더 나은 차량 역학과 내연 기관의 전체 효율을 50% 이상 증가시킬 것으로 예상됩니다. 여기서 우리는 "연료 전지"라는 주제를 만지는 것을 의도적으로 자제했습니다. 이 문제는 최근에 상당히 활발하게 사용되었기 때문입니다. 그러나 동시에 뮌헨의 설계자들이 이러한 장치를 사용하여 자동차의 온보드 전기 네트워크에 전력을 공급하기로 결정했기 때문에 BMW의 수소 기술의 맥락에서 이를 언급해야 하며 기존의 배터리 전력을 완전히 제거했습니다. 수소 엔진이 교류 발전기를 구동할 필요가 없고 온보드 전기 시스템이 완전히 자율적이며 구동 경로와 독립적이기 때문에 이러한 움직임으로 추가적인 연료 절감이 가능합니다. 에너지 소비는 완전한 최적화에 적합합니다. 이제 워터 펌프, 오일 펌프, 브레이크 부스터 및 유선 시스템에 전력을 공급하는 데 필요한 만큼의 전기만 생산할 수 있다는 사실도 추가 절감으로 이어집니다. 그러나 이러한 모든 혁신과 병행하여 연료 분사 시스템(가솔린)은 실제로 값 비싼 설계 변경을 겪지 않았습니다. 2002년 XNUMX월 수소 기술을 홍보하기 위해 BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN은 액화 및 압축 수소 충전소 개발로 시작된 CleanEnergy 파트너십 프로그램을 만들었습니다.

BMW는 Aral, BP, Shell, Total 등 가장 활발한 참여자가 있는 석유 회사를 포함하여 여러 다른 공동 프로젝트의 창시자입니다. 이 유망한 분야에 대한 관심은 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 향후 2,8년 동안 EU에서만 XNUMX억 유로의 수소 기술 개발 및 구현 자금을 조달하기 위한 기금에 직접 재정적 기여를 할 것입니다. 이 기간 동안 "수소" 개발에 대한 민간 기업의 투자 규모는 예측하기 어렵지만 비영리 단체의 공제액을 여러 번 초과할 것이 분명합니다.

내연 기관의 수소

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

수소-공기 혼합물의 입자 사이의 열은 덜 발산되며 동시에 자동 점화 온도와 연소 속도는 가솔린보다 훨씬 높습니다. 수소는 밀도가 낮고 확산성이 강합니다(입자가 다른 가스(이 경우 공기)로 침투할 가능성).

자체 점화에 필요한 낮은 활성화 에너지는 수소 엔진의 연소 공정을 제어하는 데 있어 가장 큰 문제 중 하나입니다. 연소실의 더 뜨거운 영역과의 접촉 및 완전히 제어되지 않는 일련의 공정에 대한 저항으로 인해 혼합물이 쉽게 자발적으로 점화될 수 있기 때문입니다. 이러한 위험을 피하는 것은 수소 엔진을 개발하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나이지만, 고도로 확산된 연소 혼합물이 실린더 벽에 매우 가깝게 이동하고 매우 좁은 틈을 통과할 수 있다는 사실의 결과를 제거하는 것은 쉽지 않습니다. 예를 들어 닫힌 밸브와 같은... 이러한 모터를 설계할 때 이 모든 것을 고려해야 합니다.

높은자가 점화 온도와 높은 옥탄가 (약 130)는 엔진의 압축비를 증가시켜 효율을 높이지만, 뜨거운 부분과 접촉하여 수소가자가 점화 할 위험이 있습니다. 실린더에서. 수소의 높은 확산 용량의 장점은 탱크 고장시 연료의 빠르고 안전한 분산을 보장하는 공기와 쉽게 혼합 될 수 있다는 것입니다.

연소를 위한 이상적인 공기-수소 혼합물의 비율은 약 34:1입니다(가솔린의 경우 이 비율은 14,7:1임). 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 동력 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 원칙적으로 수소 엔진은 최대 180:1의 공기-수소 혼합비(즉, 매우 "희박한" 혼합비)로도 작동할 수 있으며, 이는 엔진이 작동될 수 있음을 의미합니다. 스로틀 밸브가 없으며 디젤 엔진의 원리를 사용합니다. 또한 수소는 질량 측면에서 에너지원으로서 수소와 휘발유를 비교할 때 확실한 리더라는 점에 유의해야 합니다. 수소 XNUMXkg은 휘발유 XNUMXkg보다 거의 XNUMX배 더 에너지 집약적입니다.

가솔린 엔진과 마찬가지로 액화 수소는 매니폴드의 밸브 바로 앞에 분사할 수 있지만 최상의 솔루션은 압축 행정 중에 직접 분사하는 것입니다. 이 경우 출력은 유사한 가솔린 엔진의 출력을 25% 초과할 수 있습니다. 이것은 연료(수소)가 가솔린이나 디젤 엔진에서처럼 공기를 대체하지 않고 연소실을 채울 수 있는 공기(보통보다 훨씬 더 많은 양)만 허용하기 때문입니다. 또한 수소엔진은 가솔린엔진과 달리 구조적 선회가 필요하지 않은데, 수소가 공기와 함께 충분히 잘 확산되기 때문이다. 실린더의 다른 부분에서 연소 속도가 다르기 때문에 두 개의 점화 플러그를 배치하는 것이 좋으며 수소 엔진에서는 백금이 저온에서 연료 산화를 유발하는 촉매가 되기 때문에 백금 전극을 사용하는 것이 비실용적입니다.

H2R

H2R은 BMW 엔지니어가 제작한 작동 중인 슈퍼스포츠 프로토타입으로, 수소로 구동될 때 최대 출력이 285마력에 도달하는 0기통 엔진으로 구동됩니다. 덕분에 실험 모델은 100초 만에 300에서 2km/h까지 가속하고 최고 속도 760km/h에 도달합니다. 개발하는 데 몇 달. 자연 발화를 방지하기 위해 바이에른 전문가들은 엔진의 가변 밸브 타이밍 시스템이 제공하는 가능성을 사용하여 연소실로의 특수 흐름 사이클 및 분사 전략을 개발했습니다. 혼합물이 실린더에 들어가기 전에 후자는 공기로 냉각되고 점화는 상사 점에서만 수행됩니다. 수소 연료의 높은 연소율로 인해 점화 진행이 필요하지 않습니다.

조사 결과

순수 수소 에너지로의 전환에 대한 재무 분석은 아직 낙관적이지 않습니다. 경질 가스의 생산, 저장, 운송 및 공급은 여전히 에너지 집약적 인 프로세스이며 인간 개발의 현재 기술 단계에서는 그러한 계획이 효과적 일 수 없습니다. 그러나 이것이 연구와 해결책 찾기가 계속되지 않을 것이라는 의미는 아닙니다. 태양 전지판의 전기를 사용하여 물에서 수소를 생성하고 대형 탱크에 저장하는 제안은 낙관적으로 들립니다. 반면에 사하라 사막의 기상에서 전기와 수소를 생산하고, 파이프 라인을 통해 지중해로 운반하고, 극저온 유조선으로 액화 및 운반하고, 항구에서 하역하고, 마지막으로 트럭으로 운반하는 과정은 지금은 약간 우스꽝스럽게 들립니다.

노르웨이 석유 회사 인 Norsk Hydro는 최근 북해의 생산 현장에서 천연 가스로 수소를 생산할 것을 제안한 흥미로운 아이디어를 제시했으며, 잔류 일산화탄소는 해저 아래 고갈 된 밭에 저장되었습니다. 진실은 중간 어딘가에 있으며 시간 만이 수소 산업의 발전이 어디로 갈 것인지 알려줄 것입니다.

마즈다 변형

일본 회사 Mazda는 또한 로터리 유닛 스포츠카 RX-8 형태의 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 이루어지는 영역이 분리되어 있고 흡입부의 온도가 낮기 때문에 제어되지 않는 점화 가능성의 문제가 크게 줄어듭니다. Wankel 엔진은 최적의 수소 양을 주입하는 데 매우 중요한 두 개의 인젝터를 위한 충분한 공간도 제공합니다.