BMW dan hidrogen: mesin pembakaran internal

Proyek perusahaan dimulai 40 tahun lalu dengan versi hidrogen dari seri 5

BMW telah lama percaya pada mobilitas listrik. Saat ini, Tesla dapat dianggap sebagai tolok ukur di bidang ini, tetapi sepuluh tahun yang lalu, ketika perusahaan Amerika tersebut mendemonstrasikan konsep platform aluminium khusus, yang kemudian diwujudkan dalam bentuk Tesla Model S, BMW secara aktif mengerjakan Megacity. Proyek kendaraan. 2013 dipasarkan sebagai BMW i3. Mobil Jerman avant-garde tidak hanya menggunakan struktur penyangga aluminium dengan baterai terintegrasi, tetapi juga bodi yang terbuat dari polimer yang diperkuat karbon. Namun, apa yang tidak dapat disangkal dari Tesla di depan para pesaingnya adalah metodologinya yang luar biasa, terutama pada skala pengembangan baterai untuk kendaraan listrik – mulai dari hubungan dengan produsen sel lithium-ion hingga membangun pabrik baterai besar, termasuk yang memiliki aplikasi non-listrik. mobilitas.

Tapi mari kita kembali ke BMW karena, tidak seperti Tesla dan banyak pesaingnya, perusahaan Jerman itu masih percaya pada mobilitas hidrogen. Baru-baru ini, tim yang dipimpin oleh Wakil Presiden Perusahaan Sel Bahan Bakar Hidrogen, Dr. Jürgen Gouldner, meluncurkan sel bahan bakar I-Hydrogen Next, genset self-propelled yang ditenagai oleh reaksi kimia suhu rendah. Momen ini menandai peringatan 10 tahun peluncuran pengembangan kendaraan sel bahan bakar BMW dan peringatan 7 tahun kerja sama dengan Toyota pada sel bahan bakar. Namun, ketergantungan BMW pada hidrogen sudah ada sejak 40 tahun yang lalu dan merupakan "suhu yang lebih panas".

Ini lebih dari seperempat abad perkembangan perusahaan, di mana hidrogen digunakan sebagai bahan bakar untuk mesin pembakaran internal. Selama sebagian besar periode itu, perusahaan percaya bahwa mesin pembakaran internal bertenaga hidrogen lebih dekat ke konsumen daripada sel bahan bakar. Dengan efisiensi sekitar 60% dan kombinasi motor listrik dengan efisiensi lebih dari 90%, mesin sel bahan bakar jauh lebih efisien daripada mesin pembakaran internal yang menggunakan hidrogen. Seperti yang akan kita lihat di baris berikut, dengan injeksi langsung dan turbocharging, mesin yang dirampingkan saat ini akan sangat cocok untuk menghasilkan hidrogen—asalkan sistem kontrol injeksi dan pembakaran yang tepat tersedia. Tapi sementara mesin pembakaran internal bertenaga hidrogen biasanya jauh lebih murah daripada sel bahan bakar yang dikombinasikan dengan baterai lithium-ion, mereka tidak lagi menjadi agenda. Selain itu, masalah mobilitas hidrogen dalam kedua kasus tersebut jauh melampaui cakupan sistem propulsi.

Namun mengapa hidrogen?

Hidrogen adalah elemen penting dalam upaya umat manusia untuk menggunakan lebih banyak sumber energi alternatif seperti jembatan untuk menyimpan energi dari matahari, angin, air, dan biomassa dengan mengubahnya menjadi energi kimia. Secara sederhana, ini berarti listrik yang dihasilkan oleh sumber-sumber alam ini tidak dapat disimpan dalam volume besar, tetapi dapat digunakan untuk menghasilkan hidrogen dengan menguraikan air menjadi oksigen dan hidrogen.

Tentu saja, hidrogen juga dapat diekstraksi dari sumber hidrokarbon yang tidak terbarukan, tetapi hal ini sudah lama tidak dapat diterima jika digunakan sebagai sumber energi. Fakta yang tak terbantahkan bahwa masalah teknologi produksi, penyimpanan, dan transportasi hidrogen dapat dipecahkan - dalam praktiknya, bahkan sekarang, sejumlah besar gas ini diproduksi dan digunakan sebagai bahan mentah dalam industri kimia dan petrokimia. Namun, dalam kasus ini, tingginya biaya hidrogen tidak mematikan, karena ia "meleleh" dengan tingginya biaya produk yang melibatkannya.

Namun, masalah penggunaan gas ringan sebagai sumber energi dan dalam jumlah besar sedikit lebih rumit. Para ilmuwan telah lama menggelengkan kepala untuk mencari alternatif strategis yang mungkin untuk bahan bakar minyak, dan peningkatan mobilitas listrik dan hidrogen mungkin bersimbiosis erat. Inti dari semua ini adalah fakta sederhana namun sangat penting – ekstraksi dan penggunaan hidrogen berputar di sekitar siklus alami penggabungan dan penguraian air… Jika umat manusia meningkatkan dan memperluas metode produksi menggunakan sumber alami seperti energi matahari, angin, dan air, hidrogen dapat diproduksi dan digunakan dalam jumlah tak terbatas tanpa mengeluarkan emisi berbahaya.
produksi

Lebih dari 70 juta ton hidrogen murni saat ini diproduksi di dunia. Bahan baku utama untuk produksinya adalah gas alam, yang diproses dalam proses yang disebut "reforming" (setengah dari total). Sejumlah kecil hidrogen diproduksi oleh proses lain, seperti elektrolisis senyawa klor, oksidasi parsial minyak berat, gasifikasi batubara, pirolisis batubara untuk menghasilkan kokas, dan reformasi bensin. Sekitar setengah dari produksi hidrogen dunia digunakan untuk sintesis amonia (yang digunakan sebagai bahan baku dalam produksi pupuk), penyulingan minyak, dan sintesis metanol.

Skema produksi ini membebani lingkungan dalam berbagai tingkatan dan, sayangnya, tidak satu pun dari mereka menawarkan alternatif yang berarti untuk status quo energi saat ini – pertama karena mereka menggunakan sumber yang tidak terbarukan, dan kedua karena produksi mengeluarkan zat yang tidak diinginkan seperti karbon dioksida. Metode yang paling menjanjikan untuk produksi hidrogen di masa depan adalah penguraian air dengan bantuan listrik, yang dikenal di sekolah dasar. Namun, menutup siklus energi bersih saat ini hanya mungkin dilakukan dengan menggunakan energi alami, khususnya energi matahari dan angin untuk menghasilkan listrik yang diperlukan untuk menguraikan air. Menurut Dr. Gouldner, teknologi modern "terhubung" ke sistem angin dan matahari, termasuk stasiun hidrogen kecil, di mana yang terakhir diproduksi di lokasi, merupakan langkah baru yang besar ke arah ini.
Lokasi penyimpanan

Hidrogen dapat disimpan dalam jumlah besar baik dalam fase gas maupun cair. Reservoir terbesar, di mana hidrogen disimpan pada tekanan yang relatif rendah, disebut "meteran gas". Tangki menengah dan kecil disesuaikan untuk menyimpan hidrogen pada tekanan 30 bar, sedangkan tangki khusus terkecil (perangkat mahal yang terbuat dari baja khusus atau bahan komposit serat karbon) mempertahankan tekanan konstan 400 bar.
Hidrogen juga dapat disimpan dalam fase cair pada -253°C per satuan volume yang mengandung energi 1,78 kali lebih banyak daripada saat disimpan pada 700 bar – untuk mencapai jumlah energi yang setara dalam hidrogen cair per satuan volume, gas harus dikompresi hingga 1250 batang. Karena efisiensi energi hidrogen dingin yang lebih tinggi, BMW bermitra dengan grup pendingin Jerman Linde untuk sistem pertamanya, yang telah mengembangkan perangkat kriogenik canggih untuk mencairkan dan menyimpan hidrogen. Para ilmuwan juga menawarkan alternatif lain, tetapi kurang dapat diterapkan saat ini, untuk menyimpan hidrogen - misalnya, penyimpanan di bawah tekanan dalam tepung logam khusus, dalam bentuk hidrida logam, dan lain-lain.

Jaringan transmisi hidrogen sudah ada di daerah dengan konsentrasi tinggi pabrik kimia dan kilang minyak. Secara umum, tekniknya mirip dengan transmisi gas alam, tetapi penggunaan yang terakhir untuk kebutuhan hidrogen tidak selalu memungkinkan. Namun, bahkan pada abad terakhir, banyak rumah di kota-kota Eropa diterangi oleh pipa gas ringan, yang mengandung hingga 50% hidrogen dan yang digunakan sebagai bahan bakar untuk mesin pembakaran internal stasioner pertama. Tingkat teknologi saat ini telah memungkinkan pengangkutan hidrogen cair antar benua melalui tanker kriogenik yang ada, serupa dengan yang digunakan untuk gas alam.

BMW dan mesin pembakaran internal

"Air. Satu-satunya produk akhir dari mesin BMW bersih yang menggunakan hidrogen cair alih-alih bahan bakar minyak dan memungkinkan semua orang menikmati teknologi baru dengan hati nurani yang bersih.”

Kata-kata ini merupakan kutipan dari kampanye iklan untuk sebuah perusahaan Jerman di awal abad ke-745. Itu harus mempromosikan versi hidrogen XNUMX jam yang agak eksotis dari andalan pembuat mobil Bavaria. Eksotis, karena, menurut BMW, peralihan ke alternatif bahan bakar hidrokarbon, yang telah diberikan industri otomotif sejak awal, akan membutuhkan perubahan di seluruh infrastruktur industri. Pada saat itu, Bavarians menemukan jalur pengembangan yang menjanjikan bukan dalam sel bahan bakar yang diiklankan secara luas, tetapi dalam konversi mesin pembakaran internal untuk bekerja dengan hidrogen. BMW percaya retrofit yang sedang dipertimbangkan adalah masalah yang dapat dipecahkan dan sudah membuat kemajuan signifikan menuju tantangan utama untuk memastikan kinerja mesin yang andal dan menghilangkan kecenderungannya untuk pembakaran tak terkendali menggunakan hidrogen murni. Keberhasilan ke arah ini adalah karena kompetensi di bidang kontrol elektronik proses mesin dan kemampuan untuk menggunakan sistem paten BMW yang dipatenkan untuk distribusi gas fleksibel Valvetronic dan Vanos, yang tanpanya tidak mungkin menjamin pengoperasian normal "mesin hidrogen".

Namun, langkah pertama ke arah ini dimulai pada tahun 1820, ketika perancang William Cecil menciptakan mesin berbahan bakar hidrogen yang beroperasi dengan apa yang disebut "prinsip vakum" - skema yang sama sekali berbeda dari yang kemudian ditemukan dengan mesin internal. pembakaran. Dalam pengembangan pertamanya dari mesin pembakaran internal 60 tahun kemudian, perintis Otto menggunakan gas sintetis yang telah disebutkan dan berasal dari batu bara dengan kandungan hidrogen sekitar 50%. Namun dengan ditemukannya karburator, penggunaan bensin menjadi jauh lebih praktis dan aman, dan bahan bakar cair telah menggantikan semua alternatif lain yang ada hingga saat ini. Sifat-sifat hidrogen sebagai bahan bakar ditemukan bertahun-tahun kemudian oleh industri luar angkasa, yang dengan cepat menemukan bahwa hidrogen memiliki rasio energi/massa terbaik dari semua bahan bakar yang dikenal umat manusia.

Pada Juli 1998, Asosiasi Industri Otomotif Eropa (ACEA) berkomitmen untuk mengurangi emisi CO2 untuk kendaraan yang baru terdaftar di Union menjadi rata-rata 140 gram per kilometer pada 2008. Dalam praktiknya, ini berarti pengurangan emisi sebesar 25% dibandingkan tahun 1995 dan setara dengan konsumsi bahan bakar rata-rata di armada baru sekitar 6,0 l / 100 km. Hal ini membuat tugas perusahaan mobil menjadi sangat sulit dan, menurut para ahli BMW, dapat diselesaikan baik dengan menggunakan bahan bakar rendah karbon atau dengan menghilangkan karbon sepenuhnya dari komposisi bahan bakar. Menurut teori ini, hidrogen muncul dengan segala kemegahannya di kancah otomotif.
Perusahaan Bavaria menjadi produsen mobil pertama yang memulai produksi massal kendaraan bertenaga hidrogen. Klaim yang optimis dan percaya diri dari Dewan Direksi BMW Burkhard Göschel, Anggota Dewan BMW yang bertanggung jawab atas perkembangan baru, bahwa "perusahaan akan menjual mobil hidrogen sebelum Seri 7 kedaluwarsa," menjadi kenyataan. Dengan Hydrogen 7, versi dari seri ketujuh diperkenalkan pada tahun 2006 dan memiliki mesin 12 silinder 260 hp. pesan ini menjadi kenyataan.

Niatnya tampaknya cukup ambisius, tetapi untuk alasan yang bagus. BMW telah bereksperimen dengan mesin pembakaran hidrogen sejak 1978, dengan seri 5 (E12), versi 1984 jam dari E 745 diperkenalkan pada 23, dan pada 11 Mei 2000, ia mendemonstrasikan kemampuan unik dari alternatif ini. Armada yang mengesankan dari 15 hp. E 750 "of the week" dengan mesin 38 silinder bertenaga hidrogen berlari maraton 12 km, menyoroti kesuksesan perusahaan dan janji teknologi baru. Pada 170 dan 000, beberapa kendaraan ini terus berpartisipasi dalam berbagai demonstrasi untuk mempromosikan ide hidrogen. Kemudian hadir pengembangan baru berdasarkan Seri 2001 berikutnya, menggunakan mesin V-2002 7 liter modern dan mampu mencapai kecepatan tertinggi 4,4 km / jam, diikuti oleh pengembangan terbaru dengan mesin V-212 12 silinder.

Menurut opini resmi perusahaan, alasan mengapa BMW kemudian lebih memilih teknologi ini daripada sel bahan bakar adalah alasan komersial dan psikologis. Pertama, metode ini akan membutuhkan investasi yang jauh lebih sedikit jika terjadi perubahan infrastruktur industri. Kedua, karena orang terbiasa dengan mesin pembakaran dalam yang bagus, mereka menyukainya dan akan sulit untuk berpisah dengannya. Dan ketiga, karena pada saat bersamaan, teknologi ini berkembang lebih cepat daripada teknologi sel bahan bakar.

Di mobil BMW, hidrogen disimpan dalam bejana cryogenic yang terlalu terisolasi, seperti botol termos berteknologi tinggi yang dikembangkan oleh grup pendingin Jerman, Linde. Pada temperatur penyimpanan rendah, bahan bakar berada dalam fase cair dan masuk ke mesin sebagai bahan bakar normal.

Perancang perusahaan Munich menggunakan injeksi bahan bakar di intake manifold, dan kualitas campuran tergantung pada mode pengoperasian mesin. Dalam mode beban parsial, mesin bekerja dengan campuran ramping yang mirip dengan diesel - hanya jumlah bahan bakar yang disuntikkan yang diubah. Inilah yang disebut "kontrol kualitas" campuran, di mana mesin bekerja dengan udara berlebih, tetapi karena beban rendah, pembentukan emisi nitrogen diminimalkan. Ketika ada kebutuhan akan tenaga yang signifikan, mesin mulai bekerja seperti mesin bensin, beralih ke apa yang disebut "regulasi kuantitatif" dari campuran dan ke campuran normal (bukan kurus). Perubahan ini dimungkinkan, di satu sisi, berkat kecepatan kontrol proses elektronik di mesin, dan di sisi lain, berkat pengoperasian sistem kontrol distribusi gas yang fleksibel - Vanos "ganda", yang bekerja bersama dengan sistem kontrol asupan Valvetronic tanpa throttle. Perlu diingat bahwa, menurut para insinyur BMW, skema kerja pengembangan ini hanyalah tahap peralihan dalam pengembangan teknologi dan di masa mendatang mesin harus beralih ke injeksi hidrogen langsung ke dalam silinder dan turbocharger. Penerapan metode ini diharapkan akan menghasilkan peningkatan performa dinamis mobil dibandingkan dengan mesin bensin sejenis dan peningkatan efisiensi keseluruhan mesin pembakaran dalam hingga lebih dari 50%.

Fakta perkembangan yang menarik adalah bahwa dengan perkembangan terbaru dalam mesin pembakaran internal "hidrogen", para perancang di Munich memasuki bidang sel bahan bakar. Mereka menggunakan perangkat semacam itu untuk memberi daya pada jaringan listrik terpasang di mobil, sepenuhnya menghilangkan baterai konvensional. Berkat langkah ini, penghematan bahan bakar tambahan dimungkinkan, karena mesin hidrogen tidak harus menggerakkan alternator, dan sistem kelistrikan onboard menjadi sepenuhnya otonom dan tidak bergantung pada jalur penggerak - dapat menghasilkan listrik bahkan saat mesin tidak bekerja, dan produksi dan konsumsi energi dapat dioptimalkan sepenuhnya. Fakta bahwa listrik sebanyak yang dibutuhkan untuk menyalakan pompa air, pompa oli, penguat rem, dan sistem kabel sekarang dapat dihasilkan juga berarti penghematan lebih lanjut. Namun seiring dengan semua inovasi tersebut, sistem injeksi bahan bakar (bensin) praktis tidak mengalami perubahan desain yang mahal.

Untuk mempromosikan teknologi hidrogen pada bulan Juni 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel, MAN menciptakan program kemitraan CleanEnergy, yang memulai aktivitasnya dengan pengembangan stasiun pengisian LPG. dan hidrogen terkompresi. Di dalamnya, sebagian hidrogen diproduksi di lokasi menggunakan listrik tenaga surya dan kemudian dikompresi, sementara jumlah besar yang dicairkan berasal dari stasiun produksi khusus, dan semua uap dari fase cair secara otomatis ditransfer ke reservoir gas.
BMW telah menginisiasi sejumlah proyek kerjasama lainnya, termasuk dengan perusahaan oli, di antaranya peserta paling aktif adalah Aral, BP, Shell, Total.
Namun, mengapa BMW meninggalkan solusi teknologi ini dan masih berfokus pada sel bahan bakar, kami akan memberi tahu Anda di artikel lain di seri ini.

Hidrogen di mesin pembakaran internal

Sangat menarik untuk dicatat bahwa karena sifat fisik dan kimia hidrogen, hidrogen jauh lebih mudah terbakar daripada bensin. Dalam praktiknya, ini berarti energi awal yang jauh lebih sedikit diperlukan untuk memulai proses pembakaran dalam hidrogen. Di sisi lain, mesin hidrogen dapat dengan mudah menggunakan campuran yang sangat "buruk" - sesuatu yang dicapai oleh mesin bensin modern melalui teknologi yang rumit dan mahal.

Panas antara partikel campuran hidrogen-udara lebih sedikit hilang, dan pada saat yang sama, suhu penyalaan otomatis jauh lebih tinggi, begitu pula laju proses pembakaran dibandingkan dengan bensin. Hidrogen memiliki kerapatan rendah dan difusivitas yang kuat (kemungkinan partikel memasuki gas lain - dalam hal ini udara).

Ini adalah energi aktivasi rendah yang diperlukan untuk penyalaan sendiri yang merupakan salah satu tantangan terbesar dalam mengendalikan pembakaran di mesin hidrogen, karena campuran dapat dengan mudah terbakar secara spontan karena kontak dengan area yang lebih panas di ruang bakar dan hambatan yang mengikuti rantai proses yang sepenuhnya tidak terkendali. Menghindari risiko ini adalah salah satu tantangan terbesar dalam desain mesin hidrogen, tetapi tidak mudah untuk menghilangkan konsekuensi dari fakta bahwa campuran pembakaran yang sangat tersebar bergerak sangat dekat dengan dinding silinder dan dapat menembus ke dalam celah yang sangat sempit. misalnya sepanjang katup tertutup ... Semua ini harus diperhatikan saat merancang motor ini.

Temperatur penyulutan otomatis yang tinggi dan angka oktan yang tinggi (sekitar 130) memungkinkan peningkatan rasio kompresi mesin dan, oleh karena itu, efisiensinya, tetapi sekali lagi ada bahaya penyulutan otomatis hidrogen jika kontak dengan bagian yang lebih panas. di dalam silinder. Keuntungan dari kapasitas difusi hidrogen yang tinggi adalah kemungkinan pencampuran yang mudah dengan udara, yang jika terjadi kerusakan tangki menjamin dispersi bahan bakar yang cepat dan aman.

Campuran udara-hidrogen yang ideal untuk pembakaran memiliki perbandingan sekitar 34:1 (untuk bensin perbandingan ini adalah 14,7:1). Ini berarti bahwa ketika menggabungkan massa hidrogen dan bensin yang sama dalam wadah pertama, diperlukan lebih dari dua kali lebih banyak udara. Pada saat yang sama, campuran hidrogen-udara membutuhkan lebih banyak ruang, yang menjelaskan mengapa mesin hidrogen memiliki daya yang lebih kecil. Ilustrasi rasio dan volume murni digital cukup fasih - kepadatan hidrogen siap untuk pembakaran adalah 56 kali lebih kecil dari kepadatan uap bensin ... Namun, perlu dicatat bahwa, secara umum, mesin hidrogen dapat beroperasi pada campuran udara . hidrogen dalam rasio hingga 180:1 (yaitu dengan campuran yang sangat "buruk"), yang pada gilirannya berarti mesin dapat bekerja tanpa throttle dan menggunakan prinsip mesin diesel. Juga harus disebutkan bahwa hidrogen adalah pemimpin yang tak terbantahkan dalam perbandingan antara hidrogen dan bensin sebagai sumber energi massa - satu kilogram hidrogen memiliki energi hampir tiga kali lebih banyak per kilogram bensin.

Seperti mesin bensin, hidrogen cair dapat disuntikkan langsung di depan katup di manifold, tetapi solusi terbaik adalah injeksi langsung selama langkah kompresi - dalam hal ini, tenaga dapat melebihi mesin bensin sebanding sebesar 25%. Ini karena bahan bakar (hidrogen) tidak menggantikan udara seperti pada mesin bensin atau diesel, memungkinkan ruang bakar hanya diisi dengan udara (jauh lebih banyak dari biasanya). Selain itu, tidak seperti mesin bensin, hidrogen tidak memerlukan putaran struktural, karena hidrogen tanpa ukuran ini berdifusi cukup baik dengan udara. Karena laju pembakaran yang berbeda di bagian silinder yang berbeda, lebih baik memasang dua busi, dan pada mesin hidrogen, penggunaan elektroda platina tidak sesuai, karena platina menjadi katalis yang menyebabkan oksidasi bahan bakar bahkan pada suhu rendah. .

Pilihan Mazda

Perusahaan Jepang Mazda juga memamerkan mesin hidrogen versinya berupa blok putar pada mobil sport RX-8. Hal ini tidak mengherankan, karena fitur desain mesin Wankel sangat cocok untuk menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar.
Gas disimpan di bawah tekanan tinggi di tangki khusus dan bahan bakar disuntikkan langsung ke ruang bakar. Karena fakta bahwa dalam kasus mesin putar, zona tempat injeksi dan pembakaran dilakukan terpisah, dan suhu di bagian intake lebih rendah, masalah dengan kemungkinan penyalaan yang tidak terkendali berkurang secara signifikan. Mesin Wankel juga menawarkan ruang yang cukup untuk dua injektor, yang sangat penting untuk menginjeksikan jumlah hidrogen yang optimal.

H2R

H2R adalah prototipe supersport yang dibangun oleh para insinyur BMW dan ditenagai oleh mesin 12 silinder yang mencapai output maksimum 285 hp. ketika bekerja dengan hidrogen. Berkat mereka, model eksperimental berakselerasi dari 0 hingga 100 km / jam dalam enam detik dan mencapai kecepatan tertinggi 300 km / jam Mesin H2R didasarkan pada kecepatan tertinggi standar yang digunakan pada bensin 760i dan hanya membutuhkan waktu sepuluh bulan untuk dikembangkan. .

Untuk mencegah pembakaran spontan, spesialis Bavaria telah mengembangkan strategi khusus untuk aliran dan siklus injeksi ke dalam ruang bakar, menggunakan kemungkinan yang disediakan oleh sistem timing katup variabel mesin. Sebelum campuran memasuki silinder, yang terakhir didinginkan oleh udara, dan penyalaan dilakukan hanya di titik mati atas - karena tingkat pembakaran yang tinggi dengan bahan bakar hidrogen, pengapian tidak diperlukan.