Водневий двигун

Рекорди водневого двигуна

30.12.2015

BMW Group пише автомобільну історію і знову доводить своє лідируюче положення в області

сучасних технологій

Мюнхен / Мирамас. Водень може сприяти досягненню найвищих результатів не тільки в

ракетній техніці.

 

BMW довела реальні можливості водневого автомобіля, встановивши на моделі H2R дев’ять рекордів

для моделей з двигуном внутрішнього згоряння, що працює на водні. «Дев’ять рекордів – це тільки

початок водневої ери. Технологія BMW досягла високого рівня, і тепер ми разом з політиками і

фахівцями з енергетики повинні щільніше зайнятися питанням, як втілити в реальність наші

уявлення про безперервної мобільності», — заявив професор Гешель, член Правління BMW Group у

час рекордних заїздів в Мирамасе. Тим самим на швидкісній трасі в Мирамасе (Франція) концерн

BMW Group підкріпив свою переконаність у тому, що водень може прийти на зміну звичайним видам

палива, а водіям не доведеться відмовлятися від динамічності сучасних автомобілів.

 

 

Це переконливо доводять технічні характеристики швидкісного H2R.

Дванадцятициліндровий двигун з шістьма літрами робочого об’єму розвиває більше 210 кВт/285 к. с.

дозволяючи прототипу розганятися з місця до 100 км/год приблизно за шість секунд і розвивати

максимальну швидкість 302,4 км/ч. Водневий двигун внутрішнього згоряння має в своїй основі

бензиновий силовий агрегат від BMW 760i і володіє всіма найсучаснішими технологіями, серед

яких, наприклад, система плавного регулювання ходу клапанів VALVETRONIC. Зміни торкнулися в

першу чергу систему вприскування, яку на BMW адаптували до особливим вимогам, що пред’являються

воднем. При цьому в H2R були використані рішення, які були знайдені у ході розробки

майбутнього водневого двигуна BMW для першого в світі седана преміум-класу з бівалентним

приводом: ще в ході випуску нинішньої 7-ої серії BMW випустить на ринок модель, яка зможе

їздити як на водні, так і на бензині.

За кермом автомобіля-рекордсмена змінювали один одного три заводських гонщика BMW: Альфред Хильгер, Йорг

Вайдинегр і Гюнтер Вебер.

Гонка за спортивними рекордами не тільки доводить можливості водневого автомобіля. Його

надійна техніка свідчить також про зрілість розробок мотористів BMW, що займаються

водневим двигуном. В якості силового агрегату для автомобіля BMW віддає перевагу двигун

внутрішнього згоряння, який за сумою своїх якостей, як і раніше, володіє значними

перевагами.

H2R – розроблений всього за десять місяців

Ідея створення і розробка рекордного автомобіля BMW H2R належать легендарної дочірньої

компанії BMW під назвою BMW Forschung und Technik GmbH. Назва автомобіля H2R позначає

наступне: «H two Race Car» – «водневий рекордний автомобіль» або, як другий варіант, «водневий

дослідний автомобіль». «У нас на розробку було десять місяців», — розповідає Юрген Кюблер,

керівник проекту H2R. Але короткі терміни – це повсякденність для творчих інженерів. Правда,

роботу їм полегшували три обставини: по-перше, компоненти майбутнього водневого серійного

автомобіля BMW досягли такого ступеня зрілості, яка дозволила без всяких проблем інтегрувати

їх в рекордний автомобіль. По-друге, при розробці шасі інженери могли використовувати прекрасно

себе зарекомендувала ходову частину BMW, яка задовольняє найвищим вимогам.

по-третє, широке використання методів комп’ютерного проектування (CAD) дозволило заощадити

час і цілеспрямовано працювати.

Двигун: серійний дванадцятициліндровий з адаптацією до водню

Серце H2R грунтується в основному на кращому двигуні BMW, двенадцатицилиндровом силовому

агрегаті з робочим об’ємом шість літрів. Використання в якості палива водню стало можливим

завдяки адаптації системи управління двигуном і компонентів системи приготування робочої

суміші.

Важливою складовою частиною є клапан подачі водню і вибір матеріалу для камери згоряння. В

відміну від серійного двигуна, в якому паливо впорскується в камеру згоряння,

клапани подачі водню знаходяться у впускному колекторі. Для рекордних заїздів водневий

двигун внутрішнього згорання був переведений на моновалентний режим, тобто на роботу тільки на

водні.

Така конструкція дозволила інженерам налаштувати двигун спеціально на експлуатацію на

водні. Так, наприклад, кільця сідел клапанів виготовлені із спеціального матеріалу. Причина в тому,

у водню відсутня змащуючий ефект, властивий бензиново-повітряної суміші. Для

нагадування скажемо, що цей ефект погіршення змащення виникає також і при використанні

неетильованого бензину, і тому в серійних двигунах використовується матеріал з підвищеною

стійкістю.

Більший коефіцієнт корисної дії при використанні водню

Водень згорає по-іншому, ніж бензин чи солярка. При нормальному тиску повітря він згорає хоча і

швидше, але з дещо меншою температурою в порівнянні з бензином.

У двигуні висока швидкість згоряння суміші водню і повітря веде до того, що там виникає

висока температура, ніж при роботі на бензині. Тому система управління двигуном рекордного

автомобіля BMW H2R була адаптована таким чином, що суміш запалюється тільки в ВМТ поршня,

щоб тим самим домогтися максимальної потужності. Бензиново-повітряна суміш згорає порівняно

повільно. Тому з ростом частоти обертання її треба підпалювати все раніше, щоб мати максимальну

тиск до того моменту, коли поршень почне рух вниз. Більш високий тиск

воднево-повітряної суміші має при цьому очевидні переваги: більше віддачі при однакових

витратах енергії означає найкращий ккд.

Наскільки позитивним фактом є займистість водню в двигуні, настільки великого

уваги потребує якість поза камер згоряння. Щоб уникнути пропусків запалювання, інженери BMW

розробили спеціальну стратегію газообміну і уприскування.

Система плавного регулювання фаз газорозподілу BMW VANOS цілеспрямовано управляє

кількістю залишкових газів. Перш ніж надійде воднева суміш, камера згоряння охолоджується

повітрям. Тим самим вдається уникнути безконтрольного займання суміші.

VALVETRONIC створює оптимальні умови для використання водню

Система VALVETRONIC, яка здійснює регулювання фаз газорозподілу, надає

розробникам двигунів ідеальний засіб для управління складним процесом газообміну.

VALVETRONIC визначає як тривалість, так і висоту підйому клапанів. Працює система так: між

розподільним валом і парою впускних клапанів кожного циліндра розташований проміжний

валу проміжний важіль визначає, наскільки більше або менше стане хід клапана під

дією кулачка розподільного валу. Система VALVETRONIC працює разом з системою плавного

регулювання фаз газорозподілу BMW. Система, яка називається VANOS, є складовою

частиною концепції VALVETRONIC. Завдяки VANOS з допомогою регулятора з гідравлічним

управлінням, використовуваного в приводі розподільних валів, можна змінювати момент відкриття і закриття

клапанів. Абсолютно плавне регулювання фаз газорозподілу дозволяє оптимальним чином

адаптувати газообмін двенадцатицилиндрового двигуна до умов експлуатації на водні.

Спеціальні клапани для водневого двигуна

По можливості як можна більш пізня подача водню у впускний колектор ставить одночасно

високі вимоги до клапанів. Вони є абсолютно унікальною розробкою нової BMW. Так як

газоподібний водень володіє великим обсягом на одиницю енергії, ніж рідкий бензин, клапани для

подачі водню більше звичайних форсунок. До того ж вони задовольняють набагато більшій кількості

пред’являються до них умов: вони повинні працювати з різними рівнями тиску і бути

здатними забезпечувати як дуже короткі, так і довгі фази уприскування. Головна мета

розробників полягала в тому, щоб при максимальних обертах і при повному навантаженні забезпечити

подачу у впускний колектор необхідної кількості водню за дуже короткий момент уприскування.

Чисте сумішоутворення: менше витрат при часткових навантаженнях, більше енергії при повній

навантаженні

При повному навантаженні дванадцятициліндровий двигун працює на суміші з коефіцієнтом ?=1. Це

відповідає співвідношенню, з якими працюють сучасні бензинові двигуни і яке в

принципі забезпечує максимальну віддачу від двигуна внутрішнього згоряння. В діапазоні часткових

навантажень – і в цьому теж одна з переваг водню – двигун працює на збідненій суміші з

надлишком повітря. При згорянні водню в певній пропорції з повітрям утворюються оксиди

азоту. Межі цієї пропорції починаються з співвідношення дещо вище ?=1 і доходять до співвідношення

&gt2. Рішення: це «вікно» для роботи двигуна не вимагається. Швидкодіюча система управління

водневим двигуном BMW «перестрибує» його і тим самим дозволяє уникнути викидів NOx.

Результат: H2R володіє потужністю звичайного бензинового автомобіля, але його викиди – це практично

тільки водяну пару.

Техніка безпеки

Система живлення рекордного автомобіля BMW H2R грунтується на добре себе зарекомендувала

концепції серійної розробки. Заправляється H2R на мобільній водневої станції за допомогою

підключення через механічну заправну муфту. Двостінний бак з вакуумною ізоляцією вміщує

понад 11 кілограмів рідкого водню і розташований поруч з сидінням водія. Відразу три клапана

забезпечують максимальну безпеку: робочий клапан на баку відкривається при тиску 4,5 бар. Два

додаткових запобіжних клапана дбають про те, щоб витоку в оболонці, зберігає

низьку температуру, не призвели до небезпечних наслідків: клапани відкриваються, якщо всередині бака

тиск перевищить 5 бар. Завдяки подібній системі безпеки з подвійним резервуванням

виключається розрив бака з-за підвищеного тиску.

Теплообмінник замість бензинового насоса

Тиск газу в системі живлення створюється лише активним нагріванням глибоко охолодженого

рідкого водню в баку і утримується манометричним регулятором на рівні робочого тиску 3

бар. Потім охолоджуюча рідина двенадцатицилиндрового двигуна доводить температуру водню в

теплообміннику до температури навколишнього середовища.

Клапани

Інші клапани контролюють тиск газу на його шляху до двигуна: низькотемпературні клапани

всередині бака керують парканом водню. Якщо трубопровід для подачі стає негерметичних і

тиск подачі падає нижче 0,4 бар, забірні клапани закриваються і повністю ізолюють бак від

навколишнього середовища. Лінію живлення можна також закрити вручну кульовим краном. Для забезпечення

клапанах подачі водню оптимального тиску, який в залежності від умов руху може

змінюватись, система управління двигуном з допомогою регулювального клапана зменшує тиск в

лінії живлення приблизно до 1,2 бар.

Ця всеосяжна система забезпечення безпеки автомобіля H2R додатково постійно

знаходиться під контролем телеметрії, запозиченої в «Формули-1″. Чотири водневих датчика

критичних областях, наприклад у бака і муфти бака, розпізнають витоку і відразу інформують про це

водія.

Ходова частина

Працюючи над несучої структурою і шасі рекордного автомобіля BMW H2R розробники BMW Forschung

und Technik GmbH використовували серійні компоненти висококласного спортивного автомобіля BMW.

Від нього була взята несуча алюмінієва рама, звана також просторової рамою, і вся ходова

частина. Високоміцні структурні листи з алюмінію, легкого і стійкого до корозії матеріалу,

заповнюють простір між великими пресованими профілями, службовцями стійким

«каркасом». В результаті водій чудово відчуває автомобіль, який не вібрує і не трясеться.

Передня підвіска являє собою підвіску МакФерсона на амортизаційних стійках з рейковим

рульовим управлінням, алюмінієвими поперечними важелями, тяговими розтяжками і стабілізатором.

Підрамник – це зварна алюмінієва конструкція з пресованих профілів і листів, на якій

кріпляться всі елементи передньої підвіски. Сам підрамник кріпиться до кузова на різьбових з’єднаннях

шести місцях. Поперечний важіль, ковані деталь з алюмінію, має два кульові опори, які

дозволяють йому забезпечувати точне напрямок колеса. Ззаду завдання напрямки коліс вирішує

інтегральна підвіска 4, запатентована багатоважільна конструкція BMW зі стабілізатором.

Оптимальний контакт коліс з дорогою і забезпечують безпеку шини розмірності 245/40×19

Також ви можете прочитати