Водородные технологии и концепты BMW

347

Efficient Dynamics – стратегия развития BMW, направленная на снижение расхода топлива и выбросов вредных веществ. Ее ключевые аспекты – достижение наивысшей эффективности двигателей, интеллектуальное управление потоками мощности в автомобиле, снижение аэродинамического сопротивления и облегчение конструкции. В рамках этой стратегии проводятся также исследования и испытания инновационных и альтернативных силовых установок.

Спектр исследований включает в себя как классические ДВС, так и гибридные технологии, использование водорода в качестве топлива и полностью электрический привод. К двум последним разработкам относится гибрид на топливных элементах и концепт с водородным реформером. Первый позволяет передвигаться в городской черте практически с нулевыми выбросами; второй же существенно уменьшает выбросы во время прогрева двигателя. Новая гибридная платформа с водородными топливными элементами предназначена для следующего поколения Mini и переднеприводных моделей BMW и планируется к выпуску в 2014 году. В настоящее время производство таких моделей сдерживает отсутствие сети водородных заправок.

Гибрид на топливных элементах с нулевым выбросом в городе

Гибрид с топливными ячейками
Гибрид с топливными ячейками

Изготовленный на базе BMW 1-ой серии, гибрид демонстрирует новый подход к использованию водорода в качестве топлива. Автомобиль оборудован четырехцилиндровым бензиновым ДВС, электродвигателем и вспомогательной силовой установкой (ВСУ) на основе топливных элементов. Сочетание ДВС с топливными ячейками позволяет использовать обе технологии с максимальной эффективностью. Использование водорода обеспечивает необходимую дальность хода и быструю заправку.

Размер топливного элемента достаточен для обеспечения движения автомобиля на малых скоростях, в то время как ДВС идеально подходит для дальних высокоскоростных загородных поездок. В условиях городского движения электроэнергия, вырабатываемая ВСУ, запасается в суперконденсаторах. Эта энергия отдается электродвигателю при разгоне и старте со светофора. Во время торможения и движения накатом электромотор работает как генератор, возвращая энергию в суперконденсаторы. Проводимые в настоящее время исследования и испытания имеют целью довести общий пробег гибрида в городском цикле до нескольких сотен километров.

Все компоненты гибрида легко устанавливаются в стандартный трехдверный кузов BMW 1 Series. ВСУ расположена под капотом вместе с ДВС, электродвигатель занимает место заднего редуктора и приводит в движение задние колеса. 82 кВт «электрической» мощности и высокий крутящий момент обеспечивают с самого старта «спортивный дух» BMW. Батарея суперконденсаторов заняла место КПП в центральном туннеле. 120-сильный ДВС крутит передние колеса. Объем бензинового бака уменьшен, что позволяет разместить рядом бак для водорода. Таким образом, внутреннее пространство кузова не уменьшилось, и в нем по-прежнему могут разместиться пять человек. Общий же вес автомобиля вырос незначительно.

Блок топливных ячеек
Блок топливных ячеек
Гараж Тулс

Технология низкотемпературных топливных ячеек с полимерной мембраной разрабатывалась BMW с 1997 года. С самого начала исследования были направлены на создание компактной ВСУ с максимально низким весом. Концепт BMW 750hL, представленный в начале 2000-х годов, использовал блок топливных ячеек как источник бортового питания. В настоящее время производится уже четвертое поколение ВСУ. Помимо увеличения срока службы до 5000 часов, эти устройства менее сложны, а, значит, имеют более высокую надежность.

Они уверенно работают при атмосферном давлении, а их КПД достигает 58%. ВСУ быстро реагирует на изменение нагрузки. Переход от режима холостого хода до максимальной мощности занимает всего лишь 5 миллисекунд. Полимерные топливные ячейки способны работать при низких температурах. Система приходит в рабочее состояние всего лишь через 30 секунд после «холодного» старта. Исследования показали, что после нескольких сотен «холодных» пусков параметры ВСУ не изменились.

ВСУ нового гибрида обеспечивает электропитанием всех потребителей сети аналогично с концептом BMW 750hL. При этом они не отбирают мощность ДВС. Это позволяет также улучшить и некоторые функции комфорта. Например, кондиционер или медиа-системы могут работать во время стоянки, питаясь от батареи топливных ячеек. ВСУ обеспечивает небольшую мощность на протяжении длительного периода времени; энергия же, запасенная в суперконденсаторах, позволяет развивать высокую мощность в течение короткого временного отрезка. Совместная работа этих устройств позволяет добиться идеального движения в городских условиях.

Реформер : меньше выбросов при холодном пуске

Устройство реформера
Устройство реформера

Концепт с реформером изготовлен на базе пятидверной BMW 1 серии. Известно, что наибольшее количество вредных веществ ДВС производит при холодном пуске и прогреве до тех пор, пока каталитический нейтрализатор не нагреется до рабочей температуры. Разработанный BMW реформер существенно снижает выбросы. Он может работать и с бензиновыми, и с дизельными моторами.

Идея заключается в том, что во время запуска и прогрева двигатель питается не обычным топливом, а газом, синтезированным из него в реформере. Конструкция реформера довольно проста. Он состоит из смесительной камеры со свечой и форсункой и катализатора. В катализаторе происходит расщепление углеводородных цепей, в результате чего синтезируется газ. Газ на 21% состоит из водорода и на 24% из окиси углерода.

Этот газ подается во впускной коллектор двигателя, полностью заменяя обычное топливо на время пуска и прогрева. Поскольку такая смесь сгорает практически без остатка, вредных выбросов образуется намного меньше. Двигатель может постоянно работать на синтезированном газе, однако в таком случае резко снижается КПД, т.к. в процессе расщепления 15-20% энергии топлива теряется в виде теплоты.

Работа ДВС с реформером
Работа ДВС с реформером

Однако это свойство имеет побочный положительный эффект: производимое в ходе реакции тепло быстрее прогревает двигатель до рабочей температуры. Серийному применению конструкции пока препятстсвуют ее сравнительно большие размеры и вес. Разработчики работают над тем, чтобы снизить вес реформера до 1,5 кг против нынешних 5 кг. Если это им удастся, реформер сможет заменить в дизелях дорогостоящие дополнительный нагреватель, сажевый фильтр, NOx катализатор, а в грузовых дизелях – систему SCR.

Что дальше?

Вот еще несколько «водородных» инноваций, над которыми работают в BMW.

  • Бак изменяемой формы для хранения жидкого водорода. Он изготовлен из армированного углеводородного волокна по технологиям аэрокосмической промышлености. Его вес на 30% меньше обычного стального. Емкость в 10 килограммов водорода обеспечивает более 500 км пробега. Возможность изменения формы позволяет адаптировать его к различным конструкциям автомобилей.
  • Двигатели, которые могут работать на двух видах топлива. До тех пор, пока сеть водородных заправок не развита, BMW разрабатывает моторы, которые могут одинаково эффективно работать и на бензине, и на водороде.
  • Криогенный двигатель, работающий на сверхохлажденном водороде. За основу был взят четырехцилиндровый мотор BMW M3. С литра рабочего объема удалось снять почти 92 л.с.