Test drive BMW e hidrogênio: parte dois

"Água. O único produto final dos motores limpos da BMW é o uso de hidrogênio líquido em vez de combustíveis derivados do petróleo, permitindo que todos desfrutem de novas tecnologias com a consciência tranquila”.

Maneira BMW

Estas palavras são uma citação de uma campanha publicitária de uma empresa alemã há vários anos. Por muito tempo ninguém questionou o fato de que os bávaros sabem muito bem o que estão fazendo quando se trata de tecnologia de motores e são um dos líderes mundiais indiscutíveis neste campo. Tampouco se pensaria que uma empresa que apresentou sólido crescimento de vendas nos últimos anos jogaria muito dinheiro em anúncios pouco conhecidos de tecnologias promissoras com futuro incerto.

Ao mesmo tempo, no entanto, as palavras citadas fazem parte de uma campanha para promover uma versão bastante exótica de hidrogênio de 745 horas do carro-chefe da montadora bávara. Exótico porque, segundo a BMW, a transição para alternativas aos combustíveis de hidrocarbonetos, que a indústria automobilística vem alimentando desde o início, exigirá uma mudança em toda a infraestrutura de produção. Este último é necessário porque os bávaros veem um caminho de desenvolvimento promissor não nas células de combustível amplamente anunciadas, mas na conversão de motores de combustão interna para funcionar com hidrogênio. A BMW acredita que a atualização é um problema solucionável e já fez progressos significativos na solução do principal problema de obter desempenho confiável do motor e eliminar sua propensão a processos de combustão descontrolados usando hidrogênio puro. O sucesso nessa direção se deve à competência no campo do controle eletrônico dos processos do motor e à possibilidade de usar os sistemas de distribuição de gás flexíveis patenteados pela BMW Valvetronic e Vanos, sem os quais seria impossível garantir o funcionamento normal dos "motores a hidrogênio" . No entanto, os primeiros passos nessa direção datam de 1820, quando o projetista William Cecil criou um motor movido a hidrogênio operando no chamado "princípio do vácuo" - um esquema muito diferente do motor inventado posteriormente com motor interno. . queimando. Em seu primeiro desenvolvimento de motores de combustão interna 60 anos depois, o pioneiro Otto usou o já mencionado gás sintético derivado do carvão com um teor de hidrogênio de cerca de 50%. Porém, com a invenção do carburador, o uso da gasolina tornou-se muito mais prático e seguro, e o combustível líquido substituiu todas as alternativas existentes até então. As propriedades do hidrogênio como combustível foram redescobertas muitos anos depois pela indústria espacial, que rapidamente descobriu que o hidrogênio tinha a melhor relação energia/massa de qualquer combustível conhecido pela humanidade.

Em julho de 1998, a Associação Europeia da Indústria Automotiva (ACEA) comprometeu-se com a União Europeia a reduzir as emissões de CO2008 de veículos recém-registrados na União em uma média de 2 gramas por quilômetro em 140. Na prática, isso significou uma redução de 25% nas emissões em relação a 1995, e o consumo médio de combustível da nova frota foi de cerca de 6,0 l / 100 km. Em um futuro próximo, espera-se que medidas adicionais reduzam as emissões de dióxido de carbono em 14% até 2012. Isso torna a tarefa para as montadoras extremamente difícil e, de acordo com os especialistas da BMW, pode ser resolvida usando combustíveis com baixo teor de carbono ou eliminando completamente o carbono da composição do combustível. De acordo com essa teoria, o hidrogênio está reaparecendo na arena automotiva em toda a sua glória.

A empresa bávara se tornou a primeira fabricante de automóveis a produzir veículos movidos a hidrogênio em massa. As afirmações otimistas e confiantes do Professor Burkhard Geschel, membro do conselho da BMW responsável por novos desenvolvimentos, de que "a empresa venderá carros a hidrogênio antes do vencimento do atual Série 7" se tornaram realidade. Com sua versão mais recente, o Hydrogen 7, a sétima série, lançado em 2006, com motor de 12 cilindros de 260 cv. esta mensagem já se tornou realidade. A intenção parecia bastante ambiciosa, mas não sem razão. A BMW tem experimentado motores de combustão interna movidos a hidrogênio desde 1978 e, em 11 de maio de 2000, fez uma demonstração única das possibilidades dessa alternativa. Uma impressionante frota de 15 veículos de 750 hl da geração anterior da semana, movidos a motores de doze cilindros a hidrogênio, completou a maratona de 170 km, destacando o sucesso da empresa e a promessa de novas tecnologias. Em 000 e 2001, alguns desses veículos continuaram a participar de várias demonstrações em apoio à ideia do hidrogênio. Então chegou a hora de um novo desenvolvimento baseado no próximo Série 2002, usando um moderno motor V-7 de 4,4 litros capaz de uma velocidade máxima de 212 km / h, seguido pelo mais recente desenvolvimento com um V-12 de XNUMX cilindros. De acordo com a opinião oficial da empresa, os motivos pelos quais a BMW escolheu essa tecnologia em vez das células de combustível são comerciais e psicológicos. Em primeiro lugar, esse método exigirá muito menos investimento se a infraestrutura de produção for alterada. Em segundo lugar, porque as pessoas estão acostumadas com o bom e velho motor de combustão interna, elas gostam e será difícil desfazer-se dele. E terceiro, entretanto, descobriu-se que essa tecnologia está se desenvolvendo mais rápido do que a tecnologia de células de combustível.

Nos carros da BMW, o hidrogênio é armazenado em um recipiente criogênico superisolado, como uma garrafa térmica de alta tecnologia desenvolvida pelo grupo alemão de refrigeração Linde. Em baixas temperaturas de armazenamento, o combustível está na fase líquida e entra no motor como combustível normal.

Nesta fase, os projetistas da empresa sediada em Munique se concentraram na injeção indireta de combustível, e a qualidade da mistura depende do modo de operação do motor. No modo de carga parcial, o motor funciona com misturas pobres semelhantes ao óleo diesel - a alteração é feita apenas na quantidade de combustível injetado. Esse é o chamado “controle de qualidade” da mistura, em que o motor funciona com excesso de ar, mas devido à baixa carga, a formação de emissões de nitrogênio é minimizada. Quando há necessidade de potência significativa, o motor passa a funcionar como um motor a gasolina, passando para o chamado "controle quantitativo" da mistura e das misturas normais (não pobres). Essas mudanças são possíveis, por um lado, devido à velocidade do controle eletrônico dos processos no motor e, por outro lado, devido à operação flexível dos sistemas de controle de distribuição de gás - Vanos “duplos”, trabalhando em conjunto com o Sistema de controle de admissão Valvetronic sem acelerador. Deve-se ter em mente que, de acordo com os engenheiros da BMW, o esquema de trabalho deste desenvolvimento é apenas um estágio intermediário no desenvolvimento da tecnologia e que no futuro os motores passarão a injeção direta de hidrogênio em cilindros e turboalimentação. Espera-se que essas técnicas resultem em uma melhor dinâmica do veículo do que um motor a gasolina comparável e um aumento na eficiência geral do motor de combustão interna em mais de 50%. Aqui, deliberadamente evitamos tocar no tópico de "células de combustível", uma vez que esta questão tem sido usada de forma bastante ativa recentemente. Ao mesmo tempo, porém, devemos mencioná-los no contexto da tecnologia de hidrogênio da BMW, já que os projetistas em Munique decidiram usar apenas esses dispositivos para alimentar a rede elétrica de bordo dos carros, eliminando completamente a energia da bateria convencional. Essa mudança permite uma economia adicional de combustível, pois o motor a hidrogênio não precisa acionar o alternador, e o sistema elétrico de bordo torna-se totalmente autônomo e independente do percurso de condução - pode gerar eletricidade mesmo quando o motor não está funcionando, além de produzir e consumir energia se presta à otimização total. O fato de que apenas a eletricidade necessária agora pode ser produzida para alimentar a bomba de água, bombas de óleo, impulsionador de freio e sistemas com fio também se traduz em economia adicional. Porém, em paralelo a todas essas inovações, o sistema de injeção de combustível (gasolina) praticamente não sofreu alterações de design caras. Para promover a tecnologia do hidrogênio em junho de 2002, BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN criou o programa de parceria CleanEnergy, que começou com o desenvolvimento de postos de abastecimento com hidrogênio liquefeito e comprimido.

A BMW é a iniciadora de vários outros projetos conjuntos, inclusive com empresas de petróleo, entre as quais os participantes mais ativos são Aral, BP, Shell, Total. O interesse nesta área promissora está crescendo exponencialmente - nos próximos dez anos, só a UE fornecerá contribuições financeiras diretas para fundos para financiar o desenvolvimento e implementação de tecnologias de hidrogênio no valor de 2,8 bilhões de euros. O volume de investimentos de empresas privadas no desenvolvimento de "hidrogênio" durante este período é difícil de prever, mas é claro que muitas vezes excederá as deduções de organizações sem fins lucrativos.

Hidrogênio em motores de combustão interna

É interessante notar que, devido às propriedades físicas e químicas do hidrogênio, ele é muito mais inflamável que a gasolina. Na prática, isso significa que muito menos energia inicial é necessária para iniciar o processo de combustão no hidrogênio. Por outro lado, misturas muito pobres podem ser facilmente usadas em motores a hidrogênio - algo que os modernos motores a gasolina conseguem por meio de tecnologias complexas e caras.

O calor entre as partículas da mistura hidrogênio-ar é menos dissipado e, ao mesmo tempo, a temperatura de autoignição e a taxa de processos de combustão são muito maiores que a da gasolina. O hidrogênio tem baixa densidade e forte difusividade (possibilidade de partículas penetrarem em outro gás - neste caso, o ar).

A baixa energia de ativação necessária para a autoignição é um dos maiores desafios no controle dos processos de combustão em motores a hidrogênio, pois a mistura pode facilmente entrar em ignição espontânea devido ao contato com áreas mais quentes da câmara de combustão e à resistência em seguir uma cadeia de processos totalmente descontrolada. Evitar esse risco é um dos maiores desafios no desenvolvimento de motores a hidrogênio, mas não é fácil eliminar as consequências do fato de uma mistura de combustão altamente difusa passar muito perto das paredes do cilindro e poder penetrar em frestas extremamente estreitas. como válvulas fechadas, por exemplo... Tudo isso deve ser levado em consideração na hora de projetar esses motores.

Uma alta temperatura de autoignição e um alto número de octanas (cerca de 130) permitem um aumento na taxa de compressão do motor e, portanto, sua eficiência, mas novamente há o perigo de autoignição do hidrogênio pelo contato com a parte mais quente. no cilindro. A vantagem da alta capacidade de difusão do hidrogênio é a possibilidade de fácil mistura com o ar, o que, em caso de quebra do tanque, garante uma dispersão rápida e segura do combustível.

A mistura ar-hidrogênio ideal para a combustão tem uma relação de aproximadamente 34:1 (para a gasolina esta relação é de 14,7:1). Isso significa que, ao combinar a mesma massa de hidrogênio e gasolina no primeiro caso, é necessário mais do que o dobro de ar. Ao mesmo tempo, a mistura hidrogênio-ar ocupa muito mais espaço, o que explica por que os motores movidos a hidrogênio têm menos potência. Uma ilustração puramente digital de proporções e volumes é bastante eloquente - a densidade do hidrogênio pronto para combustão é 56 vezes menor que a do vapor da gasolina .... No entanto, deve-se notar que, em princípio, os motores a hidrogênio também podem operar com misturas ar-hidrogênio de até 180:1 (ou seja, misturas muito "pobres"), o que, por sua vez, significa que o motor pode ser operado. sem válvula borboleta e usar o princípio dos motores a diesel. Também deve ser notado que o hidrogênio é o líder indiscutível na comparação de hidrogênio e gasolina como fontes de energia em termos de massa - um quilo de hidrogênio é quase três vezes mais intensivo em energia do que um quilo de gasolina.

Assim como nos motores a gasolina, o hidrogênio liquefeito pode ser injetado diretamente à frente das válvulas nos coletores, mas a melhor solução é injetar diretamente durante o curso de compressão - nesse caso, a potência pode exceder em 25% a de um motor a gasolina semelhante. Isso ocorre porque o combustível (hidrogênio) não desloca o ar como em um motor a gasolina ou diesel, permitindo apenas que o ar (significativamente mais do que o normal) encha a câmara de combustão. Além disso, ao contrário dos motores a gasolina, os motores a hidrogênio não precisam de redemoinho estrutural porque o hidrogênio se difunde bem o suficiente com o ar sem essa medida. Devido às diferentes taxas de queima em diferentes partes do cilindro, é melhor colocar duas velas de ignição, e em motores a hidrogênio, o uso de eletrodos de platina é inviável, pois a platina se torna um catalisador que leva à oxidação do combustível em baixas temperaturas.

H2R

O H2R é um protótipo funcional superesportivo construído por engenheiros da BMW e alimentado por um motor de doze cilindros que atinge uma potência máxima de 285 cv quando movido a hidrogênio. Graças a eles, o modelo experimental acelera de 0 a 100 km/h em seis segundos e atinge a velocidade máxima de 300 km/h. O motor H2R é baseado na unidade topo de linha padrão usada no 760i a gasolina e levou apenas dez meses para se desenvolver. Para evitar a combustão espontânea, os especialistas bávaros desenvolveram um ciclo de fluxo especial e uma estratégia de injeção na câmara de combustão, usando as possibilidades oferecidas pelos sistemas de distribuição variável de válvulas do motor. Antes da mistura entrar nos cilindros, estes são resfriados a ar, e a ignição é realizada apenas no ponto morto superior - devido à alta taxa de combustão com combustível hidrogênio, não é necessário avanço de ignição.

Descobertas

A análise financeira da transição para a energia do hidrogênio puro ainda não é muito otimista. A produção, armazenamento, transporte e fornecimento de gás leve ainda são processos que consomem muita energia e, no atual estágio tecnológico do desenvolvimento humano, tal esquema não pode ser eficaz. No entanto, isso não significa que as pesquisas e a busca de soluções não terão continuidade. As propostas para gerar hidrogênio a partir da água usando eletricidade de painéis solares e armazená-lo em grandes tanques parecem otimistas. Por outro lado, o processo de geração de eletricidade e hidrogênio na fase gasosa no Deserto do Saara, transportando-o para o Mar Mediterrâneo por oleoduto, liquefazendo e transportando em tanques criogênicos, descarregando em portos e finalmente transportando em caminhão, parece um pouco ridículo no momento ...

Uma ideia interessante foi recentemente apresentada pela petrolífera norueguesa Norsk Hydro, que propôs a produção de hidrogênio a partir de gás natural em locais de produção no Mar do Norte, e o monóxido de carbono residual foi armazenado em campos esgotados no fundo do mar. A verdade está em algum lugar no meio, e só o tempo dirá para onde o desenvolvimento da indústria do hidrogênio irá.

Variante Mazda

A empresa japonesa Mazda também está mostrando sua versão do motor a hidrogênio - na forma de um carro esportivo RX-8 com unidade rotativa. Isso não é surpreendente, porque os recursos de design do motor Wankel são extremamente adequados para o uso de hidrogênio como combustível. O gás é armazenado sob alta pressão em um tanque especial, e o combustível é injetado diretamente nas câmaras de combustão. Devido ao fato de que, no caso dos motores rotativos, as áreas onde ocorre a injeção e a combustão são separadas e a temperatura na parte de sucção é menor, o problema da possibilidade de ignição descontrolada é significativamente reduzido. O motor Wankel também oferece espaço suficiente para dois injetores, o que é extremamente importante para injetar a quantidade ideal de hidrogênio.