Motore a insuflazione d’idrogeno

Motore a insuflazione d’idrogeno

28 feb, 2011

Il propulsore bivalente come innovazione pratica e futuribile: il motore a dodici cilindri con iniezione diretta di benzina e insufflazione d’idrogeno nel collettore di aspirazione.

Con l’introduzione della , la prima ammiraglia di lusso idonea alla guida giornaliera azionata a idrogeno, lo sviluppo automobilistico compie un importante passo in avanti nel cammino verso una riduzione drastica delle emissioni di anidride carbonica. Il motore bivalente a 12 cilindri della è in grado di bruciare sia dell’idrogeno – senza produrre praticamente delle emissioni – sia della tradizionale benzina.

Attraverso questa rivoluzionaria innovazione motoristica, la Hydrogen 7 apre la strada per una transizione pratica in una mobilità automobilistica più rispettosa dell’ambiente. Le lacune d’approvvigionamento, dovute all’infrastruttura limitata di idrogeno, vengono superate dal motore bivalente a 12 cilindri della Hydrogen 7 in modo assai pratico. Questa innovazione tecnologica dimostra l’alto senso di responsabilità di Group come leader tecnologico nel campo della costruzione di motori.

Allo stato attuale della tecnica, solo il motore a combustione interna offre il vantaggio di potere funzionare in modo bivalente. Infatti, grazie al carattere bivalente del motore, i guidatori che hanno scelto l’energia pulita come forma di propulsione non verranno limitati nella loro mobilità individuale. L’autonomia della BMW Hydrogen 7 ammonta a 700 chilometri ed è stata addirittura estesa rispetto alle automobili con tradizionale motore a benzina. Rispetto alla tecnologia della fuel-cell, il motore a combustione interna offre un grado di maturità nettamente più alto, basato su esperienze decennali in materia.

In aggiunta all’affidabilità del concetto di motore, anche le eccellenti caratteristiche dinamiche del motore a combustione interna costituiscono un argomento importante per il suo utilizzo nell’esercizio giornaliero.

Dodici cilindri di serie con adattamento all’idrogeno.

Il motore a 12 cilindri della prima ammiraglia di lusso a idrogeno prodotta in serie e adatta alla guida di ogni giorno è derivato dal propulsore a benzina della BMW 760i e dispone delle più moderne tecnologie, come il comando valvole interamente variabile VALVETRONIC e la regolazione variabile degli alberi a camme al lato di aspirazione e di scarico Doppio VANOS. Il motore a combustione interna bivalente è impostato così che nei cilindri possono essere bruciati idrogeno o benzina. La particolarità: le prestazioni dell’automobile sono identiche in entrambe le forme di esercizio, il motore può passare direttamente e senza che sia percepibile una differenza nel comportamento di guida dalla gestione a idrogeno a quella a benzina.

Il propulsore eroga da una cilindrata di 6,0 litri una potenza di 191 kW/260 CV che accelera la BMW Hydrogen 7 a una velocità massima bloccata elettronicamente a 230 km/h. La coppia massima ammonta a 390 newtonmetri e viene raggiunta a un regime di 4.300 giri/min. La berlina ad idrogeno accelera da 0 a 100 km/h in 9,5 secondi. Nell’esercizio a idrogeno la BMW Hydrogen 7 ha un’autonomia di 200 chilometri, mentre altri 500 chilometri possono essere percorsi nella modalità a benzina. Con queste qualità il motore

V12 della prima automobile premium a idrogeno del mondo adatta alla guida di ogni giorno offre – indipendentemente dalla modalità di esercizio scelta – la dinamica, il comfort e l’affidabilità che contraddistinguono tutti i modelli BMW.

Per questo motivo la propulsione bivalente è particolarmente adatta ad aumentare l’accettazione della nuova energia di propulsione.

La VALVETRONIC crea le condizioni ottimali per l’esercizio a idrogeno.

L’idrogeno presenta delle caratteristiche di combustione completamente differenti dalla benzina o il gasolio. L’idrogeno brucia più rapidamente della benzina. Le caratteristiche di combustione della miscela aria/idrogeno offrono dei forti vantaggi, risultanti dalla maggiore velocità di combustione: con lo stesso quantitativo di energia è raggiungibile un rendimento superiore a quello della benzina. Le differenti caratteristiche di combustione dei due carburanti vengono compensate da una serie di funzioni speciali integrate nella gestione motore.

Per assicurarsi una gestione motore flessibile del motore V12 bivalente gli ingegneri di motoristica sono ricorsi alla VALVETRONIC, il comando del carico esente da farfalla, e alla regolazione variabile degli alberi a camme Doppio VANOS. Infatti, il complicato cambio di carica e ritmo d’insufflazione può essere adattato così alle caratteristiche della miscela aria/idrogeno.

La VALVETRONIC influenza la durata e la corsa del movimento delle valvole.

Con l’aiuto di una leva inserita tra l’albero a camme e le valvole di aspirazione dei cilindri, l’albero eccentrico comandato da un elettromotore traduce il sollevamento delle camme in movimenti delle valvole più grandi o più piccoli. Con l’aiuto del VANOS è possibile influenzare attraverso una regolatore a comando idraulico l’inizio e la fine dell’apertura della valvola.

Valvole d’insufflazione come tecnologia chiave.

Nel motore bivalente V12 la formazione di miscela aria/benzina e aria/idrogeno avviene in due processi differenti. Nell’esercizio a benzina il motore funziona secondo il principio di iniezione diretta di carburante, mentre la formazione di miscela con l’idrogeno avviene in collettori di aspirazione. I distributori di idrogeno sono stati integrati nell’impianto di aspirazione. Le valvole di insufflazione speciali costituiscono un’innovazione tecnologica fondamentale e dimostrano l’arte ingegneristica dei progettisti di motori BMW. Le valvole del gas sono ovviamente più grandi degli iniettori tradizionali e coprono uno scarto maggiore di volume di portata: infatti, devono essere in grado di lavorare con dell’idrogeno dalle pressioni di sistema molto differenti e con tempi d’iniezione molto brevi o molto lunghi. In centesimi di secondo apportano sempre il quantitativo preciso di idrogeno gassoso all’aria aspirata.

Una formazione di miscela pulita minimizza anche gli ossidi di azoto.

Il carbonio (C) contenuto nei carburanti di origine fossile determina nei concetti di propulsione tradizionali la formazione di emissioni la cui riduzione è molto complessa. Questo problema non esiste quando si utilizza dell’idrogeno perché la sua combustione non produce né dell’anidride carbonica (CO2), né degli idrocarburi (HC) né del monossido di carbonio (CO). Durante la combustione dell’olio di lubrificazione e il lavaggio del filtro a carbone attivo del serbatoio di benzina si formano però dei quantitativi minimi di emissioni di CO2, HC e CO: per questo motivo l’attività del della BMW Hydrogen 7 viene definita «praticamente esente da emissioni».

L’anidride carbonica si forma attraverso la combustione dei vapori di benzina e la trasformazione, nel catalizzatore, delle emissioni di HC e di CO. I filtri a carbone attivo vengono utilizzati nelle automobili a benzina solo per raccogliere l’evaporazione naturale della benzina, ad esempio in caso di una forte irradiazione solare. Le emissioni formatesi durante l’esercizio a idrogeno sono limitate dunque a una bassissima percentuale dei valori limite della norma Euro4.

Nell’esame delle emissioni del motore bivalente a 12 cilindri sono significative solo le emissioni di ossido di azoto (NOX). Ad alte temperature di combustione di oltre 1.000 gradi Centigradi nella camera di combustione si formano – indipendentemente dal tipo di carburante – delle emissioni di NOX, derivanti dal legame dell’azoto e dell’ossigeno dell’aria. La gestione motore flessibile della BMW Hydrogen 7 consente di adottare una strategia di esercizio che previene quasi completamente la formazione di emissioni di ossidi di azoto.

A pieno carico il motore bivalente a 12 cilindri viene regolato dalla quantità e funziona nell’esercizio cosiddetto stechiometrico. Questo significa che il rapporto aria/carburante è equilibrato (lambda = 1). In questo campo di esercizio si raggiunge la massima potenza del motore. Le emissioni di NOX sono minimizzabili attraverso un normale catalizzatore a tre vie. A carico parziale il comando del carico avviene in modo simile al motore diesel, attraverso una regolazione della qualità. In questo caso il motore lavora con una forte eccedenza di aria (lambda > 2), la miscela è magra. In questa miscela magra la combustione avviene a delle temperature molto più basse.

Dato che queste si trovano al di sotto del limite di formazione di NOX, le emissioni di NOX sono minime. Grazie al campo di accensione molto ampio dell’idrogeno, il motore può essere gestito nella modalità a idrogeno con una miscela molto magra, cioè con una quota di carburante particolarmente bassa, così da incrementare ulteriormente l’efficienza.

Nel campo tra il pieno carico (lambda = 1 ) e il carico parziale (lambda > 2), aumentano invece fortemente le emissioni grezze di NOX. La conseguenza è una forte crescita delle emissioni dei gas di scarico. La gestione motore della BMW Hydrogen 7 è in grado di sopprimere questo campo di esercizio e di passare direttamente dalla combustione magra a carico parziale alla combustione stechiometrica a pieno carico. Il campo di miscela negativo a livello di gas di scarico tra lambda = 1 e lambda > 2 viene saltato dalla gestione motore.

La strategia intelligente di esercizio del motore V12 bivalente consente di realizzare un’elevata potenza, indipendentemente dal carburante selezionato, e di minimizzare al contempo le emissioni dell’intera mappatura.

A questo scopo vengono sfruttate nel processo di combustione le particolari caratteristiche dell’idrogeno, così da ottimizzare la potenza, l’efficienza e le emissioni del propulsore. Il motore della Hydrogen 7 sviluppa anche nell’esercizio a idrogeno una dinamica adeguata, ma emette praticamente solo del vapore acqueo.

Attraverso l’innovativo concetto del motore a 12 cilindri bivalente BMW Group conferma nuovamente la propria core-competence nel settore della motoristica e consolida la propria posizione come costruttore innovativo di automobili.

 

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TAGS: bmw bmw hydrogen 7 fuel cell motore a idrogeno

3 commenti

  1. Franco Pace /

    Sono pienamente d’accordo con l’autore dell’articolo, a parte due punti che voglio sottolineare :

    1. l’idrogeno è preferibile stoccarlo dentro l’automobile a temperatura ambiente ( nella BMW Hydrogen 7 è contenuto allo stato liquido e quindi a bassissime temperature che rallentano la cinetica dei vari processi chimico – fisici che avvengono nell’automobile )

    2. nella combustione dell’idrogeno ad alta temperatura in presenza dell’azoto dell’aria si possono produrre tracce di ammoniaca che và eliminata molto probabilmente con il catalizzatore .

  2. Franco Pace /

    continuando con il commento precedente, c’è anche da dire che il consumo eccessivo di idrogeno nella BMW Hydrogen 7 che contiene l’idrogeno allo stato liquido è dovuto principalmente al fatto che per mantenere l’idrogeno allo stato liquido a bassissime temperature bisogna utilizzare un gruppo frigorifero che ovviamente avrà bisogno di un grande compressore per l’idrogeno gassoso ; tale compressore sarà mosso dal motore stesso e quindi questo spiega il grosso consumo di idrogeno della macchina stessa, che dovra sia muovere la macchina che muovere il compressore del circuito di raffreddamento.

    Distinti saluti

    Ing. Franco Pace

    • M.Padin /

      Egr. Ing. Pace. La ringrazio per le sue precisazioni.
      Questi commenti sono importanti perchè contribuiscono a fare chiarezza su moltissimi aspetti tecnici che riguardano non soltanto le problematiche dell’idrogeno, ma anche dei veicoli a propulsione alternativa in generale.
      Indirettamente il suo commento contribuisce a migliorare anche il nostro portale, che come si può vedere è diventato un quotidiano dei veicoli ecologici.
      Il portale è aperto a tutti coloro intenzionati a fare dei commenti, delle proposte o delle precisazioni; come ha fatto lei.
      Grazie.. grazie davvero.

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